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Cindy L. Stanfield
PRINCIPIOS DE
FISIOLOGÍA HUMANA C UA R TA E D I C I Ó N
Cindy L. Stanfield Universidad del Sur de Alabama
TRADUCCIÓN Ediciones gráficas Arial, S. L.
MAQUETACIÓN Y REVISIÓN TÉCNICA
GEA Consultoría Editorial, s. l. REVISIÓN TÉCNICA Juan Argüelles Luis Profesor Titular de Fisiología Universidad de Oviedo
es un sello editorial de
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PRINCIPIOS DE FISIOLOGÍA HUMANA Cuarta edición Cindy L. Stanfield PEARSON EDUCACIÓN, S.A., 2011 ISBN: 978-84-7829-130-4 Materia: Fisiología, 612 Formato: 215 270
Páginas: 796
Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y sgts. Código penal). Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos –www.cedro.org), si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra. DERECHOS RESERVADOS ©2011, PEARSON EDUCACIÓN S. A. Ribera del Loira, 28 28042 Madrid (España) www.pearsoneducacion.com ISBN: 978-84-7829-123-6 Depósito legal: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Authorized translation from the English language edition, entitled PRINCIPLES OF HUMAN PHYSIOLOGY, 4th Edition by CINDY STANFIELD, published by Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings, Copyright © 2011. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. SPANISH language edition published by PEARSON EDUCACIÓN S.A., Copyright © 2011. Equipo editorial: Editor: Miguel Martín-Romo Técnico Editorial: Esther Martín Equipo de producción: Director: José Antonio Clares Técnico: Tini Cardoso Diseño de cubierta: Copibook, s. l. Impreso por: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN Este libro ha sido impreso con papel y tintas ecológicos Nota sobre enlaces a páginas web ajenas: Este libro puede incluir enlaces a sitios web gestionados por terceros y ajenos a PEARSON EDUCACIÓN, S. A. que se incluyen solo con finalidad informativa. PEARSON EDUCACIÓN, S. A. no asume ningún tipo de responsabilidad por los daños y perjuicios derivados del uso de los datos personales que pueda hacer un tercero encargado del mantenimiento de las páginas web ajenas a PEARSON EDUCACIÓN, S. A. y del funcionamiento, accesibilidad o mantenimiento de los sitios web no gestionados por PEARSON EDUCACIÓN, S. A. Las referencias se proporcionan en el estado en que se encuentran en el momento de publicación sin garantías, expresas o implícitas, sobre la información que se proporcione en ellas.
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A mi marido, Jim, por estar siempre allí.
Sobre la autora Cindy L. Stanfield obtuvo tanto su licenciatura como su doctorado en Fisiología en la Universidad de California en Davis. Su experiencia con la investigación neurofisiológica siendo estudiante universitaria le incitó el interés por cursar el doctorado. En la universidad, Stanfield estudió el papel de los neuropéptidos en la modulación del dolor y dio clases en varios cursos de laboratorio sobre Fisiología, lo que despertó su gusto por la enseñanza. Actualmente, enseña Fisiología humana e imparte cursos de laboratorio y Neurociencia en la Universidad del Sur de Alabama y continúa con sus investigaciones de Neurofisiología sobre modulación sensorial. Stanfield recibió el galardón Excellence in Service del College of Allied Health Professions en 2003 y el galardón Excellence in Teaching de la Alumni Association de la Universidad del Sur de Alabama en 2004. Además de sus responsabilidades en la enseñanza y en la investigación, también trabaja como asesora de los futuros profesionales de la salud en la Universidad del Sur de Alabama. Stanfield es miembro de la Sociedad de Neurociencia (Society for Neuroscience), de la Asociación Internacional para el Estudio del Dolor (International Association for the Study of Pain), de la Sociedad Americana del Dolor (American Pain Society) y de la Asociación Nacional de Asesores para las Profesiones relacionadas con la Salud (National Association of Advisors for the Health Professions). Reside en Mobile, Alabama, con su marido, Jim, y sus muchos gatos y perros.
C.L.S.
Prefacio
P
rincipios de fisiología humana pretende ser un libro que facilite al estudiante, en la medida de lo posible, el aprendizaje de la fisiología humana a la vez que proporciona una perspectiva general sólida y amplia sobre el tema. Creemos que un libro de texto sobre fisiología debería enfatizar la comprensión de conceptos por encima de la mera memorización de hechos, así como proporcionar herramientas a los estudiantes que cuentan con diversos niveles de preparación en materias como Biología, Química, Física y Ciencias afines para ayudarles en su estudio individual. Al abordar la cuarta edición inglesa, se han realizado una serie de mejoras teniendo en cuenta estos objetivos. Al mismo tiempo, se han mantenido las características del libro que han demostrado tener éxito: un estilo de escritura claro y preciso, un programa diseñado para maximizar el aprendizaje del estudiante y cualidades pedagógicas que estimulan el interés del lector, le ayudan a pensar en procesos fisiológicos de una manera integral y refuerzan los conceptos más importantes. El mayor cambio en esta cuarta edición se plasma en la ejemplificación de cómo una enfermedad puede afectar a todos los sistemas de órganos empleando la diabetes como paradigma. El capítulo 1 presenta la diabetes como una epidemia global y describe las diversas clasificaciones de diabetes y su diagnóstico. Cada capítulo posterior trata la diabetes en relación con el tema central del capítulo. En el nuevo capítulo 24 final, Diabetes mellitus, se tratan en profundidad los síntomas, los tratamientos y las nuevas direcciones que está tomando la investigación sobre este trastorno.
Novedades de la cuarta edición En respuesta a la información que hemos recibido de numerosos revisores y profesores, hemos mejorado esta edición en lo que respecta a: n Integración de sistemas. Los apartados de integración de sistemas se han añadido al principio y al final de cada capítulo, relacionando el contenido del capítulo con lo que ya se ha aprendido y preparando a los estudiantes para lo que van a estudiar más adelante. n Nuevo estilo de los diagramas de flujo. En los diagramas se han empleado diferentes colores para indicar el estímulo, la respuesta de los sistemas de órganos y el efecto de la respuesta. También se han añadido claves para ayudar a la comprensión del estudiante. n Nuevos estilos artísticos en las figuras y en las representaciones de células. Se han redibujado las figuras humanas y las representaciones celulares para añadir realismo y dimensión, con el fin de ayudar al estudiante a visualizar los entornos físicos en los que tienen lugar los procesos fisiológicos.
n Comprender el ejercicio. La nueva sección «Comprender el ejercicio» permite al estudiante recorrer en profundidad cómo se adapta y ajusta la fisiología del organismo al ejercicio a corto y largo plazo. n Respuestas a los ejercicios del final de cada capítulo. Ahora, se dedica un apartado al final del libro en el que el estudiante hallará las respuestas a los ejercicios del final de cada capítulo. n Respuestas a las preguntas de las figuras. Las respuestas a las preguntas de las figuras se han pasado de la página en la que aparecía la figura al apartado de «Respuestas» al final del libro para animar a los estudiantes a que piensen más sobre la pregunta antes de buscar su respuesta. También se ha revisado cuidadosamente cada capítulo en respuesta a las sugerencias de los revisores. Lo que sigue es un resumen de los cambios más importantes de cada capítulo. Capítulo 1: Introducción a la fisiología n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: El desafío de la homeostasis» n Un «Test rápido» adicional n Dos diagramas de flujo revisados n Un nuevo apartado al final del capítulo: «Integración de sistemas» Ñ Incidencia de la diabetes: clasificaciones, diagnósticos, síntomas y tratamiento. Capítulo 2: Células: estructura y función n Nuevo cuadro:«Conexiones clínicas: ADN mitocondrial en las enfermedades, la antropología y la medicina forense» n Cuadro revisado: «Descubrimiento: Vaults y quimioterapia» n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional n Tres representaciones de células revisadas n Nueva tabla que muestra el código genético humano n Cuadro revisado: «Repaso de química: Átomos y moléculas» n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: síntesis de insulina Capítulo 3: Metabolismo celular n Nueva figura: «Equilibrio químico y ley de acción de masas» n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional n Ampliación del debate sobre las reacciones de oxidaciónreducción n Nuevo apartado «Energía y las leyes de la termodinámica»
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n Ampliación del debate sobre las leyes de la acción de masas n Ampliación del debate sobre el mecanismo de la unión de las enzimas n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Fuentes de energía para las células musculares» n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: efectos de la insulina en el metabolismo celular Capítulo 4: Transporte de la membrana celular n Ampliación del debate sobre el potencial de membrana n Dos «Comprueba tus conocimientos» adicionales n Nueva figura: «Transporte activo a través de la membrana» n Diez representaciones de células revisadas n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Producción de sudor» n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: transportadores GLUT4; efectos de los fallos en el transporte de la glucosa Capítulo 5: Mensajeros químicos n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Mensajeros químicos del ejercicio» n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional n Cuadro revisado: «Conexiones clínicas: Desde el ácido acetilsalicílico a los inhibidores COX-2» n Cuadro revisado: «Conexiones clínicas: Cólera y proteínas G» n Trece representaciones de células revisadas n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: efectos del ejercicio en los niveles de insulina en sangre y en la captación de glucosa Capítulo 6: Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional n Ampliación del debate sobre la regulación de la liberación de cortisol n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Por qué los atletas toman esteroides» n Una figura revisada n Cinco diagramas de flujo revisados n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: células beta y liberación de insulina; diabetes como trastorno de las células frente al trastorno de los receptores/señales de transducción Capítulo 7: Células nerviosas y señales eléctricas n Ampliación del debate sobre las células gliales n Una representación de células revisada n Un diagrama de flujo revisado n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: debate sobre las neuropatías Capítulo 8: Transmisión sináptica e integración neural n Dos «Test rápido» adicionales n Ampliación de la tabla 8.1
v
n Siete representaciones de células revisadas n Nuevo apartado dedicado a las «Purinas» n Debate sobre el neuropéptido de reciente descubrimiento orexina n Ampliación del debate sobre los endocannabinoides Ñ Incidencia de la diabetes: continuación del debate sobre las neuropatías Capítulo 9: Sistema nervioso: sistema nervioso central n Ampliación del debate sobre los astrocitos n Ampliación del debate sobre la sustancia gris y la sustancia blanca n Ampliación del debate sobre los ciclos de sueño-vigilia n Dos figuras revisadas n Dos representaciones de células revisadas n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: ¿Puede el ejercicio afectar al encéfalo?» n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: transporte de la glucosa a través de la barrera hematoencefálica; síntomas del SNC en los casos de hipoglucemia e hiperglucemia en relación a los niveles de insulina y la diabetes Capítulo 10: Sistema nervioso: sistemas sensoriales n Ampliación del debate sobre los termorreceptores y los nocirreceptores, incluyendo una nueva tabla: «Canales iónicos con un potencial de receptor transitorio en los termorreceptores y nocirreceptores» n Ampliación del debate sobre las diferencias entre los conos y los bastones n Ampliación del debate sobre la visión del color y la transducción del sonido, el gusto y el olfato n Ampliación del apartado dedicado a la anatomía del sistema olfativo n Nuevo cuadro:«Conexiones clínicas: Ceguera para el color» n Cinco imágenes nuevas n Cuatro representaciones de células revisadas n Dos figuras revisadas n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: retinopatías; pérdida de estímulos sensoriales en las extremidades distales y lo que puede ocasionar una amputación Capítulo 11: Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor n Ampliación del debate sobre la anatomía del sistema nervioso simpático n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Adaptaciones del sistema nervioso periférico» n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo n Un diagrama de flujo revisado n Una figura revisada n Cuatro representaciones de células revisadas Ñ Incidencia de la diabetes: continuación del debate sobre las neuropatías Capítulo 12: Fisiología muscular n Revisión del debate sobre la terminología de las bandas de fibras musculares n Ampliación del debate sobre el ciclo de los puentes transversos
vi
P R E FAC I O
n n n n
Ampliación del debate sobre los receptores DHP Cuatro imágenes nuevas Dos representaciones de células revisadas Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: nuevo cuadro «Comprender el ejercicio: Diabetes mellitus»
Capítulo 13: Aparato cardiovascular: función cardíaca n Ampliación del debate sobre la anatomía del corazón y su situación en el tórax n Ampliación del debate sobre la extrasístole n Ampliación del debate sobre la fibrilación auricular n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Actividad simpática n Nueva figura en el cuadro «Caja de herramientas: Ley de Laplace» n Dos diagramas de flujo revisados n Dos figuras revisadas n Tres representaciones de células revisadas n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: miocardiopatía y sus implicaciones en casos de infarto de miocardio Capítulo 14: Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Regulación independiente del flujo sanguíneo» n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Respuestas cardiovasculares al ejercicio suave» n Ampliación del debate sobre los mecanismos intrínsecos que regulan el flujo sanguíneo n Cuatro diagramas de flujo revisados n Una figura revisada n Una representaciones de células revisadas n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: efectos de la diabetes en los vasos sanguíneos Capítulo 15: Aparato cardiovascular: sangre n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Efectos de las grandes alturas» n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: nuevo apartado «Diabetes y enfermedad cardiovascular» Capítulo 16: Aparato respiratorio: ventilación pulmonar n Ampliación del debate sobre las presiones pulmonares n Un diagrama de flujo revisado n Una figura revisada n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Efectos del ejercicio sobre la ventilación» n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Capítulo 17: Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración n Cuatro diagramas de flujo revisados n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Función de los receptores sensoriales»
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Reclutamiento de capacidades respiratorias de reserva» n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: cetoacidosis y compensación respiratoria Capítulo 18: Aparato urinario: función renal n Tres diagramas de flujo revisados n Una figura revisada n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: efectos de un alto nivel de glucosa en el tratamiento renal, la nefropatía y la insuficiencia renal Capítulo 19: Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Sudoración, rehidratación y equilibrio hídrico» n Ampliación del debate sobre la reabsorción de agua n Ampliación del debate sobre la urea n Un «Test rápido» adicional n Nueve diagramas de flujo revisados n Nueve representaciones de células revisadas n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: ampliación del debate sobre la diabetes insípida Capítulo 20: Aparato digestivo n Ampliación del debate sobre la anatomía del hígado n Un «Test rápido» adicional n Tres diagramas de flujo revisados n Cinco figuras revisadas n Cinco representaciones de células revisadas n Ampliación del debate sobre la leptina n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Función de la dieta» n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: nuevo apartado «Obesidad y diabetes» Capítulo 21: Sistema endocrino: regulación del metabolismo energético y del crecimiento n El tema de la termorregulación, anteriormente estaba en el primer capítulo, se ha cambiado al capítulo 21 para permitir una mayor profundidad en el debate n Un «Test rápido» adicional n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Metabolismo energético» n Tres nuevas figuras n Ocho diagramas de flujo revisados n Dos representaciones de células revisadas n Ampliación del debate sobre la leptina n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: ampliación del debate sobre los transportadores GLUT4 Capítulo 22: Aparato reproductor n Seis diagramas de flujo revisados n Tres figuras revisadas
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n Nuevo cuadro: «Comprender el ejercicio: Diferencias de sexo» n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: diabetes gestacional Capítulo 23: Sistema inmunitario n Dos figuras revisadas n Tres representaciones de células revisadas n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Movilización leucocitaria»
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n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al comienzo y al final del capítulo Ñ Incidencia de la diabetes: relación entre los medicamentos antirrechazo y el desarrollo y la progresión de la diabetes
Las páginas siguientes proporcionan un resumen visual de las características y los complementos de esta edición.
Un enfoque novedoso sobre la integración de sistemas La cuarta edición pone más énfasis que nunca en la integración de sistemas para ayudar a los estudiantes a comprender mejor cómo funciona el cuerpo humano en su totalidad. La diabetes como ejemplo de enfermedad que afecta a los diferentes sistemas, nuevos ejercicios y el apartado «Integración de sistemas» al final de cada capítulo destacan cómo los sistemas del organismo trabajan conjuntamente.
La diabetes como aplicación clínica se integra en todo el proceso
Encéfalo: obnubilación, coma Ojo: retinopatía
Esta edición se centra especialmente en la integración de los sistemas utilizando el ejemplo clínico de la diabetes a lo largo de los capítulos para ilustrar cómo se interrelacionan los procesos fisiológicos. El capítulo 1 presenta la enfermedad y un nuevo capítulo final, «Diabetes mellitus», ofrece una perspectiva de todo el organismo y proporciona una visión global sobre este trastorno. Además de estos dos capítulos, el tema de la diabetes se trata a lo largo del libro siempre que su utilización como ejemplo clínico es relevante. (Véase la página iv para una lista detallada capítulo a capítulo con los apartados dedicados a la incidencia de la diabetes.)
Corazón: miocardiopatía Riñones: nefropatía, proteinuria, poliuria Tubo gastrointestinal: polifagia Gónadas: impotencia
C A P Í T U LO 1
que temporalmente inhibe la capacidad de los ovarios de secretar estrógenos. La reducción resultante de las concentraciones de estrógenos en sangre elimina el estímulo que causó el primer aumento de secreción de hormona luteinizante, permitiendo así que la concentración de hormona luteinizante baje.
Vasos sanguíneos: lesión microvascular o macrovascular, aterosclerosis
Raza/etnia
% con diabetes
Blancos
6,6
Diabetes: una epidemia La diabetes es una enfermedad metabólica que afecta a las concentraciones de glucosa en sangre y al volumen de plasma, y que causa sed excesiva y pérdida de líquidos, entre otras cosas. De hecho, la diabetes afecta a todos los sistemas del cuerpo humano. El término «diabetes» fue utilizado por primera vez en el siglo II por un médico griego, Areteo de Capadocia. Diabetes es una palabra griega que significa «sifón» o «flujo a través de», y describe el flujo excesivo de orina que caracteriza a la enfermedad.
Pies: úlceras
p. 694 p. 13
10,4
Afroamericanos
11,8
Nativos americanos y nativos de Alaska
14,2*
*La pr evalencia varía considerablemente entre los grupos, siendo la prevalencia más baja (6%) la correspondiente a los nativos de Alaska y la más alta (29,3%) la correspondiente a los nativos americanos del sur de Arizona.
400 350 300 250 200 150 100 50 0 1985
1992
1999
2006 Año
2013
2020
2025
FIGURA 1.9 Prevalencia de la diabetes en el mundo. Los datos para 2025 se predicen basándose en las tendencias actuales.
Prevalencia de la diabetes
FIGURA 24.1 Efectos de la diabetes en los órganos de todo el cuerpo.
7,5
Hispanos
Número de casos (millones)
1. Define qué es la homeostasis y explica cómo permite que el organismo se adapte a cambios en su medio. 2. Explica cómo funciona la retroalimentación negativa para mantener la homeostasis. 3. En ciertas formas de diabetes, las células beta del páncreas dejan de secretar insulina a niveles adecuados. Describe cómo una falta de insulina afectaría a la concentración de glucosa en sangre.
Nervios periféricos: neuropatía
La prevalencia de la diabetes en la población mundial hace de ella una de las mayores preocupaciones sanitarias para todos. Por ejemplo, en EE. UU., según la American Diabetes Association, el 8% de la población (24 millones de personas) tienen diabetes, lo que supone un aumento del 13,5% en pocos años. De esos 24 millones de casos de diabetes, 6 millones no están diagnosticados. Además, otros 57 millones de personas son prediabéticas, lo que significa que tienen una gran probabilidad de desarrollar diabetes en el futuro. La diabetes afecta a ciertos individuos más que a otros. La tabla 1.2 muestra la prevalencia de la diabetes por grupos de edades en EE. UU. Menos del 1% de los jóvenes menores de 20 años padecen esta enfermedad; sin embargo, a medida que la persona envejece, tiende más a desarrollar diabetes. Más del 10% de los mayores de 20 años y un 23% de los mayores de 60 años sufren diabetes. La prevalencia de la diabetes también varía dependiendo de la raza o la etnia (tabla 1.3). Los nativos americanos tienen más
TABLA 1.2 Prevalencia de la diabetes en EE. UU. en función de la edad y el sexo
viii
en personas de 20 años y mayores, en función de la raza y la etnia
Americanos de origen asiático
Test rápido 1.3
13
Introducción a la fisiología
TABLA 1.3 Prevalencia de la diabetes en EE. UU., 2004-2006,
Grupo de edad
N.º de personas con diabetes
Menores de 20 años
186.300
% de personas con diabetes
20 años y mayores
23,5 millones
10,7
60 años y mayores
12,2 millones
23,1
Mujeres
11,5 millones
10,2
Hombres
12 millones
11,2
0,22
tendencia a desarrollar diabetes, seguidos por los afroamericanos y los hispanos. La prevalencia de la población blanca y la de los americanos de origen asiático es considerablemente menor. La alta prevalencia de la diabetes es un problema generalizado. Según la International Diabetes Association, 260 millones de personas (el 7% de la población mundial) tienen diabetes. En 1985, se diagnosticó diabetes a 30 millones de personas en todo el mundo; pero en 2000, ese número había aumentado hasta los 150 millones (fig. 1.9). En 2025 se espera que el número alcance los 380 millones.
Obesidad y diabetes ¿Por qué está aumentando la prevalencia de la diabetes? Uno de los factores más importantes es el envejecimiento de la población. Ahora, las personas vivimos más tiempo y un gran porcentaje de la población sobrevive dentro de las edades de alto riesgo (mayores de 60 años). Además, los estilos de vida de muchos jóvenes pueden llevarles a desarrollar diabetes. Las dietas actuales tienen más grasas e hidratos de carbono que en antes. Además de producir cambios directos en el metabolismo, estas dietas conducen a la obesidad, causa principal de la diabetes. Actualmente, muchos jóvenes llevan una vida sedentaria: las consolas de videojuegos han sustituido a los columpios y al recreo, y las clases de educación física a menudo brillan por su ausencia en los planes de estudios. Un estilo de vida tan sedentario puede ocasionar tanto cambios en el metabolismo como obesidad, factores clave que desembocan en diabetes. La prevalencia de la obesidad está en aumento, y la obesidad en sí misma se está convirtiendo en una epidemia. La obesidad se define como tener un contenido de grasa corporal alto en
Integración de sistemas En este capítulo se han explicado los vasos sanguíneos, incluyendo cómo el cuerpo regula el flujo sanguíneo a los diferentes órganos. Claramente, todos los órganos dependen del flujo sanguíneo, pero no siempre necesitan la misma cantidad de sangre en cada momento. Por tanto, el flujo sanguíneo está regulado por la vasoconstricción o la vasodilatación de las arteriolas, de manera que se suministre sangre al tejido que más lo necesite en cada momento. No todas las arteriolas son iguales, sin embargo. Los vasos sanguíneos en el cerebro están desprovistos de receptores de control extrínseco y, como consecuencia, el cerebro nunca se pone en peligro durante los intentos de mantener la presión arterial media. Los vasos sanguíneos de la piel tienen una inervación especial por la que la actividad simpática puede provocar vasodilatación a través de mecanismos desconocidos. El propósito de la vasodilatación es liberar calor al entorno cuando la temperatura del cuerpo aumenta. El flujo sanguíneo de los genitales está bajo control simpático y parasimpático, siendo la actividad parasimpática la que provoca la vasodilatación que es necesaria para producir y mantener una erección. También se ha estudiado el flujo paralelo de la sangre en el capítulo 13, por el cual cada órgano recibe sangre oxigenada. Sin embargo, existen algunas excepciones a esta regla. Ya se ha explicado una de estas excepciones (la vena porta que conecta lechos capilares del hipotálamo a los lechos capilares de la adenohipófisis. Esta disposición permite una mayor concentración de las hormonas trópicas hipotalámicas que afectan a la adeno-
Nuevos apartados de integración de sistemas al final de cada capítulo Estos apartados, al final de los capítulos, que tratan sobre sistemas o aparatos, ofrecen al estudiante una idea general de cómo lo que acaba de aprender tendrá una aplicación en sus lecturas futuras y muestra cómo todos los sistemas están relacionados. p. 430
COMPRENDER EL E JERCICIO
Respuestas cardiovasculares al ejercicio suave
p. 431
ejercicio. Los cambios en la actividad simpática están facilitados por el centro de control cardiovascular, que recibe información de varios tipos de receptores en los músculos, incluyendo los quimiorreceptores sensibles a los factores químicos locales, y los mecanorreceptores y los propiorreceptores responsables de la actividad física muscular. El aumento del flujo sanguíneo de los músculos cardíaco y esquelético son, en gran parte, el resultado de la acción local de los factores químicos sobre el músculo liso vascular. Otros mecanismos también favorecen el aumento del retorno venoso durante el ejercicio, facilitando, asimismo, el aumento del gasto cardíaco. Uno de tales mecanismos es la bomba muscular esquelética; otra es la bomba respiratoria, cuya actividad aumenta durante el ejercicio porque se respira más rápido y profundamente. El tercer mecanismo consiste en el aumento del tono venomotor. Secundario a un incremento de la actividad simpática sobre las venas.
200
Aumento
150
Gasto cardíaco
100 Volumen sistólico
50
0 Disminución
Otra forma de demostrar la integración de sistemas viene de la mano de los nuevos cuadros «Comprender el ejercicio», que aplican lo aprendido a lo largo del capítulo al ejercicio físico. Entre los temas tratados se encuentran las diferencias de sexo, la función de la dieta, los efectos del ejercicio en la ventilación o las adaptaciones del sistema nervioso periférico y de los mensajeros químicos que intervienen al practicar ejercicio.
la actividad nerviosa simpática y un aumento de los niveles de adrenalina circulante. ¿Qué es lo que desencadena estas respuestas al ejercicio? En el sistema nervioso autónomo, las regiones corticales y límbicas del cerebro ejercen una influencia directa sobre la actividad de las neuronas simpáticas y parasimpáticas, provocando un aumento de la actividad simpática y un descenso de la actividad parasimpática al corazón, que explica el aumento del ritmo cardíaco y la contractilidad ventricular. Además, existe un aumento de la actividad simpática en el aparato digestivo y otros órganos (provocando vasoconstricción), y un descenso de la actividad simpática de la piel (que favorece la vasodilatación). Este cambio en la actividad simpática en la piel es una respuesta termorreguladora desencadenada por el aumento en la temperatura del cuerpo que acompaña el ejercicio. La vasodilatación de la piel también está favorecida por la liberación de bradicinina por las glándulas sudoríparas, cuya actividad aumenta con el
Cambios durante el ejercicio (porcentaje del valor en estado de reposo)
Nuevos cuadros «Comprender el ejercicio»
El ejercicio suave está acompañado de alteraciones profundas de la función cardíaca. El gráfico muestra que el jogging aumenta el gasto cardíaco del valor en estado de reposo de 5 l/min a más de 11 l/min; en atletas muy entrenados, el gasto cardíaco puede alcanzar 35 l/min. El ritmo cardíaco también aumenta desde el estado de reposo de unos 72 latidos por minuto hasta alrededor de 135 latidos por minuto. El ejercicio provoca también cambios importantes en el flujo sanguíneo: el flujo a los músculos esqueléticos (y al músculo cardíaco y la piel) aumentan, mientras que el flujo al hígado y al tubo digestivo disminuye. Claramente, estos cambios son beneficiosos en diferentes formas: 1) se aumenta el suministro del oxígeno y nutrientes al músculo cardíaco y los músculos activos esqueléticos, lo que es apropiado teniendo en cuenta el aumento de la actividad metabólica de estos órganos; 2) el oxígeno y los nutrientes se conservan recortando el suministro a los tejidos cuya necesidad de nutrientes no es tan urgente, y 3) el aumento del flujo sanguíneo y la piel ayuda al cuerpo a deshacerse del exceso de temperatura generada por el ejercicio. Durante el ejercicio, la disminución de la resistencia cardiovascular en la piel y el músculo no es compensada por el aumento en la resistencia de otros órganos, por lo que la resistencia periférica total disminuye. Sin embargo, la presión arterial aumenta levemente debido al aumento de gasto cardíaco. Es importante observar en la figura que el volumen sistólico aumenta rápidamente a pesar de que solo se produce un modesto aumento del volumen telediastólico (en el ejercicio suave). Esto indica que el aumento del volumen sistólico no se debe al efecto Starling, sino a un aumento de la contractilidad ventricular resultante de un aumento en
–50 –100
Flujo sanguíneo muscular
Ritmo cardíaco
Volumen telediastólico
Presión arterial media Resistencia periférica total
ix
Figuras nuevas y revisadas que ayudan a los estudiantes a comprender los procesos fisiológicos Cada figura en este texto ha sido desarrollada para obtener una máxima eficacia pedagógica. Se han revisado las imágenes, las representaciones de células y los diagramas de flujo para ayudar al estudiante a comprender el entorno físico en el que tienen lugar los procesos fisiológicos.
Cavidad nasal Faringe
Vías respiratorias superiores
Cavidad oral Epiglotis
Laringe
Glotis
Figuras con un nuevo diseño
Esófago
Tráquea Anillos de cartílago Pulmón derecho
Pulmón izquierdo
Bronquios primarios
Tubo respiratorio
Bronquios secundarios
Colores más fuertes y estilos sólidos añaden realismo y dimensión a las imágenes de las figuras humanas y de las representaciones celulares.
Bronquios terciarios
Bronquíolos terminales
Diafragma
Bronquíolo terminal
Medio extracelular Saco alveolar
Bronquíolos respiratorios
Medio intracelular Vesícula secretora
Alvéolos
FIGURA 16.2 Anatomía de las vías respiratorias superiores y el tubo respiratorio.
Fusión con la membrana plasmática
p. 454
p. 118
Liberación de los contenidos
FIGURA 4.22 Exocitosis.
x
glucosa plasmática
glucosa plasmática
Células beta en el páncreas
Retroalimentación negativa
Retroalimentación Células alfa en el páncreas negativa secreción de glucagón
secreción de insulina
Mayoría de tejidos
Hígado
Hígado
Tejido adiposo
gluconeogenia
gluconeogenia
lipólisis
Hígado y músculo
captación de glucosa por las células
síntesis de glucógeno
glucogenólisis glucogenólisis ácidos grasos plasmáticos
glucosa plasmática
glucosa plasmática
Glucosa ahorrada
Estímulo inicial Respuesta fisiológica
FIGURA 14.13 Comparación de la hiperemia reactiva y activa. (b)
Resultado (a)
Hiperemia activa
FIGURA 21.7 Regulación de la concentración plasmática de glucosa.
Tejido metabolismo
Diagramas de flujo con un estilo revisado
p. 615
Todos los diagramas de flujo han sido revisados para facilitar el que los estudiantes puedan concentrarse y comprender cada proceso fisiológico. Los estímulos iniciales, la respuesta fisiológica y los acontecimientos que se derivan de ello se muestran ahora con colores diferentes. El sombreado indica en qué parte del cuerpo tiene lugar un evento. Cambio en la variable regulada ( concentración de glucosa en sangre)
consumo de O2 producción de CO2
concentración de O2 concentración de CO2
Punto de ajuste (concentración de glucosa en sangre normal)
Músculo liso arteriolar local vasodilatación
Centro de integración (células beta del páncreas)
p. 12
de las señales a los efectores Retroalimentación negativa
Retroalimentación negativa
resistencia
flujo sanguíneo
Efectores (células del organismo) Respuesta ( de la concentración de glucosa en sangre)
proporción de O2 eliminación de CO2
p. 408
concentración de O2 concentración de CO2
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
(a)
FIGURA 1.7 Ciclo de autorregulación negativa.
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
xi
12
Contenido atractivo que estimula el interés del estudiante Texto de apertura Atrae el interés del estudiante mostrándole cómo se relacionan los procesos fisiológicos con la vida cotidiana; por ejemplo, los efectos del miedo en el organismo o cómo se forman los moratones.
Fisiología muscular Todos hemos oído que Benjamin Franklin descubrió la electricidad volando una cometa durante una tormenta, pero ¿sabías que Luigi Galvani descubrió la «electricidad animal» colgando ranas diseccionadas de un alambre durante una tormenta? Galvani enseñaba anatomía en la Universidad de Bolonia, en Italia, y fue profesor de obstetricia en el Instituto de Artes y Ciencias desde 1765 a 1797. En sus enseñanzas utilizaba ranas diseccionadas. Para preparar una rana muerta, solía colgarla de un gancho de cobre y después suspenderla sobre un alambre de hierro. Hizo esto durante una tormenta y vio cómo la rana recién muerta contraía sus músculos. Esto le sugirió a Galvani que las ranas y otros animales tenían su propia forma de electricidad y que esta «electricidad animal»
«Descubrimientos» Trata cuestiones actuales en mayor profundidad. Entre los temas que tratan se incluye la ceguera de color, los vaults y la quimioterapia o la neurogenia.
provocaba la contracción muscular. En otros experimentos, el ayudante de Galvani descubrió que el tejido nervioso activaba el tejido muscular. Mientras el ayudante estaba diseccionando una rana, él utilizaba un bisturí que estaba cerca de una máquina que generaba electricidad. Cuando tocaba con el bisturí el nervio ciático, el músculo se contraía. Galvani concluyó que la carga electrostática del bisturí excitaba el nervio y que los nervios proporcionaban la electricidad que hace que los músculos se contraigan. Aunque esto no es realmente cierto, como aprenderás en este capítulo, el trabajo de Galvani dio lugar al campo de la electrofisiología, el estudio de la actividad eléctrica en animales (o plantas).
«Conexiones clínicas» Ayuda a los estudiantes a aplicar la fisiología que han aprendido a enfermedades como el cáncer, la fibrosis quística y la diabetes.
CONTENIDOS Estructura de los músculos esqueléticos 323 Mecanismo de generación de fuerza en el músculo 327 Microfotografía electrónica de las células musculares cardíacas.
Mecanismo de contracción de los músculos esqueléticos 334 Tipos de fibras de los músculos esqueléticos 343
p. 322
Control de la actividad de los músculos esqueléticos 348 Músculos liso y cardíaco
351
DESCUBRIMIENTOS
Lipoproteínas y colesterol plasmático Página 589
Antihistamínicos Página 129
Suplementos de creatina Página 333
Neurogenia Durante décadas, los neurocientíficos creyeron que el cerebro humano adulto no podía producir nuevas neuronas. Entonces, en los años setenta, Pasquale Graziadel y cols. descubrieron que las células basales del epitelio olfativo de la cavidad nasal producían células receptoras nuevas (células receptoras sensoriales para el olor). En los años noventa, otros investigadores encontraron evidencias de la neurogenia, la producción de nuevas neuronas, en el sistema nervioso central. La neurogenia en especies inferiores deanimales ha sido evidente durante más de 30 años. Elizabeth Gould y cols. de Princeton han estudiado la neurogenia en primates durante los últimos años. En algunos de estos estudios, se administró bromodeoxiuridina (BrdU) a los animales para que sirviera como marcador de la proliferación celular. Antes de que las células puedan dividirse, tienen que replicar nuevo ADN. La BrdU se incorpora al ADN de nueva síntesis y, por tanto, marca cualquier ADN que se forme después de su administración. Las células que contienen BrdU en su ADN se identifican post mortem mediante su análisis histológico. Utilizando esta técnica y otras, Gould y cols. descubrieron que la
neurogenia tiene lugar en varias áreas del cerebro, incluyendo el hipocampo, la corteza prefrontal, la corteza temporal inferior y la corteza parietal de los primates no humanos. Fred Gage y cols., del Salk Institute for Biological Studies, han estudiado la neurogenia en el hipocampo en especies animales inferiores y recientemente han proporcionado pruebas de que la neurogenia también tiene lugar en el hipocampo de los seres humanos. Sus estudios en la raza humana utilizaron BrdU, del mismo modo que el estudio de Gould en los primates inferiores. Los individuos estudiados eran pacientes que padecían cáncer del doctor sueco Peter Eriksson. Eriksson estaba tratando a los pacientes con BrdU para medir la proliferación de las células tumorales. Estos pacientes estuvieron de acuerdo en donar sus cerebros al grupo de investigación de Gage al morir. Los análisis post mortem de los cerebros mostraron que la BrdU se había incorporado al ADN de las neuronas en el hipocampo. Estos hallazgos son la primera evidencia de neurogenia en el cerebro humano. El descubrimiento de la neurogenia en el cerebro humano tiene una gran relevancia clí-
nica. Muchas enfermedades neurológicas, incluyendo la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer o el derrame cerebral, implican la pérdida de neuronas funcionales. Si los científicos desvelaran los misterios de la neurogenia, podrían ser capaces de desarrollar técnicas que ayuden al sistema nervioso central a sustituir las neuronas perdidas.
p. 170
Tinción fluorescente de neuronas hipocampales.
p. 135
CONEXIONES CLÍNICAS
Diverticulosis Página 600
Tratamiento de la depresión Página 210
Ceguera para el color Página 284
xii
Desde el ácido acetilsalicílico a los inhibidores de COX-2 El ácido acetilsalicílico es uno de los numerosos fármacos antiinflamatorios no esteroideos (AINE) que alivian el dolor mediante la disminución de la producción de determinadas prostaglandinas (PG), eicosanoides que provocan dolor e inflamación. Una enzima fundamental en la síntesis de las PG es la ciclooxigenasa (COX). A comienzos de la década de los noventa, se identificaron dos formas de COX: COX-1 y COX-2. La COX-1, siempre presente en el organismo, normalmente está asociada a la síntesis de las PG necesarias para mantener la homeostasis. Por el contrario, la COX-2 se activa en presencia de sustancias químicas liberadas al producirse daños en los tejidos e infecciones, y conduce a la producción de PG asociadas al dolor y la inflamación. El ácido acetilsalicílico inhibe de forma no selectiva la actividad de las dos formas de COX. La inhibición de la COX-2 es la que consigue el alivio del dolor. Aunque el ácido acetilsalicílico se utiliza para tratar el dolor, la inflamación y la fiebre, la inhibición de COX-1, por su parte, provoca varios efectos secundarios (algunos favorables y otros no). El ácido acetilsalicílico disminuye la producción de tromboxano A2, sustancia química que interviene en la formación de
coágulos sanguíneos. Sin embargo, a mayores dosis, el ácido acetilsalicílico también reduce la producción de PGI2 (prostaciclina), una sustancia química que inhibe la producción de coágulos sanguíneos. Por tanto, los médicos a menudo prescriben 82 mg de ácido acetilsalicílico (infantil) para evitar la formación de coágulos sanguíneos que puedan provocar infartos o derrames cerebrales, mientras que normalmente se usan 350 mg de ácido acetilsalicílico para tratar el dolor (esta dosis puede provocar un coágulo). Además, el ácido acetilsalicílico inhibe la producción de PGE2 en el estómago, que indirectamente protege la película de este órgano de los ácidos. Por tanto, entre los principales efectos secundarios del ácido acetilsalicílico se encuentran las úlceras y las hemorragias gástricas. En la búsqueda de analgésicos, las compañías farmacéuticas han desarrollado fármacos que inhiben de forma selectiva la COX-2 para tratar el dolor crónico y las enfermedades inflamatorias, como la artritis. Las principales ventajas de los inhibidores de COX-2 (como rofecoxib o celecoxib) consisten en que no inhiben la producción de PGE2, por lo que provocan menos daño en la película del estómago que el ácido acetilsalicílico. Desafortunada-
mente, los inhibidores de COX-2 producen efectos secundarios graves por sí mismos. Por motivos que no se comprenden, estos fármacos parecen aumentar el riesgo de infarto y derrame cerebral en individuos susceptibles a las enfermedades cardiovasculares. Desgraciadamente, debemos seguir buscando el «ácido acetilsalicílico perfecto».
Herramientas flexibles para un repaso de química y de matemáticas
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Constante de longitud para la conducción electrotónica
Vx = Voe–x/L donde Vo es el cambio de voltaje en el sitio de origen, Vx es el cambio de voltaje a una distancia determinada (x) del sitio de origen, e es la base logarítmica natural (aproximadamente 2,7) y L es la constante de longitud. La constante de longitud es la distancia en la que el cambio inicial de voltaje ha bajado a 1/e o al 37% de su valor, como muestra la figura. Mide hasta qué distancia a lo largo del axón puede propagarse la corriente antes de que se filtre hacia su exterior. La constante de longitud depende de la resistencia al flujo de corriente. En las neuronas, la corriente puede fluir a través de la membrana plasmática o a lo largo del citoplasma. La corriente fluye a lo largo del camino que tenga menos resistencia. La resistencia de la membrana al flujo de corriente (rm) es mayor que la resistencia del citoplasma (también llamada resistencia axial, dado que la corriente fluye a lo largo del eje, ra). Por tanto, cuanto mayor sea la resistencia de la membrana y menor la resistencia axial, más grande será la constante de longitud. Matemáticamente, la constante de longitud se describe:
g rr
ll m
L =
a
Las constantes de longitud suelen tener menos de 1 mm; esto es, cuando un cambio de voltaje se haya extendido a 1 mm de distancia del sitio de origen, el cambio de voltaje será menor que el 37% del cambio inicial. El factor más importante que afecta a la resistencia de la membrana es el grado de mielinización. La mielina aísla el axón aumentando su resistencia. El factor más importante que afecta a la resistencia axial es el diámetro. Los axones con un diámetro mayor tienen una menor resistencia al flujo de corriente longitudinal y, por tanto, una menor resistencia axial.
Cambios de voltaje con relación al cambio inicial
«Caja de herramientas» y «Repaso de química» revisan o presentan conceptos de matemáticas, física y química y su aplicación a la fisiología. Al presentar este contenido de una forma que no interfiere con el flujo del texto, estos cuadros facilitan a los profesores flexibilidad para avanzar en el texto a medida que los estudiantes lo van necesitando con una gran variedad de antecedentes. Ejemplos de temas tratados son la ecuación de Nernst, la ley de Fick, la ley de Laplace y los enlaces iónicos y covalentes.
Cuando el potencial eléctrico cambia en un sitio específico de la membrana plasmática, la corriente fluye desde este sitio por conducción electrotónica, o flujo de corriente pasivo. La conducción electrotónica desempeña una función crítica en la señalización eléctrica. Cuando la corriente fluye pasivamente desde el sitio donde se ha originado, se disipa por filtración a través de la membrana plasmática. Si suponemos una estructura cilíndrica, lo anterior puede describirse de manera matemática utilizando la siguiente ecuación:
100%
37%
–λ 0 λ Distancia del cambio inicial en el potencial de membrana
p. 190 REPASO DE QUÍMICA
Ácidos, bases y pH Ciertas sustancias liberan iones de hidrógeno o protones (H+) cuando se disuelven en agua y se conocen como ácidos. Un ejemplo conocido es el ácido clorhídrico (HCl), que se disocia en iones de hidrógeno y cloro: HCl r H+ + Cl– El HCl es un ejemplo de ácido fuerte, un ácido que se disocia completamente. Otros ácidos son ácidos débiles, lo que significa que no se disocian completamente. Por ejemplo, los grupos carboxilo (— COOH), que se encuentran en los aminoácidos y otras biomoléculas, actúan como ácidos débiles y se disocian como se muestra a continuación: R — COOH s R — COO– + H+ Aquí, la flecha doble indica que el protón no solo puede disociarse del anión (R — COO–), sino que puede combinarse con él. Las sustancias que se combinan con protones se llaman bases y se clasifican como fuertes o débiles dependiendo de si se combinan completamente o no. Ejemplos de bases débiles son los grupos amino (— NH2), que se encuentran en los aminoácidos y otros compues-
tos, y que reaccionan con los protones, como se muestra a continuación: R — NH2 + H+ s R — NH3+ La acidez de una disolución está determinada por la concentración de sus iones hidrógeno, que se puede expresar en términos de molaridad o mediante un número llamado pH, que está definido según la siguiente expresión:
p. 70
pH = log(1/[H+]) = – log [H+] donde [H+] es la concentración de iones hidrógeno. Ten en cuenta que, a medida que [H+] aumenta, el pH disminuye. Considera también que, debido a que la escala de pH es logarítmica, un cambio de una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentración de iones hidrógeno. Dicha concentración en agua pura es de 10–7 M, dando un pH de 7. Se dice que las disoluciones con un pH de 7 son neutrales. Una disolución cuyo pH es menor de 7 se dice que es ácida; si el pH es mayor de 7, la disolución es básica.
Preguntas definidas de pensamiento crítico Las preguntas de pensamiento crítico incluidas en «Comprueba tus conocimientos» están integradas en cada capítulo y captan la atención del estudiante para que resuelva problemas y aplique la información recién adquirida a situaciones dadas y a escenarios clínicos.
Comprueba tus conocimientos Una persona que hiperventila suele sentir una sensación de hormigueo en las manos y pies, y puede que espasmos musculares y contracciones. Explica el motivo de estos síntomas.
Comprueba tus conocimientos José, que es camarero, lleva horas atendiendo mesas. La presión en las venas de los pies ha aumentado a 26 mmHg, y la media de la presión hidrostática capilar ha aumentado a 32 mmHg. Si el valor medio de la presión hidrostática capilar es 32 mmHg, la presión hidrostática del líquido intersticial de 1 mmHg, la presión osmótica capilar de 25 mmHg y la presión osmótica del líquido intersticial de 1 mmHg, ¿cuál es la presión neta de filtración a través de la pared capilar de los pies de José? ¿Cuál es la consecuencia de esta presión?
p. 556
p. 416
xiii
Herramientas eficaces que establecen estándares para los profesores y los estudiantes Este libro se acompaña de tres de los productos mediáticos más eficaces y probados que hay a disposición de los estudiantes de Fisiología, recogidos en el sitio web MasteringA&P www.masteringaandp.com: el Interactive Physiology® 10-System Suite (IP-10), las simulaciones PhysioExTM Lab y la página web The Physiology Place.
IP-10 presenta tutorías animadas y narradas que demuestran concienzudamente conceptos difíciles, muchos de los cuales tienen lugar a nivel celular y molecular. Una amplia selección de juegos y ejercicios refuerzan el material.
PHISIOEX 8.0 permite a los estudiantes repetir las pruebas de laboratorio tantas veces como quieran, experimentar sin perjudicar a animales vivos y llevar a cabo experimentos cuya realización sería difícil en la vida real debido al tiempo que durarían, a causa de su elevado coste o por motivos de seguridad.
PÁGINA WEB THE PHYSIOLOGY PLACE presenta materiales de estudio y de evaluación fáciles de utilizar y organizados en un claro formato en tres pasos. En el Paso 1, los estudiantes hacen un examen previo para crear un plan de estudio personalizado y específico de cada capítulo; el Paso 2 proporciona ejercicios de revisión, y en el Paso 3 los estudiantes comprueban su nivel de comprensión con varios tipos de ejercicios y un examen posterior. Cada capítulo presenta nuevos diagramas de flujo interactivos, ejercicios cuantitativos, noticias vía RSS y enlaces web actualizados.
xiv
Agradecimientos
E
n el momento de terminar la cuarta edición de este libro de texto, me doy cuenta de que mi relación con todo el personal de apoyo ha crecido. Aunque el proceso de revisión es muy exigente, el equipo de Benjamin Cummings ha contribuido a que dicho proceso no solo sea algo fácil de gestionar, sino que es también algo de lo que disfrutar. A lo largo de la revisión, he aprovechado la experiencia y el duro trabajo de muchos editores, revisores, artistas, personal de producción y profesores. Les hago extensivo mi más profundo y sincero agradecimiento. Para comenzar, quiero agradecer a Frank Ruggirello, Deirdre Espinoza y Serina Beauparlant su liderazgo e inversión en este texto. También quiero expresar un agradecimiento especial a nuestra editora de proyectos, Katy German, que ha mostrado tener una gran paciencia y ha sabido respaldar nuestro trabajo durante la elaboración de esta cuarta edición. Nunca podré dejar de agradecer suficientemente a Laura Southworth, directora de desarrollo artístico, y a Ellie Marcus, especialista en artes técnicas. Su trabajo en el programa artístico es uno de los puntos clave del texto y su diligencia también ha mejorado el texto. Asimismo, quiero agradecer a Laura por arreglárselas para hacerme reír. Mi agradecimiento también a la editora de desarrollo de esta edición, Elmarie Hutchinson, por sus sabias sugerencias para refinar el texto. Uno se siente humilde al trabajar con una
correctora, pero Jill Hobbs hizo que este proceso fuera agradable y le agradezco su excelente trabajo. Gracias a todas las personas implicadas en la producción del libro, sobre todo a Caroline Ayres, Beth Masse, Nancy Tabor, Jared Sterzer, Deborah Cogan, Marilyn Perry y Blake Kim. También mi agradecimiento especial para Tomo Narashima, creador del original estilo artístico de la cubierta de esta edición. Gracias además a Shannon Cutt por su experta coordinación de los complementos de impresión y diversos medios de esta edición. Además, quiero dar las gracias a los numerosos revisores por sus comentarios sobre la tercera edición y sus sugerencias para la cuarta. Los comentarios de los profesores han sido muy valorados y considerados durante cada revisión del texto. ¡Seguid enviándolos! También quisiera agradecer a mi marido, Jim, su apoyo y su paciencia, que hicieron posible que yo continuara trabajando en el libro. Mi agradecimiento se extiende a varios de mis amigos y colegas de la Universidad del Sur de Alabama que han respaldado mis esfuerzos. Mi familia también se merece un agradecimiento especial por su cariño y apoyo: Addie (mamá), John, Janice, Mike, Pat, Jim, Joe y Steve, así como a nietos, sobrinos, hijos y bisnietos. Principalmente, quiero agradecer a mis estudiantes que me hayan planteado retos continuamente para sacar a la mejor profesora que hay en mí.
Cindy L. Stanfield Anatomy & Physiology Benjamin Cummings Science 1301 Sansome Street San Francisco, CA 94111
xviii
AG R A D E C I M I E N TO S
Revisores
Michael T. Griffin Universidad Estatal Angelo
Cuarta edición
John P. Harley Universidad del Este de Kentucky
Joseph L. Andreacci Universidad de Bloomsburg Rajen S. Anand Universidad del Estado de California Brian Antonsen Universidad de Marshall Barbara M. Butler Universidad de Delaware B. A. Buxton Facultad de Medicina Osteopática de Filadelfia Patricia J. Clark Universidad de Indiana-Purdue de Indianápolis
Steve Henderson Universidad Estatal de California, Chico Anastasia Kariagina Facultad Comunitaria Lansing Heather R. Ketchum Universidad de Oklahoma Kevin Krown Facultad de San Diego Mesa Dean Vincent Lauritzen Facultad de la Ciudad de San Francisco Andrew J. Lokuta Escuela de Medicina y Salud Pública de la Universidad de Wisconsin
Jane Lubischer Universidad Estatal de Carolina del Norte Christel Marschall Facultad Comunitaria Lansing Mary Jane Niles Universidad de San Francisco Paula E. Papanek Universidad Marquette Roberta L. Pohlman Universidad Estatal Wright Paul G. Wagner Universidad Washburn Larry Weiskirch Facultad Comunitaria Onondaga Scott D. Zimmerman Universidad Estatal de Missouri
Breve tabla de contenidos 1 2 3 4 5 6
Introducción a la fisiología Células: estructura y función Metabolismo celular
1 18
56
Transporte de la membrana celular Mensajeros químicos
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas 149 Células nerviosas y señales eléctricas
12 13 14
Fisiología muscular
Aparato cardiovascular: sangre
18 19
Aparato urinario: función renal
20 21
Aparato digestivo
22 23 24
Aparato reproductor
632
Sistema inmunitario
667
94
126
7 8 9 10 11
15 16 17
166
Transmisión sináptica e integración neural
196
Sistema nervioso: sistema nervioso central
215
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
253
Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor 303
Aparato cardiovascular: función cardíaca
Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
360
Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial 395
451
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración 475 507
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico 534 567
Sistema endocrino: regulación del metabolismo energético y del crecimiento 603
Diabetes mellitus Respuestas
322
435
693
709
Créditos
717
Glosario
718
Índice alfabético
739
Índice 1
Introducción a la fisiología
1
Organización del cuerpo 2 Células, tejidos, órganos y sistemas de órganosÊUÊEsquema general del organismo: una visión simplificada Homeostasis: principio organizativo clave en fisiología 8 Control de la retroalimentación negativa en la homeostasis C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ El desafío de la
homeostasis 9 C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Agotamiento producido
por una excesiva exposición al calor y la insolación 10 Diabetes: una epidemia 13 Prevalencia de la diabetesÊUÊObesidad y diabetesÊUÊ Clasificación de la diabetesÊUÊDiagnóstico de la diabetes mellitusÊUÊSíntomas de la diabetes mellitusÊUÊTratamiento de la diabetes mellitusÊUÊDiabetes mellitus: una enfermedad que afecta a todo el organismo Integración de sistemas Resumen del capítulo Ejercicios
Uniones intercelulares 38 Uniones estrechasÊUÊDesmosomasÊUÊUniones comunicantes Funciones generales de la célula 40 MetabolismoÊUÊTransporte celularÊUÊComunicación intercelular Síntesis de las proteínas 41 Función del código genéticoÊUÊTranscripciónÊUÊ TraducciónÊUÊDestino de las proteínasÊUÊProcesamiento postraduccional y empaquetamiento de proteínasÊUÊ Regulación de la síntesis de proteínasÊUÊDegradación de las proteínas C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ ADN mitocondrial en las
enfermedades, la antropología y la medicina forense 43 División celular 49 Replicación del ADNÊUÊCiclo celular C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Por qué la ricina
es mortal
Integración de sistemas
15
Resumen del capítulo
16
Células: estructura y función 18
3
Biomoléculas 19 Hidratos de carbonoÊUÊLípidosÊUÊAminoácidos y proteínasÊUÊ Nucleótidos y ácidos nucleicos R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Átomos y moléculas
22
Estructura de la célula 29 Estructura de la membrana plasmáticaÊUÊEstructura del núcleoÊUÊContenidos del citosolÊUÊEstructura de los orgánulos membranososÊUÊEstructura de los orgánulos no membranosos R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Moléculas polares y enlaces
de hidrógeno
31
53
53
54
Metabolismo celular
56
Tipos de reacciones metabólicas 57 Hidrólisis y reacciones de condensaciónÊUÊReacciones de fosforilación y desfosforilación UÊReacciones de oxidación-reducción Reacciones metabólicas y energía 59 Energía y las leyes de la termodinámicaÊUÊCambios de energía en las reaccionesÊUÊEnergía de activación R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Disoluciones y concentraciones Velocidades de reacción 64 Factores que afectan a las velocidades de reacciónÊUÊ Función de las enzimas en las reacciones químicas C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Interacciones ligando-
R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Iones y enlaces iónicos D E S C U B R I M I E N T O S ■ Vaults y quimioterapia
52
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Cáncer
16
Ejercicios
2
49
33 36
proteína 66 R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Ácidos, bases y pH
70
62
ÍNDICE
xxi
Oxidación de la glucosa: la reacción central del metabolismo energético 72 ATP: moneda energéticaÊUÊATP en acción
Ósmosis: transporte pasivo de agua a través de las membranas 112 OsmolaridadÊUÊPresión osmóticaÊUÊTonicidad
Etapas de la oxidación de la glucosa: glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa 74 GlucólisisÊUÊCiclo de KrebsÊUÊFosforilación oxidativaÊUÊ Cadena de transporte de electronesÊUÊResumen de la oxidación de la glucosaÊUÊConversión de piruvato en ácido láctico
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Determinación de la presión
D E S C U B R I M I E N T O S ■ ¿Pueden los desacopladores contribuir
a perder peso? 81 C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Antioxidantes y radicales
libres 82 Almacenamiento y uso de energía: metabolismo de hidratos de carbono, grasas y proteínas 85 Metabolismo del glucógenoÊUÊGluconeogenia: formación de glucosa nuevaÊUÊMetabolismo de lípidosÊUÊMetabolismo de proteínasÊUÊEfectos de la insulina en el metabolismo celular C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Fuentes de energía
para las células musculares 85 Integración de sistemas Resumen del capítulo Ejercicios
4
osmótica de una disolución 115 C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Producción
de sudor
Transporte de sustancias en compartimentos membranosos 117 Transporte de moléculas al interior celular mediante endocitosisÊUÊTransporte de moléculas al exterior celular mediante exocitosis Transporte epitelial: movimiento de las moléculas a través de dos membranas 118 Estructura epitelialÊUÊTransporte epitelial de solutosÊUÊ Transporte epitelial de aguaÊUÊTranscitosis Integración de sistemas
121
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Fibrosis quística Resumen del capítulo Ejercicios
122
123
124
90 91
5
91
Transporte de la membrana celular
94
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Energía
96
Velocidad de transporte
126
Mensajeros químicos 128 Clasificación funcional de los mensajeros químicosÊUÊ Clasificación química de los mensajerosÊUÊSíntesis y liberación de mensajeros químicosÊUÊTransporte de mensajeros D E S C U B R I M I E N T O S ■ Antihistamínicos
100 101
129
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Mensajeros químicos
del ejercicio
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Potenciales de equilibrio
y ecuación de Nernst
Mensajeros químicos
Mecanismos de comunicación intercelular 127 Comunicación directa mediante uniones comunicantesÊUÊ Comunicación indirecta mediante mensajeros químicos
Factores que condicionan la dirección del transporte 95 Transporte pasivo frente a transporte activoÊUÊFuerzas direccionales que actúan sobre las moléculas
de las disoluciones
116
131
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Desde el ácido acetilsalicílico
a los inhibidores de COX-2 135
Transporte pasivo 102 Difusión simple: transporte activo a través de la bicapa lipídicaÊUÊDifusión facilitada: transporte pasivo a través de proteínas de membranaÊUÊ Difusión a través de canales
Mecanismos de transducción de señales 136 Propiedades de los receptoresÊUÊMecanismos de transducción de señales para respuestas mediadas por receptores intracelularesÊUÊMecanismos de transducción de señales para respuestas mediadas por receptores unidos a la membrana
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ley de Fick
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Cólera y proteínas G
y permeabilidad
105
Transporte activo 108 Transporte activo primarioÊUÊTransporte activo secundarioÊUÊ Factores que afectan a la velocidad del transporte activoÊUÊ Bombas y filtraciones: cómo coexisten en las células mecanismos de transporte activo y pasivo
141
Comunicación a larga distancia a través de los sistemas nervioso y endocrino 145 Integración de sistemas Resumen del capítulo Ejercicios
147
146 146
xxii
ÍNDICE
6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas 149
Órganos endocrinos primarios 150 Hipotálamo e hipófisisÊUÊGlándula pinealÊUÊGlándula tiroides y glándulas paratiroideasÊUÊTimoÊUÊGlándulas suprarrenalesÊUÊPáncreasÊUÊGónadas Órganos endocrinos secundarios
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Constante de longitud
para la conducción electrotónica 190 Mantenimiento de la estabilidad neural
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Anestesia local Integración de sistemas Resumen del capítulo Ejercicios
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Por qué los atletas toman
8
esteroides 158 Secreción anormal de las hormonas
161
163
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Adenomas hipofisarios
Ejercicios
7
164
164
Transmisión sináptica e integración neural 196 197
Integración neural 203 SumaÊUÊCodificación por frecuencia Modulación presináptica 205 Facilitación presinápticaÊUÊInhibición presináptica
165
Células nerviosas y señales eléctricas 166
Generalidades del sistema nervioso Células del sistema nervioso NeuronasÊUÊNeuroglia
Neurotransmisores: estructura, síntesis y degradación 207 AcetilcolinaÊUÊAminas biógenasÊUÊNeurotransmisores aminoácidosÊUÊPurinasÊUÊNeuropéptidosÊUÊ Neurotransmisores únicos C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Tratamiento
de la depresión
210
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Función de los agentes
167
gabaérgicos en la ansiedad y los trastornos del sueño 211
167
Resumen del capítulo
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Neurogenia
170
Ejercicios
Establecimiento del potencial de membrana en reposo 173 Determinación de los potenciales de equilibrio para los iones sodio y potasioÊUÊPotencial de membrana en reposo de las neuronasÊUÊNeuronas en reposo C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Circuitos eléctricos
en biología
193
Sinapsis químicas 197 Anatomía funcional de las sinapsis químicasÊUÊMecanismos de transducción de señal en las sinapsis químicasÊUÊSinapsis excitatoriasÊUÊSinapsis inhibidoras
horario 162
Resumen del capítulo
193
194
Sinapsis eléctricas
162
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Ritmos circadianos y desfase Integración de sistemas
192
156
Acción de las hormonas en la célula diana 157 Control de las concentraciones de hormonas en la sangre
Interacciones hormonales
192
176
9
212
213
Sistema nervioso: sistema nervioso central 215
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Potencial de membrana
en reposo y ecuación GHK
178
Señales eléctricas mediante cambios en el potencial de membrana 179 Descripción de los cambios en el potencial de membranaÊUÊ Potenciales graduadosÊUÊPotenciales de acciónÊUÊ Propagación de los potenciales de acciónÊUÊNeuropatía periférica C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Neurotoxinas
180
Anatomía general del sistema nervioso central 216 Neuroglia ÊUÊSoporte físico del sistema nervioso centralÊUÊ Irrigación del sistema nervioso centralÊUÊBarrera hematoencefálicaÊUÊSustancias gris y blanca C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Derrame cerebral
222
Médula espinal 224 Nervios raquídeosÊUÊSustancias gris y blanca de la médula espinal
ÍNDICE
Encéfalo 229 Corteza cerebralÊUÊNúcleos subcorticalesÊUÊDiencéfaloÊUÊ Sistema límbico D E S C U B R I M I E N T O S ■ La historia de Phineas Gage
235
Función integrada del SNC: los reflejos 236 Reflejo de estiramientoÊUÊReflejos de retracción y extensor cruzado Función integrada del SNC: el control motor voluntario 239 Componentes neurales de los movimientos voluntarios precisosÊUÊControl cortical del movimiento voluntarioÊUÊ Control postural por el tronco del encéfaloÊUÊFunción del cerebelo en la coordinación motoraÊUÊFunción de los núcleos basales en el control motor Función integrada del SNC: el lenguaje
de la visiónÊUÊRegulación de la cantidad de luz que entra en el ojoÊUÊRetinaÊUÊFototransducciónÊUÊBastones frente a conosÊUÊVisión a colorÊUÊEntrada de la luz a ritmos circadianosÊUÊBlanqueamiento de los fotorreceptores con la luzÊUÊProcesamiento neural en la retinaÊUÊVías neurales para la visiónÊUÊProcesamiento paralelo en el sistema visualÊUÊPercepción de la profundidad Oído y audición 284 Anatomía del oídoÊUÊNaturaleza de las ondasÊUÊ Amplificación del sonido en el oído medioÊUÊ Transducción de señales para el sonidoÊUÊ Vías neurales del sonido C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Ceguera para el color C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Decibelios
242
Función integrada del SNC: el sueño 243 Funciones del sueñoÊUÊCiclos sueño-vigiliaÊUÊActividad eléctrica durante la vigilia y el sueño C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Trastorno por estrés
postraumático 245
xxiii
284
288
Oído y equilibrio 292 Anatomía del aparato vestibularÊUÊConductos semicirculares y transducción de la rotaciónÊUÊ Utrículo y sáculo y transducción de la aceleración linealÊUÊ Vías neurales para el equilibrio Gusto 295 Anatomía de las papilas gustativasÊUÊTransducción de señales en el gustoÊUÊVía neural del gusto
Función integrada del SNC: las emociones y la motivación 247 Función integrada del SNC: el aprendizaje y la memoria 247 AprendizajeÊUÊMemoriaÊUÊPlasticidad del sistema nervioso
Olfato 297 Anatomía del sistema olfativoÊUÊTransducción de señales olfativasÊUÊVía neural del olfato
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ ¿Puede el ejercicio
Resumen del capítulo
afectar al encéfalo? 250 Integración de sistemas Resumen del capítulo Ejercicios
10
Integración de sistemas
Ejercicios
299 299
300
250 251
251
11
Sistema nervioso: sistemas sensoriales 253
Principios generales de la fisiología sensorial 254 Fisiología de los receptoresÊUÊVías sensorialesÊUÊCodificación sensorial C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Sinestesia
260
Sistema somatosensitivo 262 Receptores somatosensitivosÊUÊ orteza somatosensitivaÊUÊ Vías somatosensitivasÊUÊPercepción del dolor C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Dolor de miembro
fantasma 270 Visión 270 Anatomía del ojoÊUÊNaturaleza y comportamiento de las ondas de luzÊUÊAcomodaciónÊUÊDefectos clínicos
Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor 303
Sistema nervioso autónomo 304 Inervación dual en el sistema nervioso autónomoÊUÊ Anatomía del sistema nervioso autónomoÊUÊ Neurotransmisores y receptores autónomosÊUÊUniones de neuroefectores autónomosÊUÊRegulación de la función activa Sistema nervioso somático 316 Anatomía del sistema nervioso somáticoÊUÊUnión neuromuscular C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Adaptaciones del sistema
nervioso periférico 316 C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Miastenia grave D E S C U B R I M I E N T O S ■ Curare Resumen del capítulo Ejercicios
320
320
319
319
xxiv
ÍNDICE
12
Fisiología muscular
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Isquemia miocárdica
322
Estructura de los músculos esqueléticos 323 Estructura a nivel celularÊUÊEstructura a nivel molecular Mecanismo de generación de fuerza en el músculo 327 Modelo de deslizamiento de filamentosÊUÊCiclo de los puentes transversos: cómo generan fuerza los músculosÊUÊ Acoplamiento contracción-excitación: cómo se activan y desactivan las contracciones muscularesÊUÊMetabolismo de la célula muscular: cómo proporcionan ATP las células musculares para dirigir el ciclo del puente transverso D E S C U B R I M I E N T O S ■ Suplementos de creatina
333
Mecanismo de contracción de los músculos esqueléticos 334 ContracciónÊUÊFactores que afectan a la fuerza generada por fibras musculares individualesÊUÊRegulación de la fuerza generada por músculos enterosÊUÊVelocidad de acortamiento C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Física de la contracción
de los músculos esqueléticos
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Diabetes mellitus
347
Control de la actividad de los músculos esqueléticos 348 Actividad de los músculos a través de las articulacionesÊUÊ Receptores musculares para la actividad coordinada C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Distrofia muscular
348
Músculos liso y cardíaco 351 Músculos lisosÊUÊMúsculo cardíaco
Resumen del capítulo Ejercicios
Actividad eléctrica del corazón 368 Sistema de conducción del corazónÊUÊPropagación de la excitación a través del corazónÊUÊBase iónica de la actividad eléctrica cardíacaÊUÊRegistro de la actividad eléctrica del corazón con un electrocardiograma Ciclo cardíaco 378 Fases del ciclo cardíacoÊUÊPresión auricular y ventricularÊUÊ Presión aórticaÊUÊVolumen ventricularÊUÊSonidos del corazón Gasto cardíaco y su control 382 Actividad autónoma del corazónÊUÊFactores que afectan al gasto cardíaco: cambios en el ritmo cardíacoÊUÊFactores que afectan a la actividad cardíaca: cambios del volumen sistólicoÊUÊIntegración de los factores que influyen en el gasto cardíaco
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ley de Laplace
340
Tipos de fibras de los músculos esqueléticos 343 Diferencias en la velocidad de contracción: fibras de contracción rápida y de contracción lentaÊUÊDiferencias en el método principal de producción de ATP: fibras glucolíticas y vLÀ>ÃÊÝ`>ÌÛ>ÃÊUÊFibras de oxidación lenta, glucolíticas rápidas y de oxidación rápida
Integración de sistemas
Anatomía del corazón 366 Miocardio y pared cardíacaÊUÊVálvulas y flujo sanguíneo unidireccional
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Actividad simpática
338
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Tétanos
356 356
357
Integración de sistemas Resumen del capítulo Ejercicios
14
Sinopsis del aparato cardiovascular 361 CorazónÊUÊVasos sanguíneosÊUÊSangre Trayecto del flujo sanguíneo a través del corazón y la vasculatura 363 Flujo en serie a través del aparato cardiovascularÊUÊFlujos paralelos dentro del circuito pulmonar o sistémico
390
392
393
Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial 395
Leyes físicas que regulan el flujo sanguíneo y la presión arterial 396 Gradientes de presión en el aparato cardiovascularÊUÊ Resistencia en el aparato cardiovascularÊUÊRelación entre los gradientes de presión y la resistencia en la circulación sistémica
Sinopsis de la vasculatura
Aparato cardiovascular: función cardíaca 360
388
391
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ley de Poiseuille
13
365
399
399
Arterias 400 Arterias: un reservorio de presiónÊUÊPresión arterial Arteriolas 404 Arteriolas y resistencia al flujo sanguíneoÊUÊControl intrínseco de la distribución del flujo sanguíneo a los órganosÊUÊControl extrínseco del radio arteriolar y la presión arterial media C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Distensibilidad C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Regulación
independiente del flujo sanguíneo 410
404
ÍNDICE
Capilares y vénulas 411 Anatomía capilarÊUÊControl local del flujo sanguíneo a través de los lechos capilaresÊUÊMovimiento de sustancias a través de las paredes capilaresÊUÊVénulas C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Insuficiencia cardíaca
417
16
Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
Sinopsis de la función respiratoria
451
452
Venas 418 Venas: reservorio de volumenÊUÊFactores que influyen en la presión venosa y el retorno venoso
Anatomía del aparato respiratorio 452 Vías respiratorias superioresÊUÊTubo respiratorioÊUÊ Estructuras de la cavidad torácica
Sistema linfático
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Apnea del sueño
421
Presión arterial media y su regulación 421 Determinantes de la presión arterial media: ritmo cardíaco, volumen sistólico y resistencia periférica totalÊUÊRegulación de la presión arterial mediaÊUÊControl de la presión arterial mediante barorreceptores de baja presión (receptores de volumen) C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Hipertensión
428
Otros procesos reguladores cardiovasculares 429 Arritmia sinusal respiratoriaÊUÊReflejos quimiorreceptoresÊUÊ Respuestas termorreguladoras Integración de sistemas
Ejercicios
Fuerzas de la ventilación pulmonar 457 Presiones pulmonaresÊUÊMecanismo de la respiración C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ley de Boyle y ley de los gases
ideales 462 Factores que afectan a la ventilación pulmonar 466 Distensibilidad pulmonarÊUÊResistencia de las vías respiratorias C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Surfactante pulmonar y ley
de Laplace 467 obstructiva crónica
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Respuestas Resumen del capítulo
456
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Enfermedad pulmonar
430
cardiovasculares al ejercicio suave
xxv
431
468
Importancia clínica de los volúmenes respiratorios y de los flujos de aire 469 Volúmenes y capacidades pulmonaresÊUÊEvaluación de la función pulmonarÊUÊVentilación alveolar
432
433
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Efectos del ejercicio
sobre la ventilación
15
Integración de sistemas
Aparato cardiovascular: sangre 435
Resumen del capítulo Ejercicios
Sinopsis de la composición de la sangre: el hematocrito Plasma
472 472 473
473
436
437
Eritrocitos 437 Transporte de oxígeno y de dióxido de carbonoÊUÊCiclo vital de los eritrocitos C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Efectos de las grandes
alturas 441 C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Anemia
442
Plaquetas y hemostasia 444 Espasmos vascularesÊUÊTapón plaquetarioÊUÊFormación del coágulo
Diabetes y enfermedad cardiovascular Integración de sistemas Resumen del capítulo Ejercicios
450
449 449
449
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración 475
Sinopsis de la circulación pulmonar
Leucocitos 443 NeutrófilosÊUÊEosinófilosÊUÊBasófilos UÊMonocitosÊUÊLinfocitos
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Sanguijuelas y sangrías
17
448
476
Difusión de gases 478 Presión parcial de los gasesÊUÊSolubilidad de gases en líquidos C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Presiones parciales y ley
de Dalton 478 C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ley de Henry y solubilidad
de los gases 479 Intercambio de oxígeno y dióxido de carbono 480 Intercambio gaseoso en los pulmonesÊUÊIntercambio gaseoso en el tejido respiratorioÊUÊDeterminantes de la PO2 y la PCO2 alveolares
xxvi
ÍNDICE
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Aeroembolismo
481
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Edema pulmonar
y el conducto colectorÊUÊConservación del agua en el asa de Henle
484
Transporte de gases en la sangre 485 Transporte de oxígeno en la sangreÊUÊTransporte de dióxido de carbono en la sangre Regulación central de la ventilación 491 Control neural de la respiración por parte de las motoneuronasÊUÊGeneración del ritmo respiratorio en el tronco encefálicoÊUÊSeñales periféricas a los centros respiratorios Control de la ventilación por parte de los quimiorreceptores 495 QuimiorreceptoresÊUÊReflejos quimiorreceptores
Excreción 525 Velocidad de excreciónÊUÊEliminaciónÊUÊMicción Integración de sistemas Resumen del capítulo Ejercicios
19
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Función de los receptores
531 531
532
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico 534
sensoriales 495 Concepto de equilibrio 535 Factores que afectan a la composición plasmáticaÊUÊ Equilibrio de solutos y agua
Regulación local de la ventilación y la perfusión 498 Relación ventilación/perfusiónÊUÊControl local de la ventilación y la perfusión Papel del aparato respiratorio en la homeostasis ácido-base 500 Alteraciones ácido-base en la sangreÊUÊFunción del aparato respiratorio en el equilibrio ácido-base C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Reclutamiento
de capacidades respiratorias de reserva 500 Integración de sistemas
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Sudoración, rehidratación
501
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ecuación de Henderson-
Hasselbalch 502
Ejercicios
18
y equilibrio hídrico 538 D E S C U B R I M I E N T O S ■ Por qué no podemos beber agua
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Efectos de las grandes alturas Resumen del capítulo
Equilibrio hídrico 537 Osmolaridad y movimiento del aguaÊUÊReabsorción de agua en el túbulo proximalÊUÊEstablecimiento del gradiente osmótico medularÊUÊFunción del gradiente osmótico medular en la reabsorción de agua en el túbulo distal y el conducto colectorÊUÊDiabetes insípida
503
546
Equilibrio de sodio 546 Mecanismo de la reabsorción del sodio en el túbulo renalÊUÊEfectos de la aldosteronaÊUÊPéptido natriurético auricular
503
504
Equilibrio de potasio 550 Manejo renal de los iones de potasioÊUÊRegulación de la secreción de potasio por la aldosterona
Aparato urinario: función renal 507
Funciones del aparato urinario
del mar
Equilibrio de calcio 551 Manejo renal de los iones de calcioÊUÊControl hormonal de la concentración plasmática de calcio
508
Anatomía del aparato urinario 509 Estructuras del aparato urinarioÊUÊAnatomía macroscópica del riñónÊUÊAnatomía microscópica del riñónÊUÊIrrigación del riñón C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Cálculos renales
510
Procesos básicos de intercambio renal 512 Filtración glomerularÊUÊReabsorciónÊUÊSecreción C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Diálisis
523
Especialización local de los túbulos renales 524 Reabsorción sin regulación en el túbulo proximalÊUÊ Absorción y secreción reguladas en el túbulo distal
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Osteoporosis
553
Interacciones entre líquidos y regulación electrolítica
554
Equilibrio ácido-base 556 Fuentes de alteraciones ácido-baseÊUÊMecanismos de defensa contra las alteraciones ácido-baseÊUÊCompensación de las alteraciones ácido-base R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Iones y enlaces iónicos Integración de sistemas Resumen del capítulo Ejercicios
565
563 563
558
ÍNDICE
20
Aparato digestivo
Metabolismo energético durante los estados de absorción y postabsorción 608 Metabolismo durante el estado de absorciónÊUÊMetabolismo durante el estado de postabsorción
567
Repaso de los procesos del aparato digestivo
568
Anatomía funcional del aparato digestivo Tubo digestivo
568
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Úlceras
576
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Metabolismo
energético 609
Digestión y absorción de nutrientes y agua 580 Hidratos de carbonoÊUÊProteínasÊUÊLípidosÊUÊAbsorción de vitaminasÊUÊAbsorción de mineralesÊUÊAbsorción de agua C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Función de la dieta C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Intolerancia a la lactosa
581 588
Principios generales de la regulación digestiva 589 Vías neurales y endocrinas del control digestivoÊUÊ Regulación de la ingesta de alimentosÊUÊObesidad y diabetes D E S C U B R I M I E N T O S ■ Lipoproteínas y colesterol
plasmático 589 Secreción digestiva y su regulación 592 Secreción de salivaÊUÊSecreción de ácido y pepsinógeno en el estómagoÊUÊSecreción de jugo pancreático y bilisÊUÊ Velocidades del movimiento de líquidos en el aparato digestivo Motilidad digestiva y su regulación 595 Actividad eléctrica del músculo liso digestivoÊUÊPeristaltismo y segmentaciónÊUÊMasticado y degluciónÊUÊMotilidad gástricaÊUÊMotilidad del intestino delgadoÊUÊMotilidad del colon C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Diverticulosis Integración de sistemas Resumen del capítulo Ejercicios
600
600 600
601
Regulación del metabolismo de absorción y de postabsorción 612 Función de la insulinaÊUÊFunción del glucagónÊUÊControl mediante retroalimentación negativa de los niveles de glucosa en sangre por la insulina y el glucagónÊUÊEfectos de la adrenalina y de la actividad nerviosa simpática sobre el metabolismoÊUÊDiabetes mellitus Termorregulación 617 Equilibrio de la temperaturaÊUÊMecanismos de transferencia de calor entre el organismo y el medio ambienteÊUÊRegulación de la temperatura del organismoÊUÊ Alteraciones en los puntos de control de la termorregulación: fiebre C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Agotamiento térmico y golpe
de calor
Sistema endocrino: regulación del metabolismo energético y del crecimiento 603
Sinopsis del metabolismo corporal 604 AnabolismoÊUÊRegulación de las vías metabólicas Consumo, utilización y almacenamiento energético 605 Captación, utilización y almacenamiento energético de los hidratos de carbono UÊCaptación, utilización y almacenamiento energético de las proteínasÊUÊCaptación, utilización y almacenamiento energético de las grasas Equilibrio energético 606 Aporte energéticoÊUÊPérdida energéticaÊUÊTasa metabólicaÊUÊ Equilibrio energético positivo y negativo
617
Regulación hormonal del crecimiento 620 Crecimiento corporalÊUÊEfectos de la hormona de crecimientoÊUÊOtras hormonas que afectan al crecimiento Hormonas tiroideas 625 Síntesis y secreción de las hormonas tiroideasÊUÊAcciones de las hormonas tiroideas Glucocorticoides 627 Factores que afectan a la secreción de glucocorticoidesÊUÊ Acciones de los glucocorticoidesÊUÊFunción del cortisol en la respuesta al estrésÊUÊEfectos de una secreción anormal de glucocorticoides Resumen del capítulo Ejercicios
21
xxvii
22
629
630
Aparato reproductor
632
Sinopsis de la fisiología reproductiva 633 Función de los gametos en la reproducción sexualÊUÊ Selección y reparto de los genes en la gametogenia: meiosisÊUÊComponentes del aparato reproductorÊUÊPasos después de la fecundaciónÊUÊPautas de la actividad reproductora durante la vida humana Aparato reproductor masculino 638 Anatomía funcional de los órganos reproductores masculinosÊUÊRegulación hormonal de las funciones reproductoras en los hombresÊUÊEspermatozoides y su desarrolloÊUÊRespuesta sexual en hombres C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Diferencias de sexo
642
xxviii
ÍNDICE
Aparato reproductor femenino 645 Anatomía funcional de los órganos reproductores femeninosÊUÊÓvulos y su desarrolloÊUÊRespuesta sexual en las mujeresÊUÊCiclo menstrualÊUÊRegulación hormonal a largo plazo de la función reproductora de la mujer C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Disfunción eréctil
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Métodos anticonceptivos
656
Parto y lactancia 661 Pasos del partoÊUÊLactancia
23
Ejercicios
690
691
24
Diabetes mellitus
693
Clasificación de la diabetes mellitus 694 Diabetes mellitus de tipo 1ÊUÊDiabetes mellitus de tipo 2 Efectos graves de la diabetes mellitus 695 Cetoacidosis diabéticaÊUÊComa hiperosmolar no cetósicoÊUÊ Coma hipoglucémico Complicaciones crónicas de la diabetes mellitus: fase temprana 696
664
664
Complicaciones crónicas de la diabetes mellitus: fase avanzada 697 Efectos adversos de la hiperglucemiaÊUÊEfectos de la diabetes mellitus en la microvasculatura
Sistema inmunitario
Anatomía del sistema inmunitario LeucocitosÊUÊTejidos linfoides
Resumen del capítulo
651
Fecundación, implantación y embarazo 655 Pasos de la fecundaciónÊUÊDesarrollo embrionario temprano e implantaciónÊUÊDesarrollo embrionario tardío y fetalÊUÊ Cambios hormonales durante el embarazoÊUÊDiabetes gestacional
Ejercicios
para la inmunodeficiencia combinada grave 690
645
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Quistes ováricos
Resumen del capítulo
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Terapia génica
667
668
Retraso en la cicatrización de las heridas 701 Cicatrización de las heridasÊUÊTrastorno de la cicatrización de las heridas en la diabetes
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Movilización
leucocitaria 669 Organización de las defensas del cuerpo 670 Defensas inespecíficasÊUÊDefensas específicas: respuesta inmunitaria C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Herpes zóster
678
Inmunidad humoral 679 Función de los linfocitos B en la producción de anticuerposÊUÊ Función de los anticuerpos en la inmunidad humoral Inmunidad mediada por células 681 Funciones de los linfocitos T en la inmunidad mediada por célulasÊUÊActivación de las células T colaboradoras UÊ Activación de las células T citotóxicas: destrucción de células infectadas por virus y tumorales Respuesta inmunitaria en estados de salud y de enfermedad 684 Generando inmunidad: vacunaciónÊUÊFunciones del sistema inmunitario en las transfusiones y los trasplantesÊUÊ Disfunciones inmunitarias C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Esclerosis múltiple
Progresión de la diabetes mellitus a estados críticos 700 Efectos de la diabetes mellitus en la macrovasculaturaÊUÊ Miocardiopatía diabética
689
Tratamiento y manejo de la diabetes mellitus
703
Investigaciones actuales sobre la diabetes mellitus 704 Nuevas técnicas para la administración de insulinaÊUÊ Tratamientos no farmacológicos de la diabetes mellitus C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Cirugía bariátrica como
tratamiento de la diabetes
705
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Transporte de glucosa
en la ejercitación del músculo y diabetes 706 Resumen del capítulo Ejercicios
707
708
Respuestas
709
Créditos
717
Glosario
718
Índice alfabético
739
Introducción a la fisiología El organismo humano es capaz de sobrevivir en una gran variedad de condiciones ambientales. Puede vivir en selvas, montañas, ciudades muy pobladas
1
o desiertos. Puede soportar el calor de un verano en la India o el frío de un invierno en Nueva Inglaterra. Con un entrenamiento adecuado, se puede aclimatar a cambios de altitud mientras escala el Everest o sobrevivir mientras corre una maratón de 42 km. ¿Cómo consigue hacerlo? Tal y como aprenderemos en este capítulo y a lo largo de todo este libro, nuestro cuerpo tiene una capacidad increíble para adaptarse a los cambios que se producen en el medio, minimizando así los cambios internos. Por ejemplo, cuando una persona viaja de un entorno frío a otro templado (que aumenta la temperatura corporal), el organismo responde con rapidez, sudando y aumentando el flujo de la sangre a la piel para ayudar a que la temperatura vuelva a la normalidad. La capacidad del organismo de mantener un medio interno normal, llamada homeostasis, es un tema de importancia primordial en este libro de texto. ¡Bienvenidos al estudio de la fisiología humana!
Nuestro organismo se puede adaptar a muchas condiciones ambientales.
CONTENIDOS Organización del cuerpo
2
Homeostasis: principio organizativo clave en fisiología Diabetes: una epidemia
13
8
2
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
OBJETIVOS
Conocer los cuatro tipos de células más importantes del cuerpo humano y definir sus características.
Describir la distribución del agua en el organismo y definir los diversos compartimentos de los líquidos.
Definir qué es la homeostasis y explicar su importancia en el funcionamiento del organismo. Describir la función de la retroalimentación negativa en la homeostasis.
L
a fisiología, ciencia que se ocupa del funcionamiento del organismo, puede ser un producto de la razón humana, pero, sin duda, se concibió como resultado de la pasión, de nuestro deseo natural de comprendernos a nosotros mismos y al universo que habitamos. Para algunas personas, este deseo persiste más allá de la mera curiosidad y se convierte en el estímulo para toda una vida de estudio. Gracias a los esfuerzos de esas personas, la ciencia de la fisiología existe actualmente. Como ocurre en muchos otros campos de estudio, la fisiología se puede definir de una manera sencilla, pero es casi imposible describirla sucintamente. Expresándolo con sencillez, la fisiología intenta explicar el funcionamiento del organismo utilizando una serie de principios físicos y químicos establecidos. Esta descripción puede parecer suficientemente clara, pero lo mismo se podría decir de otras ramas de la biología, como la bioquímica y la biología celular. Es difícil definir lo que diferencia a la fisiología, porque, como ocurre con muchas otras áreas de estudio científico, carece de límites definidos. Para explicar cómo funciona el organismo, los fisiólogos utilizan herramientas procedentes de muchos campos diferentes, entre los que se encuentran la bioquímica, la biología celular, la genética, la física e incluso la ingeniería. En fisiología, hay materia para todos los gustos. Por ejemplo, si se considera el nivel celular o molecular, se pueden encontrar temas especialmente interesantes, como el transporte de membrana o el sistema de transmisión de señales entre células nerviosas. Si se considera un nivel mayor, a escala de órganos o de todo el organismo, el estudio de la función cardiovascular o respiratoria podría ser atractivo. La mayoría de los fisiólogos afirman que lo mejor de estudiar fisiología es que se llegan a explorar todas estas cosas. Como casi todo el mundo siente curiosidad por cómo funciona el cuerpo humano, hay muchas posibilidades de que estudiar fisiología se convierta en una de las experiencias académicas más satisfactorias. También nos daremos cuenta de que la fisiología, como el resto de las ciencias, no solo es una colección de hechos trillados, sino que se trata, más bien, de un trabajo que progresa día a día. Veremos que hay lagunas significativas en nuestra comprensión acerca de cómo funciona el organismo y también que gran parte de lo que entendemos ahora será susceptible de cambios a medida que se realicen nuevos hallazgos. Independientemente de la formación o de los intereses que tengamos, el estudio de la fisiología ampliará nuestro enfoque científico. Empezaremos a ver el «cuadro completo», comprendiendo el funcionamiento del cuerpo no como una colección de fenómenos sin relación entre sí, sino como un todo conectado. Puede que incluso descubramos algo más: que la fisiología es hermosa. Casi todos los que hemos decidido hacer de ella nuestro trabajo diario pensamos así.
Organización del cuerpo Si alguna vez hemos pasado un rato examinando un gráfico o modelo anatómico detallado del cuerpo humano, nos habremos dado cuenta de que es una estructura altamente complicada e intrincada. Sin embargo, a pesar de su complejidad, hay una simplicidad subyacente en el funcionamiento del cuerpo humano. Para un fisiólogo, tal vez lo más interesante acerca del organismo es que su funcionamiento puede explicarse mediante un conjunto relativamente pequeño de principios. Por este motivo, su enfoque al estudiar el organismo es eliminar todos los detalles innecesarios para que lo esencial, esto es, los temas y los principios unificadores, se puedan ver con mayor claridad. Para tener una idea de lo que esto significa, consideremos la figura 1.1, que muestra las células del cerebro de cuatro formas o morfologías diferentes. El cerebro contiene miles de millones de esas células. Aunque no es probable que dos cualesquiera sean exactamente iguales, se las puede clasificar en cuatro grupos según las diferencias entre estas formas generales. ¡Y esto es una suerte, ya que el cerebro contiene miles de millones de esas células y no es probable que dos de ellas sean exactamente iguales! Sin embargo, si consideramos el funcionamiento de estas células, las similitudes entre ellas son más importantes que las diferencias, lo que les permite agruparse en una sola categoría: todas las células de esa categoría se especializan en la transmisión de información en forma de señales eléctricas desde un punto del organismo a otro. Por este funcionamiento compartido, todas estas células se clasifican en el grupo de las neuronas (o células nerviosas). Así como la simplicidad que subyace en el organismo es uno de los temas más importantes de la fisiología, otro es el grado de interacción entre sus diversas partes. Si bien cada una de las células del organismo, las unidades vivas más pequeñas que hay, es capaz de realizar sus propios procesos vitales básicos de manera independiente, los diversos tipos de células están especializados para llevar a cabo funciones diferentes muy importantes para el funcionamiento integral del organismo. Por este motivo, en última instancia, todas las células dependen unas de otras para sobrevivir. Igualmente, los órganos del cuerpo también están especializados en la realización de ciertas tareas vitales para el funcionamiento de otros órganos. Se sabe, por ejemplo, que las células necesitan oxígeno para vivir y que el torrente sanguíneo lo transporta hasta las células, pero pensemos en algunas de las muchas cosas que tienen que ocurrir para garantizar que el oxígeno que llega es suficiente para satisfacer las necesidades celulares. Las células que transportan el oxígeno en el torrente sanguíneo se llaman eritrocitos, y son fabricadas por la médula ósea, un tejido que se encuentra en el interior de algunos huesos. Para garantizar que hay un número adecuado de eritrocitos en la sangre, la síntesis de estas células se regula mediante una hormona llamada eritropoyetina, secretada por los riñones. Para asegurar un flujo adecuado de sangre a los tejidos del organismo, el corazón debe bombear un volumen suficiente de sangre cada minuto, por lo que el sistema nervioso regula el ritmo y la fuerza de sus contracciones. A su vez, para garantizar que la sangre transporte suficiente oxígeno, los pulmones deben poder admitir cantidades de aire adecuadas, lo que requiere que el sistema nervioso controle los músculos respiratorios (como el diafragma). Finalmente, para proporcionar la energía necesaria para la realización de estos y otros procesos, el aparato digestivo descompone la comida ingerida en moléculas de menor tamaño, que son absorbidas por el torrente sanguíneo y distribuidas a las células de todo el organismo.
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Célula de Purkinje
Célula piramidal
Célula estrellada Célula en cesta
FIGURA 1.1 Formas de las células que se encuentran en el cerebro. Cada una de estas cuatro células es una neurona que transmite señales eléctricas y químicas. Este ejemplo muestra que el funcionamiento adecuado del organismo no solo necesita que cada parte sea capaz de realizar su propia función concreta, sino también que las partes sean capaces de trabajar conjuntamente de manera coordinada. Para ayudar a entender mejor cómo colaboran las diversas partes del organismo, el resto del capítulo subraya los principios generales relativos al funcionamiento del organismo; las funciones de órganos específicos y sistemas de órganos son los temas de los que se ocupan capítulos posteriores.
Células, tejidos, órganos y sistemas de órganos El cuerpo humano es una estructura increíble que consiste en células dispuestas de una manera ordenada. Las células se agrupan para formar tejidos, que se agrupan a su vez para formar órganos. Los órganos trabajan conjuntamente formando sistemas de órganos. Ahora vamos a describir cada uno de estos componentes jerárquicos.
Células y tejidos Aunque hay más de 200 tipos de células diferenciadas presentes en el organismo, se pueden clasificar en solo cuatro clases principales: 1) neuronas; 2) células musculares; 3) células epiteliales, y 4) células del tejido conjuntivo. En la figura 1.2 se muestran las células más representativas que pertenecen a cada uno de estos
tipos. Estas clasificaciones son muy amplias y están basadas, principalmente, en diferencias funcionales. Hay otras formas más rigurosas de clasificar las células con base en distinciones anatómicas y orígenes embriológicos. Como hemos mencionado anteriormente, las células nerviosas, o neuronas (v. fig. 1.2a), están especializadas en la transmisión de información en forma de señales eléctricas. Para lograrlo, las neuronas suelen poseer unas ramas que funcionan para recibir señales o transmitir señales procedentes de o hacia otras células. Ciertas neuronas, como las que hay en los ojos para responder a estímulos luminosos o las que hay en la piel para responder a estímulos táctiles, reciben información del exterior y nos permiten percibir el mundo a través de nuestros sentidos. Otras neuronas transmiten señales a músculos, glándulas y a otros órganos, posibilitando el control del movimiento, la secreción hormonal y otras funciones corporales. Incluso hay otras neuronas, como las que están presentes en el cerebro, que procesan información, haciendo que podamos conceptualizar, recordar, formular planes de acción y experimentar emociones. La especialidad de las células musculares, o fibras musculares (v. fig. 1.2b), es contraerse, generando así la fuerza mecánica y el movimiento. Estas células se encuentran en los músculos de los brazos, las piernas y en otras partes del cuerpo cuyos movimientos están bajo control voluntario (llamados músculos esqueléticos), pero también se pueden encontrar en estructuras que no están bajo control voluntario, como el corazón (músculo car-
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Célula del músculo esquelético
Células del músculo liso
(a) Neuronas
Células del músculo cardíaco
(b) Células de los músculos (miocitos)
Células sanguíneas Membrana basal
(c) Células epiteliales
Membrana basal
Células del hueso (osteocitos)
FIGURA 1.2 Principales tipos de células del cuerpo humano. (a) Neuronas. (b) Células de los músculos. (c) Células epiteliales. (d) Células del tejido conjuntivo. díaco) y los vasos sanguíneos (músculo liso). El hecho de flexionar un brazo, de que el corazón bombee sangre y de que el estómago mezcle los alimentos ingeridos son, todos ellos, ejemplos de células musculares en acción. Las células epiteliales se encuentran en tejidos llamados epitelios, que consisten en una capa continua y parecida a una sábana envolvente de células en combinación con una fina capa inferior de material no celular denominado membrana basal (v. fig. 1.2c). Dependiendo del epitelio en cuestión, la capa de células puede tener el espesor de una sola célula o de varias, y estas pueden tener diversas formas y ser tanto cortas y aplanadas en algunos casos como altas y oblongas en otros. Sin embargo, en todos los casos, las células están estrechamente unidas entre sí, formando una barrera que impide que las sustancias de un lado del epitelio se mezclen libremente con las sustancias del otro lado. De manera apropiada, los epitelios se encuentran siempre que haya líquidos en el organismo que deban mantenerse separados del medio externo, como la superficie de la piel o del revestimiento de la pared pulmonar. También se pueden encontrar epitelios en las paredes de órganos huecos, como el estómago, los intestinos y los vasos sanguíneos, donde separan los líquidos de la cavidad interna de los líquidos corporales circundantes. La cavidad interna de un órgano hueco o de un vaso sanguíneo suele recibir el nombre de luz. Ciertas células epiteliales están especializadas en el transporte de sustancias específicas, como iones inorgánicos, moléculas orgánicas o agua, de un sitio a otro. Por ejemplo, las células de la pared gástrica transportan ácido (iones de hidrógeno) a la luz del estómago para ayudar a digerir los alimentos. Las células de la pared intestinal, que transportan nutrientes y agua desde la luz del intestino hacia el torrente sanguíneo, son otro ejemplo. Algunas células epiteliales forman glándulas, órganos especializados en la síntesis y secreción de un producto. Hay dos tipos de glándulas: las glándulas exocrinas secretan un producto a un
Fibroblastos (en la piel y otros tejidos)
(d) Células del tejido conjuntivo
conducto que conduce al exterior del organismo (fig. 1.3a). Las glándulas sudoríparas y las glándulas salivales son ejemplos de glándulas exocrinas. Las glándulas endocrinas secretan hormonas, sustancias químicas que comunican un mensaje a las células del organismo, hacia el torrente sanguíneo (fig. 1.3b). Como ejemplos de glándulas endocrinas están la hipófisis y la glándula suprarrenal. El último gran tipo de células, las células del tejido conjuntivo, es el más diverso. Este tipo de células incluye las células sanguíneas, los osteocitos (células del hueso), los adipocitos (células de la grasa) y otros muchos tipos de células que, a primera vista, parecerían no tener mucho en común en cuanto a estructura o funcionamiento (v. fig. 1.2d). En sentido estricto, el término tejido conjuntivo hace referencia a cualquier estructura cuya función principal es proporcionar un soporte físico a otras estructuras, anclarlas en su lugar o unirlas entre sí. Como ejemplos conocidos de estructuras del tejido conjuntivo, podemos mencionar los tendones, que anclan los músculos a los huesos; los ligamentos, que conectan a los huesos entre sí, y el tejido elástico de la piel, que le confiere resistencia y flexibilidad. Otro ejemplo de tejido conjuntivo son los
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Medio externo
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Medio externo
Epitelio Vaso sanguíneo Conducto
Células secretoras
Flujo sanguíneo
Células secretoras
Hormona (a) Glándula exocrina
(b) Glándula endocrina
FIGURA 1.3 Glándulas. (a) Glándula exocrina. Las células secretoras liberan su producto, que viaja a través de un conducto hacia el medio externo. (b) Glándula endocrina. Las células secretoras liberan su producto, una hormona, en el torrente sanguíneo, el cual transporta la hormona por el medio interno.
huesos, que proporcionan un apoyo directo o indirecto a todas las estructuras del organismo. En la mayoría de los casos, el tejido conjuntivo consiste en un conjunto de células bastante dispersas incrustadas en una masa de sustancias no celulares denominadas matriz extracelular, que contiene una densa malla de proteínas y otras moléculas grandes. Entre los componentes más importantes de la matriz extracelular se encuentran las largas y fibrosas proteínas llamadas elastina (que aporta elasticidad al tejido) y colágeno (que aporta al tejido resistencia a la tensión, la capacidad de resistir estiramientos). En un sentido más amplio, el término tejido conjuntivo comprende líquidos como la sangre y la linfa, que no proporcionan un apoyo estructural como otros tejidos conjuntivos, sino que sirven para «conectar» las diversas partes del cuerpo entre sí proporcionando vías de comunicación. La sangre, por ejemplo, lleva oxígeno de los pulmones al resto de los tejidos del organismo y transporta hormonas desde las glándulas que las secretan a los tejidos que responden a ellas. Igualmente, la linfa lleva agua y otras sustancias que se filtran a través de los vasos sanguíneos por todo el cuerpo y los devuelve a la sangre. Como regla general, las células de un tipo dado tienden a agruparse en el cuerpo con células del mismo tipo. Por ejemplo, las células nerviosas siempre se encuentran junto con otras células nerviosas, y las células epiteliales siempre se unen a otras células epiteliales. Cualquier grupo de células que desempeñen funciones similares recibe el nombre de tejido. Por tanto, los tejidos también se clasifican en cuatro grupos básicos: tejido nervioso, tejido muscular, tejido epitelial y tejido conjuntivo. (El término tejido también se usa por extensión para hacer referencia a cualquiera de las sustancias de las que está compuesto el organismo.)
(los extremos de los nervios que controlan el ritmo cardíaco), tejido epitelial (que reviste las paredes de las cavidades cardíacas) y tejido conjuntivo (que forma las válvulas cardíacas y otros tejidos que mantienen las fibras musculares unidas). Los diversos órganos se organizan en sistemas de órganos, grupos de órganos que trabajan conjuntamente para realizar ciertas funciones. Un ejemplo es el aparato cardiovascular, cuya función es bombear sangre a todos los tejidos del organismo. El aparato cardiovascular incluye el corazón, los vasos sanguíneos y la sangre (que no es un órgano, sino más bien un tejido). Otro sistema de órganos es el aparato digestivo, cuya función es descomponer los alimentos en moléculas más pequeñas para después transportarlas al torrente sanguíneo. En este sistema se incluyen la boca, las glándulas salivales, el esófago, el estómago, los intestinos, el hígado, la vesícula biliar y el páncreas. En algunos sistemas de órganos (p. ej., los aparatos cardiovascular y digestivo), los órganos están conectados físicamente. En otros casos, los órganos no están conectados entre sí y se encuentran dispersos. Este es el caso del sistema endocrino, que abarca todas las glándulas del cuerpo que secretan hormonas, y del sistema inmunitario, que protege el organismo de microorganismos invasores y de otras sustancias extrañas. En la tabla 1.1 se muestra una lista de todos los sistemas de órganos y sus funciones principales. Aunque el concepto de un sistema de órganos es sencillo en principio, las diferencias entre un sistema de órganos y otro no siempre son claras: muchos órganos realizan funciones que son esenciales para más de un sistema de órganos. Un ejemplo importante lo constituye el páncreas, que se considera tanto parte del aparato digestivo, porque secreta líquido y enzimas digestivas a los intestinos, como del sistema endocrino, debido a que secreta ciertas hormonas.
Órganos y sistemas de órganos Generalmente, cuando dos o más tejidos se combinan para formar estructuras que realizan funciones particulares, esas estructuras se denominan órganos. El corazón, por ejemplo, es un órgano cuya función principal es bombear sangre. Aunque está mayormente compuesto de tejido muscular, también contiene tejido nervioso
Test rápido 1.1 1. Nombra y describe los cuatro tipos básicos de células y tejidos. 2. Nombra los diez sistemas de órganos y define brevemente la función de cada uno.
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TABLA 1.1 Sistemas y aparatos de órganos Sistema/aparato
Algunos órganos/tejidos dentro del sistema
Función
Endocrino
Hipotálamo, hipófisis, glándulas suprarrenales, glándula tiroides, glándulas paratiroideas, timo, páncreas
Facilitar la comunicación entre las células del organismo mediante la liberación de hormonas al torrente sanguíneo
Nervioso
Cerebro, médula espinal, nervios periféricos
Facilitar la comunicación entre las células del organismo mediante señales eléctricas y la liberación de neurotransmisores en huecos minúsculos que hay entre ciertas células
Musculoesquelético
Músculo esquelético, huesos, tendones, ligamentos
Servir de soporte al cuerpo; permitir su movimiento voluntario, así como las expresiones faciales
Cardiovascular
Corazón, vasos sanguíneos, sangre
Transportar moléculas por el organismo mediante el torrente sanguíneo
Respiratorio
Pulmones, faringe, tráquea, bronquios
Aportar oxígeno al cuerpo y eliminar dióxido de carbono del mismo
Urinario
Riñones, uréteres, vejiga, uretra
Filtrar la sangre para regular la acidez, el volumen de sangre y las concentraciones de iones; eliminar residuos
Digestivo
Boca, esófago, estómago, intestino delgado, intestino grueso, hígado, páncreas, vesícula biliar
Descomponer los alimentos y absorberlos en el organismo
Reproductor
Gónadas, aparato genital y glándulas reproductoras
Dar origen a la descendencia
Inmunitario
Glóbulos blancos (o leucocitos), timo, ganglios linfáticos, bazo, amígdalas, tejido adenoideo
Defender el organismo contra agentes patógenos y células anormales
Tegumentario
Piel
Proteger el cuerpo del medio externo
Esquema general del organismo: una visión simplificada Cuando los fisiólogos tratan de entender y explicar las funciones del organismo, suelen intentar reducir su complejidad a sus elementos esenciales para apreciar más fácilmente los temas y principios unificadores. Esta tendencia a simplificar se observa claramente en la figura 1.4, que muestra la visión «minimalista» que tiene un fisiólogo del cuerpo humano. Esta figura no tiene en absoluto un aspecto real: no solo la forma es incorrecta, sino que es simplista y, aparentemente, faltan algunas partes. El aparato digestivo, por ejemplo, está dibujado como un tubo recto que atraviesa el cuerpo de un extremo a otro. Los pulmones parecen un único saco hueco. La intrincada red de vasos sanguíneos se muestra como un sencillo lazo, y el corazón, que bombea sangre por este lazo, es una simple caja. Diversos tipos de células, como las de los tejidos nervioso, muscular y conjuntivo, están dibujadas de la misma manera y se les da el mismo nombre genérico: «células». Además, los riñones aparecen simplemente como un sencillo túbulo ciego que da al exterior. (En realidad, cada riñón está compuesto por muchos de estos túbulos, que son los que producen la orina.) A pesar de la falta de detalle, o realmente gracias a ella, la figura 1.4 resalta un concepto importante que no se ve tan claramente en una representación más realista: que el interior del organismo y el exterior están separados por una sola capa de tejido epitelial.
El medio externo del organismo La figura 1.4 muestra que una capa de tejido epitelial separa el medio externo del interior del organismo: esta barrera epitelial no solo incluye la piel, sino también el revestimiento de las paredes de los pulmones, el aparato digestivo y los túbulos renales. Esto significa que, cuando entra el aire a los pulmones o el alimento al estómago, estas sustancias siguen estando en el medio externo porque se encuentran en la parte exterior de esta barrera epitelial. La figura 1.4 también muestra que esta barrera es
continua, es decir, que no hay una separación real entre la superficie externa de la piel y las superficies internas de los pulmones, el aparato digestivo y los túbulos renales. Se puede decir que todas forman parte del mismo «tejido».
El medio interno del organismo Para vivir, las células deben admitir oxígeno y nutrientes de su entorno y liberar en él dióxido de carbono y otros productos de deshecho. La fuente original de oxígeno y nutrientes y el depositario último de los productos de deshecho descartados (incluyendo el dióxido de carbono) es el medio externo. Sin embargo, como se muestra en la figura 1.4, la mayoría de las células del organismo no son capaces de intercambiar sustancias directamente con el exterior, porque no están en contacto directo con él. En su lugar, las células reciben oxígeno y nutrientes del torrente sanguíneo, que también se lleva el dióxido de carbono y los productos de deshecho de las células. Observa, también, que la mayoría de las células no tienen un contacto directo con la sangre, sino que están rodeadas de un líquido diferente que intercambia sustancias con la sangre. Como este líquido constituye el medio más inmediato de la mayoría de las células del organismo, recibe el nombre de medio interno. (El término medio interno también se aplica a los líquidos del torrente sanguíneo que rodean a las células sanguíneas.) Intercambio de sustancias entre los medios externo e interno Para hacer su trabajo, la sangre debe obtener oxígeno, nutrientes y otras sustancias del medio externo y debe liberar en él dióxido de carbono y otras sustancias innecesarias. La figura 1.4 muestra que se intercambian sustancias entre la sangre y el medio externo en diversos lugares, incluyendo los pulmones, el tubo digestivo y los riñones. En los pulmones, el oxígeno entra en el torrente sanguíneo desde el aire que se inspira, mientras que el dióxido de carbono sale del torrente sanguíneo y se expele en el aire que se espira. En el tubo digestivo, el agua, las sales inorgánicas y los nutrientes que se obtienen de los alimentos digeridos son transportados
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Nutrientes, agua, iones orgánicos
Aire
Medio interno
Tubo digestivo O2
Membrana celular
CO2
Pulmones
Vasos sanguíneos
Secreción
Corazón Absorción Células sanguíneas Filtración
Reabsorción
Secreción
Células (nerviosas, musculares, etc.)
Riñones Capa de células epiteliales
Excreción Orina
Sustancia no absorbida
FIGURA 1.4 Visión muy simplificada del esquema general del cuerpo humano. Los flujos de sustancias se indican mediante flechas.
de la luz al torrente sanguíneo, proceso que se denomina absorción. Para ayudar a la digestión de los alimentos, el estómago utiliza sustancias de la sangre para producir ácidos y proteínas que, entonces, son transportados a la luz del estómago, proceso conocido como secreción. Las sustancias no absorbidas (además de las bacterias y los restos celulares) permanecen en el tubo digestivo y son finalmente eliminadas del organismo en forma de heces (proceso que recibe el nombre de excreción). En los riñones, el líquido del torrente sanguíneo entra primero en los túbulos mediante un mecanismo llamado filtración. A medida que este líquido viaja a lo largo de los túbulos, los materiales necesarios (agua, sales inorgánicas y nutrientes) se vuelven a transportar selectivamente al torrente sanguíneo, proceso conocido como reabsorción. Al mismo tiempo, las sustancias innecesarias son transportadas selectivamente del torrente sanguíneo hacia los túbulos mediante la secreción. El líquido que finalmente alcanza los extremos de los túbulos forma la orina, que es eliminada del organismo gracias a la excreción. Entre las sustancias contenidas en la orina hay productos de desecho celulares, así como el exceso de sales y de agua que no son necesarios para el organismo. Compartimentos de los líquidos del organismo La sustancia más abundante del organismo es el agua, que actúa como
disolvente de una gran variedad de solutos que se encuentran en los líquidos del organismo. Entre estos solutos se encuentran pequeñas moléculas, como iones inorgánicos, azúcares y aminoácidos, y grandes moléculas, como proteínas. La figura 1.4 muestra que el interior del organismo está dividido en compartimentos separados (llenos de líquido) gracias a barreras de tipos diversos, incluyendo tejidos epiteliales y membranas celulares, que separan el contenido de las células de su entorno. Aunque estos compartimentos están físicamente separados, pueden intercambiar sustancias entre sí porque las barreras que las separan son permeables, esto es, permiten que las moléculas pasen a su través. Estas barreras dejan que ciertos tipos de moléculas las atraviesen con mayor facilidad que otras, e incluso excluyen por completo a algunas moléculas, por lo que es más preciso decir que las membranas celulares y los tejidos epiteliales son selectivamente permeables o semipermeables. El volumen de agua contenida en todos los compartimentos del organismo es el agua corporal total (ACT), el volumen total de líquido encerrado dentro de la capa epitelial externa (fig. 1.5a). Para una persona que pese 70 kg, el volumen del ACT es 42 l, lo que representa alrededor de un 60% del peso corporal total. El ACT incluye el agua presente en los líquidos que hay dentro de las células, llamado líquido intracelular (LIC) (fig. 1.5b), y el
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(a) Agua corporal total (ACT)
(b) Líquido intracelular (LIC)
(c) Líquido extracelular (LEC)
Líquido del organismo
Volumen (l)
ACT
42
LIC
28
LEC
14
Plasma LI
(d) Plasma
(e) Líquido intersticial (LI)
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(f) Distribución del ACT
FIGURA 1.5 Compartimentos del líquido del organismo. Los diversos compartimentos están indicados en azul en varios esquemas simplificados del organismo similares a los que muestra la figura 1.4. (a) Agua corporal total. (b) Líquido intracelular. (c) Líquido extracelular. (d) Plasma. (e) Líquido intersticial. (f) Distribución del agua corporal total. ¿Cuál de los siguientes no incluye plasma: el agua total del organismo, el líquido extracelular o el líquido P intersticial?
líquido que hay fuera de las células, llamado líquido extracelular (LEC) (fig. 1.5c). En el diagrama del esquema del cuerpo humano, el volumen de LEC en relación con el LIC está muy exagerado, ya que, en realidad, en el LIC hay, más o menos, dos tercios de ACT y solo alrededor de un tercio está presente en el LEC. (Obsérvese que el líquido extracelular coincide con el medio interno.) Los LIC y LEC están separados por membranas celulares y su composición difiere significativamente. El líquido intracelular contiene muchas proteínas y es relativamente rico en potasio, por ejemplo, mientras que el líquido extracelular contiene pocas proteínas y es relativamente rico en sodio. Estas diferencias de composición son necesarias para el adecuado funcionamiento de las células y son posibles porque la permeabilidad de las membranas celulares a muchos solutos es relativamente baja y las membranas permiten el intercambio selectivo de ciertos solutos. Del volumen total de líquido extracelular, un 20% se encuentra en la sangre y el resto fuera de ella. La parte presente en la sangre (esto es, la parte líquida y no celular de la sangre) es el plasma (fig. 1.5d). La parte que se encuentra fuera de la sangre y que baña a la mayoría de las células del organismo es el líquido intersticial (LI) (fig. 1.5e). El plasma y el líquido intersticial tienen una composición muy similar; la única gran diferencia es que el plasma es relativamente rico en proteínas, que no abun-
dan en el líquido intersticial. El parecido de la composición del plasma y el líquido intersticial se debe al hecho de que las paredes de los vasos sanguíneos más pequeños y más numerosos, llamados capilares, son muy permeables a la mayoría de los solutos, excepto a las proteínas.
Test rápido 1.2 1. ¿Por qué se hace referencia al líquido extracelular llamándolo el medio interno del organismo? 2. Nombra cada uno de los siguientes conceptos con el término adecuado: a) toda el agua que contiene el organismo; b) líquido que contienen las células; c) líquido que hay fuera de las células; d) líquido que hay fuera de las células y que se encuentra en la sangre, y e) líquido que hay fuera de las células y que se encuentra fuera de la sangre.
Homeostasis: principio organizativo clave en fisiología Nuestras células dependen unas de otras para sobrevivir: si se sacan las células del cuerpo, suelen morir en un corto período de tiempo.
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COMPRENDER EL E JERCICIO
El desafío de la homeostasis Mantener la homeostasis puede ser un gran desafío para los sistemas de órganos, especialmente cuando una persona se enfrenta a un agente estresante, un estímulo que crea tensión en el organismo. Aunque se considera que muchos agentes estresantes son dañinos, uno de ellos, el deporte, se considera beneficioso para el organismo. Durante la práctica de ejercicio, nuestros sistemas de órganos se aceleran para mantener un medio interno normal. Nuestra respiración es más profunda para aumentar el aporte de oxígeno al organismo y eliminar el dióxido de carbono. El corazón late más rápido y fuerte para aumentar el flujo de sangre, que hace llegar el oxígeno y otros nutrientes a nuestras células y se lleva el dióxido de carbono y otros productos de deshecho de las células. El hígado libera
glucosa al torrente sanguíneo y el tejido adiposo libera ácidos grasos para que nuestros músculos en ejercicio los puedan utilizar para crear energía. El aumento de la actividad muscular y nerviosa hace que aumentan las concentraciones de potasio extracelular. El flujo de sangre a la piel aumenta y las glándulas incrementan la producción de sudor a medida que el organismo libera el calor producido por el aumento de actividad muscular. Estos son sólo algunos de los hechos que ocurren dentro de nuestro organismo durante la práctica del ejercicio. Cuando estos órganos trabajan juntos adecuadamente, podemos bailar, saltar e incluso correr maratones. Los cambios descritos en el párrafo anterior son cambios a corto plazo que permiten al organismo mantener la homeostasis. Sin embargo,
Los científicos han intentado establecer cultivos de larga duración de varias células humanas, pero con poco éxito. A pesar de los avances en tecnología, la ciencia aún no puede reproducir las condiciones del cuerpo humano necesarias para sustentar la vida. Dada la sensibilidad de nuestras células a las condiciones cambiantes, ¿cómo puede el organismo tolerar las condiciones tan cambiantes del medio externo? Después de todo, los seres humanos podemos vivir en climas muy cálidos, como los trópicos, y también en climas mucho más fríos. Podemos vivir a nivel del mar, donde hay abundancia de oxígeno, o en las montañas, donde la concentración de oxígeno en el aire es menor. Podemos vivir en la sequedad de un desierto o en la humedad extrema de un bosque lluvioso. ¿Cómo puede el organismo adaptarse a tal variedad de condiciones? El organismo posee todo tipo de mecanismos reguladores que trabajan para mantener las condiciones del medio interno relativamente constantes a pesar de los cambios en el medio externo. Este mantenimiento de condiciones constantes en el medio interno se conoce como homeostasis. A medida que vayamos avanzando en las lecciones, descubriremos que el concepto de homeostasis es un principio organizativo clave en fisiología. De hecho, nueve de los diez sistemas de órganos trabajan para mantener la homeostasis (la excepción la constituye el aparato reproductor, que trabaja para mantener la especie, no el individuo). Para aprender más sobre cómo el organismo se adapta a un agente estresante que afecta a la homeostasis (v. Comprender el ejercicio: El desafío de la homeostasis). Decir que el medio interno se regula para mantenerse constante significa que la composición, la temperatura y el volumen del líquido extracelular no cambian significativamente en condiciones normales. (Ocurren pequeñas fluctuaciones y se consideran
los beneficios del ejercicio se notan a largo plazo. Nuestro organismo se adapta a los agentes estresantes que se repiten, como el ejercicio. Los corredores de maratón tienen músculos estrechos que tardan en fatigarse, mientras que los levantadores de pesas tienen grandes músculos que generan mucha fuerza, pero que se cansan rápido. Entre los beneficios de la adaptación al ejercicio se incluyen una mayor eficiencia del corazón y un aumento del metabolismo. El ejercicio ayuda a evitar el desarrollo de enfermedades como la diabetes mellitus de tipo 2. También quema grasas. Por tanto, aunque los agentes estresantes puedan alterar la homeostasis del organismo de manera temporal, este puede aprender a adaptarse a algunos agentes estresantes para que no sean tan duros la próxima vez.
normales.) El líquido extracelular se mantiene normalmente a una temperatura cercana a los 37 ºC (temperatura normal del organismo) y las concentraciones de muchos solutos (oxígeno, dióxido de carbono, sodio, potasio, calcio y glucosa, por ejemplo) también se mantienen relativamente constantes. La capacidad de mantener esa constancia es importante, porque el organismo se enfrenta continuamente a cambios potencialmente perturbadores que pueden originarse tanto en el medio externo como dentro del mismo organismo. Cuando el medio se calienta o empezamos a hacer ejercicio, por ejemplo, sube la temperatura del cuerpo. En cualquiera de los dos casos, la subida de temperatura del organismo activa mecanismos reguladores para reducir la temperatura corporal y hacer que vuelva a la normalidad. A medida que estudiemos fisiología, veremos que el organismo es capaz de mantener condiciones constantes en el medio interno solo gracias a los esfuerzos de diversos sistemas de órganos que colaboran.
Comprueba tus conocimientos La hemorragia es la pérdida de sangre entera, que está compuesta por entre un 55% y un 60% de plasma. Si no entran nuevos líquidos al organismo, ¿cómo se puede elevar el volumen del plasma hasta niveles normales para mantener la homeostasis? Pese a que los mecanismos reguladores de la homeostasis trabajen para resistir los cambios del medio interno, cada sistema regulador tiene sus limitaciones, aun cuando no haya sido dañado por una enfermedad o un traumatismo y esté funcionando normalmente. Por ejemplo, la temperatura corporal puede man-
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Introducción a la fisiología
CONEXIONES CLÍNICAS
Agotamiento producido por una excesiva exposición al calor y la insolación El agotamiento producido por una excesiva exposición al calor es una consecuencia del esfuerzo del organismo por regular su temperatura, en particular, por eliminar el exceso de calor. Cuando el organismo tiene que eliminar mucho calor, produce cantidades masivas de sudor, por lo que el volumen de la sangre se reduce significativamente. Además, el flujo de sangre a la piel aumenta notablemente, lo que desvía la sangre de otras áreas del organismo. Juntos, estos cambios producen una reducción de la presión arterial, lo cual reduce el flujo de sangre al cerebro y acelera síntomas como debilidad, mareos e incluso pérdida de conciencia. Una afección mucho más grave es la insolación, por la que la temperatura corporal aumenta sin control debido a un fallo del sistema termorregulador. Un esfuerzo excesivo o temperaturas ambientales muy altas pueden superar la capacidad del organismo de eliminar calor. Cuando esto ocurre, la temperatura corporal aumenta a pesar de sus esfuerzos por regularla. A medida que la temperatura continúa aumentando, el cerebro comienza a tener problemas. Aparece el delirio, seguido de una pérdida de conciencia. Finalmente, los centros
termorreguladores del cerebro empiezan a fallar. Cuando esto sucede, el cerebro erróneamente deja de enviar señales a las glándulas sudoríparas para que secreten sudor, con lo que se deja de producirlo, entorpeciendo la capacidad del organismo de eliminar calor y causando que la temperatura suba aún más rápido. Si no se trata, esta espiral de acontecimientos conduce, inexorablemente, a la muerte. La piel de una persona que experimenta una insolación adquiere un color enrojecido (debido al aumento del flujo de sangre), pero también está seca (por la ausencia de sudor). Estos signos hacen que sea fácil distinguir la insolación del agotamiento producido por una excesiva exposición al calor, en cuyo caso, la sudoración es abundante y la piel está enrojecida y húmeda. Si alguien está experimentando una insolación o está a punto de sufrirla, es de vital importancia proporcionarle atención médica inmediatamente. A menudo se puede salvar la vida de una persona con insolación si se la sumerge en agua helada, lo cual reduce la temperatura corporal con rapidez a un nivel en el que es posible la termorregulación normal. Suponiendo que las elevadas temperaturas no hayan causado un daño
tenerse en niveles cercanos a la normalidad solo mientras las temperaturas ambientales no sean demasiado extremas y los demás agentes estresantes que puedan estar afectando al sistema regulador no tengan demasiada importancia. Sin embargo, practicar deporte en exceso o temperaturas ambientales altas pueden causar que la temperatura corporal suba sin control, con consecuencias potencialmente fatales. (V. Conexiones clínicas: Agotamiento producido por una excesiva exposición al calor y la insolación.) De hecho, suele ser verdad que el fallo de cualquier sistema en mantener la homeostasis da lugar, en última instancia, a signos y síntomas de enfermedad, porque este fallo afecta negativamente al funcionamiento de los sistemas de órganos.
Control de la retroalimentación negativa en la homeostasis Como la temperatura corporal no varía libremente, sino que está regulada para mantenerse en límites relativamente estrechos, se
permanente a los centros termorreguladores del cerebro, los mecanismos reguladores podrán, a partir de ese momento, asumir el control de la situación.
hace referencia a ella como una variable regulada. Las concentraciones de potasio, sodio y calcio en el plasma también son variables reguladas, porque se mantienen constantes mediante mecanismos reguladores de la homeostasis de los sistemas de órganos. La mayoría de los mecanismos reguladores de la homeostasis siguen el mismo patrón: si una variable regulada aumenta, el sistema responde haciendo que disminuya; si disminuye, el sistema responde haciendo que aumente. Se dice que los sistemas que se comportan de esta manera funcionan mediante retroalimentación negativa. Un ejemplo conocido de un sistema de retroalimentación negativa es el control de velocidad de crucero de un automóvil, que funciona para mantener su velocidad constante en un punto deseado (fig. 1.6a y b). Si un coche que se esté desplazando en un nivel plano empieza a subir una colina, comenzará a ir más lento. Cuando el mecanismo de control detecta una diferencia entre la velocidad real del vehículo y la velocidad deseada, alimenta el motor con más gasolina y la velocidad del automóvil aumenta. Cuando esta alcanza la velocidad deseada, el sistema
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96 km/h 93 km/h 88 km/h 96 km/h
El coche viaja a una velocidad ajustada de 96 km/h
La velocidad disminuye, la señal de error aumenta
El flujo de gasolina al motor aumenta
La velocidad aumenta, la señal de error disminuye
El coche viaja a una velocidad ajustada de 96 km/h
Velocidad (km/h)
(a)
60
Punto de ajuste
Señal de error
50 Tiempo (b) La concentración de glucosa en sangre es normal
La concentración de glucosa en sangre aumenta; la señal de error aumenta
Se activa el mecanismo de regulación
Disminuye la concentración de glucosa en sangre; la señal de error disminuye
La concentración de glucosa en sangre es normal
Glucosa en sangre (mg/dl)
(c)
Señal de error 100
Punto de ajuste (normal) Tiempo (d)
FIGURA 1.6 Control de la retroalimentación negativa de una variable regulada. (a) Acontecimientos que tienen lugar a medida que un mecanismo de control de crucero regula la velocidad de un automóvil. (b) El gráfico muestra los cambios de velocidad del automóvil a medida que sube una colina. La línea discontinua de puntos representa la velocidad del punto de ajuste; las flechas verticales indican la señal de error. (c) Acontecimientos que ocurren a medida que la concentración de glucosa en sangre se ajusta a la normalidad después de un incremento inicial. (d) El gráfico muestra los cambios en la concentración de glucosa en sangre.
«desacelera» para mantener esa velocidad. Mientras la velocidad real del coche no difiera de la velocidad deseada, el sistema no realizará mayores ajustes en el flujo de gasolina. Como el control de velocidad de crucero de un automóvil, la mayoría de los mecanismos reguladores de la homeostasis realizan ajustes solo cuando detectan una diferencia entre el valor real de la variable regulada y el valor «deseado» normal, llamado punto de
ajuste. Cualquier diferencia entre el valor real y el punto de ajuste constituye una señal de error. Como estos mecanismos suelen trabajar para aproximar la variable regulada al punto de ajuste, en última instancia funcionan para que las señales de error sean mínimas. Obsérvese que el punto de ajuste no puede mantenerse absolutamente constante, del mismo modo que el control de velocidad de crucero de un automóvil no puede mantener una velocidad con-
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Cambio en la variable regulada ( concentración de glucosa en sangre)
Punto de ajuste (concentración de glucosa en sangre normal)
Centro de integración (células beta del páncreas)
Hipófisis Secreción de LH
Retroalimentación positiva
de la secreción de estrógenos
de las señales a los efectores Retroalimentación negativa
Ovarios
Estímulo inicial Efectores (células del organismo) Respuesta ( de la concentración de glucosa en sangre)
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 1.7 Ciclo de retroalimentación negativa. Este ciclo actúa para controlar la concentración de glucosa en sangre, como se describe en el texto. Las flechas hacia arriba y hacia abajo dentro de las cajas indican aumentos y disminuciones, respectivamente. La línea discontinua de puntos indica que la respuesta del sistema afecta a las señales de entrada. creta en todo momento. Las variables reguladas fluctúan continuamente, pero los cambios se minimizan gracias a la retroalimentación negativa. Por ejemplo, la concentración normal de glucosa en sangre es, aproximadamente, de 100 mg/dl de sangre. Después de una comida, dicha concentración de glucosa en sangre aumenta, lo que activa los mecanismos reguladores que bajan la concentración de glucosa en sangre de nuevo a unos 100 mg/dl (fig. 1.6c y d). Para que funcione correctamente, un mecanismo regulador de la homeostasis debe tener un medio de detectar la variable regulada. Esto se logra mediante la acción de sensores, células (a menudo neuronas) que son sensibles a la variable en cuestión. Por ejemplo, ciertos vasos sanguíneos contienen unas células llamadas quimiorreceptores que son sensibles a las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono de la sangre. Asimismo, en el cerebro y en otras partes del cuerpo hay unas neuronas denominadas termorreceptores que son sensibles a las temperaturas. Los sensores suelen enviar unas señales (llamadas de entrada) a un centro de integración (a menudo, un conjunto concreto de circuitos neurales del cerebro), que compara la variable regulada con el punto de ajuste y organiza la respuesta adecuada. En respuesta a las señales de entrada que recibe, el centro de integración envía señales (llamadas de salida) a las células, tejidos u órganos que provocan la respuesta final. Estas células, tejidos u órganos reciben el nombre de efectores. La figura 1.7 muestra un ejemplo del mecanismo de control homeostático en el caso de la glucosa en sangre. Las concentraciones son detectadas por ciertas células presentes en el páncreas denominadas células beta. Cuando las concentraciones de glucosa en sangre aumentan, las células beta actúan como centro de integración y liberan la hormona insulina en la sangre. La insulina hace que la glucosa pase del plasma a las células de todo el organismo, disminuyendo así la concentración de glucosa en sangre. Las célu-
Resultado
FIGURA 1.8 Ciclo de retroalimentación positiva. Este ciclo funciona en el control de la secreción de estrógenos de los ovarios. La hormona LH estimula la secreción de estrógenos, que estimula la liberación de LH, que estimula más secreción de estrógenos, etc. las beta que segregaban insulina detectan la disminución de estos niveles, retroalimentando la información de entrada del sistema y formando lo que se conoce como un ciclo de retroalimentación. Se denomina retroalimentación negativa porque la respuesta del sistema (la disminución de la glucosa en sangre) es opuesta al cambio que la provocó (la subida de la glucosa en sangre). La retroalimentación negativa es importante, porque desencadena cambios en la variable regulada solo cuando es pertinente. Por ejemplo, una vez que una subida del nivel de glucosa en sangre dispara una bajada compensatoria de la glucosa en sangre mediante retroalimentación negativa, la señal de error disminuye hasta que la glucosa en sangre haya recuperado niveles casi normales. Por tanto, la compensación por retroalimentación negativa termina antes de que la glucosa en sangre disminuya hasta niveles por debajo del punto de ajuste. Además de los sistemas de retroalimentación negativa, unos cuantos sistemas de retroalimentación positiva son importantes en fisiología. En la retroalimentación positiva, la respuesta del sistema va en la misma dirección del cambio que pone en marcha. En las mujeres, por ejemplo, la hipófisis (una pequeña glándula situada en la base del cerebro) secreta una hormona llamada hormona luteinizante o lutropina, que estimula a los ovarios para que secreten unas hormonas llamadas estrógenos, que regulan la función reproductora. Bajo ciertas condiciones, un aumento de la concentración de estrógenos en el plasma puede desencadenar un aumento de la secreción de hormona luteinizante. Esto estimula la secreción de estrógenos, que aumenta la secreción de hormona luteinizante aún más, lo cual conduce a una mayor secreción de estrógenos, etc. (fig. 1.8). El resultado es un rápido aumento en el nivel de hormona luteinizante en el plasma, conocido como pico de hormona luteinizante, que provoca la ovulación. A diferencia de la retroalimentación negativa, que minimiza los cambios de las variables fisiológicas, la retroalimentación positiva es útil en ciertos sistemas fisiológicos, porque permite que una variable cambie rápidamente en respuesta a un estímulo. Aun cuando una variable pueda cambiar rápidamente en la retroalimentación positiva, no aumenta indefinidamente ni entra en una espiral sin control. Esto se debe a que algún factor siempre actúa para finalizar el ciclo de retroalimentación positiva, bien eliminando el estímulo original o limitando la capacidad del sistema para responder a ese estímulo. Durante un pico de hormona luteinizante, por ejemplo, la concentración de hormona luteinizante aumenta rápidamente hasta un pico y después empieza a bajar, porque la subida provoca la ovulación,
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Test rápido 1.3 1. Define qué es la homeostasis y explica cómo permite que el organismo se adapte a cambios en su medio. 2. Explica cómo funciona la retroalimentación negativa para mantener la homeostasis. 3. En ciertas formas de diabetes, las células beta del páncreas dejan de secretar insulina a niveles adecuados. Describe cómo una falta de insulina afectaría a la concentración de glucosa en sangre.
Diabetes: una epidemia La diabetes es una enfermedad metabólica que afecta a las concentraciones de glucosa en sangre y al volumen de plasma, y que causa sed excesiva y pérdida de líquidos, entre otras cosas. De hecho, la diabetes afecta a todos los sistemas del cuerpo humano. El término «diabetes» fue utilizado por primera vez en el siglo II por un médico griego, Areteo de Capadocia. Diabetes es una palabra griega que significa «sifón» o «flujo a través de», y describe el flujo excesivo de orina que caracteriza a la enfermedad.
Prevalencia de la diabetes La prevalencia de la diabetes en la población mundial hace de ella una de las mayores preocupaciones sanitarias para todos. Por ejemplo, en EE. UU., según la American Diabetes Association, el 8% de la población (24 millones de personas) tienen diabetes, lo que supone un aumento del 13,5% en pocos años. De esos 24 millones de casos de diabetes, 6 millones no están diagnosticados. Además, otros 57 millones de personas son prediabéticas, lo que significa que tienen una gran probabilidad de desarrollar diabetes en el futuro. La diabetes afecta a ciertos individuos más que a otros. La tabla 1.2 muestra la prevalencia de la diabetes por grupos de edades en EE. UU. Menos del 1% de los jóvenes menores de 20 años padecen esta enfermedad; sin embargo, a medida que la persona envejece, tiende más a desarrollar diabetes. Más del 10% de los mayores de 20 años y un 23% de los mayores de 60 años sufren diabetes. La prevalencia de la diabetes también varía dependiendo de la raza o la etnia (tabla 1.3). Los nativos americanos tienen más
TABLA 1.2 Prevalencia de la diabetes en EE. UU. en función de la edad y el sexo Grupo de edad
N.º de personas con diabetes
Menores de 20 años
186.300
20 años y mayores
23,5 millones
10,7
60 años y mayores
12,2 millones
23,1
Mujeres
11,5 millones
10,2
Hombres
12 millones
11,2
% de personas con diabetes 0,22
TABLA 1.3 Prevalencia de la diabetes en EE. UU., 2004-2006, en personas de 20 años y mayores, en función de la raza y la etnia Raza/etnia
% con diabetes
Blancos
6,6
Americanos de origen asiático
7,5
Hispanos
10,4
Afroamericanos
11,8
Nativos americanos y nativos de Alaska
14,2*
*La pr evalencia varía considerablemente entre los grupos, siendo la prevalencia más baja (6%) la correspondiente a los nativos de Alaska y la más alta (29,3%) la correspondiente a los nativos americanos del sur de Arizona.
400 Número de casos (millones)
que temporalmente inhibe la capacidad de los ovarios de secretar estrógenos. La reducción resultante de las concentraciones de estrógenos en sangre elimina el estímulo que causó el primer aumento de secreción de hormona luteinizante, permitiendo así que la concentración de hormona luteinizante baje.
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350 300 250 200 150 100 50 0 1985
1992
1999
2006 Año
2013
2020
2025
FIGURA 1.9 Prevalencia de la diabetes en el mundo. Los datos para 2025 se predicen basándose en las tendencias actuales. tendencia a desarrollar diabetes, seguidos por los afroamericanos y los hispanos. La prevalencia de la población blanca y la de los americanos de origen asiático es considerablemente menor. La alta prevalencia de la diabetes es un problema generalizado. Según la International Diabetes Association, 260 millones de personas (el 7% de la población mundial) tienen diabetes. En 1985, se diagnosticó diabetes a 30 millones de personas en todo el mundo; pero en 2000, ese número había aumentado hasta los 150 millones (fig. 1.9). En 2025 se espera que el número alcance los 380 millones.
Obesidad y diabetes ¿Por qué está aumentando la prevalencia de la diabetes? Uno de los factores más importantes es el envejecimiento de la población. Ahora, las personas vivimos más tiempo y un gran porcentaje de la población sobrevive dentro de las edades de alto riesgo (mayores de 60 años). Además, los estilos de vida de muchos jóvenes pueden llevarles a desarrollar diabetes. Las dietas actuales tienen más grasas e hidratos de carbono que en antes. Además de producir cambios directos en el metabolismo, estas dietas conducen a la obesidad, causa principal de la diabetes. Actualmente, muchos jóvenes llevan una vida sedentaria: las consolas de videojuegos han sustituido a los columpios y al recreo, y las clases de educación física a menudo brillan por su ausencia en los planes de estudios. Un estilo de vida tan sedentario puede ocasionar tanto cambios en el metabolismo como obesidad, factores clave que desembocan en diabetes. La prevalencia de la obesidad está en aumento, y la obesidad en sí misma se está convirtiendo en una epidemia. La obesidad se define como tener un contenido de grasa corporal alto en
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TABLA 1.4 Probabilidad de desarrollar diabetes mellitus de tipo 2 en función del IMC Los números hacen referencia a la probabilidad de desarrollar diabetes mellitus de tipo 2 con un IMC menor de 25*. IMC
Probabilidad de desarrollar diabetes mellitus de tipo 2
<25
1*
25-29,9
2,42
30-34,9
3,35
>35
6,16
*Los datos que se dan hacen referencia a un IMC menor de 25, al que se le asigna un valor de 1. Fuente: adaptado de la American Heart Association, A Nation at Risk: Obesity in the United States Statistical Sourcebook.
relación con la masa corporal magra (sin grasa). La obesidad se mide con la escala del índice de masa corporal (IMC), que mide el peso en relación con la talla. La ecuación que mide el IMC es la siguiente: IMC =
Peso corporal (kg) Altura (m)2
Un IMC de 25-29 indica que una persona tiene sobrepeso; un IMC de 30-39 indica obesidad, y un IMC mayor de 39 indica obesidad grave. Por ejemplo, el porcentaje de adultos obesos en EE. UU. se ha duplicado en los últimos 30 años. Según la American Heart Association, el 35% de los adultos tienen sobrepeso y el 30% son obesos, en comparación con el 15% de obesos que había en 1980. Entre los niños, el 10% de los que están en edad preescolar y el 16% de los que tienen entre 6 y 19 años son obesos. La importancia de estas cifras es que hay una fuerte correlación entre la obesidad y el desarrollo de diabetes mellitus de tipo 2 (así como de otras enfermedades), como muestra la tabla 1.4.
Clasificación de la diabetes Cuando se menciona la diabetes, la mayoría de las personas piensan en insulina y glucosa. La insulina es una hormona liberada por el páncreas cuando las concentraciones de glucosa en sangre son altas. Promueve la entrada de la glucosa en las células para que estas la utilicen para crear energía o la almacenen en forma de glucógeno o triglicéridos para usarla como energía en otro momento. Sabemos que algunos diabéticos tienen que inyectarse insulina para regular sus niveles de glucosa en sangre. Sin embargo, la diabetes es mucho más complicada que eso. Nos centraremos en cuatro tipos de diabetes en este texto: la diabetes mellitus de tipo 1, la diabetes mellitus de tipo 2, la diabetes gestacional y la diabetes insípida. La prevalencia de diabetes descrita anteriormente hace referencia a la diabetes mellitus.
Diabetes mellitus o diabetes sacarina Sabemos que «diabetes» significa «sifón», una referencia a la excesiva pérdida de líquidos de los diabéticos. «Mellitus» en griego significa «miel». La miel es dulce, como el líquido (la orina) excretado por un diabético sin tratamiento. Una característica notable de la diabetes mellitus (o diabetes sacarina, pero es mucho más conocida como diabetes mellitus) son los altos niveles de glucosa en sangre, tan altos que parte de la glucosa es eliminada en la orina, proporcionándole un sabor dulce. Las personas no diabéticas raramente excretan glucosa en la orina.
Hay dos tipos de diabetes mellitus: el tipo 1 y el tipo 2. La diabetes mellitus de tipo 1 también recibe el nombre de diabetes mellitus insulinodependiente o diabetes mellitus juvenil: «insulinodependiente» porque el daño que se produce a las células beta del páncreas hace que no secreten suficiente insulina en la sangre para regular la glucosa en sangre, y «juvenil» porque aparece a una edad temprana. La diabetes mellitus de tipo 1 es el tipo de diabetes más conocido, pero es, con diferencia, el menos común de los dos tipos, representando menos del 5% de todos los casos de diabetes mellitus. La diabetes mellitus de tipo 2 se caracteriza por un fallo en la respuesta a la insulina cuando sus concentraciones son normales. Este tipo de diabetes, también llamada diabetes mellitus no insulinodependiente o diabetes mellitus del adulto, es la enfermedad asociada a la epidemia de diabetes. Las personas afectadas por diabetes de tipo 2 tienen células beta normales en el páncreas que secretan insulina en cantidades adecuadas para regular la glucosa en sangre. Sin embargo, como las células diana son incapaces de responder a la insulina, no admiten la glucosa de la sangre. Este fallo tiene dos consecuencias importantes: las células no obtienen la glucosa que necesitan para producir energía y las concentraciones de glucosa en sangre aumentan.
Diabetes gestacional Una subclase de la diabetes mellitus no insulinodependiente es la diabetes gestacional, que se desarrolla en el 4% de las mujeres embarazadas (135.000 casos al año en EE. UU.). Los datos actuales sugieren que las hormonas producidas en grandes cantidades durante la gestación inducen una resistencia a la insulina. Un 5-10% de las mujeres que sufren diabetes gestacional desarrollan diabetes de tipo 2 después de dar a luz.
Prediabetes En la prediabetes, las concentraciones de glucosa en sangre son elevadas, pero no tanto como en la diabetes. En ayunas, los prediabéticos tienen concentraciones de glucosa en sangre de 100-125 mg/dl. Según la American Diabetes Association, se considera que hay 57 millones de norteamericanos prediabéticos, y es probable que muchos desarrollen la diabetes de tipo 2 en 10 años.
Diabetes insípida La diabetes insípida se diferencia de la diabetes mellitus en que el problema no radica en la regulación de las concentraciones de glucosa en sangre, sino en la regulación del volumen plasmático. La palabra «insípido/a» proviene del latín y significa «que carece de sabor», distinguiendo así la orina de las personas que padecen esta enfermedad de la orina dulce de las personas con diabetes mellitus. La hormona antidiurética (ADH) disminuye la cantidad de agua que se pierde en la orina. Por tanto, una causa de la diabetes insípida es una secreción inadecuada de ADH. Otra causa de esta enfermedad es la resistencia de los tejidos a la ADH, lo cual puede ocurrir durante el embarazo. Entre los síntomas principales que comparten los pacientes de diabetes mellitus y los de diabetes insípida se encuentran una micción copiosa y una sed excesiva. Una persona con diabetes insípida puede beber más de 15 l de agua y excretar más de 3 l de orina al día. Los procedimientos de diagnóstico incluyen la medición de las concentraciones de ADH en sangre, una resonancia magnética
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del cerebro (la ADH es secretada por la hipófisis, situada en el cerebro) y una prueba de restricción de agua en la que se priva al paciente de beber agua y se mide la concentración de sodio en el plasma cada hora (a medida que el volumen de plasma disminuye debido a una pérdida de líquido, la concentración de sodio en plasma aumenta). La diabetes insípida es una enfermedad rara que no vamos a tratar en mayor detalle aquí. Volveremos sobre la diabetes insípida en el capítulo 18, en el que se describe la función de los riñones en la regulación del volumen plasmático.
Diagnóstico de la diabetes mellitus Para diagnosticar la diabetes, se miden las concentraciones de glucosa en plasma en ayunas y se realiza una prueba de tolerancia a la glucosa. Mediciones aleatorias de la glucosa en plasma pueden dar la primera indicación de prediabetes o de diabetes; la determinación de la concentración glucosa en plasma en ayunas y una prueba de tolerancia a la glucosa, posteriormente, confirmarían el diagnóstico. La prueba de glucosa en plasma en ayunas requiere que el paciente no coma nada durante las 8 h previas a la toma de una muestra de sangre. Las concentraciones normales de glucosa en ayunas son de 60-100 mg/dl. Una glucosa en plasma de 100-125 mg/dl indica prediabetes, y concentraciones superiores a 125 mg/dl indican diabetes. La prueba oral de tolerancia a la glucosa requiere ayunar durante 8 h, seguida de la ingesta de una solución que contiene 75 g de glucosa disuelta en agua. Se mide la glucosa en plasma 2 h después de que la persona haya consumido la solución. Una concentración de glucosa en plasma de menos de 139 mg/dl se considera normal, entre 140 y 199 mg/dl es prediabética y más de 200 mg/dl indica diabetes.
Síntomas de la diabetes mellitus La diabetes tiene muchos síntomas, que pueden variar dependiendo de la persona. Los síntomas que se suelen buscar para establecer el diagnóstico es una concentración elevada de glucosa en sangre y orina. Dado que esta última conlleva la excreción de agua, el resultado es una pérdida de líquidos en el organismo y deshidratación. A medida que la diabetes progresa, afecta virtualmente cada sistema del cuerpo humano. Como sus células no pueden utilizar la glucosa de manera normal, a menudo los diabéticos sufren fatiga. Las fluctuaciones de las concentraciones de glucosa en sangre pueden producir obnubilación y, cuando son extremadamente altas, coma. La enfermedad puede afectar a los ojos, al corazón, al aparato vascular, a los riñones, al estómago y a los nervios periféricos. También puede causar disfunción eréctil. La diabetes predispone a padecer arterioesclerosis, aumentando la probabilidad de que el paciente sufra un derrame cerebral (también llamado ictus) o un infarto de miocardio. Todos estos síntomas y algunos más se tratarán en el contexto de los sistemas afectados a medida que vayamos avanzando en el texto.
Tratamiento de la diabetes mellitus Los tratamientos actuales empleados para la diabetes mellitus ayudan a controlar las concentraciones de glucosa en sangre. Mantener una glucosa en sangre en ayunas entre 70 y 120 mg/dl ha demostrado ser eficaz en la disminución de la incidencia de enfermedades oculares, renales y daños al sistema nervioso. Se
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suministra una dieta estricta a los pacientes diabéticos y se les practican frecuentes análisis de glucosa en sangre para garantizar que sus concentraciones no fluctúan demasiado día a día. Sin embargo, una prueba de reciente descubrimiento puede ser incluso mejor en la determinación de las concentraciones de glucosa en sangre a lo largo de un período de tiempo: la medición de la cantidad de una proteína concreta, la hemoglobina A1C, presente en la sangre. La glucosa se une a la hemoglobina A1C dentro de los glóbulos rojos. Normalmente, la glucosa se transporta en la parte plasmática de la sangre. Sin embargo, cuando existen concentraciones altas, la glucosa entra en los glóbulos rojos y se une a la hemoglobina A1C; a mayores concentraciones de glucosa en sangre, más glucosa se une a la hemoglobina A1C. Los glóbulos rojos tienen una vida corta de solo 3-4 meses. Durante este período, acumulan glucosa hasta que el bazo los elimina de la sangre. Por tanto, la medición de las concentraciones de hemoglobina A1C permite estimar de forma indirecta las concentraciones medias de glucosa en sangre durante 2-3 meses. El seguimiento de los niveles de glucosa en sangre no cura la diabetes, pero sí que proporciona información útil para que el paciente realice cambios en su estilo de vida para que la glucosa en sangre vuelva a estar en niveles normales. Entre los cambios de estilo de vida más importantes, se encuentran la dieta y la práctica de ejercicio. Si los cambios de comportamiento no resuelven el problema, será necesario acudir a la farmacopea. Las personas con diabetes de tipo 1 suelen tener que inyectarse insulina para controlar la concentración glucosa en sangre. Puede que a veces los diabéticos de tipo 2 tengan que hacer lo mismo, pero disponen de otras opciones farmacéuticas para disminuir la glucosa en sangre. Las sulfonilureas y las meglitinidas son medicamentos que estimulan a las células beta para que aumenten la secreción de insulina. Las tiazolidinedionas aumentan la acción de la insulina en las células musculares (miocitos) y las células grasas (adipocitos), y disminuyen la cantidad de glucosa producida por el hígado. Las biguanidas disminuyen la cantidad de glucosa producida por el hígado. También hay disponibles otros fármacos para tratar la diabetes de tipo 2, pero sus mecanismos de acción requieren más conocimientos de fisiología; volveremos sobre estos medicamentos en los capítulos adecuados. A medida que la diabetes progresa, el tratamiento también debe progresar. Van apareciendo problemas secundarios derivados de la diabetes, como las enfermedades cardiovasculares, que deben tratarse. Estos tratamientos exceden el ámbito de este capítulo, pero se describirán posteriormente en el texto.
Diabetes mellitus: una enfermedad que afecta a todo el organismo Una de las características más dañinas de la diabetes mellitus es que afecta a todos los sistemas de órganos. A medida que vayamos avanzando en los capítulos del libro, volveremos sobre la diabetes como ejemplo de lo que ocurre cuando se trastorna la homeostasis durante una enfermedad y de cómo responde el organismo en su intento por compensarla.
Integración de sistemas En este capítulo, hemos aprendido que nuestro organismo está compuesto por células de varios tipos y que estas células deben
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trabajar conjuntamente de manera coordinada para mantener la homeostasis. En los capítulos 2 a 4 aprenderemos más sobre las células y sobre sus funciones básicas. En el capítulo 5, explicaremos cómo las células se comunican entre sí para poder fun-
cionar como un tejido o un órgano. En el resto del libro, trataremos los sistemas de órganos, pero siempre volveremos a la célula y a su papel, asegurando que los órganos realizan sus funciones para mantener la homeostasis.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Organización del cuerpo, pág. 2 Las unidades vivas más pequeñas son las células, que están especializadas en realizar las diversas funciones del organismo. Las células de distintos tipos se organizan en tejidos, que se combinan para formar los órganos, que llevan a cabo funciones concretas. Las agrupaciones de órganos, que trabajan conjuntamente para realizar ciertas tareas, son los sistemas de órganos o aparatos. El organismo contiene cuatro tipos principales de células: 1) las neuronas, especializadas en transmitir señales eléctricas de un lugar a otro; 2) las células musculares (miocitos), que generan la fuerza mecánica y el movimiento; 3) las células epiteliales, que están organizadas en epitelios, tejidos parecidos a sábanas que se encuentran en la piel y en el revestimiento de las paredes de órganos huecos, y 4) las células del tejido conjuntivo, que realizan diversas funciones y que se localizan en los tendones, la sangre, la linfa y otros tejidos conjuntivos. Las células del organismo intercambian sustancias con el líquido que las rodea, todo lo cual recibe el nombre de medio interno. Las sustancias se transportan al medio interno y se eliminan de él gracias al torrente sanguíneo, que intercambia sustancias con el medio externo. Las barreras internas dividen el organismo en varios compartimentos llenos de líquido. El volumen total de agua que hay en todos los compartimentos es el agua corporal total (ACT), que incluye el líquido intracelular (LIC) y el líquido extracelular (LEC). El LIC y LEC muestran importantes diferencias en su composición y están separados por las membranas celulares. El LEC está formado por el
plasma, el componente líquido de la sangre, y el líquido intersticial que rodea a las células situadas fuera de la sangre. La composición del plasma y del líquido intersticial es parecida y ambos están separados por los tejidos epiteliales que revisten los vasos sanguíneos.
variables fisiológicas se regulan mediante retroalimentación positiva, en la que un cambio en una variable provoca una respuesta que va en la misma dirección.
Fluid and Electrolytes, Introduction to Body Fluids, págs. 1–14
La incidencia de diabetes mellitus está aumentando en EE. UU. y en el mundo. En EE. UU., los ancianos, los nativos americanos y los afroamericanos son los que se ven más afectados. La obesidad aumenta la probabilidad de desarrollar diabetes mellitus. Hay dos tipos de diabetes mellitus: el tipo 1 y el tipo 2. El tipo 1 se produce como consecuencia de una secreción inadecuada de insulina, mientras que el tipo 2 resulta de la respuesta inadecuada de los tejidos a la insulina. Una subclase de la diabetes mellitus de tipo 2 es la diabetes gestacional, que se desarrolla en el 4% de las mujeres embarazadas. Más de 50 millones de estadounidenses tienen prediabetes, lo que significa que es probable que desarrollen diabetes mellitus de tipo 2. La diabetes insípida está asociada a una secreción inadecuada de hormona ADH y da como resultado micciones copiosas. El síntoma más importante de la diabetes mellitus es la hiperglucemia. La diagnosis de la diabetes mellitus depende de las concentraciones de glucosa y de hemoglobina A1C en sangre. Otros síntomas incluyen la poliuria, fatiga y daños a los sistemas de órganos. Los tratamientos de la diabetes mellitus regulan las concentraciones de glucosa en sangre e incluyen inyecciones de insulina y fármacos de administración oral, como sulfonilureas, meglitinidas, tiazolidinedionas y biguanidas.
Homeostasis: principio organizativo clave en fisiología, pág. 8 El organismo es capaz de tolerar las condiciones cambiantes en el medio externo gracias a la homeostasis, el mantenimiento de condiciones constantes en el medio interno. Para mantener la homeostasis, los mecanismos reguladores trabajan para controlar ciertas variables fisiológicas (variables reguladas), de modo que se minimicen las variaciones. La mayoría de estos mecanismos de control operan mediante retroalimentación negativa, en la que los cambios en una variable regulada provocan respuestas que van en la dirección opuesta. Los mecanismos reguladores de la homeostasis trabajan para minimizar las señales de error, diferencias entre el valor real de una variable regulada y el valor normal o «deseado» (el punto de ajuste). Entre los mecanismos reguladores de la homeostasis se encuentran los siguientes componentes: 1) sensores, que hacen un seguimiento a la variable regulada; 2) un centro de integración, que recibe señales (de entrada) de los sensores, compara la variable regulada con el punto de ajuste y organiza la respuesta adecuada, y 3) efectores, que reciben señales (de salida) del centro de integración y provocan la respuesta final. Algunas
Diabetes: una epidemia, pág. 13
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Cuál de los siguientes ilustra mejor el concepto de retroalimentación positiva? a) La secreción de ácido por parte de las células del revestimiento de la pared gástrica se suprime cuando la acidez del contenido gástrico aumenta. b) Un aumento en la presión arterial estimula la eliminación de agua en la orina, lo cual reduce la presión arterial.
c) Un aumento en la concentración de H+ en la sangre causa un aumento de la excreción de H+ en la orina. d) Un aumento en la concentración de dióxido de carbono de la sangre estimula la respiración, lo cual aumenta el ritmo de eliminación del dióxido de carbono del organismo. e) Las contracciones del útero empujan al feto contra el cuello uterino, lo cual provoca la liberación de oxitocina al torrente sanguíneo; entonces, la oxitocina estimula contracciones más fuertes del útero.
2. La hormona aldosterona estimula la reabsorción de iones sodio de la luz de un túbulo renal. Con base en los conocimientos adquiridos sobre los tipos de células del organismo, se puede suponer que esta hormona actúa en a) las neuronas. b) las células musculares. c) las células epiteliales. d) las células del tejido conjuntivo.
C A P Í T U LO 1
3. Las hormonas son secretadas a) hacia la sangre. b) por las glándulas exocrinas. c) por las glándulas endocrinas. d) a y b son correctas e) a y c son correctas 4. ¿Qué tipo de célula está especializada en la contracción y la generación de fuerza? a) muscular b) epitelial c) del tejido conjuntivo d) nerviosa 5. La concentración normal de glucosa en sangre es a) 50 mg/dl. b) 100 mg/dl. c) 50 mg/ml. d) 100 mg/ml. e) 50 mg/l.
Preguntas objetivas 1. El medio interno del organismo es sinónimo de líquido (extracelular/intracelular).
2. El mantenimiento de las condiciones normales en el medio interno es conocido como ————. 3. El plasma es líquido extracelular. (verdadero/falso) 4. En la homeostasis, todas las variables fisiológicas se regulan para permanecer constantes. (verdadero/falso) 5. La proteína elastina se encuentra en el tejido (epitelial/conjuntivo). 6. La composición del plasma y del líquido intersticial es idéntica. (verdadero/falso) 7. Una hormona que condiciona que la glucosa pase del plasma a las células es la ————.
Preguntas abiertas 1. Dibuja un diagrama de árbol que ilustre la relación entre los siguientes componentes: el agua corporal total, el líquido extracelular, el líquido intracelular, el líquido intersticial y el plasma.
Introducción a la fisiología
17
2. Suponiendo que las moléculas de glucosa se ingieren, se absorben en el torrente sanguíneo y después se convierten dentro de las células musculares en dióxido de carbono, que se elimina mediante los pulmones, describir el camino de esas moléculas a medida que viajan por el organismo, asegurándose de mencionar las diversas barreras (epitelios o membranas celulares) que se deben cruzar.
Pensamiento crítico 1. La diabetes es una de las mayores preocupaciones sanitarias en EE. UU. Compara la prevalencia, causa principal y diagnóstico de los diversos tipos de diabetes. ¿Cómo pueden los profesionales sanitarios abordar la creciente epidemia de diabetes?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
2
Células: estructura y función Si alguna vez has cogido una gota de agua de un estanque y la has puesto bajo el microscopio, probablemente habrás observado varios organismos unicelulares. Estos organismos sobreviven gracias a procesos relativamente sencillos. Toman nutrientes de su entorno, los descomponen y los convierten en energía utilizable o en sustratos necesarios para sintetizar las grandes moléculas necesarias para la vida. Liberan productos de desecho en el entorno. Tienen movilidad en el agua y responden a varios tipos de estímulos. Además, estos organismos pueden crecer y reproducirse. Las células de nuestro cuerpo son muy parecidas a estos organismos unicelulares. Estas células necesitan nutrientes para crear energía y sintetizar las moléculas necesarias. También generan productos de desecho que deben ser eliminados. Algunas de nuestras células tienen movilidad y la mayoría de ellas pueden crecer y reproducirse. Sin embargo, a diferencia de los organismos unicelulares, las células del cuerpo humano son parte de un organismo multicelular: nosotros. Como tales, nuestras células deben llevar a cabo actividades coordinadas, por lo que existen los diferentes tipos de células que están especializadas en determinadas funciones. La capacidad de los sistemas de órganos para realizar sus funciones depende de las células que los forman.
CONTENIDOS Biomoléculas 19 Microfotografía electrónica en color de dos células nerviosas.
Estructura de la célula 29 Uniones intercelulares
38
Funciones generales de la célula Síntesis de las proteínas División celular
49
41
40
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OBJETIVOS
Conocer las características generales de las cuatro clases principales de biomoléculas (hidratos de carbono, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos) y describir brevemente sus funciones en las células.
Describir la estructura y las funciones principales de cada uno de los siguientes componentes celulares: membrana plasmática, núcleo, ribosomas, retículo endoplásmico rugoso, retículo endoplásmico liso, aparato de Golgi, mitocondrias, lisosomas, peroxisomas y citoesqueleto.
Definir transcripción y traducción y describir la función de cada uno de los siguientes elementos en la síntesis de proteínas: ADN, genes, codones, código genético, ARN mensajero, ARN de transferencia, ribosomas, anticodones y retículo endoplásmico rugoso.
Explicar cómo se almacena la información genética en el ADN y cómo esta información pasa a otras células durante la mitosis.
Describir brevemente lo que le ocurre a las proteínas tras su síntesis, teniendo en cuenta los diversos destinos de las proteínas de membrana, las proteínas secretadas y las proteínas citoplásmicas.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
Células: estructura y función
19
órganos, debemos entender sus unidades básicas: las células. Este capítulo describe las estructuras básicas y el funcionamiento de las células. Para entender las células y sus funciones, debemos comprender las moléculas que forman las células y que interactúan con ellas. La mayoría de estas moléculas son biomoléculas.
Biomoléculas Las biomoléculas son moléculas sintetizadas por organismos vivos que contienen átomos de carbono (v. «Repaso de química: Átomos y moléculas»). El carbono tiene cuatro electrones en su capa más externa y forma enlaces covalentes compartiendo esos electrones con otros átomos, incluyendo otros átomos de carbono. Los átomos que se encuentran con mayor frecuencia en las biomoléculas son: oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. La capacidad del carbono de compartir cuatro electrones y formar enlaces covalentes con otros átomos de carbono facilita el que las moléculas que contienen carbono sean grandes y complejas. Los átomos de carbono a menudo están dispuestos en cadenas o en un anillo. Los cuatro tipos básicos de biomoléculas son los hidratos de carbono, los lípidos, las proteínas y los nucleótidos. Algunas biomoléculas son polímeros, que consisten en unidades repetidas. Por ejemplo, las proteínas son polímeros de aminoácidos. Las secciones siguientes tratan cada tipo de biomolécula. La tabla 2.1 muestra una lista de algunos grupos químicos funcionales que se suelen encontrar en las biomoléculas.
Hidratos de carbono
1. Tipos de células, pág. 3 2. Compartimentos de los líquidos del organismo, pág. 7
E
n el capítulo 1 hemos aprendido el concepto de homeostasis y hemos comprobado que la fisiología implica el estudio de cómo los sistemas de órganos colaboran para mantener la homeostasis. Para comprender los sistemas de
Los hidratos de carbono están compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción de 1:2:1, con la fórmula química general (CH2O)n. La fórmula química también se puede escribir como Cn(H2O)n, que puede ser interpretada como carbonos hidratados, o carbonos rodeados de agua, de ahí el nombre hidratos de carbono. Sin embargo, el nombre puede ser engañoso, porque los carbonos se unen a los grupos hidroxilo
TABLA 2.1 Grupos funcionales que se suelen encontrar en las biomoléculas Grupo funcional
Fórmula química
Estructura
Propiedad química
Hidroxilo
— OH
—O—H
Polar
Sulfhidrilo
— SH
—S—H
Polar
— HPO4−
Polar
— COOH
Ácido
Fosfato
Carboxilo
Amino — NH2
Base
20
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
O
H H OH
HOCH2
H
H
HO
O H
OH
OH
OH CH2OH
OH
H
Fructosa
Glucosa
O
HO
OH
H
OH H
FIGURA 2.1 Hidratos de carbono. (a) Ejemplos de tres monosacáridos con la misma fórmula química: C6H12O6. (b) Ejemplos de dos disacáridos. La sacarosa, o azúcar de mesa, está compuesta por una glucosa y una fructosa. La lactosa, hidrato de carbono que se encuentra en la leche, está compuesta por una glucosa y una galactosa. (c) Un polisacárido, que es un polímero de un monosacárido. El glucógeno es un polímero de glucosa que se encuentra en animales.
CH2OH
CH2OH
H
H OH
H H
OH
Galactosa
P ¿Cuántos grupos hidroxilo hay en una sola molécula de glucosa?
(a) Monosacáridos
CH2OH O
H H OH
H
H
O H
O
HO H
HOCH2
H
Unidades de glucosa
OH CH2OH
OH
OH
H
Sacarosa (glucosa + fructosa)
CH2OH
CH2OH O
HO H OH
O
H O
H
H OH
H
H
H H
OH
H OH
H
OH
Glucógeno (c) Polisacárido
Lactosa (galactosa + glucosa) (b) Disacáridos
(— OH) e hidrógeno (— H), no a moléculas de agua. La presencia de varios grupos hidroxilo hace de los hidratos de carbono moléculas polares y, por tanto, se pueden disolver en agua (v. «Repaso de química: Moléculas polares y enlaces de hidrógeno»). Basándose en sus tamaños moleculares, los hidratos de carbono también se pueden clasificar en tres grupos principales: 1) monosacáridos; 2) disacáridos, y 3) polisacáridos. Los monosacáridos son los azúcares simples, compuestos por una sola unidad (fig. 2.1a). El monosacárido más común es la glucosa, que es una fuente importante de energía para nuestras células. La glucosa tiene la fórmula general C6H12O6. Otros dos monosacáridos, la fructosa y la galactosa, también tienen la fórmula general C6H12O6. Sin embargo, cada una es una molécula diferente porque sus átomos están dispuestos de manera diferente, aportando a cada una sus propiedades químicas características. La ribosa y la desoxirribosa son otros dos monosacáridos comunes. Estas moléculas son componentes importantes de los nucleótidos, otra clase de biomoléculas que se describe más tarde. Los disacáridos son hidratos de carbono formados por la unión, mediante enlace covalente, de dos monosacáridos (fig. 2.1b). Como ejemplos de disacáridos se encuentran la sacarosa, compuesta por una glucosa y una fructosa, y la lactosa, compuesta por una glucosa y una galactosa. La sacarosa también se conoce con el nombre de azúcar de mesa, mientras que
la lactosa es un hidrato de carbono que se encuentra en la leche. Observa que todos los nombres de los monosacáridos y los disacáridos terminan en -osa. Los polisacáridos son hidratos de carbono formados por la unión covalente de varios monosacáridos. El glucógeno (fig. 2.1c) es un polímero de subunidades de glucosa que se encuentra en células animales. Varios tipos de células del organismo pueden almacenar glucosa en forma de glucógeno y degradarlo más tarde cuando necesiten la glucosa para crear energía. El almidón es un polisacárido que se encuentra en las plantas. Los seres humanos consumimos almidón en varios productos vegetales: el proceso de digestión pone las subunidades de glucosa del almidón a disposición como fuentes de energía. La celulosa, otro polisacárido que se encuentra en las plantas, es consumida por los seres humanos, pero no somos capaces de digerirla y absorberla. Por tanto, la celulosa, también conocida como fibra dietética, pasa a través de nuestro aparato digestivo. Además de almacenar energía, los polisacáridos son componentes importantes de las membranas celulares, tema que trataremos más tarde.
Lípidos Los lípidos son un grupo variado de biomoléculas que contienen, principalmente, átomos de carbono e hidrógeno unidos entre sí por enlaces covalentes no polares. Por tanto, los lípidos
Células: estructura y función
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21
H H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
O C
CH2
HO
H (a) Glicerol
CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH3
(b) Ácido graso saturado
O C HO
CH2
CH2 CH2
CH2
CH
CH2 CH2
CH
CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH3 CH2
(c) Ácido graso insaturado
H H
C
O O
C
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH3
O H
C
O
C
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH3
O H
C
O
H
CH2
C CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH2 CH2
CH3
(d) Triglicérido
FIGURA 2.2 Triglicéridos. (a) Glicerol, un alcohol de tres carbonos que se encuentra tanto en los triglicéridos como en los fosfolípidos. (b) Cadena de ácidos grasos, que normalmente consiste en un número par de átomos de carbono con un grupo carboxilo (— COOH) al final. Este ejemplo es un ácido graso saturado porque no tiene enlaces dobles entre los átomos de carbono. (c) Este ácido graso es insaturado debido a la presencia del enlace doble entre los carbonos 9 y 10. Como contiene solo un enlace doble, es un ácido graso monoinsaturado. (d) Triglicérido, compuesto por una columna vertebral de glicerol y tres ácidos grasos. Cada uno de los ácidos grasos de las partes (b) y (c) tiene 16 carbonos. ¿Cuál de los dos ácidos grasos P tiene más hidrógenos?
suelen ser moléculas no polares y no se disuelven en agua. La mayoría de los lípidos también contienen algo de oxígeno, y varios contienen fosfatos (— HPO4–), que, dependiendo de la estructura, pueden proporcionar áreas de la molécula que sean polares. Una molécula que contenga tanto regiones polares como no polares se denomina anfipática. Hay cuatro grandes clases de lípidos que varían en estructura y en funcionalidad: 1) triglicéridos; 2) fosfolípidos; 3) eicosanoides, y 4) esteroides.
Triglicéridos Los triglicéridos, a los que solemos denominar «grasas», están formados por dos componentes: una molécula de glicerol y tres moléculas de ácidos grasos. El glicerol es un alcohol de tres carbonos (fig. 2.2a) que forma la «columna vertebral» de un triglicé-
rido; los ácidos grasos son largas cadenas de átomos de carbono con un grupo carboxilo (— COOH) en un extremo (fig. 2.2b y c). Los triglicéridos están formados por la unión de cada uno de los tres ácidos grasos a un carbono diferente en la columna vertebral de glicerol (fig. 2.2d). La mayoría de los ácidos grasos tienen un número par de átomos de carbono, que suele ser de 16 o 18 carbonos. Una característica importante de las cadenas de ácidos grasos es el número de enlaces dobles existentes entre los carbonos. Si no hay enlaces dobles, cada carbono estará unido a un número máximo de átomos de hidrógeno y, por tanto, estará saturado de átomos de hidrógeno. Por ello, los ácidos grasos saturados contienen carbonos que solo están unidos por enlaces simples (v. fig. 2.2b). Por el contrario, los ácidos grasos insaturados contienen uno o más pares de carbonos unidos por enlaces dobles y, por tanto, tienen menos hidrógenos por carbono (v. fig. 2.2c). Un ácido
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C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
REPASO DE QUÍMICA
Átomos y moléculas Toda la materia está compuesta por unidades fundamentales llamadas átomos, que tienen un diámetro del orden de una mil millonésima de centímetro. Los átomos, a su vez, están compuestos por tres tipos de partículas elementales: 1) protones, cada uno de ellos portador de una unidad de carga eléctrica positiva; 2) electrones, con una unidad de carga eléctrica negativa cada uno, y 3) neutrones, que no tienen carga. Normalmente, un átomo posee igual número de protones que de electrones, lo que representa una carga neta de cero. Los protones y los neutrones están densamente concentrados en el centro del átomo llamado núcleo, mientras que los electrones se localizan en órbitas o capas localizadas a diversas distancias del núcleo. Los átomos se distinguen unos de otros por su número atómico, que iguala al número de protones (y, por tanto, también al número de electrones) que tienen. El número atómico también determina las propiedades químicas de un átomo. Las sustancias puras compuestas enteramente por átomos que tienen el mismo número atómico reciben el nombre de elementos. Aunque se conocen más de 100 elementos, solo cuatro representan más del 99% de todos los átomos del cuerpo: hidrógeno (H), carbono (C), nitrógeno (N) y oxígeno (O), cuyos números atómicos son 1, 6, 7 y 8, respectivamente. La mayoría de las sustancias están compuestas por dos o más átomos unidos o enlazados juntos para formar moléculas. Las moléculas de agua, la sustancia más abundante del cuerpo, contienen dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, y se representan con la fórmula H2O. El dióxido de carbono, un producto de deshecho generado por las células, contiene dos átomos de oxígeno y uno de carbono, y se representa como CO2. Con mucha frecuencia, los átomos de las moléculas se mantienen juntos mediante enlaces covalentes, que consisten en pares de electrones compartidos entre los átomos adyacentes. Como todos los
graso monoinsaturado contiene exactamente un par de carbonos unidos por un enlace doble, mientras que un ácido graso poliinsaturado contiene más de un par de carbonos unidos por enlaces dobles. El grado de saturación determina propiedades importantes de un lípido, incluidas algunas con implicaciones clínicas significativas. Por ejemplo, los ácidos grasos saturados están implicados en el desarrollo de las plaquetas, que pueden obstruir las arterias, lo que puede causar un derrame cerebral (o ictus) o un infarto de miocardio. Los triglicéridos y los ácidos grasos son moléculas no polares debido a la presencia de enlaces no polares carbono-carbono y carbono-hidrógeno. No se disuelven en agua, pero sí en disolventes no polares, como el aceite.
Fosfolípidos Los fosfolípidos son lípidos que contienen un grupo fosfato. Su estructura es similar a la de los triglicéridos en cuanto a que un glicerol forma la columna vertebral. Sin embargo, en vez de tres ácidos grasos, un fosfolípido contiene dos ácidos grasos y tiene un grupo fosfato unido al tercer carbono del glicerol (fig. 2.3). Los dos ácidos grasos forman la región de la cola del fosfolípido,
átomos de un tipo dado poseen el mismo número de electrones para compartir, cada elemento tiene una cierta capacidad de formar enlaces. Los átomos de hidrógeno solo forman un enlace simple, pero el oxígeno, el nitrógeno o el carbono pueden formar dos, tres o cuatro enlaces respectivamente:
H
O
N
C
Mientras cada átomo forme el número correcto de enlaces, los átomos pueden combinarse para formar una variedad casi ilimitada de moléculas. Las moléculas del agua, el hidrógeno (H2) y el metano o gas natural (CH4) pueden representarse como sigue:
H
H
H H
O Agua
Hidrógeno
H H C H H Metano
A veces, los átomos comparten dos pares de electrones, formando enlaces dobles. Esto se ilustra en la siguiente representación de una molécula de dióxido de carbono:
O C O Dióxido de carbono
que es no polar por sus largas cadenas de átomos de carbono. El grupo fosfato suele estar unido a otro grupo químico y, juntos, forman la región de la cabeza del fosfolípido, que sí es polar. Por tanto, los fosfolípidos tienen tanto una región polar como una región no polar, lo que hace que sean moléculas anfipáticas. Esta propiedad de los fosfolípidos de ser anfipáticos les concede comportamientos únicos en un entorno acuoso. Las regiones polares pueden disolverse en agua, pero las regiones no polares no. Por tanto, cuando los fosfolípidos están en un entorno acuoso, las regiones polares se colocan mirando al agua, mientras que las no polares quedan enfrentadas. Los fosfolípidos forman dos estructuras fisiológicamente importantes cuando se sitúan en un entorno acuoso: las bicapas de fosfolípidos y las micelas (fig. 2.4). En una bicapa de fosfolípidos (v. fig. 2.4a), que es la estructura central de las membranas celulares, los fosfolípidos se disponen en dos capas paralelas: las colas de fosfolípidos paralelos se sitúan mirando hacia adentro y entre ellas, mientras que las cabezas si sitúan mirando al exterior, donde entran en contacto con el entorno acuoso. Una micela (v. fig. 2.4b) es una estructura esférica compuesta por una sola capa de fosfolípidos; actúa en el transporte de las moléculas no
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Células: estructura y función
23
O CH2
O
C O
CH CH3 N+
CH3
O
C
O CH2
CH2
CH3
O
P
O
CH2
O–
Columna Colas hidrófobas (no polares) vertebral (dos cadenas de ácidos grasos) de glicerol (a) Molécula de fosfolípido (fosfatidilcolina)
Cabeza hidrófila
Cabeza hidrófila (polar) (grupo que contiene fosfato)
Colas hidrófobas
(b) Representación esquemática de la molécula de fosfolípido
FIGURA 2.3 Fosfolípidos. (a) Un fosfolípido, constituido por una columna vertebral de glicerol unida a dos cadenas de ácidos grasos y a un grupo que contiene fosfato. El fosfolípido que se muestra aquí es la fosfatidilcolina. (b) La forma estándar de representar esquemáticamente un fosfolípido es enfatizando la cabeza hidrófila y las colas hidrófobas de la molécula. O Agua
Agua
H
H
CH2
CH2 CH CH
H H
H OH
CH
CH
CH2 CH2
CH CH2
CH2
CH2
O
C OH CH2
CH3
OH
FIGURA 2.5 Eicosanoides. En estos ácidos grasos de 20 carbonos modificados, los carbonos de la parte media de la cadena de carbono forman un anillo, que hace que la molécula se doble sobre sí misma. Agua
(a) Bicapa de fosfolípidos
(b) Micela
FIGURA 2.4 Estructuras formadas por fosfolípidos en un entorno acuoso. (a) Una bicapa lipídica, que consiste en dos capas de fosfolípidos alineados de tal manera que las cabezas polares miran al entorno acuoso y las colas no polares se miran entre sí. (b) Una micela, una esfera formada por una capa simple de fosfolípidos alineados de tal manera que las cabezas polares miran al entorno acuoso y las colas no polares quedan enfrentadas entre sí.
ácido araquidónico, y contiene un anillo de cinco carbonos en la parte media (fig. 2.5). Este anillo hace que la molécula se pliegue sobre sí misma, de tal modo que dos cadenas de átomos de carbono se extiendan paralelas entre sí y a distancia del anillo. Los eicosanoides son moléculas polares, y entre ellas se encuentran las prostaglandinas y los tromboxanos.
Esteroides polares en un entorno acuoso. Las cabezas de los fosfolípidos miran hacia fuera, donde entran en contacto con el entorno acuoso; las colas miran hacia adentro, formando un interior hidrófobo.
Comprueba tus conocimientos En función de sus propiedades químicas, explica por qué el aceite vegetal y el agua no se mezclan.
Los esteroides tienen una estructura química única que consiste en tres anillos de seis carbonos y un anillo de cinco carbonos (fig. 2.6a). El esteroide más común es el colesterol (fig. 2.6b). La presencia de un grupo hidroxilo polar en un extremo de la molécula de colesterol, que es en su mayoría no polar, la convierte en una molécula ligeramente anfipática. El colesterol es un componente importante de la membrana plasmática, que es la que rodea a las células. Además, el colesterol es el precursor de todos los demás esteroides. Muchos de ellos funcionan como hormonas, incluyendo la testosterona (fig. 2.6c), el estradiol, el cortisol y la 1,25-dihidroxivitamina D3.
Eicosanoides
Aminoácidos y proteínas
Los eicosanoides (también llamados icosanoides) son ácidos grasos modificados que actúan en la comunicación intercelular. Un eicosanoide se deriva de un ácido graso de 20 carbonos, el
Las proteínas son polímeros de aminoácidos, moléculas relativamente pequeñas que contienen un carbono central, un grupo amino, un grupo carboxilo, un hidrógeno y un grupo residual
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Células: estructura y función CH2 CH2 CH2 CH2
CH CH
CH2
CH2
CH
CH2
CH
CH CH2
CH2 CH
=
CH2 CH2
(a) Estructura de anillo esteroideo
CH3
CH2 CH
CH3
CH2
OH
CH3
CH2
CH3
CH CH3
CH3
CH3
HO
O
(b) Colesterol
(c) Testosterona
FIGURA 2.6 Esteroides. (a) La estructura básica de todos los esteroides, consistente en tres anillos de seis carbonos y un anillo de cinco carbonos. (b) El colesterol es el esteroide más común y el precursor de todos los demás esteroides del organismo. (c) La testosterona, ejemplo de una hormona esteroidea. Lisina Tirosina OH
Grupo Grupo Grupo amino R carboxilo R
H N H
C
CH3 H2N
C
H
(a) Aminoácido
OH
C
CH2 COOH
H2N
H
C
COOH
H
H2N
CH2
O–
O
Alanina
O
NH2
Glutamato C
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
C H
COOH
H 2N
C
COOH
H
(b) Estructuras químicas de cuatro aminoácidos
FIGURA 2.7 Aminoácidos. (a) Estructura básica de un aminoácido. El carbono central está unido a un grupo amino, un grupo carboxilo, un hidrógeno y un grupo R. (b) Estructuras de cuatro de los 20 aminoácidos. El grupo R es no polar en la alanina, una estructura polar aromática en la tirosina, ácida en el glutamato y básica en la lisina.
o R (fig. 2.7a). Hay 20 grupos R diferentes y, por tanto, 20 aminoácidos diferentes. Los cuatro aminoácidos que se muestran en la figura 2.7b, alanina, tirosina, glutamato y lisina, tienen grupos R con diferentes propiedades químicas. El grupo R es no polar en la alanina, una estructura polar aromática con forma de anillo en la tirosina, ácido en el glutamato y básico en la lisina. Aunque trataremos los aminoácidos como componentes de las proteínas, también tienen otras funciones, como la de la comunicación intercelular. Los polímeros de los aminoácidos se forman al unirse dos aminoácidos mediante un enlace peptídico; estos polímeros reciben, por tanto, el nombre de polipéptidos. Se forma un enlace peptídico entre el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilo de otro aminoácido mediante una reacción de condensación, reacción que libera agua al unirse dos pequeñas moléculas (fig. 2.8). La longitud de los polipéptidos varía desde solo dos a varios cientos de aminoácidos; el nombre que se les da varía, dependiendo de la longitud o la función. Los péptidos son cade-
nas cortas de aminoácidos, normalmente de menos de 50. Las proteínas consisten en cadenas generalmente más largas que 50 aminoácidos y, a menudo, de cientos de ellos. La función de una proteína depende en gran medida de su estructura tridimensional o conformación. La estructura de las proteínas puede describirse mediante cuatro niveles diferentes: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria (fig. 2.9). Los niveles de la estructura de proteínas pueden compararse con el cable del auricular de un teléfono: la estructura primaria es el cable estirado y liso, la secundaria es el cable enrollado, la terciaria son las espirales y vueltas del cable enrollado, y la cuaternaria son dos cables enrollados juntos. Ahora, relacionemos esta analogía con los detalles de la estructura de proteínas. La estructura primaria de las proteínas simplemente hace referencia a la secuencia de aminoácidos, determinada por los enlaces peptídicos que hay dentro de la cadena de péptidos (v. fig. 2.9a). La estructura secundaria de las proteínas es el
Células: estructura y función
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Grupo carboxilo R1
H N H
C
+
N
Aminoácido 1
O
C
H
OH
H
R2
H
C
Enlace peptídico
Grupo amino
O
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H N
C H
OH
H
R1
O
H
R2
C
C
N
C
OH
H
H
H 2O
O C
Péptido
Aminoácido 2
FIGURA 2.8 Formación de un enlace peptídico gracias a una reacción de condensación. El enlace peptídico se forma entre dos aminoácidos y se libera agua. Enlaces peptídicos R3
R1 H
C H
C
N
O
C
O
H
C
N
H
C C
N H
O
Aminoácido 2
N
C
N
O C
Aminoácido 3
O
C
C
H R4
R2
Aminoácido 1
H
O
R50
Aminoácido 4
Aminoácido 50
(a) Estructura primaria
Enlaces de H -Hélice (b) Estructura secundaria
-Lámina plegada
-Hélice
-Lámina plegada (c) Estructura terciaria
FIGURA 2.9 Niveles de estructura de las proteínas. (a) La estructura primaria, que es la secuencia de aminoácidos. (b) La estructura secundaria, que está causada por la unión mediante enlaces de hidrógeno entre el hidrógeno del grupo amino de un aminoácido y el oxígeno del grupo carboxilo de otro aminoácido. Las estructuras secundarias más comunes incluyen A-hélices y
(d) Estructura cuaternaria
B-láminas plegadas. (c) La estructura terciaria, que es el patrón de plegamiento producido por las interacciones entre los grupos R de los aminoácidos. La proteína que se muestra aquí es la enzima lisozima. (d) La estructura cuaternaria, que es la disposición de más de una cadena de polipéptidos en una sola proteína. Aquí se muestra la hemoglobina, constituida por cuatro cadenas de polipéptidos.
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C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
patrón de plegamiento producido por los enlaces de hidrógeno entre el átomo de hidrógeno del grupo amino de un aminoácido y el átomo de oxígeno del grupo carboxilo de otro aminoácido del mismo polipéptido. Estos enlaces de hidrógeno pliegan al polipéptido en varias formas, como A-hélices y B-láminas plegadas (v. fig. 2.9b), que contribuyen a la estructura tridimensional de las proteínas. La estructura terciaria de las proteínas es el plegamiento producido por las interacciones entre los grupos R de diferentes aminoácidos en el mismo polipéptido (v. fig. 2.9c). Recordemos que los grupos R tienen propiedades químicas diferentes. Los tipos de interacciones químicas que pueden ocurrir dependen de los aminoácidos implicados e incluyen las siguientes: 1) enlaces de hidrógeno; 2) enlaces iónicos; 3) fuerzas de van der Waals, y 4) enlaces covalentes. Se pueden formar enlaces de hidrógeno entre los grupos R polares. Se pueden formar enlaces iónicos entre grupos R ionizados o cargados (v. «Repaso de química: Iones y enlaces iónicos»). Las fuerzas de van der Waals son atracciones eléctricas que se producen entre los electrones de un átomo y los protones de otro átomo. Los enlaces covalentes se forman entre los grupos R de dos cisteínas. El grupo R de la cisteína es un grupo sulfhidrilo y el enlace covalente resultante se denomina puente disulfuro. Los puentes disulfuro son críticos para la estructura de los anticuerpos y de la hormona insulina. La estructura cuaternaria de las proteínas existe solo en las proteínas que contienen más de una cadena de polipéptidos. Un ejemplo es la proteína hemoglobina (v. fig. 2.9d), implicada en el transporte de oxígeno en la sangre. La hemoglobina es una proteína simple constituida por cuatro cadenas de polipéptidos separadas. La hemoglobina, como todas las proteínas, solo puede funcionar adecuadamente cuando está conformada correctamente. La conformación tridimensional de las proteínas se puede clasificar en fibrosa o globular (fig. 2.10). Las proteínas fibrosas suelen ser hebras extendidas y alargadas que funcionan en estructuras o en la contracción. Entre las proteínas fibrosas están el colágeno, una proteína que se encuentra en los tendones y el pelo, y la tropomiosina, una proteína de las células musculares. Las proteínas globulares están enrolladas y son irregulares y voluminosas. Entre sus numerosas funciones está la de actuar como mensajeros químicos para la comunicación intercelular, como receptores que unen mensajeros químicos, como proteínas transportadoras que transportan sustancias en la sangre o a través de las membranas, y como enzimas que catalizan las reacciones químicas del organismo. Entre los ejemplos de proteínas globulares se encuentran el fijador de oxígeno mioglobina, el mensajero químico insulina y una proteína de transporte de membranas llamada bomba de Na+/K+. Algunas proteínas tienen tanto componentes fibrosos como globulares; un ejemplo es la proteína muscular miosina, que tiene una cabeza globular y una cola fibrosa. Todas las proteínas mencionadas aquí se tratarán con mayor detalle en las descripciones de los sistemas de órganos más adelante en este libro. Algunas proteínas tienen otras clases de moléculas orgánicas unidas a ellas. Por ejemplo, las glucoproteínas tienen hidratos de carbono unidos a las cadenas de polipéptidos, mientras que las lipoproteínas tienen lípidos unidos a ellas. Las glucoproteínas y las lipoproteínas son componentes importantes de la membrana plasmática que rodea a las células. Las glucoproteínas también contribuyen al reconocimiento celular, que es la capacidad del sistema inmunitario para reconocer células que son parte del organismo. Las lipoproteínas también se encuentran en la san-
Colágeno
Insulina
(a) Proteína fibrosa
(b) Proteína globular
Cola fibrosa
Cabeza globular
Miosina (c) Proteína mixta
FIGURA 2.10 Estructura tridimensional de las proteínas. (a) Proteína fibrosa, el colágeno, consistente en hebras finas. (b) Una proteína globular, la insulina. (c) Proteína mixta, la miosina, con una cola fibrosa y una cabeza globular. ¿Qué tipos de fuerzas químicas hacen que la molécula de mioglobina se P pliegue hasta lograr su estructura tridimensional?
gre, donde desempeñan una función importante en el transporte de lípidos.
Nucleótidos y ácidos nucleicos La función de los nucleótidos es la transferencia de energía dentro de las células; forman el material genético de las células. La estructura básica de un nucleótido se muestra en la figura 2.11a. Los nucleótidos contienen un hidrato de carbono de cinco carbonos, una base nitrogenada y uno o más grupos fosfato. Los hidratos de carbono que se encuentran en los nucleótidos son la ribosa y la desoxirribosa. Las bases nitrogenadas de los nucleótidos se clasifican en dos tipos: 1) las pirimidinas, que contienen un anillo de carbono simple e incluyen la citosina, la timina y el uracilo, y 2) las purinas, que contienen un anillo de carbono doble e incluyen la adenina y la guanina. Un nucleótido que tenga un fosfato recibe el nombre de nucleótido monofosfato (fig. 2.11b); de modo similar, un nucleótido con dos fosfatos es un nucleótido difosfato y un nucleótido con tres fosfatos es un nucleótido trifosfato. La función de varios nucleótidos es intercambiar energía dentro de las células. Por ejemplo, la energía contenida en los enlaces fosfato de la adenosina trifosfato (ATP) se puede utilizar para dirigir los procesos celulares cuando el ATP se hidroliza a adenosina difosfato (ADP). El dinucleótido nicotinamida adenina (NAD) y el dinucleótido flavina adenina (FAD) transfieren energía en forma de electrones.
Células: estructura y función
C A P Í T U LO 2
27
NH2 H
N O
N
H
H
Citosina (C) O H
CH3
N
Pirimidinas
O
N
H
H
Timina (T) Grupo fosfato
O
Base
O –O
H
P
O
CH2
B
O
H
N O
N
H
H
O–
Uracilo (U) NH2 N
Hidrato de carbono
N
H N
H
N
H
CH2OH O H
OH H
OH (a)
H
H
H
OH
H
Purinas O N
H
H OH
H
N
H
H
Desoxirribosa
(b)
Adenina (A)
CH2OH O
N
OH
N
NH2
H
Guanina (G)
Ribosa
O
O
O
Nucleótido monofosfato
Nucleótido difosfato
Nucleótido trifosfato
FIGURA 2.11 Nucleótidos. (a) Estructura básica de un nucleótido. El hidrato de carbono en un nucleótido puede ser desoxirribosa o ribosa. Entre las cinco bases posibles se encuentran las pirimidinas, que contienen un solo anillo, y las purinas, que contienen dos anillos. (b) Representación esquemática de los nucleótidos. Los nucleótidos monofosfato contienen un solo grupo fosfato, los nucleótidos difosfato contienen dos grupos fosfato y los nucleótidos trifosfato contienen tres grupos fosfato.
P ¿Cuáles son las fórmulas químicas de la ribosa y la desoxirribosa? O
CH2
O
H
Adenina H H
H O
O
P
OH
O– AMP cíclico (cAMP)
FIGURA 2.12 Nucleótido AMP cíclico (cAMP), una molécula mensajera común.
Algunos nucleótidos forman un anillo debido a la unión covalente entre un oxígeno del grupo fosfato y un carbono del grupo hidrato de carbono, como muestra la figura 2.12. Entre estos nucleótidos, llamados nucleótidos cíclicos, se encuentran mensajeros químicos (moléculas que funcionan como señales para que la célula haga algo) dentro de las células, como el AMP cíclico (cAMP) y el GMP cíclico (cGMP). Los polímeros de los nucleótidos comprenden los ácidos nucleicos que trabajan en el almacenamiento y la expresión de la información genética: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN) (fig. 2.13). Las moléculas de ADN se
28
Células: estructura y función
C A P Í T U LO 2
5
3
T
A G
3
C
5
C
H
N
A
N
H
O
N
N
H
N
G
N O
H
O–
H
Timina
Adenina
C
CH2
O
N
H
O
CH2
T
A
CH3
O
G
C
O
H
G
A
O
P
3
T
U
O–
T
O
U O
P
O
U
O
A
O
T C
P
O H N
A
T G
CH2
O
O
H
N
N
H
N
N
H
O
H
A
G
C
G
N
N
H
Guanina
Citosina
O
3 5
5
C A
P O–
T
CH2
O
H
H O O
(a) ADN
H
C A
3
N
O–
G
U 5
(b) Pares de bases complementarias
(c) ARN
FIGURA 2.13 Ácidos nucleicos. (a) El ADN, que consiste en dos cadenas de nucleótidos que se mantienen juntas gracias a los enlaces de hidrógeno según la ley de los pares de bases complementarias. (b) Pares de bases complementarias: la adenina (A) y la timina (T) forman dos enlaces de hidrógeno entre ellas, y la citosina (C) y la guanina (G) forman tres enlaces de hidrógeno entre ellas. (c) El ARN, que consiste en una cadena simple de nucleótidos.
P ¿Qué tipo de enlace químico une los fosfatos con los hidratos de carbono para formar una cadena? encuentran en el núcleo de una célula, donde guardan la información genética. Las moléculas de ARN se encuentran tanto en el núcleo de las células como en su citoplasma, y son necesarias para la expresión de la información genética. Tanto el ADN como el ARN son polímeros de los nucleótidos, con el grupo fosfato de un nucleótido unido al hidrato de carbono de otro, formando una cadena en la que las bases salen hacia los lados. Sin embargo, como veremos a continuación, hay diferencias importantes en sus estructuras. El ADN (v. fig. 2.13a) consiste en dos hebras de nucleótidos enrolladas entre sí en una doble hélice. El hidrato de carbono del ADN es la desoxirribosa. Las bases del ADN son: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Los extremos de las hebras se han etiquetado como 3 o 5, siendo 3 el extremo del hidrato de carbono y 5 el del fosfato. Las dos hebras de ADN en una sola molécula son antiparalelas entre sí, estando una hebra de 5 a 3 alineada con la otra hebra de 3 a 5. Las dos cadenas de ADN se mantienen juntas gracias a los enlaces de hidrógeno que se establecen entre las bases según la ley de emparejamiento de bases complementarias, por la que cuando haya dos hebras de ácidos nucleicos unidas por enlaces de hidrógeno, la G de una hebra siempre se emparejará con la C de la hebra opuesta, y la A siempre se emparejará con la T en el ADN (o con el U en el ARN). La citosina y la guanina forman tres enlaces de hidrógeno entre ellas, y la adenina y la timina forman dos enla-
ces de hidrógeno entre ellas (v. fig. 2.13b). Gracias a estos emparejamientos, las dos cadenas de ADN son complementarias entre sí. El ARN (v. fig. 2.13c) consiste en una cadena simple de nucleótidos con un extremo 3 y un extremo 5. El hidrato de carbono del ARN es la ribosa. Las bases del ARN son: adenina, guanina, citosina y uracilo. Las bases del ARN también siguen la ley de emparejamiento de bases complementarias: la guanina y la citosina forman enlaces de hidrógeno entre ellas, como en el ADN, pero la adenina forma enlaces de hidrógeno con el uracilo en vez de con la timina. Aun cuando el ARN sea monocatenario, son necesarios los emparejamientos de bases complementarias para sintetizar ARN a partir de ADN (el ARN será complementario del ADN, salvo que la timina será sustituida por el uracilo) y para posibilitar el plegamiento de una sola molécula de ARN sobre sí misma.
Test rápido 2.1 1. Los hidratos de carbono, ¿suelen ser polares o no polares? ¿Y los triglicéridos? 2. Nombra las dos estructuras que los fosfolípidos pueden formar en un entorno acuoso. ¿Qué funciones fisiológicas están asociadas a estas estructuras?
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Células: estructura y función
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Ribosomas flotando libremente
Vault
Retículo endoplásmico liso
Polisoma Microtúbulo
Centríolos Núcleo Nucléolo
Lisosoma primario Peroxisoma
Cromatina
Aparato de Golgi Mitocondria
Retículo endoplásmico rugoso
Membrana plasmática Citosol (líquido intracelular)
(a)
Colas hidrófobas de ácidos grasos
Cabezas hidrófilas de fosfato
Líquido extracelular (b)
FIGURA 2.14 Estructuras de una célula típica. (a) Imagen tridimensional de una célula. La membrana plasmática separa la célula del líquido extracelular. El núcleo contiene la información genética. El citoplasma contiene los orgánulos y el citoesqueleto, ambos rodeados por un líquido llamado citosol. Entre los orgánulos se encuentran las mitocondrias, el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, los lisosomas, los peroxisomas, los ribosomas y los vaults. (b) Ampliación de una parte de la membrana plasmática que muestra la bicapa lipídica.
3. Nombra las subunidades que componen los polímeros siguientes: glucógeno, proteínas y ácidos nucleicos. ¿Cuáles son las funciones generales de cada uno de estos polímeros? 4. Nombra los cuatro tipos de reacciones químicas responsables de la estructura terciaria de las proteínas por orden de fuerza del enlace.
Estructura de la célula Cuando se juntan de una cierta manera, las biomoléculas forman las unidades básicas de la vida: las células. El cuerpo humano contiene más de 1014 de células que trabajan conjuntamente para mantener la homeostasis. Sorprendentemente, todas estas células derivan de un único óvulo fecundado. Durante el desarrollo, las células se diferencian en más de 200 tipos de células, cada una especializada en su función. Aunque las células pueden especializarse tanto anatómica como funcionalmente, suelen tener los
mismos componentes básicos. En esta sección describimos los componentes básicos de una célula «típica» (fig. 2.14). Cada célula está rodeada por una membrana plasmática, que la separa del líquido extracelular. Dentro de la célula hay dos componentes principales: el núcleo, que es una estructura que contiene la información genética para la célula y que está rodeada por una membrana, y el citoplasma, que incluye todo lo que hay dentro de la célula menos el núcleo. El citoplasma mismo consiste en dos componentes principales: el citosol, o líquido intracelular, y los orgánulos. El citosol es un líquido parecido a un gel. Los orgánulos, que son estructuras compuestas por una variedad de biomoléculas, realizan funciones específicas en la célula, de modo parecido a como los órganos realizan funciones específicas en el organismo. Los orgánulos membranosos están separados del citosol por una o más membranas, y los orgánulos no membranosos carecen de esa frontera con el citosol.
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Células: estructura y función
Líquido extracelular
Cadena de hidratos de carbono unida a los lípidos Glucolípido
Cadena de hidratos de carbono unida a las proteínas Glucoproteína
Proteínas integrales de membrana
Molécula de colesterol Cabeza de fosfolípidos (polar) Colas de ácidos grasos (no polares)
Proteínas periféricas de membrana
Filamento del citoesqueleto
Bicapa de fosfolípidos
Cabeza de fosfolípidos (polar) Citosol
FIGURA 2.15 Membrana plasmática. La flexible membrana plasmática es, principalmente, una capa doble de fosfolípidos que tiene las colas hidrófobas del fosfolípido enterradas dentro de la bicapa y las cabezas hidrófilas de fosfato de cara al citosol y al líquido extracelular. Hay proteínas integrales de membrana dispersas por toda la bicapa. Las proteínas periféricas de membrana están asociadas a las proteínas integrales de membrana,
Esta sección describe la anatomía de una célula; las funciones generales de los diversos componentes de una célula se tratarán en una sección posterior.
Estructura de la membrana plasmática La célula contiene varios tipos de membrana que hacen de barrera entre compartimentos. Esta sección se centra en la estructura de la membrana plasmática, que separa a la célula de su medio externo. Las estructuras de la membrana nuclear, o carioteca, que separa el núcleo del citoplasma, y las de las membranas situadas alrededor de los orgánulos, que separan el/los compartimento/s interno/s de los orgánulos del citosol, son similares a las de la membrana plasmática. La estructura de la membrana plasmática, descrita como un mosaico fluido, está compuesta por fosfolípidos, colesterol, proteínas e hidratos de carbono (fig. 2.15). A continuación, vamos a describir cada uno de estos componentes.
Bicapa de fosfolípidos Los fosfolípidos están dispuestos en una bicapa de tal modo que las cabezas hidrófilas afrontan los entornos acuosos que hay dentro de la célula (el citosol) y fuera de la célula (el líquido extracelular); las colas hidrófobas se disponen mirándose unas a otras (v. fig. 2.15). Esta bicapa forma la estructura básica de la membrana. Se considera que la membrana es fluida porque los fosfolípidos y las otras moléculas de la membrana no están unidas por enlaces químicos y pueden moverse lateralmente, en ocasiones incluso moviéndose de un extremo de
principalmente en el lado que está de cara al citosol, donde funcionan como parte del citoesqueleto. Las moléculas de colesterol están dispersas por la bicapa lipídica. Los hidratos de carbono, unidos a los lípidos de la membrana o a las proteínas de la membrana, están de cara al líquido extracelular. Estos lípidos y proteínas se denominan glucolípidos y glucoproteínas, respectivamente.
la bicapa al otro. Las moléculas de colesterol se encuentran dentro de la bicapa lipídica, donde interfieren con las interacciones hidrófobas entre las colas de fosfolípidos, que podrían hacer que la bicapa se cristalizara y disminuyera su fluidez. La bicapa de fosfolípidos constituye una barrera al movimiento de las grandes moléculas polares. Aunque las moléculas de agua son polares, suelen poder cruzar la bicapa lipídica a través de canales hídricos, proteínas que forman poros en la membrana.
Proteínas de la membrana La membrana plasmática se describe como un mosaico debido a la presencia de proteínas dispersas en la bicapa, como islas en un mar de fosfolípidos. Hay dos clases principales de proteínas de la membrana: proteínas integrales de membrana y proteínas de membrana periféricas (v. fig. 2.15). Las proteínas integrales de membrana están incrustadas dentro de la bicapa lipídica, de modo que solo se las puede disociar de la membrana si esta se altera físicamente. Las proteínas integrales de membrana son moléculas anfipáticas que están en contacto tanto con la bicapa lipídica como con el entorno acuoso. Las superficies polares de la proteína están de cara al entorno acuoso, que podría ser el citosol, el líquido extracelular o ambos. Las zonas no polares están incrustadas dentro de la bicapa lipídica. Algunas proteínas integrales de membrana reciben el nombre de proteínas transmembranosas, porque cruzan la bicapa lipídica, con superficies expuestas tanto al citosol como al líquido extracelular. A menudo, una proteína transmembranosa cruza la membrana por varios sitios. Las proteínas transmembrano-
Células: estructura y función
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REPASO DE QUÍMICA
Moléculas polares y enlaces de hidrógeno Cuando dos átomos están unidos por medio de enlaces covalentes, comparten electrones. Sin embargo, este reparto puede ser equitativo o no. Ciertos átomos, como el oxígeno (O), el nitrógeno (N) o el azufre (S), se adhieren fuertemente a los electrones. Por tanto, cuando se unen a otros átomos, tienden a tirar de los electrones de otros átomos. Como resultado, cada átomo de oxígeno, nitrógeno o azufre adquiere una carga parcialmente negativa, porque tiene unos pocos electrones más que los que le corresponderían en un «reparto equitativo» de electrones; esto es, tiene más electrones que los necesarios para equilibrar la carga positiva de los protones en su núcleo. Por el contrario, al átomo al que el oxígeno, nitrógeno o azufre está unido se queda con menos carga de electrones que la que le correspondería en el «reparto equitativo», lo que le da una carga parcialmente positiva. Esto se puede ilustrar como sigue para las moléculas en las que el oxígeno, el nitrógeno o el azufre están unidos al hidrógeno, representando la R el resto de la molécula y la δ una carga parcial: – +
R O H
–
R N H H +
– +
R S H
Los enlaces caracterizados por un reparto de electrones tan desigual se conocen como enlaces polares. En contraste, en los enlaces no polares los electrones se reparten más o menos equitativamente, de modo que los átomos se quedan sin carga. Los enlaces carbono-carbono (C — C) y carbono-hidrógeno (C — H) son ejemplos comunes de enlaces no polares que se encuentran en las moléculas del organismo. La presencia de cargas eléctricas dentro de una molécula polar produce fuerzas eléctricas, cuya dirección sigue una regla simple: las cargas de signo contrario se atraen; las cargas del mismo signo se repelen. La región positiva de una molécula polar es atraída eléctricamente a la región negativa de otra molécula polar (o, en algunos casos, las regiones positiva y negativa pueden estar dentro de la misma gran molécula polar). Esta atracción eléctrica mantiene juntas a las dos moléculas polares, formando un enlace de hidrógeno. El enlace polar se denomina enlace de hidrógeno, porque en una molécula polar suele ser un hidrógeno el que contiene la carga parcialmente positiva. La molécula polar más común es el agua. Los enlaces de
hidrógeno entre moléculas polares de agua pueden representarse como sigue: + H
H O
–
Enlace de hidrógeno
H
+
O + H
H –
+
O
–
O
H
–
H
H +
H O
H
–
Aunque los enlaces de hidrógeno son enlaces débiles y pueden romperse fácilmente, son importantes para determinar la estructura de grandes biomoléculas, como las proteínas y los ácidos nucleicos, y para estabilizar las propiedades de las sustancias en el agua. El comportamiento de las moléculas en el agua es crítico para el funcionamiento celular. Las moléculas polares son atraídas eléctricamente hacia las moléculas polares de agua y, por tanto, se disuelven en agua. Las moléculas polares se denominan hidrófilas («amigas del agua») debido a su capacidad para disolverse en el agua. Las moléculas no polares se denominan hidrófobas («enemigas del agua»), porque no se disuelven en el agua. Aunque el agua es el disolvente más común del organismo, las membranas están compuestas por lípidos y la forma como una sustancia se disuelve en los lípidos también es importante para la fisiología. Las moléculas no polares se disuelven en los lípidos y pueden penetrar la bicapa de fosfolípidos de membranas; por tanto, se denominan lipófilas («amigas de los lípidos»). Las moléculas polares no pueden disolverse en lípidos ni penetrar la bicapa de fosfolípidos de las membranas; por ello se denominan lipófobas («enemigas de los lípidos»). La tabla a continuación resume la naturaleza de las moléculas que se mantienen juntas gracias a los enlaces covalentes. Obsérvese que las moléculas hidrófilas son lipófobas y que las moléculas hidrófobas son lipófilas.
Reparto de electrones en el enlace covalente
Clase de enlace covalente
Propiedad en el agua
Propiedad en los lípidos
Reparto equitativo
No polar
Hidrófoba
Lipófila
Reparto desigual
Polar
Hidrófila
Lipófoba
sas incluyen canales que permiten a los iones penetrar (o cruzar) la membrana y proteínas transportadoras que transportan moléculas de un lado a otro de la membrana. Otras proteínas integrales de membrana están situadas solamente en un lado de esta. Algunas de las proteínas que están de cara al citosol funcionan como enzimas que catalizan las reacciones químicas que ocu-
rren en el citosol o como una clase especial de proteínas llamadas proteínas G (que se describen más adelante). Algunas de las proteínas que miran al líquido extracelular funcionan como enzimas que catalizan reacciones en el líquido extracelular o como moléculas receptoras que unen mensajeros químicos de otras células.
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Células: estructura y función
Las proteínas de membrana periféricas están unidas libremente a la membrana por asociaciones con proteínas integrales de membrana o fosfolípidos. Las proteínas de membrana periféricas pueden disociarse de la membrana y, pese a ello, dejar la membrana intacta. La mayoría de las proteínas de membrana periféricas están situadas en la superficie citosólica de la membrana plasmática y a menudo funcionan como parte de un grupo de proteínas que compone el citoesqueleto.
Envoltura nuclear o carioteca
Poros nucleares
Comprueba tus conocimientos
Nucléolo
Un científico desea determinar si una proteína concreta es una proteína de membrana y, en tal caso, si es una proteína integral de membrana o periférica. ¿Qué tipo de experimentos contestarían a estas preguntas?
Cromatina
FIGURA 2.16 Núcleo. El núcleo está separado del citoplasma por
Hidratos de carbono de la membrana También asociados a la membrana plasmática están los hidratos de carbono, unidos covalentemente a los lípidos de membrana o a proteínas para formar los glucolípidos o las glucoproteínas, respectivamente (v. fig. 2.15). Los hidratos de carbono de la membrana plasmática están situados principalmente en la superficie extracelular, donde tienen dos funciones principales: forman el glucocáliz, una capa protectora que también mantiene juntas a las células, y funcionan en el reconocimiento celular, esto es, etiquetan a la célula como perteneciente al organismo o como un tipo diferente de célula. El reconocimiento es un aspecto importante tanto de la respuesta inmune como del crecimiento tisular.
Estructura del núcleo La mayoría de las células tienen un solo núcleo que contiene el material genético de la célula, el ADN. El ADN existe en forma de hilos finos llamados cromatina, salvo durante la división celular. El núcleo suele aparecer como una estructura esférica prominente en la célula (fig. 2.16). Rodeando al núcleo está la membrana nuclear, o carioteca, constituida por dos membranas. Estas membranas se fusionan intermitentemente, dejando huecos llamados poros nucleares, que permiten un movimiento selectivo de moléculas entre el núcleo y el citoplasma. Dentro del núcleo hay una estructura llamada nucléolo, que es el lugar donde se realiza la síntesis de un tipo de ARN llamado ARN ribosómico (rARN). El núcleo interviene en la transmisión y expresión de la información genética. Codificada en el ADN está la información genética para la síntesis de ARN y de proteínas. Más adelante en este capítulo describiremos las importantes funciones del ADN y del ARN en la síntesis de proteínas.
Contenidos del citosol El citosol es un líquido, con la consistencia de un gel, crucial para muchos procesos celulares. Varias enzimas del citosol catalizan reacciones químicas específicas, como las diez enzimas que rompen una glucosa en dos piruvatos en el proceso llamado glucólisis. El citosol también almacena energía en forma de triglicéridos o glucógeno en masas llamadas inclusiones. Las moléculas que van a ser liberadas de la célula, o secretadas, se almacenan en sacos rodeados por membrana llamados vesículas secretoras. Además, la composición molecular del citosol es
su envoltura nuclear (o carioteca). Sus poros permiten el movimiento de sustancias específicas entre el núcleo y el citoplasma. Situado en el núcleo está el ADN, que contiene la información genética de cada individuo. El ADN existe en forma de hilos finos llamados cromatina. También dentro del núcleo se encuentra el nucléolo, donde se realiza la síntesis del rARN.
crítica para el funcionamiento de las células. Por ejemplo, la composición iónica del citosol desempeña un papel crucial en las actividades de las células nerviosas y musculares.
Estructura de los orgánulos membranosos Las membranas que rodean a ciertos orgánulos representan una barrera entre el citosol y el interior del orgánulo, que crea compartimentos dentro del citoplasma. En algunos casos, dos membranas rodean un orgánulo, creando compartimentos dentro de él. A continuación se describe la estructura de cada orgánulo membranoso.
Retículo endoplásmico El retículo endoplásmico consiste en una red elaborada de membrana que cierra un compartimento interior llamado luz (fig. 2.17). Hay dos tipos de retículo endoplásmico que difieren en apariencia y función: el retículo endoplásmico rugoso y el retículo endoplásmico liso. El primero recibe ese nombre por su apariencia granular o «rugosa» con el microscopio, debida a la presencia de ribosomas, que son complejos de rARN y proteínas necesarios para la síntesis de proteínas. Además, el retículo endoplásmico rugoso tiene el aspecto de sacos aplanados. Por el contrario, el retículo endoplásmico liso consiste en túbulos y no tiene ribosomas adheridos a él, lo que le da un aspecto «liso». La membrana del retículo endoplásmico rugoso se continúa por un lado con la membrana exterior de la membrana nuclear y por el otro lado con el retículo endoplásmico liso (v. fig. 2.17). El retículo endoplásmico es importante en la síntesis de varios tipos de biomoléculas. El retículo endoplásmico rugoso está asociado a la síntesis de proteínas que se secretarán de la célula o se incorporarán a la membrana plasmática o están destinadas a otro orgánulo. En el retículo endoplásmico liso tiene lugar la síntesis de lípidos, incluyendo los triglicéridos y los esteroides, y es el lugar en el que se almacenan los iones de calcio.
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REPASO DE QUÍMICA
Iones y enlaces iónicos Cuando los átomos forman enlaces químicos, los electrones de los átomos interactúan. Vimos en «Repaso de química: Moléculas polares y enlaces de hidrógeno» cómo los electrones podían ser compartidos por átomos para formar enlaces covalentes. Sin embargo, algunos átomos tienden a ganar o perder electrones completamente durante una reacción química, terminando con un exceso o un déficit de los mismos. Cuando se ganan o pierden electrones de un átomo o molécula, el número de electrones cargados negativamente ya no es igual al número de protones cargados positivamente, y se forma una partícula cargada llamada ion. Los átomos que ganan un electrón adquieren una carga negativa y se denominan aniones, mientras que los átomos que pierden un electrón adquieren una carga positiva y se llaman cationes. Cuando los aniones y los cationes están presentes en los sólidos, tienden a formar cristales en los que los cationes y los aniones están estrechamente relacionados. Un ejemplo conocido es el cloruro sódico (NaCl) o sal de mesa, que contiene iones de sodio (Na+) e iones de cloruro (Cl–). Los iones de sodio se forman cuando los átomos de sodio pierden un electrón, produciendo un ion con 11 protones y 10 electrones. Los iones de cloruro se forman cuando los átomos de cloro ganan un electrón, produciendo un ion con 17 protones y 18 electrones. Este proceso ocurre como sigue:
del organismo son electrolíticos y contienen varios iones pequeños (conocidos como iones inorgánicos), entre los que se encuentran el sodio, el potasio (K+), el calcio (Ca+), el hidrógeno (H+), el magnesio (Mg2+), el cloruro, el sulfato (SO42–) y el bicarbonato (HCO3–). También se pueden encontrar grupos químicos ionizados en ciertos tipos de biomoléculas. Los iones y las moléculas que contienen un número significativo de grupos ionizados son hidrófilos, porque están eléctricamente atraídos hacia el agua.
Cl–
Cl–
Cl–
Na+
Cl–
Na+
Cl–
Na+
Cl–
Na+
Cl–
Cl–
Cl– H 2O
Cl
Na
– e–
O H
Na
+
Cl
–
H +
En un cristal de NaCl, los cationes (Na ) y los aniones (Cl ) se mantienen unidos gracias a fuerzas eléctricas de atracción debidas a sus cargas opuestas. Estas fuerzas a veces se denominan enlaces iónicos. Cuando los sólidos iónicos se disuelven en agua, las atracciones eléctricas entre los iones y las moléculas polares de agua afectan a los enlaces iónicos, dejando libres a los cationes y a los aniones para disociarse en partículas separadas. Este proceso se puede ilustrar para el cloruro sódico como se muestra en la columna derecha. Las soluciones que contienen iones disueltos se describen como electrolíticas, porque son buenas conductoras de la electricidad, en cuyo caso las sustancias iónicas se denominan electrólitos. Los líquidos
Además, el retículo endoplásmico liso está especializado en ciertas células. Por ejemplo, en las células hepáticas, el retículo endoplásmico liso contiene enzimas antitóxicas que descomponen las sustancias tóxicas de la sangre.
Aparato de Golgi El aparato de Golgi consiste en sacos aplanados rodeados de membrana llamados cisternas (fig. 2.18). El aparato de Golgi está
+
O
–
+ Cl–
H
–
H
+
H
H
O –
+ H
–
H
+
O
H
H
H
H
O
Na+ – – O
O
+
H
H
–
+
– +
H
H
O
H
– H +
O H
–
O
O
+
H
H
Na+ – –
H
O H
H +
O –
+
+
H
Cl–
H
estrechamente asociado al retículo endoplásmico por una cara, llamada la cara cis, aunque las membranas del aparato de Golgi y del retículo endoplásmico están separadas. La otra cara del aparato de Golgi se orienta hacia la membrana plasmática y recibe el nombre de cara trans. El aparato de Golgi procesa las moléculas sintetizadas en el retículo endoplásmico y las prepara para que sean transportadas a su ubicación final. Empaqueta moléculas en vesículas y dirige a las vesículas hacia el lugar adecuado. Algunas vesículas transportan sustancias hacia emplazamientos
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Células: estructura y función
Luz del retículo endoplásmico Retículo endoplásmico liso Poro nuclear Ribosoma Núcleo
Retículo endoplásmico rugoso
Envoltura nuclear
FIGURA 2.17 Retículo endoplásmico. La membrana del retículo endoplásmico se continúa con la membrana externa de la envoltura nuclear. El retículo endoplásmico rugoso es el más cercano al núcleo y está constituido por sacos aplanados con ribosomas adheridos a su superficie externa. La membrana del retículo endoplásmico se continúa con la del retículo endoplásmico liso, que es tubular y carece de ribosomas.
Aparato de Golgi Retículo endoplásmico Cisternas Cara cis Cara trans
Membrana plasmática
Citosol
Líquido extracelular
FIGURA 2.18 Aparato de Golgi. El aparato de Golgi consiste en apilamientos de sacos aplanados llamados cisternas. Una cara del aparato de Golgi mira hacia el retículo endoplásmico; la otra cara a la membrana plasmática.
intracelulares, mientras que las vesículas secretoras transportan las sustancias hacia el exterior celular.
Mitocondrias Las mitocondrias están rodeadas por dos membranas (fig. 2.19). La membrana mitocondrial externa separa la mitocondria del citosol, mientras que la membrana mitocondrial interna divide cada mitocondria en dos compartimentos: el espacio intermembranoso, el área entre las dos membranas, y la matriz mitocondrial, el com-
partimento más interno. La membrana mitocondrial interna es un compartimento funcional en sí mismo porque alberga una serie de proteínas y otras moléculas llamadas cadena de transporte de electrones. Para aumentar el área del sistema de transporte de electrones, la membrana interna se dobla en túbulos llamados crestas. A menudo, se llama a las mitocondrias las «centrales eléctricas» de la célula, porque la mayor parte de la energía que la célula puede utilizar, el ATP, se produce en estos orgánulos. El número de mitocondrias por célula varía considerablemente en los diversos tipos de células dependiendo de las nece-
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Membrana externa Espacio intermembranoso
Matriz
Membrana interna
Células: estructura y función
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sidades energéticas de cada célula en particular. Por ejemplo, como las células musculares demandan grandes cantidades de energía, contienen numerosas mitocondrias. Por el contrario, los glóbulos rojos, cuya función principal es el transporte de gases, no contienen mitocondrias.
Lisosomas Los lisosomas son pequeños orgánulos esféricos rodeados de una membrana simple (fig. 2.20). Los lisosomas contienen enzimas que degradan los restos intracelulares y extracelulares que se hayan introducido en la célula. Por ejemplo, después de que los lisosomas se fusionen con orgánulos viejos que ya no estén funcionando, las enzimas existentes dentro de los lisosomas degradan los orgánulos y reciclan los componentes utilizables, eliminando los productos de desecho de la célula. En caso de que haya demasiados restos extracelulares, las células pueden digerir partículas extracelulares gracias a un proceso llamado endocitosis, en el que las partículas se encierran dentro de una vesícula y se llevan al interior de la célula. Entonces, los lisosomas se fusionan con la vesícula, haciendo que sus enzimas puedan degradar las partículas. El proceso de endocitosis se describe en el capítulo 4.
Crestas (a) Mitocondria
Matriz Crestas
Peroxisomas Los peroxisomas son orgánulos esféricos ligeramente más pequeños que los lisosomas y están rodeados por una membrana simple. Su función es la degradación de moléculas como los aminoácidos, los ácidos grasos y la materia tóxica externa. En el proceso de esta degradación, a menudo producen peróxido de hidrógeno (H2O2), que es tóxico en sí mismo. Una de las características más notables de los peroxisomas es la presencia de la enzima catalasa, que cataliza la descomposición del peróxido de hidrógeno para formar agua y oxígeno:
(b)
FIGURA 2.19 Mitocondrias. (a) Dibujo de una mitocondria. La membrana mitocondrial externa separa la mitocondria del citosol, mientras que la membrana mitocondrial interna separa la mitocondria en una matriz interna y el espacio intermembranoso. La membrana interna tiene numerosos repliegues llamados crestas. (b) Microfotografía de una mitocondria.
Lisosomas
2 H2O2 r 2 H2O + O2 Esta reacción evita la acumulación del tóxico peróxido de hidrógeno.
Subunidad ribosómica grande
Subunidad ribosómica pequeña
(a) Subunidades ribosómicas
(b) Ribosoma
FIGURA 2.21 Ribosomas. Para que dé comienzo la síntesis de proteínas, FIGURA 2.20 Microfotografía electrónica de los lisosomas.
(a) las dos subunidades libres del citosol deben unirse para formar (b) un ribosoma.
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Células: estructura y función
DESCUBRIMIENTOS
Vaults y quimioterapia En los años ochenta, los científicos descubrieron los vaults en las células hepáticas humanas. Los vaults son ribonucleoproteínas que consisten en ARN (llamado vault ARN o vARN) y proteínas. Son más grandes que los ribosomas, que también son ribonucleoproteínas, y se han encontrado en casi todas las células del organismo en las que se ha buscado su presencia. La mayoría de los vaults están en el citoplasma, pero se han encontrado algunos en el núcleo; incluso un estudio los ha localizado en los poros nucleares. Se han detectado tres tipos de proteínas en los vaults, siendo la más abundante la proteína vault mayor (PVM). La estructura molecular de las proteínas vault se ha conservado en la evolución de los organismos eucarióticos, lo que sugiere que realizan una función crítica. Aunque el funcionamiento de los vaults sigue siendo objeto de investigación, algunas evidencias indican que contribuyen al transporte intracelular. Los vaults tienen una gran cavidad interna capaz de albergar cientos de proteínas. Algunos estudios sugieren que funcionan como lanzaderas entre el núcleo y el citoplasma, transportando sustancias como los ribosomas, el ARN y las proteínas a lo largo
de esta vía. Puede que los vaults y el citoesqueleto colaboren en el transporte citoplásmico. Los vaults también podrían participar en el desarrollo embrionario, señalando la supervivencia o la diferenciación celular. A medida que se desarrolla el embrión, muchas células sufren un proceso llamado apoptosis, o muerte celular programada. Puede que los vaults induzcan cambios bioquímicos dentro de las células que se oponen a las señales responsables de la apoptosis. A pesar de que su funcionamiento sigue siendo un misterio, potencialmente los vaults podrían tener un papel muy valioso en la terapia contra el cáncer. A finales de los años noventa, los investigadores descubrieron que los pacientes con cáncer que muestran resistencia a gran variedad de quimioterapias, lo que se llama resistencia a múltiples fármacos, tienen una mayor concentración de vaults en sus células que las personas que no poseen esta resistencia. Varios estudios sugieren que se pueden utilizar las concentraciones de PVM en pacientes con cáncer como marcador para identificar a esas personas que ofrecen resistencia a los tratamientos propuestos
Estructura de los orgánulos no membranosos A pesar de que los orgánulos no membranosos no tienen una barrera que los separe del citosol, se consideran orgánulos, porque están constituidos por biomoléculas organizadas en estructuras que realizan funciones específicas dentro de la célula.
Ribosomas Los ribosomas son gránulos densos compuestos por rARN y proteínas que participan en la síntesis de proteínas. Cada ribosoma consiste en una subunidad pequeña y una subunidad grande, separadas entre sí y situadas en el citosol cuando el ribosoma no está activo (fig. 2.21a). Durante la síntesis de proteínas (de las que se habla más tarde en este capítulo), las dos subunidades se juntan en el citosol para formar un ribosoma funcional (fig. 2.21b). Después de que la síntesis de proteínas haya comenzado, algunos ribosomas permanecen libres en el citosol, mientras que otros se unen al retículo endoplásmico rugoso. Las proteínas sintetizadas en los ribosomas libres pueden quedarse en el citosol o entrar en una mitocondria, el núcleo o un peroxiso-
para su enfermedad. Algunos estudios también indican que la PVM contribuye a la progresión del cáncer, posiblemente por su función transportadora. Es necesario seguir investigando para dilucidar totalmente el funcionamiento de las proteínas vault, lo que también podría conducir a un mejor tratamiento del cáncer.
ma. Las proteínas sintetizadas en el retículo endoplásmico rugoso serán empaquetadas en vesículas por el aparato de Golgi y dirigidas a su destino final.
Vaults Los vaults son el orgánulo de más reciente descubrimiento y se consideran prometedores en el tratamiento contra el cáncer (v. «Descubrimientos: Vaults y quimioterapia»). Los vaults son estructuras con forma de barril que incluyen proteínas y ARN vault (vARN). La mayoría de los vaults están situados en el citoplasma e interactúan con el citoesqueleto; un pequeño porcentaje de vaults se encuentran en el núcleo. Aunque el funcionamiento de los vaults sea desconocido, los estudios sugieren que ayudan en el transporte intracelular y que también pueden constituir una señal química para la supervivencia celular.
Centríolos Los centríolos son estructuras cortas y cilíndricas constituidas por manojos de filamentos de proteínas. Cada célula tiene dos
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Células: estructura y función
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Ribosoma
Retículo endoplásmico Filamento intermedio Mitocondria
Microtúbulo Microfilamento
Proteína integral de membrana Proteína periférica de membrana Membrana plasmática
FIGURA 2.22 Citoesqueleto. El citoesqueleto está constituido por tres tipos de filamentos que aportan a la célula soporte estructural y que dan algún grado de motilidad o contractibilidad. Los orgánulos están suspendidos en el citosol mediante los filamentos.
Actina G
Actina F
Microfilamento (actina)
FIGURA 2.23 Microfilamentos. Filamento de actina, el microfilamento más común. Los filamentos de actina consisten en dos hebras de actina F dispuestas helicoidalmente, una proteína fibrosa formada por cadenas de la proteína globular actina G.
centríolos orientados perpendicularmente entre sí (v. fig. 2.14). Su función es dirigir el desarrollo de una estructura llamada huso mitótico (o huso acromático) durante la división celular.
Citoesqueleto El citoesqueleto es un entramado de proteínas fibrosas, también denominadas filamentos, que dota a la célula de estructura y
soporte, de manera similar a como el esqueleto proporciona apoyo para el cuerpo (fig. 2.22). El citoesqueleto no es rígido ni tiene una estructura fija. Las proteínas fibrosas que lo forman pueden desmontarse y volver a montarse cuando sea necesario. Entre las funciones del citoesqueleto se encuentran el apoyo mecánico y la estructura, el transporte intracelular de sustancias, la suspensión de los orgánulos, la formación de uniones intercelulares, la contracción y el movimiento de ciertas células. Varios tipos de filamentos forman el citoesqueleto, incluyendo los microfilamentos, los filamentos intermedios y los microtúbulos. La clasificación de los filamentos se basa en sus diámetros. Los microfilamentos tienen el diámetro más pequeño (7 nm) entre las proteínas fibrosas. Un microfilamento llamado actina (fig. 2.23) tiene varias funciones en las células, incluyendo la contracción muscular, el movimiento «ameboide» de las células y la separación del citoplasma durante la división celular. Otros microfilamentos de actina proporcionan el soporte estructural para unas proyecciones especiales de las células llamadas microvellosidades, que a menudo se encuentran en las células epiteliales especializadas en el intercambio de moléculas. La actina es una estructura dinámica, que se desmonta y se vuelve a montar constantemente. La unidad de actina es una proteína globular llamada actina G. Para formar los filamentos de actina, la actina G debe polimerizarse para formar actina F, que entonces se une a una segunda actina F para formar una hélice. Los filamentos intermedios tienen un diámetro (10 nm) entre el de los microfilamentos y el de los microtúbulos. Los filamentos intermedios tienden a ser más fuertes y más estables que los microfilamentos. Los filamentos intermedios llamados queratina se encuentran en las células de la piel y del pelo. La miosina es un filamento intermedio que se encuentra en las células
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Células: estructura y función
Punta del cilio
-Tubulina -Tubulina
Dímero Tubulin dimer de tubulina
Radio Brazos de dineína Microtúbulo Doblete de microtúbulos
Microtúbulos
Membrana
Filamentos de anclaje
Par central de microtúbulos
FIGURA 2.24 Microtúbulos. Disposición de microtúbulos en un cilio. Cada cilio contiene diez pares de microtúbulos, nueve como dobletes periféricos y un par central. Los dobletes contienen brazos de dineína para la motilidad. Los microtúbulos se montan y se desmontan en unas subunidades llamadas dímeros.
musculares, donde colabora con la actina para producir la contracción. Los microtúbulos, los filamentos que tienen el diámetro más grande (25 nm), están compuestos por largos tubos huecos. Como los microfilamentos, los microtúbulos son estructuras dinámicas que constantemente se están montando y desmontando. La unidad de montaje de un microtúbulo es el heterodímero de subunidades globulares llamadas B y C tubulina. Los microtúbulos dotan de fuerza al citoesqueleto. También forman las fibras de huso, que ayudan en la distribución de los cromosomas durante la división celular y en el movimiento direccional de las vesículas y las grandes biomoléculas dentro del citosol. Además, los microtúbulos son los componentes de dos estructuras motiles: los cilios y los flagelos (fig. 2.24). Los cilios y los flagelos son protuberancias con forma de pelos que salen de la superficie celular y que pueden moverse de una manera similar a una ola. El movimiento de los cilios propulsa partículas a lo largo de los conductos huecos del organismo. Por ejemplo, en las vías respiratorias, los cilios arrastran la mucosidad que contiene partículas inhaladas atrapadas en los pulmones hacia la boca, donde puede tragarse. Un cilio consiste en diez pares de microtúbulos dispuestos de modo que nueve de los pares rodean a un par central. Los microtúbulos emparejados están conectados por proteínas llamadas brazos de dineína, que ayudan a generar la fuerza necesaria para que los microtúbulos se deslicen uno por detrás del otro; este movimiento deslizante crea el movimiento en forma de olas de un cilio. Los flagelos son parecidos a los cilios en su estructura básica, pero son más largos y en los seres humanos solo se encuentran en un tipo de célula: el espermatozoide. Los flagelos propulsan a los espermatozoides a través del aparato reproductor femenino hacia el óvulo.
Comprueba tus conocimientos Se sabe que el humo de los cigarrillos paraliza y destruye los cilios situados en las vías respiratorias que van hacia los pulmones. ¿Cuál es la consecuencia de la pérdida de acción de los cilios? La tabla 2.2 resume los diversos componentes de la célula y sus funciones principales.
Test rápido 2.2 1. ¿Dónde se encuentra almacenada la información genética de una célula? ¿Qué tipo de molécula almacena esta información? 2. Describe la estructura básica de la membrana plasmática. Nombra cuatro funciones de las proteínas de membrana. 3. Describe las funciones básicas de cada uno de los orgánulos. 4. ¿Cuáles son los tres tipos de filamentos que se encuentran en el citoesqueleto? Nombra una función especial de cada tipo de filamento.
Uniones intercelulares En muchos tejidos, las células se mantienen juntas gracias a unas proteínas de membrana especiales llamadas moléculas de adhesión celular. Otras proteínas funcionan en adhesiones celulares más especializadas, en las que el fin es más amplio que la mera unión de células entre sí. Hay tres tipos principales de uniones especiales: las uniones estrechas, los desmosomas y las uniones comunicantes (también llamadas uniones gap o en hendidura).
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Células: estructura y función
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TABLA 2.2 Resumen de las estructuras celulares y de sus funciones Parte de la célula
Estructura
Función
Membrana plasmática
Bicapa lipídica con proteínas y moléculas de colesterol dispersas
Establece y mantiene los límites de la célula y la integridad de su estructura; las proteínas que lleva en su interior realizan múltiples funciones
Núcleo
Rodeado de una envoltura nuclear de doble capa
Alberga el ADN, que establece la función celular y la síntesis de proteínas
Nucléolo
Estructura oval oscura dentro del núcleo
Síntesis del ARN ribosómico
Líquido con la consistencia de un gel
Metabolismo celular, almacenamiento
Retículo endoplásmico rugoso
Se continúa con la envoltura nuclear; sacos aplanados salpicados de ribosomas
Síntesis de proteínas y procesamiento posterior a la traducción
Retículo endoplásmico liso
Se continúa con el retículo endoplásmico rugoso; estructura tubular sin ribosomas
Síntesis de lípidos y procesamiento de proteínas posterior a la traducción; transporte de moléculas del retículo endoplásmico al aparato de Golgi; almacenamiento de calcio
Aparato de Golgi
Serie de sacos aplanados cerca del retículo endoplásmico
Procesamiento posterior a la traducción; empaquetamiento y clasificación de proteínas
Mitocondrias
De forma ovalada, con una membrana externa y una membrana interna con pliegues llamados crestas que se proyectan hacia la matriz
Síntesis de ATP
Lisosomas
Son granulares y con forma de saco; están dispersos por el citoplasma
Descomposición de los restos celulares y extracelulares
Peroxisomas
De aspecto parecido al de los lisosomas, pero más pequeños
Descomposición de sustancias tóxicas, incluyendo el peróxido de hidrógeno
Vaults
Pequeños, con forma de barril
Desconocida; posiblemente el transporte de moléculas entre el núcleo y el citoplasma
Ribosomas
Orgánulos granulares compuestos por proteínas y rARN; situados en el citosol o sobre la superficie del retículo endoplásmico rugoso
Traducción de mARN para sintetizar proteínas
Centríolos
Dos montones cilíndricos de filamentos de proteínas colocados perpendicularmente entre sí
Dirigir el desarrollo del huso mitótico durante la división celular
Compuesto por filamentos de proteínas, incluyendo microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos
Soporte estructural de la célula; movimiento y contracción celular
Citosol Orgánulos membranosos
Orgánulos no membranosos
Citoesqueleto
Uniones estrechas
Desmosomas
Las uniones estrechas se suelen encontrar en el tejido epitelial especializado en el transporte molecular. En las uniones estrechas, unas proteínas integrales de membrana llamadas ocludinas fusionan células adyacentes entre sí para que formen una barrera casi impermeable al movimiento de sustancias entre células (fig. 2.25). Gracias a esta barrera, los solutos tienen, en general, que cruzar la capa epitelial de células para pasar de un lado del epitelio al otro (transporte transepitelial), más que tener que dar la vuelta alrededor de las células (movimiento paracelular). Las células epiteliales a menudo revisten estructuras huecas, como los órganos del aparato digestivo o los túbulos renales. El compartimento interno de un órgano hueco, la luz, se separa del citosol de cada célula epitelial por la membrana apical. La membrana que mira al líquido extracelular se denomina membrana basolateral. Las células epiteliales que revisten los órganos a menudo tienen uniones estrechas que restringen o regulan el movimiento de moléculas de la luz del órgano hacia la sangre o de la sangre a la luz. Debido a estas uniones estrechas, la composición de los contenidos de la luz puede ser diferente de la de la sangre.
Los desmosomas se encuentran en tejidos sujetos a estrés mecánico, como los del corazón, el útero y la piel. Un desmosoma es una unión filamentosa entre dos células adyacentes que aporta fuerza para que las células no se rasguen cuando el tejido está sometido a estrés. La figura 2.26a muestra la estructura de los desmosomas en el corazón, donde están estrechamente asociados a otro tipo de uniones, llamadas uniones comunicantes (que se describen a continuación). En el lugar que ocupa cada desmosoma hay una placa formada por glucoproteínas agrupadas dentro de cada célula. Saliendo de esta placa hay tanto filamentos de proteínas intracelulares como filamentos de proteínas llamadas cadherinas, que cruzan la membrana plasmática en dirección al espacio extracelular. Las cadherinas están unidas a los filamentos intracelulares en la placa.
Uniones comunicantes Aunque las uniones comunicantes se encuentran en muchos tipos de tejidos, son más conocidas por su presencia en el músculo liso y en el cardíaco, donde permiten que el músculo se
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Células: estructura y función
Microvellosidades Membrana apical
Luz
Unión estrecha
Membrana plasmática de células adyacentes
Soluto polar
Membrana basolateral
Espacio intercelular Ocludinas
Líquido intersticial
Sangre
Soluto polar Uniones estrechas
FIGURA 2.25 Uniones estrechas. Las uniones estrechas se suelen encontrar en el tejido epitelial, donde limitan el movimiento de las moléculas por el espacio intersticial entre las células epiteliales. Unas proteínas llamadas ocludinas unen dos células adyacentes entre sí de tal manera que forman uniones casi impermeables. Las moléculas polares que no pueden cruzar las bicapas lipídicas tampoco suelen poderse mover entre las células conectadas por uniones estrechas.
contraiga como una unidad. Las uniones comunicantes son áreas en las que dos células adyacentes están conectadas por unas proteínas de membrana llamadas conexones (fig. 2.26b). Cada conexón se compone de seis proteínas de membrana más pequeñas llamadas conexinas. Los conexones de las células adyacentes se unen entre sí, formando pequeños canales que facilitan que los iones y las moléculas pequeñas se muevan entre las dos células. Las uniones comunicantes proporcionan un acoplamiento eléctrico y metabólico directo de las células adyacentes. El movimiento de iones entre las células acopla eléctricamente a estas últimas, de tal modo que si las propiedades eléctricas de una célula cambian, los iones pasan de esta célula a la adyacente mediante la unión comunicante, produciendo el mismo tipo de cambio eléctrico. Este proceso permite que las células del corazón, por ejemplo, actúen de una manera coordinada para que puedan contraerse al unísono. En lugares como los huesos, las uniones comunicantes permiten que los nutrientes viajen de las células cercanas al torrente sanguíneo a células que se encuentran profundamente dentro del tejido. Las uniones comunicantes también permiten el paso de algunos mensajeros químicos, como la molécula cAMP. De esta manera, una señal iniciada en una célula puede ser transmitida a las células adyacentes.
Funciones generales de la célula Nuestras células tienen funciones especializadas que contribuyen a la homeostasis. Por ejemplo, las células musculares se contraen para generar fuerza y las células nerviosas usan impulsos eléctricos y mensajeros químicos para la comunicación. A pesar de estas funciones específicas, la mayoría de las células del organismo realizan varias funciones generales, de las que vamos a hablar a continuación. En capítulos posteriores se describen en detalle las funciones especializadas de las células.
Metabolismo Todas las células del organismo realizan varias reacciones químicas. El metabolismo se refiere a todas las reacciones químicas que tienen lugar en el organismo, y se puede dividir en dos clases de reacciones químicas: 1) anabolismo, la síntesis de moléculas grandes a partir de moléculas pequeñas, que requiere un aporte de energía, y 2) catabolismo, la descomposición de moléculas grandes en moléculas más pequeñas, lo cual libera energía. Cada segundo, miles de reacciones anabólicas y catabólicas tienen lugar en casi cada célula del organismo. Estas reacciones están reguladas en gran medida por la presencia de enzimas. Aprenderemos más sobre el metabolismo celular y las enzimas en el capítulo 3, y sobre el metabolismo de todo el organismo en el capítulo 21.
Transporte celular Hemos visto que la bicapa lipídica es una barrera para las moléculas hidrófilas. Sin embargo, las células necesitan que las moléculas hidrófilas realicen sus funciones, y las células también liberan moléculas hidrófilas al medio extracelular. El proceso por el que las moléculas entran o salen de las células se llama transporte de membrana. Las moléculas no polares pueden penetrar la membrana plasmática y, simplemente, la atravesarán por difusión. Las moléculas polares más pequeñas también pueden penetrar la mayoría de las membranas plasmáticas. Sin embargo, las moléculas polares más grandes no pueden atravesar la bicapa lipídica; algunas de estas moléculas solo pueden cruzar las membranas plasmáticas con la ayuda de proteínas transmembranosa o vesículas. Por ejemplo, algunas moléculas, como la glucosa y los aminoácidos, son transportadas a través de la membrana mediante proteínas transportadoras. Otras moléculas, como el agua y los iones, pueden moverse a través de canales. Las proteínas y otras macromoléculas son demasiado grandes para ser transportadas a través de la membrana plasmática por proteínas transportadoras o para moverse a través de los canales. En
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Células: estructura y función
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Célula muscular cardíaca
Membranas plasmáticas de células adyacentes
Membranas plasmáticas de células adyacentes Placa
Espacio intercelular
Conexón
Conexinas
Filamentos intracelulares
Espacio intercelular
Canal para el paso de moléculas pequeñas e iones
Filamentos intercelulares (cadherinas)
(a) Desmosoma
(b) Uniones comunicantes
FIGURA 2.26 Desmosomas y uniones comunicantes en el músculo cardíaco. (a) Los desmosomas son uniones fuertes entre células en tejidos sujetos a estrés. Los filamentos de proteínas salen de una placa situada cerca de la membrana plasmática, donde las dos células se unen. Algunos de estos filamentos están localizados dentro de las células (filamentos intracelulares), mientras que otros filamentos, llamados cadherinas (filamentos intercelulares), salen hacia el espacio intercelular, uniendo las dos células entre sí. (b) Las uniones comunicantes son áreas de membrana que contienen unas proteínas llamadas conexones, que forman canales que unen el citoplasma de dos células adyacentes. Estos canales permiten que los iones y las moléculas pequeñas pasen entre las células adyacentes.
su lugar, para que estas macromoléculas se muevan, deben ser empaquetadas en vesículas. En el capítulo 4 se describe en detalle el transporte celular.
Comunicación intercelular La comunicación es otra función que realizan todas las células. Una sola célula del organismo no puede existir aislada. Las células deben comunicarse unas con otras para mantener un entorno en el que puedan sobrevivir. La comunicación puede ser directa, como ocurre a través de las uniones comunicantes. Sin embargo, a menudo la comunicación implica que una célula libere un mensajero químico que actúa sobre una segunda célula. Las dos células que se comunican pueden ser adyacentes entre sí o bien pueden estar en áreas muy diferentes del organismo. En general, unas células liberan moléculas mensajeras que alcanzan a otras células, llamadas células diana, que contienen proteínas que funcionan como receptores para ese mensajero específico. La unión de la molécula mensajera a su receptor específico desencadena una respuesta en la célula diana. Como ejemplo de esa comunicación intercelular, un mensajero químico, la hormona antidiurética (ADH), se libera en la
sangre por exocitosis de una glándula endocrina en el cerebro. Cuando la ADH alcanza sus células diana (ciertas células renales), la hormona se une a sus receptores. Esta unión estimula la inserción de canales de agua en las células renales, lo que aumenta la conservación del agua, impidiendo que parte del agua pase a formar orina. Los diversos tipos de mensajeros químicos y los mecanismos por los que producen una respuesta en las células diana son los temas de los que trata el capítulo 5.
Test rápido 2.3 1. Describe brevemente los tres tipos de adhesiones celulares y pon un ejemplo de dónde se encuentra cada una. 2. Describe la función de las proteínas transmembranosas en el transporte de moléculas a través de la membrana plasmática.
Síntesis de las proteínas En este punto deberíamos darnos cuenta de que las proteínas son biomoléculas muy importantes de nuestras células. Dentro
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Células: estructura y función
del ADN están los códigos de la síntesis de todas las proteínas de nuestras células. Este código se llama código genético, y es universal a todas las especies animales. A pesar de que el ADN esté situado en el núcleo, la síntesis de proteínas tiene lugar en el citoplasma. Por tanto, el código debe transmitirse a otra molécula, llamada ARN mensajero (mARN), que pueda salir hacia el citoplasma. Los pasos generales de la síntesis de proteínas son:
Gen
(a) Doble cadena de ADN
(b) Cadena sentido del ADN
1. El ADN se transcribe según el código genético para formar un mARN complementario en el núcleo. 2. El mARN se mueve del núcleo al citoplasma. 3. En el citoplasma, los ribosomas traducen el mARN para formar la secuencia correcta de aminoácidos de la proteína.
Triplete
Triplete
Triplete
G T C
A C A
T G A
Transcripción C A G
U G U
A C U
Codón
Codón
Codón
(c) mARN
Para una excepción a la regla sobre la síntesis de proteínas, véase «Conexiones clínicas: ADN mitocondrial en las enfermedades, la antropología y la medicina forense».
FIGURA 2.27 Código genético. (a) Un gen, que es una parte del ADN que
describe el proceso de transcripción del ARN a partir del ADN, utilizando mARN como ejemplo. La figura 2.28 ilustra el proceso de transcripción. El primer paso es que el ADN se desenrolla y se separa en dos cadenas en el lugar en el que está ocurriendo la transcripción. La cadena sentido del ADN contiene el gen y las funciones como si fuera una plantilla para la síntesis de mARN. La secuencia promotora identifica la sección de ADN con el gen. Esta secuencia es una secuencia de bases específica a la que se puede unir la enzima ARN polimerasa. Cuando la ARN polimerasa se une a la secuencia promotora, inicia la separación del ADN en dos cadenas. Esto permite que los ribonucleótidos libres en forma de trifosfato (ATP, UTP, GTP y CTP) se alineen con la plantilla de ADN
TABLA 2.3 Código genético humano Segunda base del codón U Phe U
C
A
Transcripción La transcripción es el proceso en el que el ARN es sintetizado utilizando información contenida en el ADN, y tiene lugar en el núcleo. Se pueden transcribir tres tipos de ARN a partir del ADN: 1) mARN; 2) rARN, y 3) tARN (ARN de transferencia). Cada tipo de ARN está implicado en la síntesis de proteínas. Esta sección
G
C Ser
A Tyr
G Cys
U
Phe
Ser
Tyr
Cys
C
Leu
Ser
STOP
STOP
A
Leu
Ser
STOP
Trp
G U
Leu
Pro
His
Arg
Leu
Pro
His
Arg
C
Leu
Pro
Gln
Arg
A
Leu
Pro
Gln
Arg
G
Ile
Thr
Asn
Ser
U
Ile
Thr
Asn
Ser
C
Ile
Thr
Lys
Arg
A
Met
Thr
Lys
Arg
G
Val
Ala
Asp
Gly
U
Val
Ala
Asp
Gly
C
Val
Ala
Asp
Gly
A
Val
Ala
Glu
Gly
G
Tercera base del codón
Recordemos que el ADN está constituido por dos cadenas de nucleótidos que se mantienen juntas gracias a los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases complementarias. La secuencia de las cuatro bases del ADN codifica para la secuencia de los aminoácidos en las proteínas. La sección del ADN que codifica para una proteína o proteínas concreta/s se denomina gen (fig. 2.27a). Solo una cadena de ADN, la hebra sentido, contiene el código real. En las proteínas hay veinte aminoácidos diferentes. La secuencia de bases del ADN debe proporcionar información suficiente como para especificar cada aminoácido en una cadena polipeptídica. Una secuencia de tres bases, llamada triplete, codifica un solo aminoácido (fig. 2.27b). Cada base puede concebirse como una letra del alfabeto que se use en palabras que solo tengan una longitud de tres letras e indiquen un aminoácido concreto. Con cuatro bases que pueden adoptar tres posiciones en un triplete, hay 43 = 64 palabras posibles en el código genético. Durante la transcripción, que vamos a describir en breve, este código se pasa al mARN, cuya secuencia de bases es complementaria a la cadena sentido del ADN. Por tanto, un triplete de ADN es complementario de una secuencia de tres bases en el mARN, llamada codón, que codifica para el mismo aminoácido (fig. 2.27c). Observa que hay 64 codones posibles, pero solo 20 aminoácidos. Por tanto, aun cuando cada codón codifique solo para un aminoácido, algunos aminoácidos son codificados por más de un codón. Por ejemplo, CCC siempre codifica para el aminoácido prolina, pero CCG también codifica para la prolina. En cada mARN se encuentra un codón, llamado codón de iniciación, el AUG, que también codifica el aminoácido metionina. Hay tres codones de terminación que indican que ha llegado el final de la codificación de la proteína. Como estos codones de terminación no codifican ningún aminoácido, realmente solo 61 de los 64 codones codifican aminoácidos. El código genético se muestra en la tabla 2.3.
codifica para una/s proteína/s concreta/s. (b) Tripletes, las secuencias de tres bases que codifican para una secuencia de aminoácido. (c) Codones de mARN transcritos, complementarios al código en los tripletes de ADN.
Primera base del codón
Función del código genético
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
43
CONEXIONES CLÍNICAS
ADN mitocondrial en las enfermedades, la antropología y la medicina forense El núcleo de cada célula somática contiene 46 cromosomas que consisten en un total de más de 3.000 millones de pares de bases, con aproximadamente 25.000 genes. Los genes codifican para proteínas que realizan muchas funciones en el organismo, incluidas algunas dentro de las mitocondrias. El ADN nuclear codifica para el 95% de las proteínas que se encuentran en las mitocondrias. Sin embargo, cada mitocondria también tiene su propio ADN, que codifica para el otro 5% de las proteínas. El ADN mitocondrial (mtADN) consiste en una espiral única de ADN con, aproximadamente, 16.500 pares de bases que contienen 37 genes. Estos 37 genes son esenciales para la función mitocondrial, ya que las mutaciones de los genes mitocondriales pueden ser causa de enfermedades. De los 37 genes del ADN mitocondrial, 13 codifican las enzimas implicadas en la fosforilación oxidativa. Los otros 24 genes codifican ARN de transferencia y ARN ribosómicos que ayudan en la síntesis de proteínas dentro de las mitocondrias. A diferencia del ADN nuclear, que proviene tanto de los cromosomas maternos como de los paternos, el ADN mitocondrial proviene exclusivamente de la madre. Durante la fecundación, un ovocito y un espermatozoide aportan, cada uno, un juego único de 23 cromosomas nucleares que se unen para formar un cigoto, que contiene dos juegos de cromosomas, uno donado del ovocito y uno del espermatozoide. Sin embargo, durante el proceso de fertilización, solo la cabeza del espermatozoide se une con el ovocito. La cabeza contiene un núcleo, pero ni mitocondria ni otros orgánulos. Por tanto, el padre solo dona el ADN nuclear a la nueva célula. Las mitocon-
drias del cigoto, y, por tanto, el mtADN, provienen exclusivamente del ovocito, con lo que aquel adquiere un valor especial en la salud, la antropología y la medicina forense. Las mutaciones del ADN mitocondrial suelen tener un origen somático, esto es, no son hereditarias. Aunque la mayoría de las mutaciones que afectan a las proteínas en la cadena de transporte de electrones son letales, otras mutaciones resultan en enfermedades. Una de las afecciones mitocondriales más comunes es la neuropatía óptica hereditaria de Leber. Este tipo de neuropatía puede ser causada por una mutación en uno de los cuatro genes mitocondriales diferentes que codifican para proteínas que son parte del complejo I de la cadena de transporte de electrones. Estas mutaciones causan daños al nervio óptico, que transmite las señales que contienen información visual del ojo al cerebro. Por tanto, la neuropatía óptica hereditaria de Leber ocasiona ceguera. Otras mutaciones del ADN mitocondrial causan cáncer, encefalopatía (daños en el cerebro), acidosis láctica (un aumento de la acidez de la sangre), neuropatía (daños en los nervios), retinitis pigmentaria (pérdida de visión progresiva debido a daños en la retina) y sordera. También se han encontrado asociaciones entre el mtADN mutado y las enfermedades neurodegenerativas, incluyendo las enfermedades de Alzheimer y de Parkinson. El origen materno del mtADN ha proporcionado a los antropólogos y a los forenses una herramienta para determinar la ascendencia. Cuando los ADN nucleares materno y paterno se combinan durante la fecundación, la descendencia hereda características de
según la ley de emparejamiento de bases complementarias. (Recordemos que la base uracilo en el ARN sustituye a la timina en el ADN.) La ARN polimerasa también cataliza la formación de enlaces entre los ribonucleótidos alineados, creando un polinucleótido llamado pre-mARN que, finalmente, será el mARN monocatenario. El pre-mARN pasa por un procesamiento postranscripcional en el núcleo antes de que el mARN final pase a través de los
ambos padres. En las células germinales de esta descendencia, el ADN es una combinación de genes maternos y paternos. Cada generación, por tanto, aumenta la mezcla de genes. Por el contrario, el mtADN se conserva a lo largo de las generaciones, variando solo como resultado de mutaciones. La tasa de mutaciones del ADN es incierta; se estima desde 1 mutación cada 30 generaciones a 1 cada 600 generaciones. Los antropólogos usan el mtADN para examinar la ascendencia como parte de sus investigaciones. Por ejemplo, en 1987, los científicos informaron haber encontrado un ancestro común a todos nosotros. Según la datación (que puede ser imprecisa porque se basa en una tasa estimada de mutación del ADN), este ancestro vivió en África hace 200.000 años. El linaje ancestral propuesto se basa en la similitud del mtADN con el del ser humano que vive actualmente. Los forenses utilizan el mtADN principalmente en los casos de personas desaparecidas. En esas situaciones, comparan el mtADN de la persona en cuestión con el mtADN de la madre.
poros nucleares y entre en el citoplasma (fig. 2.29). Dentro de un gen hay regiones con exceso de bases, llamadas intrones, que no codifican para la secuencia de aminoácidos de las proteínas. Aunque estos intrones se transcriben en la molécula de mARN inicial, deben ser eliminados antes de que el mARN salga del núcleo. Después de que se eliminen los intrones de la molécula inicial de mARN, los segmentos de codificación restantes, llamados exones, se unen. Otros aspectos del procesamiento postrans-
44
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
ADN (cadena sentido)
ARN polimerasa
3
5
5
3 Secuencia promotora
Exones
Transcripción Pre-mARN
5
3 Procesamiento postranscripcional (eliminación de intrones, adición de CAP y cola de poli-A)
El ARN polimerasa se une al promotor Núcleo
3
5
5
3
Intrones
5 mARN
El ADN se desenrolla y se separa
3
-A-A-A-A-A…
CAP del ARN
3
5
5
3
3 El nucleótido libre del ARN se alinea y se añade a la nueva cadena de ARN Comienza la síntesis de ARN 5
5
3 La ARN polimerasa baja por el ADN El ARN se alarga
3
5
5
3
Citoplasma 5
Poro nuclear 3 -A-A-A-A-A…
Envoltura nuclear
FIGURA 2.29 Procesamiento postranscripcional. Después de la transcripción, el pre-mARN sigue sufriendo más procesamiento en el núcleo. Los intrones transcritos son eliminados y los exones restantes se empalman entre sí. Una estructura química llamada CAP se añade al extremo 5’, y una cola poli-A (varios nucleótidos con la base adenina) se añade al extremo 3’. Después de que el procesamiento haya finalizado, la molécula de mARN puede pasar del núcleo al citoplasma.
Alargamiento Alargamiento 3
5
5
3 Nucleótidos de ARN U
Traducción
C
G
A
Cadena antisentido ADN que se vuelve a enrollar
5
3
3
5
ARN polimerasa ARN que se alarga
cripcional incluyen la adición de un grupo químico llamado CAP al extremo 5, necesario para iniciar la traducción, y la adición de varios nucleótidos de adenina llamados cola poli-A al extremo 3, que protege al mARN de su degradación en el citoplasma. Después de que haya terminado el procesamiento, el mARN entra en el citoplasma y puede tener lugar la traducción del mARN.
ADN desenrollado (cadena sentido)
FIGURA 2.28 Transcripción. La ARN polimerasa se une a la secuencia promotora de una molécula de ADN, haciendo que este se desenrolle. Las dos cadenas de ADN se separan, exponiendo las bases para emparejarse con las bases complementarias de nucleótidos libres. Estos se alinean y la ARN polimerasa cataliza la formación de un enlace entre ellos, generando una cadena de mARN que se alarga. La figura ampliada muestra que el proceso de alargamiento tiene lugar según la ley de pares de bases complementarias.
La traducción es el proceso en el que se sintetizan los polipéptidos utilizando codones de mARN como plantilla para montar los aminoácidos correctos a lo largo de la secuencia. Otro tipo de molécula de ARN, el tARN, transporta el aminoácido adecuado al ribosoma basándose en interacciones con el codón de mARN. Según la ley de emparejamiento de bases complementarias, dentro de su hebra simple de nucleótidos, el tARN tiene una forma que recuerda a la de un trébol (fig. 2.30). El extremo 3 de la molécula de tARN contiene un sitio de unión para un aminoácido específico. Otra región del tARN contiene una secuencia de bases, llamada anticodón, complementaria al codón mARN. Es la interacción correcta entre el codón del mARN y el anticodón del tARN lo que garantiza que se añade el aminoácido correcto a la cadena polipeptídica que se está alargando. La traducción ocurre en el citoplasma con la ayuda de los ribosomas. Recordemos que estos pueden encontrarse libres en el citosol o unidos al retículo endoplásmico rugoso. El ribosoma alinea el mARN con los tARN que transportan los aminoácidos correctamente codificados y contiene las enzimas que catalizan la formación de enlaces peptídicos entre los aminoácidos, formando así un polipéptido. Los ribosomas pueden contener dos
C A P Í T U LO 2 Extremo de aceptación de aminoácidos 3
mARN 5
45
Células: estructura y función
A UG 3
5
A UG 5
La subunidad ribosómica pequeña se une al mARN (los factores de iniciación no se muestran) 3 Met
Met Bucle 3 Bucle 1 UAC A UG Bucle 2
UAC El tARN con la metionina (met) se carga en la subunidad ribosómica pequeña
5
3 Sitio P
U A C
Anticodón
Se liberan los Met factores de iniciación
FIGURA 2.30 ARN de transferencia. La unión por enlaces de hidrógeno entre pares de bases complementarias es responsable de la estructura en trébol del ARN de transferencia. El tARN se une a un aminoácido específico en un extremo y tiene una secuencia de bases llamada anticodón en el otro extremo que reconoce el codón mARN complementario.
UAC A UG
Sitio A Se une la subunidad ribosómica grande
5
3
FIGURA 2.31 Iniciación de la traducción. En el citosol, los factores moléculas de tARN al mismo tiempo en dos regiones ribosómicas diferentes identificadas como sitio P y sitio A. Ahora que ya tenemos algunos conocimientos acerca de los componentes necesarios para la traducción, volvemos al proceso en sí mismo. El primer paso de la traducción es la iniciación (fig. 2.31). Los ribosomas no implicados de manera activa en la traducción se encuentran libres en el citosol como subunidades individuales. Para empezar la traducción, ciertos factores de iniciación se unen al CAP que se añadió al extremo 5 de la molécula de mARN durante el procesamiento postranscripcional; otros factores de iniciación forman un complejo con la subunidad ribosómica pequeña y un tARN cargado (tARN unido a su aminoácido), llevando el anticodón complementario al codón de iniciación (AUG). La unión de los factores de iniciación desencadena la unión de la subunidad ribosómica pequeña al mARN, de tal manera que el primer codón de iniciación (AUG) que se encuentra dentro del mARN se alinea correctamente para que dé comienzo la traducción. A continuación, la subunidad ribosómica grande se une, causando una disociación de los factores de iniciación y la alineación del primer tARN en el sitio P del ribosoma. Después, una segunda molécula de tARN cargada con el anticodón correspondiente entra en el sitio A del ribosoma y comienza la traducción. (Para aprender acerca de los peligros de las sustancias químicas que bloquean la traducción, véase «Conexiones clínicas: Por qué la ricina es mortal».) Durante el proceso de traducción (fig. 2.32), una enzima del ribosoma, la peptidil transferasa, cataliza la formación de un enlace peptídico entre los dos aminoácidos. El primer aminoácido, que siempre es la metionina, se libera de la molécula de tARN y el tARN libre (tARN sin su aminoácido) abandona el
de iniciación se unen a la región CAP de una molécula de mARN y a la subunidad ribosómica pequeña, desencadenando que la subunidad ribosómica pequeña se una al mARN. Un tARN con el anticodón complementario al codón de iniciación del mARN se une al mARN según la ley de pares de bases complementarias. La subunidad ribosómica grande se une de tal manera que el primer tARN se sitúa en el sitio P del ribosoma y se liberan los factores de iniciación.
sitio P del ribosoma. El ribosoma, entonces, baja las tres bases del mARN (un codón), colocando el segundo tARN en el sitio P del ribosoma. El siguiente tARN cargado entra en el sitio A, trayendo el tercer aminoácido para añadirlo al polipéptido. Este proceso continúa hasta que se alcanza un codón de terminación en el mARN. En ese punto, se libera el polipéptido, y el ribosoma y el mARN se disocian. Más de un ribosoma traduce una molécula de mARN dada al mismo tiempo, formando lo que se llama un polirribosoma (fig. 2.33).
Comprueba tus conocimientos Durante la transcripción, a 1 de cada 10.000 pares de bases se une una secuencia de nucleótidos errónea. Hay enzimas presentes en el núcleo para corregir estos errores. ¿Qué pasaría si una célula no pudiera corregirlos?
Destino de las proteínas Las proteínas sintetizadas en una célula pueden ser destinadas al núcleo, al citosol, a la membrana plasmática o a uno de los
46
Células: estructura y función
C A P Í T U LO 2
FIGURA 2.32 Traducción. A partir de la iniciación, las moléculas de tARN Met
Ser
Sitio P
ocuparán sitios en el ribosoma según la ley de pares de bases complementarias entre el anticodón del tARN y el codón del mARN. El tARN transporta los aminoácidos adecuados para que se añadan a la cadena de polipéptidos. Las enzimas del ribosoma catalizan la formación de un enlace peptídico. La primera molécula de tARN se libera del sitio P del ribosoma. A continuación, el ribosoma baja un codón de la molécula de mARN, poniendo el segundo tARN en el sitio P. Un nuevo tARN ocupa el sitio A, trayendo consigo el siguiente aminoácido para que se una a la cadena polipeptídica.
Sitio A
U A C UG C A UG A CGC A AGGG 5 Se forma el enlace peptídico Enlace peptídico Met
tARN con el siguiente Glu aminoácido que se va a añadir al polipéptido U GU
Ser
U A C UG C A UG A CGC A AGGG 5
Met
U
A
Ser
El tARN se libera del sitio P El ribosoma baja un codón El nuevo tARN se une al sitio A
Glu
C UG C GU U A UG A CGC A AGGG
5
Se forma el enlace peptídico Met
Ser
Glu
Pro
UG C GU U A UG A CGC A AGGG
tARN con el siguiente aminoácido que se va a añadir al C polipéptido C C
5
Me
t
Ser
U
G
Glu
Pro
El tARN se libera del sitio P El ribosoma baja un codón El nuevo tARN se une al sitio A
¿Cuál es el código de alguno de los tripletes de ADN para el aminoácido P serina?
orgánulos, o bien pueden ser secretadas de la célula hacia el líquido extracelular. A menos que el destino final de una proteína sea permanecer en el citosol, la primera secuencia de aminoácidos en funcionamiento que se traduce en una cadena polipeptídica es la secuencia líder. Esta es sintetizada durante la traducción por ribosomas que hay libres en el citosol y determina el destino de la proteína (fig. 2.34a). En primer lugar, la secuencia líder determina si una proteína será sintetizada en el citosol o en el retículo endoplásmico. En segundo lugar, la secuencia líder determina si las proteínas sintetizadas en el citosol permanecerán allí (en cuyo caso no hay secuencia líder) o entran en una mitocondria, un peroxisoma o en el núcleo (fig. 2.34b). La secuencia líder determina el destino de las proteínas por interacciones específicas con otras proteínas bien en la membrana de un orgánulo o bien en la membrana nuclear. A continuación, vamos a describir cómo la secuencia líder hace que los ribosomas se unan al retículo endoplásmico y dónde se destinan las proteínas sintetizadas por esos ribosomas. El proceso de la síntesis de proteínas con el retículo endoplásmico se ilustra en la figura 2.35. La síntesis de proteínas comienza en el citosol, como se ha descrito previamente. Si la secuencia líder designa que la síntesis ha de ocurrir en el retículo endoplásmico, entonces la secuencia líder y su ribosoma asociado se unen a unas proteínas del retículo endoplásmico llamadas proteínas de reconocimiento de señal. Una vez que el ribosoma se ha unido al retículo endoplásmico, la síntesis de proteínas continúa: la cadena polipeptídica pasa a través de la membrana y entra a la luz del retículo endoplásmico rugoso a medida que se va formando. La cadena polipeptídica pasa desde la luz del retículo endoplásmico rugoso a la luz del retículo endo-
C
GU U CC C A UG A CGC A AGGG 5
FIGURA 2.33 Microfotografía electrónica de un polirribosoma.
C A P Í T U LO 2 Secuencia líder
Met
Secuencia líder
Met Polipéptido completado
mARN Las subunidades ribosómicas se separan (a) Traducción de la secuencia líder y del polipéptido en el citosol
Núcleo El polipéptido se mueve hacia el núcleo El polipéptido permanece en el citosol (no hay secuencia líder)
El polipéptido va hacia el peroxisoma
El polipéptido se dirige hacia la mitocondria
(b) Destino de los polipéptidos traducidos en el citosol
FIGURA 2.34 Orientación de las proteínas traducidas en el citosol. (a) El primer aminoácido de una nueva cadena polipeptídica es una metionina (met), porque su codón también es el codón de iniciación. La secuencia líder es una secuencia de aminoácidos sintetizada en los primeros momentos de la traducción. Después de la traducción, el ribosoma, el mARN y el polipéptido se separan. (b) La secuencia líder determina el destino final de una proteína: si permanece en el citosol (en cuyo caso no se habría traducido ninguna secuencia líder), se dirige hacia una mitocondria o un peroxisoma o penetra en el núcleo.
plásmico liso y, finalmente, al aparato de Golgi mediante mecanismos que se describen a continuación. A lo largo de esta ruta, también tiene lugar otro proceso importante: el procesamiento postraducción.
Procesamiento postraduccional y empaquetamiento de proteínas La traducción sola no suele proporcionar una proteína funcional. El conjunto de cambios en la cadena polipeptídica inicial, llamado procesamiento postraducción, debe tener lugar para producir la proteína final. El procesamiento postraducción incluye la división de algunos aminoácidos, que puede ocurrir en cualquier lugar a lo largo de la ruta del retículo endoplásmico rugoso hacia el aparato de Golgi e incluso después del empaquetamiento realizado por este. Por ejemplo, la secuencia líder debe ser eliminada del polipéptido, siendo también común la división del «exceso» de otros aminoácidos. Otro procesamiento postraducción incluye la adición de grupos químicos, como los lípidos o los hidratos de carbono, para formar lipoproteínas y glucopro-
Células: estructura y función
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teínas, respectivamente. Los hidratos de carbono se añaden al polipéptido en el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi mediante un proceso llamado glucosilación. Desde la luz del retículo endoplásmico, el polipéptido debe llegar al aparato de Golgi (a menos que sea destinado a permanecer en el retículo endoplásmico), cuya luz no se continúa con el retículo endoplásmico. Por tanto, el retículo endoplásmico liso empaqueta el polipéptido en pequeñas vesículas de transporte que se desprenden de él (v. fig. 2.35). Entonces, la membrana de la vesícula se fusiona con la del aparato de Golgi, vaciando su contenido en la luz del aparato de Golgi en una cisterna cercana al retículo endoplásmico. Una vez que está en el aparato de Golgi, el polipéptido pasa por un procesamiento mayor a medida que viaja hacia la cara trans en el extremo opuesto del aparato de Golgi. Este clasifica y empaqueta proteínas en vesículas que son dirigidas a sus ubicaciones adecuadas. El mecanismo preciso de cómo se dirigen las vesículas a sus destinos no se conoce del todo, pero ciertas sustancias químicas funcionan como marcadores para la clasificación de proteínas. Entre los destinos de las proteínas empaquetadas por el aparato de Golgi se incluyen sitios dentro de la célula (lisosomas o aparato de Golgi) o la membrana plasmática; otra posibilidad es que las proteínas sean secretadas de la célula por exocitosis. Una proteína sintetizada en el retículo endoplásmico rugoso y empaquetada por el aparato de Golgi es la insulina, la hormona deficiente en el 5% de los casos de diabetes mellitus. La insulina es sintetizada por las células beta del páncreas. Inicialmente, los ribosomas traducen el mARN para formar un polipéptido de 110 aminoácidos llamado preproinsulina (fig. 2.36). La secuencia líder se elimina en la luz del retículo endoplásmico formando una cadena de 86 aminoácidos llamada proinsulina. Esta se pliega en su estructura terciaria, que incluye tres puentes disulfuro, y se transporta al aparato de Golgi, donde se empaqueta en vesículas secretoras. Dentro de las vesículas, la proinsulina se divide en insulina, que consiste en 51 aminoácidos, y péptido C (o péptido conector). Se puede encontrar péptido C en el centro de la proinsulina (la cadena de conexión), por lo que la insulina final comprende dos hebras de polipéptido unidas por dos puentes disulfuro. Tanto la insulina como el péptido C son secretados por exocitosis, y ambos tienen actividad biológica.
Regulación de la síntesis de proteínas El funcionamiento de las células a menudo puede ser regulado variando la cantidad de una cierta proteína en la célula. Por ejemplo, aumentando el número de proteínas transportadoras, puede aumentarse el transporte de una molécula concreta. La síntesis de proteínas puede ser regulada bien a nivel de la transcripción o a nivel de la traducción.
Regulación de la transcripción Una vez sintetizado y en el citoplasma, el mARN está presente de una forma funcional durante poco tiempo. Parte del mARN se une a las proteínas en el citoplasma, que lo inactivan hasta que se reciba una señal química adecuada; otro mARN es rápidamente degradado por enzimas en el citosol. Como el mARN es necesario para la síntesis de proteínas, la velocidad de transcripción afecta a la cantidad de proteínas de una célula. La transcripción puede ser activada (inducida) o desactivada (reprimida), dependiendo de si la célula requiere más o menos cantidad de
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C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
Núcleo mARN El mARN pasa del núcleo al citosol y se une a las subunidades ribosómicas La secuencia líder es traducida y se le une la proteína de reconocimiento de señal Proteína de Ribosoma reconocimiento de señal 2
1 La proteína de reconocimiento de señal se une al retículo endoplásmico rugoso, haciendo que el ribosoma se una
mARN
1 El polipéptido pasa a la luz del retículo endoplásmico liso
Proteína receptora
2 El polipéptido se alarga y se libera en la luz del retículo endoplásmico rugoso (el polipéptido está atrapado en la luz)
Polipéptido
Las vesículas de transporte que contienen el polipéptido se desprenden del retículo endoplásmico liso y se fusionan con la cara cis del aparato de Golgi, liberando el polipéptido en la luz del aparato de Golgi
Cara cis del aparato de Golgi Polipéptido empaquetado en vesículas por el aparato de Golgi Lisosoma Cara trans del aparato de Golgi Vesícula secretora Líquido intracelular
Líquido extracelular
La vesícula de Golgi se convierte en un lisosoma
Proteínas de membrana
Las proteínas de la vesícula se insertan en la membrana plasmática La vesícula libera el polipéptido por exocitosis
FIGURA 2.35 Síntesis de proteínas en el retículo endoplásmico. Cuando la secuencia líder hace que el ribosoma se una al retículo endoplásmico, la traducción continúa con el polipéptido, formándose en la luz del retículo endoplásmico rugoso. Después, el polipéptido pasa a la luz del retículo endoplásmico liso, donde es empaquetado dentro de una vesícula de transporte. La membrana de esta se fusiona con la membrana de una cisterna en la cara cis del aparato de Golgi, liberando el polipéptido hacia la luz del aparato de Golgi. Este empaqueta el polipéptido en una vesícula y la dirige al sitio adecuado, que podría ser un lisosoma o la membrana plasmática.
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
49
CONEXIONES CLÍNICAS
Por qué la ricina es mortal En febrero de 2005, una estudiante de la Universidad de Texas estaba haciendo la colada cuando descubrió una sustancia pulverulenta en un rollo que contenía monedas. El incidente rápidamente ocupó los titulares del país cuando el polvo dio positivo en la prueba de la ricina, una toxina muy poderosa capaz de matar a las pocas horas de exposición. Aunque pruebas posteriores y más meticulosas desmintieron la presencia de ricina, el caso atrajo una atención renovada hacia la toxina, temida desde hace tiempo por su potencial como arma para los bioterroristas. De hecho, en otoño de 2003, se encontraron viales con polvo de ricina en dos sobres enviados por correo postal, uno de los cuales estaba dirigido a la Casa Blanca. Ambos sobres contenían cartas que se quejaban de la normativa del transporte por carretera y estaban firmadas con el seudónimo «Ángel Caído». El 5% del peso seco de la semilla del ricino es ricina. Solo unos 500 μg de ricina (una cantidad del tamaño de una cabeza de alfiler)
resultan mortales, porque la ricina es una proteína inactivante de los ribosomas, lo cual bloquea la síntesis de proteínas. El ricino consiste en dos cadenas de polipéptidos unidas por un solo puente disulfuro: ricina A y ricina B. La ricina A, la porción citotóxica, es una enzima que despuriniza una molécula específica de adenina en la subunidad ribosómica grande. Por sí misma, la ricina A no puede penetrar en las células para acceder a los ribosomas. Sin embargo, la ricina B se une a las glucoproteínas y a los glucolípidos de la membrana plasmática, lo cual induce la endocitosis. Una vez dentro de la célula, parte de la ricina se filtra al citosol, donde se disocia en ricina A y ricina B. La ricina A se une a la subunidad ribosómica grande, catalizando la despurinización y evitando, así, que la subunidad grande interactúe con la subunidad pequeña durante la síntesis de proteínas. Una sola ricina por molécula puede inactivar hasta 50.000 ribosomas, impidiendo así la síntesis de proteínas y causando la muer-
proteína. La regulación de la transcripción suele ocurrir en el momento en el que la ARN polimerasa se une a la secuencia promotora del ADN. En esta fase, ciertas moléculas aumentan o disminuyen la capacidad de la ARN polimerasa para unirse a la secuencia promotora.
Regulación de la traducción Las células pueden regular la traducción de las proteínas por mecanismos que siguen sin conocerse en detalle. La traducción se suele regular durante la iniciación. Para que esta dé comienzo deben estar presentes por lo menos 11 proteínas, incluyendo los factores de iniciación. Algunas de estas proteínas pueden activarse o desactivarse, induciendo o reprimiendo de este modo la traducción.
te celular. No se conoce cura para el envenenamiento por ricina, pero las investigaciones actuales están buscando maneras de inactivar la ricina con anticuerpos que se unirían a la ricina B, evitando que la ricina entrara en las células.
Semillas de ricino.
esta se asocie a un proteasoma, un complejo que contiene proteasas para descomponer y destruir las proteínas. Las moléculas de ubicuitina se liberarán del complejo para etiquetar otra proteína.
Test rápido 2.4 1. Define transcripción y traducción. ¿En qué lugar de la célula ocurre cada uno de estos procesos? 2. Describe las funciones de la ARN polimerasa en la transcripción. 3. ¿Qué nombre recibe la primera parte de una cadena polipeptídica que se traduzca del mARN? ¿Cuál es su función?
División celular Degradación de las proteínas La mayoría de las proteínas de las células están presentes durante un largo período de tiempo, pero otras proteínas tienen una vida corta. A la mayoría de proteínas de vida corta les marca para una degradación rápida otra proteína llamada ubicuitina. La unión de varias moléculas de ubicuitina a una proteína hace que
La vida de la mayoría de las células es de duración limitada, de modo que es necesaria la división celular para proporcionar una línea continua de células al organismo. La división celular también es necesaria para el crecimiento de los tejidos, especialmente durante los primeros años de vida. Hay dos tipos de división celular: la mitosis, que tiene lugar en la mayoría de las
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Células: estructura y función Secuencia señal
Cadena B
NH3 Preproinsulina
S
S
S
S COOH
Cadena A
S
S
Cadena C Secuencia señal Cadena B NH3
Proinsulina
S
S
S
S COOH
Cadena A
S
S
Cadena C
Cadena B NH3 Insulina Cadena A
S
S
S
S COOH
S
NH3
S COOH
FIGURA 2.36 Síntesis de insulina. La insulina está sintetizada inicialmente como preproinsulina, que se convierte en proinsulina mediante la separación de 24 aminoácidos. A continuación, la proinsulina se convierte en insulina por separación de otros 35 aminoácidos.
células, y la meiosis, que ocurre solo en las células reproductoras. Aquí nos vamos a centrar en la mitosis; la meiosis se describirá en el capítulo 22.
Replicación del ADN Cada célula del organismo (excepto los eritrocitos o glóbulos rojos maduros) contiene una copia de los genes de todo el cuerpo en su ADN. Por tanto, cuando una célula se divide, el ADN debe copiarse exactamente para que cada célula hija reciba un ADN completo. Antes de que podamos entender el proceso de la división celular, debemos comprender el mecanismo de copia del ADN, llamado replicación. Juntas, una molécula completa de ADN transportando un paquete de información genética específica más sus proteínas asociadas componen un cromosoma (fig. 2.37). La mayoría de las células humanas contienen 23 pares de cromosomas. De cada par, un cromosoma es heredado del padre y el otro de la madre. Juntos, esos 23 pares de cromosomas forman el genoma humano. Dentro del núcleo, los cromosomas
se enrollan alrededor de unas proteínas llamadas histonas. Los cromosomas suelen encontrarse esparcidos por el núcleo en forma de estructuras similares a cuentas de un collar llamadas cromatina. Durante la replicación del ADN, cada cadena de ADN sirve de plantilla para la síntesis de una nueva cadena de ADN. Se dice que el proceso es semiconservador, porque cada nueva molécula de ADN consiste en una cadena nueva más otra vieja (o conservada) que funciona como plantilla de la cadena nueva. El proceso comienza con la acción de la helicasa, una enzima que hace que una sección del ADN se desenrolle y se separe formando una horquilla de replicación (fig. 2.38). Cada cadena de ADN actúa como plantilla para la adición del nucleótido complementario correspondiente a la cadena nueva en crecimiento. Los nucleótidos están presentes libremente en su forma trifosfato en el núcleo (ATP, TTP, CTP y GTP). Cuando se alinean según la ley de emparejamiento de bases complementarias, la enzima ADN polimerasa cataliza una reacción que añade el siguiente nucleótido a la cadena de polinucleótidos en crecimiento. En el proceso, dos fosfatos se separan del nucleótido, aportando algo de energía para la reacción. La ADN polimerasa cataliza la replicación solo en sentido de 5 a 3, lo cual plantea un problema, porque el ADN consiste en dos hebras antiparalelas. Para la hebra 5 a 3, la ADN polimerasa simplemente comienza en un extremo de la sección desenrollada del ADN y cataliza la formación de la hebra complementaria de principio a fin, recibiendo esta cadena de nueva síntesis el nombre de cadena líder. Para la hebra 3 a 5 de ADN, la ADN polimerasa cataliza partes del nuevo ADN de 5 a 3, formando varios segmentos llamados fragmentos de Okazaki. Otra enzima, la ADN ligasa, une los fragmentos de Okazaki entre sí para formar la cadena retardada. El resultado final del proceso son dos copias idénticas de ADN, de las que una se transmitirá a cada una de las dos células hijas durante la división celular. Normalmente, la replicación del ADN es precisa; las enzimas del núcleo corrigen cualquier error que pudiera haber ocurrido. Sin embargo, puede haber alteraciones en el ADN, lo que se llama mutaciones. Las mutaciones dentro de una sola célula no
Centrómero
Cromosoma, listo para la división celular
Cromatina (ADN enrollado alrededor de proteínas histonas) Proteínas histonas
Doble hélice de ADN
FIGURA 2.37 Cromosoma. Un cromosoma es una estructura fuertemente enrollada organizada y existente justo antes de la división celular. En otros momentos, el material genético de una célula está presente en el núcleo como cromatina, que consiste en la doble hélice de ADN enrollada alrededor de proteínas histonas.
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Células: estructura y función
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Dirección general de la replicación G0
ADN polimerasa Horquilla de replicación
Cadena líder 3
Fragmentos de Okazaki de la hebra retardada
5 3
5 Cadenas parentales
3 5
Interfase
Ciclo de reentrada
G1 (crecimiento)
Ciclo de salida ón celular Divisi
3 5
C(
cito
cin
esi
s)
M (mitosis)
Helicasa
S (replicación del ADN)
G2 (crecimiento)
ADN polimerasa
FIGURA 2.38 Replicación del ADN. La helicasa cataliza el proceso por el que se desenrolla el ADN y las dos cadenas se separan exponiendo las bases. La ADN polimerasa cataliza la formación de ADN complementario a partir de las dos cadenas, siendo la cadena líder sintetizada en dirección 5’ a 3’ de la cadena parental y la cadena retardada en dirección 3’ a 5’ de la cadena parental.
suelen ser perjudiciales para todo el organismo. No obstante, las mutaciones de los genes que controlan el crecimiento celular, llamados protooncogenes, pueden ser muy graves, porque el crecimiento de las células que contienen protooncogenes mutados ya no se regula. Las mutaciones de este tipo son responsables del cáncer (v. «Conexiones clínicas: Cáncer»).
Ciclo celular El ciclo vital de una célula puede separarse en dos divisiones principales: la interfase y la división celular. Durante la interfase, la célula realiza sus funciones fisiológicas normales; durante la división celular, la célula deja de llevar a cabo muchas de sus funciones fisiológicas normales. La figura 2.39 muestra el ciclo celular. Obsérvese que la interfase es el período entre la división celular anterior y el comienzo de la siguiente. La duración de la interfase varía considerablemente de un tipo de célula a otro. Por ejemplo, las células que revisten el tubo digestivo sufren divisiones celulares cada pocos días, mientras que las del músculo esquelético nunca se dividen. La interfase se compone de cuatro fases: G0, G1, S y G2. La «G» proviene de la palabra inglesa «gap», que significa «intervalo», ya que en el núcleo no ocurre casi nada que esté relacionado con la división celular. Durante G0, la célula realiza funciones no relacionadas con la división celular. Las células que no sufren división celular, como las del músculo esquelético, permanecen en G0 durante toda su vida. Otras células, como ciertos leucocitos, necesitan una señal para pasar de G0 a G1. Durante G1, la célula comienza a mostrar signos de que pronto va a ocurrir una división, como un incremento en la tasa de la síntesis de proteínas. En la fase S tiene lugar la replicación del ADN, y en ese momento los cromosomas están en parejas. Durante la interfase, los centríolos se duplican, de modo que también están por parejas al comienzo de la división celular. Durante G2, la rápida síntesis de proteínas continúa a la vez que la célula crece hasta alcanzar aproximadamente el doble de su tamaño original. A partir de G2, la célula entra en la división celular. La división celular consta de dos fases: mitosis y citocinesis (v. fig. 2.39). La mitosis, que es la división de los componentes nucleares, incluye cinco fases: 1) profase; 2) prometafase; 3) meta-
Cit
oci
nes is Telofa se Anafase Metafase e s etafa Prom e fas Pro
FIGURA 2.39 Ciclo celular. La mayoría de las células pasa por un ciclo continuo que incluye división celular. La interfase comprende los períodos entre divisiones celulares y consta de cuatro fases: G0, G1, S y G2. La mitosis y la citocinesis son los períodos reales de división celular. La mitosis comprende cinco fases: la profase, la prometafase, la metafase, la anafase y la telofase. La citocinesis es la división del citoplasma. Algunas células dejan el ciclo y entran en G0, fase durante la cual no tienen lugar actividades relacionadas con la división celular. Algunas de estas células permanecen en G0, mientras que otras recomienzan el ciclo en respuesta a una señal química.
fase; 4) anafase, y 5) telofase. Aunque las fases de la mitosis son continuas y se superponen, pueden identificarse gracias a ciertos hechos (fig. 2.40). 1. Profase. Los pares de cromatina se condensan hasta el punto de que ahora los cromosomas son visibles con el microscopio óptico. En este estado condensado y duplicado, cada elemento de los pares de cromosomas recibe el nombre de cromátida, y las dos cromátidas de un cromosoma (cromátidas hermanas) están unidas entre sí por una estructura estrecha llamada centrómero. Los microtúbulos del citoesqueleto de la célula se desintegran en subunidades individuales de la proteína tubulina de que están constituidos y serán utilizados a continuación para formar el huso mitótico. Los pares de centríolos empiezan a migrar a los polos opuestos de la célula, y el huso mitótico se desarrolla entre ellos. 2. Prometafase. La membrana nuclear se desintegra, ya no es visible el nucléolo, los centríolos se encuentran en polos opuestos de la célula y los cromosomas se unen por sus centrómeros a las fibras del huso. 3. Metafase. Los cromosomas se disponen en el plano medio (ecuador o plano ecuatorial) de la célula. 4. Anafase. Los pares de cromátidas se separan y los cromosomas migran a lo largo del huso mitótico hacia polos opuestos de la célula.
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Células: estructura y función
FIGURA 2.40 Hechos de la división celular. Se muestra una célula hipotética que solo tiene seis cromosomas (en vez de los 46). (a) Aparición de la célula en la interfase, que precede la división celular. (b-f) Hechos más importantes de las cinco fases de la mitosis. (g) Hechos más importantes de la citocinesis.
P ¿Qué tipo de filamento compone las fibras del huso mitótico? 5. Telofase. Se desarrollan nuevas envolturas nucleares a ambos lados de la célula, los cromosomas empiezan a descondensarse en fibras de cromatina y el huso mitótico comienza a desintegrarse. La citocinesis es la división del citoplasma. Este se divide por escisión, que empieza durante las fases tardías de la mitosis (anafase o telofase). La escisión se logra gracias a la contracción de los microfilamentos (principalmente actina), que forman un anillo alrededor del plano medio de la célula, y el huso mitótico se desintegra. Entonces, las dos células hijas resultantes entran en la interfase en G0.
Cromatina Centríolos
Citoplasma (a) Interfase Antes de la división celular, el ADN se dispersa por el núcleo en forma de cromatina
Envoltura nuclear Nucléolo
Centríolos migrando hacia los polos opuestos
Centrómero
(b) Profase El ADN se ha replicado y condensado en cromosomas
Cromátidas de cromosoma emparejadas
Fibras del huso mitótico en formación Envoltura nuclear en descomposición
(c) Prometafase La envoltura nuclear se descompone, los centríolos se mueven a los polos opuestos de la célula y el huso mitótico empieza a desarrollarse entre los centríolos
Test rápido 2.5 1. Define replicación. ¿En qué se diferencia la replicación de la transcripción? 2. Nombra las cinco fases de la mitosis. ¿Durante cuál de ellas empieza a desintegrarse la membrana nuclear?
Fibras del huso mitótico
(d) Metafase Los pares de cromosomas se alinean en el ecuador de la célula y se unen al huso mitótico en sus centrómeros
Centríolos
Integración de sistemas En este capítulo hemos estudiado las células y las biomoléculas que se encuentran en ellas. También hemos aprendido en detalle acerca de las proteínas; estas realizan muchas funciones importantes en las células, que se verán a medida que avancemos por los capítulos 3 al 5. En el capítulo 3 trataremos el metabolismo celular, para el que son necesarias proteínas que actúan como enzimas. En el capítulo 4 examinaremos el transporte a través de las membranas celulares, gran parte del cual depende de las proteínas transmembranosas. En el capítulo 5 exploraremos la comunicación intercelular, para la que son necesarias proteínas que funcionan como receptores para las moléculas mensajeras. Como las proteínas son críticas para la mayor parte de los procesos fisiológicos, en el capítulo 3 centraremos nuestra atención en cómo la actividad de las proteínas en nuestro organismo está regulada mediante la síntesis y degradación de aquellas, y el control de las que ya están presentes en las células. También hemos aprendido acerca de los diversos orgánulos que hay dentro de las células y sus funciones únicas. A medida que vayamos viendo los sistemas, se hará énfasis en ciertos orgánulos, como el retículo endoplásmico liso de las células musculares y los lisosomas de los leucocitos. La función de las uniones especiales se tratará en varios capítulos, incluyendo las uniones comunicantes en ciertos tipos de células musculares y las uniones estrechas en órganos cuya función principal es el intercambio, como es el caso de los aparatos renal y digestivo. Tampoco nos podemos olvidar de la membrana celular, cuyas propiedades permiten a las neuronas comunicarse mediante señales eléctricas.
(e) Anafase Las cromátidas hermanas de cada par de cromosomas se separan y se desplazan a lo largo del huso mitótico hacia los polos opuestos de la célula Cromosomas
Cromosomas (separándose)
Citoplasma en división
Centríolos (f) Telofase La envoltura nuclear se vuelve a desarrollar y el huso mitótico se Nucléolo descompone
Envoltura nuclear
Cromatina Citoplasma (g) Citocinesis El citoplasma se separa y se forman dos células hijas
Células hijas
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Células: estructura y función
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CONEXIONES CLÍNICAS
Cáncer Cada año, en EE. UU. se diagnostica cáncer a más de un millón de personas, y aproximadamente 500.000 personas mueren cada año de esta enfermedad. A pesar de que el cáncer puede surgir en casi cualquier tipo de tejido corporal y ocasiona diversas enfermedades, por lo menos algo es común a todos los cánceres: las células cancerosas se dividen de manera incontrolada y acaban desplazando a las células del organismo, que funcionan normalmente, consumiendo una energía vital para las células normales del cuerpo. El crecimiento y la división celular están controlados por unos genes llamados protooncogenes. Una mutación en uno de ellos puede producir un oncogén que motive un crecimiento y una división celulares anormales. Las mutaciones pueden tener lugar espontáneamente o pueden estar inducidas por sustancias llamadas mutágenos. Un ejemplo de mutágeno es el DDT, que fue muy utilizado en la composición de los pesticidas en los años sesenta del siglo XX. En algunos casos, incluyendo el cáncer, las células mutadas se dividen rápidamente, pasando la mutación a sus células hijas, que entonces también se dividen con rapidez. Para librar al organismo del cáncer, estas células mutadas deben ser eliminadas.
La mayoría de las estrategias terapéuticas, incluyendo la radioterapia y la quimioterapia, están dirigidas a diferentes fases de la rápida división de las células. Como las células cancerosas se dividen con rapidez, estas terapias dañan a las células cancerosas más de lo que puedan dañar a las células normales del organismo cuya división sea más infrecuente. Lamentablemente, las células normales de rápida división también se ven afectadas por estas estrategias terapéuticas. Por ejemplo, como las células capilares sufren una división celular rápida, la pérdida del cabello es una de las consecuencias de la terapia contra el cáncer. La función de la genética y de los agentes medioambientales (como el tabaquismo) en el comienzo de un crecimiento y la división anormales de las células es, actualmente, objeto de una investigación intensa. Los investigadores están aprendiendo a manipular el sistema inmunitario del organismo, con la esperanza de detener el crecimiento de las células cancerosas, «engañando» al sistema inmunitario propio del paciente para que destruya al cáncer. A veces, el sistema inmunitario de un paciente no reconocerá las células cancerosas como anómalas, porque no son tan diferentes de las células normales como para estimular una reacción inmunitaria. Otras
veces, el sistema inmunitario puede reconocer las células cancerosas, pero su respuesta no es lo suficientemente fuerte como para destruir el cáncer de inmunoterapias para ayudar al sistema inmunitario a reconocer las células cancerosas como claramente anómalas y para reforzar el ataque con la esperanza de que las células malignas sean destruidas.
Microfotografía electrónica en color de un tumor canceroso en el tejido pulmonar.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Biomoléculas, pág. 19
Estructura de la célula, pág. 29
Los cuatro tipos básicos de biomoléculas son: los hidratos de carbono, los lípidos, las proteínas y los nucleótidos. Los hidratos de carbono son moléculas polares y se pueden clasificar en tres grupos principales: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. Los lípidos suelen ser moléculas no polares e incluyen los triglicéridos, los fosfolípidos, los eicosanoides y los esteroides. Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas. Las proteínas son polímeros de aminoácidos. Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos e incluyen el ADN y el ARN.
La membrana plasmática separa la célula del líquido extracelular. Está compuesta por una bicapa de fosfolípidos y por proteínas y colesterol incrustados en dicha bicapa. En la superficie externa de la membrana se encuentran hidratos de carbono en forma de glucolípidos o glucoproteínas. Dentro de la célula están el núcleo y el citoplasma. El núcleo contiene el material genético de la célula, el ADN; por tanto, tiene funciones en la transmisión y expresión de la información genética. El citoplasma está formado por el citosol y los orgánulos. El citosol
es un líquido de la consistencia de un gel que contiene almacenes de enzimas, glucógeno y triglicéridos, así como vesículas secretoras. Entre los orgánulos se encuentran: los retículos endoplásmicos liso y rugoso, que desempeñan un papel importante en la síntesis de los lípidos y las proteínas, respectivamente; el aparato de Golgi, que procesa las moléculas y las prepara para el transporte; las mitocondrias, que son el lugar donde se realiza la mayor parte de la síntesis de ATP en las células; los lisosomas y los peroxisomas, que degradan los productos de deshecho, y los ribosomas, que son sitios para la síntesis de proteínas.
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Células: estructura y función
El citoesqueleto da a las células su forma, les proporciona soporte estructural, transporta sustancias dentro de la célula, mantiene orgánulos en su interior, forma uniones con otras células para formar tejidos y causa contracciones y movimientos en ciertas células. El citoesqueleto consiste en filamentos de proteínas, incluyendo microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos.
moléculas pequeñas desde el citosol de una célula al citosol de otra.
Funciones generales de la célula, pág. 40 Casi todas las células del organismo realizan varias funciones generales, incluyendo el metabolismo, el transporte celular de moléculas a través de las membranas y la comunicación intercelular.
Uniones intercelulares, pág. 38 Habitualmente existen tres tipos especializados de uniones intercelulares. Las uniones estrechas suelen encontrarse en el tejido epitelial, donde forman barreras impermeables al movimiento de sustancias entre las células. Los desmosomas son uniones fuertes que aportan resistencia al estrés mecánico. Las uniones comunicantes proporcionan canales entre dos células adyacentes que hacen posible el movimiento de iones y
Para las proteínas sintetizadas en el citosol, la secuencia líder determina si la proteína permanecerá en el citosol o penetrará en una mitocondria, en un peroxisoma o en el núcleo. Finalmente, el aparato de Golgi empaquetará en vesículas las proteínas sintetizadas en el retículo endoplásmico y estas serán dirigidas al lugar adecuado dentro de la célula o secretadas fuera de esta.
División celular, pág. 49 Síntesis de las proteínas, pág. 41 Los genes del ADN contienen los códigos para la síntesis de proteínas. Este código se transcribe al mARN en el núcleo. Después, el mARN migra hacia el citoplasma, donde los ribosomas lo traducen para sintetizar las proteínas. La secuencia líder de una proteína determina su destino. Una proteína será sintetizada en el citosol o en el retículo endoplásmico.
El ciclo celular incluye la interfase y la división celular. La interfase es el período entre divisiones celulares; la mitosis y la citocinesis componen el proceso de división celular. Durante la fase S de la interfase, el ADN se replica de modo que cada célula hija recibirá una copia exacta de ADN. Las cinco fases de la mitosis son: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase. La citocinesis tiene lugar después de la mitosis.
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Cuál de las siguientes biomoléculas no es un polímero? a) un polisacárido b) un fosfolípido c) una proteína d) un ácido nucleico 2. Un ácido graso que tiene dos enlaces dobles entre los átomos de carbono recibe el nombre de a) ácido graso saturado. b) ácido graso insaturado. c) ácido graso monoinsaturado. d) ácido graso poliinsaturado. e) eicosanoide. 3. ¿Cuál de las siguientes moléculas no forma parte de un fosfolípido? a) colesterol b) glicerol c) fosfato d) ácido graso 4. El enlace de hidrógeno entre el hidrógeno del grupo amino de un aminoácido y el oxígeno del grupo carboxilo de otro aminoácido en una proteína es responsable de a) la estructura primaria de una proteína. b) la estructura secundaria de una proteína. c) la estructura terciaria de una proteína. d) la estructura cuaternaria de una proteína. 5. ¿Cuál de los ácidos nucleicos siguientes no es una pirimidina? a) citosina b) timina
c) uracilo d) adenina 6. El glucógeno y los lípidos están almacenados a) como inclusiones en el citosol. b) en vesículas de almacenamiento. c) en vesículas secretoras. d) en lisosomas. e) en el nucléolo. 7. ¿Qué orgánulo produce la mayor parte del ATP de una célula? a) núcleo b) peroxisoma c) aparato de Golgi d) mitocondria e) retículo endoplásmico liso 8. ¿Qué unión intercelular permite una rápida transmisión de señales eléctricas entre células adyacentes? a) el desmosoma b) la unión comunicante c) la unión estrecha d) todas las repuestas son correctas 9. Para iniciar la transcripción del ADN, la enzima ARN polimerasa se une al/ a la a) codón de iniciación. b) codón de terminación. c) secuencia promotora. d) centrómero. e) secuencia líder. 10. La secuencia base del tARN que reconoce el codón de mARN según la ley de emparejamiento de bases complementarias se denomina a) codón tARN. b) anticodón. c) aminocodón.
d) codón líder. e) codón de iniciación. 11. Para que las proteínas se sinteticen en el retículo endoplásmico rugoso, la secuencia líder debe unirse a un/una ———— de la membrana del retículo endoplásmico. a) vesícula de transporte b) vesícula secretora c) vesícula recubierta d) proteína de reconocimiento de señal e) promotor 12. Durante la replicación, ¿qué enzima hace que el ADN se desenrolle? a) la ADN polimerasa b) la ARN polimerasa c) la ADN cinasa d) la helicasa e) la ADN ligasa 13. ¿Qué es una cadena retardada? a) una secuencia de nucleótidos en el ADN que une la ARN polimerasa b) una secuencia de aminoácidos al principio de un polipéptido que dirige el polipéptido a su destino c) la cadena de ADN de nueva síntesis formada por la unión de los fragmentos de Okazaki d) los filamentos de proteína que se extienden entre dos células para formar los desmosomas e) los filamentos de proteína que forman los cilios 14. ¿Durante qué fase de la mitosis se desarrolla el huso mitótico? a) profase b) metafase c) anafase
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d) telofase e) prometafase 15. ¿Durante qué fase de la mitosis se mueven los pares de cromosomas hacia polos opuestos de la célula? a) profase b) metafase c) anafase d) telofase e) prometafase
Preguntas objetivas 1. Los monosacáridos son moléculas (polares/no polares/anfipáticas). 2. Los triglicéridos son moléculas (polares/ no polares/anfipáticas). 3. La molécula precursora de todos los esteroides es ————. 4. Según la ley de emparejamiento de bases complementarias, en el ARN la base adenina se empareja con ————. 5. Las proteínas transmembranosas son ejemplos de proteínas (integrales/periféricas) de membrana. 6. La membrana del retículo endoplásmico liso se continúa con la membrana del aparato de Golgi. (verdadero/falso) 7. Los microfilamentos proporcionan soporte estructural para unas proyecciones en forma de pelos de la membrana plasmática llamadas ————. 8. Las proteínas que forman las uniones comunicantes entre dos células adyacentes se llaman ————. 9. Una sección del ADN que codifica para una proteína específica se denomina ————.
12. La primera sección que se traduce de un polipéptido es la denominada ————, y es importante a la hora de dirigir la proteína traducida a su destino final. 13. La replicación del ADN tiene lugar durante la (interfase/mitosis). 14. La división del citoplasma en dos células hijas durante la división celular se llama ————. 15. La sustancia química que etiqueta las proteínas para su destrucción en una célula se llama ————.
Preguntas abiertas 1. Nombra las cuatro clases principales de biomoléculas. Describe la función principal de cada clase. 2. Define los cuatro niveles de estructura de las proteínas y explica las interacciones químicas responsables de cada nivel. 3. Describe la estructura de la membrana plasmática. Nombra, al menos, una función de cada uno de los componentes principales. 4. Ciertas células de la glándula suprarrenal sintetizan y secretan muchas hormonas esteroideas. ¿Qué orgánulo ha de ser abundante en estas células y por qué? 5. Nombra los tres tipos especiales de uniones intercelulares y haz una lista detallando las funciones especiales de cada una. 6. Define cada uno de los términos siguientes: transcripción, traducción y replicación. ¿Dónde ocurre cada uno de estos procesos en una célula?
10. El codón de mARN que se transcribe del triplete ATC del ADN es ————.
7. Describe la relación anatómica y funcional entre el retículo endoplásmico rugoso, el retículo endoplásmico liso y el aparato de Golgi en la síntesis de proteínas.
11. Más de un codón puede codificar un solo aminoácido. (verdadero/falso)
8. Describe cómo se regula la concentración de una cierta proteína en una célula.
Células: estructura y función
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9. Dibuja un gráfico que muestre la síntesis de proteínas señalando el destino final de las proteínas en la célula.
Pensamiento crítico 1. La parte líquida de la sangre, el plasma, está principalmente compuesta de agua. La membrana plasmática está principalmente compuesta de fosfolípidos. Según lo que sabemos sobre las biomoléculas, adivina qué clases de biomoléculas pueden disolverse en el plasma y cuáles pueden atravesar la membrana plasmática. 2. Nombra algunos factores que causan cáncer y los objetivos de esos factores en las células. ¿Cómo puede la radiación causar cáncer y a la vez ser utilizada para luchar contra él? 3. ¿Qué diferencias cabría esperar encontrar entre las células musculares, las células grasas, las células secretoras de saliva (la saliva contiene, principalmente, agua y proteínas) y las células epiteliales? 4. Explica cómo la mutación de una sola base (llamada mutación puntual) en un gen puede o no producir una enfermedad. ¿Puedes mencionar una enfermedad causada por una mutación puntual producida en la proteína hemoglobina? ¿Cuál es la función de las mutaciones en la evolución? ¿Son todas las mutaciones perjudiciales? 5. El cromosoma humano medio contiene 150 106 pares de nucleótidos. Hay 23 cromosomas humanos que existen por parejas en todas nuestras células, excepto en los gametos. En ocasiones, debe haber errores en la replicación. ¿Cuáles son las consecuencias de estos errores? ¿Las enzimas de las células enmiendan todos los errores?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
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Metabolismo celular Imagina una fábrica que manufactura cientos de compuestos químicos usando solo las materias primas que se pueden encontrar en una tienda de alimentación. Esta fábrica funciona durante las 24 horas del día y puede acelerar o ralentizar su producción casi de manera inmediata, dependiendo de la demanda de sus productos. La fábrica solo genera residuos no contaminantes y puede repararse a sí misma cuando surja la necesidad. Suena como un sueño utópico del futuro, ¿verdad? Bueno, en realidad, sucede cada día. Tú mismo tienes millones de fábricas químicas que trabajan de esta manera en tu propio cuerpo: tus células. Cada célula es tu propia «fábrica», pero las células no pueden funcionar solas. Dependen unas de otras para las materias primas, la eliminación de residuos y la producción de energía. En este capítulo, sin embargo, nos centraremos en las reacciones que ocurren dentro de una sola célula.
CONTENIDOS Tipos de reacciones metabólicas Reacciones metabólicas y energía Velocidades de reacción Microfotografía electrónica en color de una célula con numerosas mitocondrias.
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Oxidación de la glucosa: la reacción central del metabolismo energético 72 Etapas de la oxidación de la glucosa: glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa 74 Almacenamiento y uso de energía: metabolismo de hidratos de carbono, grasas y proteínas 85
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OBJETIVOS
Definir metabolismo y distinguir entre reacciones catabólicas y anabólicas.
Describir lo que ocurre en los siguientes tipos de reacciones metabólicas: hidrólisis, condensación, fosforilación, desfosforilación, oxidación, reducción.
Explicar la relación del cambio de energía en una reacción entre 1) las energías de los reactantes y los productos, y 2) la dirección de la reacción.
Definir la energía de activación y describir su influencia en las velocidades de reacción.
Describir el mecanismo general de la acción enzimática y discutir los diferentes factores que influyen en las velocidades de las reacciones catalizadas.
Describir la función de la ATP en el metabolismo energético.
Describir en términos generales los eventos que se producen en las siguientes etapas del metabolismo de la glucosa: glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa.
Describir en términos generales cómo el organismo es capaz de obtener energía de la degradación de grasas, proteínas y glucógeno, y cómo almacena energía sintetizando estos compuestos.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Biomoléculas, pág. 19 2. Mitocondrias, pág. 34 3. Estructura de la membrana celular, pág. 30
E
n el capítulo 1 describimos la homeostasis como el aspecto fundamental de la fisiología. La homeostasis requiere la coordinación de los sistemas de órganos en el mantenimiento del medio interno del organismo en un estado compatible con la vida. Para llevar a cabo sus funciones, las células que componen los órganos deben trabajar de manera eficiente, lo que requiere muchas reacciones químicas diferentes y energía. El compendio de todas las reacciones químicas que ocurren en las células se denomina metabolismo. En este capítulo nos centraremos en las reacciones que suministran la energía que las células necesitan para llevar a cabo su trabajo. En primer lugar, se debe obtener la energía de las biomoléculas que se ingieren en la alimentación y, después, se debe procesar para que se pueda destinar tanto al trabajo inmediato como al almacenaje para futuras necesidades. El conjunto de reacciones involucradas en el almacenamiento y uso energético (también conocido como intercambio energético) se denomina metabolismo energético.
Tipos de reacciones metabólicas Cualquier reacción química implica la transformación de los materiales que entran en la reacción, denominados reactantes, en diferentes materiales, llamados productos. En la reacción: A + B r C + D
Metabolismo celular
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los reactantes A y B se transforman en los productos C y D. Por convenio, las reacciones se escriben normalmente con los reactantes a la izquierda y los productos a la derecha. Se dice que una reacción «avanza» cuando transcurre de izquierda a derecha; esto es, cuando los reactantes se convierten en productos. Bajo ciertas circunstancias, algunas reacciones pueden evolucionar en la dirección contraria; en ese caso, se dice que es reversible. Una adecuada comprensión de las reacciones químicas requiere que nos demos cuenta de que, a pesar de que decimos que una reacción avanza en uno u otro sentido, en realidad es bidireccional, lo que significa que ocurre en los dos sentidos al mismo tiempo; es decir, cuando las moléculas reactantes se están convirtiendo en productos, algunos productos se están convirtiendo a su vez en reactantes. Para indicar esto, las reacciones normalmente se representan con una flecha de doble dirección, como se muestra: A + B s C + D Cuando decimos que una reacción va en sentido directo o en sentido inverso, nos estamos refiriendo la dirección neta de la reacción. Supón, por ejemplo, que para un intervalo de tiempo algunas moléculas de productos se transforman en reactantes, pero un mayor número de reactantes se transforman en productos. En este caso, la reacción neta evoluciona en sentido directo, porque se convierten más moléculas reactantes en productos que al revés. A menos que se diga lo contrario, se usarán los términos directo e inverso para referirse a la dirección neta de la reacción. Las reacciones metabólicas se clasifican en catabólicas o anabólicas, dependiendo de si las moléculas de los productos son mayores o menores que las de los reactantes. Una reacción es catabólica si supone la degradación de moléculas grandes en moléculas más pequeñas. Ejemplos de reacciones catabólicas son la degradación de proteínas en aminoácidos o la degradación del glucógeno en moléculas de glucosa separadas. Una reacción es anabólica si supone la síntesis de moléculas grandes a partir de otras más pequeñas. Ejemplos de estas reacciones son la síntesis de proteínas a partir de aminoácidos y la síntesis de glucógeno a partir de glucosas, procesos ambos que tienen lugar en las células tras la absorción de los nutrientes ingeridos. La degradación y la síntesis de moléculas grandes se conocen, normalmente, como catabolismo y anabolismo, respectivamente. En la mayoría de los casos, las reacciones metabólicas están conectadas en una serie de etapas, de manera que los productos de una reacción sirven como reactantes para la siguiente. Tal serie de reacciones es denominada vía metabólica, y se puede representar tanto así A + X r B r C r D + Y como así Y A r B r C r D X Esta ruta, en particular, consiste en una serie de tres reacciones. En el primer paso, el material inicial A reacciona con X para formar B, que se transforma en C en la segunda reacción. C entra entonces en la tercera reacción, que desemboca en D e Y. Los
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productos finales, D e Y, se conocen como los productos finales de la ruta. Las sustancias del medio de la ruta (B y C en este ejemplo) se denominan intermediarios. Más adelante, en este capítulo examinaremos un grupo de reacciones metabólicas involucradas en la oxidación de la glucosa, importante porque suministra la mayor parte de la energía que las células necesitan. A pesar de que cada una de las reacciones que forman parte de esta ruta es única, muchas tienen características comunes y se pueden clasificar en unas pocas categorías generales. En las siguientes secciones, examinaremos tres tipos generales de reacciones metabólicas que ocurren en la mayoría de los procesos del metabolismo, incluyendo la oxidación de la glucosa: 1) reacciones de hidrólisis y de condensación; 2) reacciones de fosforilación y desfosforilación, y 3) reacciones de oxidación-reducción.
Hidrólisis y reacciones de condensación Cuando comes carne que contiene proteínas, tu aparato digestivo descompone las relativamente largas moléculas de proteína en aminoácidos, que son considerablemente más pequeños y más fáciles de absorber por el torrente sanguíneo. Esta reacción, como la mayoría de las reacciones catabólicas que ocurren en el organismo, es un ejemplo de hidrólisis. En la hidrólisis, que literalmente significa «rotura por el agua», el agua reacciona con moléculas, causando la rotura de los enlaces que mantienen la estructura de la molécula. En este caso, los enlaces hidrolizados son los enlaces peptídicos que unen aminoácidos para formar proteínas. La fórmula general de una reacción de hidrólisis es como la siguiente: A — B + H2O r A — OH + H — B En esta reacción, la molécula A — B se descompone en sus partes constituyentes, A y B, como resultado de la rotura del enlace que las mantenía unidas originalmente. En este proceso, una molécula de agua (H2O) se divide en dos partes, un grupo hidroxilo (— OH) y un hidrógeno (— H), uno de los cuales se combina con A, mientras que el otro lo hace con B. Como resultado, el enlace entre A y B se rompe y es reemplazado por nuevos enlaces. La división de un disacárido en dos monosacáridos es un ejemplo de hidrólisis, como se muestra para la hidrólisis de la sacarosa: sacarosa + H2O r glucosa + fructosa La hidrólisis inversa, denominada condensación, consiste en la unión de dos o más moléculas pequeñas para formar una más grande, como cuando los aminoácidos se combinan para formar proteínas. En este proceso, el agua se genera como un producto: A — OH + H — B r A — B + H2O La sacarosa se sintetiza a partir de la condensación de glucosa y fructosa. glucosa + fructosa r sacarosa + H2O
Reacciones de fosforilación y desfosforilación En muchas reacciones metabólicas, particularmente aquellas relacionadas con el intercambio energético, un grupo fosfato puede ser añadido o eliminado de una molécula. La adición de
un grupo fosfato (abreviado como P) se conoce como fosforilación y se puede escribir de manera abreviada como sigue: A + Pi r A — P Aquí, el grupo fosfato libre se abrevia como Pi, por ser fosfato inorgánico, que bajo condiciones fisiológicas prevalece mayori– – tariamente en sus formas ionizadas HPO 24 o H2PO4 . El enlace que se forma en esta reacción (que es el que une A con P) se conoce como enlace fosfatídico. Un ejemplo común de fosforilación es la adición de un grupo fosfato al ADP para sintetizar la ATP. ADP + Pi r ATP + H2O Debido a la producción de agua como producto, esta reacción es también una condensación. La eliminación de un grupo fosfato, conocida como desfosforilación, se representa de la siguiente manera: A — P r A + Pi Un ejemplo de desfosforilación es la eliminación de un grupo fosfato de la ATP para producir ADP: ATP + H2O r ADP + Pi Debido a que una molécula de agua está implicada en la rotura de la ATP, esta reacción es también una hidrólisis.
Reacciones de oxidación-reducción Las reacciones de oxidación-reducción son fundamentales para el metabolismo energético. El concepto de oxidación fue desarrollado por primera vez a finales del siglo XVIII después de que Antoine Lavoisier definiera el oxígeno (del francés oxygene, «formador de ácidos») como la sustancia del aire que reaccionaba con sustancias combustibles. Así, la oxidación se describió como cualquier reacción en la que estuviera involucrada el oxígeno. Por ejemplo, el metabolismo celular incluye la oxidación de la glucosa a agua y dióxido de carbono, que ocurre como se muestra a continuación: C6H12O6 + 6 O2 r 6 CO2 + 6 H2O En esta reacción, O2 es la forma molecular del oxígeno (la forma en la que el oxígeno se encuentra en la atmósfera) y CO2 es el dióxido de carbono. La característica principal del oxígeno es su habilidad para atraer los electrones hacia él y alejarlos de los otros átomos en una molécula. Hoy, el término oxidación se usa para describir reacciones que separan electrones de un átomo o una molécula. Los electrones separados deben ser aceptados por otro átomo o molécula en un proceso llamado reducción. De esta manera, las reacciones de oxidación y reducción van siempre acopladas. Una reacción de oxidación-reducción se escribe del siguiente modo: A· + B s AB· En esta reacción, el punto después de la A representa un electrón. A se oxida (pierde un electrón) y B se reduce (gana un
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electrón). Aunque el producto de la reacción es AB, en realidad B posee una mayor densidad electrónica que A (lo cual es similar a lo que acabamos de ver para el oxígeno). En otras reacciones de oxidación reducción, los electrones son completamente retirados o añadidos a moléculas. Estas reacciones son primordiales en las fosforilaciones oxidativas, principal mecanismo para la síntesis de ATP en nuestras células. Durante la fosforilación oxidativa, los electrones (e–) se eliminan de pares de átomos de hidrógeno, convirtiéndolos en iones cargados positivamente (H+), un ejemplo de oxidación: H2 r 2 H+ + 2 e– En otros puntos en la fosforilación oxidativa, la reacción puede ocurrir al revés. Esto es, los electrones se combinan con iones de hidrógeno (protones) para formar moléculas de hidrógeno no cargadas, un ejemplo de reducción: 2 H+ + 2 e– r H2 Otra forma común de reacción de oxidación-reducción en los sistemas biológicos es la adición o sustracción de protones a una molécula, como se muestra en la siguiente reacción: HA — BH r A == B + 2 H En este ejemplo, la sustracción de dos átomos de hidrógeno provoca que el enlace simple entre A y B se transforme en un doble enlace. A pesar de que átomos de hidrógeno están siendo eliminados (no electrones), a la reacción se la sigue considerando de oxidación, porque cada uno de estos átomos sustraídos portaba un electrón. Como consecuencia, la sustracción de estos átomos implica la eliminación de electrones que originalmente pertenecían a los reactantes. (Como ejemplo de este hecho, a los átomos de hidrógeno a veces se les conoce como equivalentes de reducción.) La adición de protones a una molécula, lo contrario de la reacción anterior, se conoce como reducción, y se representa de la siguiente manera: A == B + 2 H r HA — BH
Test rápido 3.1 1. ¿Cuál es la diferencia principal entre una reacción anabólica y una catabólica? 2. Describe en términos generales qué ocurre en las reacciones de hidrólisis, fosforilación y oxidación-reducción.
Reacciones metabólicas y energía Las reacciones metabólicas que ocurren en el organismo desempeñan muchas funciones. Una de las funciones más importantes es permitir a las células transformar las materias primas del entorno en la gran variedad de sustancias de las que el cuerpo está hecho. Las reacciones metabólicas, además, nos proveen de energía, definida en sentido amplio como la capacidad para generar un trabajo. El trabajo más evidente que realiza un organismo es el movimiento. Cuando empujamos un carro de la compra, por ejemplo, ejercemos una cierta fuerza sobre el carro para desplazarlo cierta distancia. La cantidad de trabajo realizado es el producto de la fuerza ejercida por la distancia
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recorrida (trabajo = fuerza × distancia). Sin embargo, el organismo realiza trabajo también de otras maneras, incluso mientras se descansa, y debe hacerlo de forma continua para mantenerse con vida. El corazón realiza trabajo cuando bombea sangre, los riñones realizan trabajo cuando fabrican orina y las células realizan trabajo cuando se dividen para reparar daños tisulares. Todo este trabajo se realiza utilizando la energía derivada de las reacciones metabólicas. En esta sección exploraremos la naturaleza de las relaciones entre las reacciones químicas y la energía.
Energía y las leyes de la termodinámica Para entender cómo la energía puede producir un trabajo, necesitamos conocer las diferentes formas de energía y las leyes físicas que las gobiernan. Existen dos formas de energía, energía cinética y energía potencial. La energía cinética está asociada al movimiento (cinesis = movimiento) e incluye las energías térmica, electromagnética y eléctrica. En pocas palabras, las moléculas poseen energía cinética porque se mueven o vibran aleatoriamente a cualquier temperatura por encima del cero absoluto. Esta energía térmica aumenta proporcionalmente con el aumento de la temperatura de las moléculas. La energía potencial es una energía de almacenamiento que puede ser transformada en energía cinética. (En otras palabras, la energía potencial tiene el potencial de convertirse en energía cinética.) La energía potencial incluye la energía química, mecánica (como la almacenada en una goma elástica estirada), nuclear (la que mantiene los núcleos de los átomos unidos) y gravitacional. Así, las moléculas tienen energía potencial en sus núcleos y en los enlaces entre átomos. La energía nuclear no es accesible (excepto durante las reacciones de fisión nuclear), pero la energía almacenada en los enlaces se puede liberar cuando estos se rompen. La primera ley de la termodinámica establece que la energía en un sistema cerrado permanece constante; esto es, la energía ni se crea ni se destruye. De esta manera, la energía cinética y la potencial son intercambiables, pero la energía neta de un sistema no se puede cambiar. Piensa, por ejemplo, en el estiramiento de una goma elástica. Podemos aplicarle energía cinética para estirarla y sacarla de su longitud de reposo (en la que ninguna fuerza externa actúa sobre ella). Según vamos estirando la goma, se está almacenando energía. De esta manera, la energía cinética utilizada para estirarla se convierte en energía potencial. Si liberamos la goma elástica estirada, toda la energía potencial almacenada se transformará en energía cinética. La segunda ley de la termodinámica establece que todos los procesos naturales evolucionan en la dirección en la que la energía se expande. Por ejemplo, cuando se rompe una molécula grande en moléculas más pequeñas, se libera la energía almacenada en la molécula de origen. Otro ejemplo es la difusión de moléculas desde áreas en las que están más concentradas (tienen mayor energía) hacia áreas menos concentradas (tienen una energía más baja); a este proceso se le llama difusión. En la siguiente sección, discutiremos los intercambios de energía en las reacciones químicas.
Cambios de energía en las reacciones Es una verdad irrefutable de la naturaleza que las reacciones químicas van siempre acompañadas o bien de la liberación o bien de la ganancia de energía. En otras palabras, en todas las reacciones está implicado el intercambio energético de una u
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Productos Energía liberada
ΔE = negativo
Energía
Energía
Reactantes Energía añadida
Reactantes
Productos
Progresión de la reacción (a)
ΔE = positivo
Progresión de la reacción (b)
FIGURA 3.1 Cambios de energía en las reacciones. Las flechas curvas indican la transferencia de energía en la reacción. (a) Cuando la energía de los reactantes es mayor que la de los productos, el cambio de energía es negativo, y se libera energía en la reacción. (b) Cuando la energía de los productos es mayor que la de los reactantes, el cambio de energía es positivo, y se añade energía a la reacción.
otra manera. Este intercambio ocurre porque las moléculas tienen energía; diferentes tipos de moléculas tienen diferentes cantidades de energía. Cuando una reacción libera energía, lo hace porque los reactantes tenían más energía que los productos; en este caso, los reactantes entran en la reacción con una determinada cantidad de energía y los productos salen de la reacción con menor energía. La energía «extra» debe ser liberada de una u otra manera durante el transcurso de la reacción: reactantes r productos + energía La energía liberada debe ser en forma de calor o bien de otra manera, y bajo determinadas condiciones podría utilizarse para realizar algún trabajo. Un ejemplo familiar de liberación de energía por parte de una reacción es la combustión de gasolina. Cuando la gasolina se quema con el oxígeno del aire, se genera energía (calor y luz) en forma de llamas. Cuando se quema para la combustión interna de un motor de coche, parte de esta energía se usa para desarrollar el trabajo necesario para moverlo. La variación de energía de cualquier reacción (expresada como $E) es la diferencia entre la energía de los productos (Eproductos) y la energía de los reactantes (Ereactantes): $E = Eproductos – Ereactantes. (El símbolo $, o delta, se usa normalmente para denotar cambios en alguna magnitud). Debido a que los productos tienen menos energía que los reactantes en una reacción de liberación de energía, la variación de energía $E en esa reacción tomará un valor negativo. Esta situación se ilustra en la figura 3.1a, en la que el eje y representa la cantidad de energía presente en las moléculas reactantes o productos, y el eje x representa el progreso de la reacción, esto es, la transformación de los reactantes en productos. Una reacción de liberación de energía es una reacción exergónica. La figura 3.1b representa la variación de energía que sucede en una reacción que requiere energía para que progrese, la cual se puede representar de la siguiente manera: reactantes + energía r productos En este caso, los productos tienen mayor energía que los reactantes, así que la variación de energía $E es ahora positiva. Como la energía no se crea, la energía «extra» adquirida por los produc-
tos debe provenir de una fuente distinta de las moléculas reactantes. Una reacción que requiere energía para su progreso se conoce como reacción endergónica. Un ejemplo de una reacción endergónica es la síntesis de proteínas; para la formación de cada enlace peptídico se requiere energía. La variación de energía $E se expresa normalmente en unidades de energía o calor, como calorías (cal) o kilocalorías (kcal), aunque también se puede expresar en julios (J) o kilojulios (kJ). Una caloría es la cantidad de energía que se le debe aplicar a un gramo (o 1 ml) de agua para aumentar su temperatura un grado centígrado (ºC) en condiciones normales. Una caloría equivale a 4,18 julios, y una kilocaloría o un kilojulio son 1.000 calorías o julios, respectivamente. La cantidad de energía liberada o consumida en una reacción no solo depende de la naturaleza de los reactantes y los productos involucrados, sino también de la cantidad de reactantes consumidos o productos formados. Según aumenta esta cantidad, la variación de energía aumenta de manera proporcional. Por eso, $E suele expresarse en unidades de kcal/mol o algún equivalente. La energía química, la energía almacenada en los enlaces que mantienen la estructura molecular unida, es una forma de energía potencial. Cuando hablamos de la variación de energía en una reacción, nos estamos refiriendo a una variación en una energía potencial. En los diagramas energéticos como el de la figura 3.1, se supone que los reactantes y los productos se encuentran a la misma temperatura (tienen la misma energía cinética), de manera que cualquier diferencia entre la energía de reactantes y productos reflejará las diferencias en sus energías potenciales. En la siguiente sección veremos cómo la variación de energía no solo refleja su ganancia o liberación, sino también el sentido en el que evoluciona dicha reacción.
Cómo la variación de energía en una reacción determina su dirección Nuestra experiencia nos dice que las reacciones químicas tienen una tendencia natural a evolucionar en uno u otro sentido. Por ejemplo, una vez que prendes un trozo de papel, este arderá hasta quedar reducido a cenizas (siempre que haya suficiente cantidad de oxígeno), pero nunca habrás visto un papel ardiendo que pare de arder espontáneamente. La razón de esto
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es que la reacción de combustión del papel es exergónica, y una reacción exergónica siempre evoluciona hacia la formación de los productos. (Decir que un proceso ocurre espontáneamente es decir que ocurre por sí solo, sin necesidad de aplicarle ninguna energía.) Reconstituir las cenizas en papel requeriría que la reacción evolucionara en sentido contrario, lo que implica la necesidad de energía, no de su liberación. Esto no ocurre, porque las reacciones endergónicas no evolucionan en sentido directo de manera espontánea, solo lo hacen cuando se les suministra energía. (De hecho, las reacciones endergónicas evolucionarían espontáneamente en sentido inverso si no se les suministra energía.) Estas reglas reflejan otra verdad de la naturaleza: los sistemas tienden a evolucionar desde estados de mayor energía potencial a estados de menor energía potencial. Sabemos, por ejemplo, que una roca caerá de una colina espontáneamente, pero no trepará por ella (a menos que se la impulse), porque la energía potencial de la roca disminuye según rueda colina abajo; para poder subir la colina, su energía potencial tendría que incrementarse. Igualmente, una reacción exergónica (reactantes r productos + energía) evoluciona en sentido directo de manera espontánea, porque la energía potencial disminuye según los reactantes: de mayor energía, se transforman en productos de menor energía. En contraste, una reacción endergónica (reactantes + energía r productos) no avanza en sentido directo de manera espontánea, puesto que la energía potencial aumenta según los reactantes: de menor energía, se transforman en productos de mayor energía. (Estrictamente hablando, es la variación en la energía libre de la reacción, no la variación en la energía potencial, la que determina la dirección de la reacción. La energía libre es la energía que puede extraerse de una molécula.) Dada la naturaleza de las reacciones catabólicas como liberadoras de energía y a que las reacciones anabólicas requieren energía, podemos suponer que las reacciones catabólicas deberían ocurrir de manera espontánea en las células, mientras que las reacciones anabólicas ocurrirán solo cuando se les suministre energía. Las reacciones anabólicas suceden porque ciertos mecanismos celulares las acoplan a reacciones catabólicas. Este acoplamiento aprovecha la energía liberada en las reacciones catabólicas para proporcionarle a las reacciones anabólicas la energía que requieren para evolucionar. En el siguiente ejemplo, la reacción A r B libera energía. Esta energía se usa para que la reacción C r D suceda. A r B + energía C + energía r D Se dice que una reacción está en equilibrio cuando no hay una dirección neta para ella, es decir, cuando los reactantes se convierten en productos a la misma velocidad que los productos en reactantes. El equilibrio sucede cuando el reactante y el producto tienen la misma energía, de tal manera que la variación de energía, $E, es cero. Observa que el equilibrio se alcanza no cuando las concentraciones de reactantes y productos son iguales, sino cuando los niveles de energía de los reactantes y los productos son iguales. Por ejemplo, cuando las moléculas de los reactantes tienen más energía que las moléculas de los productos, la concentración de los productos debe ser mayor que la de los reactantes en el equilibrio para que los niveles de energía de los reactantes y productos sean iguales. Cuando la diferencia entre la energía potencial de los reactantes y produc-
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tos es grande, entonces la diferencia en la concentración cuando la reacción está en equilibrio también es grande. Como se muestra en la siguiente sección, podemos cambiar la energía tanto de productos como de reactantes alterando su concentración.
Ley de acción de masas La energía de las moléculas reactantes y productos viene determinada por diferentes factores, incluyendo el número y tipo de enlaces químicos, la naturaleza del disolvente en el que están disueltos y la concentración de las moléculas. En general, según la concentración aumenta, la energía de las moléculas también lo hace (v. «Repaso de química: Disoluciones y concentraciones»). Matemáticamente, la relación entre las concentraciones reactantes y productos en el equilibrio se puede expresar mediante la constante de equilibrio. Considerando la siguiente reacción: aA + bB s cC + dD La constante de equilibrio para esta reacción a una temperatura determinada viene dada por K, donde: K =
[C]c[D]d [A]a[B]b
Debido a que K es una constante, la reacción muestra que un incremento en la concentración de los reactantes desplazará el equilibrio hacia la derecha, es decir, hacia la formación de más productos. Del mismo modo, un incremento en la concentración de productos desplazará el equilibrio hacia la izquierda; se producirá menos cantidad de productos o la reacción evolucionará hacia la formación de reactantes. Este fenómeno se conoce como ley de acción de masas. Haciendo referencia a la fisiología, se puede enunciar de manera simplificada como sigue: Un incremento en la concentración de los reactantes con respecto a los productos hará que la reacción tienda a evolucionar hacia la formación de productos, y un incremento en la concentración de los productos hará evolucionar la reacción hacia la formación de reactantes.
Comprueba tus conocimientos Dada una reacción química, reactante s producto, la constante de equilibrio se puede calcular como sigue: K =
[producto] [reactante]
Si la constante de equilibrio es 2, ¿cuál es la relación reactanteproducto cuando la reacción está en equilibrio? ¿Es una reacción exergónica o endergónica? Responde a estas mismas preguntas para las constantes de equilibrio de 10, 0,1 y 0,01. La ley de acción de masas es fundamental en los procesos fisiológicos, porque las concentraciones de reactantes y productos en las células está cambiando continuamente. Por ejemplo, después de una comida, los niveles de glucosa en sangre aumentan según esta se absorbe en el tubo digestivo. En respuesta a este proceso, la hormona insulina se libera a la sangre para inducir la captación de la glucosa sanguínea por las células de los tejidos. Un incremento de los niveles de glucosa conlleva un incremento en su metabolismo celular.
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REPASO DE QUÍMICA
Disoluciones y concentraciones
El equilibrio químico y la ley de acción de masas quedan reflejados en la figura 3.2. Las dos gráficas muestran el cambio en la concentración de reactantes y productos para una reacción simple (reactantes s productos) con el paso del tiempo. La pendiente de la curva representa la velocidad de la reacción, en la que una mayor pendiente conlleva una velocidad mayor. En la figura 3.2a, la reacción puede evolucionar hasta alcanzar el equilibrio. Esta reacción es exergónica, ya que en el equilibrio hay más productos que reactantes. En la figura 3.2b, la reacción evoluciona hasta el equilibrio, y entonces se le añade más cantidad de reactantes. Esta perturbación hace desplazarse el equilibrio hacia la formación de más productos, hasta que se alcanza de nuevo el equilibrio.
las concentraciones pueden expresarse en micromoles por litro (μmol/l = 1 × 10–6 mol/l) o nanomoles por litro (nmol/l = 1 × 10–9 mol/l). La concentración de sustancias específicas a menudo se indica utilizando corchetes. Por ejemplo, [Na+] representa la concentración de iones sodio. De manera ocasional, las concentraciones se expresan en términos de masa de soluto en una unidad de volumen de disolución –en gramos por litro (g/l) o microgramos por litro (μg/l = 1 × 10–6 g/l), por ejemplo. A menudo, en fisiología, la unidad de volumen es un decilitro (dl = 0,1 l), lo que es equivalente a 100 mililitros (100 ml). La concentración de una disolución que contiene 1 gramo de soluto por decilitro se expresa habitualmente como un porcentaje (1%), porque la mayoría de las disoluciones fisiológicas se encuentran en agua (100 ml de agua pesan 100 g).
Reactante Concentración
Una disolución es una mezcla de moléculas disueltas en un líquido. La sustancia disuelta, que es normalmente un sólido o un gas en estado puro, se denomina soluto, mientras que el líquido se llama disolvente. Se dice que las moléculas de soluto están disueltas cuando están completamente separadas unas de otras y rodeadas por moléculas de disolvente. La concentración de una disolución es una medida de la cantidad de soluto contenida por unidad de volumen de la disolución. La cantidad de soluto se expresa generalmente en términos de moles (mol), y el volumen se expresa en litros (l). Si un mol de soluto se encuentra en 1 litro de disolución, se dice que la concentración es 1 molar (1 M = 1 mol/l). Si 1/1.000 de un mol (es decir, 1 milimol) de soluto se disuelve en 1 litro de disolución, la concentración es 0,001 molar o 1 milimolar (1 mM = 1 × 10–3 mol/l). Para disoluciones muy diluidas,
Producto Tiempo (a) Añadir reactante
Energía de activación Reactante Concentración
Cuando las moléculas reactantes entran en la reacción, no se convierten en productos directamente, pasan primero por un estado intermedio de alta energía llamado estado de transición, desde donde se descomponen para formar los productos. La reacción inversa (la conversión de productos en reactantes) también debe pasar primero por este estado de transición. De esta manera, las transformaciones que ocurren en una reacción son continuas y graduales, no súbitas, como se muestra en la figura 3.3a. La «joroba» en medio de la curva, conocida como barrera de la energía de activación, surge porque la energía potencial del estado de transición es mayor que la de los reactantes y la de los productos. Por ejemplo, anteriormente habíamos descrito la combustión de un trozo de papel como ejemplo de proceso liberador de energía. Sin embargo, el papel no arde espontáneamente. En lugar de esto, algo de energía, como una llama o el calor suministrado por una lupa, se le debe administrar al papel para que se pueda superar la barrera de la energía de activación. Para que los reactantes se puedan transformar en productos, o viceversa,
Producto Tiempo (b)
FIGURA 3.2 Equilibrio químico y ley de acción de masas. Para una reacción reversible exergónica simple con un reactante que se convierte en un producto (reactante s producto), se dibujan las concentraciones de reactantes (línea verde) y productos (línea roja) a lo largo del tiempo. (a) Se permite a la reacción continuar hacia el equilibrio. (b) Tras alcanzar el equilibrio, se añade más reactante, el cual, por la ley de acción de masas, lleva a la producción de más producto.
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Barrera de la energía de activación C
Estado de transición
B
Reactantes
Productos
D
A+B
Energía
Energía
A
A+B
C+D
Progresión de la reacción C+D
(a) Progresión de la reacción (a)
Energía
Reactantes
Energía de activación hacia los productos
A
A B
Energía de activación hacia los reactantes
B
Productos
Progresión de la reacción
FIGURA 3.3 Barrera de la energía de activación. Las reacciones descritas
A+B
Energía
(b)
A+B A+B
son reacciones de liberación de energía. (a) Diagrama de energía similar al de la figura 3.1a, pero con la barrera de la energía de activación incluida. (b) Diagrama de energía en el que las energías de activación de las reacciones hacia los productos y hacia los reactantes se indican mediante flechas verticales.
C+D
Progresión de la reacción (b)
las moléculas deben tener suficiente energía potencial para superar la barrera de la energía de activación, para lo cual deben adquirir algo de energía «extra», llamada energía de activación, que es la diferencia entre la energía del estado de transición y la de los reactantes o productos. La energía de activación se indica en la figura 3.3b como la distancia vertical entre los estados inicial o final de energía y el pico de la curva. Observa que para la reacción mostrada en la figura, que es una reacción de liberación de energía, la energía de activación para la reacción directa es menor que para la reacción inversa. Para una reacción endergónica observaríamos lo contrario. Si las moléculas deben adquirir energía extra para superar la barrera de la energía de activación y reaccionar, ¿de dónde proviene esta energía «extra»? Las moléculas adquieren esta energía mediante choques entre ellas, lo cual sucede siempre porque se encuentran en constante movimiento térmico. Considera, por ejemplo, la reacción A + B r C + D. Para que las moléculas A y B reaccionen, primero deben colisionar. Cuando esto sucede, algo de la energía cinética que poseen se convierte en energía potencial. Si esta ganancia de energía es igual o superior a la energía de activación, las dos moléculas entrarán
FIGURA 3.4 Efecto de la barrera de la energía de activación. (a) Colisión de dos moléculas de reactante, A y B, con suficiente energía para llegar al estado de transición. La energía de la colisión supera la barrera de la energía de activación, dando lugar a la formación de los productos C y D. (b) Colisión de A y B sin suficiente energía para llegar al estado de transición. No se supera la barrera de la energía de activación, por lo que la reacción no sucede. A medida que la barrera de la energía de activación disminuye, ¿el cambio P de energía de la reacción aumenta, disminuye o se mantiene igual?
en el estado de transición para dar lugar a los productos C y D (fig. 3.4a). La importancia de la barrera de la energía de activación es tal que condiciona la rapidez con que se produce la reacción, un tema que será tratado con detenimiento en la siguiente sección. Aquí es importante recalcar que no todas las colisiones entre las moléculas reactantes producen reacción, ya que algunos choques no generan la suficiente energía potencial como para salvar
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la barrera de la energía de activación. Cuanto más rápido se estén moviendo dos moléculas que van a colisionar, mayor será la energía potencial generada en el choque. Si la energía liberada es menor que la energía de activación, entonces las moléculas no entrarán en el estado de transición y no reaccionarán (fig. 3.4b); simplemente saldrán de la colisión inalteradas.
hasta que veamos algún efecto. La velocidad de una reacción viene determinada por una gran variedad de factores, incluyendo 1) las concentraciones de reactantes y productos; 2) la temperatura, y 3) la altura de la barrera de la energía de activación.
Concentraciones de reactantes y productos Test rápido 3.2 1. En una reacción exergónica, ¿qué tiene más energía: los reactantes o los productos? 2. ¿Qué factor determina la dirección de una reacción? ¿Las reacciones que van hacia los productos de forma espontánea son exergónicas o endergónicas? 3. Realiza una breve descripción de la ley de acción de masas. 4. ¿Qué es la energía de activación? ¿Cómo afecta a la reacción?
Velocidades de reacción La velocidad de una reacción se mide como la velocidad de desaparición de reactantes para la generación de productos; normalmente se expresa como un cambio en la concentración por unidad de tiempo (mol/litro-segundo, o algún equivalente). Por ejemplo, según avanza la reacción A + B r C + D, las concentraciones de A y B disminuyen, mientras que las de C y D aumentan. Esta velocidad de reacción se puede expresar como el cambio en las concentraciones de C o D por unidad de tiempo. La velocidad de una reacción metabólica tiene una gran importancia fisiológica, ya que el buen funcionamiento del organismo depende de que las reacciones transcurran a las velocidades que concuerden con las necesidades metabólicas de cada momento. Velocidades mayores o menores a las necesarias al final provocan una desregulación en el metabolismo celular. Quizás el ejemplo más clarificador sea lo que acontece en la hipotermia, cuando la temperatura corporal cae por debajo de lo normal. Cualquier descenso en la temperatura del organismo provoca una disminución en las reacciones metabólicas, y cualquier descenso en la temperatura central de unos pocos grados puede llevar a una persona a la desorientación y debilidad, e incluso a la pérdida de conciencia. Un nuevo descenso en la temperatura podría precipitar una parada cardíaca y la muerte. Más adelante en esta sección veremos cómo las reacciones metabólicas se aceleran o catabolizan por unas moléculas especiales denominadas enzimas, y cómo las velocidades de reacción de estas reacciones se controlan normalmente mediante cambios en la actividad de estas enzimas. Primero, sin embargo, comenzaremos el estudio de las velocidades de reacción echando un vistazo a los factores que afectan a las velocidades de reacción en general.
Factores que afectan a las velocidades de reacción Sabemos que algunas reacciones progresan más velozmente que otras. Por ejemplo, una reacción de oxidación-reducción (la combustión de la gasolina) puede ocurrir con una velocidad explosiva, mientras que la oxidación del hierro (otra reacción de oxidación) sucede tan despacio que pueden pasar semanas
Cuando hablamos de velocidad de reacción, normalmente nos referimos a velocidad neta: la diferencia entre la velocidad de la reacción directa (reactantes r productos) y la inversa (productos r reactantes). De acuerdo con la ley de acción de masas, cualquier incremento en la concentración de reactantes traerá consigo un incremento en la velocidad de la reacción directa sin afectar a la velocidad de la reacción inversa. Del mismo modo, cualquier incremento en la concentración de los productos conllevará un aumento en la velocidad de la reacción inversa sin afectar a la directa. Por tanto, un incremento en la concentración de reactantes supone un incremento en la velocidad neta de la reacción en sentido directo. Y a la inversa, un aumento en la concentración de los productos disminuirá la velocidad neta de la reacción directa, y si la variación de la concentración es suficiente, puede suceder que la reacción evolucione en sentido contrario. El efecto de las concentraciones de los reactantes y productos sobre la velocidad de una reacción se debe a que se afectan las frecuencias de las colisiones entre las moléculas. Según aumenta el número de moléculas, también aumenta el número de colisiones que se producen en un período determinado.
Temperatura En general, la velocidad de una reacción aumenta cuando aumenta la temperatura, y disminuye cuando la temperatura desciende. Refrigeramos la comida, por ejemplo, porque el enfriamiento frena las reacciones de descomposición, lo que ayuda a conservar más tiempo los alimentos. La temperatura controla la velocidad de la reacción, porque afecta a la frecuencia y a la energía de las colisiones. Según aumenta la temperatura, la media de la energía cinética de las moléculas aumenta, lo que aumenta la energía de las colisiones. El resultado es un aumento en la cantidad de colisiones que producen la suficiente energía para saltar la barrera de la energía de activación, lo que incrementa la velocidad de la reacción.
Altura de la barrera de la energía de activación La altura de la barrera de la energía de activación difiere entre reacciones. En igualdad de condiciones, la velocidad de reacción es mayor según disminuye la barrera de la energía de activación. La razón de esto es que a una temperatura dada, solo una cantidad de las colisiones que se producen tienen la suficiente energía para superarla y producir la reacción (fig. 3.5). Conforme se reduce la barrera de la energía de activación, la proporción de las colisiones que generan la energía suficiente para sobrepasarla aumenta, no porque las colisiones sean más energéticas, sino porque la energía mínima para que una colisión sea eficaz ha disminuido. (Esta situación es análoga a una competición de salto de altura: si la altura del listón es menor, el número de atletas capaces de superarla será mayor.) Observa que, a medida que la altura de la barrera de la energía de activación disminuye, las velocidades de las reacciones
C A P Í T U LO 3 Barrera de la energía de activación alta
Número de reactantes
Barrera de la energía de activación baja
Metabolismo celular
La enzima queda libre Enzima para unir otra E molécula de sustrato Centro activo
S Sustrato S El sustrato puede abandonar el centro activo sin E cambios S
P
Energía de los reactantes
FIGURA 3.5 Energía de las moléculas reactantes. La energía de una molécula reactante individual varía, pero más o menos sigue una curva de población con forma de campana. Para que los reactantes sean convertidos en productos, su energía debe ser mayor que la barrera de la energía de activación. Si dicha energía es relativamente baja, una mayor proporción de reactante tendrá la suficiente energía para ser convertida en producto (en el gráfico, todos los reactantes a la derecha de la barrera de la energía de activación baja). Por el contrario, cuando la barrera de la energía de activación es relativamente alta, pocos reactantes tendrán suficiente energía para ser convertidos en producto (en el gráfico, solo aquellos reactantes con energía por encima de la barrera de la energía de activación alta).
inversa y directa aumentan, debido a que la energía de activación para ambos procesos resulta menor. Sin embargo, por razones más allá del alcance de este libro, la velocidad neta de la reacción se incrementa a pesar del aumento de la velocidad de la reacción inversa.
Función de las enzimas en las reacciones químicas Si iniciaras una típica reacción metabólica mezclando en un vaso de precipitados los reactantes necesarios, esta se produciría muy lentamente. De hecho, la mayoría de las reacciones metabólicas se producirían tan despacio que serían incompatibles con la vida. Las reacciones metabólicas suceden a velocidades considerablemente mayores, gracias a la presencia de enzimas, biomoléculas (casi todas proteínas) especializadas en actuar como catalizadores, término general para sustancias que incrementan las velocidades de reacción. En esta sección analizaremos cómo las enzimas cumplen esta tarea y cómo regulando la actividad enzimática se pueden controlar las velocidades de reacción para adecuarlas a las necesidades del organismo.
Mecanismos de acción enzimática Las células poseen una gran variedad de enzimas, cada una especializada en catalizar una reacción o un grupo de reacciones particulares. Para catalizar una reacción, la enzima debe unirse primero a la molécula reactante, que en el contexto de reacciones enzimáticamente catalizadas recibe el nombre de sustrato. Entonces, la enzima actuará sobre el sustrato para generar una molécula de producto, que será finalmente liberada. Así, la
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El producto abandona la enzima
El sustrato se une a la molécula de enzima
Complejo enzima-sustrato E P
(a)
El sustrato se puede convertir en producto por la enzima Producto
Enzima E
Centro activo SD
SA Sustrato A
Sustrato D SB
SC
Sustrato B
Sustrato C
(b)
FIGURA 3.6 Función de la especificidad de sustrato en el mecanismo de acción enzimática. (a) Mecanismo de acción enzimática. El grado de ajuste entre la molécula de sustrato S y el sitio activo de la enzima permite la unión y la formación de un complejo enzima-sustrato. Tras la unión, el sustrato puede abandonar el centro activo sin cambios, o puede convertirse a producto P por la enzima. Entonces, el producto abandona el centro activo, dejando a la enzima libre para unir otra molécula de sustrato y catalizar la reacción otra vez. (b) Especificidad de sustrato. Debido a que solo la forma del sustrato candidato Sc es complementaria al centro activo de la enzima, solo puede unirse a ella.
acción de una enzima podría describirse como la reacción en dos pasos que se muestra a continuación: E (enzima)
+
S (sustrato)
s
E·S
s
P
(complejo (producto) enzima-sustrato)
+
E (enzima)
La doble flecha en el primer paso (el de la unión enzima sustrato) implica que el sustrato se puede unir a la enzima y también liberarse de ella antes de que esta tenga la oportunidad de actuar sobre él (fig. 3.6a). Se dice que esta unión es reversible porque el sustrato interacciona con la proteína a través de uniones débiles y, por tanto, podría disociarse de ella después de haberse unido (v. «Caja de herramientas: Interacciones ligando-proteína»). Si la molécula de sustrato permanece unida a la enzima suficiente tiempo, se convertirá en el producto en el segundo paso (paso catalítico). Después del paso catalítico, la enzima sale de la reacción en la misma forma en la que entró, de tal manera que ni se
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Metabolismo celular
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Interacciones ligando-proteína Cuando un sustrato se une a una enzima, lo hace a través de interacciones débiles (puentes de hidrógeno, enlaces iónicos, fuerzas de van der Waals, pero no enlaces covalentes). Las moléculas que interaccionan con las proteínas de este modo se llaman ligandos. Así, podemos generalizar la interacción entre proteínas y ligandos como una reacción reversible:
La fuerza de la interacción entre una proteína y un ligando, llamada afinidad, depende del grado de la forma complementaria y del número y fuerza de las interacciones químicas. En el siguiente ejemplo, el ligando A forma más interacciones iónicas con la proteína que el ligando B. Por tanto, la proteína tiene más afinidad por el ligando A.
proteína + ligando s proteína – ligando Los ligandos pueden unirse a las proteínas porque tienen una forma complementaria a una porción de la proteína, llamada sitio de unión, al igual que una llave tiene una forma complementaria a una cerradura. Los ligandos también son atraídos químicamente a los sitios de unión de las proteínas. La unión entre un ligando y una proteína es específica, porque solo ciertos ligandos encajan en el sitio de unión.
+ – – –
+ – + + – – Ligando A
+ – + +
+ +
Ligando B
Proteína Sitio de unión Ligando
Proteína
Una mayor afinidad aumenta la probabilidad de que una proteína dada tenga un ligando unido a ella. En términos de la población de proteínas, una mayor afinidad significa que más proteínas tendrán ligando unido a ellas. Esto se muestra en el siguiente gráfico para la unión de los ligandos A y B a la proteína, suponiendo solo que un ligando está presente en un momento determinado.
Número de ligando unido
Las interacciones entre proteínas y ligandos siguen la ley de acción de masas, de manera que el aumento en la cantidad de proteína o de ligando incrementa el número de proteínas con ligando unido. Esto se explica en el siguiente gráfico, que muestra la relación entre el número de proteínas con ligando unido y la concentración de ligando.
Número de ligando unido
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Alta [proteína]
Ligando A
Ligando B
Concentración de ligando
Baja [proteína]
En el organismo suceden muchos tipos de interacciones proteínaligando, tal como se muestra en la siguiente tabla y se comenta a lo largo del texto. Concentración de ligando
Proteína
Ligando
Función
Enzima
Sustrato
Catalizar reacciones químicas en el organismo
Enzima
Modulador
Regulación alostérica de la actividad enzimática
Receptor
Mensajero químico (p. ej., neurotransmisores, hormonas)
Comunicación de mensajes entre células
Transportador
Soluto
Transporte de solutos a través de las membranas plasmáticas
Transportador
Soluto
Transporte de solutos en la sangre
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Metabolismo celular
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Producto
Sustrato S
E
Sustrato
Producto
S
P
E Enzima
P
E Enzima
E Enzima
Enzima
FIGURA 3.7 Modelo de ajuste inducido de actividad enzimática. En este modelo, tanto el sustrato como el producto pueden unirse al sitio activo, permitiendo que la reacción pueda darse en ambos sentidos.
consume ni se altera. La enzima es libre entonces para actuar sobre una nueva molécula de sustrato y generar un nuevo producto. De hecho, una sola molécula de enzima es capaz de catalizar una reacción repetidamente, y teóricamente podría generar cantidades ilimitadas de productos. Como indica la doble flecha, la enzima también puede catalizar la reacción inversa, de tal manera que el producto podría convertirse de nuevo en sustrato. A pesar de que la reacción que acabamos de ver ilustra lo esencial de la acción enzimática, pertenece solo a la más simple de las reacciones enzimáticas, en la cual la enzima actúa sobre una sola molécula de sustrato cada vez para generar un único producto, como se expresa en la siguiente notación simplificada: S
E
P
En realidad, la mayoría de las enzimas actúan sobre dos o más sustratos y generan más de un producto.
Especificidad de sustrato Las enzimas normalmente se especializan en catalizar una reacción, en particular porque tienen la habilidad de «reconocer» y unirse a un solo tipo de sustrato, fenómeno conocido como especificidad de sustrato. Esta especificidad no es necesariamente absoluta, ya que algunas enzimas son capaces de actuar sobre una gran variedad de sustratos siempre y cuando guarden relación sobre algunas características determinadas. Un ejemplo es la pepsina, enzima secretada por las células de la pared gástrica que degrada las proteínas de la comida en fragmentos más pequeños. La pepsina es capaz de actuar sobre casi todas las proteínas, siempre y cuando contengan determinados aminoácidos, pero no es capaz de actuar sobre otros componentes de los alimentos, como los hidratos de carbono. La base de la especificidad de sustrato reside en la complementariedad de formas entre la enzima y los sustratos: solo si un sustrato encaja perfectamente en un lugar determinado de la enzima, denominado sitio activo, esta puede actuar para dar lugar a la catálisis de la reacción. Como se muestra en la figura 3.6b, una molécula no complementaria es incapaz de unirse al sitio activo de una manera eficiente y, por tanto, no actúa como sustrato para la enzima. A día de hoy existen dos modelos para describir el mecanismo de la unión enzimática: el modelo llave-cerradura (v. fig. 3.6) y el modelo de ajuste inducido (fig. 3.7). En el modelo llavecerradura, el sustrato encaja en el sito activo del mismo modo en el que una llave encaja en una cerradura, explicando así la especificidad enzima-sustrato. El inconveniente de este modelo es que no explica la reversibilidad que presentan la mayoría de las
reacciones enzimáticamente catalizadas (si la enzima es estrictamente específica para un sustrato, entonces no puede serlo para su producto en la reacción inversa). El más reciente modelo de ajuste inducido es más susceptible a las reacciones reversibles. En este modelo, el sustrato encaja en el sitio activo de una manera más parecida a la que un pie encaja en un calcetín que una llave en una cerradura: las formas son similares, pero no estrictamente complementarias. Cuando el sustrato se une a la enzima, se induce un cambio conformacional en ella que provoca una mejor unión, igual que el pie dentro del calcetín hace que la forma de este adopte la forma del pie.
Coenzimas y cofactores A pesar de que las enzimas son proteínas, muchas poseen componentes no proteicos adicionales denominados cofactores, que son necesarios para la correcta función enzimática. Muchas enzimas contienen iones metálicos, como el hierro, cobre o zinc, que funcionan como cofactores, uniéndose fuertemente a las cadenas laterales de ciertos aminoácidos, y manteniendo de esta manera a la enzima en su conformación habitual. Sin estos iones, la forma de las enzimas se alteraría, provocando una pérdida de su actividad. Otras enzimas utilizan vitaminas (compuestos orgánicos diferentes que son necesarios en pequeñas cantidades y que deben ingerirse con la dieta) o derivados de vitaminas como cofactores.
Comprueba tus conocimientos La alcohol deshidrogenasa, una enzima que se encuentra en el estómago y el hígado, elimina el etanol del organismo por oxidación a acetaldehído. El zinc es el cofactor de la alcohol deshidrogenasa. Si la ingesta de zinc de una persona fuera deficiente, ¿cómo afectaría a la actividad de la alcohol deshidrogenasa y a la capacidad de la persona de tolerar el alcohol?
Algunos cofactores derivados de vitaminas actúan como coenzimas, moléculas que no tienen la actividad catalítica en sí mismas, pero participan directamente en las reacciones catalizadas por sus enzimas correspondientes. Una coenzima suele servir para más de un tipo de enzima; a menudo una coenzima se puede disociar de una enzima para unirse a otra, permitiéndole participar en más de una reacción. En unos pocos casos, las enzimas se encuentran permanentemente unidas a sus enzimas correspondientes. Normalmente, las coenzimas transportan determinados grupos químicos de una reacción a otra. Al igual que las enzimas, las coenzimas no se modifican de manera per-
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Metabolismo celular
manente por las reacciones en las que participan y, por tanto, se pueden reciclar para continuos usos. Existen tres coenzimas importantes en el metabolismo energético: la flavina adenina dinucleótido (FAD), un derivado de la vitamina B12 (riboflavina); la nicotinamida adenina dinucleótido (NAD), un derivado de la vitamina B3 (niacina), y la coenzima A (CoA), un derivado de la vitamina B5 (ácido pantoténico). FAD y NAD actúan como transportadores de hidrógeno (electrones) en ciertas reacciones de oxidación-reducción y hacen de lanzaderas de electrones de un sitio a otro de la célula. La FAD adquiere electrones reclutando pares de átomos de hidrógeno, resultando del proceso una FAD reducido a FADH2: FAD + 2 H r FADH2 Posteriormente, la FADH2 libera estos electrones a otro aceptor y vuelve a quedar en su estado oxidado, FAD, libre para cargarse con un nuevo par de electrones. La NAD+ también transporta pares de electrones, pero de una manera diferente: recoge un electrón de un átomo de hidrógeno y el otro como electrón libre, al que toma de un átomo de hidrógeno, que deja como protón (H+). De este modo, la reducción de la NAD+ sucede de la siguiente manera: NAD+ + 2 H r NADH + H+ Observa que en este proceso la NAD+, que posee una carga positiva, se reduce a NADH, sin carga alguna. (La carga positiva se compensa con la carga negativa del electrón adquirido.) Posteriormente, la NADH libera su par de electrones a otro aceptor a través de la reacción inversa a la que acabamos de ver, transformándose de nuevo en su forma oxidada NAD+, lista para captar un nuevo par de electrones. Veremos varios ejemplos en los que la NAD+ y la FAD participan a lo largo de este capítulo. La CoA capta grupos químicos denominados grupos acetilo (— CH2COOH) en determinadas reacciones metabólicas y los transporta hacia otras reacciones. En el proceso, cada CoA se une covalentemente a un grupo acetilo, formando un compuesto conocido como acetil coenzima A (acetil-CoA). La función de la CoA en la oxidación de la glucosa se explicará más adelante en este capítulo.
Factores que afectan a las velocidades de las reacciones enzimáticamente catalizadas Las enzimas aceleran las reacciones metabólicas reduciendo la energía de activación. Esto se muestra en la figura 3.5, considerando la elevada energía de activación en ausencia de enzima y cómo esta disminuye en presencia de ella. Claramente, un mayor número de moléculas poseen la energía suficiente para superar la barrera de la energía de activación en presencia de la enzima. Observa que la altura de la barrera de la energía de activación no afecta a la variación global de la energía de la reacción ($E), que depende solo de la diferencia del estado energético de reactantes y productos. De esta manera, las enzimas no afectan directamente a la cantidad de energía requerida o liberada, sino solo a la velocidad de la reacción. La velocidad a la que una enzima puede catalizar una reacción se ve afectada por diferentes factores, incluyendo 1) la velocidad catalítica de la enzima; 2) la concentración enzimática; 3) la concentración del sustrato, y 4) la afinidad de la enzima por el sustrato.
Tasa catalítica La tasa catalítica de una enzima se mide como la cantidad de producto que es capaz de generar por unidad de tiempo, asumiendo que el sitio activo está siempre ocupado por una molécula de sustrato. Como tal, la tasa catalítica refleja la velocidad a la que la enzima es capaz de salir del paso catalítico del proceso en dos pasos previamente descrito. Algunas enzimas son más rápidas que otras y pueden transformar cientos de moléculas de sustrato en productos cada segundo; otras enzimas requieren más de un minuto para la transformación de un único sustrato. A igualdad de otros factores, la tasa de una reacción aumenta cuando mayor sea la tasa catalítica de la enzima implicada en el proceso. Concentración de sustrato La velocidad de una reacción enzimática aumenta según se incrementa la concentración de sustrato, de acuerdo con la ley de acción de masas. Como en lo descrito para la concentración enzimática, un incremento en el número de moléculas de sustrato aumenta la probabilidad de que estas se unan a la enzima. Una enzima solo puede catalizar una reacción cuando un sustrato se une a ella. Además, una enzima se puede reciclar para ser usada una y otra vez. Una vez que un sustrato se ha transformado en un producto y este ha sido liberado, la enzima puede unirse a un nuevo sustrato para convertirlo en nuevo producto. Cuando la concentración de sustrato es baja, pasará más tiempo hasta que una nueva molécula sea capaz de unirse a la enzima, y, como resultado, su sitio activo permanecerá desocupado por un período mayor de tiempo. Bajo estas condiciones, la velocidad de la reacción se reducirá, porque durante mucho rato la enzima está vacía. A mayores concentraciones de sustrato, menos tiempo pasará hasta que la siguiente molécula ocupe el sitio activo. Esto significa que la mayoría del tiempo, el sitio activo de la enzima permanecerá ocupado, lo que le da la oportunidad de catalizar la reacción. En consecuencia, la velocidad de la reacción será mayor. La figura 3.8 muestra cómo la velocidad de una reacción enzimáticamente catalizada varía con la concentración de sustrato, [S], y de enzima. En bajas y moderadas concentraciones, la velocidad aumenta según se incrementa [S], como era de esperar. En altas concentraciones, sin embargo, la pendiente de la curva se suaviza hasta permanecer horizontal, indicando que nuevos incrementos en [S] no aumentarán más la velocidad de reacción. Dada una concentración fija de enzima, cuando la [S] es muy grande, el sitio activo está siempre ocupado, y se dice que la enzima se encuentra 100% saturada. (El porcentaje de saturación de una enzima indica la proporción de tiempo que su sitio activo permanece ocupado; así, a un 25% de saturación, el sitio activo está ocupado el 25% del tiempo.) Aumentar [S] más allá de ese punto no causará ningún efecto, porque todas las moléculas de enzima se encuentran ocupadas. Bajo estas condiciones, la velocidad de la reacción estará condicionada únicamente por la tasa catalítica y la concentración de la enzima. Cuando se aumenta la concentración enzimática, la reacción puede ocurrir a una velocidad mayor para una determinada cantidad de sustrato. Concentración enzimática La tasa catalítica de una enzima influye en la velocidad de una reacción, porque afecta a la velocidad con la que una enzima, de manera individual, puede convertir sustratos en productos. Pero la velocidad de una reacción también aumenta de manera proporcional a la cantidad de enzima presente, según la ley de acción de masas. Un aumento en el número de moléculas de enzima incrementa la probabilidad de
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Alta [E]
Velocidad de la reacción
Velocidades máximas
Enzima con alta afinidad por sustrato Baja [E] Enzima con baja afinidad por sustrato
Velocidad de la reacción
Diferencia en la velocidad de la reacción a baja [S]
Baja [S] Concentración de sustrato [S] Concentración de sustrato [S]
FIGURA 3.8 Influencia de la concentración de sustrato en la velocidad de una reacción catalizada por una enzima. La unión de un sustrato a la enzima aumenta cuando aumenta la [S], hasta que se alcanzan concentraciones altas de sustrato, en cuyo caso todas las moléculas de enzima están unidas (100% de saturación). A una mayor concentración de enzima, se puede unir más sustrato y se alcanzará una velocidad de reacción más rápida.
P
Al aumentar la velocidad de la reacción, ¿aumenta la concentración de moléculas enzimáticas libres (no unidas)?
que un sustrato se una a ellas y, consecuentemente, de que sea transformado en un nuevo producto. Dado que las enzimas son proteínas, la concentración enzimática se puede regular mediante la síntesis y/o degradación proteica, según se describió en el capítulo 2. La figura 3.8 muestra dos curvas, una para bajas concentraciones de enzima y otra para altas. Observa que para una concentración determinada de sustrato, la velocidad de reacción es mayor a mayor concentración de enzima. Véase también que, aunque las dos curvas tienen una velocidad máxima, esta es mayor para la reacción con mayor concentración enzimática. Afinidad La afinidad de una enzima se mide como la avidez de su sitio activo para su sustrato. (Afinidad es un término general para referirse a la atracción entre dos objetos.) Generalmente hablando, mayores afinidades se traducen en mayores velocidades de reacción. Resulta bastante intuitivo si se considera que el sitio activo debe ser ocupado por una molécula de sustrato antes de que la enzima pueda catalizar reacción alguna. Cuando los sustratos se encuentran presentes en una concentración determinada, el sitio activo se ocupará un mayor porcentaje de tiempo si la enzima tiene una mayor afinidad por su sustrato. Si la afinidad es baja, el sitio activo permanecerá ocupado un menor espacio de tiempo, en igualdad de condiciones. De manera que una mayor afinidad generará una mayor cantidad de productos en un período fijo de tiempo. Una afinidad alta implica un ajuste perfecto entre el sitio activo de la enzima y la molécula de sustrato. Tal ajuste maximizará el área de contacto entre la enzima y el sustrato, de tal modo que se maximizarán también las fuerzas atractivas que deben existir entre los dos. La afinidad también se encuentra influenciada por otros factores que incrementan estas fuerzas de atrac-
FIGURA 3.9 Influencia de la afinidad enzima-sustrato en la velocidad de una reacción catalizada por una enzima. Se muestran los diagramas de velocidad de reacción frente a concentración de sustrato de dos enzimas que tienen diferentes afinidades por el sustrato. Con el propósito de comparar, se asume que las dos enzimas tienen la misma tasa catalítica y se encuentran presentes a la misma concentración. Ten en cuenta que, a una menor concentración de sustrato, la enzima con mayor afinidad es capaz de catalizar la reacción a una velocidad más rápida.
ción, como la presencia de cargas eléctricas opuestas en la enzima y el sustrato. La figura 3.9 muestra cómo el grado de saturación de una enzima y, por consiguiente, la velocidad a la que puede catalizar una reacción se ve afectado no solo por la concentración de sustrato, sino también por la afinidad de la enzima por él. En una concentración de sustrato determinada, una enzima con mayor afinidad presentará un mayor grado de saturación que el que presentaría una enzima con menor afinidad, de manera que su velocidad máxima la alcanzará a menores concentraciones de sustrato. Otros factores que afectan a las velocidades de las reacciones enzimáticamente catalizadas Las velocidades de reacción se pueden ver afectadas por otro tipo de condiciones como, por ejemplo, la temperatura de la mezcla de reacción o su pH (v. «Repaso de química: Ácidos, bases y pH»). Cambios en la temperatura o el pH alteran la estructura de todas las proteínas; estos cambios afectan a la estructura, y, por tanto, a la actividad de las enzimas. En general, la actividad enzimática decae si la temperatura o el pH pasan a valores significativamente mayores o menores de lo normal. Dentro del organismo, los cambios en la temperatura raramente son significativos, debido a que la temperatura corporal se regula para que permanezca constante. En los líquidos extra- e intracelulares, el pH también se regula para que permanezca constante (dentro del rango 7,2 a 7,4), pero varía de manera apreciable en determinadas localizaciones dentro del aparato digestivo. La luz del estómago, por ejemplo, contiene líquidos claramente ácidos (el pH puede ser menor de 2); en el intestino, el líquido luminal es más básico, con un pH mayor de 8. Especialmente significativo es que la actividad de la pepsina, una enzima que se encuentra en el estómago, es mayor cuando el pH se encuentra en un rango de valores ácidos, mientras que la de la tripsina, una enzima digestiva similar que actúa en el intestino, es mayor con pH básico.
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REPASO DE QUÍMICA
Ácidos, bases y pH Ciertas sustancias liberan iones de hidrógeno o protones (H+) cuando se disuelven en agua y se conocen como ácidos. Un ejemplo conocido es el ácido clorhídrico (HCl), que se disocia en iones de hidrógeno y cloro: HCl r H+ + Cl– El HCl es un ejemplo de ácido fuerte, un ácido que se disocia completamente. Otros ácidos son ácidos débiles, lo que significa que no se disocian completamente. Por ejemplo, los grupos carboxilo (— COOH), que se encuentran en los aminoácidos y otras biomoléculas, actúan como ácidos débiles y se disocian como se muestra a continuación: R — COOH s R — COO– + H+ Aquí, la flecha doble indica que el protón no solo puede disociarse del anión (R — COO–), sino que puede combinarse con él. Las sustancias que se combinan con protones se llaman bases y se clasifican como fuertes o débiles dependiendo de si se combinan completamente o no. Ejemplos de bases débiles son los grupos amino (— NH2), que se encuentran en los aminoácidos y otros compues-
Regulación de la actividad enzimática Acabamos de ver cómo las enzimas catalizan reacciones y cómo la velocidad de estas reacciones viene determinada por varios factores. A continuación echaremos un vistazo a cómo el organismo regula la actividad de sus enzimas para ajustar las velocidades de las reacciones metabólicas. Como consecuencia de los cambios en el organismo, las velocidades de las reacciones metabólicas están continuamente variando para ajustarse a las necesidades de cada momento. Este ajuste se logra por medio de mecanismos que regulan la actividad de ciertas enzimas. En algunos casos, las concentraciones de las enzimas celulares se ajustan para acelerar o frenar determinados procesos. Una mayor cantidad de enzimas puede ser sintetizada para, por ejemplo, incrementar la concentración enzimática y con ello las velocidades de las reacciones. Alternativamente, las enzimas se pueden degradar o inactivar para conseguir el efecto contrario. Lo más común es que las velocidades de reacción se ajusten mediante cambios en la actividad de enzimas ya existentes. Esta manera de alterar las velocidades de reacción es considerablemente más rápida que variar la concentración enzimática. Dos mecanismos comunes para alterar la actividad de enzimas existentes son las modificaciones covalentes y los reguladores alostéricos. Regulación alostérica Algunas enzimas tienen un sitio de unión denominado sitio de regulación, que es específico para moléculas generalmente conocidas como moduladoras. (El sitio de regulación es diferente del centro activo.) Un modulador induce un cambio conformacional en la enzima que cambia la estructura del centro activo, provocando un cambio en la actividad de la enzima al variar su tasa catalítica, su afinidad por el sustrato o
tos, y que reaccionan con los protones, como se muestra a continuación: R — NH2 + H+ s R — NH3+ La acidez de una disolución está determinada por la concentración de sus iones hidrógeno, que se puede expresar en términos de molaridad o mediante un número llamado pH, que está definido según la siguiente expresión: pH = log(1/[H+]) = – log [H+] donde [H+] es la concentración de iones hidrógeno. Ten en cuenta que, a medida que [H+] aumenta, el pH disminuye. Considera también que, debido a que la escala de pH es logarítmica, un cambio de una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentración de iones hidrógeno. Dicha concentración en agua pura es de 10–7 M, dando un pH de 7. Se dice que las disoluciones con un pH de 7 son neutrales. Una disolución cuyo pH es menor de 7 se dice que es ácida; si el pH es mayor de 7, la disolución es básica.
ambas. Este tipo de mecanismo regulatorio se conoce como regulación alostérica (fig. 3.10). En la regulación alostérica, la unión del modulador al centro regulador se produce a través de interacciones débiles y, por tanto, es reversible. Así, el modulador puede fácilmente desalojar el centro regulador después de haberse unido a él. La velocidad de las reacciones catalizadas sujetas a regulación alostérica varía con la concentración de sustrato según una función sigmoidea, tal y como se muestra en la figura 3.10b. La curva sigmoidea indica que la enzima tiene una mayor afinidad por el sustrato cuando este se encuentra en concentraciones mayores (propiedad común para las enzimas reguladas alostéricamente). La unión del modulador a la enzima puede traer tanto un incremento como un descenso en la actividad enzimática, dependiendo de la enzima en cuestión. Un modulador que incrementa la actividad enzimática se denomina activador; un modulador que disminuye la actividad enzimática se denomina inhibidor. Un activador alostérico desplaza la curva hacia la izquierda, indicando un incremento en la velocidad de reacción para una concentración de sustrato determinada, mientras que un inhibidor alostérico desplaza la curva hacia la derecha, indicando un descenso en la velocidad de la reacción (fig. 3.10c). Algunas enzimas tienen más de un tipo de modulador alostérico. A veces estos diferentes moduladores afectan a la enzima de maneras diferentes (algunos son inhibidores, mientras que otros son activadores). Regulación covalente Otro tipo de regulación es la regulación covalente, en la cual los cambios en la actividad enzimática vienen determinados por la unión covalente de grupos químicos específicos a lugares específicos de la enzima (fig. 3.11). En este proceso, la formación de enlaces covalentes entre el grupo
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Sitio de regulación
Modulador
Cataliza la formación de enlaces covalentes entre el grupo químico y la molécula de enzima
Enzima
+
71
Sitio activo
Enzima con la actividad modificada
(a)
Enzima A
Enlace covalente
Velocidad de la reacción
Enzima normal + Grupo químico Enzima alostérica
Enzima con la actividad modificada
Enzima B
Cataliza la rotura del enlace covalente
FIGURA 3.11 Regulación covalente de la actividad enzimática.
Concentración de sustrato
La unión covalente de un grupo químico a una molécula de enzima modifica la actividad enzimática. La formación de estos enlaces covalentes está catalizada por otra enzima (A); la eliminación del grupo químico requiere de nuevo la acción de otra enzima (B), que rompe los enlaces covalentes.
(b)
Velocidad de la reacción
Sitio activo
Enzima
Con activador alostérico
Con inhibidor alostérico
La desfosforilación la catalizan las fosfatasas, en un proceso que se puede representar como: E—P
fosfatasa
E + Pi
Las proteínas cinasa y fosfatasas generalmente son específicas de enzimas dianas, que son a su vez dianas para otros mecanismos de regulación alostérica o regulación covalente adicional.
Concentración de sustrato (c)
FIGURA 3.10 Regulación alostérica de la actividad enzimática. (a) Unión reversible de una molécula moduladora a un sitio de regulación en una enzima. Cuando se une, el modulador altera el sitio activo y, por tanto, la actividad de la enzima. (b) Efecto de la concentración del modulador en la actividad enzimática. La velocidad a la que una enzima alostérica cataliza las reacciones aumenta con la concentración de sustrato siguiendo una función sigmoidea (con forma de S). (c) Los activadores aumentan la velocidad de la reacción a una concentración de sustrato dada, mientras que los inhibidores disminuyen la velocidad de la reacción. ¿Por qué aumenta la cantidad de enzima unida a medida que aumenta P la concentración del modulador?
químico y la enzima la cataliza otra enzima diferente (enzima A en la fig. 3.11). Debido a que las uniones covalentes son relativamente fuertes, el grupo químico permanecerá unido a la enzima, a menos que los enlaces que los unen se rompan, lo cual requeriría la acción de otra enzima (enzima B en la fig. 3.11). Una manera común de regulación enzimática por modificaciones covalentes es la unión o eliminación de grupos fosfato (Pi) a las enzimas. La fosforilación de una enzima diana (E) se cataliza por un tipo de enzimas denominadas proteínas cinasa, como se muestra a continuación: E + Pi
proteína cinasa
E—P
Inhibición por retroalimentación A través de la regulación alostérica o covalente, se puede incrementar o disminuir la actividad de una enzima, pero las reacciones de una vía metabólica normalmente están catalizadas por diferentes enzimas, de las cuales solo unas pocas pueden ser reguladas. A través del control de enzimas clave, las células pueden ejercer el control sobre las rutas enteras. Ciertas enzimas de las rutas metabólicas son más propensas a ser el blanco de regulación que otras. Por ejemplo, dentro de una vía metabólica, las velocidades de las reacciones individuales varían. La velocidad de la ruta total solo pude ser tan rápida como la velocidad de su reacción más lenta, la cual recibe el nombre de reacción limitante. La enzima que cataliza la reacción limitante es frecuentemente objeto del proceso regulatorio conocido como inhibición por retroalimentación. En la inhibición por retroalimentación, un producto intermediario de una vía metabólica es capaz de inhibir alostéricamente a la enzima que cataliza una reacción anterior en el tiempo de la misma ruta. Tomando como ejemplo una vía metabólica consistente en tres etapas catalizadas por tres enzimas diferentes (E1, E2, y E3): (–) A
E1
B
E2
C
E3
D
Aquí, la molécula C actúa como inhibidor alostérico de la enzima E2, que se encarga de catalizar el segundo paso de la ruta,
72
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
tal y como se indica con la flecha con el signo negativo sobre ella. Normalmente, la inhibición por retroalimentación regula las actividades enzimáticas con el fin de mantener las velocidades de las reacciones constantes. Bajo estas condiciones (conocidas como estado estacionario), los tres pasos de la ruta descrita suceden a la misma velocidad, debido a que C se consume en el tercer paso tan rápido como se genera en el segundo, lo cual mantiene [C] constante. Si la velocidad del segundo paso se incrementa por alguna razón, [C] aumentaría, lo cual suprimiría la actividad de E2, contrarrestando así el cambio en la concentración. La inhibición por retroalimentación puede también acelerar o disminuir las reacciones metabólicas de acuerdo con las necesidades del organismo. Suponga, por ejemplo, que en el ejemplo anterior la velocidad del tercer paso aumenta como respuesta a una necesidad metabólica puntual que requiere la formación de más producto D. La aceleración del tercer paso provocará un consumo más rápido de C, lo cual causará una disminución en [C]. Esta caída de [C] reducirá la acción inhibitoria sobre E2, permitiendo, de esta manera, acelerar el paso dos de la ruta. A menudo, el inhibidor alostérico en la retroinhibición es el producto final de la ruta, y a este tipo de regulación se la conoce como inhibición por producto final. Por ejemplo, en la siguiente ruta, su producto final, D, inhibe E1: (–) A
E1
B
E2
E3
C
D
La enzima inhibida es normalmente la que cataliza la etapa limitante o la que cataliza la primera reacción de la ruta. Algunas rutas metabólicas, sin embargo, tienen ramificaciones. En estas rutas, las primeras enzimas de los puntos de ramificación suelen regularse también para controlar la velocidad de las reacciones de las ramificaciones. Considera la siguiente vía metabólica: A
B
E1
E2
C D
El intermediario B se puede transformar en C o D, dependiendo de la actividad relativa de las enzimas 1 y 2.
ción estables en condiciones normales, aunque también permite acelerarlas o retrasarlas cuando cambian las condiciones.
Test rápido 3.3 1. Indica cuál de las siguientes características produciría una mayor velocidad neta de reacción en la dirección de los productos si aumentase: temperatura, concentración de reactantes, concentración de productos, altura de la barrera de la energía de activación (selecciona todas las que cumplan la condición). 2. ¿Cómo es la velocidad de una reacción enzimática afectada por la tasa catalítica de una enzima? ¿Y por su afinidad por el sustrato? 3. ¿Cuál es la principal diferencia entre la regulación alostérica y la regulación covalente? ¿Y entre la retroalimentación y la inhibición anterógrada?
Oxidación de la glucosa: la reacción central del metabolismo energético Hemos estudiado cómo ciertas reacciones químicas son capaces de liberar energía, mientras que otras la consumen; también hemos comprobado que la energía liberada por algunas reacciones puede ser aprovechada para realizar algún trabajo a nivel celular. Hemos aprendido cómo las enzimas catalizan estas reacciones para que puedan ocurrir a la velocidad que requiera el organismo en cada momento. En esta sección aunaremos toda esta información para comprender cómo las células utilizan la degradación de los nutrientes para producir y almacenar suficiente energía como para mantener todos los procesos que tienen lugar en cada organismo. ¿Alguna vez te has planteado por qué respiramos? La respuesta es simple: la respiración nos permite obtener el oxígeno del aire cuando inspiramos, y nos deshacemos del dióxido de carbono cuando espiramos. Este intercambio de gases es crucial para nuestra supervivencia, ya que derivamos la mayor parte de nuestra energía de la reacción del oxígeno con la glucosa y otros compuestos que actúan como combustibles. Cuando el oxígeno reacciona con estos combustibles, se libera energía y dióxido de carbono como desecho. Esto es evidente en la reacción del oxígeno con la glucosa (C6H12O6), que se desarrolla de la siguiente manera: C6H12O6 + 6 O2 r 6 CO2 + 6 H2O + energía
Activación por alimentación anterógrada Otro mecanismo mucho menos frecuente de regulación enzimática es la activación por alimentación anterógrada, en la que se produce la activación de una enzima por una sustancia intermedia que aparece en la parte proximal de una vía metabólica, como la siguiente: (+) A
E1
B
E2
C
E3
D
En este ejemplo, E3, que cataliza el tercer paso, se activa por la sustancia B, que se produce en el primero. Igual que sucede en la inhibición por el producto final, la activación por alimentación anterógrada ayuda a mantener las velocidades de la reac-
Podemos ver cómo la completa oxidación de una molécula de glucosa requiere seis moléculas de oxígeno y genera seis moléculas de dióxido de carbono y otras tantas de agua. También se puede apreciar en esta reacción la liberación de energía, lo cual es la clave para convertirla en una reacción de vital importancia para las células. Las cantidades de energía liberadas son de 686 kcal por cada mol de glucosa ($E = –686 kcal/mol).
ATP: moneda energética Cuando se libera energía en una reacción, esta debe ser «capturada» en ciertas formas antes de que se pueda utilizar para la realización de algún trabajo; de otra manera, simplemente se disiparía (se liberaría al medio) en forma de calor. Cuando el car-
C A P Í T U LO 3 Adenosina NH2 C N
C
HC
C
N Trifosfato
CH N
N CH2
O HC
O
O
H
H
C
C
OH
OH
O
P
O
O–
C
P O–
O O
P
O–
O–
Metabolismo celular
73
La fosforilación oxidativa requiere oxígeno y un sistema de transporte de electrones. En secciones posteriores podrá aprender ejemplos específicos de fosforilación a nivel de sustrato y de fosforilaciones oxidativas. Ahora veremos cómo la degradación de la ATP libera energía. Tal y como ya hemos dicho anteriormente, el vapor generado en una planta energética actúa como un almacén temporal de energía, debido a que se utiliza para generar electricidad: durante este proceso pierde la energía que ganó con la combustión del carbón. Del mismo modo, la ATP también actúa como un almacén temporal de energía, porque después se degrada a ADP y Pi, proceso en el cual pierde la energía que almacenó cuando se sintetizó: ATP (+ H2O) r ADP + Pi + energía
ATP
FIGURA 3.12 ATP.
bón se quema en un horno, por ejemplo, se libera energía en forma de calor. Si esta energía no se captura, simplemente se disipa a la atmósfera, sin realizar ningún trabajo. Una planta de energía, por el contrario, captura la energía liberada en la combustión del carbón usando el calor para generar vapor a presión. Este vapor se usa después para mover un generador eléctrico, y al hacerlo se realiza un trabajo. De esta manera, el vapor actúa como un almacén temporal de energía o como un «intermediario» que facilita la transferencia de energía de la combustión del vapor al generador eléctrico. Las células aprovechan la energía liberada en una reacción como la oxidación de la glucosa para sintetizar un compuesto denominado adenosina trifosfato (ATP), que sirve como un almacén temporal de energía (fig. 3.12). La ATP se sintetiza de un nucleótido llamado adenosina difosfato (ADP) y un fosfato inorgánico (Pi) de acuerdo con la siguiente reacción: ADP + Pi + energía r ATP (+ H2O) La síntesis de ATP es un ejemplo de una reacción de condensación, ya que se genera agua como producto. (El agua a menudo se omite en la notación de la reacción para simplificarla.) La cantidad de energía requerida para generar un mol de ATP en condiciones normales es de alrededor de 7 kcal ($E = +7 kcal/mol). La formación de ATP es una reacción de fosforilación, porque implica la adición de un grupo fosfato (P) a otro compuesto, ADP. La síntesis de ATP tiene lugar a través de dos procesos básicos: la fosforilación a nivel de sustrato y la oxidativa. En la fosforilación a nivel de sustrato, se trasfiere un grupo fosfato desde un intermediario (X) al ADP, para formar ATP: X – P + ADP r X + ATP Por ejemplo, en las células musculares, la creatinina fosfato puede donar su grupo fosfato al ADP para formar ATP: creatinina fosfato + ADP r creatinina + ATP
Esta reacción a menudo se conoce como la hidrólisis del ATP, ya que el agua es uno de los reactantes. (Debido a que la hidrólisis del ATP libera energía e implica la rotura de un enlace simple, el enlace entre la molécula de ATP y cada uno de sus fosfatos se conoce como enlace de fosfato de alta energía.) Cuando las células necesitan energía para realizar un trabajo o poner en marcha reacciones endergónicas, la obtienen hidrolizando la ATP previamente sintetizada. Debido a que la oxidación de la glucosa y otras reacciones exergónicas suministran la energía necesaria para sintetizar ATP, estas reacciones son la última fuente para la energía celular.
ATP en acción Las células pueden sintetizar ATP usando la energía liberada de la oxidación de la glucosa, porque esta tiene una variación de energía negativa y, por tanto, tiene lugar de manera espontánea. En contraste, la síntesis de ATP tiene una variación de energía positiva y no ocurre espontáneamente. Cuando las células usan la oxidación de la glucosa (o alguna otra reacción exotérmica) para sintetizar ATP, parte de la energía liberada se emplea para suministrar la energía necesaria para la síntesis de ATP. Esto se consigue gracias a mecanismos que acoplan las reacciones de liberación de energía con aquellas que necesitan energía, de manera que suceden juntas (fig. 3.13). Cuando, a continuación, se degrada la ATP, la energía que se libera se acopla a mecanismos que permiten su aprovechamiento para la realización de trabajo. Hemos visto que la oxidación de un mol de glucosa produce 686 kcal de energía. Como solo se requieren 7 kcal para sintetizar un mol de ATP, la oxidación de un mol de glucosa es suficiente para sintetizar 98 moles de ATP. Cuando se mide la cantidad real de ATP sintetizada en la oxidación de un mol de glucosa, resulta que solo se forma la tercera parte del valor teórico antes mencionado, esto es, 38 moles de ATP por mol de glucosa. ¿Por qué tan poco? Para entender esto, se debe considerar la variación de energía del proceso global. Cuando se oxida un mol de glucosa y se producen 38 moles de ATP, el proceso completo se puede escribir de la siguiente manera: C6H12O6 + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi r 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
En la fosforilación oxidativa, la ADP une fosfato (Pi)inorgánico libre para formar ATP: ADP + Pi r ATP
La variación de energía para esta reacción es la suma de la variación de energía para la oxidación de la glucosa (–686 kcal) y la variación de energía de la síntesis de 38 moles de ATP
74
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
C6H12O6 + 6 O2
Oxidación de la glucosa
6 CO2 + 6 H2O
Calor
ATP
Calor
TRABAJO Energía
Energía
Movimiento celular Síntesis de moléculas Transporte a través de las membranas
ADP + Pi
FIGURA 3.13 Acoplamiento de reacciones en la transferencia de energía. Reacciones como la oxidación de la glucosa liberan energía que se utiliza para la síntesis de ATP. La posterior rotura de la ATP libera energía que se utiliza para llevar a cabo diversos tipos de trabajo celular.
P
Al romperse la molécula de ATP para formar ADP y P, ¿aumenta o disminuye la energía potencial de la molécula?
(38 moles 7 kcal/mol = 266 kcal). Por tanto, la oxidación de la glucosa libera más energía de la que se usa en la síntesis de ATP, proporcionando una variación de energía neta que es negativa ($E = –686 kcal + 266 kcal = –420 kcal). Debido a que la variación de energía neta es negativa, la reacción puede avanzar hacia la formación de ATP. Este ejemplo ilustra el principio general de que cuando una reacción exergónica se usa para hacer evolucionar a un proceso endergónico, la energía liberada no se puede utilizar con un 100% de eficiencia; parte de la energía liberada siempre acaba en la basura. Como las células usan en torno a 266 kcal de energía para la síntesis de ATP de las 686 kcal generadas en la oxidación de un mol de glucosa, solo un 40% de la energía liberada se rentabiliza (266 kcal/686 kcal = 0,388 0,4). Para el restante 60% de la energía liberada, la experiencia nos dice que al menos algo de ella se desprende en forma de calor (v. fig. 3.13), De hecho, el «calor corporal» es, en realidad, calor generado como producto de algunas reacciones metabólicas, incluyendo la oxidación de la glucosa.
Test rápido 3.4 1. La reacción de oxidación de la glucosa ¿es catabólica o anabólica? ¿Libera energía o la necesita? 2. ¿De dónde procede la energía para la síntesis de ATP? Cuando la ATP se disocia, ¿para qué se utiliza la energía liberada? 3. Cuando la energía procedente de la oxidación de la glucosa se utiliza para sintetizar ATP, solo cierta fracción de la energía liberada se utiliza para este propósito. ¿Qué sucede con el resto de la energía liberada?
Etapas de la oxidación de la glucosa: glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa Hemos visto que la oxidación de la glucosa libera energía, y que esta energía es utilizada por las células para la síntesis de ATP. Exactamente cómo las células realizan esta hazaña es el tema de esta sección. En una célula, la oxidación de la glucosa no se lleva a cabo en una única etapa; se produce en tres etapas distintas, que se llevan a cabo en distintos lugares dentro de la célula. Las etapas son: 1) glucólisis, que tiene lugar en el citosol; 2) el ciclo de Krebs
(también conocido como ciclo del ácido cítrico, ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ATC), que se produce en la matriz mitocondrial, y 3) fosforilación oxidativa, que tiene lugar a lo largo de la membrana mitocondrial interna. Cada una de estas etapas conlleva una serie de reacciones químicas que se mostrarán a continuación, empezando con un repaso de la glucólisis.
Glucólisis La glucólisis, que significa «rotura de azúcar», es una vía metabólica que comprende diez reacciones, cada una catalizada por una enzima citosólica diferente (fig. 3.14). En la glucólisis, cada molécula de glucosa (que tiene seis carbonos) se degrada a dos moléculas de piruvato (la forma ionizada del ácido pirúvico), que contiene tres átomos de carbono cada una. Estas moléculas de piruvato normalmente se degradan todavía más en las sucesivas etapas de la oxidación de la glucosa. Los principales resultados de la glucólisis se muestran en la figura 3.15 y se pueden resumir de la siguiente manera: 1. Al final de la glucólisis, cada molécula de glucosa se ha dividido en dos moléculas de piruvato. 2. Durante este proceso se consumen dos moléculas de ATP (una en cada una de las reacciones 1 y 3), aunque se producen cuatro más por fosforilación a nivel de sustrato (dos en la reacción 7 y dos en la reacción 10). Esto proporciona una síntesis neta de dos moléculas de ATP por molécula de glucosa consumida. 3. Se reducen dos moléculas de NAD+ en el paso 6, cediendo dos moléculas de NADH por cada molécula de glucosa. Cuando se tienen en cuenta todos los reactantes y productos, para la reacción global de la glucólisis tenemos: glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi r 2 piruvato + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP Observa que durante la glucólisis ni se consume oxígeno ni se produce dióxido de carbono. Aunque, de hecho, se consume oxígeno y se produce dióxido de carbono durante la oxidación de la glucosa, no es durante la glucólisis, sino en fases más tardías. La glucólisis es útil para las células, porque produce algo de ATP, pero, sobre todo, es importante porque prepara el terreno para las posteriores etapas del proceso, que producen mucho más ATP. El NADH que se produce en la glucólisis finalmente
C A P Í T U LO 3 CH2OH
O
O
H H OH
Glucosa
Gliceraldehído-3-fosfato (2)
H
H
HO
OH H
H
OH
P
O
O–
H
O H OH
Glucosa-6-fosfato
Triosafosfato isomerasa
CH2
Fosfoglucoisomerasa
H
Dihidroxiacetona C fosfato
2
CH2
P
O–
OH
CH2
O O–
OH
O–
C
O 2 NAD+
1,3-Bisfosfoglicerato (2) O
OH
CH
2 NADH + H+ O
OH H
P
5
H
HO
O
Gliceraldehído-3-fosfato 6 deshidrogenasa
ADP
O
O–
CH2
Pi
ATP Hexocinasa 1
O–
75
Metabolismo celular
O
P
O
O
P
CH
OH
O–
C
O
O–
O O
P
O–
O–
CH2
2 ADP
Fosfoglicerato cinasa 7 2 ATP
O– O
O
CH2
O–
H
OH OH
H
Fructosa-6-fosfato
O
CH2OH
OH
Aldolasa 4
3-Fosfoglicerato (2)
H
O–
CH2
O
P
CH
OH
O–
COOH ATP
Fosfofructocinasa 3 ADP
O O–
P
O
O
CH2
O–
H
H2C
P
O– 2-Fosfoglicerato (2)
O–
OH OH
H Fructosa-1,6-bisfosfato
O
Fosfoglicerato mutasa 8 O
OH
CH2
OH O
CH
O
COO–
O–
P O–
H Enolasa 9
2 H 2O
FIGURA 3.14 Reacciones de la glucólisis. Los números con círculo indican la secuencia de las reacciones individuales. Las enzimas que catalizan estas reacciones aparecen en cursiva al lado de cada número. Los números en paréntesis indican el número de moléculas producidas por cada molécula de glucosa.
CH2 Fosfoenolpiruvato (2)
C
O O
COO–
P
O–
O– 2 ADP
renunciará a sus electrones, liberando así la energía que se utiliza para sintetizar más ATP por fosforilación oxidativa. Además, los piruvatos que se generan, con el tiempo, se catabolizan en la siguiente etapa de oxidación de la glucosa, el ciclo de Krebs. Como veremos más adelante en este capítulo, el piruvato puede evolucionar a través de las siguientes etapas de la oxidación de la glucosa solo si hay disponible una determinada cantidad de oxígeno en el interior celular. Si la disponibilidad de oxígeno no es suficiente, el piruvato será transformado en un compuesto denominado ácido láctico (o lactato), el cual ya no se degrada más. A medida que continuamos nuestra discusión sobre el metabolismo de la glucosa, supón que el oxígeno está fácilmente disponible a menos que se indique lo contrario.
Ciclo de Krebs La glucólisis se asemeja a la mayoría de las rutas metabólicas porque consta de una secuencia de etapas con puntos iniciales
Piruvato cinasa 10 2 ATP CH3 Piruvato (2)
C
O
COO–
y finales diferenciados. En contraste, el ciclo de Krebs, la siguiente etapa en la oxidación de la glucosa, no tiene ni punto inicial ni punto final, porque es circular, como su nombre implica. La oxidación de la glucosa no progresa más allá de la glucólisis hasta que el piruvato, formado en el citosol, entra en la matriz mitocondrial. En la matriz mitocondrial, el piruvato se transforma en acetil-CoA en una reacción que reduce NAD+ a NADH + H+ y que produce dióxido de carbono (fig. 3.16). Nos
76
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular Glucosa
G L U C Ó L I S I S
2 NAD+ 2 ADP + 2 Pi
2 NADH + H+
A la fosforilación oxidativa
2 ATP
2 Piruvato (a) (b) Reacción general: glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi
2 piruvato + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
FIGURA 3.15 Resumen de la glucólisis. (a) Resumen esquemático de los principales reactantes y productos de la ruta de la glucólisis. Los números indican las cantidades producidas o consumidas por cada molécula de glucosa. (b) Reacción general de la glucólisis.
De la glucólisis Paso intermedio CH3 Piruvato
C
O
COO– CoA
NAD+
Piruvato deshidrogenasa
NADH + H+
A la fosforilación oxidativa
CO2 CH3 Acetil-CoA
O
C
CoA
Al ciclo de Krebs (a) (b) Reacción general: piruvato + CoA + NAD+
acetil-CoA + CO2 + NADH + H+
FIGURA 3.16 Paso intermedio entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. (a) El producto final de la glucólisis, el piruvato, pasa a ser el sustrato inicial del ciclo de Krebs, el acetil-CoA, en la matriz mitocondrial. (b) Reacción general del paso intermedio.
referimos a esta reacción como la etapa de unión, ya que une la glucólisis con el ciclo de Krebs. El acetil-CoA es el sustrato inicial para el ciclo de Krebs, y, como veremos más adelante, se genera en el metabolismo de proteínas, lípidos e hidratos de carbono. Como la glucólisis produce dos moléculas de piruvato por molécula de glucosa, una molécula de glucosa da lugar al final a dos moléculas de acetil-CoA. Cada acetil-CoA participa en una «vuelta» completa del ciclo de Krebs. Las reacciones del ciclo de Krebs se describen en detalle en la figura 3.17. Este diagrama comienza con acetil-CoA, que puede provenir de diversas fuentes. Los principales resultados del ciclo de Krebs se muestran en la figura 3.18 y se pueden resumir de la siguiente manera:
1. Por cada vuelta de ciclo, se generan dos moléculas de dióxido de carbono como productos finales (una en cada uno de los pasos 3 y 4). 2. La ATP solo se genera en el ciclo de Krebs por fosforilación a nivel de sustrato. 3. En una sola vuelta del ciclo de Krebs, se producen un total de cuatro equivalentes de reducción (3 NADH + H+ y 1 FADH2) (en los pasos 3, 4, 6 y 8). El cómputo general por cada vuelta de ciclo es: acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 3 H2O r 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
77
Acetil-CoA CH3 O
C NADH + H+
O
1
C
HO
COO–
8
COO– CH2
Citrato sintasa
CH2
COO–
Malato
CoA H2O
NAD+
CoA
COO–
Oxaloacetato
H
C
COO–
C
Citrato
CH2
Malato deshidrogenasa
COO–
OH
Aconitasa 2
COO–
CH2
CH2
COO– 7
Fumarasa
H
C
COO–
H
C
OH
COO–
H2O
Ciclo de Krebs NAD+
COO–
Isocitrato 3 deshidrogenasa
CH Fumarato
NADH + H+ CO2
CH COO–
COO– FADH2
Isocitrato
Succinato 6 deshidrogenasa
CH2 -Cetoglutarato
CH2 COO–
FAD
C -Cetoglutarato deshidrogenasa
CH2 Succinato
Succinil-CoA sintetasa
CH2
5
COO–
Pi
4 H2O
CoA GDP
ATP
CO2
CH2 C
ADP
CoA
NAD+ NADH + H+
CH2 GTP
COO–
CoA
COO–
O
O Succinil-CoA
FIGURA 3.17 Reacciones del ciclo de Krebs. Los números con círculo indican la secuencia de las reacciones individuales. Las enzimas que catalizan estas reacciones se encuentran en cursiva al lado de cada número.
P ¿De qué tipo de reacción es un ejemplo el paso 8 del ciclo de Krebs? En la oxidación de una molécula de glucosa, se producen dos moléculas de piruvato durante la glucólisis, generando así dos moléculas de acetil-CoA, que entrarán en el ciclo de Krebs. La reacción neta para el paso de unión y el ciclo de Krebs por glucosa es como sigue: 2 piruvato + 8 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 Pi + 6 H2O r 6 CO2 + 8 NADH + 8 H+ + 2 FADH2 + 2 ATP Cuando se combina con las dos moléculas de ATP por molécula de glucosa generadas en la glucólisis, las dos moléculas de ATP adicionales producidas durante el ciclo de Krebs hacen un total
de cuatro moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. Como veremos, sin embargo, casi toda la ATP se genera durante la etapa final de la oxidación de la glucosa, la fosforilación oxidativa. El ciclo de Krebs desempeña un papel importante en este proceso porque aporta 8 de las 12 moléculas de coenzimas reducidas que más adelante irán a parar a la fosforilación oxidativa para ceder sus electrones y liberar energía para sintetizar más ATP. El ciclo de Krebs y el paso de unión producen el 100% de las seis moléculas de dióxido de carbono resultantes de la oxidación completa de la glucosa. Observa que de momento no se ha consumido nada de oxígeno, lo que significa que el 100% del oxígeno consumido esperado (seis moléculas de oxígeno por molécula de
78
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular Acetil-CoA
3 NAD+ 1 FAD 3
H2O
3 NADH + H+ Ciclo de Krebs
1 ADP + 1 Pi
A la fosforilación oxidativa 1 FADH2 2 CO2 1 ATP
(a) (b) Reacción general: acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 3 H2O
2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP + CoA
FIGURA 3.18 Resumen del ciclo de Krebs. (a) Resumen esquemático de los principales reactantes y productos del ciclo de Krebs. Los números indican las cantidades producidas o consumidas por cada molécula de acetil-CoA que entra en el ciclo de Krebs. (b) Reacción general del ciclo de Krebs.
glucosa) deberá consumirse durante la fosforilación oxidativa, la última etapa de la oxidación de la glucosa. Como veremos a continuación, el oxígeno desempeña un papel vital en la fosforilación oxidativa, ya que es el último aceptor de todos los electrones cedidos por el NADH + H+ o el FADH2. Sin él, los electrones no tendrían dónde ir y la fosforilación oxidativa se detendría.
Fosforilación oxidativa La mayoría de la ATP sintetizada por las células se consigue por fosforilación oxidativa, que implica dos procesos simultáneos: 1) el transporte en la membrana mitocondrial interna de átomos de hidrógeno o de electrones a través de una serie de componentes, conocidos como la cadena de transporte de electrones, que libera energía, y 2) el aprovechamiento de esta energía para sintetizar ATP, lo que se lleva a cabo por un mecanismo conocido como acople quimiosmótico. En la fosforilación oxidativa, las coenzimas reducidas (NADH + H+ y el FADH2) generadas en las anteriores etapas de la oxidación de la glucosa sirven como fuente de energía para las síntesis de ATP: el NADH + H+ y el FADH2 liberan electrones a la cadena de transporte de electrones y, según estos electrones recorren la cadena, se libera energía. La mayoría de esta energía se captura y se aprovecha para conducir la síntesis de ATP, que es catalizada por una enzima denominada ATP sintasa.
Cadena de transporte de electrones La cadena de transporte de electrones comprende una serie de componentes localizados en la membrana mitocondrial interna. La mayoría de estos componentes son proteínas especializadas en funcionar como transportadores de electrones, esto es, unen electrones de manera reversible y así tienen la capacidad de cederlos al siguiente componente. Entre estos transportadores de electrones se encuentran otros componentes denominados citocromos, que poseen grupos químicos especiales denominados hemo capaces de albergar iones de hierro. (El grupo hemo también se puede encontrar en la hemoglobina, tal y como su nombre sugiere.) También podemos encontrar varias proteínas ferrosulfuradas, las cuales contienen átomos de hierro unidos a azufre. La mayoría de estas proteínas se agregan en forma de grandes complejos que se encuentran firmemente embebidos en la membrana mitocondrial interna. Unos pocos transportadores de electrones son moléculas individuales que se mueven libremente en la bicapa lipídica y
transportan tanto en una dirección como en la otra. Una de ellas, denominada coenzima Q, no es una proteína, sino una pequeña molécula compuesta mayoritariamente por hidrocarburos. Los electrones se transportan en esta cadena por las coenzimas reducidas (NADH y FADH2) generadas en la glucólisis, el paso de unión y el ciclo de Krebs. Estas coenzimas reducidas ceden sus electrones a ciertos componentes de la cadena que actúan como aceptores. Estos aceptores de electrones los donan a otros aceptores diferentes, que, a su vez, los pasan a los siguientes, y así sucesivamente. Cada vez que los electrones se mueven de un componente al siguiente, pierden algo de energía, y es esta energía la que se utilizará para la síntesis de ATP. Los electrones recorren la cadena saltando de un componente al siguiente en una secuencia específica mostrada en la figura 3.19. La NADH dona su par de electrones al primer componente aceptor de la cadena, denominado flavina mononucleótido (FMN). En el proceso, la NADH se oxida a NAD+ (que queda libre para capturar un nuevo par de electrones en la glucólisis o el ciclo de Krebs), mientras que la FMN se reduce. La FMN pasa entonces los electrones al siguiente componente de la cadena, una proteína ferrosulfurada, y se oxida, quedando libre para aceptar un nuevo par de electrones de otra molécula de NADH. A pesar de que los electrones abandonan la NADH en forma de hidrógenos, la mayoría de los componentes de la cadena no transportan átomos de hidrógeno, solo electrones libres. Consecuentemente, en algún punto los electrones se extraen del átomo de hidrógeno original, los cuales quedan en solución como iones hidrógeno (H+), mientras que los electrones continúan moviéndose a lo largo de la cadena. Sin embargo, algunos componentes sí que transportan protones, pero lo hacen a través de la membrana mitocondrial interna. En tres componentes, los protones se mueven al espacio intermembranoso, en donde se concentran. En el último componente, los protones se mueven en la dirección opuesta, de vuelta a la matriz mitocondrial. En esencia, podemos pensar en la cadena de transporte de electrones como algo que transporta tanto protones como una combinación de protones y electrones. La liberación de electrones (denotados como e–) a la cadena de transporte de electrones por el NADH se representa en lo alto de la figura 3.19 de la manera siguiente: NADH + H+ r NAD+ + 2H+ + 2e– Observa que la liberación de electrones por el FADH2 está escrita en la figura 3.19 de manera similar.
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Metabolismo celular
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Desde la glucólisis, el paso intermedio y el ciclo de Krebs NADH + H+
NAD+
2 e– + 2 H+
Mononucleótido de flavina
Proteína ferrosulfurada Del ciclo de Krebs
FADH2
2e– + 2H+
Coenzima Q
FAD Citocromo b
Proteína ferrosulfurada
Citocromo c1
Citocromo c
Citocromo a
Citocromo a3
C A D E N A
ADP + Pi Energía
ATP
D E T R A N S P O R T E
ADP + Pi Energía
ATP
D E E L E C T R O N E S
ADP + Pi Energía
ATP
2 e– + 2 H+
1/2
O2
H2O
FIGURA 3.19 Cadena de transporte de electrones. Las flechas indican el camino del electrón desde un donador de electrones inicial (NADH o FADH2) hasta el oxígeno, aceptor final de electrones. Las flechas onduladas a la derecha indican que el movimiento de electrones a través de la cadena libera energía, aprovechada para llevar a cabo la síntesis de ATP por la fosforilación oxidativa.
P ¿Qué componentes de la cadena de transporte de electrones contienen grupos hemo? Después del paso de FMN a la proteína ferrosulfurada, los electrones pasan a la coenzima Q, que los pasa a un citocromo denominado citocromo b, y así sucesivamente. Cuando al final los electrones alcanzan el último componente de la cadena, el citocromo a3, se recombinan con hidrogeniones para formar hidrógenos, que reaccionan inmediatamente con el oxígeno del agua:
con la anterior, podemos ver que el resultado neto del transporte de electrones es lo mismo que si la NADH simplemente hubiera cedido sus electrones directamente al oxígeno del agua, lo cual es una reacción exergónica:
2 e– + 2 H+ + ½ O2 r H2O
Si este es el resultado, entonces ¿para qué usar la cadena de transporte de electrones? La cadena de transporte de electrones provee de un mecanismo para aprovechar la energía liberada de una manera útil, a saber, para sintetizar ATP. (Veremos cómo
(El átomo de oxígeno se escribe como ½ O2 porque entra en la reacción en su forma molecular, O2.) Combinando esta reacción
NADH + H+ + ½ O2 r NAD+ + H2O + energía
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Metabolismo celular
Matriz Espacio intermembranoso
Espacio intermembranoso
Alta concentración de H+
Iones H+
Membrana externa Membrana interna
III I
aQ Coenzim
Membrana mitocondrial interna
2 e– + 2 H+
NADH + H+
ATP sintasa
IV
Citocromo c
2 e– + 2 H+ NAD+
1/2
Baja concentración de H+
ADP + Pi
O2
ATP
H2O
Matriz Mitocondria
FIGURA 3.20 Acoplamiento quimiosmótico. La oxidación de la NADH permite a los pares de electrones pasar a través de tres grandes complejos de la membrana mitocondrial interna (I, III y IV), que contienen los componentes de la cadena de transporte de electrones. (Los electrones son transportados desde el complejo I al complejo III por la coenzima Q, y desde el complejo III al complejo IV por el citocromo c.) Según estos electrones se mueven a través de
sucede este acoplamiento un poco más adelante.) La cantidad precisa de ATP generado depende de las condiciones de la célula; se sintetizan dos o tres moléculas de ATP por cada par de electrones donados por la NADH. La FADH2 también dona electrones a la cadena de transporte, pero no los dona a la FMN por las siguientes razones: FAD se encuentra unido permanentemente a su enzima vecina succinato deshidrogenasa (v. paso 6 del ciclo de Krebs, fig. 3.17), la cual, a diferencia del resto de las enzimas del ciclo de Krebs, se encuentra insertada en la membrana mitocondrial interna. Por esta razón, la FADH2 no es libre de moverse por donde quiera, como lo es la NADH. Debido a su localización, la FADH2 se elimina físicamente de la FMN y, por tanto, no le puede donar sus electrones, sino que los dona a la coenzima Q (v. fig. 3.19). Estos electrones, como los que vienen desde el NADH, con el tiempo se combinan con oxígeno para formar agua, pero, como entran en la cadena en un punto intermedio, liberan menos energía. Como consecuencia, solo se sintetizan una o dos moléculas de ATP por cada par de electrones cedidos por la FADH2, en contraste con las dos o tres moléculas de ATP producidas cuando los electrones son cedidos por la NADH. Sabemos que se libera energía cuando los electrones se mueven a lo largo de la cadena de transporte de electrones y que esta energía se utiliza para la síntesis de ATP. Pero ¿cuál es el mecanismo que acopla la liberación de energía con la síntesis de ATP? La respuesta es el acoplamiento quimiosmótico, que discutiremos a continuación.
Acoplamiento quimiosmótico El proceso que acopla el transporte electrónico con la síntesis de ATP, conocido como acoplamiento quimiosmótico, primero utiliza la energía liberada en la cadena de transporte de electrones para transportar protones en contra de gradiente a través de la membrana mitocondrial interna; luego utiliza la energía almacenada en este nuevo gradiente creado para sintetizar ATP (fig. 3.20).
los complejos, se libera energía, parte de la cual se utiliza para el transporte de iones hidrógeno (H+) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso. Los protones se mueven en dirección contraria (a favor del gradiente de concentración) gracias a la enzima ATP sintasa, en el proceso de liberación de energía que es utilizado para sintetizar ATP. (Para simplificar, la liberación de electrones por FADH2 se ha omitido del esquema.)
La membrana mitocondrial interna contiene cuatro componentes distintos de la cadena de transporte de electrones (v. fig. 3.20). Tres de estos cuatro complejos, además de funcionar como transportadores de electrones, pueden actuar como transportadores de iones de hidrógeno (H+) a través de la membrana. Según los electrones pasan a través de estos complejos (designados por números romanos I, III y IV), estos utilizan la energía generada para transportar protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranoso. Este movimiento de protones crea una diferencia de concentración (un gradiente de concentración) a lo largo de la membrana tal que la concentración fuera de ella es mayor que en la matriz (v. fig. 3.20). Este gradiente de concentración representa un almacén de energía potencial. (Una diferencia en el potencial eléctrico a lo largo de la membrana se añade, además, a esta energía almacenada.) La enzima ATP sintasa, que cataliza la síntesis de ATP, se localiza en la membrana mitocondrial interna junto con los componentes de la cadena de transporte de electrones, y utiliza la energía almacenada en forma de gradiente de protones para desarrollar su función. Al igual que los complejos previamente descritos, es capaz de trasportar protones a través de la membrana. En este caso, sin embargo, los protones se mueven a favor de gradiente, no en contra (v. fig. 3.20). Este flujo de protones libera energía, que la ATP sintasa se encarga de aprovechar para sintetizar ATP. A veces, los protones se cuelan a través de la membrana de manera independiente a la ATP sintasa; este movimiento de protones se desacopla de la síntesis de ATP y es una de las razones por la cual la producción de ATP por par de electrones cedidos por la NADH o la FADH2 es menor a la cantidad óptima (tres o cuatro, respectivamente). (V. «Descubrimientos: ¿Pueden los desacopladores contribuir a perder peso?».)
Resumen de la fosforilación oxidativa Hemos visto que, en la fosforilación oxidativa, la última etapa de la oxidación de la glucosa, ocurren los siguientes acontecimientos:
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Metabolismo celular
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DESCUBRIMIENTOS
¿Pueden los desacopladores contribuir a perder peso? El movimiento de electrones en la cadena de transporte está unido a la síntesis de ATP mediante el acoplamiento quimiosmótico. Si este acoplamiento fuera perfecto, por cada NADH + H+ que proporcionara electrones y protones (iones de hidrógeno) a la cadena transportadora de electrones se generarían tres moléculas de ATP, y por cada FADH2 que proporcionara electrones y protones se producirían dos de ATP. Sin embargo, en la realidad, algunos de los protones transportados al espacio intermembranoso de la mitocondria atraviesan la membrana mitocondrial interna hacia la matriz independientemente del canal de ATP sintasa. Estos protones «filtrados» no contribuyen a la síntesis de ATP, y se dice que son «desacopladores» de la fosforilación oxidativa. Existe una fuga basal que se produce
de manera continua, y las proteínas desacopladoras aumentan la cantidad de protones fugados. Cuanto mayor sea el desacoplamiento, menos ATP por oxígeno consumido producirá el organismo. Se encuentran mitocondrias desacopladas en casi todos los tejidos, pero las proteínas desacopladoras se localizan de manera particular en el tejido adiposo, el hígado y el músculo esquelético. Aunque se desconoce la función fisiológica de las proteínas desacopladoras en los seres humanos, resultan interesantes para la pérdida de peso, porque el desacoplamiento aumenta la velocidad metabólica del organismo. Un aumento de la velocidad metabólica permite al organismo «quemar» más energía y, por tanto, perder peso.
1. LA NADH y FADH2, generadas en las anteriores etapas de la oxidación de la glucosa, ceden sus electrones a la cadena transportadora de electrones. Estos electrones fluyen a través de la cadena para salir de ella y combinarse con oxígeno, formando agua como producto final. 2. El movimiento de los electrones a lo largo de la cadena libera energía, que se utiliza para bombear protones al espacio intermembranoso. Esto genera un gradiente de concentración de protones a través de la membrana que sirve para almacenar la energía liberada durante el transporte electrónico. 3. Esta energía almacenada se libera cuando los protones fluyen a favor de gradiente a través de la ATP sintasa, que usa esta energía para sintetizar ATP. Como máximo, se producen tres ATP por cada par de electrones cedidos por la NADH, y dos por la FADH2. Dado que se generan 10 moléculas de NADH y dos moléculas de FADH2 por cada molécula de glucosa oxidada, es de esperar que se sinteticen 34 moléculas de ATP durante la fosforilación oxidativa [(10 NADH + 3 ATP/NADH) + (2 FADH2 + 2 ATP/FADH2) = 34 ATP]. Como estas 12 moléculas de coenzimas reducidas transportan cada un total de 12 pares de hidrógeno, esperaríamos que se formasen 12 moléculas de agua, lo que requiere que se consuman seis moléculas de oxígeno en el proceso. De esta manera, la reacción global para la fosforilación oxidativa es (fig. 3.21): 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 34 ADP + 34 Pi + 6 O2 r 10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O + 34 ATP
Observa que esto representa el 100% de oxígeno consumido en la oxidación de una molécula de glucosa. Quizás, sorprendentemente, la reacción muestra también que se producen más moléculas de agua (12 en lugar de 6). Sin embargo, cuando se tienen en cuenta las seis moléculas de agua consumidas durante el ciclo de Krebs, el resultado neto refleja seis moléculas de agua producidas, acorde con lo esperado.
Comprueba tus conocimientos Recuerda que dos de las NADH + H+ producidos durante la oxidación de la glucosa fueron generados en el citosol durante la glucólisis. Estas dos NADH + H+ no pueden atravesar la membrana mitocondrial y donar sus electrones directamente a la cadena de transporte de electrones. Por el contrario, los electrones son lanzados a través de la membrana por varias moléculas. Estos electrones lanzados pueden ser donados a NAD+ o FAD en la mitocondria. Discute la consecuencia en términos de producción de ATP de si ambos electrones fueran lanzados a la NAD+ mitocondrial, a la FAD mitocondrial, o un electrón fuera hacia la NAD+ y otro hacia la FAD.
Cuando se compara con la cantidad de ATP generado por fosforilación a nivel de sustrato en la glucólisis y el ciclo de Krebs, resulta evidente que la fosforilación oxidativa es la responsable de la mayoría de la ATP sintetizada por las células. Dado que la fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación oxidativa generan 4 y 34 moléculas de ATP, respectivamente, por glucosa, las
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Metabolismo celular
CONEXIONES CLÍNICAS
Antioxidantes y radicales libres Lo ves en las botellas de zumo, en las etiquetas de los suplementos dietéticos y en los artículos que pregonan los beneficios de comer chocolate negro o beber té verde: «¡con antioxidantes!». Pero, ¿qué son exactamente los oxidantes y por qué pueden ser perjudiciales? El metabolismo del oxígeno supone la producción de radicales libres, que son especies moleculares altamente reactivas que pueden dañar las células del organismo. Los radicales libres tienen uno o más electrones desapareados («libres»). Debido a que los electrones son más estables cuando están apareados, los radicales libres son muy reactantes. Ganan estabilidad en las células reaccionando con otras moléculas, ganando un electrón cogiéndolo de otra molécula (es decir, oxidando a la otra molécula). Llamamos oxidantes a los radicales libres y a otros agentes que realizan procesos de oxidación. Los oxidantes tienen funciones normales en las células —por ejemplo, ayudan en la destrucción de las bacterias durante la inflamación y pueden inducir mecanismos de protección en una célula
durante el estrés celular—. Sin embargo, cuando exceden la capacidad antioxidante de la célula, pueden reaccionar con moléculas bioquímicas (incluyendo ADN, proteínas y fosfolípidos) y causar daño celular, una situación conocida como estrés oxidativo. La mayoría de las células del organismo generan oxidantes y están sujetas al estrés oxidativo. Así, el estrés oxidativo se ha asociado con numerosos estados patológicos, incluyendo artritis, enfermedad cardíaca, accidente cerebrovascular y enfermedades degenerativas como la enfermedad de Alzheimer y la diabetes mellitus insulinodependiente. Consecuentemente, la investigación científica ha prestado más atención a los antioxidantes (que eliminan los oxidantes y las moléculas que reaccionan con los radicales libres, cambiando su naturaleza reactiva) como potencial prevención de la enfermedad. Algunos investigadores tienen la hipótesis de que suplementos dietéticos de vitaminas C y E ayudan a prevenir la enfermedad cardíaca, igual que el consumo de ciertas frutas y verduras, chocolate negro y vino tinto. Si bien la investigación
no es aún concluyente, existen algunas evidencias de que las vitaminas antioxidantes puedan ralentizar las enfermedades y quizás incluso el proceso de envejecimiento.
El chocolate negro es una fuente de antioxidantes.
Procedente de la glucólisis, el paso intermedio y el ciclo de Krebs
10 NADH + H+ + 2 FADH2
10 NAD+ 6 O2
Fosforilación oxidativa
34 ADP + 34 Pi
(a)
2 FAD 12
H2O
34 ATP
(b) Reacción general: 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 34 ADP + 34 Pi + 6 O2
10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O + 34 ATP
FIGURA 3.21 Resumen de la fosforilación oxidativa. (a) Resumen esquemático de los principales reactantes y productos de la fosforilación oxidativa. Los números indican las cantidades producidas o consumidas por cada molécula de glucosa que entra en la glucólisis. (b) Reacción general para la fosforilación oxidativa.
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cuentas finales indican que casi un 90% del total de las 38 moléculas de ATP se producen por fosforilación oxidativa. (A pesar de que el oxígeno es esencial para producir la mayor parte de la energía de las células, su gran reactividad contribuye a diferentes patologías. (V. «Conexiones clínicas: Antioxidantes y radicales libres».)
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Glucosa
G L U C Ó L I S I S
2 NAD+ 2 ADP + 2 Pi
Resumen de la oxidación de la glucosa Ahora que hemos examinado con detalle las tres etapas del metabolismo de glucosa, podemos juntarlo todo para ver «el cuadro general». Para ayudarnos a conseguir esto, el metabolismo completo de la glucosa se resume en la figura 3.22, una recopilación de las figuras 3.15, 3.16, 3.18 y 3.21. Ten en cuenta que cuando todos los reactantes y productos de las tres etapas se cuentan en la figura 3.22b, el resultado es que por cada molécula de glucosa consumida, también se consumen seis moléculas de oxígeno. Además, se producen seis moléculas de agua y otras tantas de dióxido de carbono. Estos números están totalmente de acuerdo con la reacción general de la oxidación de la glucosa (C6H12O6 + 6 O2 r 6 CO2 + 6 H2O). Como se producen, además, 38 moléculas de ATP, la reacción global para las tres etapas será como sigue:
Metabolismo celular
2 NADH + H+ 2 ATP
2 piruvato 2 NAD+
2 NADH + H+ 2 CO2 2 acetil-CoA
6 NAD+ 2 FAD 6
H2O
6 NADH + H+ Ciclo de Krebs
2 FADH2 4 CO2 2 ATP
2 ADP + 2 Pi
10 NAD+ 6 O2
Fosforilación oxidativa
34 ADP + 34 Pi
2 FAD 12
H2O
34 ATP (a)
glucosa + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi r 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
(b) Reacción general: glucosa + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi
6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
FIGURA 3.22 Resumen de la oxidación de la glucosa. (a) Recopilación de las figuras 3.15a, 3.16a, 3.18a No aparecen ni la NAD ni la FAD, y 3.21a, que muestra las tres etapas de la oxidación de la glucosa y sus relaciones. (b) Reacción general de la porque estas coenzimas se reducen en oxidación de la glucosa como una suma de las reacciones individuales. Por cada molécula de glucosa que la glucólisis y el ciclo de Krebs, pero se oxida, se pueden generar un máximo de 38 moléculas de ATP. luego se vuelven a oxidar durante la fosforilación oxidativa, volviendo a su forma original. La glucosa no es el único azúcar que se puede degradar en las la velocidad a la cual se esté consumiendo; en otras palabras, células para producir energía. Las células también pueden metadepende de la demanda metabólica de los tejidos. Si se puede bolizar otros monosacáridos, como la fructosa, un componente suministrar oxígeno a la velocidad adecuada como para satisfadel azúcar de mesa; la galactosa, componente del azúcar de la cer la demanda metabólica, este estará siempre disponible para leche; y otro monosacárido denominado manosa. Para utilizar actuar como aceptor final de electrones y la glucólisis podrá proestos azúcares, las células primero los convierten en ciertos ceder hasta el final. En el caso de que el aporte de oxígeno no esté intermediarios de la glucólisis, como la glucosa-6-fosfato y la en condiciones de satisfacer su demanda (debido a la reducción fructosa-6-fosfato. Estos intermediarios directamente se introdel flujo sanguíneo en un tejido u órgano específico, por ejemducen en la ruta de la glucólisis, siguiendo a partir de ahí los plo), la concentración de oxígeno caerá hasta niveles muy bajos, pasos de la oxidación de la glucosa. quizás incluso acercándose a cero. Bajo estas condiciones, habrá muy pocas moléculas de oxígeno disponibles para aceptar los electrones que llegan al final de la cadena transportadora, de Conversión de piruvato en ácido láctico manera que será difícil «descargarlos» de los componentes de la cadena. Como resultado, el flujo de electrones a través de la cadeDado que el oxígeno es el aceptor final de los electrones en la na transportadora decae, así como también lo hace la velocidad fosforilación oxidativa, este debe ser suministrado a los tejidos de de síntesis de ATP por desfosforilación oxidativa. Bajo estas conun modo constante si la oxidación de la glucosa procede hasta el diciones se desencadena un fenómeno de saltos de electrones en final. La velocidad a la que se suministra el oxígeno depende de
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Metabolismo celular
Glucosa G L U C Ó L I S I S 6
2 ATP
Piruvato CH3 C
O
NADH + H+
NAD+
Lactato deshidrogenasa
COO–
Lactato CH3 H
C
OH
COO–
FIGURA 3.23 Conversión de piruvato a lactato. El NADH, que es generado en el paso 6 de la glucólisis, puede convertirse a NAD+ en una reacción que produce lactato a partir de piruvato. Esta reacción asegura un constante suministro de NAD+, lo que permite la continua realización del paso 6 y la continua producción de ATP incluso bajo condiciones reducidas de oxígeno disponible.
la cadena, que conducirá a un descenso en el número de moléculas de FMN disponibles para aceptar electrones de la NADH. Cuando esto sucede, las moléculas de coenzima quedan «atrapadas» en su forma reducida, y los niveles de NAD+ disminuyen. Cualquier caída en los niveles de NAD+ es una potencial amenaza para toda la producción de ATP, ya que el suministro de NAD+ es necesario para el correcto funcionamiento tanto de la glucólisis como del ciclo de Krebs. De particular interés aquí es el paso 6 de la glucólisis, que ocurre antes de cualquiera de los pasos en los que se sintetice ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Esto quiere decir que, si se agota el oxígeno y disminuye el suministro de NAD+, no solo disminuye la fosforilación oxidativa, sino que también lo hace la fosforilación a nivel de sustrato. En consecuencia, una reducción en la disponibilidad de oxígeno frenará (o incluso parará) todos los procesos de síntesis de ATP celulares, lo cual sería desastroso para la célula, porque su suministro de ATP llegará a agotarse. Afortunadamente, este desastre se puede prevenir. La mayoría de las células poseen una enzima denominada lactato deshidrogenasa (LDH), que puede convertir el piruvato (producto final de la glucólisis) a lactato de acuerdo con la siguiente reacción: piruvato + NADH + H+
LDH
lactato + NAD+
La importancia de esta reacción es la siguiente: bajo ciertas circunstancias en las que la NADH no puede descargar sus electrones a la cadena transportadora porque existe una limitación en la cantidad de oxígeno, esta reacción provee de una ruta alternativa que permite a los electrones descargarse en una reacción que genera NAD+ libre, que puede, a su vez, captar más electrones en el paso 6 de la glucólisis. De esta manera, cuando la cade-
na de transporte de electrones no está disponible para aceptar electrones, la NADH y la NAD+ pueden interconvertirse la una en la otra por medio de la conversión de piruvato a lactato y el paso 6 de la glucólisis (fig. 3.23). Esta reacción garantiza el suministro constante de NAD+, que permite al paso 6 de la glucólisis avanzar cuando la disponibilidad de oxígeno es limitada. Más importante aún, el hecho de que el paso 6 pueda avanzar significa que los pasos posteriores también podrán progresar, incluidos los pasos 7 y 10, en los cuales se sintetiza ATP. La habilidad de sintetizar ATP de esta manera descrita permite a los músculos y otros tejidos continuar trabajando incluso cuando la cantidad de oxígeno disponible es baja, pero es importante darse cuenta de que esto no significa que el organismo pueda sobrevivir indefinidamente en ausencia de oxígeno. Por una razón, solo se producen dos moléculas de ATP por molécula de glucosa durante la glucólisis, lo que representa solo el 5% de la ATP normalmente sintetizada como resultado de la completa oxidación de la glucosa. A menos que la demanda energética de la célula sea muy baja, la glucólisis por sí sola no pude suministrar la cantidad de ATP necesaria para cubrir sus necesidades funcionales. (Es interesante recordar que los eritrocitos, que transportan oxígeno, solo obtienen ATP de la glucólisis, puesto que carecen de mitocondrias.) Además, dado que la conversión de piruvato a lactato conduce a una «vía muerta», el lactato tiende a acumularse en las células cuando se produce a altas velocidades, lo que puede causar acidificación del medio intracelular. El lactato, además, puede difundir al medio extracelular y «desbordarse» al torrente sanguíneo, provocando la acidificación de la sangre. La acidificación de los tejidos acabaría interfiriendo con el correcto funcionamiento celular y, por tanto, esta situación no se puede prolongar demasiado en el tiempo. Incluso con estas desventajas, la glucólisis anaerobia cumple una función muy importante en el metabolismo muscular. (V. «Ejercicio de aplicación: Fuentes de energía para las células musculares».) Como el lactato es potencialmente dañino para las células, estas deben deshacerse de él. Cuando la disponibilidad de oxígeno se recupera, el piruvato se encamina de nuevo hacia el ciclo de Krebs, y la concentración de piruvato celular disminuye. Como resultado de la ley de acción de masas, la reacción de la lactato deshidrogenasa comienza a evolucionar en sentido contrario al descrito hasta ahora y, por tanto, el lactato es transformado de nuevo en piruvato y la NAD+ pasa a NADH: piruvato + NADH + H+
LDH
lactato + NAD+
La NADH generada en esta reacción procederá a la fosforilación oxidativa, y el piruvato al ciclo de Krebs. De esta manera, la conversión de piruvato a lactato representa una ruta lateral momentánea de la ruta normal de la oxidación de la glucosa, una bifurcación que termina cuando el lactato se reconvierte de nuevo en piruvato.
Test rápido 3.5 1. Nombra las tres etapas de la oxidación de la glucosa en el orden en que suceden. ¿En qué etapa(s) se consume oxígeno? ¿En cuál(es) se produce dióxido de carbono? ¿Qué etapa es la que normalmente produce mayor cantidad de ATP? ¿Cuál(es) sucede(n) en el citosol? 2. Distingue entre fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa. ¿En qué etapa(s) sucede la fosforilación a nivel de sustrato? ¿En cuál(es) sucede la fosforilación oxidativa? 3. ¿Qué condiciones son las más probables de causar un aumento en la velocidad de producción de lactato por las células? ¿Por qué?
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Metabolismo celular
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Fuentes de energía para las células musculares Durante el ejercicio, las células de los músculos esqueléticos utilizan ATP para la contracción. Cuánto ATP se utiliza y de dónde viene depende de la intensidad y del tipo de ejercicio. Piensa en un entrenador de pesas que realiza casi un esfuerzo máximo para levantar grandes pesos. Este tipo de ejercicio hace a los músculos más fuertes, aumentando el tamaño de las células musculares. Cuando una persona levanta un gran peso, rápidamente los músculos necesitan mucha energía. La sangre que fluye al tejido no es lo suficientemente rápida para proporcionar el oxígeno necesario para la fosforilación oxidativa. De este modo, las células musculares dependen de la glucólisis anaerobia. El entrenamiento con pesas, por lo general, implica varios ejercicios diferentes que trabajan diferentes tipos de grupos musculares. Para cada ejercicio, se realizan dos o tres
conjuntos de series de repeticiones del mismo movimiento. Por ejemplo, para fortalecer el bíceps, se levanta peso haciendo flexiones de bíceps (flexionando el brazo mientras se sujeta la pesa). Entonces, se realiza el ejercicio ocho o diez veces (un conjunto) con un gran peso. Tras una breve pausa, se repite el ejercicio el mismo número de veces (segundo conjunto). Una persona que se esté entrenando de este modo, puede levantar este gran peso solo durante unas pocas repeticiones, porque la glucólisis anaerobia no es muy eficiente y la ATP se gasta rápidamente. Además, el lactato se genera en la célula muscular, produciendo una sensación de quemazón y contribuyendo al cansancio. El segundo conjunto es más duro que el primero, porque no se ha restablecido toda la energía utilizada para el primero. Ahora piensa en un corredor. Una persona que planea correr un par de kilómetros no uti-
4. El cianuro se une al complejo IV del sistema de transporte de electrones, evitando la reducción del oxígeno a agua. Describe el efecto final del cianuro en el transporte de electrones, la consumición de oxígeno y la producción de ATP. ¿Cómo puede esto, a su vez, afectar a una persona?
Almacenamiento y uso de energía: metabolismo de hidratos de carbono, grasas y proteínas Hasta ahora, nuestra revisión sobre el metabolismo energético se ha restringido a una sola fuente de energía (glucosa). Sin embargo, el metabolismo de lípidos y proteínas (además de otros hidratos de carbono diferentes de la glucosa) también tiene una contribución significativa en nuestra demanda energética. A pesar de que la descripción del metabolismo lipídico y proteico sobrepasa el ámbito de este libro, es crucial tener una visión general de las conexiones entre estas rutas metabólicas y las ya descritas para el metabolismo de hidratos de carbono. Necesitaremos ese conocimiento para comprender la función del sistema endocrino en la regulación del metabolismo energético, tema que trataremos en el capítulo 21. El organismo es capaz de recurrir a los lípidos y las proteínas como fuente alternativa de energía cada vez que la glucosa esca-
lizará el máximo esfuerzo durante la mayoría de la distancia recorrida y, por tanto, no recurrirá a la glucólisis anaerobia para obtener energía, como sucedía en el caso del entrenamiento con pesas. Debido al nivel de ejercicio bajo a moderado, las células musculares del corredor utilizarán ATP a una velocidad menor que en el caso anterior. Así, el flujo de sangre proporciona el oxígeno a las células a la misma velocidad que se genera mediante la fosforilación oxidativa. Si el corredor estuviera en una carrera, probablemente utilizaría el máximo esfuerzo al final para aumentar sus probabilidades de ganar, sabiendo que puede generar suficiente energía a través de la glucólisis anaerobia al final de la carrera. Si comenzara el sprint final a la meta demasiado pronto, utilizaría su energía demasiado deprisa y tendría que ir más despacio antes de que terminase la carrera.
see y necesite ser conservada. Cuando los suministros de glucosa son escasos, el organismo puede degradar lípidos y proteínas en moléculas más pequeñas, en un proceso catabólico que libera energía. Cuando el suministro de glucosa es abundante, el organismo aprovecha para realizar las reacciones contrarias, es decir, sintetiza lípidos y proteínas, así como un polímero de glucosa que se utiliza como reservorio denominado glucógeno. De esta manera, se almacena energía para futuras necesidades. En la figura 3.24 se muestran las relaciones entre las rutas metabólicas de la glucosa, lípidos y proteínas. Las tres etapas de la oxidación de la glucosa (glucólisis, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones) son centrales en la figura. Téngase en cuenta que la descripción de estas tres etapas es esencialmente la misma que en la figura 3.22, excepto por el mayor número de productos en cada paso que se muestran. Además, la NADH y la FADH2 se muestran de manera simplificada como coenzima-2H. (Por simplicidad, no se muestran las enzimas reducidas formadas en la glucólisis.) Las dobles flechas indican la bidireccionalidad de las reacciones; las flechas de sentido único denotan reacciones esencialmente unidireccionales. Estas últimas se caracterizan como irreversibles, mientras que las bidireccionales se dice que son reversibles. Las reacciones unidireccionales no son irreversibles en sentido estricto, sino simplemente requieren demasiada cantidad de energía como para evolucionar en sentido contrario. En la mayoría de los casos, sin embargo, las reacciones unidireccionales evolucionan en sentido contrario bajo ciertas circunstancias.
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Metabolismo celular PROTEÍNAS
Glucogenia Aminoácidos
R
NH2
TRIGLICÉRIDOS
GLUCÓGENO Glucogenólisis
Glicerol + ácidos grasos
Glucosa
Urea
NH3
Glucólisis ATP
Piruvato CO2 Acetil-CoA
Ciclo de Krebs
Coenzima
O2
CO2 ATP
2H
Fosforilación oxidativa
H 2O
ATP
FIGURA 3.24 Rutas metabólicas implicadas en el metabolismo de proteínas, glucógeno y ácidos grasos. Las tres etapas del metabolismo de la glucosa se muestran en el centro. Las flechas unidireccionales indican reacciones irreversibles; las flechas dobles indican reacciones reversibles. Las flechas que señalan hacia el interior o el exterior de la ruta central indican puntos de entrada o salida de productos degradados del metabolismo de proteínas o triglicéridos.
Cuando esto sucede, no siguen exactamente el mismo camino que cuando evolucionan en el sentido habitual, y la reacción suele estar catalizada por un conjunto de enzimas diferentes. Por esta razón, la reacción inversa normalmente se considera una derivación, porque sigue una ruta que «se salta» las enzimas que normalmente catalizan la ruta en el sentido habitual. Por el contrario, las reacciones reversibles tienen una menor variación de energía y, por tanto, pueden evolucionar en uno u otro sentido sin la necesidad de grandes cantidades de energía. Estas reacciones cambian de dirección fácilmente en respuesta a variaciones en las concentraciones de reactantes o productos de acuerdo con la ley de acción de masas. Además, esas reacciones se catabolizan por las mismas enzimas, independientemente del sentido en el que evolucionen. Siempre que una vía metabólica consta de reacciones irreversibles en combinación con reacciones de derivación, normalmente se regulan de tal manera que no puedan suceder al mismo tiempo, lo que resultaría contraproducente. Cuando una reacción irreversible está sucediendo, las enzimas que catalizan la reacción de derivación se encuentran inactivas. De esta manera, las
células pueden forzar a la reacción a que avance en el sentido que mejor cubra las necesidades del organismo en ese momento. Así, cuando las células necesitan degradar lípidos para obtener energía, por ejemplo, activan las enzimas que participan en esa función. Cuando necesitan sintetizar lípidos para almacenar energía, desactivarán las enzimas anteriores y activarán las de las rutas de derivación correspondientes. Como veremos en el capítulo 21, esos ajustes metabólicos están coordinados por señales hormonales que dependen de nuestros patrones de alimentación.
Metabolismo del glucógeno El glucógeno es un polímero ramificado presente en las células animales y parecido al almidón, un hidrato de carbono que se encuentra solo en células vegetales. El glucógeno está compuesto por moléculas de glucosa unidas entre sí (v. capítulo 2). Cuando el suministro de glucosa es abundante, como tras una comida, la mayoría de las moléculas de glucosa no se oxidan inmediatamente, sino que se almacenan en forma de glucógeno. Este proceso, conocido como glucogenia, está representado en
C A P Í T U LO 3 GLUCÓGENO Glucogenia
Glucogenólisis
Hexocinasa Glucosa
Glucosa-6-fosfato Glucosa-6fosfatasa
Piruvato
FIGURA 3.25 Metabolismo del glucógeno. Se muestra la relación entre glucógeno y glucosa con el intermediario crítico glucosa-6-fosfato. Las flechas curvas de la reacción entre la glucosa y la glucosa-6-fosfato indican que enzimas diferentes catalizan las reacciones hacia uno u otro compuesto. La hexocinasa, presente en la mayoría de las células, cataliza el primer paso de la glucólisis. La glucosa-6-fosfatasa, presente solo en las células del hígado, cataliza la reacción inversa.
la figura 3.25 por las flechas que van desde la glucosa al glucógeno. Observa que este proceso requiere la producción de glucosa6-fosfato, un intermediario de la glucólisis. Los tejidos tienen distinta capacidad de síntesis y almacenamiento de glucógeno; el hígado y el músculo esquelético son especialmente eficientes para este proceso. Durante el ayuno, o cuando la glucosa se está utilizando rápidamente, los niveles de glucosa se reponen mediante la degradación del glucógeno a moléculas de glucosa, proceso conocido como glucogenólisis. El destino de la glucosa liberada durante la glucogenólisis depende de la localización en la que ocurra. Cuando se degrada el glucógeno, se produce glucosa-6-fosfato, intermediario de la glucólisis. En la mayoría de las células, la glucólisis sigue a partir de ahí hasta producir ATP. En las células del hígado (y, en menor proporción, también en las del riñón), sin embargo, la glucosa-6fosfato se puede transformar en glucosa (solo hígado y riñón tienen la enzima glucosa-6-fosfatasa necesaria para este proceso inverso, v. fig. 3.25). La glucosa, pero no la glucosa-6-fosfato, puede ser transportada a través de las membranas celulares. De manera que la mayoría de la glucosa producida por la glucogenólisis en los hepatocitos se transporta fuera del hígado hacia el torrente sanguíneo para su captación y uso en otros tejidos. En las células de otros tejidos, la glucosa-6-fosfato queda atrapada en el interior celular y puede ser utilizada tanto para la glucólisis como para la glucogenia.
Gluconeogenia: formación de glucosa nueva A pesar de que tanto los lípidos como las proteínas se pueden utilizar como sustitutos energéticos de la glucosa, se debe mantener un adecuado suministro de esta en el torrente sanguíneo, porque el sistema nervioso (particularmente el tejido cerebral) posee una menor capacidad que el resto de los tejidos para emplear fuentes de energía alternativas. El sistema nervioso requiere un suministro ininterrumpido de glucosa, porque, si no, se podría desencadenar una pérdida de conciencia e incluso la muerte. El tejido nervioso nunca está libre de este requerimiento glucolítico, aunque posee una limitada capacidad para el uso de otras fuentes de energía alternativas.
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En condiciones normales, las reservas de glucógeno del organismo son suficientes para suministrar energía durante unas pocas horas. Si una persona corre durante un período largo de tiempo, sus reservas de glucógeno acabarán deplecionadas, lo que podría desencadenar una potencial caída de los niveles de glucosa en sangre. Afortunadamente, se pueden sintetizar nuevas moléculas de glucosa a partir de precursores no hidratos de carbono a través de una vía conocida como gluconeogenia (fig. 3.26). La gluconeogenia tiene lugar principalmente en el hígado, ya que posee todas las enzimas necesarias para la glucólisis inversa (v. fig. 3.25). La glucosa se puede formar por medio de la gluconeogenia a partir de tres fuentes: 1) glicerol, que se produce en la degradación de triglicéridos; 2) lactato, y 3) aminoácidos, que se pueden producir durante la degradación de proteínas. En la gluconeogenia, el glicerol se convierte primero en glicerol fosfato, intermediario de la ruta de la glucólisis, y el lactato se trasforma primero en piruvato, producto final de la glucólisis (v. fig. 3.26). Estas moléculas siguen después por la ruta de la glucólisis inversa, de manera que desembocan en la síntesis de nuevas moléculas de glucosa. Ciertos aminoácidos también se pueden utilizar para la obtención de glucosa después de haber sido convertidos primero en piruvato, el cual entrará en la ruta de la glucólisis inversa. Algunos aminoácidos diferentes a los anteriores se pueden transformar en glucosa a través de una ruta más indirecta, indicada con una línea discontinua en la figura 3.26. Estos aminoácidos primero se transforman en un intermediario del ciclo de Krebs (oxaloacetato), el cual se trasforma después en un intermediario de la vía glucolítica (fosfoenolpiruvato); esta molécula participa en la ruta de la glucólisis inversa. Observa, sin embargo, que algunos aminoácidos no se pueden transformar en glucosa, a pesar de que se puedan convertir en acetil-CoA; no existe ninguna ruta que permita la síntesis de glucosa a partir de acetil-CoA. (El acetilCoA puede dar oxaloacetato en el ciclo de Krebs, pero en el proceso una cantidad equivalente del mismo es consumido debido a la naturaleza cíclica del proceso. Consecuentemente, el acetilCoA no se puede transformar en glucosa a través de la vía indicada por la línea discontinua mostrada en la fig. 3.26.) Los ácidos grasos, que al igual que el glicerol se generan en la degradación de los triglicéridos, tampoco se pueden utilizar para la obtención de glucosa, ya que también se transforman en acetil-CoA.
Metabolismo de lípidos Como el glucógeno, las grasas (lípidos) se pueden degradar para producir energía cuando otras fuentes se están agotando. Los lípidos también se pueden sintetizar para almacenar energía cuando se suministran de manera abundante en la dieta. El tejido adiposo, que contiene células grasas, es el principal almacén para los lípidos. Los lípidos se almacenan principalmente en forma de triglicéridos, que consisten en tres moléculas de ácidos grasos unidas a un esqueleto de glicerol. La lipólisis, la primera etapa de la degradación de los lípidos, consiste en la separación de los ácidos grasos de la molécula de glicerol (fig. 3.27). El glicerol entrará entonces en la glucólisis (como dihidroxiacetona fosfato), y de ahí al ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Los ácidos grasos se catabolizan hasta acetil-CoA en un proceso conocido como betaoxidación, que ocurre en la matriz mitocondrial. Los ácidos grasos que se obtienen de la dieta tienen normalmente una longitud de entre 12 y 18 átomos de carbono, con un número par de ellos. La molécula de acetil-CoA consta de 2 átomos de carbono. De esta manera, para un ácido graso de n carbonos, la betaoxidación generará n/2 moléculas de acetil-CoA, considerablemente
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Metabolismo celular PROTEÍNAS
Glucogenia Aminoácidos
R
NH2
TRIGLICÉRIDOS
GLUCÓGENO Glucogenólisis
Glicerol + ácidos grasos
Glucosa
Urea
NH3
Glucólisis ATP
Piruvato
Lactato CO2
Acetil-CoA
Ciclo de Krebs
Coenzima
O2
CO2 ATP
2H
Fosforilación oxidativa
H 2O
ATP
FIGURA 3.26 Rutas metabólicas implicadas en la gluconeogenia. Las rutas relevantes para la gluconeogenia están remarcadas.
más que las dos generadas por molécula de glucosa. Además, cada vez que una molécula de acetil-CoA se escinde de un ácido graso, se reducen coenzimas para generar una NADH + H+ y una FADH2, de tal manera que se producen n – 1 NADH + H+ y FADH2. Las moléculas de acetil-CoA entran en el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Las coenzimas reducidas entran en la fosforilación oxidativa. Como un gramo de lípidos tiene un mayor rendimiento energético que un gramo de glucosa u otro hidrato de carbono, las grasas se conocen como comidas altamente calóricas. Observa que, cuando se degradan lípidos para obtener energía, se forman productos laterales conocidos como cetonas (v. fig. 3.27). Estos compuestos se sintetizan a partir del acetilCoA en una serie de reacciones reversibles y a velocidades elevadas cuando la concentración de acetil-CoA se incrementa. Como se generan muchos acetil-CoA a partir de un solo ácido graso, la degradación de grasas tiende a generar grandes cantidades de cetonas, lo cual es importante, porque las cetonas se pueden usar en el sistema nervioso como fuente alternativa a la glucosa. Esto ayuda a conservar el suministro de glucosa del organismo si la ingesta calórica se limita de manera tal que el organismo recurra a los lípidos como fuente de energía. Observa también que las vías del glicerol para la glucólisis, y de los ácidos grasos a acetil-CoA, se representan con flechas
dobles en la figura 3.27, lo que significa que es posible sintetizar lípidos a partir de otros nutrientes en un proceso denominado lipogenia. Esto explica por qué las personas se vuelven obesas cuando comen mucha comida no grasa, como hidratos de carbono y proteínas.
Metabolismo de proteínas En la degradación metabólica de las proteínas para obtener energía (fig. 3.28), las proteínas primero se degradan a sus aminoácidos constituyentes, proceso conocido como proteólisis. Los aminoácidos se desaminan, esto es, se elimina su grupo amino (— NH2). Esta desaminación produce amoníaco (NH3), tóxico para las células. Afortunadamente, el amoníaco se transporta en el torrente sanguíneo hasta el hígado, en donde se convierte en urea, relativamente inocua y finalmente eliminada por los riñones. Una vez que los aminoácidos se han desaminado, lo que queda de la molécula se transforma en piruvato o en acetil-CoA (que irán a parar al ciclo de Krebs), o también se pueden transformar en un intermediario que podrá entrar directamente en el ciclo de Krebs. Observa en la figura 3.28 que las rutas desde los aminoácidos hasta el piruvato, acetil-CoA y el ciclo de Krebs se muestran con flechas bidireccionales, lo que significa que nutrientes no proteicos,
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Aminoácidos
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GLUCÓGENO Glucogenia
Metabolismo celular
Glucogenólisis Glicerol + ácidos grasos
Glucosa
Urea
NH3
Glucólisis ATP
Piruvato CO2 Acetil-CoA
Cetonas Ciclo de Krebs
Coenzima
O2
CO2 ATP
2H
Fosforilación oxidativa
H 2O
ATP
FIGURA 3.27 Rutas metabólicas implicadas en la lipólisis, degradación de las grasas (triglicéridos) para obtener energía. Las rutas metabólicas relevantes están remarcadas. Ten en cuenta que la degradación de los ácidos grasos lleva a la producción de cetonas, que son generadas a partir del acetil-CoA a través de una serie de reacciones reversibles.
como los hidratos de carbono y las grasas, pueden servir de materias primas para la síntesis de aminoácidos, que se usarán para la obtención de proteínas. (Como se muestra en la figura, este proceso requiere la adición de un grupo amino, que se obtiene de otra molécula indicada como R — NH2.) Consecuentemente, ciertos aminoácidos pueden estar presentes en las células, aunque no se consuman en la dieta. Otros aminoácidos, sin embargo, no se pueden sintetizar y deben ser suministrados en la dieta; a estos aminoácidos se les conoce como esenciales. Un nutriente esencial es cualquier biomolécula necesaria para el correcto funcionamiento del organismo y que no se puede sintetizar en nuestras células, y, por tanto, debe consumirse de fuentes alimenticias.
Test rápido 3.6 1. ¿Qué es la gluconeogenia y por qué es importante? ¿Qué tres sustancias pueden servir como materias primas para este proceso? 2. ¿Qué sucede al amonio producido cuando los aminoácidos son degradados para obtener energía? 3. Describe las funciones del acetil-CoA en el metabolismo de hidratos de carbono, lípidos y proteínas.
Efectos de la insulina en el metabolismo celular Acabamos de ver cómo las células utilizan hidratos de carbono, lípidos y proteínas para la obtención de energía; y cómo pueden almacenar energía en forma de glucógeno o triglicéridos. ¿Qué determina el uso de las biomoléculas para la obtención de energía o para su almacenamiento? El metabolismo celular está regulado por mensajeros químicos, como la insulina. Los cambios metabólicos inducidos por mensajeros químicos varían dependiendo del tipo tisular (tema tratado en detalle en el capítulo 21). Los efectos de la insulina en adipocitos o hepatocitos son ejemplos de cómo se pueden regular las rutas metabólicas. Recuérdese que la insulina se libera a la sangre cuando los niveles de glucosa sanguínea están por encima de lo normal, de tal modo que las respuestas descritas suceden cuando la glucosa sanguínea está elevada. La función de los adipocitos es almacenar energía en forma de triglicéridos y liberar ácidos grasos a la sangre cuando se necesitan para suministrar energía a otras células. La insulina promueve el almacenamiento de energía en los adipocitos, incrementando la captura de glucosa y ácidos grasos al interior celular, así como activando cuatro enzimas que convierten la glucosa y los ácidos grasos en triglicéridos.
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Metabolismo celular PROTEÍNAS
Glucogenia Aminoácidos
R
NH2
TRIGLICÉRIDOS
GLUCÓGENO Glucogenólisis
Glicerol + ácidos grasos
Glucosa
Urea
NH3
Glucólisis ATP
Piruvato CO2 Acetil-CoA
Ciclo de Krebs
Coenzima
O2
CO2 ATP
2H
Fosforilación oxidativa
H 2O
ATP
FIGURA 3.28 Rutas metabólicas implicadas en la degradación de las proteínas para obtener energía. Las rutas metabólicas relevantes están remarcadas. Ten en cuenta que la degradación de los aminoácidos genera amoníaco (NH3), que se convierte en urea en el hígado.
En términos de metabolismo del organismo completo, el hígado almacena hidratos de carbono (y, en menor medida, triglicéridos) cuando la glucosa sanguínea es abundante, y libera glucosa para el tejido neural cuando esta disminuye en la sangre. En el hígado, la insulina activa la glucógeno sintasa, que añade glucosa-1-P al glucógeno, y la glucocinasa, que convierte glucosa en glucosa-6-P. Además, la insulina inhibe a la glucosa-6-fosfatasa, que transforma la glucosa-6-P en glucosa. De esta manera, los hidratos de carbono se almacenan en el hígado en forma de glucógeno en presencia de insulina.
Integración de sistemas En este capítulo, hemos estudiado las reacciones químicas en términos de intercambio de energía, reacciones enzimáticamente catalizadas y metabolismo energético. La mayoría de los conceptos aprendidos en este capítulo se aplicarán al transporte de membrana, descrito en el capítulo 4. Como las reacciones químicas evolucionan espontáneamente de altos niveles ener-
géticos a bajos, las moléculas tienden a moverse espontáneamente de áreas de elevada energía a áreas de menor energía. Para desplazar una molécula en la dirección contraria dependeremos del uso de ATP, la moneda energética. En el capítulo 4 también se estudiarán las proteínas que actúan como transportadores, las cuales tienen propiedades similares a las enzimas. De hecho, algunos transportadores se regulan alostérica o covalentemente. A través del texto, se describirán procesos que requieren energía. Es vital conocer siempre la fuente de la que proviene esta energía (a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa). Pero ¿qué ocurre cuando la energía producida es insuficiente para satisfacer las necesidades del organismo? El capítulo 21 describe el metabolismo completo y explica cómo se regula el metabolismo energético para asegurarse de que el cerebro disponga siempre de la cantidad necesaria de glucosa, incluyendo los períodos entre comidas, cuando decae la glucemia. Como aprenderemos en el capítulo 21, el hígado tiene una función importante en el mantenimiento de los niveles de glucosa sanguínea.
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RESUMEN DEL CAPÍTULO Tipos de reacciones metabólicas, pág. 57 La suma de todas las reacciones químicas que ocurren en el organismo es lo que llamamos metabolismo. Las reacciones del metabolismo energético están específicamente involucradas en el intercambio de energía. Las reacciones catabólicas generan productos más pequeños a partir de reactantes mayores; las reacciones anabólicas sintetizan productos más grandes a partir de reactantes menores. Los tres tipos más comunes de reacciones metabólicas son: 1) reacciones de hidrólisis y de condensación; 2) reacciones de fosforilación y desfosforilación, y 3) reacciones de oxidación-reducción.
Reacciones metabólicas y energía, pág. 59 Las reacciones metabólicas permiten a las células trasformar materias primas del entorno en compontes estructurales y funcionales y, además, las proveen de energía. La variación de energía de una reacción determina su sentido de progreso. Las reacciones catabólicas son generalmente exergónicas y suceden espontáneamente; las reacciones anabólicas requieren energía para poder suceder. Una reacción puede ser forzada a evolucionar en uno u otro sentido cambiando las concentraciones de los reactantes o de los productos de acuerdo con la ley de acción de masas. La velocidad de una reacción está limitada por su energía de activación, reflejando el hecho de que las moléculas deben pasar por un estado transitorio de alta energía antes de que puedan reaccionar.
Velocidades de reacción, pág. 64 Los factores que afectan a la velocidad de una reacción incluyen las concentraciones de los reactantes y productos, la temperatura y la altura de la barrera de la energía de activación. Las reacciones metabólicas están catalizadas por unas proteínas especiales denominadas enzimas, que actúan sobre
sustratos específicos que encajan en su centro activo. Muchas proteínas requieren cofactores no proteicos para su correcto funcionamiento. Cofactores importantes incluyen la NAD+ y la FAD, que actúan como transportadores de electrones entre distintas reacciones. Las velocidades de las reacciones enzimáticamente catalizadas están influidas por la tasa catalítica de la enzima, la concentración enzimática, la afinidad enzima-sustrato y la concentración de sustrato. Ciertas enzimas tienen un sitio regulatorio específico para determinadas moléculas moduladoras, cuya unión altera la actividad de la enzima. En la regulación alostérica, la unión del modulador es reversible. En la regulación covalente, la actividad enzimática se regula por la unión covalente de un grupo químico a la enzima (a menudo, un grupo fosfato). Las rutas metabólicas a menudo están reguladas por un mecanismo de inhibición mediante retroalimentación, en el cual la enzima se inhibe alostéricamente por el producto de la reacción que ocurre en un paso posterior. A veces las enzimas se activan por intermediarios de reacciones anteriores.
Oxidación de la glucosa: la reacción central del metabolismo energético, pág. 72 Las células obtienen la mayor parte de su energía de la oxidación de la glucosa: C6H12O6 + 6 O2 r 6 CO2 + 6 H2O. Las células aprovechan la energía liberada en esta y otras reacciones exergónicas para sintetizar adenosina trifosfato (ATP). Más adelante, usarán la energía de la hidrólisis de la ATP para realizar trabajo útil.
Etapas de la oxidación de la glucosa: glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa, pág. 74 La oxidación de la glucosa tiene lugar en tres etapas: la glucólisis (en el citosol), el ciclo de Krebs (en la matriz mitocondrial) y la fosfo-
rilación oxidativa (en la membrana mitocondrial interna). La fosforilación oxidativa comprende dos procesos que ocurren simultáneamente: 1) el movimiento de electrones a lo largo de la cadena transportadora, y 2) el acoplamiento quimiosmótico. Por cada molécula de glucosa, se sintetizan cuatro moléculas de ATP por fosforilación a nivel de sustrato durante la glucólisis y el ciclo de Krebs. Se producen seis moléculas de CO2, diez NADH y dos FADH2. Después, la NADH y la FADH2 ceden sus electrones (en forma de hidrógenos) a la cadena de transporte electrónico, y estos hidrógenos finalmente reaccionarán con el oxígeno para formar agua. La energía liberada durante este proceso se utiliza para sintetizar ATP por fosforilación oxidativa, que contribuye con la mayoría de la ATP generada por la completa oxidación de una molécula de glucosa (34 de 38).
Almacenamiento y uso de energía: metabolismo de hidratos de carbono, grasas y proteínas, pág. 85 El cuerpo es capaz de recurrir a las grasas y proteínas acumuladas como fuente alternativa de energía cuando la glucosa es escasa. En este proceso, los lípidos y las proteínas se degradan a moléculas más pequeñas (por lipólisis y proteólisis respectivamente), que entrarán finalmente en las vías de la oxidación de la glucosa por distintos puntos. El organismo es, además, capaz de almacenar energía sintetizando lípidos, que se almacenan principalmente en el tejido adiposo, y proteínas. En algunos tejidos, se puede almacenar energía transformando la glucosa en glucógeno (por medio de la glucogenia), que podrá ser más tarde degradado para liberar glucosa (glucogenólisis). La glucosa también se puede sintetizar a partir de precursores no hidratos de carbono (gluconeogenia), asegurando un suministro constante de glucosa en el torrente sanguíneo, lo cual es necesario para el funcionamiento correcto del sistema nervioso.
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. Cuando la glucosa se oxida en las células, el oxígeno reacciona con a) el carbono para formar CO2. b) el hidrógeno para formar H2O. c) los componentes de la cadena de transporte de electrones. d) el fosfato inorgánico para formar ATP. e) la acetil-CoA para formar acetato.
2. ¿Cuál de las siguientes opciones ilustra la fosforilación a nivel de sustrato? (P = fosfato, X = intermediario metabólico) a) ATP r ADP + Pi b) ADP + Pi r ATP c) X — P r X + P d) X — P + ADP r X + ATP
3. La enzima piruvato deshidrogenasa, que convierte el piruvato en acetil-CoA, puede activarse o inactivarse por fosforilación o desfosforilación. Este es un ejemplo de a) regulación alostérica. b) fosforilación a nivel de sustrato. c) fosforilación oxidativa. d) saturación. e) regulación covalente.
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4. Las siguientes reacciones suceden junto con el paso 5 del ciclo de Krebs: GDP + Pi r GTP GTP + ADP r GDP + ATP La reacción neta en este proceso es: a) Pi + GTP r GDP b) Pi + GDP r GTP c) GTP + ADP r GDP + ATP d) ADP + Pi r ATP e) GDP + Pi r ATP 5. ¿Cuál de las siguientes reacciones es un ejemplo de hidrólisis? a) aminoácido 1 + aminoácido 2 r dipéptido + H2O b) lactosa + H2O r glucosa + galactosa c) glucosa-1-fosfato r glucosa-6fosfato d) glucosa + 6 O2 r 6 CO2 + H2O e) agua (líquida) + calor r agua (vapor) 6. ¿Cuál de los siguientes tipos de moléculas orgánicas se puede utilizar para sintetizar triglicéridos? a) solo hidratos de carbono b) solo lípidos c) solo proteínas d) solo hidratos de carbono y proteínas e) hidratos de carbono, lípidos y proteínas 7. Las enzimas aumentan su velocidad de reacción de catálisis mediante a) un aumento en la energía de activación. b) un descenso en la energía de activación. c) un aumento en la energía libre de los reactantes. d) un aumento en la energía libre de los productos. e) un descenso en la energía libre de los reactantes. 8. En la siguiente reacción, NAD+ recibe electrones de la sustancia AH2: NAD+ + AH2
E
NADH + H+ + A
donde E es la enzima que cataliza la reacción. ¿Qué sustancia se oxida en esta reacción? a) NAD+ b) NADH
c) AH2 d) A
particular conocida como el sitio (activo/ regulador).
9. ¿Cuál de las siguientes opciones se lleva a cabo en el citosol por las enzimas? a) glucólisis b) el paso intermedio c) el ciclo de Krebs d) la fosforilación oxidativa e) el acoplamiento quimiosmótico
10. A menos que una sustancia sea un nutriente esencial, no es necesario para el correcto funcionamiento celular. (verdadero/falso)
10. ¿En cuál de las siguientes situaciones se genera dióxido de carbono? a) solo en la glucólisis b) solo en el paso intermedio c) solo en el ciclo de Krebs d) en la glucólisis y el ciclo de Krebs e) en el paso intermedio y en el ciclo de Krebs
12. La conversión de piruvato a lactato sucede bajo condiciones (aerobias/anaerobias).
Preguntas objetivas 1. La eliminación de los átomos de hidrógeno de una molécula es un ejemplo de (oxidación/reducción). 2. La velocidad de formación de los productos se puede incrementar mediante el aumento de la concentración de los (reactantes/productos). 3. Para que una reacción se lleve a cabo de forma espontánea en la dirección de los productos, el cambio de energía debe ser (positivo/negativo). 4. Las células del hígado y del músculo son capaces de almacenar glucosa en forma de una cadena de moléculas unidas llamada ————. 5. La regulación alostérica implica el acoplamiento de una molécula moduladora a una enzima mediante un enlace covalente. (verdadero/falso) 6. La glucogenólisis es un ejemplo de reacción catabólica. (verdadero/falso) 7. La conversión de un precursor no hidrato de carbono en glucosa se llama ————. 8. Cuando la ATP se sintetiza utilizando energía liberada en la oxidación de la glucosa, la mayoría de la ATP es sintetizada mediante la fosforilación oxidativa. (verdadero/falso) 9. Cuando una molécula de sustrato se une a una enzima, lo hace en una localización
11. Una enzima cataliza una reacción a la más (baja/alta) velocidad posible cuando se encuentra 100% saturada.
Preguntas abiertas 1. Explica el significado del cambio de energía en una reacción ($E) en relación con a) la dirección de la reacción, y b) si la reacción libera o requiere energía. 2. Compara y contrasta los mecanismos de fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación oxidativa, y describe la función que tiene cada uno en la oxidación de la glucosa. 3. Explica cómo la conversión de piruvato a lactato permite la formación de ATP incluso cuando el oxígeno no está disponible. 4. Compara y contrasta la regulación alostérica y la regulación covalente de la actividad de una enzima. 5. Explica el concepto de energía de activación y describe cómo influye en las velocidades de reacción. Incluye una discusión de cómo la velocidad de la reacción está afectada por la temperatura y las concentraciones reactantes y productos.
Pensamiento crítico 1. Como sabes, los ácidos grasos se pueden oxidar para obtener energía para la síntesis de ATP. Este proceso comienza con un conjunto de reacciones conocidas como ciclo de oxidación de los ácidos grasos o betaoxidación. Antes de entrar en el ciclo, un ácido graso reacciona con la coenzima A para formar una molécula llamada acil-CoA. Entonces, esta molécula entra en el ciclo y continúa a través de él hasta que todos sus carbonos se han eliminado, como se muestra en la siguiente página.
C A P Í T U LO 3
CH2
93
O
Acil-CoA R
Metabolismo celular
CH2
CH2
C
CoA
Ácido graso El ciclo se repite
O
FAD R
CH2
C
CoA
1
FADH2
O O CH3 C CoA Acetil-CoA
Ciclo de oxidación de los ácidos grasos
4 CoA O R
CH2
C
CH2
R
O CH2
C
R CoA
CH
C
CH
H2O
2
CH2
3
CoA
OH H
O
C
C
C
H
H
CoA
NAD+ NADH + H+
Tras el examen de este diagrama, contesta las siguientes preguntas para un ácido graso de 12 carbonos. a) ¿Cuántas moléculas de acetil-CoA se producirán por la betaoxidación de este ácido graso? ¿Cuántas moléculas de ATP pueden producirse de cada molécula de acetil-CoA que pasa a través del ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa? b) ¿Cuántas moléculas de NAD+ y FAD se reducirán? (Pista: ¿Cuántos enlaces se deben romper para dividir un ácido graso de
12 carbonos en moléculas de acetilCoA?) c) ¿Cuántas moléculas de ATP se producirán por cada NADH + H+ y cada FADH2 que proporcionen electrones al sistema transportador de electrones? d) Hacen falta dos moléculas de ATP para que el ciclo comience. Basándote en esta información y en las respuestas anteriores, ¿cuántas moléculas de ATP se pueden generar de un ácido graso de 12 carbonos?
2. El monóxido de carbono y el cianuro son tóxicos. El monóxido de carbono se une a la hemoglobina de los glóbulos rojos, interfiriendo con el transporte de oxígeno en las células. El cianuro se une al complejo IV de la cadena de transporte de electrones, interfiriendo con la reducción del oxígeno a agua (el monóxido de carbono también se une al complejo IV, pero lo hace en menor medida que a la hemoglobina). Basándote en lo que has estudiado en este capítulo, compara las rutas de estos dos venenos letales y describe los tratamientos potenciales.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
4
Transporte de la membrana celular Sofía y Adelaida son dos gemelas de 22 años que hacen todo juntas. Durante años, han estado corriendo juntas, y hoy, como la mayoría de los días, han recorrido cinco kilómetros. Tras la carrera, Sofía ha bebido un litro de agua, mientras que Adelaida ha ingerido 1 l de una bebida isotónica que contenía solutos como sodio, potasio y glucosa. Una hora después, Sofía ha excretado aproximadamente 400 ml de orina, mientras que Adelaida solo 100 ml. Suponiendo que la condición física de ambas mujeres es igual y que cada una pierde la misma cantidad de sudor, ¿podrías explicar la diferencia? El sudor contiene agua e iones. Cuando Sofía repone el agua, diluye los iones en los líquidos de su organismo. Está claro que la diferencia en la diuresis en este ejemplo está relacionada con la presencia o la ausencia de solutos en la bebida que cada una elige. Como aprenderás en este capítulo, nuestras células tienen mecanismos de transporte de agua y solutos. Los riñones usan esos mecanismos de transporte para excretar el agua y los solutos en la orina, en concentraciones que mantienen la composición del líquido corporal estable. El riñón no es el único sistema corporal que usa los mecanismos de transporte a través de la membrana para mantener la homeostasis. En los capítulos siguientes aprenderás que todos los sistemas del organismo usan los mecanismos de transporte que se describen en este capítulo.
CONTENIDOS Factores que condicionan la dirección del transporte Velocidad de transporte
Microfotografía electrónica en color de endocitosis.
Transporte pasivo
102
Transporte activo
108
101
Ósmosis: transporte pasivo de agua a través de las membranas 112 Transporte de sustancias en compartimentos membranosos
117
Transporte epitelial: movimiento de las moléculas a través de dos membranas 118
95
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
95
TABLA 4.1 Concentración milimolar de algunos solutos presentes
OBJETIVOS
Explicar el papel de las fuerzas direccionales química, eléctrica y electroquímica en el transporte pasivo de sustancias a través de la membrana y distinguir entre transporte activo y transporte pasivo. Identificar los tres factores generales que condicionan la velocidad a la cual una sustancia es transportada a través de la membrana e identificar los dos factores generales que influyen en la velocidad del transporte activo. Identificar los cuatro factores que afectan a la permeabilidad de la membrana para aquellas moléculas que la atraviesan por difusión simple y explicar cómo y por qué cada una de ellas afecta a la permeabilidad. Comparar el movimiento de moléculas a través de la membrana plasmática mediante proteínas portadoras y canales.
Explicar la diferencia entre transporte activo primario y secundario y dar algún ejemplo de cada uno.
Explicar cómo una diferencia en la concentración de soluto a través de la membrana puede causar el movimiento del agua; explicar la diferencia entre osmolaridad y tonicidad de una disolución.
Definir endocitosis y exocitosis, y explicar la diferencia principal entre estos y otros mecanismos de transporte celular. Distinguir entre endocitosis mediada por receptor y pinocitosis.
Explicar, en términos generales, cómo la polaridad de las células epiteliales les permite absorber o secretar sustancias.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Estructura de la bicapa lipídica, pág. 30 2. Proteínas de la membrana, pág. 30 3. ATP, pág. 72
P
ara vivir, las células de tu organismo necesitan intercambiar sustancias con su entorno inmediato, el medio que le rodea. Por ejemplo, para que las células oxiden la glucosa para obtener energía, necesitan glucosa y oxígeno. Como aprendimos en el capítulo 2, el oxígeno puede penetrar a través de la bicapa fosfolipídica de la membrana plasmática, pero la glucosa, que es polar, no. Entonces, ¿cómo pueden nuestras células usar glucosa para obtener energía? También aprendimos en el capítulo 2 que las membranas contienen proteínas que llevan a cabo una gran variedad de funciones, incluyendo el transporte de moléculas específicas a través de la membrana plasmática. Gracias a estas proteínas, la composición del medio intracelular y extracelular difiere (tabla 4.1). En este capítulo, aprenderemos qué moléculas pueden atravesar la membrana plasmática y cuáles pueden cruzarla solo con ayuda de proteínas de membrana. También aprenderemos qué determina la dirección del movimiento. Nos centraremos en las teorías celulares y moleculares del transporte de membrana, porque estos conceptos son funda-
en el líquido intracelular (LIC)* y extracelular (LEC) Soluto +
K
Na+ Mg2+ Ca2+ Cl–
LIC (mM)
LEC (mM)
140
4
15
145
0,8 <0,0001†
1,5 1,8
4
115
HCO–
10
25
Pi
40
2
Aminoácidos
8
2
Glucosa
1
5,6
ATP
4
0
Proteínas
4
0,2
*La composición del líquido intracelular varía en función de los diferentes tipos de células. †
Referido a los iones calcio libres en el citosol. Una cantidad significativa de calcio intracelular se encuentra secuestrada en los orgánulos de membrana y/o unido a proteínas.
mentales para nuestra comprensión actual de la fisiología de los sistemas de órganos. Estas teorías están basadas en gran medida en los principios del metabolismo celular que aprendimos en el capítulo 3. Por tanto, comenzaremos con una discusión de los factores más relacionados con la energía, aquellos que determinan la dirección y la velocidad del transporte.
Factores que condicionan la dirección del transporte En el capítulo 3 explicamos que las moléculas de reactivos y productos en una reacción metabólica tenían diferentes energías. También aprendimos que el cambio de energía de una reacción (las diferencias entre las energías de los reactivos y de los productos) determina la dirección de la reacción y si esta se produce espontáneamente o si requiere energía. En la siguiente sección veremos que el transporte de moléculas a través de la membrana se rige por unos principios similares.
Transporte pasivo frente a transporte activo Cuando el oxígeno entra en una célula o el dióxido de carbono sale, las moléculas se mueven a través de la membrana plasmática de forma espontánea. En otras palabras, la célula no necesita consumir energía para que esto suceda. Por otro lado, la energía se consume cuando las moléculas de glucosa son transportadas a las células epiteliales en el intestino. El transporte de moléculas a través de la membrana se llama transporte activo si requiere energía, y transporte pasivo si no la requiere. La difusión simple es la entrada o salida de la célula de una molécula por su propio movimiento térmico. Es una forma de transporte pasivo, pero ciertas formas de transporte mediado por proteínas también son pasivas. Por el contrario, el transporte activo está siempre mediado por unas proteínas de transporte llamadas bombas.
96
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Energía de las disoluciones Las moléculas transportadas a través de las membranas se encuentran en disolución en el líquido intra- y extracelular. El transporte de estas moléculas depende de la diferencia de energía libre de estas moléculas en disolución. La energía libre de una disolución de un soluto no cargado (S) puede describirse de la siguiente manera: G = RT ln [S] donde G es la energía libre, R la constante universal de los gases (0,082 atm · l/ºK · mol), T es la temperatura absoluta en grados kelvin (K), y [S] es la concentración del soluto S en moles. La fuerza direccional para que una molécula se mueva al interior celular depende de la diferencia de energías ($G) entre el punto al que la molécula va (interior) y el punto donde la molécula está (exterior): DG = energía dentro – energía fuera = RT [S]i – RT [S]e
El transporte de moléculas a través de la membrana sigue los mismos principios que las reacciones químicas: el movimiento espontáneo (o pasivo) sucede de la zona de mayor energía a la zona de menor energía; para poder moverse en la dirección opuesta, se requiere un aporte de energía. La energía de una disolución depende de la concentración de soluto (y de la carga si el soluto es un ion); la energía aumenta a medida que aumenta la concentración (v. «Caja de herramientas: Energía de las disoluciones»). Por tanto, los solutos se mueven de forma pasiva de una zona donde se encuentran en mayor concentración a una zona donde se encuentran en menor concentración o que da a favor de su gradiente de concentración. Para moverse de una zona de menor concentración a otra de mayor concentración, se requiere un aporte de energía. Considera el movimiento de entrada y salida de la glucosa en la célula como ejemplo. La concentración intracelular de glucosa es normalmente de 1 mM, pero está cerca de 6 mM en el medio extracelular (v. tabla 4.1). Si la glucosa pudiera moverse de forma espontánea a través de la membrana de una célula típica, lo haría de la zona de mayor a la de menor concentración (de mayor a menor energía) y, por tanto, entraría en la célula. Por el contrario, el transporte de glucosa en la dirección opuesta (de menor a mayor concentración) es activo, porque no ocurre de forma espontánea y requiere energía.
Fuerzas direccionales que actúan sobre las moléculas Cualquier diferencia de energía que exista a través de la membrana actúa como una fuerza direccional que tiende a empujar las moléculas en una dirección o en otra. La dirección de esta fuerza es siempre de mayor a menor energía, lo cual indica la
donde los subíndices «e» e «i» hacen referencia al exterior e interior celular, respectivamente. Esta ecuación puede reescribirse de la siguiente manera, y es conocida como la ecuación de van’t Hoff: $G = RT ln
[S]i [S]e
Para las reacciones químicas, cuando el cambio de energía libre es negativo, el proceso sucede espontáneamente. Cuando la concentración de soluto S es mayor dentro de la célula, la relación [S]i/[S]e es mayor que 1 y el logaritmo neperiano de un valor mayor que 1 es positivo. Así, $G para el movimiento de S al interior de la célula es positivo y el proceso no sucede espontáneamente; es decir, se necesita energía para que S entre en la célula. Cuando la concentración del soluto S es mayor fuera de la célula, $G para el movimiento de S al interior celular es negativo y el proceso sucede espontáneamente; esto es, S se mueve de forma pasiva.
dirección en la cual la molécula iría si pudiese moverse de forma espontánea. Estas fuerzas direccionales pueden surgir como resultado de diferencias de concentración o de otros factores que afecten a las energías moleculares. En las siguientes secciones veremos que las moléculas están generalmente influenciadas por tres tipos de fuerzas direccionales: química, eléctrica y electroquímica.
Fuerzas direccionales químicas Cuando una sustancia está presente en diferentes concentraciones a ambos lados de la membrana, se dice que existe un gradiente de concentración a través de la membrana. Consideramos que el término gradiente de concentración es sinónimo de diferencia de concentración y se le asigna el símbolo $C. (Estrictamente hablando, el término gradiente de concentración se usa en relación con cualquier diferencia en la concentración entre una localización y otra, no solo diferencias entre un lado y otro de la membrana, y se define como la velocidad a la cual la concentración cambia con la distancia.) Cuando las moléculas se mueven de mayor a menor concentración, podemos decir que se están moviendo a favor de su gradiente de concentración; el movimiento en la dirección contraria es en contra del gradiente de concentración. Debido a que las moléculas se moverán a favor del gradiente de concentración de forma espontánea, podemos pensar en el gradiente de concentración como un tipo de fuerza que impulsa a las moléculas hacia una dirección en particular. Así, nos referimos al gradiente de concentración como una fuerza de gradiente químico, cuya dirección es siempre a favor del gradiente de concentración (fig. 4.1). Como veremos, la velocidad a la cual una sustancia es transportada varía con la magnitud del gradiente de concentración y generalmente es mayor a medida que el gradiente aumenta. Por tanto, podemos decir
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Transporte de la membrana celular
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Test rápido 4.1
Fuerza de gradiente químico
1. ¿Cuál es la diferencia entre transporte pasivo y transporte activo? 2. ¿Por qué nos referimos al gradiente de concentración como una fuerza direccional? 3. ¿En qué dirección (dentro o fuera de la célula) actúa la fuerza de gradiente químico para los aminoácidos? (V. tabla 4.1.)
Fuerzas direccionales eléctricas
(a)
Fuerza de gradiente químico
(b)
FIGURA 4.1 Fuerzas direccionales químicas. (a) Cuando la concentración de moléculas (puntos) es mayor dentro de la célula que en el líquido extracelular, el sentido de la fuerza de gradiente químico (flecha) es hacia el exterior. (b) Cuando la concentración de moléculas es mayor en el líquido extracelular, el sentido de la fuerza de gradiente químico es hacia dentro. En ambos casos, las moléculas se moverán de forma pasiva en la dirección de la fuerza, o a favor de su gradiente de concentración.
que la magnitud de la fuerza de gradiente químico aumenta a medida que lo hace el $C. Cuando hay más de una sustancia presente en el medio, como en el caso de células reales, existe más de un gradiente de concentración. Cualquier fuerza de gradiente químico que pueda estar actuando en una sustancia dada depende solo del gradiente de concentración de esa sustancia en particular. Hay que tener en cuenta que una fuerza de gradiente químico es fundamentalmente diferente del resto de fuerzas conocidas porque no actúa realmente sobre la molécula de la misma manera que la fuerza de la gravedad atrae una roca o una fuerza magnética una pieza de hierro. Cuando las moléculas atraviesan la membrana a favor de su gradiente de concentración, lo hacen simplemente porque hay más moléculas en un lado de la membrana que en el otro. Las moléculas individuales no son empujadas a favor del gradiente, sino que, de hecho, tienen la misma probabilidad de moverse en cualquier dirección. Este hecho se estudia más adelante en este capítulo.
En general, las moléculas que se mueven de forma pasiva a través de la membrana pueden verse afectadas por otros factores, además de las fuerzas direccionales químicas. Esto es particularmente cierto para los iones, que se ven afectados por fuerzas direccionales eléctricas además de las químicas. Las fuerzas direccionales eléctricas se generan por el potencial de membrana, una diferencia en el potencial eléctrico o voltaje que existe a través de la membrana de la mayoría de las células. En la siguiente sección vemos que la existencia de un potencial de membrana refleja una distribución desigual de iones cargados positivamente e iones cargados negativamente a través de la membrana plasmática. (No nos preocuparemos sobre qué causa esta distribución desigual de cargas hasta el capítulo 7, cuando se explique el origen de los potenciales de membrana en neuronas.) Una vez que entendamos bien qué es un potencial de membrana, consideraremos su influencia en las fuerzas que afectan al transporte de iones. Potencial de membrana Los medios en el organismo contienen una gran variedad de solutos y muchos de estos son iones que poseen carga eléctrica. Algunos iones son cationes, que tienen carga positiva; otros son aniones, que tienen carga negativa. Los iones están también presentes en las soluciones salinas, como el agua del mar, pero uno normalmente no puede detectar la presencia de las cargas eléctricas de los iones, porque el número de cargas positivas y negativas es el mismo. Una disolución de este tipo se dice que es eléctricamente neutra, porque las cargas positivas y negativas se anulan, dando una carga eléctrica neta (total) de cero. Del mismo modo, la carga eléctrica total de tu organismo es cero, porque el número de cationes iguala el número de aniones. Una persona puede captar y emitir cargas, por ejemplo, cuando te frotas los pies en una alfombra (captas cargas negativas) y después tocas un objeto metálico o de otro material conductor para liberar esa carga eléctrica. En el líquido intracelular o extracelular, los cationes y aniones están presentes en distinto número; como consecuencia, estos medios no son eléctricamente neutros. El líquido intracelular contiene un ligero exceso de aniones, confiriéndole una carga neta negativa. El líquido extracelular contiene un ligero exceso de cationes, confiriéndole una carga neta positiva. Debido a que las cargas positivas y negativas están distribuidas de forma desigual entre el interior y el exterior de la célula, se dice que existe una separación de cargas a través de la membrana (fig. 4.2). El exceso de cargas negativas y positivas en el medio intracelular y extracelular tiende a estar agrupado cerca de la membrana, porque el exceso de cargas negativas de un lado de la membrana es atraído por el exceso de cargas positivas del otro lado. El potencial de membrana de una célula refleja esta separación de cargas y se expresa en unidades de potencial eléctrico, en milivoltios (mV), es decir 1/1.000 voltios. La magnitud del
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Exceso de aniones
–
Exceso de cationes
+
–
–
+
–
+
–
+
–
+
+
–
+
–
–
+
–
+
–
+
–
+
+
–
+
–
–
+
–
+
–
+
–
+
+
–
Líquido intracelular
+ + + – + – – – – – + + – + Fuerza direccional – – + + eléctrica – – – – + + + + +
+ (a)
+ + + – + – – – – – + + – – direccional – Fuerza – + eléctrica + – – + – – + + + +
Líquido extracelular
Membrana plasmática
FIGURA 4.2 Separación de cargas a través de la membrana celular. En condiciones normales, el líquido intracelular tiene un ligero exceso de aniones (cargas negativas), y el extracelular tiene un ligero exceso de cationes (cargas positivas). Estos excesos de cargas están agrupados en la región cercana a la membrana. La carga neta en el interior y el exterior está indicada por los signos (+) y (–) a cada lado de la membrana. (b)
potencial de membrana (número de milivoltios) depende del grado de separación de cargas; a mayor diferencia de cargas entre ambos lados de la membrana, mayor potencial de membrana. Por consenso, el signo del potencial de membrana (positivo o negativo) se toma como el signo de la carga neta dentro de la célula en relación con el exterior. Debido a que el interior de una célula suele tener más carga negativa que el exterior, el potencial de membrana es normalmente negativo. (Bajo ciertas condiciones, sin embargo, el potencial de membrana puede ser positivo, como veremos en el capítulo 7.) Para muchas células, el potencial de membrana, que se indica con el símbolo Vm, está alrededor de los 70 milivoltios negativos (Vm = –70 mV). Cómo el potencial de membrana crea una fuerza direccional eléctrica que actúa sobre los iones Un potencial eléctrico es una forma de energía potencial; es decir, es una fuerza eléctrica que actúa sobre partículas cargadas y tiene el potencial de hacer que esas partículas se muevan. Por ejemplo, las pilas AA separan 1,5 voltios de carga a través de dos polos. Un polo es positivo, el otro negativo. Si un interruptor se situase de manera que conectara los dos polos, las cargas fluirían como una corriente eléctrica desde un polo al otro. Si se situase una bombilla entre los polos, entonces, la corriente se utilizaría para encenderla. Factores que afectan a la dirección y la magnitud de una fuerza direccional eléctrica El potencial de membrana funciona de una manera similar. La separación de cargas es una energía potencial para que la corriente fluya a través de la membrana. La corriente en los sistemas biológicos está causada por el movi-
FIGURA 4.3 Fuerzas direccionales eléctricas. (a) El sentido de la fuerza direccional eléctrica (flecha) de un ion cargado positivamente es hacia el interior. (b) El sentido de la fuerza direccional eléctrica de un ion cargado negativamente es hacia el exterior, como indican los signos (+) y (–) a cada lado de la membrana.
miento de iones. Así, el potencial de membrana crea una fuerza direccional eléctrica para el movimiento de iones. Para determinar el sentido de la fuerza direccional eléctrica, simplemente necesitamos conocer la valencia (o carga) del ion y esta regla simple: los opuestos se atraen, los iguales se repelen. Sabemos que el potencial de membrana es negativo. Así, los cationes son atraídos por las cargas negativas del interior de la célula y tienen una fuerza direccional eléctrica dirigida hacia el interior. Los aniones, por el contrario, son repelidos por el potencial de membrana negativo y tienen una fuerza direccional eléctrica dirigida hacia el exterior (fig. 4.3). Las moléculas no cargadas, como la glucosa, no se ven afectadas por el potencial de membrana y, por tanto, tienen una fuerza direccional eléctrica de cero. La magnitud de la fuerza direccional eléctrica en un ion depende de la magnitud del potencial de membrana y de la cantidad de carga transportada por el ion, y aumenta a medida que lo hacen estos factores (fig. 4.4). Un potencial de membrana muy negativo, por ejemplo, significa un mayor número de cargas negativas en el interior y cargas positivas en el exterior, lo que incrementa las fuerzas de atracción y de repulsión que actúan sobre el ion. Si un ion transporta más carga, las fuerzas
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–
+ + Fuerza direccional eléctrica
–
+
Vm = –50 mV (a)
–
+ –
+ +
–
Fuerza direccional eléctrica
–
+ +
Vm = –100 mV (b)
–
+ ++
–
Fuerza direccional eléctrica
+
Vm = –50 mV (c)
FIGURA 4.4 Efectos del potencial de membrana y de la valencia del ion (carga) en la fuerza direccional eléctrica. (a) En presencia de un potencial de membrana negativo (Vm = –50mV), una fuerza direccional eléctrica hacia el interior (flecha) actúa sobre un ion cargado positivamente que cruza la membrana. (b) Cuando la magnitud del potencial de membrana aumenta hasta –100 mV, la magnitud de la fuerza direccional eléctrica también aumenta, como se indica con una flecha más ancha. (c) Para los iones de mayor valencia, la magnitud de la fuerza direccional eléctrica también aumenta.
Transporte de la membrana celular
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ral, cuando los iones son transportados a través de la membrana, están influyendo dos fuerzas direccionales: 1) la fuerza química que refleja la tendencia de los iones a moverse a favor de gradiente de concentración (de mayor a menor concentración), y 2) la fuerza eléctrica que refleja la tendencia de los iones a ser empujados en una u otra dirección por el potencial de membrana. La fuerza total que actúa sobre los iones es la combinación de estas fuerzas direccionales químicas y eléctricas, denominada gradiente de potencial electroquímico. (El término de gradiente de potencial electroquímico también puede utilizarse para referirnos a moléculas no cargadas, que no están influenciadas por las fuerzas direccionales eléctricas; en este caso, la fuerza de conducción electroquímica es sinónimo de fuerza de gradiente químico.) El sentido de la fuerza electroquímica que actúa sobre un ion depende de la dirección neta de las fuerzas eléctricas y químicas. Si ambas van en la misma dirección, entonces el gradiente de potencial electroquímico también actúa en esa dirección. Si las fuerzas eléctricas y químicas van en direcciones opuestas, entonces la fuerza electroquímica va en la dirección de la fuerza mayor. Para determinar si una fuerza eléctrica o química es mayor, un fisiólogo debe conocer el potencial de equilibrio de los iones, un valor hipotético de potencial de membrana al cual la fuerza direccional eléctrica es igual y opuesta a la fuerza de gradiente químico, produciendo una fuerza electroquímica igual a cero. Si el potencial de membrana iguala el potencial de equilibrio de un ion, ese ion no se moverá de forma espontánea en ninguna dirección, porque el total de las fuerzas que actúan sobre él es cero. En otras palabras, el ion estará en equilibrio. (Recuerda que una reacción química está en equilibrio cuando su dirección neta no es ni hacia los reactivos ni hacia los productos.) La magnitud y signo de un potencial de equilibrio de un ion depende del tamaño y dirección del gradiente de concentración de iones y de la valencia del ion. Un mayor gradiente de concentración implica un mayor potencial de equilibrio porque se requiere una fuerza eléctrica mayor para igualar o «equilibrar» una mayor fuerza química. El signo del potencial de equilibrio es tal que la fuerza eléctrica va en la dirección opuesta a la fuerza química. En el caso de los iones de sodio (Na+), por ejemplo, los cuales están en mayor concentración fuera de la célula, la fuerza química se dirige hacia el interior. Así, se requerirá una fuerza eléctrica dirigida hacia fuera para equilibrar la fuerza química. Debido a que el Na+ está cargado positivamente, un potencial de membrana positivo ejercerá una fuerza eléctrica hacia fuera que equilibre la fuerza química hacia el interior. Esto significa que el potencial de equilibrio del Na+ debe ser positivo. Si la concentración del ion a ambos lados de la membrana es conocida, su potencial de equilibrio puede ser calculado usando la ecuación de Nerst (v. «Caja de herramientas: Potenciales de equilibrio y ecuación de Nernst»).
Fuerzas direccionales electroquímicas
Determinar la dirección del gradiente de potencial electroquímico Cuando un ion está cruzando una membrana celular, la dirección de la fuerza electroquímica que actúa sobre él puede determinarse mediante un procedimiento simple. Para llevarlo a cabo, necesitamos saber el potencial de equilibrio del ion (al cual se le asigna el símbolo Ex para el ion X) y el potencial de membrana de la célula:
Para determinar si los iones están siendo transportados de forma activa o pasiva, un fisiólogo debe identificar todas las fuerzas direccionales que pueden estar actuando sobre ellos. En gene-
1. Usando los principios descritos en las secciones anteriores, identifica la dirección de las fuerzas direccionales químicas y
de atracción y de repulsión también se incrementan, lo que hace que las fuerzas direccionales sean más fuertes.
100
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Potenciales de equilibrio y ecuación de Nernst Aprendimos en el último cuadro que la fuerza de gradiente químico para que un soluto no cargado entre en una célula viene determinada por la ecuación de van’t Hoff: [S]i $G = RT ln [S] e donde [S]e es la concentración de soluto fuera de la célula y [S]i es la concentración de soluto dentro de ella. Cuando consideramos iones, sin embargo, hay una fuerza eléctrica además de la fuerza química. La siguiente ecuación describe el gradiente de potencial electroquímico para que un ion (I) se mueva al interior de la célula: [I]i $G = RT ln + zFE [I]e donde G es la energía libre, R la constante universal de los gases (0,082 atm . l/ºK . mol), T es la temperatura absoluta en grados kelvin (K), z es la valencia del ion, E es el potencial de membrana, F es la constante de Faraday para la fuerza eléctrica (9,65 × 104 J/V-mol), e [I] es la concentración del ion I. Ten en cuenta que la fuerza electroquímica es la suma de la fuerza química y la eléctrica (zFE). Si sabemos la carga del ion y su concentración intra- y extracelular, podemos calcular el potencial de equilibrio de un ion (Ei) estableciendo $G como 0 y resolviendo E: –zFEi = RT ln
[I]i [I]i o Ei = RT/zF ln [I]e [I]e
Al sustituir las constantes y el logaritmo neperiano (Ln) por el logaritmo decimal (log), obtenemos: Ei =
Esta ecuación, llamada ecuación de Nernst, nos da el valor del potencial de equilibrio en milivoltios y supone que la temperatura es cercana a la temperatura normal del organismo, 37 ºC. Utilizando las concentraciones intra- y extracelulares típicas, podemos encontrar el potencial de equilibrio para el sodio, ENa realizando las sustituciones apropiadas, como sigue: ENa =
145 mM 61 log = 60,1 mV ≈ 60 mV 15 mM 1
De la misma manera, podemos encontrar el potencial de equilibrio para el potasio, EK: EK =
61 4 mM = –94,2 mV ≈ –94mV log 1 140 mM
Ten en cuenta que en ambos casos la valencia es +1, por tanto, el signo del potencial de equilibrio depende solamente de la dirección del gradiente de concentración. Ten en cuenta también que EK es mayor en magnitud que ENa. Esto tiene sentido porque un mayor gradiente de concentración requiere un mayor potencial de membrana para equilibrarlo, y el gradiente de K+ es mayor que el de Na+. Si un gradiente de concentración es pequeño, las concentraciones intra- y extracelulares del ion estarán más cercanas al equilibrio. Si las concentraciones son iguales, la relación de concentración Ce/Ci es igual a 1, haciendo el potencial de equilibrio cero. (Recuerda que el log de 1 es cero.) A medida que las concentraciones se hacen más y más diferentes, la relación se hace mucho mayor o mucho menor que 1, haciendo el término log mayor y más positivo, o menor y más negativo, respectivamente.
[I]i 61 mV log [I]e z
eléctricas que actúan sobre el ion. Si las dos fuerzas direccionales van en la misma dirección, la fuerza electroquímica también actúa en esa dirección, y no se necesitan más análisis. 2. Si las fuerzas químicas y eléctricas actúan en direcciones opuestas, compara la magnitud del potencial de equilibrio y del potencial de membrana. Si son iguales, entonces la fuerza electroquímica es cero y el ion está en equilibrio. Si no, sigue al paso 3. 3. Si el potencial de equilibrio es mayor en magnitud que el potencial de membrana, entonces la fuerza química es mayor que la eléctrica; la fuerza electroquímica, por tanto, actúa en la misma dirección que la química. Si el potencial de membrana es mayor en magnitud que el potencial de equilibrio, entonces la fuerza eléctrica es mayor que la química; la fuerza electroquímica actúa, por tanto, en la misma dirección que la fuerza eléctrica. La aplicación de este procedimiento se ilustra en la figura 4.5 para el caso del ion potasio (K+), cuyas concentraciones intra- y
extracelulares son 140 mM y 4 mM, respectivamente (v. tabla 4.1), dando lugar a una fuerza química dirigida hacia el exterior y un potencial de equilibrio de –94 mV (Ek = –94 mV). En cada uno de los tres paneles de la figura 4.5, el potencial de membrana es negativo, produciendo una fuerza direccional eléctrica hacia el interior opuesta a la fuerza química. En la figura 4.5a, el potencial de membrana y el potencial de equilibrio son iguales, dando lugar a una fuerza electroquímica igual a cero. En la figura 4.5b, el potencial de equilibrio es mayor que el potencial de membrana (–70 mV), dando lugar a una fuerza electroquímica dirigida hacia el exterior de la célula. En la figura 4.5c, el potencial de membrana (–100 mV) es mayor que el potencial de equilibrio, por tanto, la fuerza electroquímica está dirigida hacia el interior de la célula. Importancia del gradiente de potencial electroquímico Debido a que la fuerza electroquímica es la fuerza total que actúa sobre el transporte de iones, determina la dirección en la cual los iones se moverán si es posible a través de la membrana de forma espontánea. Cuando los iones se transportan de forma pasiva,
C A P Í T U LO 4
+ + + + – – + – K+ – Fuerza direccional química – K+ K+ K+ – + + – K+ K+ + K+ – K+ + – – K+ – Fuerza direccional eléctrica + – – + + + EK = –94 mV Vm = –94 mV (a)
+ + + – – Fuerza direccional química + – K+ – + K+ – K+ K + – + – K+ K+ Fuerza direccional eléctrica K+ – + + – – K+ K+ – Fuerza + – – + direccional electroquímica + + +
EK = –94 mV Vm = –70 mV (b)
+ + + – – – Fuerza direccional química + – K+ K+ – K+ – + K+ + – K+ K+ K+ – + Fuerza direccional eléctrica + – – K+ – Fuerza direccional + – – + electroquímica K+ + + +
EK = –94 mV Vm = –100 mV (c)
FIGURA 4.5 Fuerzas direccionales eléctricas, químicas y electroquímicas que actúan sobre los iones potasio cuando cruzan la membrana celular. El potencial de equilibrio para el potasio (K+) es –94 mV, y el potencial de membrana se asume que es negativo. (a) Cuando el potencial de membrana iguala al potencial de equilibrio (Vm = –94 mV), la fuerza electroquímica es cero. (b) Cuando el potencial de membrana es –70 mV, la fuerza eléctrica es más pequeña que la química, por lo que la fuerza electroquímica va hacia fuera de la célula. (c) Cuando el potencial de membrana es –100 mV, la fuerza química es más pequeña que la eléctrica, y la fuerza electroquímica es hacia el interior celular.
Transporte de la membrana celular
101
siempre se mueven en la dirección del gradiente de potencial electroquímico. Dicho de otra manera, cuando los iones se transportan de forma pasiva, disminuyen su gradiente electroquímico. Cuando son transportados de forma activa, se mueven en la dirección opuesta a la fuerza electroquímica, o aumentan su gradiente electroquímico.
Test rápido 4.2 1. Determina el sentido de la fuerza direccional eléctrica para cada uno de los siguientes iones, suponiendo que el potencial de membrana celular es negativo: Na+, K+, Cl–, HCO–, Ca2+. 2. Suponiendo que los iones sodio y potasio están siendo transportados a través de una membrana celular dada, ¿para qué ion, Na+ o Ca2+, es mayor la fuerza direccional eléctrica? Explícalo. 3. En referencia a la tabla 4.1 para la concentración de iones intra- y extracelulares, determina la dirección del gradiente de potencial electroquímico para Na +, suponiendo que E Ns = +60 mV y Vm = –70 mV.
Velocidad de transporte En el capítulo 3, vimos que la velocidad de una reacción metabólica es importante, ya que las reacciones deben llevarse a cabo de forma suficientemente rápida para satisfacer las demandas metabólicas del organismo. Para que esto ocurra, las moléculas también deben ser transportadas a través de la membrana a una velocidad adecuada. Cuando estás descansando, por ejemplo, el oxígeno es transportado a través del revestimiento epitelial de los pulmones (el epitelio pulmonar) a una velocidad que coincide con la de consumo de oxígeno de tu organismo. Cuando comienzas a hacer ejercicio, las reacciones metabólicas consumen oxígeno a velocidades más altas; para mantener este incremento de demanda, la velocidad de transporte a través del epitelio pulmonar también debe aumentar, o las células de tu organismo se quedarán momentáneamente sin oxígeno. En ciertas condiciones patológicas, como, por ejemplo, el edema pulmonar (exceso de líquido en los pulmones), la difusión de oxígeno (o de dióxido de carbono) se ve dificultada. Bajo estas condiciones, una persona tiene dificultad para realizar ejercicio, porque el oxígeno no puede moverse a través del epitelio pulmonar lo suficientemente rápido. Si la enfermedad es grave, el aporte de oxígeno puede verse afectado tanto que la persona sienta falta de aire incluso en condiciones de reposo. La velocidad a la cual una sustancia se transporta a través de la membrana hace referencia al número de moléculas que atraviesan la membrana en un período de tiempo determinado, a lo que llamamos flujo. El flujo normalmente se expresa en unidades de mol por segundo o algún equivalente. (Estrictamente hablando, el flujo es el número de moléculas que cruzan una membrana por unidad de tiempo por unidad de área de superficie de membrana. Para simplificar, omitimos la palabra área de la definición.) Ten en cuenta que cuando se dice que las moléculas son transportadas en una dirección o en otra (hacia dentro o hacia fuera de la célula, por ejemplo) nos referimos al movimiento neto de moléculas a través de la membrana. En casi todos los casos, las moléculas individuales se mueven realmente a través de la membrana en ambas direcciones, pero la mayoría de ellas se moverán más en una dirección que en otra. Este flujo bidireccional de moléculas está representado en la figura 4.6, que
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Transporte de la membrana celular
Lado 1
Lado 2
Flujo unidireccional
Flujo unidireccional Concentración: 1 M
1M
resultado, hay un movimiento neto de moléculas desde el lado 1 al 2. La velocidad de este movimiento es el flujo neto, la diferencia entre los dos flujos unidireccionales. Cuando los fisiólogos dicen que las moléculas se transportan pasivamente o activamente en una dirección determinada, siempre se refieren a la dirección del flujo neto. El flujo neto en la figura 4.6a es cero. Como veremos más adelante en este capítulo, las velocidades de transporte están influenciadas por muchas variables, algunas de las cuales son específicas de ciertos mecanismos de transporte.
(a) Lado 1
Lado 2
En el transporte pasivo, las moléculas se mueven a través de la membrana a favor del gradiente químico o electroquímico. No se necesita energía. Los tipos de transporte pasivo incluyen la difusión simple, la difusión facilitada y la difusión a través de canales iónicos.
Flujo neto
Flujo unidireccional
Flujo unidireccional Concentración: 2 M
Transporte pasivo
1M
(b)
FIGURA 4.6 Flujo direccional y flujo neto de moléculas. (a) Equilibrio difusional. Cuando las moléculas de soluto (puntos) están a la misma concentración a ambos lados de la membrana, el flujo unidireccional del lado 1 al lado 2 es igual que el del lado 2 al lado 1 (flechas). Bajo estas condiciones, el flujo neto a través de la membrana es cero. (b) Flujo neto. Cuando la concentración en el lado 1 aumenta debido a uno o dos factores, el flujo unidireccional del lado 1 al lado 2 es dos veces mayor que antes, pero el flujo unidireccional en la dirección opuesta no se ve afectado. Los flujos unidireccionales no están en equilibrio, produciendo un flujo neto a favor del gradiente de concentración del lado 1 al lado 2.
representa una membrana separando dos soluciones en una cámara. En este ejemplo, las moléculas están atravesando la membrana por difusión simple bajo dos condiciones: cuando su concentración es la misma en ambos lados y cuando la concentración en el lado izquierdo es dos veces la del lado derecho. En la primera situación (v. fig. 4.6a), las moléculas cruzan del lado 1 al 2 y del lado 2 al 1. El número de moléculas que atraviesan la membrana por unidad de tiempo en una sola dirección se llama flujo en una dirección o flujo unidireccional. En este caso, el flujo unidireccional del lado 1 al 2 es igual que el del lado 2 al 1, porque el número de moléculas cercanas a la membrana es el mismo a cada lado, y cada molécula tiene la misma probabilidad de cruzar al otro lado en cualquier período de tiempo dado. Como no hay una transferencia neta de moléculas desde un lado al otro, las concentraciones no cambian, y el sistema está en un equilibrio difusional. En la segunda situación (v. fig. 4.6b), la concentración en el lado 1 es dos veces lo que era en un principio, y dos veces lo que hay en el lado 2. Bajo estas condiciones, el flujo unidireccional del lado 1 al 2 se ha duplicado (debido a que el número de moléculas cercanas a la membrana a ese lado se ha duplicado). Ahora el flujo unidireccional desde el lado 1 al 2 es mayor que el flujo unidireccional en el sentido opuesto. Como
Difusión simple: transporte activo a través de la bicapa lipídica La difusión simple es el menos complicado de todos los mecanismos de transporte. Aunque ya hemos aprendido algo sobre las fuerzas de difusión simple, aquí aprenderemos acerca de lo que las hace funcionar. También aprenderemos algunos de los factores que afectan a la velocidad de difusión y a la permeabilidad de la membrana para las sustancias que se mueven por difusión simple.
Bases para la difusión simple Usamos el término difusión simple para describir el transporte pasivo de moléculas a través de la bicapa lipídica de las membranas biológicas; sin embargo, el mecanismo de difusión simple no es estrictamente biológico. Por ejemplo, cuando alguien próximo abre un frasco de perfume, notes el olor a la fragancia incluso aunque no existan corrientes de aire que la lleven a tu nariz. Esto sucede porque algunas moléculas del perfume viajan desde la botella a tu nariz por difusión simple a través del aire. Las moléculas salen de la botella porque allí están más concentradas y menos según se alejan, y porque estas moléculas, como las demás, se mueven de forma espontánea hacia gradientes de concentración menores, debido a que se encuentran en un estado continuo de movimiento térmico. El movimiento de moléculas de una a otra localización simplemente como resultado de su propio movimiento térmico se llama difusión, un término general que se aplica a moléculas que se mueven por cualquier medio. Del movimiento térmico se suele decir que es aleatorio, porque las moléculas individuales se mueven desordenadamente en varias direcciones debido a las colisiones con otras moléculas. Como consecuencia, las moléculas no se dirigen hacia una dirección en particular durante mucho tiempo antes de cambiar el rumbo, y cuando esto sucede la dirección es impredecible. Pero si el movimiento térmico es aleatorio, entonces ¿cómo es posible que la difusión de moléculas se realice siempre hacia el menor gradiente de concentración, lo cual no es en absoluto un acontecimiento aleatorio? La respuesta radica en la distinción entre moléculas individuales, que se mueven aleatoriamen-
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te, y la población de moléculas, que se mueven siempre a favor de gradiente de concentración. Por ejemplo, si hay ocho moléculas a la izquierda y dos a la derecha, las diez moléculas individuales tienen la misma probabilidad de moverse a la derecha o a la izquierda. Sin embargo, cuando se considera a la población de las diez moléculas, las de la izquierda (la zona de mayor concentración) tienen cuatro veces más probabilidad de moverse a la derecha que aquellas de la derecha de moverse hacia la izquierda. Así, habrá más movimiento de la izquierda a la derecha.
Transporte de la membrana celular
flujo neto es cero. Bajo estas condiciones, las moléculas aún se mueven de un lado a otro de la membrana, pero con la misma velocidad en ambas direcciones. En la difusión simple, el flujo neto de una sustancia es directamente proporcional a la magnitud del gradiente de concentra-
Lado 1
Lado 2
Factores que afectan la velocidad de difusión simple Cuando una sustancia se transporta de forma pasiva a través de la membrana por difusión simple, la velocidad a la cual es transportada depende de tres factores: la magnitud de las fuerzas direccionales, la superficie de la membrana y la permeabilidad de la membrana, como medida de la facilidad con la cual las moléculas son capaces de moverse a través de ella. Cada uno de estos factores se comentará a continuación. Magnitud de las fuerzas direccionales Cuando una fuerza direccional actúa sobre una molécula que cruza una membrana, condiciona no solo la dirección a la cual se mueve, sino también la velocidad a la cual es transportada. En la mayoría de los casos, el flujo neto aumenta a medida que lo hace la magnitud de las fuerzas direccionales, pero no siempre. En la difusión simple, la velocidad de transporte está directamente relacionada con la magnitud de la fuerza direccional. Considera una situación en la cual una membrana separa dos soluciones en una cámara (fig. 4.7). Inicialmente (v. fig. 4.7a), el lado 1 contiene un soluto a una concentración de 1 M, mientras que el lado 2 contiene un volumen equivalente de agua pura. La presencia de este gradiente de concentración conduce a un flujo neto de moléculas de soluto del lado 1 al lado 2. Como resultado, la concentración en el lado 1 disminuye, mientras que la concentración en el lado 2 aumenta. En la figura 4.7b, la concentración en el lado 1 se ha reducido hasta 0,75 M, mientras que la concentración en el lado 2 ha aumentado a 0,25 M. Debido a que la fuerza del gradiente ha disminuido, el flujo neto también desciende, como se indica con la flecha más delgada. Estos cambios continúan hasta que las dos concentraciones se igualan, por lo que el flujo neto será igual a cero (v. fig. 4.7c). El gráfico de la figura 4.7d muestra que la concentración cambia más lentamente a medida que las concentraciones se hacen iguales; es decir, el flujo neto disminuye a medida que el gradiente de concentración disminuye. Una vez que las concentraciones se igualan, no cambian más porque el
Flujo neto
Concentración: 1 M
0 M (agua destilada)
(a) Lado 1
Lado 2
Flujo neto
Concentración: 0,75 M
0,25 M
(b) Lado 2
Lado 1
Concentración: 0,5 M
0,5 M (Flujo neto = 0)
(c) 1
Según pasa el tiempo, ¿el flujo unidireccional del lado 1 al lado 2 aumenta, P disminuye o permanece igual?
Lado 1 Concentración (M)
FIGURA 4.7 Cambios en el flujo neto del transporte de moléculas en función de los cambios en el gradiente de concentración. (a) Un gradiente de concentración alto crea el flujo neto indicado por la flecha. (b) Debido al flujo neto del lado 1 al lado 2, la concentración en el lado 1 cae hasta 0,75 M, mientras que en el lado 2 se eleva a 0,25 M. El flujo neto también desciende. (c) Las concentraciones a ambos lados de la membrana se igualan, y el flujo neto es ahora cero. (d) Cambios en la concentración a ambos lados a lo largo del tiempo.
103
0,5
Lado 2 0
(d)
Tiempo
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Transporte de la membrana celular
Alta permeabilidad
Flujo neto
Flujo neto
104
Baja permeabilidad 0 Gradiente de concentración (C)
FIGURA 4.8 Proporcionalidad directa entre el flujo neto y la magnitud
0 Gradiente de concentración (C)
del gradiente de concentración para una sustancia no cargada que atraviesa una membrana por difusión simple.
FIGURA 4.9 Efecto de la permeabilidad en el flujo neto de una sustancia no cargada que atraviesa la membrana por difusión simple.
ción o a la magnitud del gradiente electroquímico, si la sustancia está cargada (fig. 4.8). A medida que el gradiente de concentración aumenta o disminuye por un factor determinado, el flujo aumenta o disminuye en el mismo factor.
manera alternativa, la «permeabilidad del sodio»). Aunque este término es muy común, hay que tener en cuenta que el término permeabilidad se refiere a las membranas, no al transporte de moléculas. La permeabilidad de la membrana no es la misma para todas las moléculas, por lo que se describe, en general, como referencia a una molécula en particular. Estrictamente hablando, una sustancia que atraviesa la membrana es permeante, mientras que la membrana en sí es permeable (con capacidad de ser permeada). Entre los factores que influyen en la permeabilidad de la membrana celular se encuentran los siguientes:
Superficie de membrana Como norma general, la velocidad a la cual las moléculas son transportadas a través de la membrana varía de forma proporcional a la superficie de membrana. Para entender por qué, imagina una serie de moléculas atravesando una membrana situada en una cámara a una velocidad determinada. Si situásemos dos cámaras idénticas una a continuación de la otra y las combinásemos en una, la superficie de la membrana se duplicaría, y el número de moléculas que atravesarían la membrana por unidad de tiempo también se duplicaría. Ten en cuenta que esto es cierto independientemente del mecanismo de transporte. Varios tejidos especializados en el transporte (el epitelio pulmonar, el epitelio intestinal y las paredes de los capilares, por ejemplo) tienen grandes superficies de membrana, lo cual mejora la capacidad de estos tejidos de transportar grandes cantidades de sustancias rápidamente. La superficie del epitelio pulmonar e intestinal es mayor gracias a su alta capacidad de plegamiento, mientras que la superficie capilar es mayor por la amplia ramificación que caracteriza a estos vasos. Permeabilidad de la membrana La permeabilidad de una membrana a una sustancia en particular depende tanto de la naturaleza de la sustancia transportada como de varias propiedades de la membrana (además de la superficie) que influyen en la facilidad con la que las moléculas son capaces de atravesarla. Para cualquier mecanismo de transporte pasivo, una alta permeabilidad implica una mayor velocidad de transporte, en igualdad de condiciones. La influencia de la permeabilidad en el transporte se muestra de forma gráfica en la figura 4.9, que pertenece a una sustancia atravesando una membrana por difusión simple. Cuando la permeabilidad es más alta, el flujo neto es mayor para un gradiente de concentración dado. (V. «Caja de herramientas: Ley de Fick y permeabilidad».) Trataremos los distintos factores que afectan a la permeabilidad de la membrana a continuación. La permeabilidad de la membrana a una sustancia X viene dada por el símbolo Px y a menudo se refiere a la «permeabilidad de X». Por ejemplo, PNa será la «permeabilidad al sodio» (o, de
1. La liposolubilidad de la sustancia que difunde. Hemos visto que las moléculas difieren respecto a su capacidad de disolverse en lípidos. Las sustancias hidrófobas (no polares) son las más solubles en lípidos, mientras que las hidrófilas (polares o cargadas) son las menos solubles. Dado que las moléculas deben moverse a través de una bicapa lipídica en la difusión simple, cabe esperar que las moléculas liposolubles sean capaces de atravesar la bicapa más fácilmente. En igualdad de condiciones, cuanto más liposoluble sea una sustancia, más permeabilidad tendrá la membrana a esa sustancia. La liposolubilidad también está influenciada por la composición lipídica de la membrana, que varía ligeramente de una membrana a otra. 2. El tamaño y la forma de las moléculas que difunden. Las moléculas muestran importantes variaciones en el tamaño (dimensiones físicas y peso molecular) y la forma. En términos generales, aquellas moléculas más grandes y cuya forma es más irregular se moverán más lentamente a través de la bicapa, disminuyendo la permeabilidad de la membrana. 3. La temperatura. Las moléculas se mueven más rápidamente a altas temperaturas, lo que aumenta la permeabilidad. Este efecto es en general poco importante en la fisiología humana, debido a que la temperatura corporal es relativamente constante. 4. El grosor de la membrana. Teóricamente, una membrana más gruesa tendrá menor permeabilidad, porque las moléculas deben recorrer más espacio para atravesarla. Aunque las membranas celulares tienen un grosor similar, el grosor de los tejidos varía considerablemente. Los tejidos especializados en el transporte, como las paredes de los capilares o del epitelio pulmonar, tienden a tener las pare-
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Transporte de la membrana celular
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C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Ley de Fick y permeabilidad La permeabilidad tiene una definición matemática precisa. Hemos visto que, cuando una sustancia atraviesa la membrana por difusión simple, el flujo neto es proporcional a la magnitud del gradiente de concentración. La relación se expresa matemáticamente mediante la ley de Fick, que se puede escribir como sigue: Flujo neto = J = P · A · [%]C
des relativamente finas; esta delgadez aumenta la permeabilidad y mejora la velocidad de transporte a través de estos tejidos. De todos los factores que se acaban de mencionar, la solubilidad lipídica es la que tiene más influencia en la permeabilidad. Las diferencias en la liposolubilidad son en gran medida responsables, debido al hecho de que algunas sustancias pueden atravesar la membrana celular fácilmente por difusión simple, mientras que otras no pueden. Debido a que la mayoría de sustancias en el organismo son hidrófilas y, por tanto, no atraviesan la bicapa lipídica fácilmente, la lista de sustancias conocidas que puedan ser transportadas por difusión simple es muy limitada, e incluye ácidos grasos, hormonas esteroideas, hormonas tiroideas, oxígeno, dióxido de carbono y las vitaminas liposolubles (A, D, E y K). Una nota final: a pesar de que nuestro enfoque aquí ha sido únicamente la difusión simple a través de las membranas, lo que se aplica a relativamente pocas sustancias, las células en última instancia dependen de la difusión simple para la distribución y eliminación de todos los solutos, ya que las moléculas difunden a través del agua, acercándose y alejándose de la superficie de la membrana. Recuerda, por ejemplo, que la acumulación de líquido en los pulmones impide el transporte de oxígeno, lo que, a su vez, disminuye la capacidad de los pulmones de llevar el oxígeno a la sangre. La razón es que el flujo de oxígeno a través del epitelio pulmonar se ve afectado por el grosor de la capa de líquido que recubre el epitelio. Cuando el líquido se acumula, el efecto es similar a un incremento en el grosor del tejido, y la velocidad de difusión se hace más lenta.
Test rápido 4.3 1. En la difusión simple, ¿van las moléculas individuales siempre a favor de su gradiente de concentración? Explica los motivos de la respuesta. 2. ¿Qué propiedades de las moléculas transportadas afectan a la permeabilidad de la membrana en la difusión simple? ¿Qué propiedades de la membrana afectan a la permeabilidad? 3. Indica cuál de los siguientes factores aumenta la permeabilidad para una sustancia que atraviesa un tejido por difusión simple: aumento del espesor del tejido; menor tamaño de las moléculas que difunden;
En esta expresión, A es el área de la superficie de la membrana, $C es el gradiente de concentración (la diferencia en la concentración a través de la membrana), y el coeficiente P representa la permeabilidad. El valor numérico de P depende de la membrana en cuestión y de la identidad de la sustancia transportada. Ten en cuenta que, para un gradiente de concentración determinado, el flujo aumenta según aumenta P.
menor solubilidad en lípidos de las moléculas que difunden; aumento de la temperatura (selecciona todas las que cumplan la condición).
Difusión facilitada: transporte pasivo a través de proteínas de membrana Hemos señalado antes que algunas sustancias que son transportadas de forma pasiva no atraviesan la membrana por difusión simple, sino que cruzan a través de proteínas portadoras en la membrana (un proceso conocido como transporte mediado). Los fisiólogos utilizan el término difusión facilitada para distinguir el transporte pasivo mediado de la difusión simple y del transporte activo (otro tipo de transporte mediado).
Portadores en la difusión facilitada Un portador es una proteína transmembranosa que se une a moléculas a un lado de la membrana y las transporta al otro lado por medio de un cambio conformacional o un cambio en la estructura. Un portador tiene uno o más sitios de unión normalmente específicos para moléculas de ciertas sustancias o clases de sustancias. Los monosacáridos y los aminoácidos son ejemplos de sustancias transportadas por estas proteínas. Para ser transportado por una proteína de este tipo, una molécula debe colocarse primero en el sitio de unión. Una vez que la molécula se encuentra en el sitio de unión, se produce un cambio conformacional en el portador, que expone dicho sitio de unión al medio del otro lado de la membrana. En este punto, la molécula puede disociarse del portador y ser liberada en el medio. La figura 4.10 describe de manera esquemática cómo la proteína transporta una molécula de glucosa a través de la membrana celular. Aunque no se conoce la naturaleza del cambio conformacional que sufren los portadores, se suelen dibujar a menudo con una estructura de tipo bisagra, como en la figura 4.10. Independientemente del mecanismo exacto, los cambios conformacionales ocurren al azar (debido al movimiento térmico de la proteína portadora) y exponen el/los sitio/s de unión al medio en un lado de la membrana primero y en el otro después. (Los cambios conformacionales no necesitan ser activados por la unión del soluto y pueden incluso ocurrir cuando los sitios de unión están vacíos.) Cuando una molécula se une a un portador a un
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Transporte de la membrana celular
Medio extracelular
Glucosa
Proteína portadora de glucosa
Membrana plasmática
Medio intracelular (a)
(b)
(c)
(d)
(e)
FIGURA 4.10 Transporte de una molécula de glucosa a través de la membrana celular por una proteína portadora. (a) Proteína portadora con el sitio de unión vacío. (b) Unión de la molécula de glucosa al sitio de unión de la proteína, que se encuentra en el lado extracelular. (c) Cambio conformacional en la proteína portadora, de manera que el sitio de unión ahora se encuentra en el lado intracelular. (d) Liberación de la molécula de glucosa. El sitio de unión vuelve a estar vacío. (e) Vuelta del portador a su conformación original. El portador está preparado para unirse a otra molécula de glucosa.
portadores individuales; 2) el número de portadores en la membrana, y 3) la magnitud del gradiente de concentración (o electroquímico) de la sustancia transportada. Un aumento en alguno de estos factores se traduce en un aumento de la velocidad de la difusión. Los portadores de manera individual transportan moléculas a diferente velocidad, dependiendo del tipo. Un portador de glucosa normalmente puede transportar moléculas a una velocidad máxima de 10.000 por segundo. La figura 4.11 muestra cómo la velocidad de transporte de una población de portadores varía a medida que el gradiente de concentración cambia. Como la concentración a un lado de la membrana está aumentando, mientras que en el otro lado se mantiene constante, el flujo neto aumenta rápidamente al principio, pero luego se equilibra. (Compáralo con la figura 4.8, que se corresponde con una sustancia que atraviesa la membrana por difusión simple.) Este equilibrio sucede porque las proteínas portadoras se encuentran saturadas al 100% en altas concentraciones. La saturación de los portadores es parecida a la saturación de las enzimas (v. capítulo 3) y sucede por la misma razón: en un
Flujo neto
lado de la membrana y es liberada en el lado opuesto, el sitio de unión queda disponible para unir otra molécula en ese lado. Si una molécula se une, la transportará al otro lado en la dirección contraria. Si no se une ninguna molécula, el portador puede volver a su conformación original con el sitio de unión vacío, como se muestra en la figura 4.10. El flujo neto de la difusión facilitada depende de la frecuencia con la que se una el soluto al portador a ambos lados de la membrana, y el transporte neto se producirá desde el lado con mayor frecuencia de unión. Dos factores afectan a la unión de un soluto a un portador: 1) la afinidad por el sitio de unión en el portador, y 2) el gradiente de concentración (o gradiente electroquímico, en el caso de transporte de iones) de soluto a través de la membrana. En la difusión facilitada, la afinidad por el sitio de unión del soluto es la misma cuando el sitio de unión está expuesto al medio intracelular que al extracelular. Por tanto, cualquier diferencia en la unión del soluto al portador a ambos lados de la membrana depende del gradiente de concentración. Es más probable la unión de un soluto al portador cuantas más moléculas haya presentes. Así, si existe un gradiente de concentración, más moléculas se unirán al portador cuando los sitios de unión se encuentren en el lado de mayor concentración. Cuando el portador cambie de forma, el soluto será liberado en el otro lado. El efecto neto es un flujo de moléculas a favor del gradiente de concentración (o electroquímico). Si existe la misma concentración a ambos lados de la membrana, entonces se unirá de la misma manera cuando el portador esté en un lado u otro, y el flujo neto será cero. En este punto, el soluto se encontrará en equilibrio a ambos lados de la membrana. Esto significa que el flujo neto existe solo en presencia de un gradiente de concentración. Si existe un gradiente de concentración, la dirección del flujo neto es a favor del gradiente. En este sentido, la difusión facilitada es como la difusión simple, aunque el mecanismo es diferente.
0
Factores que afectan a la velocidad de la difusión facilitada
FIGURA 4.11 Relación entre el flujo neto y el gradiente de
La velocidad de la difusión facilitada está determinada totalmente por tres factores: 1) la velocidad de transporte de los
concentración para moléculas que atraviesan la membrana mediante difusión facilitada.
Gradiente de concentración (C)
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momento determinado en el tiempo, hay un número fijo de proteínas, con su(s) sitios(s) de unión ocupado(s). Cuando la concentración de moléculas a un lado de la membrana es alta, la probabilidad de que en algún momento dado los sitios de unión estén ocupados por moléculas es mayor. Si la concentración es muy elevada, los sitios de unión estarán virtualmente ocupados el 100% del tiempo. Bajo estas condiciones, los portadores están transportando las moléculas lo más rápido que pueden; por ese motivo, aumentar la concentración de soluto no tendrá ningún efecto en la velocidad de transporte. Debido a que la velocidad de la difusión facilitada depende del grado de saturación de la proteína portadora, las células pueden regular la velocidad modificando el número de portadores que están presentes en la membrana. Un aumento del número de portadores aumentará la probabilidad de que un soluto se una y sea transportado a través de la membrana (como un aumento en la concentración de la enzima aumentará la velocidad de la reacción química). Muchas hormonas realizan su actividad alterando el número de portadores. Un ejemplo de proteína portadora que lleva a cabo su función por difusión facilitada es el portador de glucosa 4 (GLUT4), que se encuentra en las células musculares y los adipocitos. La insulina aumenta los portadores de glucosa en estas células por inducción de la aparición de las proteínas GLUT4 en la membrana plasmática. Las moléculas GLUT4 son sintetizadas en el retículo endoplásmico rugoso, agrupadas en la membrana de vesículas secretoras y almacenadas en el citosol hasta que la insulina provoque su inserción en la membrana plasmática. El mecanismo por el cual la insulina logra este efecto se describe en el capítulo 21.
Transporte de la membrana celular
Líquido extracelular
107
Subunidades de polipéptidos Canales
(b) Bicapa lipídica
Líquido intracelular (a)
II I
II I
III IV
III IV
Difusión a través de canales Un canal es una proteína que transporta moléculas a través de un canal o poro que se extiende de un lado a otro de la membrana (fig. 4.12). Como los portadores de membrana, los canales son normalmente específicos para ciertas sustancias o tipos de sustancias. Algunos ejemplos de canales comunes son los canales de agua (acuaporinas) y los canales iónicos.
Difusión de agua a través de las acuaporinas Aunque algunas moléculas de agua atraviesan la bicapa lipídica a través de la membrana celular por difusión simple, la mayoría de ellas difunden a través de las acuaporinas, que son poros altamente selectivos que permiten al agua, pero no a los solutos, atravesar la membrana por difusión. Aunque es un descubrimiento relativamente reciente (la primera acuaporina se descubrió en 1992), se han identificado 13 clases de acuaporinas en las células hasta 2009. Las distintas acuaporinas difieren en su permeabilidad por el agua, su selectividad y su localización. El agua también puede atravesar la membrana a través de los canales iónicos. Las fuerzas para los movimientos del agua a través de la membrana se describen más adelante en este capítulo.
Difusión de agua a través de los canales iónicos El mecanismo de transporte a través de un canal iónico depende del tipo de canal. En algunos, el poro parece actuar simplemente como un canal lleno de agua a través del cual los iones se mueven por difusión. En otros, existen uno o más sitios de unión para iones. Cuando un canal tiene varios sitios de unión, los iones se mueven a través del poro «saltando» de un sitio al
H 2N
COOH
(c)
FIGURA 4.12 Canales de membrana. (a) Los canales son proteínas transmembranosa. (b) Vista desde arriba de un canal iónico. (c) Diagrama estructural de un canal de sodio. Ten en cuenta los cuatro dominios diferentes; cada uno consiste en seis segmentos que atraviesan la membrana plasmática.
siguiente. En ausencia de un gradiente electroquímico, un canal puede transportar de la misma manera iones (u otras moléculas) en cualquier dirección, y no habrá un flujo neto. Si hay un gradiente electroquímico, sin embargo, el flujo neto a través del canal será a favor de gradiente. Ten en cuenta que la distinción entre un canal con varios sitios de unión y un portador de membrana es que los sitios de unión vacíos del canal están accesibles a ambos lados de la membrana al mismo tiempo. Para un portador, los sitios están accesibles solo desde un sitio u otro en un momento determinado.
Factores que afectan a la velocidad de transporte a través de los canales iónicos La velocidad de movimiento de un ion a través de los canales depende de la velocidad de transporte de los canales de manera individual y del número de canales de la membrana. La velocidad
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Transporte de la membrana celular
de cada uno varía en función del tipo de canal. Para aquellos que funcionan principalmente como poros, el movimiento de iones sigue los mismos principios básicos que la difusión simple, excepto que los iones se mueven a favor del gradiente electroquímico, no solo del gradiente químico. Para los canales iónicos con sitios de unión, el transporte es, en general, más lento y los canales pueden saturarse, de forma similar a la difusión facilitada. Los canales iónicos de ambos tipos se pueden regular para modificar la velocidad de transporte. De manera específica, la mayoría de los canales iónicos pueden encontrarse en dos conformaciones: una cerrada y una abierta. En la conformación cerrada, los iones no pueden atravesar el canal. En la conformación abierta, los iones pueden difundir a través del canal a favor del gradiente electroquímico. Así, la velocidad de transporte a través de los canales iónicos depende no tanto del número total de canales en la membrana, sino del número de canales «abiertos». Estudiaremos la regulación de los canales iónicos en capítulos siguientes.
2. Si la dirección del flujo neto es en contra del gradiente electroquímico, el transporte es activo. Las dos formas básicas de transporte activo (transporte activo primario o secundario) difieren en la naturaleza de la fuente de energía utilizada. El transporte activo primario utiliza ATP o alguna otra fuente de energía química directamente para transportar sustancias. El transporte activo secundario es impulsado por un gradiente de concentración o electroquímico previamente creado por un transporte activo primario. Las bombas, proteínas de transporte que llevan a cabo el transporte activo, son similares a los portadores de membrana en muchos aspectos, pero tienen una capacidad de la que los portadores carecen. Las bombas pueden aprovechar la energía para llevar a cabo el transporte de moléculas en una dirección preferida a través de la membrana. Por el contrario, los portadores no muestran esa preferencia; en ausencia de un gradiente electroquímico, un portador puede, con la misma probabilidad, ayudar al transporte de moléculas en una u otra dirección. Recuerda que hay dos factores que afectan a la unión de un solu-
Test rápido 4.4 1. ¿Cuál es la diferencia entre un portador y un canal? ¿En qué se parecen? 2. A medida que la concentración de una sustancia aumenta, el flujo de moléculas transportadas por las proteínas de membrana aumenta al principio, pero con el tiempo se estabiliza. ¿Por qué? 3. Cuando una sustancia no cargada como la glucosa entra en la célula mediante difusión facilitada, ¿va a favor o en contra de su gradiente de concentración?
Portador activo Lado A
Membrana Lado B
Transporte activo Hasta el momento, nos hemos centrado en el transporte pasivo, pero las células también llevan a cabo transporte activo. La importancia de dicho transporte en la vida de una célula está marcada por el hecho de que algunas células gastan grandes cantidades de energía (en algunos casos, más del 40% de su producción total de ATP) en el transporte activo de ciertas moléculas a través de la membrana. De hecho, muchos procesos fisiológicos vitales dependen del transporte activo tanto directa como indirectamente; estos procesos incluyen la generación de señales eléctricas en la neuronas y otras células excitables, la regulación de la contracción muscular, la absorción de nutrientes y agua por el aparato digestivo, y la regulación de los líquidos del organismo por los riñones. Hemos visto que el transporte activo requiere energía y el transporte pasivo no. La razón de esta diferencia recae en el concepto de los gradientes electroquímicos: cuando un gradiente de potencial electroquímico actúa sobre las moléculas, ejerce un «empuje» en una dirección determinada. Las moléculas se moverán espontáneamente en esa dirección a menos que algo se lo impida. En otras palabras, el transporte de una sustancia a favor del gradiente electroquímico no requiere energía. Por el contrario, el transporte de una sustancia en contra del gradiente electroquímico requiere un aporte de energía, porque las moléculas se están moviendo en contra de la fuerza electroquímica que las empuja. Tanto si una sustancia se transporta activa o pasivamente, cumple las siguientes reglas: 1. Si la dirección del flujo neto es a favor del gradiente electroquímico, el transporte será pasivo.
(a) Igual concentración de soluto en los lados A y B Lado A
Lado B
(b) Estado estacionario
FIGURA 4.13 Transporte activo a través de la membrana. Una membrana separa un soluto presente a la misma concentración a ambos lados, A y B. Existe un portador activo en la membrana y tiene una gran afinidad por el soluto cuando el sitio de unión se encuentra el lado A. (a) Inicialmente, el soluto será transportado desde el lado A al lado B, debido a la mayor afinidad del portador cuando se encuentra en A. (b) Se alcanza el estado estacionario cuando el soluto tiene la misma probabilidad de unirse en cualquier lado. Esto sucede cuando el efecto de la concentración en la unión del soluto está compensado por el efecto de la afinidad. El resultado neto sobre el portador es concentrar el soluto en el lado B.
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Transporte de la membrana celular
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to al portador: la afinidad y el gradiente de Medio extracelular Na+ concentración (o electroquímico). La Na+ Na+ diferencia que permite a las bombas, y no a los portadores, mover una molécula en Na+ Na+ una determinada dirección tiene que ver con la afinidad de la proteína portadora Na+ Na+ por la molécula que está siendo transportada. Mientras que una proteína portadora tiene la misma afinidad por la molécula Na+ a ambos lados de la membrana, la afinidad de la bomba es mayor cuando el sitio P P Na+ de unión está expuesto a un lado de la membrana que cuando el sitio de unión ADP ATP Medio intracelular está expuesto al otro lado. Suponemos que comenzamos con la (a) (b) (c) misma concentración de soluto a ambos lados de la membrana, como se muestra en la figura 4.13a. El portador tiene mayor afinidad por el soluto cuando el sitio de K+ unión está expuesto en el lado A (se necesitó energía, como se describe brevemente, para inducir mayor afinidad). Una K+ mayor afinidad hace que se una más soluto en el lado A y sea transportado al lado B. El transporte neto de soluto en K+ K+ una dirección provoca un gradiente de concentración a través de la membrana tal que la concentración en el lado B pasa P a ser mayor que en A. Ahora, dos factores K+ afectarán a la unión: una mayor afinidad P K+ en el lado A (que favorece el transporte al lado B) y una mayor concentración en el lado B (que favorece el transporte al (d) (e) (f) lado A). Una vez que el gradiente de con+ FIGURA 4.14 Transporte activo primario por la bomba de Na /K+. La bomba, que tiene tres sitios centración alcanza cierto nivel, el soluto de unión de sodio y dos sitios de unión de potasio, utiliza ATP directamente para sacar iones sodio de la tendrá la misma probabilidad de pasar de célula e introducir iones potasio en la célula en contra de sus gradientes de concentración. (a) Los iones B a A que de A a B (fig. 4.13b). En este de Na+ intracelulares se unen a la bomba. (b) La unión de tres iones Na+ cataliza la fosforilación de la punto, el sistema ha alcanzado un estado bomba por ATP. (c) La fosforilación induce un cambio conformacional en la proteína que permite la estacionario (un estado estacionario indiliberación de Na+ al medio extracelular. (d) Los iones K+ extracelulares se unen a la bomba y favorecen ca que no habrá más cambios en la conla liberación del grupo fosfato. (e) La pérdida del grupo fosfato permite a la proteína recuperar su centración, pero mantener este estado conformación original. (f) Los iones K+ se liberan en el interior de la célula y los sitios de unión de Na+ requiere energía). El resultado de este vuelven a estar disponibles otra vez. transporte activo es que el soluto se concentra a un lado de la membrana. Más En la parte (a), ¿la afinidad del K+ por los sitios de unión es mayor o menor que en la parte (b)? tarde, aprenderemos acerca de la importancia de estos gradientes de concentración en otros procesos de transporte y en el restablecimiento del potencial de membrana de reposo. Como los portadores, las bombas son específicas para cier(v. capítulo 3). Por esta razón, a estas proteínas se las denomina tas moléculas y poseen un número determinado de sitios de ATPasas. Para entender cómo funciona el transporte activo priunión. Por tanto, las bombas, como los portadores, se saturan a mario, nos centraremos en la bomba de sodio-potasio (tammedida que la concentración de moléculas transportadas bién llamada bomba Na+/K+ o Na+/K+ ATPasa), que está presente aumenta. en casi todas las células y es crucial en muchos procesos fisioEn las siguientes secciones se examinan los mecanismos de lógicos importantes, incluyendo la señalización eléctrica en transporte activo primario y secundario con mayor detalle. neuronas y la absorción de glucosa por las células epiteliales del intestino. En la figura 4.14 se describe la acción de la bomba. Transporte activo primario La figura 4.14 muestra que la bomba de Na+/K+ transporta iones Na+ y K+ en sentidos contrarios a través de la membrana Las proteínas de membrana responsables del transporte activo primario actúan como proteínas portadoras y como enzimas. plasmática. Por cada ciclo de la bomba, se expulsan tres iones Na+ En su capacidad como enzimas, la mayoría de estas proteíde la célula y entran dos iones K+ al interior. El transporte es activo nas aprovechan la energía del ATP, catalizando su hidrólisis en cada caso, porque ambos iones se mueven en contra del gra-
P
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Transporte de la membrana celular
diente electroquímico. En cada ciclo de la bomba, se hidroliza un ATP para obtener la energía requerida en este proceso. Como se ve en la figura 4.14, la bomba de Na+/K+ es como cualquier portador de membrana en dos aspectos: tiene sitios de unión específicos para Na+ y K+ y su transporte a través de la membrana implica un cambio conformacional. Un estudio más en detalle del ciclo revela una importante diferencia: los sitios de unión de cualquier portador habitual pueden encontrarse en cualquier lado de la membrana, de manera que las moléculas se puedan transportar en ambas direcciones (v. fig. 4.10); en la bomba Na+/K+, la afinidad de los sitios de unión por Na+ o K+ cambia a medida que la bomba lleva a cabo su ciclo, de manera que la afinidad de un sitio de unión es mayor cuando se encuentra a un lado de la membrana y menor cuando se encuentra en el lado contrario. Como consecuencia, los iones de Na+ o K+ se unen preferentemente a la bomba en un lado y son trasladados en el otro, lo cual significa que los iones Na+ o K+ son transportados solo en una dirección. Como se mencionó anteriormente, el transporte de moléculas en una dirección determinada es crucial para la acción de cualquier bomba. Los detalles de cómo la bomba de Na+/K+ transporta los iones en una dirección determinada se describe en la figura 4.14. En un primer paso del ciclo, los sitios de unión se encuentran hacia el interior y están disponibles para que el Na+ se una a ellos (v. fig. 4.14a). Tras la unión de tres iones Na+, tiene lugar la hidrólisis de ATP (v. fig. 4.14b), produciéndose la fosforilación de la bomba. La fosforilación produce un cambio conformacional en la proteína que expone los sitios de unión hacia el exterior, de manera que el Na+ puede pasar al medio extracelular (v. fig. 4.14c). Durante este cambio conformacional, los sitios de unión cambian su forma, produciéndose un descenso en la afinidad por el Na+, de manera que sea poco probable que el Na+ en el medio extracelular se una a la bomba. Si estos iones de Na+ extracelulares se unieran y fueran transportados al interior celular, se anularía la utilidad de las bombas. Debido a que los sitios de unión del Na+ están libres en la parte intracelular, pero no en la extracelular, la dirección de transporte preferente es hacia fuera de la célula. En los pasos restantes del ciclo de la bomba (v. fig. 4.14d-f), sucede un proceso similar de transporte de K+ hacia el interior de la célula. La bomba de Na+/K+ es la responsable de la creación de un gradiente de concentración de Na+ y K+ mostrado en la tabla 4.1. Debido a un continuo bombeo de Na+ hacia el exterior y de K+ hacia el interior, el medio intracelular es rico en K+, pero pobre en Na+ comparado con el medio extracelular. Como veremos en el capítulo 7, el gradiente de concentración de Na+, K+ y otros iones desempeña un papel muy importante en la generación de los potenciales esenciales en la transmisión de las señales eléctricas en las neuronas. La bomba de Na+/K+ no es el único sistema de transporte activo primario en las células de nuestro organismo. Por ejemplo, las bombas en el revestimiento del estómago sacan H+ al exterior celular mientras introducen K+. Estas bombas son las responsables de la secreción de ácido en el estómago que es tan importante en la digestión, como se describe en el capítulo 20. Otros ejemplos incluyen las bombas de Ca2+ localizadas en la membrana plasmática, que transportan calcio al interior celular. Otras bombas de Ca2+ se localizan en el retículo endoplásmico liso y transportan calcio desde el citosol al interior del orgánulo. En ambos ejemplos, el transporte de calcio fuera del citosol permite la relajación de las células del músculo.
Glucosa
Na+
(a) Cotransporte
H+
Na+
(b) Antiporte
FIGURA 4.15 Transporte activo secundario. El óvalo que se encuentra en la membrana celular representa una proteína de transporte. (a) El transporte de glucosa unido a sodio es un ejemplo de cotransporte. (b) El intercambio sodio-protón es un ejemplo de antiporte.
Transporte activo secundario En el capítulo 3 vimos que las reacciones metabólicas se pueden acoplar, de manera que una reacción exergónica (p. ej., la oxidación de la glucosa) se pueda utilizar para llevar a cabo una reacción endergónica (como la síntesis de ATP). En el transporte activo secundario, sucede algo similar: Una proteína de transporte acopla el flujo de una sustancia al de otra. Una de ellas se mueve de forma pasiva a favor de gradiente electroquímico, en un proceso en el que se libera energía que eses utiliza para llevar a cabo el movimiento de la otra sustancia en contra de gradiente electroquímico. La figura 4.15 muestra dos tipos de transporte activo secundario en las células. Ten en cuenta que, en la figura 4.15a, las dos sustancias transportadas se mueven en la misma dirección (en este caso, hacia el interior de la célula); en la figura 4.15b se mueven en direcciones opuestas. El transporte de dos sustancias en la misma dirección se denomina cotransporte (o en algunas ocasiones simporte). El ejemplo de cotransporte que se muestra en la figura 4.15a es el transporte de glucosa unido a sodio, que acopla el flujo de Na+ con el flujo de moléculas de glucosa hacia el interior. En este proceso, el Na+ se mueve a favor de gradiente de concentración y libera la energía suficiente para acoplar el flujo de glucosa en contra de su gradiente de concentración. De manera específica, el Na+ incrementa la afinidad del portador por glucosa cuando el sitio de unión de glucosa está en el lado extracelular. El transporte de dos sustancias en direcciones opuestas es antiporte (o también
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llamado intercambio). El ejemplo de antiporte que se muestra en la figura 4.15b es el intercambio sodio-protón, en el cual, el flujo de Na+ hacia el interior se acopla con el flujo de protones (H+) hacia el exterior. Aquí, la energía liberada por el flujo de Na+ al desplazarse a favor de su gradiente electroquímico es aprovechada para el transporte de H+ en contra de gradiente. De forma específica, el Na+ aumenta la afinidad del portador por los H+ cuando su sitio de unión está en el lado intracelular. Estos ejemplos muestran que el transporte activo secundario puede implicar o cotransporte o antiporte, y que la sustancia transportada activamente puede moverse hacia el interior de la célula en algunos casos o hacia el exterior en otros. Además, muchos portadores activos secundarios utilizan el movimiento del Na+ a favor de su gradiente electroquímico para llevar a cabo el movimiento del otro ion o molécula en contra de su gradiente. Hay que tener en cuenta que la dirección de transporte solo no nos indica nada acerca de qué sustancia está siendo transportada de forma activa o cuál de forma pasiva; esto viene determinado íntegramente por los gradientes electroquímicos de las sustancias transportadas. Aquella que es transportada en contra de su gradiente electroquímico es la que se transporta de forma activa, y la otra sustancia, que se mueve a favor de su gradiente electroquímico, está siendo transportada de forma pasiva. La energía liberada por el movimiento pasivo a favor de gradiente se utilizará para conducir el flujo de la otra sustancia para el transporte en contra de gradiente.
Transporte de la membrana celular
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Factores que afectan a la velocidad del transporte activo Debido a que el transporte activo se lleva a cabo con bombas, dos factores son los únicos determinantes de la velocidad a la cual las moléculas se van a transportar de forma activa a través de cualquier membrana: la velocidad de transporte individual de cada bomba y el número de bombas presentes en la membrana. A medida que alguna de estas variables aumente, la velocidad de transporte aumentará. La velocidad de transporte de una bomba individual depende de la naturaleza de cada bomba; también está influenciada por otros factores, como la concentración de la sustancia transportada a cada lado de la membrana, el valor del gradiente de potencial electroquímico para una sustancia, y otras variables que afecten las condiciones bajo las cuales una bomba debe operar. Estas variables afectan a las diferentes bombas de manera distinta, pero una discusión más en profundidad sobre este asunto está fuera del alcance de este libro. La tabla 4.2 resume las principales características de los diferentes mecanismos para transportar pequeñas moléculas a través de la membrana celular.
Bombas y filtraciones: cómo coexisten en las células mecanismos de transporte activo y pasivo Hemos visto que el medio intra- y extracelular difieren en la composición de forma sustancial (v. tabla 4.1). Ahora debe ser evidente que estas diferencias en la composición se crean cuando ciertas sustancias se introducen o sacan de forma activa de las células, aumentando o disminuyendo (respectivamente) la
Comprueba tus conocimientos Compara la regulación alostérica y covalente de las enzimas con el transporte activo primario y secundario.
TABLA 4.2 Características de los procesos de transporte DIFUSIÓN SIMPLE
TRANSPORTE MEDIADO Transporte pasivo
Transporte activo
Canal
Difusión facilitada
Primario
Secundario
Dirección del flujo neto
A favor de gradiente electroquímico
A favor de gradiente electroquímico
A favor de gradiente de concentración
En contra de gradiente electroquímico
En contra del gradiente electroquímico
¿Requiere proteína portadora?
No
Sí, canal iónico
Sí, portador
Sí, bombas
Sí, bombas
¿Requiere energía?
No
No
No
Sí
Sí
Fuente de energía
(No aplicable)
(No aplicable)
(No aplicable)
ATP u otra fuente de energía química
Gradiente electroquímico de otro soluto
¿Saturación?
No
Algunas veces
Sí
Sí
Sí
¿Especificidad?
No
Sí
Sí
Sí
Sí
Características de la sustancia transportada
Hidrófoba (no polar)
Hidrófilo (cargado o polar)
Hidrófila (cargado o polar)
Hidrófilo (cargado o polar)
Hidrófilo (cargado o polar)
Ejemplos
Ácidos grasos, O2, CO2
Iones inorgánicos (Na+, K+, Cl–, Ca2+)
Moléculas orgánicas (glucosa)
Iones inorgánicos (Na+, K+, Cl–, Ca2+)
Moléculas orgánicas e iones inorgánicos (glucosa, aminoácidos, H+, Ca2+)
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Transporte de la membrana celular
Na+ Na+
Na+ Na+
Na+
Na+
K+
Na+
ATP
Na+
ADP + Pi K+ K+ K+ K+
K+
Na+
FIGURA 4.16 Bombas y filtraciones en una célula. El transporte activo de Na+ y K+ por la bomba de Na+/K+ (representado por el óvalo a la izquierda) es contrarrestado por la salida de estos iones mediante canales (a la derecha).
concentración de estas sustancias en el medio intracelular respecto al extracelular. Normalmente, la composición del medio intracelular permanece bastante estable, lo que lleva a una pregunta: si las sustancias se transportan de forma activa mediante «bombas» dentro o fuera de las células, ¿por qué no cambian las concentraciones intracelulares? La respuesta es que estas sustancias son transportadas simultáneamente de manera pasiva (son «filtradas») a través de la membrana en la dirección contraria pero a la misma velocidad, de tal manera que el flujo neto a través de la membrana (transporte activo y pasivo combinado) sea cero (fig. 4.16). Así, incluso aunque los iones Na+, por ejemplo, sean sacados de la célula por la bomba de Na+/K+, se filtran pasivamente al interior de la célula a través de canales y otras proteínas. Por cada Na+ que es transportado en condiciones normales, otro entra pasivamente, de manera que la concentración intracelular de Na+ no cambia. De la misma manera, por cada K+ que es transportado activamente al interior, otro sale de forma pasiva, de manera que la concentración intracelular de K+ no cambia.
Test rápido 4.5 1. Cuando una sustancia se mueve en contra de su gradiente electroquímico, ¿requiere energía o la libera? 2. Supón que una proteína portadora acopla el flujo de entrada de Na+ en la célula, con un flujo de salida de Ca2+. ¿Es un cotransporte o un antiporte? 3. Supongamos que la glucosa se mueve al interior celular por medio de un cotransporte con sodio, y las concentraciones de glucosa dentro y fuera de la célula son 2,5 mM y 1 mM, respectivamente. ¿El sodio está siendo transportado de forma activa o pasiva?
Ósmosis: transporte pasivo de agua a través de las membranas Normalmente, la cantidad de agua que contienen las células no cambia de forma significativa, pero puede hacerlo bajo ciertas condiciones extremas o patológicas. En algunos tipos de disfun-
ción renal, por ejemplo, se retiene una cantidad excesiva de agua en el organismo y comienza a moverse hacia las células, haciendo que se hinchen. En las células del cerebro, esto altera el funcionamiento del sistema nervioso y normalmente produce dolor de cabeza, náuseas y vómitos, que indican que el paciente tiene una patología conocida como intoxicación por agua. Los casos más graves pueden progresar a convulsiones, coma y muerte. Por el contrario, una deshidratación grave puede condicionar que el agua salga de las células, de forma que estas disminuyen de volumen. Esto también es perjudicial para la función cerebral y puede ser mortal. En condiciones normales, la mayoría de las células del organismo ni se hinchan ni disminuyen su volumen, porque no hay un movimiento neto de agua a través de las membranas; las fuerzas que causan el movimiento de agua a través de las membranas no existen. En algunas localizaciones del organismo, sin embargo, el movimiento de agua a través de la membrana celular es algo normal. Por ejemplo, en las glándulas que secretan líquidos, como sudor, lágrimas o saliva, el agua es transportada a través de células epiteliales especializadas. También, cuando bebes agua, se mueve a través de las células epiteliales que recubren el intestino para ser absorbida por el torrente sanguíneo. Este movimiento de agua es importante, porque, en última instancia, afecta al volumen y composición de todos los líquidos del organismo. El transporte de agua ha tenido siempre un estatus «especial» en fisiología, debido a su influencia en el volumen celular, y también porque su descripción tiene una terminología única. Sin embargo, el transporte de agua no es diferente de otros tipos de transporte ya estudiados; de hecho, es más simple en muchos aspectos. El transporte de agua es sencillo, porque el agua fluye a través de las membranas siempre de manera pasiva, no se ve afectado por los potenciales de membrana y siempre es impulsado por su propio gradiente de concentración. El flujo de agua a través de la membrana a favor de su gradiente de concentración se llama ósmosis. (Técnicamente, ósmosis es el flujo de cualquier soluto a través de una membrana semipermeable en respuesta a una diferencia de potencial químico a través de ella.) Casi todo el mundo que ha estudiado biología en el instituto está familiarizado con los efectos de la ósmosis. Cuando colocas glóbulos rojos en agua destilada, el agua fluye hacia el interior celular, de manera que se hinchan, estallan y liberan la hemoglobina, en un proceso llamado hemólisis. La figura 4.17 describe las condiciones que dirigen la ósmosis. Ten en cuenta en la figura 4.17a que cuando un glóbulo rojo se coloca en agua, las moléculas de agua fluyen al interior de la célula porque se mueven a favor de su gradiente de concentración. Este gradiente es el resultado de la presencia en la célula de varios solutos (Na+, K+ y proteínas, entre otros) en una concentración total de alrededor de 300 mM. La presencia de estas moléculas de soluto disminuye la concentración de agua en el interior de la célula, ocupando cierta cantidad de espacio que podría ser ocupado por moléculas de agua, lo que significa que existe un menor número de moléculas de agua en un volumen de solución dado. En otras palabras, la concentración de agua dentro de la célula es menor que la concentración de agua fuera. A la temperatura corporal, la concentración de agua es de 55,5 M y la concentración total de soluto en el medio intracelular es de 300 mM (0,3 M). Así, la concentración intracelular de agua es aproximadamente 55,2 M (55,5 M – 0,3 M; v. fig. 4.17a). Por tanto, cuando una célula se sitúa en agua destilada, hay una concentración de agua 0,3 M menor dentro que fuera, de manera que las moléculas se mueven de forma pasiva hacia el interior a
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Molécula de soluto
Concentración de soluto: 0,3 M(300 mOsm) Concentración de agua: 55,2 M
(Agua pura) Flujo de agua 0M 55,5 M
(a)
Concentración de soluto: Concentración de agua:
300 mOsm 55,2 M
(1 molar de sacarosa) Flujo de agua 1.000 mOsm 54,5 M
(b)
FIGURA 4.17 Ósmosis. (a) Entrada de agua en un glóbulo rojo situado en agua destilada. Las moléculas de agua se transportan de forma pasiva al interior celular a favor del gradiente de concentración, que, además, es una zona de mayor concentración de soluto. (b) Flujo de agua de un glóbulo rojo situado en una disolución 1 M de sacarosa. Ten en cuenta que el agua se mueve de mayor a menor concentración de agua, y de menor a mayor concentración de soluto.
menor gradiente de concentración, haciendo que la célula se hinche y finalmente estalle. La dirección del flujo pasivo de agua dentro o fuera de la célula depende del gradiente de concentración a través de la membrana plasmática. Por ejemplo, cuando una célula se sitúa en una disolución de sacarosa en una concentración de 1 M (1.000 mM), la célula disminuye su volumen porque el agua sale (v. fig. 4.17b). El movimiento de agua hacia el exterior sucede porque la concentración total de soluto es menor dentro que fuera de la célula, lo que hace la concentración de agua mayor dentro de la célula. Por tanto, el agua se mueve de forma pasiva hacia el exterior. Las concentraciones de las disoluciones se describen normalmente en términos de concentración de soluto, no de disolvente. La concentración de ambos varía de forma inversa. Así, en la ósmosis, el movimiento de agua se produce de una menor a una mayor concentración de soluto. El término partícula de soluto se utiliza a menudo para reflejar que algunos solutos se separan en más de una partícula cuando se encuentran en disolución; cada una de estas partículas resultantes tendrá influencia osmótica en el movimiento del disolvente.
Osmolaridad La concentración total de una partícula de soluto de una disolución se conoce como su osmolaridad. Una disolución que contenga 1 mol de partículas de soluto se dice que tiene una concentración de 1 osmolar (1 Osm). Un mol de partículas de soluto se conoce como 1 osmol. Utilizamos el término partícula de soluto para distinguir osmolar de molar, ya que ciertos solutos, cuando
Transporte de la membrana celular
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se sitúan en una disolución, se disocian en partículas, y cada partícula de soluto presente disminuye la concentración de agua. Por ejemplo, 1 l de una disolución que contiene 0,1 moles de glucosa tiene una osmolaridad de 0,1 Osm, porque la glucosa no se disocia en disolución. Sin embargo, 1 l de una disolución que contiene 0,1 moles de NaCl tiene una osmolaridad de aproximadamente 0,2 Osm, porque el NaCl se disocia en disolución para dar aproximadamente 0,1 moles de sodio y 0,1 moles de iones cloruro, dando un total de 0,2 moles de partículas de soluto. La osmolaridad también depende de la concentración total de todas las partículas de soluto. Así, una disolución que tenga 0,1 moles de glucosa más 0,1 M de NaCl es una solución 0,3 Osm. En fisiología, los términos miliosmol y miliosmolar (mOsm) se utilizan de manera habitual, porque la concentración de soluto en los líquidos corporales es solo una fracción de 1 Osm. Una disolución de 1 miliosmolar (1 mOsm) contiene 1 miliosmol (1/1.000 de un osmol) de partículas de soluto por litro. La osmolaridad normal de un medio intra- o extracelular es aproximadamente 300 mOsm (el rango actual es 280-296 mOsm), lo que significa que su concentración total de soluto es de 300 miliosmoles por litro. Dos disoluciones que tienen la misma osmolaridad son isoosmóticas. Así, una disolución de glucosa 300 milimolar es isoosmótica con el medio intracelular, porque ambas son 300 milimolar. Una disolución cuya osmolaridad es mayor que otra es hiperosmótica; una disolución con una osmolaridad menor es hiposmótica. Cuando dos disoluciones son isoosmóticas, no solo tienen la misma concentración de soluto, sino que también tiene la misma concentración de agua. En una solución hiperosmótica, la concentración de agua es menor, porque la concentración de soluto es mayor. En una disolución hiposmótica, la concentración de agua es mayor, porque la concentración de soluto es menor.
Comprueba tus conocimientos Para cada una de las siguientes disoluciones, calcula la osmolaridad y determina si la solución es isoosmótica, hiposmótica o hiperosmótica en relación con los líquidos del organismo: disolución 200 mM de KCl, disolución 100 mM de MgCl2 y una disolución que contiene 50 mmoles de CaCl2 en 250 ml de agua.
Presión osmótica En ocasiones, los fisiólogos utilizan el término presión osmótica en lugar de osmolaridad, debido a que ambos términos hacen referencia a lo mismo —la concentración total de soluto de una disolución (v. «Caja de herramientas: Determinación de la presión osmótica de una disolución)—. La presión osmótica de una disolución (la cual se indica con el símbolo P) es una medida indirecta de su concentración de soluto y se expresa en unidades de presión, como atmósferas o milímetros de mercurio (mmHg). A medida que la concentración total de soluto (osmolaridad) aumenta, lo hace también la presión osmótica. Por tanto, cuando el agua se mueve por ósmosis de menor a mayor concentración de soluto, también se está moviendo a mayor gradiente de presión osmótica (fig. 4.18). En la figura 4.18, la concentración total de soluto en el lado izquierdo de una membrana semipermeable (lado 1) es menor que el lado derecho (lado 2), haciendo la presión osmótica en el lado 2 mayor. Así, a medida que el agua se mueve del lado 1 (menor concentración de soluto) al lado 2
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Transporte de la membrana celular Lado 1
Lado 2
Flujo de agua Célula
Concentración de soluto: 300 mOsm (0,3 M) 500 mOsm (0,5 M) Concentración de agua: 55,2 M 55 M Presión osmótica: 7,4 atm 12,3 atm Gradiente de presión osmótica (): 12,3 atm – 7,4 atm = 4,9 atm
300 mOsm Concentración de urea = 300 mOsm = Solutos permeantes = Urea
FIGURA 4.18 Movimiento de agua en contra de un gradiente de presión osmótica. Cuando una membrana semipermeable (permeable al agua, pero no a los solutos) separa dos disoluciones en una cámara, el agua fluye a favor del gradiente de concentración hacia el lado con mayor concentración de soluto. Debido a que la presión osmótica aumenta a medida que se incrementa la concentración de soluto, el agua también fluirá de la zona de menor a la de mayor presión osmótica, o en contra del gradiente de presión osmótica ($P).
(a)
(mayor concentración de soluto), el agua se mueve de menor a mayor presión osmótica, o en contra del gradiente de presión osmótica ($P). Ten en cuenta que la tendencia del agua a moverse en contra del gradiente de presión osmótica no viola la regla relativa a los gradientes de concentración, que establece que las sustancias tienden a moverse de forma pasiva a favor de su gradiente electroquímico y químico, no en contra. Cuando el agua se mueve en contra de la presión osmótica, lo está haciendo sencillamente a favor de su gradiente químico, su propio gradiente de concentración.
Célula Flujo de agua
>300 mOsm Concentración de urea = 300 mOsm = Solutos permeantes = Urea (b)
Tonicidad Cuando una persona sufre una hemorragia masiva, es bastante común para el personal de emergencias administrar una disolución intravenosa de suero salino (cloruro sódico) para reemplazar la pérdida del volumen de sangre. Este procedimiento se realiza para mantener a la persona viva mientras espera una transfusión de sangre. La disolución administrada se refiere a una disolución salina isotónica, porque su concentración total de soluto ha sido cuidadosamente calculada para coincidir con la del medio extracelular. Esta formulación es importante, porque no alterará el volumen celular cuando se inyecte en el torrente circulatorio. Una disolución salina más concentrada causaría la salida de agua de las células, haciéndoles perder volumen; una disolución menos concentrada haría que el agua entrara en las células, provocando su tumefacción. Mientras que la osmolaridad de una disolución está basada únicamente en su concentración total de soluto, su tonicidad es función de la concentración de los solutos no permeables fuera de la célula respecto a la concentración en el interior, y determina el comportamiento de una célula en una disolución. Se dice que una disolución es isotónica cuando no cambia el volumen celular; cuando una célula entra en contacto con una disolución isotónica, ni se hincha ni disminuye su volumen. (Esto se refiere al volumen celular final. Bajo ciertas condiciones, una célula puede modificar su volumen inicialmente, incluso si la disolución es isotónica.) Por el contrario, una disolución que hace que la célula disminuya su volumen es hipertónica, mientras que otra que haga que la célula se hinche es hipotónica.
FIGURA 4.19 Distinción entre osmolaridad y tonicidad. (a) La célula que contiene solutos permeantes (puntos morados) a una concentración de 300 mOsm está situada en una disolución isoosmótica que contiene como soluto permeable urea (puntos amarillos) a una concentración de 300 mOsm. (b) La célula se hincha a medida que pasa el tiempo, ya que la urea entra en la célula a favor de gradiente de concentración, lo que nos indica que la disolución extracelular es hipotónica.
La diferencia entre osmolaridad y tonicidad está mejor explicada en la situación descrita en la figura 4.19. Para comenzar, una célula acaba de ser situada en una solución de urea de 300 mOsm, una sustancia que penetra en las membranas celulares más fácilmente (v. fig. 4.19a). La osmolaridad de esta disolución es igual a la osmolaridad dentro de la célula (300 mOsm), haciéndola isoosmótica respecto al medio intracelular. Bajo estas condiciones, el agua no sale ni entra en la célula, porque la concentración es la misma a ambos lados de la membrana. Con el tiempo, la urea pasa al interior celular, debido a la presencia de un gradiente de concentración (v. fig. 4.19b). Los solutos intracelulares, por el contrario, permanecen retenidos dentro de la célula, porque son relativamente impermeantes; es decir, que no pueden atravesar la membrana. Como resultado del movimiento de la urea, la célula adquiere soluto, y la osmolaridad del medio intracelular aumenta respecto a su valor inicial de 300 mOsm. (El volumen de la solución extracelular es muy grande, por lo que la osmolaridad extracelular no se ve afectada por el movimiento de soluto al inte-
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Transporte de la membrana celular
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C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Determinación de la presión osmótica de una disolución Puede parecer extraño que los fisiólogos hayan utilizado el término presión osmótica para describir la concentración total de soluto de una disolución. Sin embargo, la concentración de soluto, de hecho, ejerce una presión que puede ser contrarrestada por otros tipos de presión, como la atmosférica o la de un pistón. La presión osmótica solo se puede determinar de manera experimental, es decir, mediante la medición experimental de una presión ejercida para contrarrestarla. El dispositivo experimental para definir la presión osmótica se muestra en la parte (a) de la figura. Dos compartimentos en una cámara están separados por una membrana semipermeable, que es permeable al agua, pero no a los solutos. Un compartimento contiene agua destilada, mientras que el otro contiene la disolución que queremos medir con una presión osmótica desconocida. El compartimento que contiene la disolución de prueba está equipado con un pistón que nos permite aplicar una presión en ese lado. Cuando no se ejerce ninguna presión, el agua fluye a favor de su gradiente de concentración hacia el compartimento con la disolución de prueba. Sin embargo, podemos disminuir este flujo de agua aplicando una presión a la disolución de prueba; véase la parte (b) de la figura. Si incrementamos la presión a un nivel suficiente, se para el flujo de agua; véase la parte (c) de la figura. En este punto, la presión aplicada es igual que la presión osmótica de la disolución de prueba.
P=C·R·T donde C es la concentración total de soluto, R es la constante universal de los gases (0,082 atm · l/ºK · mol), y T es la temperatura absoluta (ºK). Utilizando esta ecuación, se puede ver que, a la temperatura corporal, la presión osmótica de una disolución de 1 osmolar es sorprendentemente grande: un total de 224,6 atmósferas, ¡lo que equivale a más de 18.000 mmHg! Presión aplicada < presión osmótica de la disolución
No se aplica presión
Presión aplicada = presión osmótica de la disolución
Flujo de agua
Flujo de agua Agua destilada
Como resultado de las medidas del tipo que acabamos de describir, los científicos fueron capaces de demostrar que una disolución cumple las siguientes tres reglas de presión osmótica: 1) la presión osmótica aumenta a medida que aumenta la concentración de solutos no permeables; 2) como norma general, la presión osmótica depende de la concentración total de solutos no permeables más que de la identidad molecular del soluto, y 3) si una disolución contiene moléculas de soluto que se disocian en partículas (como el NaCl, que se disocia en iones Na+ y Cl–), la presión osmótica depende de la concentración total de las partículas. De manera que una disolución 1 molar de NaCl, que contiene 1 mol por litro de iones Na+ y un mol por litro de iones Cl–, tiene dos veces la presión osmótica de una disolución 1 molar de glucosa, que no se disocia. La presión osmótica de una disolución viene dada por la siguiente ecuación:
Disolución de prueba
Agua destilada
Disolución de prueba
Agua destilada
Disolución de prueba
Sin flujo de agua (a)
(b)
rior celular.) Debido a que la concentración total de soluto es ahora mayor dentro que fuera de la célula, el agua se mueve al interior, y la célula se hincha, aunque la disolución extracelular fuera inicialmente isoosmótica respecto al medio intracelular. Dado que la célula tiene más cantidad de agua en el interior, la disolución extracelular es ahora hipotónica. Que una disolución dada origine que la célula se hinche, disminuya su volumen o permanezca igual viene determinado únicamente por la concentración del soluto permeante que contenga. Una solución es isotónica si contiene solutos permeantes a una concentración de 300 mOsm, la concentración normal de solutos permeantes en el medio intracelular. Si la concentración de un soluto permeante es mayor o menor de 300 mOsm, la disolución será hipertónica o hipotónica, respectivamente. La tonicidad de una disolución no se ve afectada por la concen-
(c)
tración de ningún soluto permeante que pueda o no estar presente. Las características que determinan la osmolaridad o tonicidad de una disolución están resumidas en la tabla 4.3. Cuando una célula entra en contacto con soluciones que son hipotónicas o hipertónicas, el grado en el cual se hincha o pierde volumen viene determinado por la concentración inicial de los solutos permeantes en el medio intra- y extracelular. Por ejemplo, cuando una célula que contiene 300 mOsm de solutos permeantes se coloca en una disolución de mayor volumen que contiene la mitad de concentración de solutos (150 mOsm), la célula se hinchará, porque el agua entrará (fig. 4.20a). Debido a que la cantidad de soluto en el interior de la célula es fija, un incremento en el volumen celular produce un descenso en la concentración de soluto, pero la célula continúa hinchándose hasta que la concentración alcanza 150 mM, punto en el cual la
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Transporte de la membrana celular
COMPRENDER EL E JERCICIO
Producción de sudor Todos sabemos que la producción de sudor aumenta al hacer ejercicio; cuanto más intenso sea el ejercicio, más sudaremos. El sudor es un mecanismo de disipación del calor producido por el organismo (el calor corporal se utiliza para evaporar el sudor), y el ejercicio muscular genera mucho calor. Al mismo tiempo, un sudor excesivo puede ser potencialmente peligroso. El sudor es un líquido, compuesto por agua y solutos (especialmente sodio y cloro). Proviene del plasma sanguíneo, pero está menos concentrado. Como resultado, una producción excesiva de sudor puede incrementar la osmolaridad del plasma, haciendo que las células pierdan volumen. La pequeña pérdida
de volumen celular que ocurre durante el ejercicio no suele ser un problema. Por el contrario, beber mucha agua tras el ejercicio puede ser peligroso: puede dar lugar a una intoxicación por agua. Un exceso de agua puede disminuir la osmolaridad del plasma, haciendo que las células se hinchen. Este efecto puede llevar a problemas neurológicos, como el dolor de cabeza, debido a que las células del cerebro se encuentran en un espacio concreto (el cráneo), y puede incrementar la presión ejercida, dando lugar a una mala transmisión de las señales cerebrales. También, demasiada agua puede ser mortal, como tristemente se recuerda en Sacramento, California, donde una emisora de radio llevó a cabo un concurso
TABLA 4.3 Diferencias entre osmolaridad y tonicidad Términos
Definiciones y concentraciones de soluto
Osmolaridad
Concentración total de solutos permeables y permeantes
Isoosmótica*
300 mOsm (permeables + permeantes)
Hiposmótica*
Menor de 300 mOsm (permeables + permeantes)
Hiperosmótica*
Mayor de 300 mOsm (permeables + permeantes)
Tonicidad
Concentración de solutos permeantes en relación con el medio intracelular
Isotónica*
300 mOsm (permeantes)†
Hipotónica*
Menor de 300 mOsm (permeantes)†
Hipertónica*
Mayor de 300 mOsm (permeantes)†
*Esta designación es relativa a una célula que contenga 300 mOsm de soluto, que se asume que es permeante. † Puede haber o no solutos permeables.
célula se ha expandido hasta alcanzar dos veces su volumen inicial (designado como V0). El aumento de volumen se detendrá en este momento, porque ya no hay un gradiente de concentración de agua y, por tanto, ninguna fuerza que haga que el agua pase a través de la membrana. (En la figura 4.17a, la célula continúa hinchándose hasta que estalla, debido a que la concentración de soluto es siempre mayor en el interior que en el exterior.) Por el contrario, cuando una célula idéntica es situada en una disolución que contiene solutos permeantes a una concentración de 600 mOsm (fig. 4.20b), disminuye su volumen, lo que
para ganar una videoconsola, que consistía en ver quién podía beber más agua sin orinar. Desafortunadamente, un participante murió 5 h después del concurso a causa de intoxicación por agua. Las bebidas isotónicas son populares entre los atletas profesionales y aficionados. Estas bebidas tienen electrólitos y glucosa para mantener la correcta osmolaridad del plasma y proporcionar nutrientes adicionales. Sin embargo, hay un debate abierto sobre su beneficio, debido a que el consumo de glucosa es contrario al propósito con el que muchas personas realizan ejercicio: el agotamiento de nuestras reservas de energía almacenadas.
produce que la concentración de soluto intracelular aumente. La célula continúa disminuyendo de volumen hasta la mitad del volumen inicial. Comprueba lo que sucede a la osmolaridad de los fluidos corporales durante el ejercicio en «Comprender el ejercicio: Producción de sudor». La tonicidad normalmente no se ve afectada por los niveles de glucosa en sangre, porque la glucosa atraviesa la membrana de la mayoría de las células por transporte mediado. Sin embargo, en la diabetes mellitus, el transporte de glucosa insulinodependiente está alterado o ausente, por lo que la glucosa se convierte en un soluto no permeante. La hiperglucemia crea un medio extracelular hiperosmótico e hipertónico, que provoca que las células del organismo disminuyan su volumen. Esta es una de las muchas razones por las que la regulación de los niveles de glucosa en sangre es crucial en el manejo de la diabetes.
Comprueba tus conocimientos El suero salino al 0,9% (NaCl) y el glucosado al 5% (glucosa; C6H12O6) son disoluciones comunes utilizadas en clínica. A continuación se muestran los pesos moleculares de los átomos de estas moléculas: Na = 23, Cl = 35, C = 12, H = 1 y O = 16. Determina la osmolaridad de estas dos disoluciones. Las membranas celulares no son permeables a iones, pero la dextrosa se mueve a través de la célula por transporte mediado por proteínas. Utilizando esta información, determine si cada disolución es isotónica, hipotónica o hipertónica. Describe situaciones clínicas en las cuales pueda ser administrada a los pacientes tanto el suero salino al 0,9% como la disolución de glucosado al 5%.
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Transporte de sustancias en compartimentos membranosos Las macromoléculas son demasiado grandes para atravesar la membrana plasmática incluso con la ayuda de proteínas; por eso, son transportadas mediante vesículas. Durante la endocitosis, las moléculas en el medio extracelular entran en la célula a través de la formación de vesículas de la membrana plasmática, llamadas endosomas. Durante la exocitosis, las moléculas en las células son introducidas en vesículas secretoras, las cuales se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido al medio extracelular. Ambos procesos, que requieren un aporte de energía, se describen a continuación.
Transporte de moléculas al interior celular mediante endocitosis
300 150 Volumen celular = Vo
Transporte de la membrana celular
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150 150 Volumen celular = 2Vo
(a)
300
600
600
600
Volumen celular = Vo
Volumen celular = 12 Vo
(b)
FIGURA 4.20 Cambios en el volumen de células situadas en disoluciones hipotónicas e hipertónicas. Se asume que todos los solutos (puntos) son permeantes; los números dentro y fuera de las células indican la concentración de solutos (mOsm). (a) Una célula situada en una disolución 150 mOsm, que es hipotónica, se hinchará hasta alcanzar un volumen dos veces el volumen original (Vo). (b) Una célula situada en una disolución 600 mOsm, que es hipertónica, perderá volumen hasta reducirlo a la mitad del volumen original. Si se situase una célula en una disolución que contuviera 100 mOsm de solutos no permeantes, ¿cómo P sería su volumen final comparado con el inicial?
Hay tres formas de endocitosis: fagocitosis, pinocitosis y endocitosis mediada por receptor (fig. 4.21). En todos los casos, el medio extracelular, y a veces las partículas, entran en la célula mediante la formación de un endosoma. En la fagocitosis (que significa «la comida de las células»), una célula lleva a cabo movimientos ameboides de su membrana celular para extenderla alrededor de la partícula de interés en el medio extracelular (v. fig. 4.21a). Cuando la membrana ha rodeado completamente a la partícula, los dos lados se unen para formar un gran endosoma llamado fagosoma en el citoplasma; la partícula y algo de medio extracelular quedan en el interior de la vesícula. De esta manera, la célula ha envuelto la partícula. Una vez dentro, la membrana del fagosoma se fusiona con la membrana de un lisosoma, formando un fagolisosoma, el cual expone la partícula envuelta a las enzimas de degradación del lisosoma. Las enzimas rompen la partícula y los componentes reutilizables se reciclan. La fagocitosis es común en ciertos leucocitos, responsables de la eliminación de partículas extrañas y bacterias de nuestros organismos. En la pinocitosis (que significa «la bebida de las células»), la membrana plasmática se invagina, y sus extremos se unen para formar un endosoma en el citoplasma (v. fig. 4.21b). La pinocitosis, que ocurre continuamente en la mayoría de las células, es un proceso inespecífico, y el contenido de la vesícula resultante es un medio extracelular que contiene solutos disueltos. La endocitosis mediada por receptor es similar a la pinocitosis respecto a la formación del endosoma (v. fig. 4.21c). A diferencia de la pinocitosis, esta es específica. Las proteínas en la membrana plasmática actúan como receptores que reconocen y unen partículas específicas en el medio extracelular.
La unión de las partículas a los receptores concentra las partículas en áreas donde se producirá la endocitosis. El área de la membrana plasmática que forma la vesícula está recubierta con proteínas, llamadas clatrinas, su lado citosólico. La membrana se invagina en esta área, formando lo que se conoce como una hendidura recubierta. Esta hendidura pasa a ser una vesícula que contiene los receptores y las partículas unidas a ellos. La cubierta de proteínas abandona la vesícula rápidamente y las moléculas de clatrina se reciclan. Ahora, las vesículas sin revestimiento se fusionan con un lisosoma, formando un endolisosoma. Las enzimas del lisosoma degradarán las partículas arrastradas al interior de la célula. Los receptores son, a menudo, reciclados por exocitosis, lo que se describe a continuación.
Transporte de moléculas al exterior celular mediante exocitosis La exocitosis es básicamente una endocitosis al revés: una vesícula dentro de la célula se fusiona con la membrana plasmática y libera su contenido al medio extracelular (fig. 4.22). La exocitosis implica complejas interacciones entre el calcio y las proteínas, proceso que será descrito para las neuronas en el capítulo 8. La exocitosis tiene tres funciones: 1) añadir componentes a la membrana plasmática; 2) reciclar receptores eliminados de la membrana por endocitosis, y 3) secretar sustancias específicas fuera de la célula y en el medio extracelular.
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Transporte de la membrana celular Fagolisosoma
Medio extracelular
Medio extracelular
Medio intracelular
Medio intracelular Vesícula secretora
Fagosoma Partícula Membrana plasmática que envuelve la partícula
Fusión con la membrana plasmática
Lisosoma
(a) Fagocitosis
Liberación de los contenidos
Endosoma Moléculas disueltas
FIGURA 4.22 Exocitosis. Una vesícula intracelular se fusiona con la membrana plasmática, secretando los contenidos de la célula.
(b) Pinocitosis
Proteína receptora Molécula
Hendidura recubierta
Clatrina (c) Endocitosis mediada por receptor
FIGURA 4.21 Endocitosis (a) Fagocitosis. Después de que la membrana plasmática rodee la partícula en el medio extracelular, la membrana se fusiona para formar un fagosoma alrededor de la partícula, que finalmente se fusiona con un lisosoma. Las enzimas del lisosoma degradan la partícula. (b) Pinocitosis. La membrana plasmática se invagina para formar un endosoma, que contiene medio extracelular y solutos disueltos. (c) Endocitosis mediada por receptor. En primer lugar, las proteínas receptoras de la membrana plasmática se unen con unas moléculas específicas, activando la endocitosis. La membrana forma entonces invaginaciones alrededor de las moléculas, formando una vesícula que se separa de la membrana y entra en la célula.
Las primeras dos funciones están relacionadas, ya que ambas agregan componentes a la membrana plasmática. Durante la exocitosis, los componentes que se encuentren en la vesícula se añadirán a la membrana plasmática. Una célula puede añadir ciertas proteínas, fosfolípidos o hidratos de carbono a la membrana plasmática, o puede reemplazar la membrana que se ha perdido durante la endocitosis. De hecho, la endocitosis y la exocitosis deben estar equilibradas en una célula; de otra manera, el tamaño de la membrana plasmática cambiará. La tercera función de la exocitosis, la secreción de sustancias, cumple una serie de funciones. Ciertos leucocitos secretan anticuerpos para combatir la infecciones. Algunas células (en particular, las neuronas y las células endocrinas) secretan mensajeros químicos para comunicarse con otras células. Las células que recubren ciertos conductos, como las del tubo digestivo o las vías respiratorias, secretan un líquido pegajoso llamado moco, que actúa como un recubrimiento protector. Aprenderás otros ejemplos de secreción en los capítulos siguientes.
Test rápido 4.6 1. Nombra los tres tipos de endocitosis. ¿Qué tipo(s) transporta(n) moléculas específicas a través de la membrana plasmática? 2. ¿Cuáles son las tres funciones de la exocitosis?
Transporte epitelial: movimiento de las moléculas a través de dos membranas Hasta este punto nos hemos centrado en la función de las membranas celulares en lo que respecta al transporte de sustancias dentro o fuera de las células. Pero en muchos tejidos epiteliales, la función de las membranas celulares es el transporte de mate-
C A P Í T U LO 4 Luz
Membrana apical
Célula epitelial
Unión estrecha
Membrana basolateral Membrana basal
Transporte de la membrana celular
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Una característica importante de los tejidos epiteliales es que las células adyacentes se encuentran unidas por uniones estrechas que limitan el paso de sustancias a través de los espacios entre ellas, llamados espacios paracelulares. (El movimiento de moléculas entre las células se denomina transporte paracelular.) Estas uniones permiten que el medio a cada lado de la capa celular difiera en la composición y son importantes en el mantenimiento de la homeostasis, porque, aunque la composición del medio en la luz de un órgano puede variar ampliamente (recuerda la variedad de alimentos que entran en la luz del estómago), la composición del medio intersticial no debe variar, ya que es parte del medio interno corporal más regulado. La «estrechez» de estas uniones varía de unos sitios a otros: los epitelios más impermeables tienen uniones con permeabilidades extremadamente bajas, mientras que a los epitelios permeables les sucede lo contrario.
Líquido intersticial
Transporte epitelial de solutos Sangre Capilar
FIGURA 4.23 Estructura general de un epitelio.
riales a través de las células. Esto sucede, por ejemplo, cuando el intestino lleva nutrientes al torrente circulatorio, o cuando las glándulas sudoríparas producen sudor. Recuerda del capítulo 1 que una función de los tejidos epiteliales es formar una barrera entre el medio interno del organismo y el medio externo, y también entre los diferentes compartimentos del organismo. Además de actuar como barreras, ciertos tejidos epiteliales (como aquellos que recubren el estómago, el intestino y las glándulas secretoras) son capaces de transportar sustancias al medio interior desde el exterior (en un proceso llamado absorción) o desde el medio interno al exterior (secreción). Para que un tejido epitelial absorba o secrete sustancias, las células que lo forman deben transportar sustancias hacia el interior, atravesando la membrana desde un lado o hacia el exterior desde el lado opuesto. Para que esto suceda, la membrana a cada lado debe tener diferentes sistemas de transporte. Debido a que la membrana a ambos lados es claramente diferente (en estructura y función), las células epiteliales se dice que están polarizadas. En esta sección veremos cómo la polaridad de las células epiteliales la confiere la capacidad de absorber o secretar sustancias. Comenzaremos primero con una visión general de la estructura del epitelio.
Estructura epitelial En una capa de células epiteliales especializadas en la absorción y secreción (fig. 4.23), un lado de la célula se encuentra hacia la luz de una cavidad corporal. A la membrana en este lado se la llama membrana apical. La membrana en el lado opuesto se encuentra en el medio interno y está en contacto con el líquido intersticial, el cual intercambia sustancias con la sangre. Este lado de la membrana se denomina membrana basolateral, que está en contacto con una membrana basal compuesta de sustancias no celulares y que es relativamente permeable a la mayoría de las sustancias. La membrana basal sujeta a la membrana basolateral, proporcionándole un soporte físico a la capa epitelial.
Los mecanismos por los cuales las células epiteliales transportan moléculas de soluto a través de la capa epitelial se ilustran en la figura 4.24, que describe aquellos que absorben nutrientes en el intestino o funcionan en la regulación de los fluidos corporales en los túbulos renales. Ten en cuenta primero que una comparación entre los sistemas de transporte en las membranas apical y basolateral de ambas células nos muestra la polaridad anteriormente mencionada: solo la membrana basolateral de estas células tiene bombas de Na+/K+, que transportan Na+ fuera de la célula y K+ al interior. Además, solo la membrana basolateral tiene canales de K+, que permiten al K+ salir de la célula a favor de su gradiente electroquímico. Este sistema de bomba-fuga mantiene una concentración de K+ prácticamente constante dentro de la célula mayor que la concentración fuera. La bomba de Na+/K+ también mantiene concentraciones bajas de Na+ en el interior celular, lo que crea un gradiente en el interior. Hay que tener en cuenta también que, en ambas células, la membrana apical tiene sistemas de transporte, de lo que carece la membrana basolateral. En la célula en la figura 4.23a, que está absorbiendo Na+, el + Na entra en la célula a través de los canales de Na+, presentes solo en la membrana apical. Esta entrada es contrarrestada por la extracción activa de Na+ de la célula a través de la membrana basolateral. Los iones de sodio entran en la célula por un lado y salen por el otro (atraviesan la célula completamente desde la luz hasta el líquido intersticial). Hay que tener en cuenta, además, que, aunque el Na+ fluye a través de la membrana apical de forma pasiva, el transporte de Na+ a través de toda la célula es activo, porque la entrada de Na+ en la célula a través de la membrana apical depende de la presencia de un gradiente electroquímico directo, que, a su vez, depende de la capacidad de la bomba de Na+/K+ de sacar Na+ de la célula. Si la bomba dejase de funcionar, la concentración de Na+ en el interior de la célula aumentaría; finalmente, el gradiente de Na+ a través de la membrana apical desaparecería, produciendo el cese de la entrada de Na+. Debido a que el transporte de Na+ a través de la célula es un proceso activo, el Na+ puede ser absorbido desde la luz hasta el medio intersticial en contra de gradiente electroquímico. En la célula en la figura 4.24b, que absorbe Na+ y glucosa, el + Na de nuevo entra en la célula de forma pasiva a través de la membrana apical, pero mediante un sistema de cotransporte que une el movimiento de Na+ con el de glucosa hacia el interior. El gradiente electroquímico del Na+ proporciona la energía que dirige el transporte activo secundario de glucosa en contra del
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C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
Luz
Na+
Na+
Luz
Na+
+ Na+ Na
Na+
+ Na+ Na
Glucosa
Glucosa Na+
+ K+ K + K+
K
+ K+ K + K+
K
ADP ATP + P i
Líquido intersticial K+
Na+
Na+
Líquido intersticial
Sangre
(a)
ADP ATP + P i
K+
Glucosa
+ Na+ Na
Na+
+ Na+ Na + Na+ Na
Sangre
(b)
FIGURA 4.24 Mecanismos de transporte epitelial de solutos. (a) Absorción de iones sodio. (b) Absorción de glucosa e iones sodio. Si la glucosa está siendo transportada a través de la membrana basolateral por un portador (v. parte b), P ¿la concentración de glucosa en el líquido intersticial será mayor o menor que en el interior de la célula?
gradiente de concentración en la célula. La glucosa entonces sale de forma pasiva, moviéndose a favor del gradiente de concentración a través de una proteína portadora en la membrana basolateral. Aunque la salida de la glucosa a través de la membrana basolateral es pasiva, el transporte de glucosa a través del epitelio es su conjunto es activo, porque depende de la presencia de un gradiente electroquímico interno de Na+, que a su vez depende de la acción de la bomba de Na+/K+. La glucosa puede, por tanto, ser transportada desde la luz al medio intersticial en contra de su gradiente de concentración.
Transporte epitelial de agua Independientemente de que las células epiteliales secreten o absorban líquidos, el transporte de agua ocurre mediante ósmosis. Esto sucede, por ejemplo, cuando sudas, cuando el páncreas secreta el jugo pancreático o cuando repones los líquidos del organismo bebiendo un vaso de agua. El epitelio absorbe o secreta agua utilizando primero el transporte activo de solutos para crear una diferencia de presión osmótica (un gradiente de presión osmótica) entre las disoluciones a ambos lados de la capa celular. El agua entonces pasa a través del epitelio de forma pasiva por ósmosis. Debido a que este transporte de agua ocurre como respuesta al transporte de solutos, se dice que el transporte de agua es secundario.
En el transporte de agua epitelial (fig. 4.25), el epitelio crea un gradiente de presión osmótica (o simplemente un gradiente osmótico) para absorber el agua. Primero, las células epiteliales transportan activamente moléculas de soluto (puntos) a través de la membrana basolateral hacia el medio intersticial (v. fig. 4.25a). Como resultado, la concentración de soluto es ligeramente superior fuera que dentro, particularmente en los espacios paracelulares, donde la difusión de moléculas de soluto está obstaculizada por la estrechez del paso. (Esto se indica en la figura con una mayor densidad de puntos entre las células.) Debido a que el transporte de soluto crea una diferencia en la presión osmótica entre las disoluciones a ambos lados del epitelio, el agua pasa a través de la capa celular por ósmosis (v. fig. 4.25b). Ten en cuenta que la dirección en la que el agua se mueve es hacia el medio intersticial, o en contra del gradiente de presión osmótica; para el tejido epitelial que secreta líquidos, la idea es la misma, excepto que el soluto y el agua transportada circulan en la dirección opuesta o alejándose del medio intersticial. En ciertas condiciones patológicas, el transporte epitelial de agua es o excesivo o insuficiente. En la fibrosis quística, por ejemplo, el epitelio que recubre las vías respiratorias no transporta suficiente soluto para conseguir una adecuada producción de fluido. Como resultado, los pulmones quedan obstruidos por moco, que dificulta la respiración y puede ocasionar infecciones respiratorias graves (v. «Conexiones clínicas: Fibrosis quística»).
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Luz
Moléculas de soluto
Transporte de la membrana celular
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Flujo de agua
Líquido intersticial (a)
(b)
FIGURA 4.25 Transporte de agua en un epitelio que absorbe agua y solutos. (a) Unas bombas (círculos) en la membrana basolateral transportan moléculas de soluto (puntos) de forma activa al líquido intersticial, elevando la concentración de soluto en el líquido intersticial, especialmente en los espacios paracelulares. (b) El transporte activo de soluto crea un gradiente de presión osmótica a través del epitelio que dirige un flujo de agua pasivo desde la luz al líquido intersticial (flechas grandes). En esta situación, ¿el soluto transportado tiende a aumentar o disminuir la concentración de agua P en el líquido intersticial?
Transcitosis Las macromoléculas atraviesan las células epiteliales mediante un proceso llamado transcitosis (fig. 4.26), que implica tanto endocitosis como exocitosis. Durante la transcitosis, una molécula de gran tamaño entra en la célula mediante endocitosis, pero la vesícula endocítica no se fusiona con el lisosoma. En su lugar, viaja hasta el lado opuesto de la célula y se fusiona con la membrana plasmática para liberar su contenido por exocitosis.
Luz
Membrana apical
Endocitosis
Test rápido 4.7
Unión estrecha
Transcitosis
1. ¿Por qué se dice que las células epiteliales están polarizadas? ¿Qué importancia tiene la polaridad en la función de ciertos epitelios? 2. ¿Qué quiere decir que el transporte epitelial de agua es secundario al transporte de soluto?
Célula epitelial Membrana basolateral
Exocitosis
Integración de sistemas Acabamos de aprender que las membranas y el epitelio forman barreras selectivamente permeables que solo ciertas moléculas pueden atravesar. Las proteínas de membrana son críticas para el movimiento de la mayoría de las moléculas a través de las membranas, y podemos regular este movimiento variando las concentraciones de estas proteínas portadoras en la membrana, como se describió en el capítulo 2. En el capítulo 5 aprenderemos cómo los mensajes químicos entre las células, y cómo
Líquido intersticial
Sangre
FIGURA 4.26 Transcitosis. Las moléculas pueden ser transportadas a través de las células epiteliales, entrando en la célula por un lado mediante endocitosis y saliendo por el otro lado mediante exocitosis.
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CONEXIONES CLÍNICAS
Fibrosis quística De todas las enfermedades hereditarias mortales, la fibrosis quística es la más común entre los individuos caucásicos, y afecta a alrededor de 1 de cada 2.500 individuos. Esta enfermedad es notoria por sus efectos en el tubo respiratorio, aunque afecta a otros sistemas también. En los individuos afectados, las vías respiratorias se encuentran obstruidas con un moco viscoso y espeso difícil de eliminar incluso con tos intensa. La respiración se ve dificultada y las víctimas corren el riesgo de asfixiarse con sus propias secreciones a pesar del enorme esfuerzo que se hace para limpiar sus pulmones varias veces al día. Las víctimas a menudo mueren de neumonía cerca de los 30 años, debido a que las vías respiratorias obstruidas por el moco suelen ser un medio fértil para el crecimiento de bacterias. En todos los individuos, el moco es secretado por ciertas células del epitelio que se encuentran a lo largo de las vías respiratorias. En condiciones normales, el epitelio también secreta un
líquido acuoso que diluye el moco, haciéndolo menos denso y más fácil de eliminar. En la fibrosis quística, la secreción del líquido acuoso se encuentra impedida. El moco es más denso y es más complicada su eliminación. En el epitelio respiratorio, como en todos los epitelios que transportan líquidos, el transporte de agua es secundario al transporte de un soluto. Para llevar a cabo la secreción de agua, las células del epitelio respiratorio transportan de forma activa iones cloruro (Cl–) del líquido intersticial hacia la luz, creando un potencial eléctrico negativo en la luz que permite un flujo pasivo de sodio (Na+) en la misma dirección (parte a). El movimiento de Na+ y Cl– incrementa la presión osmótica del fluido que baña el lado luminal del epitelio. Como consecuencia, el agua se mueve de forma pasiva a favor del gradiente osmótico desde el líquido intersticial hacia la luz. Los científicos han descubierto recientemente que la fibrosis quística está causada por
Luz de las vías respiratorias Moco
un defecto en un tipo de proteína del canal para el ion cloruro que se encuentra en la membrana apical de las células epiteliales en el tubo respiratorio y en otros lugares. El defecto impide directamente el transporte de Cl–, lo que interfiere de manera indirecta en el transporte de Na+ (parte b). Como resultado, el epitelio no puede crear el gradiente osmótico necesario para la secreción de agua. Desde hace tiempo se sabe que la fibrosis quística está causada por un solo gen, y estudios bioquímicos y electrofisiológicos recientes muestran que dicho gen codifica una parte del canal de cloro. Se están desarrollando esfuerzos para desarrollar un tratamiento que permitirá insertar genes normales en el ADN de las células epiteliales de la enfermedad. Si esto se consigue, estas células podrán generar canales normales, lo que permitirá a los epitelios secretar líquidos de una manera normal.
Moco (más denso)
Cl–
Cl– Célula epitelial
Agua
Na+
(a) Transporte normal de soluto y de agua
algunos de los mecanismos de comunicación, pueden alterar el transporte de iones a través de las membranas celulares y la síntesis de proteínas de membrana. Los sistemas de órganos en los que las sustancias se intercambian, como el aparato respiratorio, digestivo o urinario, son los que más utilizan los mecanismos de transporte descritos en este capítulo, aunque el resto de sistemas de órganos los utilicen también. Por ejemplo, el sistema nervioso se comunica a través de señales eléctricas producidas por la apertura y el cierre de canales iónicos. El sistema endocrino se comunica
Agua
Na+
(b) Transporte defectuoso de soluto y agua en la fibrosis quística
mediante la secreción al torrente circulatorio de unas sustancias químicas llamadas hormonas. Las células musculares se contraen y relajan en respuesta a cambios en el transporte de iones a través de la membrana plasmática y la membrana del retículo endoplásmico liso. Las moléculas se intercambian entre la sangre y los tejidos gracias a los movimientos a través de las paredes de los vasos sanguíneos más pequeños, los capilares. De este modo, la membrana plasmática, con sus proteínas de transporte, es el principal determinante de la función orgánica.
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RESUMEN DEL CAPÍTULO Factores que condicionan la dirección del transporte, pág. 95 Las moléculas que atraviesan las membranas celulares se mueven por difusión simple a través de la bicapa lipídica o mediante transporte facilitado, el cual implica un transporte especializado de proteínas. El transporte activo requiere energía y se lleva a cabo por proteínas llamadas bombas. El transporte pasivo no requiere energía, e incluye la difusión simple y algunas formas de transporte facilitado. El transporte de moléculas está, en general, influenciado por tres tipos de fuerzas direccionales: 1) las fuerzas direccionales químicas, que se deben a la presencia de gradientes de concentración; 2) las fuerzas direccionales eléctricas, que reflejan la influencia del potencial de la membrana celular en el movimiento de los iones, y 3) las fuerzas direccionales electroquímicas, una combinación de las fuerzas direccionales químicas y eléctricas que representan la fuerza neta que actúa sobre las moléculas. Las moléculas transportadas de forma pasiva se mueven en la dirección de la fuerza electroquímica; es decir, disminuyen su gradiente electroquímico. Las moléculas transportadas de forma activa se mueven en contra de la fuerza electroquímica, es decir, aumentan su gradiente electroquímico.
Nervous I, The Membrane Potential, págs. 1–17 Fluids and Electrolytes, Introduction to Body Fluids, págs. 12–15
Velocidad de transporte, pág. 101 La velocidad a la cual una sustancia se mueve a través de la membrana se mide como un flujo. El flujo de moléculas en una u otra dirección es el flujo unidireccional; la diferencia entre los flujos unidireccionales es el flujo neto.
Transporte pasivo, pág. 102 La difusión es el movimiento de las moléculas desde un sitio a otro como resultado de su movimiento térmico aleatorio. En la difusión simple, la permeabilidad de la membrana viene determinada por los siguientes factores: 1) la solubilidad lipídica de la sustancia que difunde; 2) el tamaño y la forma de las moléculas; 3) la temperatura, y 4) el grosor
de la membrana. La difusión facilitada implica proteínas portadoras, que unen las moléculas en un lado de la membrana y las transportas al otro lado mediante un cambio conformacional. Los canales iónicos son poros que se extienden desde un lado al otro de la membrana. Para una sustancia transportada de forma pasiva, la velocidad de transporte depende de tres factores: 1) la magnitud de la fuerza direccional; 2) el área superficial de la membrana, y 3) la permeabilidad de la membrana para esa sustancia en particular. En la difusión facilitada y en los canales iónicos, la permeabilidad de la membrana viene determinada por dos factores: 1) la velocidad individual de transporte de cada proteína o canal, y 2) el número de portadores o canales en la membrana.
Transporte activo, pág. 108 Existen dos formas básicas de transporte activo: el transporte activo primario, que utiliza ATP o alguna otra fuente de energía química, y el transporte activo secundario, que utiliza el gradiente electroquímico de una sustancia como fuente de energía para llevar a cabo el transporte activo de otra sustancia. La velocidad de transporte de una sustancia transportada de forma activa viene determinada por dos factores: 1) la velocidad individual a la cual las bombas transportan la sustancia y 2) el número de bombas presentes en la membrana.
Nervous I, The Membrane Potential, págs. 13–15 Urinary, Early Filtrate Processing, págs. 5–8
Ósmosis: transporte pasivo de agua a través de las membranas, pág. 112 El agua que atraviesa las membranas afecta al volumen celular y está implicada en la secreción y absorción de líquidos. El movimiento del agua (ósmosis) es siempre pasivo y dirigido por el gradiente de concentración de agua. Debido a que la concentración de agua de una disolución disminuye a medida que aumenta su concentración de soluto, una diferencia en la concentración total de soluto (osmolaridad) a través de la membrana implica la existencia de una gradiente de concentración de agua. Debido a que la presión osmótica de una disolución aumenta
según aumenta la concentración de soluto, el flujo de agua a menor gradiente de concentración es el equivalente a moverse hacia un mayor gradiente de presión osmótica. El volumen de una célula viene determinado por la tonicidad de la disolución circundante, lo que depende de la concentración de soluto y la permeabilidad de la membrana a los solutos presentes.
Urinary, Early Filtrate Processing, págs. 5–8
Transporte de sustancias en compartimentos membranosos, pág. 117 Ciertas macromoléculas pueden ser transportadas dentro y fuera de las células a través de la formación de vesículas en los procesos de endocitosis y exocitosis, respectivamente. Hay tres formas de endocitosis: fagocitosis, pinocitosis y endocitosis mediada por receptor. En los tres procesos, la membrana plasmática forma un anillo alrededor del medio extracelular en el cual los extremos se acaban fusionando, dando lugar a una vesícula en el interior celular. La fagocitosis y la endocitosis mediada por receptor son específicas en el hecho de que una molécula determinada u otras sustancias son transportadas al interior. Durante la exocitosis, una sustancia en una vesícula intracelular es liberada desde la célula cuando dicha vesícula se fusiona con la membrana plasmática.
Transporte epitelial: movimiento de las moléculas a través de dos membranas, pág. 118 Ciertos epitelios están especializados en el transporte de sustancias dentro o fuera de nuestro medio interno corporal, en los procesos de absorción y secreción, respectivamente. Las células epiteliales pueden hacer esto porque las membranas de un lado difieren estructural y funcionalmente, en un fenómeno conocido como polaridad. Los epitelios forman barreras entre los compartimentos de los líquidos corporales o entre los medios interno y externo. La membrana basolateral, que está en contacto con una membrana basal no celular, se encuentra en el lado del medio interno; la membrana opuesta es la membrana apical.
Urinary, Early Filtrate Processing, págs. 5–8
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EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. Para una sustancia que atraviesa la membrana celular, la fuerza de gradiente químico a) depende solo del gradiente de concentración, independientemente de si la sustancia es un ion. b) depende solo del gradiente de concentración si la sustancia no está cargada, pero también depende de la fuerza eléctrica si la sustancia es un ion. c) es la fuerza direccional total de una sustancia, incluso si esta es un ion. d) es la fuerza que empuja a las moléculas a atravesar la membrana, pero solo si la sustancia es transportada de forma activa. e) siempre favorece el movimiento de una molécula hacia el interior celular. 2. ¿Cuál de las siguientes moléculas se encuentra a mayor concentración dentro de la célula que fuera? a) iones potasio b) iones sodio c) proteínas d) Los iones potasio y sodio se encuentran en mayor concentración en el interior celular. e) Los iones potasio y las proteínas se encuentran localizadas en mayor concentración en el interior celular. 3. Un ejemplo de transporte activo primario es a) el transporte de Ca2+ en contra del gradiente electroquímico por una proteína que hidroliza ATP. b) el transporte de Ca2+ en contra del gradiente electroquímico por una proteína que acopla el flujo de Ca2+ al flujo de Na+ a favor del gradiente electroquímico. c) el movimiento de Ca2+ a favor del gradiente electroquímico a través de canales. d) el transporte de moléculas de glucosa a favor del gradiente de concentración mediante proteínas portadoras. e) el transporte de glucosa en contra del gradiente de concentración por una proteína que acopla el flujo de glucosa al flujo de Na+ a favor de su gradiente electroquímico. 4. Si un anión determinado se encuentra en mayor concentración en el interior celular y existe un potencial de membrana negativo, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? a) La fuerza eléctrica que actúa sobre el anión lo empuja hacia el interior celular.
b) La fuerza química que actúa sobre el anión lo empuja hacia el interior celular. c) El potencial de equilibrio para el anión es positivo. d) a y c son correctas e) todas las anteriores son correctas 5. Dado que el potencial de equilibrio del potasio es –94 mV y que el potencial de equilibrio del sodio es +60 mV, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta para las fuerzas que actúan sobre ambos iones cuando el potencial celular es de –70 mV? a) El gradiente electroquímico del Na+ empuja al ion hacia el interior celular. b) El gradiente electroquímico del K+ empuja al ion hacia el interior celular. c) a y b son correctas d) ni a ni b son correctas 6. Cuando el potencial de membrana es igual al potencial de equilibrio del Na+ (ENa= +60 mV) a) El Na+ se mueve hacia el interior celular a favor de su gradiente electroquímico. b) El Na+ se mueve hacia el exterior celular a favor de su gradiente electroquímico. c) El flujo neto del Na+ es cero, porque se encuentra en equilibrio. 7. La presión osmótica de una disolución depende de a) las concentraciones de todas las partículas de soluto que se encuentren en ella. b) las concentraciones de todas las partículas de soluto permeable que se encuentren en ella. c) las concentraciones de todas las partículas de partículas de soluto permeantes que se encuentren en ella. d) la presión atmosférica ejercida sobre la disolución. e) el volumen de agua en el que las partículas de soluto están disueltas. 8. Suponiendo que solo se encuentran presentes los solutos permeantes, ¿cuál de las siguientes situaciones sucederá cuando una célula se sitúe en una disolución cuya osmolaridad es de 200 mOsm? a) El agua se moverá hacia el interior de la célula. b) El agua se moverá hacia el exterior de la célula. c) El agua no atravesará la membrana celular. 9. Una disolución es hipotónica si a) la concentración de todos los solutos es menor a 300 mOsm.
b) la concentración de todos los solutos permeables es menor a 300 mOsm. c) la concentración de todos los solutos permeantes es menor de 300 mOsm. d) la osmolaridad es menor de 300 mOsm. 10. El movimiento del Na+ en los portadores de glucosa ligado al sodio, en el intercambio sodio-protón y en las bombas sodio-potasio, son ejemplos de a) transporte activo. b) transporte pasivo. c) transporte mediado. d) difusión simple. 11. ¿Cuál de las siguientes moléculas tendría más probabilidad de atravesar la bicapa lipídica mediante difusión simple? a) una molécula polar pequeña b) una molécula polar grande c) una molécula no polar pequeña d) una molécula no polar grande 12. Suponiendo que una sustancia no está cargada y es transportada a través de la membrana mediante portadores, el flujo neto de esa sustancia tenderá a aumentar a medida que a) la superficie de la membrana disminuye. b) la magnitud del gradiente de concentración disminuye. c) el potencial de membrana se hace más positivo. d) aumenta el número de portadores de la membrana. e) todas las anteriores son correctas 13. ¿Qué tienen en común los portadores de membrana y las bombas? a) Ambos transportan moléculas en contra del gradiente electroquímico. b) Ambos transportan moléculas a favor del gradiente electroquímico. c) Ambos transportan preferiblemente sustancias solubles en lípidos. d) Ambos utilizan ATP para el transporte de moléculas. e) Ambos son específicos para ciertas moléculas. 14. Un leucocito, un tipo de glóbulo blanco, actúa contra las infecciones bacterianas mediante la proyección de su membrana plasmática alrededor de la bacteria exógena. La membrana entonces se fusiona, atrapando a la bacteria en una vesícula en el interior celular. Esto es un ejemplo de a) exocitosis. b) transcitosis. c) endocitosis mediada por receptor. d) pinocitosis. e) fagocitosis.
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15. ¿Cuál de los siguientes mecanismos de transporte permite introducir una sustancia extracelular específica en la célula? a) la endocitosis mediada por receptor b) la pinocitosis c) la fagocitosis d) a y c son correctas e) a, b y c son correctas
Preguntas objetivas 1. La mayoría de las sustancias que atraviesan la membrana celular mediante difusión simple son (hidrófilas/hidrófobas). 2. Un canal lleva a cabo un transporte de solutos (activo/pasivo). 3. En la difusión simple, un soluto no cargado siempre fluye de la región de mayor concentración a la región de menor concentración. (verdadero/falso) 4. En la difusión facilitada, el flujo pasivo de un soluto no cargado siempre va de mayor a menor concentración. (verdadero/falso) 5. Un gradiente de concentración también se refiere a una fuerza direccional ————. 6. Cuando un potencial de membrana es positivo, hay un exceso de cationes sobre aniones dentro de la célula. (verdadero/ falso) 7. El transporte de agua desde el torrente circulatorio hacia la luz del intestino es un ejemplo de (secreción/absorción). 8. Una célula disminuye su volumen si se coloca en una disolución hipertónica. (verdadero/falso)
9. Cuando el agua difunde a través de la membrana, normalmente lo hace de la región de mayor a menor presión osmótica. (verdadero/falso) 10. Las uniones que conectan células epiteliales adyacentes son uniones ————.
Preguntas abiertas 1. Para determinar si una sustancia está siendo transportada de forma activa o pasiva, se necesitan saber solo dos factores: la dirección del gradiente electroquímico y la dirección del flujo neto. Explícalo. 2. Describe los diversos factores que determinan la permeabilidad de una membrana en la difusión simple. 3. Explica el mecanismo de absorción de la glucosa por las células epiteliales del intestino. Incluye una discusión acerca de la importancia de la polaridad celular. 4. Compara la difusión de moléculas a través de la bicapa lipídica con la difusión de iones a través de los canales. Compara la difusión simple con la difusión facilitada. 5. Una célula es situada en una disolución salina de 0,2 mM NaCl. Ni el Na+ ni el Cl– pueden permear la membrana plasmática. ¿qué le sucede a la célula? 6. En el cólera, la toxina bacteriana estimula algunas células epiteliales del intestino delgado para que secreten solutos en el lumen. ¿Qué sucederá con el transporte de agua a través del epitelio intestinal? ¿Qué signos clínicos habrá como resultado de la alteración de este transporte?
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Pensamiento crítico 1. Suponiendo que E Na = +60 mV, ECl = –90 mV y Vm = –70 mV, ¿cuál será el sentido del gradiente de potencial electroquímico que actúa sobre los iones Na+ y Cl? ¿En qué dirección se moverán los iones si son transportados de forma pasiva? ¿Y si son transportados de forma activa? (Desafío extra: a partir del signo de ECl, determina la dirección del gradiente de concentración de los iones Cl–). 2. Repite la pregunta 1 en el caso de que Vm = –100 mV. 3. Diseña un epitelio que transporte potasio desde la luz hasta el líquido intersticial con el mínimo número de proteínas. Incluye todas las proteínas necesarias para llevar a cabo esta tarea. 4. Los canales iónicos pueden encontrarse abiertos o cerrados, de manera que cambie la permeabilidad de la membrana a un ion específico. Considera que una célula con un potencial de membrana de –70 mV tiene pocos canales de sodio abiertos. Sabiendo que el potencial de equilibrio para el sodio es +60 mV, calcula que le sucedería al potencial de membrana si muchos canales de sodio pasaran de repente de un estado cerrado a un estado abierto. Explícalo. 5. La ouabaína es un fármaco que bloquea la bomba de Na+/K+. Describe y explica los efectos que esperarías que la ouabaína tuviera sobre 1) el gradiente de concentración de sodio a través de las membranas celulares; 2) el gradiente de concentración de potasio a través de las membranas celulares, y 3) el movimiento de moléculas por transporte activo secundario acoplado con sodio.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
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Mensajeros químicos Una comunidad es un grupo de personas que viven en la misma zona o tienen un interés común, como la ciudad en la que vives. ¿Puedes imaginar cómo funcionaría la ciudad sin que existiera un medio de comunicación entre las personas que configuran la comunidad? Incluso en circunstancias normales, la comunicación resulta necesaria para la distribución de los alimentos y para disponer de un servicio adecuado de desecho de basuras y de transporte de una zona a otra de la ciudad. Ahora piensa qué podría ocurrir si un desastre como un tornado o un terremoto cortara todas las vías de comunicación. Sería el caos. Podemos concebir nuestro cuerpo como una comunidad de células. Al igual que las personas que viven en una ciudad, las células de nuestro organismo se deben comunicar entre sí para mantener el orden. Cuando se interrumpe la comunicación, se produce casi de manera inevitable una interrupción de la homeostasis. Por ejemplo, cuando una viuda negra pica a una persona, una toxina provoca que determinadas neuronas se comuniquen de forma excesiva con las células musculares esqueléticas. Por consiguiente, se producen calambres en los músculos, especialmente en el abdomen. Los músculos respiratorios también pueden verse afectados. Otro ejemplo sería la diabetes mellitus, que está provocada por la carencia de un mensajero químico, la insulina. La insulina aumenta la captación de glucosa de las células. Por tanto, la carencia de insulina disminuye la cantidad de glucosa disponible para las células y aumenta los niveles de glucosa en la sangre. Tanto el exceso como la escasez de comunicación en el organismo pueden provocar el caos.
CONTENIDOS Microfotografía con luz polarizada de cristales de insulina.
Mecanismos de comunicación intercelular Mensajeros químicos
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Mecanismos de transducción de señales Comunicación a larga distancia a través de los sistemas nervioso y endocrino 145
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Mensajeros químicos
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OBJETIVOS
Comparar las tres clases funcionales principales de mensajeros químicos (paracrinas, neurotransmisores y hormonas) en relación con la célula que las libera y las formas en que el mensajero alcanza la célula diana.
Describir la estructura básica y la función de cada clase química de mensajero (aminas, catecolaminas, péptidos, esteroides y eicosanoides) en relación con los mecanismos de síntesis, liberación, transporte y transducción de señales.
Comparar y contrastar los mecanismos de transducción de señales para mensajeros lipófilos y lipófobos.
Describir las siguientes clases funcionales de receptores: receptores ligados a canales, receptores asociados a una enzima y receptores asociados a la proteína G.
Comparar y contrastar la comunicación mediada a través de los sistemas nervioso y endocrino.
Iones y pequeñas moléculas
Célula 1
Conexón
Célula 2
(a) Comunicación directa mediante uniones comunicantes
Mensajero químico Receptor
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Células epiteliales, pág. 4 2. Biomoléculas, pág. 19 3. Estructura de la membrana plasmática, pág. 30 4. Proteínas de la membrana plasmática, pág. 30
Célula secretora
Célula diana
(b) Comunicación mediante mensajeros químicos
E
n el capítulo 2 aprendimos acerca de la estructura celular y sus funciones básicas. Nuestros organismos están compuestos aproximadamente por 1014 de células, si bien no pueden sobrevivir aisladas. En cambio, nuestras células dependen unas de otras para mantener el desarrollo interno en un estado compatible para la vida. Para alcanzar este objetivo, las células deben comunicarse. Este capítulo describe los mecanismos de la comunicación intercelular. Dicha comunicación precisa una gran variedad de clases de biomoléculas, entre las que se incluyen las proteínas. Para que exista comunicación, resulta necesaria la secreción de mensajeros a través de los procesos descritos en el capítulo 4. A menudo, estos mensajeros provocan una respuesta en otras células mediante la alteración de la actividad enzimática, como se describió en el capítulo 3. Ahora aplicaremos lo que aprendimos en capítulos anteriores para describir la forma en que las células se comunican con las células vecinas y con células situadas en extremos opuestos del organismo.
Mecanismos de comunicación intercelular Prácticamente todas las funciones corporales precisan comunicación entre las células. Ver una manzana necesita la comunicación entre las células de los ojos y las del cerebro. La lucha contra una infección requiere la comunicación entre varios tipos de células en la sangre. El crecimiento y el desarrollo desde el estado de niño al de adulto precisan la comunicación entre las células por todo el organismo. Existen otros cientos de ejemplos
FIGURA 5.1 Tipos de comunicación intercelular. (a) Comunicación directa mediante uniones comunicantes. Las uniones comunicantes están compuestas por estructuras de proteínas de membrana denominadas conexones, que ligan los citosoles de dos células adyacentes, lo que permite a los iones y las pequeñas moléculas moverse entre las células. (b) Comunicación mediante mensajeros químicos. Después de que una célula secretora libera un mensajero en el líquido extracelular, este se une a receptores de las células diana, lo que desencadena una respuesta en las mismas.
posibles. Sorprendentemente, las células del organismo utilizan solo unos pocos mecanismos para comunicarse entre sí. En relativamente pocos casos, las células están ligadas físicamente por uniones comunicantes y, en la mayoría de los casos, las células se comunican mediante mensajeros químicos.
Comunicación directa mediante uniones comunicantes Recuerda del capítulo 2 que las uniones comunicantes unen entre sí las células adyacentes y están formadas por proteínas de la membrana plasmática, denominadas conexinas, que constituyen estructuras denominadas conexones (fig. 5.1a). Estos conexones forman canales que permiten a los iones y las pequeñas moléculas pasar directamente de una célula a la otra. El movimiento de los iones a través de las uniones comunicantes se acopla eléctricamente a las células, de forma que las señales eléctricas en una célula se transmiten de forma directa a las células vecinas. Por ejemplo, las uniones comunicantes localiza-
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Mensajeros químicos
das en el corazón y los músculos lisos de otros órganos internos, como los intestinos y los vasos sanguíneos, provocan que las células musculares se contraigan como una unidad, es decir, las células se contraigan al mismo tiempo. El movimiento de pequeñas moléculas mediante uniones comunicantes se acopla de forma metabólica a las células, de forma que una célula puede proporcionar los nutrientes necesarios a otras células. Por ejemplo, las uniones comunicantes permiten a los nutrientes alcanzar determinadas células óseas distantes del torrente sanguíneo. Asimismo, se encuentran uniones comunicantes en algunas glándulas, y entre algunas neuronas del cerebro y la retina, donde funcionan en comunicación.
Comunicación indirecta mediante mensajeros químicos La mayoría de las veces, las células se comunican mediante mensajeros químicos (fig. 5.1b), que son todos ligandos, es decir, moléculas que se enlazan con las proteínas de forma reversible (v. «Caja de herramientas: Interacciones ligando-proteína», capítulo 3). El organismo tiene cientos de mensajeros químicos, con multitud de funciones. La comunicación mediante mensajeros químicos se produce cuando una célula libera una sustancia química en el líquido intersticial, normalmente mediante un proceso denominado secreción, y otra célula, denominada la célula diana, responde al mensajero químico. En esencia, la célula diana es aquella a la que va «destinado» un mensaje. Una célula diana responde al mensajero químico porque tiene determinadas proteínas, denominadas receptores, que reconocen de forma específica el mensajero y se unen a él. La unión de los mensajeros a los receptores produce una respuesta en la célula diana mediante una gran variedad de meca-
nismos denominados transducción de señales. En términos generales, la intensidad de la respuesta de la célula diana aumenta a medida que aumenta el número de receptores unidos. El número de receptores unidos depende tanto de la concentración del mensajero en el líquido intersticial como de la concentración de receptores en la célula diana.
Mensajeros químicos Los mensajeros químicos se pueden clasificar por su función y su estructura química. En primer lugar, tendremos en cuenta las clases funcionales de los mensajeros químicos.
Clasificación funcional de los mensajeros químicos Aunque existen cientos de mensajeros químicos, la mayoría se pueden clasificar en tres categorías principales: 1) paracrinos; 2) neurotransmisores, y 3) hormonas (fig. 5.2). Cuando se liberan en el líquido intersticial, cada una de estas categorías de mensajeros transmite una señal mediante la unión a receptores de una célula diana, como se describirá a continuación. Las sustancias químicas paracrinas son aquellas que se comunican con las células vecinas. La célula diana debe estar lo suficientemente cerca para que, una vez que se segregue en el líquido extracelular la sustancia paracrina, pueda alcanzarla mediante difusión simple (v. fig. 5.2a). Entre las sustancias paracrinas, normalmente se incluyen los factores de crecimiento, los factores de coagulación y las citocinas. Los factores de crecimiento son proteínas que estimulan la proliferación y la diferenciación de las células; no se hablará más de ellos en este libro. Los factores de coagulación son proteínas que estimulan la for-
Célula secretora (presináptica)
Célula secretora
Célula secretora (célula endocrina)
Hormona
Paracrina
Receptor
Célula diana (célula vecina)
Vaso sanguíneo Axón terminal Neurotransmisor
Sinapsis
Célula no diana (sin receptores) Receptor
Receptor Célula diana (postsináptica) (a) Paracrinas
(b) Neurotransmisores
FIGURA 5.2 Clases funcionales de mensajeros químicos. (a) Las sustancias paracrinas son segregadas por una célula y difunden a una célula diana cercana. (b) Los neurotransmisores se segregan a partir de las neuronas en estructuras especializadas funcionalmente denominadas sinapsis. El axón terminal de una célula presináptica libera el neurotransmisor, que difunde a una distancia muy corta para unirse a receptores de una célula diana específica,
Célula diana (c) Hormonas
denominada célula postsináptica. (c) Las células endocrinas segregan las hormonas hacia el líquido intersticial. Entonces, las hormonas difunden en el torrente sanguíneo para transportarse hasta las células diana en el organismo. Las células diana se identifican por la presencia de receptores para una hormona específica. Las células que carecen de receptores para esa hormona no pueden responder a su señal.
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DESCUBRIMIENTOS
Antihistamínicos La histamina es una amina biógena con funciones paracrinas y neurotransmisoras. Una vez liberada, la histamina actúa sobre las células diana mediante la unión con uno de sus tres tipos de receptores: H1, H2 o H3. Las histaminas que se unen a los receptores H1 en las células diana pueden producir varios síntomas de respuesta alérgica, entre los que se incluyen la constricción de las vías respiratorias, el aumento de la secreción de líquidos en las vías respiratorias y la dilatación de los vasos sanguíneos. Durante las reacciones alérgicas graves, la presión arterial puede disminuir tanto que la sangre no pueda circular de forma adecuada, dando como resultado un shock anafiláctico. El shock anafiláctico suele ir acompañado de edema de las vías respiratorias, lo que provoca dificultad respiratoria. En el tratamiento de las reacciones alérgicas y de algunas úlceras, se suelen administrar antihistaminínicos, que bloquean los receptores H1 o H2 en las células diana. Entre los antagonistas de los receptores H1 clásicos se encuentran el clorhidrato de difenhidramina y el dimenhidrinato. Sin embargo, cuando se emplean antagonistas de un receptor para tratar una enfermedad, se bloquean los receptores por todo el organismo, incluyendo aque-
llos que no tienen nada que ver con la dolencia, lo que provoca efectos secundarios. En el caso de los antagonistas de los receptores H1, el efecto secundario predominante es la somnolencia provocada por el bloqueo de los receptores H1 en el cerebro, relacionados con el estado de alerta mental. Recientemente se han desarrollado antagonistas de los receptores H1 que no acceden al cerebro para disminuir los efectos secundarios sedantes. Algunos ejemplos son la loratadina y la fexofenadina. La histamina que se une a los receptores H2 estimula la secreción de ácido del estómago, lo que puede dar lugar a la producción de pirosis, una sensación de ardor provocada por la irritación ácida del esófago. Asimismo, la secreción de ácido puede causar úlceras gástricas e intestinales, y perforaciones del revestimiento epitelial de estos órganos. Por consiguiente, la pirosis y algunas úlceras se tratan mediante la administración de antagonistas de los receptores H2, como la cimetidina y la ranitidina. Entre los efectos secundarios asociados a los antagonistas de receptores H2 se encuentran el dolor de cabeza y la somnolencia. Cuanto más específico resulta un fármaco para un determinado tipo de receptor, más
mación de coágulos sanguíneos; se hablará en detalle de ellos en el capítulo 15. Las citocinas son péptidos, normalmente liberados a partir de células inmunes, que intervienen en la coordinación de las defensas del organismo contra las infecciones. Aunque la mayoría de las citocinas funcionan como paracrinas, otras viajan en el torrente sanguíneo hasta células diana distantes y trabajan más como las hormonas, como se describe a continuación. Hablaremos de las citocinas en detalle en el capítulo 23. Un ejemplo de un mensajero paracrino es la histamina, una sustancia química importante en las reacciones alérgicas y la inflamación y que segregan los mastocitos repartidos por todo el organismo (v. «Descubrimientos: Antihistamínicos»). Durante las reacciones alérgicas, la histamina es responsable de la rinorrea y los ojos rojos y llorosos asociados a este proceso. La liberación de histamina por parte de los mastocitos como respuesta a las infecciones bacterianas y a varias formas de daños en los tejidos forma parte de una respuesta compleja denominada inflamación, caracterizada en parte por el enrojecimiento y la
específicas son también sus acciones terapéuticas y menores los efectos secundarios. Las compañías farmacéuticas están constantemente diseñando nuevos fármacos que se unan de forma específica a las subclases de receptores para un determinado mensajero. Además, los fármacos se pueden modificar de forma química para limitar el acceso a determinadas estructuras y eliminar así los efectos secundarios no deseados. El resultado combinado es la mejora de los tratamientos de las dolencias.
La histamina provoca inflamación en las picaduras de insectos.
tumefacción. En la inflamación, la histamina aumenta el flujo sanguíneo en los tejidos afectados (produciendo enrojecimiento) y provoca que el flujo se fugue de los vasos sanguíneos y vaya al tejido (produciendo tumefacción). Las autocrinas son una subclase de sustancias paracrinas que actúan en la misma célula que las segregó. Por tanto, la célula secretora es también la célula diana. A menudo una sustancia autocrina regula su propia secreción. Los neurotransmisores son sustancias químicas liberadas en el líquido intersticial desde las células del sistema nervioso denominadas neuronas. Los neurotransmisores se liberan desde una porción especializada de la neurona denominada axón terminal (v. fig. 5.2b), que se encuentra muy cerca de la célula diana. Dado que la unión entre las dos células se denomina sinapsis, la comunicación por medio de neurotransmisores a menudo se denomina señalización sináptica. La célula que libera el neurotransmisor se denomina neurona presináptica, mientras que la célula diana (que puede ser otra neurona, una
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Mensajeros químicos
TABLA 5.1 Clasificación funcional de los mensajeros químicos Clase
Tipo de célula secretora
Distancia hasta la célula diana
Modo de transporte de la célula diana
Clasificación química de los mensajeros
Paracrina
(Varias)
Corta
Difusión
Aminas, péptidos/proteínas, eicosanoides
Neurotransmisor
Neurona
Corta*
Difusión
Aminoácidos, aminas, péptidos/proteínas
Hormona
Endocrina
Larga
Sangre
Aminas, esteroides, péptidos/proteínas
*Aunque los neurotransmisores difunden solo a una distancia corta hasta la célula postsináptica, algunas neuronas participan en la comunicación a larga distancia, porque la neurona que libera el neurotransmisor a menudo es larga (hasta 1 m).
glándula o una célula muscular) se denomina célula postsináptica. Con la liberación de la neurona presináptica, el neurotransmisor difunde rápidamente a una distancia corta desde el axón terminal y se une a los receptores en la célula postsináptica, lo que desencadena una respuesta. La comunicación entre una neurona y su(s) célula(s) diana resulta muy específica, porque va dirigida solo a células con las que tiene una sinapsis. Un ejemplo de neurotransmisor es la acetilcolina, liberada por las neuronas que desencadenan la contracción de los músculos esqueléticos. Las hormonas son sustancias químicas liberadas por las glándulas endocrinas (u ocasionalmente otro tipo de tejido) al líquido intersticial, desde donde se pueden difundir por la sangre (v. fig. 5.2c). Las hormonas viajan en la sangre hasta sus células diana, que pueden estar distantes del lugar donde se libera la hormona. El torrente sanguíneo distribuye una hormona a casi todas las células del organismo, pero solo las células que poseen receptores específicos para ella son capaces de responder y, por tanto, servir de células diana. Un ejemplo de hormona es la insulina, que segrega el páncreas y actúa en las células diana de todo el organismo para regular el metabolismo de energía. Una clase especial de hormonas, denominadas neurohormonas, son segregadas por una clase especial de neuronas denominas células neurosecretoras por medio de un mecanismo similar al de la liberación de neurotransmisores (v. capítulo 8). Al igual que las hormonas «clásicas» segregadas por las glándulas endocrinas, las neurohormonas se liberan en el líquido intersticial y después difunden por la sangre, que las distribuye a las células diana de todo el organismo. Un ejemplo de neurohormona es la vasopresina o ADH (hormona antidiurética), sintetizada por las células neurosecretoras que se originan en una zona del cerebro denominada hipotálamo. Una vez que se libera la vasopresina de los axones terminales de estas células neuro-
secretoras, que están situadas en la neurohipófisis, viaja en la sangre hasta sus células diana. Las células diana primarias están situadas en los riñones, donde la vasopresina afecta al volumen de orina que se excreta. En la tabla 5.1 se resumen algunas características de las clases funcionales de los mensajeros químicos. Resulta importante reparar en que un mensajero químico puede encuadrarse en más de una de estas clases funcionales. Por ejemplo, la serotonina es un neurotransmisor cuando la liberan las neuronas de determinadas regiones del cerebro, pero es una sustancia paracrina cuando se libera de las plaquetas, fragmentos celulares localizados en la sangre. Para conocer la forma en que las diferentes clases de mensajeros químicos colaboran, véase «Comprender el ejercicio: Mensajeros químicos del ejercicio».
Clasificación química de los mensajeros La estructura química de un mensajero determina sus mecanismos de síntesis, liberación, transporte y transducción de señales. La característica química más importante consiste en si el mensajero puede disolverse en el agua o traspasar la bicapa lipídica de la membrana plasmática de las células. Las moléculas lipófilas (hidrófobas) son solubles en lípidos (y, por tanto, traspasan fácilmente la membrana plasmática), pero no se disuelven en el agua. Las moléculas hidrófilas (lipófobas) son solubles en agua y no traspasan la membrana plasmática. En las siguientes secciones trataremos las cinco clases principales de mensajeros químicos: 1) aminoácidos; 2) aminas; 3) péptidos/proteínas; 4) esteroides, y 5) eicosanoides (tabla 5.2). Otros mensajeros químicos, como la acetilcolina y el óxido nítrico, no se encuadran en ninguna de estas clases y se discutirán en capítulos posteriores.
TABLA 5.2 Clasificación química de los mensajeros Clase
Propiedad química
Ubicación de los receptores en la célula diana
Clasificación funcional
Aminoácidos
Lipófoba
Membrana plasmática
Neurotransmisores
Aminas*
Lipófoba
Membrana plasmática
Paracrinas, neurotransmisores, hormonas
Péptidos/proteínas
Lipófoba
Membrana plasmática
Paracrinas, neurotransmisores, hormonas
Esteroides
Lipófila
Citosol†
Hormonas
Eicosanoides
Lipófila
Citosol
Paracrinas
*Una excepción son las hormonas tiroideas, las cuales, a pesar de ser aminas, son lipófilas y tienen receptores en el núcleo de las células diana. † Algunas hormonas esteroideas tienen receptores en la membrana plasmática.
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Mensajeros químicos
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Mensajeros químicos del ejercicio Cuando una persona realiza ejercicio, contrae los músculos esqueléticos, esto es, los músculos adheridos al hueso u otro tejido conjuntivo, lo que permite el movimiento voluntario del cuerpo. La contracción de un músculo esquelético requiere la acción de las tres clases funcionales de mensajeros químicos. Los movimientos voluntarios del ejercicio necesitan que las señales neurales del cerebro y la médula espinal digan a varios músculos si se tienen que contraer y en qué medida. Estas señales se producen en la forma de un neurotransmisor denominado acetilcolina. Sorprendentemente, toda la actividad muscular contráctil de nuestro organismo está controlada por esta sustancia química (o el sistema nervioso la libera y hace que se contraiga el músculo, o no se libera y se relaja el músculo). Cuanta más acetilcolina se comunique con una célula muscular deter-
minada, más se contraerá esa célula muscular. Sin embargo, los músculos no se pueden contraer sin energía. Por tanto, un músculo en contracción necesita recibir un aumento de flujo sanguíneo que le aporte oxígeno y nutrientes en grandes cantidades. Para aumentar el flujo sanguíneo, el corazón necesita bombear más rápidamente y con más fuerza. Del mismo modo, los vasos sanguíneos de los músculos necesitan dilatarse (aumentar su diámetro). El corazón recibe señales neurales y endocrinas en forma de noradrenalina y adrenalina. Responde con latidos más rápidos y más fuertes. Los vasos sanguíneos se dilatan fundamentalmente en respuesta a las señales endocrinas y paracrinas. El incremento de la hormona adrenalina y el óxido nítrico de acción paracrina hacen que se dilaten los vasos sanguíneos. Por tanto, la adrenalina
Mensajeros aminoácidos Hay cuatro aminoácidos clasificados como mensajeros químicos, porque funcionan como neurotransmisores en el cerebro y la médula espinal: glutamato, aspartato, glicina y ácido gammaaminobutírico (GABA). El glutamato, el aspartato y la glicina se encuentran entre los 20 aminoácidos (alfa-aminoácidos) que se utilizan en la síntesis de proteínas, mientras que el GABA pertenece a una clase distinta de aminoácidos (gamma-aminoácidos). Los aminoácidos son lipófobos, es decir, se disuelven en el agua, pero no atraviesan las membranas plasmáticas. Dado que los mensajeros aminoácidos funcionan solo como neurotransmisores, se describen en detalle en el capítulo 8.
Mensajeros aminas Las aminas, que son mensajeros químicos derivados de los aminoácidos, se denominan así debido a que poseen un grupo amino (— NH2). Entre las aminas se incluye un grupo de compuestos denominado catecolaminas, que contienen un grupo catecol (un anillo de seis carbonos) y se derivan del aminoácido tirosina. Entre las catecolaminas se incluyen la dopamina, la noradrenalina y la adrenalina. La dopamina y la noradrenalina funcionan principalmente como neurotransmisores, mientras que la adrenalina lo hace principalmente como una hormona. Otras aminas son el neurotransmisor serotonina, que se deriva del triptófano, las hormonas tiroideas, que se derivan de la tirosina, y la histamina paracrina, que se deriva de la histidina. La
afecta tanto al corazón como a los vasos sanguíneos durante el ejercicio. Las hormonas suelen tener más de un tipo de célula diana. La dilatación hace llegar más sangre al músculo, si bien se precisan otras señales químicas para garantizar la absorción de los nutrientes necesarios. Por ejemplo, los músculos en ejercicio tienen un mejor transporte de glucosa a las células. El mecanismo sobre el que se asienta este aumento aún no está establecido de forma definitiva, pero requiere un incremento del número de transportadores de glucosa expresados en la membrana celular del músculo. A diferencia de la mayoría de los transportadores de glucosa de la membrana celular, los que se expresan en los músculos en ejercicio no dependen de la insulina. Las teorías actuales sugieren una implicación de sustancias paracrinas, como el calcio, el óxido nítrico o la bradicinina en esta expresión.
mayoría de las aminas son lipófobas, por lo que se disuelven en el agua y no traspasan las membranas plasmáticas. Las hormonas tiroideas son una excepción: son lipófilas y, por tanto, no se disuelven en el agua, aunque traspasan fácilmente las membranas plasmáticas.
Mensajeros péptido/proteína La mayoría de los mensajeros químicos son polipéptidos, cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Estos mensajeros se clasifican como péptidos o proteínas en función de su tamaño, que varía de forma considerable, desde solo dos aminoácidos a más de 100. El término péptido normalmente hace referencia a cadenas de menos de 50 aminoácidos, mientras que las proteínas son cadenas más largas de aminoácidos. Los polipéptidos son lipófobos y, por tanto, se disuelven en el agua, pero no pueden traspasar las membranas plasmáticas.
Mensajeros esteroideos Los esteroides son una clase de compuestos derivados del colesterol. Todos los mensajeros esteroideos del organismo funcionan como hormonas. Recuerda del capítulo 2 que el colesterol es un lípido con una estructura característica de anillo de cuatro elementos. Dado que los esteroides se derivan del colesterol, que es lipófilo, también son lipófilos, atraviesan con facilidad las membranas plasmáticas y no son solubles en el agua.
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Mensajeros químicos
Mensajeros eicosanoides Entre los eicosanoides se incluye una gran variedad de sustancias paracrinas producidas por casi todas las células del organismo. La mayoría de los eicosanoides se derivan del ácido araquidónico, un ácido graso de 20 carbonos que se encuentra en varios fosfolípidos de la membrana plasmática. Dado que los eicosanoides son lípidos, traspasan con facilidad la membrana plasmática y no son solubles en el agua. Entre los eicosanoides se incluyen las siguientes familias de compuestos relacionados químicamente: prostaglandinas, leucotrienos y tromboxanos.
COOH HO
CH2
C
NH2
Tirosina
H Tirosina -hidroxilasa OH
COOH CH2
HO
C
NH2
L-Dihidroxifenilalanina
(L-dopa) H
Test rápido 5.1 1. Nombra las tres clases funcionales de mensajeros. ¿Qué mensajeros transporta la sangre hasta las células diana? 2. Nombra las cinco clases químicas de mensajeros. ¿Cuáles son lipófobos y cuáles lipófilos? 3. ¿Qué clase química de mensajero deriva del colesterol? ¿A qué clase funcional pertenecen estos mensajeros?
Grupo catecol OH HO
CH2
Aminas Todas las aminas derivan de los aminoácidos, y todas excepto las hormonas tiroideas se sintetizan en el citosol mediante una serie de reacciones catalizadas por enzimas (la síntesis y liberación de las hormonas tiroideas se describe en el capítulo 21). El tipo de amina que se produce depende de las enzimas presentes en una célula determinada. La figura 5.3 muestra la vía de síntesis de las catecolaminas, que se derivan del aminoácido tirosina. Ten presente que en esta ruta la dopamina es el precursor de la noradrenalina, que, a su vez, sirve como precursor de la adrenalina. Dado que la dopamina es un precursor de las otras catecolaminas, todas las
NH2
Dopamina
OH HO
CH
CH2
NH2
Noradrenalina
OH Feniletanolamina N-metiltransferasa (PNMT)
Aminoácidos Aunque los aminoácidos se pueden obtener de la dieta, los cuatro aminoácidos que funcionan como neurotransmisores se deben sintetizar dentro de la neurona que los segregará. El glutamato y el aspartato se sintetizan a partir de la glucosa a través de una serie de reacciones de tres pasos. En primer lugar, la glucosa se cataboliza en ácido pirúvico mediante glucólisis. Después, el ácido pirúvico se convierte en acetil-CoA, que entra en el ciclo de Krebs. Finalmente, los grupos aminos se añaden a determinados intermediarios del ciclo de Krebs para formar glutamato o aspartato. La glicina se sintetiza a partir de un intermediario glucolítico, 3-fosfoglicerato, en una serie de cuatro reacciones. El GABA se sintetiza a partir del glutamato en una reacción única catalizada por la enzima descarboxilasa del ácido glutámico. Después de la síntesis en el citosol, los neurotransmisores aminoácidos se transportan en vesículas, donde se almacenan hasta que son liberados mediante exocitosis.
CH2
Dopamina -hidroxilasa
Síntesis y liberación de mensajeros químicos Las rutas sintéticas generales y los mecanismos de liberación para mensajeros químicos son similares dentro de una clase química. En esta sección examinaremos la síntesis y liberación de cada clase de mensajero.
Dopa decarboxilasa
OH HO
CH
CH2
NH
CH3
Adrenalina
OH
FIGURA 5.3 Síntesis de la catecolamina. Las catecolaminas se sintetizan a partir del aminoácido tirosina mediante una secuencia de reacciones catalizadas por enzimas en la que una catecolamina funciona como precursora de la siguiente. Se resaltan los nombres de las catecolaminas que funcionan como mensajeros.
P ¿Qué grupo químico se elimina de la -dopa para formar dopamina? L
células que segregan catecolaminas poseen las dos enzimas que catalizan su síntesis: tirosina B-hidroxilasa y dopa descarboxilasa. En función de la catecolamina que segregue, una célula puede o no puede poseer enzimas para los pasos restantes. Por tanto, las células que segregan dopamina carecen de las enzimas necesarias para los dos pasos finales. Las que segregan noradrenalina y adrenalina contienen la enzima dopamina B-hidroxilasa, mientras que las que segregan adrenalina contienen una enzima adicional: la feniletanolamina N-metiltransferasa (PNMT). Después de la síntesis, las aminas se empaquetan en vesículas citosólicas, donde se almacenan hasta que se desencadena su liberación. La síntesis de noradrenalina y adrenalina se completa realmente dentro de las vesículas, donde se localizan la dopamina B-hidroxilasa y la PNMT. La liberación se produce mediante exocitosis.
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Mensajeros químicos
Retículo endoplásmico rugoso Aparato de Golgi
mARN 1 Polipéptido
Prepropéptido
Propéptido 5
Propéptido
6
4
Propéptido 3
2
Péptido
Vesícula secretora
Aminoácidos cortados
Aminoácidos cortados
Vesícula de transporte
Retículo endoplásmico liso
Prepropéptido
Péptido
Propéptido
Aminoácidos cortados
Aminoácidos cortados (a) Síntesis de péptidos
Preprohormona
Prohormona Aminoácidos cortados
Hormona Aminoácidos cortados
(b) Esquema generalizado de la síntesis de hormonas
Hormona preproparatiroidea (115 aminoácidos)
Hormona proparatiroidea (90 aminoácidos) 25 aminoácidos cortados
Hormona paratiroidea (84 aminoácidos) 6 aminoácidos cortados
(c) Síntesis de la hormona paratiroidea
FIGURA 5.4 Síntesis y liberación de péptidos. (a) Los pasos de la síntesis de péptidos. Véase el texto para obtener una descripción detallada. (b) Los pasos generales de la síntesis de hormonas peptídicas. (c) Ejemplo específico de modificación de la hormona preproparatiroidea, que contiene 115 aminoácidos, hasta la hormona paratiroidea activa, que contiene 84 aminoácidos.
Péptidos y proteínas Los péptidos y las proteínas se sintetizan de la misma forma que otras proteínas destinadas para la secreción, como se describe en el capítulo 2. Dicho brevemente, el mARN citosólico sirve como la plantilla que codifica la secuencia de aminoácidos en el péptido o la proteína. La traducción de este mARN comienza en los ribosomas libres del citosol. Los pasos siguientes, mostrados en la figura 5.4a con un péptido para este ejemplo, son los siguientes: ➀ Una vez que comienza la traducción, el ribosoma se adhiere al retículo endoplásmico rugoso, donde se produce el resto de la traducción. El polipéptido se forma dentro de la luz del retículo endoplásmico rugoso, primero como un prepropéptido. ➁ En la luz del retículo endoplásmico, las enzimas proteolíticas separan algunos aminoácidos del preptopéptido, dando lugar al propéptido.
➂ En el retículo endoplásmico liso, el propéptido se empaqueta en vesículas de transporte. ➃ Las vesículas transportan el propéptido al aparato de Golgi. ➄ En el aparato de Golgi, el propéptido se empaqueta en una vesícula secretora para almacenamiento hasta que la liberación se desencadena. Las enzimas proteólicas separan más aminoácidos en el aparato de Golgi o en la vesícula secretora para dar el producto final, un péptido. ➅ La liberación se produce mediante exocitosis. Normalmente, los fragmentos peptídicos generados mediante proteólisis se liberan junto con el mensajero primario y pueden o no ejercer sus propios efectos biológicos. La figura 5.4c muestra un ejemplo esquemático de la síntesis de una hormona proteica (en este caso, la hormona paratiroidea).
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Colesterol
Fosfolípido de membrana
Producto intermedio no activo
Progesterona
Fosfolipasa A2
COOH Producto intermedio no activo
Producto intermedio no activo
Producto intermedio no activo
Producto intermedio no activo
Producto intermedio no activo
Corticosterona
Dehidroepiandrosterona
Cortisol
Aldosterona
Ácido araquidónico
Ruta ciclooxigenasa
Prostaglandinas Prostaciclinas Tromboxanos
Androstenodiona
Ruta lipooxigenasa
Leucotrienos
FIGURA 5.6 Síntesis de eicosanoides. La fosfolipasa A2 cataliza la Testosterona
Estrona
Dihidrotestosterona
Estradiol
conversión de un fosfolípido de membrana en ácido araquidónico, el precursor de todos los eicosanoides. El ácido araquidónico se convierte en eicosanoides a través de dos rutas: la ruta dependiente de la ciclooxigenasa lleva a la producción de prostaglandinas, prostaciclinas y tromboxanos, mientras que la ruta dependiente de lipooxigenasa lleva a la producción de leucotrienos.
Estriol
FIGURA 5.5 Ruta sintética para los esteroides. Cada flecha indica una reacción catalizada por enzimas; las cajas verdes indican hormonas producidas en la corteza suprarrenal; las cajas azules indican hormonas sexuales masculinas; las cajas naranjas indican hormonas sexuales femeninas.
Esteroides Los mensajeros esteroideos se sintetizan del colesterol en una serie de reacciones (fig. 5.5) catalizadas por enzimas ubicadas en el retículo endoplásmico liso o la mitocondria. Como resultado, la molécula de colesterol se modifica ligeramente, pero su estructura básica de anillo permanece intacta, así como su carácter lipófilo. Por consiguiente, todos los esteroides son capaces de traspasar la membrana plasmática. Como pueden permear la membrana, los esteroides no se pueden almacenar antes de liberarse y, por el contrario, salen de la célula hacia el líquido intersticial mediante difusión tan pronto como se sintetizan. Por tanto, aunque los leucocitos que segregan péptidos o aminas pueden sintetizar mensajeros con anterioridad y almacenarlos en vesículas para liberarlos a petición, las hormonas esteroideas se sintetizan a demanda y se liberan inmediatamente.
Comprueba tus conocimientos Utiliza la figura 5.5 para explicar la forma en que determinadas hormonas sexuales masculinas son necesarias para la síntesis de determinadas hormonas sexuales femeninas.
Eicosanoides Al igual que los esteroides, los eicosanoides se sintetizan a demanda y se liberan inmediatamente, porque son lipófilos y
capaces de traspasar las membranas con facilidad. El primer paso en la síntesis de eicosanoides (fig. 5.6) comprende una enzima denominada fosfolipasa A2, que se activa como respuesta a señales químicas de varios tipos (paracrinas, hormonas, neurotransmisores, e incluso sustancias químicas extrañas). Cuando está activa, esta enzima cataliza la liberación del ácido araquidónico desde los fosfolípidos de membrana. Una vez que se libera el ácido araquidónico de la membrana, el producto final depende del complemento de enzimas presentes en la célula determinada. Para convertirse en un eicosanoide, una molécula de ácido araquidónico se une, en primer lugar, a una de estas dos enzimas: ciclooxigenasa o lipooxigenasa. La ciclooxigenasa es la primera enzima de una serie de reacciones denominada ruta de la ciclooxigenasa, que conduce a la síntesis de prostaciclinas, prostaglandinas y tromboxanos. Las prostaciclinas y los tromboxanos resultan importantes en la coagulación de la sangre. Las prostaglandinas están involucradas en varios sistemas, entre los que se incluye la respuesta inflamatoria (descrita en el capítulo 23). La lipooxigenasa es la primera enzima de una serie de reacciones denominada ruta de la lipooxigenasa, que conduce a la síntesis de leucotrienos, los cuales también contribuyen a la respuesta inflamatoria. Debido a la función de los eicosanoides en la inflamación, muchos fármacos antiinflamatorios, como el ácido acetilsalicílico, actúan sobre las enzimas involucradas en la síntesis de eicosanoides. Mediante la inhibición de la actividad de la enzima ciclooxigenasa, el ácido acetilsalicílico no solo disminuye la inflamación, sino también la coagulación de la sangre. Es precisamente este efecto el que ha hecho que los médicos prescriban bajas dosis de este fármaco a los pacientes propensos a un infarto o derrame cerebral, que pueden resultar provocados por coágulos de sangre en las arterias coronarias y cerebrales respecti-
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CONEXIONES CLÍNICAS
Desde el ácido acetilsalicílico a los inhibidores de COX-2 El ácido acetilsalicílico es uno de los numerosos fármacos antiinflamatorios no esteroideos (AINE) que alivian el dolor mediante la disminución de la producción de determinadas prostaglandinas (PG), eicosanoides que provocan dolor e inflamación. Una enzima fundamental en la síntesis de las PG es la ciclooxigenasa (COX). A comienzos de la década de los noventa, se identificaron dos formas de COX: COX-1 y COX-2. La COX-1, siempre presente en el organismo, normalmente está asociada a la síntesis de las PG necesarias para mantener la homeostasis. Por el contrario, la COX-2 se activa en presencia de sustancias químicas liberadas al producirse daños en los tejidos e infecciones, y conduce a la producción de PG asociadas al dolor y la inflamación. El ácido acetilsalicílico inhibe de forma no selectiva la actividad de las dos formas de COX. La inhibición de la COX-2 es la que consigue el alivio del dolor. Aunque el ácido acetilsalicílico se utiliza para tratar el dolor, la inflamación y la fiebre, la inhibición de COX-1, por su parte, provoca varios efectos secundarios (algunos favorables y otros no). El ácido acetilsalicílico disminuye la producción de tromboxano A2, sustancia química que interviene en la formación de
coágulos sanguíneos. Sin embargo, a mayores dosis, el ácido acetilsalicílico también reduce la producción de PGI2 (prostaciclina), una sustancia química que inhibe la producción de coágulos sanguíneos. Por tanto, los médicos a menudo prescriben 82 mg de ácido acetilsalicílico (infantil) para evitar la formación de coágulos sanguíneos que puedan provocar infartos o derrames cerebrales, mientras que normalmente se usan 350 mg de ácido acetilsalicílico para tratar el dolor (esta dosis puede provocar un coágulo). Además, el ácido acetilsalicílico inhibe la producción de PGE2 en el estómago, que indirectamente protege la película de este órgano de los ácidos. Por tanto, entre los principales efectos secundarios del ácido acetilsalicílico se encuentran las úlceras y las hemorragias gástricas. En la búsqueda de analgésicos, las compañías farmacéuticas han desarrollado fármacos que inhiben de forma selectiva la COX-2 para tratar el dolor crónico y las enfermedades inflamatorias, como la artritis. Las principales ventajas de los inhibidores de COX-2 (como rofecoxib o celecoxib) consisten en que no inhiben la producción de PGE2, por lo que provocan menos daño en la película del estómago que el ácido acetilsalicílico. Desafortunada-
vamente (v. «Conexiones clínicas: Desde el ácido acetilsalicílico a los inhibidores de COX-2»).
Transporte de mensajeros Una vez liberado, un mensajero debe primero alcanzar y después unirse a receptores de la célula diana para que se transmita la señal. En muchos casos, el mensajero se libera de una célula que se encuentra cerca de la célula diana, de forma que alcanza el receptor mediante difusión simple. Esto se aplica a las sustancias paracrinas y los neurotransmisores. Normalmente, estos mensajeros se degradan rápidamente en el líquido intersticial y se vuelven inactivos, lo que minimiza la expansión de sus señales. Sin embargo, las hormonas se transportan en la sangre, de forma que tienen acceso a la mayoría de las células del organismo. La sangre puede transportar las hormonas disueltas o unidas a proteínas transportadoras. Para transportarlas en forma disuelta, el mensajero debe ser hidrófilo (fig. 5.7a). Normalmente se transportan de esta manera los péptidos y las aminas (excepto
mente, los inhibidores de COX-2 producen efectos secundarios graves por sí mismos. Por motivos que no se comprenden, estos fármacos parecen aumentar el riesgo de infarto y derrame cerebral en individuos susceptibles a las enfermedades cardiovasculares. Desgraciadamente, debemos seguir buscando el «ácido acetilsalicílico perfecto».
Célula endocrina
Célula endocrina
Segregada por exocitosis
Segregada por difusión
Hormona libre (<1%)
Vaso sanguíneo Mensajero disuelto (a) Mensajero hidrófilo
Unida a proteínas portadoras (>99%) (b) Mensajero hidrófobo
FIGURA 5.7 Transporte de mensajeros en la sangre. (a) Los mensajeros hidrófilos se segregan mediante exocitosis, entran en el torrente sanguíneo y se disuelven en el plasma. (b) Los mensajeros hidrófobos se segregan mediante difusión simple y después se introducen en el torrente sanguíneo. La mayoría de las moléculas mensajeras se transportan unidas a las proteínas transportadoras. Solo la pequeña cantidad de hormonas libres del plasma está disponible de forma inmediata para unirse a los receptores de las células diana.
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las hormonas tiroideas). Puesto que los esteroides y las hormonas tiroideas son hidrófobas y no se disuelven bien en la sangre, estas hormonas se transportan principalmente unidas a proteínas transportadoras (fig. 5.7b). Aunque la mayoría de las catecolaminas que funcionan como hormonas son hidrófilas y se transportan disueltas, algunas están unidas a proteínas transportadoras. Algunas proteínas transportadoras son específicas para una hormona determinada. Un ejemplo es la globulina de unión a corticoesteroide, que transporta la hormona esteroidea cortisol. Otras proteínas transportadoras, como la albúmina, no son específicas y pueden transportar muchas hormonas diferentes. Aunque las hormonas hidrófobas se transportan fundamentalmente en forma ligada, una determinada fracción de las moléculas de la hormona se disuelve en el plasma (normalmente menos del 1%). Para cada una de esas hormonas, se desarrolla un equilibrio entre la cantidad de hormona unida a una proteína transportadora (Pr) en la forma de un complejo (H-Pr) y la cantidad de hormona libre (H) que se disuelve en el plasma:
Receptor C Mensajero 1
Mensajero 2
Receptor A Célula diana para el mensajero 2
Célula diana para el mensajero 1 Receptor B
FIGURA 5.8 Especificidad del receptor. El receptor A es específico del mensajero 1, el receptor C es específico del mensajero 2 y ninguno de los mensajeros se puede unir al receptor B. Ten en cuenta que los mensajeros se pueden situar en la membrana plasmática (receptores A y B) o dentro de la célula (receptor C). Si el mensajero 2 se va a unir al receptor C (situado dentro de la célula P diana), debe atravesar su membrana plasmática. ¿Qué propiedad química debe poseer el mensajero 2 para permitir la entrada a la célula?
H-Pr s H + Pr Solo la hormona libre está disponible para unirse a receptores en las células diana. Sin embargo, una vez que la hormona se une, se elimina de la sangre, y el equilibrio entre la hormona unida y la libre se mueve hacia la derecha, haciendo que las proteínas transportadoras liberen más hormonas. De la misma forma, la secreción de hormonas en la sangre hace que el equilibrio se desplace hacia la izquierda, de forma que más hormonas se unan a las proteínas transportadoras. Una vez en el flujo sanguíneo, las hormonas se degradarán en última instancia. El tiempo que una hormona permanece en la sangre se mide en términos de semivida, el tiempo que tarda la mitad de la hormona en degradarse en la sangre. Normalmente, el hígado degrada y los riñones excretan los mensajeros transportados en la sangre. Las hormonas presentes en forma disuelta tienen semividas relativamente cortas, normalmente de minutos. Sin embargo, las hormonas unidas a las proteínas portadoras están protegidas de la degradación y tienen mayores semividas, normalmente de horas.
Test rápido 5.2 1. Nombra las tres catecolaminas. ¿Qué aminoácido es el precursor de las catecolaminas? ¿Qué catecolamina funciona normalmente como una hormona? 2. ¿Cómo se llama el ácido graso de los fosfolípidos de membrana que se libera por acción de la fosfolipasa A2? ¿Qué clase de mensajeros químicos produce este ácido graso? 3. ¿Qué clase(s) química(s) de hormona se transporta(n) en la sangre unida(s) a proteínas portadoras? ¿Aumenta o disminuye normalmente dicha unión la semivida de una hormona?
Mecanismos de transducción de señales Los mensajeros químicos transmiten sus señales mediante la unión a receptores de células diana situadas en la membrana plasmática, en el citosol o en el núcleo. La ubicación del receptor depende de si el mensajero es lipófilo o lipófobo. En cual-
quier caso, la unión del mensajero al receptor cambia la actividad de las proteínas (por ejemplo, las enzimas) ya presentes en la célula o estimula la síntesis de nuevas proteínas. Esta sección describe las propiedades de los receptores y los diferentes mecanismos de transducción de señales que estos ponen en movimiento.
Propiedades de los receptores Los receptores muestran especificidad por el mensajero, es decir, normalmente se unen solo a un mensajero o una clase de mensajeros. Observa que en la figura 5.8, el mensajero 1 se puede unir al receptor A, pero no a los receptores B o C. Por tanto, solo la célula A es una célula diana para el mensajero 1. De igual forma, la célula C es la célula diana para el mensajero 2. La unión entre un mensajero y un receptor es una interacción breve y reversible, similar a las interacciones enzima-sustrato descritas en el capítulo 3. La fuerza de la unión entre un mensajero y su receptor se denomina afinidad. A menudo un solo mensajero se puede unir a más de un tipo de receptor y estos receptores pueden tener afinidades diferentes para el mensajero. Por ejemplo, los mensajeros químicos de tipo catecolamina, adrenalina y noradrenalina, se pueden unir ambos a receptores adrenérgicos. Existen varios tipos diferentes de receptores adrenérgicos alfa (A) y beta (B), entre los que se incluyen los receptores A1, A2, B1, B2 y B3. Los receptores A tienen una mayor afinidad por la noradrenalina que por la adrenalina, lo que significa que si la noradrenalina y la adrenalina están presentes en concentraciones iguales, un receptor A determinado tiene mayor probabilidad de unirse a la noradrenalina que a la adrenalina. Por el contrario, los receptores B2 tienen una mayor afinidad por la adrenalina que por la noradrenalina. Los receptores B1 y B3 tienen aproximadamente las mismas afinidades por la noradrenalina y la adrenalina. Una célula diana puede tener receptores para más de un tipo de mensajero. Por ejemplo, las células de los músculos esqueléticos tienen receptores para el neurotransmisor acetilcolina y la hormona insulina. Los receptores de la acetilcolina participan directamente en la estimulación de la contracción de los músculos, mientras que los receptores de la insulina están involucra-
Mensajeros químicos
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Unión 2R 100%
100
Concentración del mensajero [M]
Número de receptores unidos
Porcentaje de receptores unidos
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Unión R 100%
FIGURA 5.9 Efecto de la concentración del mensajero en la unión mensajero-receptor. La proporción de receptores unidos aumenta a medida que la concentración de mensajeros aumenta. Dado que la cantidad de receptores unidos determina la magnitud de la respuesta de la célula diana, el eje y podría etiquetarse también como «respuesta de la célula diana».
Relación entre la unión al receptor y la magnitud de la respuesta de la célula diana Como regla general, la magnitud de la respuesta de una célula diana a un mensajero químico depende de tres factores: 1) la concentración del mensajero; 2) el número de receptores presentes, y 3) la afinidad del receptor por el mensajero. La respuesta de una célula diana normalmente aumenta a medida que la concentración del mensajero aumenta. Esto es consecuencia del hecho de que los mensajeros normalmente ejercen sus efectos mediante la unión reversible a receptores de células diana, como se muestra en la siguiente reacción: M + R s MR r respuesta donde M es el mensajero, R es el receptor y M-R es el complejo mensajero-receptor. A medida que aumenta la concentración del mensajero, la reacción se desplaza hacia la derecha. La relación entre la concentración del mensajero y el número de receptores unidos se muestra en la figura 5.9. A medida que aumenta la concentración del mensajero, aumenta la proporción de receptores unidos hasta que todos los receptores tengan mensajeros unidos a ellos (el 100% en la fig. 5.9), condiciones en las que se dice que el sistema está 100% saturado. Asimismo, la respuesta de la célula diana depende del número de receptores que posee. Cuantos más receptores hay (cuanto mayor es la densidad), resultará más probable que un mensajero se una a un receptor (fig. 5.10a). Esto significa que, a cualquier concentración de mensajero dada, el número de receptores unidos será mayor cuando haya más receptores presentes y la respuesta será mayor. El número de receptores que posee una célula diana puede variar en diferentes circunstancias como resultado de la síntesis de nuevos receptores o el recambio de los antiguos. La regulación al alza, un aumento del número de receptores comparado con las condiciones normales, se produce cuando las células están expuestas a bajas concentraciones de mensajeros durante un período prolongado. Mediante la producción de más recep-
(a) Efectos de la concentración del receptor
Alta afinidad por el mensajero Porcentaje de receptores unidos
dos en la estimulación de la captación y el metabolismo de glucosa en la célula muscular.
Concentración del mensajero [M]
100
Baja afinidad por el mensajero 50
Baja [M] Más alta [M] Concentración del mensajero [M] (b) Efectos de la afinidad del receptor
FIGURA 5.10 Efectos de la concentración del receptor y la afinidad en la unión mensajero-receptor. (a) Efectos de la densidad del receptor. Las dos curvas ilustran los efectos de doblar la concentración de un determinado receptor en una célula diana. R hace referencia a una concentración dada del receptor; 2R hace referencia al doble de esa concentración de ese receptor. Cuando la concentración del receptor se duplica, el número máximo de receptores que se pueden unir al mensajero también se duplica. (b) Efectos de la afinidad del receptor. Las dos curvas ilustran los efectos de la afinidad del receptor en la proporción de receptores con un mensajero unido a ellos. A cualquier concentración de mensajero inferior al 100% de saturación, una mayor proporción de receptores de alta afinidad tienen un mensajero unido comparado con los receptores de baja afinidad. Los receptores de alta afinidad alcanzan la saturación a una concentración inferior del mensajero que los receptores de baja afinidad. Ten en cuenta que el máximo número de sitios que se pueden unir es independiente de la afinidad del receptor.
tores, las células diana se adaptan a la carencia relativa de mensajeros, haciéndose más receptivas a ellos. La regulación a la baja, una disminución del número de receptores, se produce cuando las concentraciones de mensajeros son mayores de lo normal durante un período prolongado. En este caso, las células diana se adaptan, produciendo menos receptores y haciéndose menos receptivas al mensajero. Asimismo, la respuesta de la célula diana depende de la afinidad de sus receptores por el mensajero. Cuando un mensajero está
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Mensajeros químicos
presente en una concentración dada, resulta más probable que se unan los receptores con mayor afinidad que los receptores con menor afinidad, como se muestra en la figura 5.10b. Por consiguiente, las células diana que poseen receptores con mayor afinidad responderán con más fuerza a un mensajero dado, siendo todo lo demás igual.
Agonistas y antagonistas del receptor
Mensajero lipófilo
Líquido extracelular
Difusión
1a
Núcleo
1b
Célula diana
ADN
5
Receptor nuclear
Receptor citoplásmico
Proteínas 4 3
Ribosoma
Aunque la unión al receptor desencamRNA 2 dena siempre las respuestas de la célumARN Complejo la diana, no resulta cierto que la unión Elemento de hormonarespuesta a al receptor siempre desencadene una Envoltura nuclear receptor hormonas respuesta. Entre otras cosas, depende (HRE) Poro nuclear de la naturaleza del ligando que se une a los receptores. Los ligandos que se unen a los receptores y producen una FIGURA 5.11 Acciones de las hormonas lipófilas en la célula diana. Véase el texto para obtener una respuesta biológica se denominan agodescripción detallada. nistas, mientras que los antagonistas son ligandos que se unen a los receptores, pero que no producen una respuesta. Por el contrario, los antagonistas pueden competir reallidad por la membrana plasmática. La unión del mensajero con mente con los agonistas por el receptor, disminuyendo la el receptor modifica la síntesis de una proteína específica (o proprobabilidad de que se produzca la unión de un agonista al teínas) por un mecanismo representado en la figura 5.11, que receptor y provoque una respuesta. muestra la acción de una hormona lipófila.
Comprueba tus conocimientos La figura 5.9 muestra los efectos de la concentración del mensajero en el porcentaje de receptores unidos. ¿Qué efecto tendría la adición de un antagonista al líquido extracelular sobre el porcentaje de receptores unidos al mensajero? Dibuja un gráfico que describa el porcentaje de receptores unidos en el eje y y la concentración de mensajeros en el eje x. Dibuja tres curvas que representen: 1) ningún antagonista presente; 2) una baja concentración de antagonistas, y 3) una alta concentración de antagonistas. Algunos fármacos terapéuticos y experimentales desarrollados por las compañías farmacéuticas son agonistas o antagonistas de receptores artificiales (v. «Descubrimientos: Antihistamínicos»). Por ejemplo, en condiciones de reposo, la noradrenalina que se libera de determinadas neuronas se une a los receptores alfa, provocando la constricción de los vasos sanguíneos y un aumento de la presión arterial. El fármaco fenilefrina es un alfaagonista y provoca los mismos efectos. Sin embargo, el fármaco fenoxibenzamina es un alfa-antagonista y evita que la noradrenalina se una a los receptores alfa. La fenoxibenzamina no surte efecto por sí misma, pero al bloquear el efecto de la noradrenalina, hace que la presión arterial disminuya.
Mecanismos de transducción de señales para respuestas mediadas por receptores intracelulares Los receptores para los mensajeros lipófilos normalmente están ubicados en el citosol o el núcleo de las células diana, y son fácilmente accesibles, dado que estos mensajeros se filtran con faci-
Si un receptor está situado en el núcleo, entonces la hormona difunde hacia el núcleo y se une a él, formando un complejo hormona-receptor. 1b Si un receptor está situado en el citosol, entonces la hormona se une a él allí, formando un complejo hormona-receptor que accede al núcleo con posterioridad. ➁ Dentro del núcleo, el complejo se une a una determinada región del ADN denominada elemento de respuesta a hormonas (HRE), ubicado al comienzo de un gen específico. ➂ La unión del complejo al HRE activa o desactiva el gen, el cual afecta a la transcripción de mARN y aumenta o disminuye en última instancia la síntesis de la proteína codificada por el gen. En este ejemplo, el gen se activa y la síntesis de mARN aumenta. ➃ El mARN se desplaza al citosol. ➄ Los ribosomas traducen el mARN para producir proteínas. 1a
Dado que los cambios en la síntesis de proteínas pueden tardar horas e incluso días, los efectos de los mensajeros lipófilos son normalmente lentos. Además, puesto que estas proteínas recién sintetizadas suelen permanecer en las células diana mucho tiempo después de que el mensajero se haya ido, los efectos pueden persistir durante un largo tiempo. Los efectos de los pocos mensajeros lipófilos que tienen receptores en la membrana plasmática son más rápidos y similares a los que trataremos a continuación.
Mecanismos de transducción de señales para respuestas mediadas por receptores unidos a la membrana Los mensajeros lipófobos no pueden filtrarse por la membrana plasmática a ningún nivel importante. Por tanto, sus receptores
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están ubicados en la membrana plasmática, con el lugar de unión orientado hacia el líquido extracelular. Los receptores de estos mensajeros se clasifican en tres categorías generales: receptores ligados a canales, receptores asociados a una enzima y receptores asociados a la proteína G. A continuación se describen las respuestas producidas en cada uno de los tipos de receptor.
Líquido extracelular
Mensajeros químicos
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Mensajero Receptor y canal iónico
Receptores ligados a canales Dado que la bicapa de lípidos no tiene prácticamente permeabilidad a los iones, la permeabilidad a los iones de la membrana plasmática viene determinada por la presencia de canales iónicos en ella (v. capítulo 4). Estos canales iónicos son normalmente específicos, de forma que solo un tipo o clase de iones los puede atravesar. Además, los canales iónicos son proteínas, muchas de las cuales se pueden regular entre estados abierto y cerrado. Los canales iónicos que se abren o cierran como respuesta a la unión de una sustancia química a un receptor o al canal se denominan canales regulados por ligandos. Los receptores ligados a canales son un tipo de canal regulado por ligandos en el que el ligando es un mensajero que se une a un receptor. Estos canales se clasifican en dos categorías: canales rápidos, donde el receptor y el canal son la misma proteína (como se describe a continuación), y canales lentos, donde el receptor y el canal son proteínas diferentes, pero están acoplados por un tercer tipo de proteína denominada proteína G (se describirá un poco más adelante). Los canales regulados por ligandos son proteínas que funcionan como receptores y como canales iónicos. La unión de un mensajero al receptor/canal iónico hace que el canal se abra, lo que aumenta la permeabilidad de la membrana para ese ion específico. Los canales iónicos abiertos permiten que un ion o una clase de iones determinados se muevan a través de la membrana plasmática a favor de su gradiente electroquímico. El movimiento de salida o entrada de los iones en la célula puede tener dos efectos diferentes en la célula diana: 1) los iones que entran y salen pueden cambiar las propiedades eléctricas de la célula, y 2) los iones que entran pueden interactuar con las proteínas presentes en el interior de la célula para inducir una respuesta como la contracción muscular, la secreción, el cambio en el metabolismo o el transporte modificado de una sustancia. La apertura de la mayoría de los canales iónicos provoca efectos a través del cambio de las propiedades eléctricas de la célula diana (fig. 5.12). Recuerda del capítulo 4 que existe una diferencia de potencial a través de la membrana plasmática en reposo, tal que el interior de la célula es negativo en relación con el exterior. Los iones que se mueven a través de un canal abierto llevan consigo una carga que cambia el potencial de la membrana. Por ejemplo, el neurotransmisor acetilcolina estimula la contracción de los músculos esqueléticos mediante la unión a receptores colinérgicos nicotínicos de las células de los músculos esqueléticos, provocando la apertura de los canales iónicos. Los iones sodio entran en el interior de la célula (el potasio también sale, pero en un nivel menor), dotando de carga positiva a la célula muscular. Dado que el receptor y el canal iónico son la misma molécula de proteína, estos cambios en el potencial de la membrana comienzan rápidamente, en cuestión de milisegundos. Puesto que la unión del mensajero al receptor es breve y el canal se abre solo mientras el mensajero está unido, el cambio en el potencial de la membrana a menudo termina en unos pocos milisegundos. En los capítulos 7, 8 y 12 hablaremos en detalle sobre cómo los cambios en el potencial de la membrana resultan fundamentales para el funcionamiento de las neuronas y las células musculares.
Canal cerrado
Citosol
Los iones (Na+, K+, Cl–) se mueven a través del canal abierto
Cambio en las propiedades eléctricas de la célula
FIGURA 5.12 Los canales rápidos dependientes de ligando y cómo modifican las propiedades eléctricas de las células. La unión de un mensajero al receptor/canal abre el canal iónico. La apertura de la mayoría de los canales iónicos tiene como consecuencia un movimiento de entrada o salida de iones de la célula, lo que modifica sus propiedades eléctricas.
En otros casos, los canales rápidos dependientes de ligando causan sus efectos mediante la apertura de canales de calcio (fig. 5.13). Cuando estos canales se abren, los iones calcio entran en la célula. Dependiendo de la célula diana, este calcio puede provocar una variedad de respuestas mediante la interacción con proteínas intracelulares, entre las que se incluyen la contracción muscular, la secreción de un producto mediante exocitosis y el funcionamiento como mensajero secundario —un mensajero intracelular producido por la unión de un mensajero extracelular (el mensajero primario) a un receptor—. Como mensajero secundario, el calcio se une a una proteína citosólica denominada calmodulina. El complejo calcio-calmodulina resultante normalmente activa una proteína cinasa, una enzima que cataliza la fosforilación de una proteína, modificando así su estructura y función a través de una regulación covalente. El calcio está bien adaptado a su función en la transmisión de señales intracelulares, porque normalmente está presente en concentraciones muy bajas en el citosol (10–7 a 10–6 molar), comparado con 10–3 molar en el líquido extracelular. La importancia de esta baja concentración citosólica de calcio reside en que la entrada de incluso una pequeña cantidad de calcio provoca un porcentaje de cambio relativamente grande en la concentración, lo que consigue que el sistema resulte sensible. Los niveles de calcio intracelulares se mantienen a su bajo nivel normal por medio de tres procesos que eliminan los iones de calcio del citosol: 1) transporte activo de calcio a través de la membrana plasmática; 2) secuestro de calcio mediante la unión de proteínas al citosol, y 3) transporte activo de calcio en determinados orgánulos, como el retículo endoplásmico liso y la mitocondria.
Receptores asociados a una enzima Algunas proteínas receptoras, conocidas como receptores asociados a una enzima, funcionan como enzimas y como receptores. Existen proteínas transmembranosas, que tienen el receptor orientado al líquido intersticial y el lado de la enzima hacia el citosol. Estas enzimas se activan cuando un mensajero se une al receptor, lo que les permite catalizar reacciones intracelulares.
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Mensajeros químicos
Líquido extracelular
Líquido extracelular
Mensajero 1
Canal de calcio
2
Canal cerrado
3 El calcio entra en la célula a través de un canal abierto
Como un mensajero secundario Cambio en Contracción Secreción Calmodulina las propiedades muscular eléctricas de la célula Ca-calmodulina Activa enzimas Proteína cinasa Proteína- P
Citosol
Respuesta en la célula (contracción muscular, metabolismo modificado, transporte modificado)
FIGURA 5.13 Canales de calcio rápidos dependientes de ligando. La unión de un mensajero al receptor/canal abre los canales de calcio, lo que permite a los iones calcio entrar en la célula. La entrada de calcio cambiará las propiedades eléctricas de la célula, pero el calcio también puede desencadenar una gran variedad de respuestas, como la secreción de algún producto mediante exocitosis, la contracción muscular o el cambio en la actividad de una proteína. En última instancia, el calcio actúa como un mensajero secundario, uniéndose a la proteína calmodulina para formar un complejo calcio-calmodulina. El complejo calcio-calmodulina activa una proteína cinasa, que fosforiliza una proteína que produce una respuesta en la célula.
La mayoría de los receptores asociados a una enzima son tirosina cinasas, las cuales catalizan la adición de un grupo de fosfatos a las cadenas laterales del aminoácido tirosina en determinadas ubicaciones en proteínas diana. Los acontecimientos que ocurren en los receptores tirosina cinasa son los siguientes (fig. 5.14): ➀ Un mensajero se une al receptor, modificando su conformación. ➁ El cambio en la conformación activa la tirosina cinasa. ➂ Después, la tirosina cinasa cataliza la fosforilación de una proteína intracelular. ➃ La fosforilación de la proteína cambia su actividad mediante regulación covalente, lo que origina una respuesta en la célula diana. Un mensajero que utiliza la transducción de señal de tirosina cinasa es la hormona insulina. Otros receptores asociados a una enzima son las guanilato ciclasas, que catalizan la conversión de GTP (trifosfato de guano-
Receptor tirosina cinasa (inactivo)
Proteína-Tir +
Receptor tirosina cinasa (activo) Proteína-Tir- P + ADP 4
ATP
Respuesta en la célula (modifica el metabolismo, regula la síntesis de proteínas)
Citosol
FIGURA 5.14 Un receptor ligado a enzimas. El receptor ligado a enzimas que se describe aquí es la tirosina cinasa. Véase el texto para obtener una descripción detallada.
sina) en el mensajero secundario cGMP (monofosfato de guanosina cíclico). Entonces, el cGMP activa una proteína cinasa que cataliza la fosforilación de una proteína.
Receptores asociados a la proteína G Los receptores asociados a la proteína G actúan mediante la activación de proteínas de membrana especiales denominadas proteínas G. Véase «Conexiones clínicas: Cólera y proteínas G», para conocer un ejemplo de la importancia de estas proteínas. Las proteínas G están situadas en el lado intracelular de la membrana plasmática, donde funcionan como vínculos entre el receptor asociado a la proteína G y otras proteínas de la membrana plasmática denominadas efectores. Entre los efectores se incluyen canales iónicos y enzimas. Las proteínas G, que deben su nombre a su capacidad para unir nucleótidos de guanosina, presentan tres subunidades: alfa (A), beta (B) y gamma (G). El lugar de unión de la guanosina se encuadra en la subunidad alfa. En estado inactivo, una proteína G se une al GDP (difosfato de guanosina). Cuando un mensajero se une al receptor ligado a proteínas, la proteína G libera el GDP, se une a una molécula de GTP (trifosfato de guanosina) y se vuelve activo, como se muestra en la siguiente ecuación: (mensajero-receptor) G-GDP (inactivo)
G-GTP (activo) GDP
GTP
En su estado activo, la subunidad alfa se separa de las subunidades beta y gamma, dando lugar a un dímero beta-gamma. La subunidad alfa, y en ocasiones el dímero beta-gamma, se mueve hasta los efectores, provocando un cambio en su actividad. La proteína G no permanece activa durante mucho tiempo, porque también funciona como una enzima que hidroliza el GTP, en el proceso que lo devuelve al estado inactivo: GTPasa G-GTP
G-GDP Pi
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Mensajeros químicos
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CONEXIONES CLÍNICAS
Cólera y proteínas G Las proteínas G son susceptibles de ser atacadas por varias toxinas bacterianas, como la toxina que causa el cólera. El cólera, provocado por la infección por la bacteria Vibrio cholerae, es la causa principal de muerte entre los niños pequeños en los países en vías de desarrollo. El signo principal de la enfermedad es una diarrea masiva, que puede dar como resultado la pérdida de entre 15 y 20 l de líquido corporal al día. Los efectos del cólera se derivan de una toxina que la bacteria Vibrio cholerae libera en el intestino. La toxina actúa sobre una proteína G, que sobreestimula la adenilato ciclasa. Esto es lo que ocurre (v. fig.):
Toxina del cólera Gangliósido
Na+
1
H2O
7 8 Proteína cinasa
A 5
cAMP
2
ATP
4
Célula epitelial del intestino delgado
3 Proteína G
Las proteínas G constituyen un grupo diverso, formado a partir de, al menos, 20 subunidades alfa diferentes, cinco subunidades beta diferentes y 13 subunidades gamma. En términos de funcionalidad, las proteínas G se pueden clasificar en tres tipos diferentes: 1) las que afectan a los canales iónicos; 2) proteínas G estimuladoras, y 3) proteínas G inhibidoras. Las proteínas G estimuladoras (proteínas Gs) y las proteínas G inhibidoras (proteínas Gi) están asociadas a la activación e inhibición, respectivamente, de unas enzimas denominadas enzimas amplificadoras, que catalizan la producción de mensajeros secundarios en el líquido intracelular. (Existen otros tipos de enzimas amplificadoras en las células, pero no las trataremos aquí.) A continuación se tratarán las funciones de algunos tipos diferentes de proteínas G. Los canales iónicos lentos dependientes de ligando están regulados por proteínas G, lo que hace que los canales se abran
Cl–
6
➀ La toxina del cólera se une a un gangliósido de la membrana (fosfolípido con residuos de hidratos de carbono adheridos) en células secretoras del intestino delgado. ➁ Una subunidad de la toxina se introduce en la célula, lo que provoca la activación mantenida de una proteína G. ➂ Esta proteína G activa la adenilato ciclasa. ➃ La adenilato ciclasa cataliza la formación de cAMP. ➄ El cAMP activa las proteínas cinasas. ➅ La fosforilación de proteínas estimula la secreción de iones cloruro. ➆ La salida de iones cloruro con carga negativa de la célula se acompaña de la salida de iones sodio con carga positiva. ➇ El agua sigue a los electrólitos hacia la luz del intestino delgado por ósmosis, lo que provoca una diarrea grave. Aunque se ha controlado el cólera en los países desarrollados durante casi un siglo, siguen produciéndose brotes de cólera en países cuyas políticas o fondos de sanidad pública son inadecuados. En 2008-2009, una epidemia de cólera golpeó a Zimbabue, afectando a más de 30.000 individuos y provocando 1.500 muertes. Los ciudadanos de Zimbabue, que carecían de depuradoras de agua suficientes, obtenían agua de arroyos contaminados con aguas fecales. El Vibrio cholerae normalmente se transmite a través de las heces de individuos infectados.
Luz del intestino delgado
A B
Adenilato ciclasa Espacio intersticial Vaso sanguíneo
o cierren en respuesta a un mensajero que se une a su receptor (fig. 5.15). Cuando la proteína G se activa, la subunidad alfa se mueve hasta el canal de iones, lo que provoca un cambio en la conformación, que hace que se abra o cierre. Estos canales ejercen efectos similares a los ejercidos por canales regulados por ligandos, pero existen dos diferencias importantes entre estas dos clases de canales: 1) en los canales rápidos dependientes de ligando, la unión del mensajero a los receptores ligados a canales solo abre el canal, de forma que aumenta la permeabilidad de la célula diana para el ion específico. Por el contrario, los canales de iones ligados a proteínas G pueden abrirse o cerrarse por la unión del mensajero al receptor; 2) la unión de un mensajero a receptores ligados a canales produce una respuesta inmediata y breve en la célula diana. Por el contrario, los canales de iones ligados a proteínas G son lentos a la hora de abrirse y cerrarse en respuesta a la unión al receptor y permane-
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Mensajeros químicos
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Líquido extracelular
Mensajero 1
GDP
Receptor
3
2
Proteína G
GTP
GDP GTP
Los iones entran o salen de la célula
Cambio en las propiedades eléctricas de la célula
Citosol
FIGURA 5.15 Acción de una proteína G en una canal de ion lento dependiente de ligando. ➀ La unión del mensajero al receptor activa la proteína G. ➁ La subunidad alfa se mueve a un canal iónico en la membrana. ➂ El canal iónico se abre o cierra, modificando la permeabilidad de la membrana a un ion específico. El movimiento de los iones a través de la membrana plasmática se modifica, lo que cambia las propiedades eléctricas de la célula.
cen abiertos o cerrados durante largos períodos, a menudo minutos. Las enzimas reguladas por la proteína G están asociadas a la producción de mensajeros secundarios en el citosol. Cinco mensajeros secundarios principales son responsables de la mayoría de la comunicación a través de enzimas reguladas por la proteína G: 1) cAMP (monofosfato de adenosina cíclico); 2) cGMP; 3) inositol trifosfato; 4) diacilglicerol, y 5) calcio. Los sistemas de mensajeros secundarios descritos a continuación se resumen en la tabla 5.3. Sistema de mensajero secundario cAMP Los mecanismos de acción de cAMP, el mensajero secundario más común, son los siguientes (fig. 5.16):
➀ El mensajero primario se une al receptor, activando una proteína Gs. (Algunos mensajeros inhiben el sistema de mensajero secundario cAMP mediante la activación de una proteína Gi, que no se muestra en la figura.) ➁ La proteína G libera la subunidad alfa, que se une y activa la enzima adenilato ciclasa. ➂ La adenilato ciclasa cataliza la conversión de ATP en cAMP. ➃ El cAMP activa la proteína cinasa A, también denominada proteína cinasa dependiente de cAMP. ➄ La proteína cinasa cataliza la transferencia de un grupo de fosfatos desde el ATP a una proteína, modificando así su actividad. ➅ La actividad de la proteína modificada provoca una respuesta en la célula. La terminación de las acciones del cAMP precisa que la enzima cAMP fosfodiesterasa lo degrade. Para que terminen las acciones de la proteína fosforilada, se debe eliminar el grupo de fosfatos de la proteína mediante una reacción química. Las enzimas que desfosforilan una proteína se denominan fosfoproteínas fosfatasas. La concentración de cAMP en una célula está determinada por los niveles relativos de síntesis y degradación. Cuando la síntesis resulta más rápida que la descomposición, la concentración aumenta. Cuando la degradación supera a la síntesis, la concentración disminuye. Dado que las concentraciones intracelulares de cAMP están determinadas por las concentraciones de dos enzimas competidoras (una que lo sintetiza y otra que lo degrada), los efectos de la estimulación de una enzima pueden imitarse mediante la inhibición de la otra.
Comprueba tus conocimientos Varios fármacos, entre los que se incluye la cafeína, inhiben la enzima cAMP fosfodiesterasa. ¿Qué efecto tienen estos fármacos en los niveles de cAMP? El cAMP tiene muchos efectos sobre el organismo, entre los que se incluyen un aumento de la frecuencia cardíaca y la fuerza de la contracción. ¿Qué efecto tiene la cafeína sobre la frecuencia cardíaca y la fuerza de la contracción? Explícalo.
TABLA 5.3 Sistemas de mensajero secundario Segundo mensajero
Precursor
Enzima amplificadora
Acción habitual
Monofosfato de adenosina cíclico (cAMP)
ATP
Adenilato ciclasa
Activa la proteína cinasa A
Adrenalina, vasopresina, ACTH, glucagón
Monofosfato de guanosina cíclico (cGMP)
GTP
Guanilato ciclasa
Activa la proteína cinasa G
Péptido natriurético auricular, endotelinas
Diacilglicerol (DAG)
Inositol-4, 5-bifosfato (PIP2)
Fosfolipasa C
Activa la proteína cinasa C
Angiotensina II, histamina, vasopresina
Inositol trifosfato (IP3)
Inositol-4, 5-bifosfato (PIP2)
Fosfolipasa C
Estimula la liberación de calcio a partir de almacenes intercelulares
Angiotensina II, histamina, vasopresina
Calcio*
Ninguno
Ninguno
Se une a la calmodulina y activa una proteína cinasa
Angiotensina II, histamina, vasopresina
*El calcio aumenta en el citosol como respuesta a la apertura de canales iónicos de la membrana plasmática o de determinados orgánulos.
Ejemplos de primeros mensajeros en el sistema
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Líquido extracelular Mensajero Adenilato ciclasa
1 Receptor
GDP
2
3
GTP
Proteína G
GDP GTP
cAMP Activa
4
ATP
Proteína cinasa A 5 Proteína + ATP
Proteína- P + ADP 6
Citosol
Respuesta en la célula
FIGURA 5.16 El sistema de mensajero secundario del cAMP. Véase el texto para obtener una descripción detallada.
Sistema de mensajero secundario cGMP Anteriormente ya comentamos que el cGMP es un producto de un receptor asociado a una enzima, la guanilato ciclasa. La guanilato ciclasa está asociada más comúnmente a las proteínas G, en cuyo caso el sistema de mensajero secundario cGMP resulta similar al cAMP, pero activa la proteína cinasa G, también denominada proteína cinasa dependiente de cGMP.
➀ El mensajero se une a su receptor, activando una proteína G. ➁ La proteína G libera la subunidad alfa, que se une y activa la enzima fosfolipasa C. ➂ La fosfolipasa C cataliza la conversión de PIP2 en DAG e IP3, cada uno de los cuales funciona como un mensajero secundario. 4a El DAG permanece en la membrana y activa la enzima proteína cinasa C. 5a La proteína cinasa C cataliza la fosforilación de una proteína. 6a La proteína fosforilada provoca una respuesta en la célula.
Líquido extracelular
Mensajero 1
Receptor
Fosfolipasa C
3
GDP
2
Proteína G
PIP2
GTP
4a
DAG Proteína cinasa C
IP3 5b
5a
GDP GTP
ATP + proteína
6c Calmodulina 6b Luz del retículo endoplásmico
Proteína cinasa
ADP + proteína- P 6a Respuesta en la célula
Respuesta en la célula (contracción, secreción)
Proteína- P Membrana del retículo endoplásmico
Respuesta en la célula (contracción, metabolismo, transporte)
FIGURA 5.17 El sistema de mensajero secundario del fosfatidilinositol. Véase el texto para obtener una descripción detallada.
143
Sistema de mensajero secundario fosfatidilinositol En el sistema de fosfatidilinositol, un fosfolípido de la membrana, el fosfatidilinositol-4,5-bofosfato (PIP2) experimenta una reacción catalizada por enzimas que liberan los mensajeros secundarios diacilglicerol (DAG) e inositol trifosfato (IP3). Este último estimula la reacción del tercer mensajero secundario, el calcio. La acción de este sistema se produce de la siguiente manera (fig. 5.17):
Mensajeros químicos
Citosol
144
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
TABLA 5.4 Mecanismos de transducción de señales para mensajeros químicos seleccionados Mensajero
Clase funcional
Clase química
Mecanismo de transducción de señales
Adrenalina
Hormona, neurotransmisor
Amina
Receptores ligados a proteína G
Hormonas tiroideas
Hormona
Amina (lipófila)
Transcripción modificada de mARN
Vasopresina (ADH)
Hormona, neurotransmisor
Péptido
Receptores ligados a proteína G
Insulina
Hormona, neurotransmisor
Péptido
Receptores asociados a una enzima
Estrógenos
Hormona
Esteroide
Transcripción modificada de mARN
Glutamato
Neurotransmisor
Aminoácido
Receptor ligado a canales, receptores ligados a proteína G
Serotonina
Neurotransmisor, paracrina
Amina
Receptor ligado a canales, receptores ligados a proteína G
Prostaglandinas
Paracrina
Eicosanoide
Proteínas G, desconocidas en muchos casos
Interleucinas
Citocina
Péptido
Receptores asociados a una enzima
GABA
Neurotransmisor
Aminoácido
Receptor ligado a canales
Al mismo tiempo, 4b 5b
Número total de productos
IP3 se mueve al citosol. IP3 desencadena la liberación de calcio desde el retículo endoplásmico.
Un mensajero se une a un receptor
En función de la célula, el calcio hará una de estas dos cosas: 6b
6c
Actúa sobre las proteínas para estimular la contracción o la secreción. Actúa como un mensajero secundario uniéndose a la calmodulina, activando una proteína cinasa que fosforila una proteína que produce una respuesta en la célula.
Los mecanismos de transducción de señales para algunos mensajeros químicos seleccionados de varias clases funcionales y químicas figuran en la tabla 5.4.
Amplificación de señales en los sistemas de mensajeros químicos
Varias proteínas G se activan
Adenilato ciclasa
Cada proteína G activa un adenilato ciclasa
1
Una molécula mensajero
10
10
lleva a… cAMP
Cada adenilato ciclasa genera cientos de moléculas cAMP
5.000
Proteína cinasa A
Cada cAMP activa una proteína cinasa A
5.000
Dado que algunas células tienen mecanismos de transducción de Cada proteína señales sencillos, como la activación la fosforilación cinasa A Proteína de millones de 2.500.000 fosforila cientos en un paso de la tirosina cinasa, uno fosforilada proteínas de proteínas se podría preguntar por qué se necesitan los sistemas de mensajero secundario, cuando, en definitiva, tienen el mismo efecto básico que la FIGURA 5.18 Amplificación de la señal, en este caso mediante el sistema de mensajero secundario tirosina cinasa: la fosforilación de del cAMP. una proteína. El motivo hace referencia a una de las características más impactantes de los sistemas de mensajero secundario: la ilustra cómo un único receptor activado puede activar varias capacidad de los pequeños cambios en la concentración de un proteínas G, cada una de las cuales puede activar, a su vez, una mensajero químico para provocar respuestas en las células diaadenilato ciclasa. Mientras estén activas, cada adenilato ciclasa na, un fenómeno conocido como amplificación de señales. puede generar cientos de moléculas de cAMP, cada una de las La figura 5.18 representa cómo funciona la amplificación de cuales activa entonces una molécula de proteína cinasa A. A su vez, cada molécula de proteína cinasa A puede fosforilar cientos señales, utilizando el sistema cAMP como ejemplo. El diagrama
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
145
TABLA 5.5 Propiedades de los mensajeros químicos Propiedad
Mensajero lipófobo (hidrófilo)
Mensajero lipófilo (hidrófobo)
Clases químicas
Aminoácidos, aminas, péptidos
Esteroides, eicosanoides, hormonas tiroideas*
Almacenamiento en la célula secretora
Vesículas secretoras
Ninguna
Mecanismo de secreción
Exocitosis
Difusión
Transporte en la sangre†
Disuelto
Unido a la proteína portadora
Ubicación del receptor
Membrana plasmática
Citosol o núcleo
Mecanismo de transducción de señales
Canales iónicos abiertos/cerrados‡ Activa proteínas G de enzimas unidas a la membrana y sistemas de mensajero secundario
Modifica la transcripción de mARN (modifica la síntesis de proteínas)
Tiempo relativo para la aparición de la respuesta
Rápido
Bajo
Duración relativa de la respuesta
Corta
Larga
Semivida relativa
Corta
Larga
*Las hormonas tiroideas son aminas, pero son lipófilas. † Hace referencia solo a las hormonas y a algunas citocinas. ‡ Las proteínas G median en algunos de estos efectos.
de proteínas diana. El resultado neto consiste en que se puede regular un gran número de moléculas de producto final en respuesta a la unión de una molécula de ligando a su receptor. En el ejemplo que se muestra, un mensajero primario llevó a la fosforilación de cerca de 2.500.000 proteínas. La secuencia de reacciones que se muestra en la figura 5.18 es un ejemplo de una cascada, una serie de pasos secuenciales que aumentan de forma progresiva en magnitud, de la misma forma que numerosos arroyos diminutos unidos pueden finalmente convertirse en un río grande. Las cascadas de un tipo u otro son comunes en los sistemas de mensajeros químicos y son responsables de gran parte de la amplificación de señales que se produce. Ahora que hemos visto los diferentes aspectos de los mensajeros químicos, observa la tabla 5.5 para ver un resumen de las propiedades de los mensajeros químicos. A continuación nos ocuparemos de la comunicación a larga distancia en el organismo.
El sistema nervioso se compone de neuronas y células que les dan soporte, denominadas neuroglia. Las neuronas son capaces de comunicarse a largas distancias, en primer lugar mediante la transmisión de señales eléctricas a lo largo de la longitud de la célula (algunas de las cuales miden hasta 1 m) y después mediante la transmisión de señales químicas a través de la liberación de un neurotransmisor desde el axón terminal. Después, el neurotransmisor difunde a una distancia corta hasta la célula diana. El lugar donde se comunica el axón terminal con la célula diana se denomina sinapsis (fig. 5.19). Debido a la comunicación intercelular directa mediante señales químicas en la sinap-
Neurona
Test rápido 5.3 1. ¿Dónde se sitúan en la célula diana los receptores para los mensajeros lipófilos? ¿Cómo se llama la región reguladora del ADN a la que se une el complejo hormona-receptor? 2. Nombra las tres categorías de receptores ligados a membranas. 3. Nombra las cinco sustancias que actúan como mensajeros secundarios. Nombra las enzimas amplificadoras que catalizan su síntesis.
Comunicación a larga distancia a través de los sistemas nervioso y endocrino Para mantener la homeostasis, resulta fundamental que las células de una región del organismo sean capaces de comunicarse con las células de regiones distantes. El organismo tiene dos sistemas de órganos especializados en la comunicación a larga distancia: el sistema nervioso y el endocrino.
Transmisión eléctrica
Neurotransmisor Transmisión química
Sinapsis Célula diana
Receptor
FIGURA 5.19 Transmisión de señales en las neuronas. Las neuronas transmiten tanto señales eléctricas dentro de la célula como señales químicas entre las células.
146
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
TABLA 5.6 Características de los sistemas nervioso y endocrino Característica
Sistema nervioso
Sistema endocrino
Célula secretora
Neurona
Célula endocrina
Célula diana
Neurona, músculo o glándula
La mayoría de los tipos de célula en el organismo
Mensajero
Neurotransmisor
Hormona
Ruta para la comunicación
A través de la sinapsis
A través del torrente sanguíneo
Base de la especificidad
Receptores en la célula diana postsináptica
Receptores de las células diana por todo el organismo
Tiempo para la aparición del efecto
Inmediato
Retrasado
Duración del efecto
Breve
Prolongado
sis, el sistema nervioso a menudo se considera un sistema «conectado». (Una excepción son las neurohormonas, que viajan por el torrente sanguíneo.) La comunicación en el sistema nervioso normalmente comprende la apertura y el cierre de canales iónicos, que son muy rápidos y normalmente de corta duración. Las señales transmitidas por el sistema nervioso viajan con velocidad y normalmente tienen poca duración, lo que hace que el sistema sea ideal para controlar los movimientos y monitorizar el mundo que nos rodea. Trataremos el sistema en detalle en los capítulos 7 a 11. Por el contrario, el sistema endocrino carece de cualquier enlace anatómico directo entre la célula secretora y la célula diana. En cambio, el sistema endocrino se comunica mediante mensajeros químicos denominados hormonas, las cuales viajan a través del torrente sanguíneo a casi todas las células del organismo. Hablando de forma estricta, las hormonas se segregan en el líquido intersticial y después se difunden en la sangre, si bien solemos hablar de la secreción de hormonas hacia la sangre para simplificar. Las hormonas normalmente se comunican mediante la alteración de la síntesis de proteínas o la activación de proteínas G, procesos que son bastante más lentos que las señales eléctricas y químicas que usa el sistema nervioso. La lentitud relativa del sistema endocrino y su capacidad para transmitir señales por
amplias áreas resultan importantes al coordinar actividades metabólicas entre los sistemas del organismo. En los capítulos 6 y 21 trataremos el sistema endocrino en detalle. En la tabla 5.6 se comparan varios aspectos de los sistemas nervioso y endocrino.
Integración de sistemas En este capítulo hemos aprendido la forma en que las células se comunican con otras células a través de mensajeros químicos. A lo largo de este libro, «comunicación» suele significar «control neural o endocrino de los sistemas del organismo para mantener la homeostasis». Hemos dedicado varios capítulos al funcionamiento del sistema nervioso y endocrino, pero también están referenciados en el resto de capítulos del libro, desde el control neural de la contracción de los músculos esqueléticos (v. capítulo 12) al control endocrino de la reproducción (v. capítulo 22). Asimismo, no nos podemos olvidar de los mensajeros paracrinos. Su importancia se hace fácilmente visible cuando examinamos el proceso de formación de un coágulo sanguíneo para la hemostasia (v. capítulo 13) y la transmisión de señales cuando las células resultan dañadas o infectadas durante la respuesta inmunitaria (v. capítulo 23).
RESUMEN DEL CAPÍTULO Mecanismos de comunicación intercelular, pág. 127 Casi todos los procesos corporales necesitan que las células sean capaces de comunicarse entre sí. La comunicación puede ocurrir de dos formas básicas: 1) mediante uniones comunicantes, que permiten que las señales eléctricas y las pequeñas moléculas se muevan directamente de una célula a las células adyacentes, y 2) por medio de la secreción de mensajeros químicos, que permiten que las señales se transmitan de una célula a otras que pueden estar en ubicaciones distantes entre sí. Los mensajeros químicos producen respuestas en las células diana mediante la unión a receptores específicos.
Cardiovascular, Anatomy Review: The Heart, pág. 7 Nervous II, Anatomy Review, págs. 6–7 Nervous II, Synaptic Transmission, pág. 4
Mensajeros químicos, pág. 128 Los mensajeros químicos se encuadran en tres categorías funcionales principales: 1) paracrinos; 2) neurotransmisores, y 3) hormonas. Muchos mensajeros ejercen sus efectos solo en células cercanas a las células que las segregan, pero las hormonas y las neurohormonas pueden actuar en lugares diferentes, porque el torrente sanguíneo las transporta hasta las células diana. Por su estructura química, los mensajeros se dividen en cinco clases principales: 1) aminoácidos; 2) aminas (derivados de los aminoácidos); 3) péptidos y proteínas; 4) esteroides (derivados del colesterol), y 5) eicosanoides (derivados del ácido araquidónico). Los esteroides, eicosanoides y algunas aminas (las hormonas tiroideas) son lipófilos y pasan a través de las membranas celulares con facilidad. Otros men-
sajeros son hidrófilos (lipófobos) y se pueden disolver en el plasma.
Nervous I, Ion Channels, págs. 4, 7 Nervous II, Synaptic Transmission, págs. 1–6, 9, 12 Nervous II, Anatomy Review, págs. 7–8
Mecanismos de transducción de señales, pág. 136 La magnitud de la respuesta de una célula diana a un mensajero químico normalmente aumenta al hacerlo el número de receptores unidos, el cual depende de la afinidad de los receptores por el mensajero, la concentración del mensajero y el número de receptores presentes. Cuando se exponen durante largos períodos a concentraciones de mensajeros muy altas o muy bajas, las células diana pueden modificar el número de recep-
C A P Í T U LO 5
tores, lo que provoca un cambio en la capacidad de respuesta al mensajero. La disminución del número de receptores se denomina regulación a la baja, y el aumento, regulación al alza. Los mensajeros lipófilos se unen a los receptores en el citosol o el núcleo de las células diana, y el complejo resultante se une al ADN para regular la transcripción de genes y la síntesis de proteínas. Los mensajeros hidrófilos se unen a receptores de la superficie celular, los cuales son de tres tipos: 1) receptores ligados a canales, que afectan a la apertura y el cierre de canales rápidos dependientes de ligando; 2) receptores asociados a una enzima, que catalizan reacciones dentro de las células, y 3) receptores asociados a la proteína G, que activan proteínas de membrana específicas, deno-
minadas proteínas G. Las proteínas G activadas pueden activar (o inhibir) por sí mismas una gran variedad de proteínas intracelulares, entre las que se incluyen las enzimas o los canales. Muchas de estas enzimas catalizan la formación de mensajeros secundarios dentro de las células. Entre las sustancias conocidas por actuar como mensajeros secundarios, encontramos: el AMP (cAMP) cíclico, el GMP (cGMP) cíclico, el diacilglicerol (DAG), el inositol trifosfato (IP3) y los iones calcio (que a menudo trabajan mediante la unión a la calmodulina, formando un complejo que activa las proteínas cinasas).
Mensajeros químicos
147
Comunicación a larga distancia a través de los sistemas nervioso y endocrino, pág. 145 En el sistema nervioso, las neuronas envían señales a grupos específicos de células diana, a las que se conectan mediante sinapsis. Normalmente, las respuestas desencadenadas por señales neurales son rápidas y breves. El sistema endocrino transmite señales a las células diana por todo el cuerpo, provocando efectos que normalmente son lentos y de larga duración. Las células endocrinas especializadas, localizadas normalmente en las glándulas endocrinas, segregan las hormonas.
Nervous II, Orientation, pág. 1
Nervous II, Synaptic Transmission: págs. 4, 13
Nervous II, Synaptic Transmission, págs. 1–6
Nervous I, Ion Channels, págs. 4, 7
Urinary, Anatomy Review, pág. 4
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. El ácido araquidónico es la materia prima para la síntesis de a) aminas. b) hormonas tiroideas. c) eicosanoides. d) esteroides. e) péptidos. 2. La adrenalina es un(a) a) aminoácido. b) esteroide. c) eicosanoide. d) adrenocorticoide. e) catecolamina. 3. ¿A cuál de las siguientes clases químicas pertenecen la mayoría de los mensajeros químicos? a) aminas b) aminoácidos c) péptidos/proteínas d) eicosanoides e) esteroides 4. Todos los mensajeros químicos aminoácidos funcionan como sustancias a) paracrinas. b) autocrinas. c) neurohormonas. d) neurotransmisores. e) hormonas. 5. Todos los mensajeros químicos esteroides funcionan como sustancias a) paracrinas. b) autocrinas. c) neurohormonas. d) neurotransmisores. e) hormonas.
6. ¿Cuál de los siguientes supuestos tiene probabilidad de provocar un aumento en los niveles de cAMP intracelular? a) estimulación de la actividad de la fosfodiesterasa b) activación de una proteína G inhibidora dirigida a la adenilato ciclasa c) unión de mensajeros químicos a receptores asociados a una enzima d) unión de mensajeros químicos a receptores ligados a canales e) estimulación de la actividad de la adenilato ciclasa 7. ¿Cuál de las siguientes clases de mensajeros se une a receptores intracelulares? a) solo las catecolaminas b) solo los péptidos c) solo los esteroides d) las catecolaminas y los esteroides e) los péptidos y los esteroides 8. ¿De qué depende la respuesta de una célula diana a un mensajero? a) concentración del mensajero b) concentración de receptores en la célula diana c) afinidad del receptor por el mensajero d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 9. Las proteínas G intervienen siempre que a) la unión de moléculas mensajeras a los receptores de la superficie celular desencadena una respuesta de la célula diana. b) la unión de moléculas de ligando a los receptores de la superficie celular desencadena la activación o inhibición de enzimas.
c) la unión de moléculas de ligando a los receptores de la superficie celular desencadena la síntesis de mensajeros secundarios. d) la unión de moléculas de ligando a los receptores de la superficie celular desencadena un cambio en la permeabilidad de la membrana a los iones. e) todas las repuestas son correctas 10. ¿Qué enzima cataliza la síntesis de diacilglicerol? a) adenilato ciclasa b) tirosina cinasa c) fosfolipasa C d) proteína cinasa e) fosfoproteína fosfatasa
Preguntas objetivas 1. Las células que segregan un mensajero se denominan ————. 2. Un agente (paracrino/autocrino) actúa sobre la misma célula que lo segrega. 3. Las glándulas endocrinas liberan (neurotransmisor/hormona) a la ————, donde viaja a la célula diana. 4. Una proteína G activa libera la subunidad ————, que interactúa con otra proteína de la membrana, modificando su actividad. 5. La enzima que cataliza la conversión de ATP en cAMP se denomina ————. 6. Después de la activación del sistema fosfatidilinositol, el (IP3/DAG) libera calcio de los almacenes intracelulares.
148
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
7. Los mensajeros (lipófilos/lipófobos) surten su efecto sobre las células diana mediante la activación o inactivación de genes específicos.
3. Describe los efectos de la activación de la enzima fosfolipasa C con respecto a los mensajeros secundarios producidos y sus acciones en la célula.
8. Los (esteroides/eicosanoides) son ejemplos de mensajeros químicos que actúan de forma local.
4. Describe el sistema de mensajero secundario del cAMP, incluidos todos los pasos desde la unión del mensajero al receptor hasta la respuesta en la célula diana.
9. El calcio citosólico a menudo ejerce su efecto mediante la unión a la (proteína cinasa C/calmodulina) citosólica. 10. La (exocitosis/difusión a través de la membrana celular) segrega los mensajeros lipófobos. 11. Los aminoácidos son (hormonas/neurotransmisores).
5. Compara la comunicación a larga distancia por parte de los sistemas nervioso y endocrino con respecto a la anatomía, velocidad y mecanismos de acción.
12. El sistema (nervioso/endocrino) es un medio de comunicación más rápido.
6. Describe los dos tipos diferentes de canales mediados por receptor y sus mecanismos de acción. ¿Cuál de los mecanismos resulta más rápido?
Preguntas abiertas
7. Describe la función de las proteínas cinasas en la transducción de señales.
1. Describe los diferentes tipos de señales químicas (paracrina, neurotransmisor y hormona). 2. Compara los mensajeros químicos lipófilos y lipófobos respecto de la ubicación de receptores, transporte en la sangre y mecanismos de transducción de señales.
Pensamiento crítico 1. Describe qué ocurriría en las células que segregan adrenalina si hubiera un defecto en la enzima feniletanolamina N-metil transferasa (PNMT).
2. La industria farmacéutica desarrolla muchos fármacos que actúan como agonistas o antagonistas en tipos de receptores específicos. Al diseñar estos fármacos, la especificidad resulta fundamental. Explica los beneficios de la especificidad del receptor y otras propiedades químicas que se deben tener en cuenta al diseñar un fármaco. 3. Aunque los mensajeros lipófilos casi siempre modifican la síntesis de las proteínas mediante la unión a receptores internos, los mensajeros lipófobos también pueden modificar la síntesis de proteínas. Explica cómo. 4. Al unirse a receptores alfa1, la adrenalina y la noradrenalina provocan la vasoconstricción de los vasos sanguíneos, lo que aumenta la presión arterial. Al unirse a receptores adrenérgicos beta1 en el corazón, la adrenalina aumenta el ritmo cardíaco y la fuerza de la contracción, lo que provoca un aumento en la presión arterial. ¿Qué clases de agentes adrenérgicos (alfa o beta, agonista o antagonista) se podrían usar en el tratamiento de la hipertensión? Explica tu elección.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas Es sábado por la noche y estás viendo una película de terror. Durante una escena especialmente escalofriante, sientes cómo tu corazón late más rápido y más fuerte. Estás experimentando los efectos de la adrenalina, una hormona liberada por la médula suprarrenal. La adrenalina es la hormona que hace que los seres vivos respondamos escapando o luchando y que ayuda al organismo a prepararse para una acción rápida. La adrenalina dio a los primeros seres humanos el impulso necesario para buscar alimento y evitar a los depredadores. Este «impulso» es responsable de lo que muchos llaman «subidón de adrenalina», una sensación de excitación y energía inducida por el miedo, el ejercicio u otros agentes estresantes. La adrenalina afecta al ritmo cardíaco y a los niveles de energía, actuando sobre células diana específicas dispersas por el cuerpo. En este capítulo aprenderemos más sobre las glándulas que secretan hormonas y cómo estas afectan a las células diana.
CONTENIDOS Órganos endocrinos primarios Órganos endocrinos secundarios
156
Acción de las hormonas en la célula diana Secreción anormal de las hormonas 161 Interacciones hormonales 162
Microfotografía de la hipófisis.
150 157
6
150
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
OBJETIVOS
Conocer las glándulas endocrinas primarias y secundarias y las hormonas asociadas a cada una.
Describir los vínculos del hipotálamo con los lóbulos anterior y posterior de la hipófisis (es decir, la adenohipófisis y la neurohipófisis).
Describir la función de las hormonas trópicas en la regulación de la liberación de otras hormonas. Incluir los ciclos de realimentación en la descripción.
Describir los tipos de interacciones entre las hormonas que actúan sobre la misma célula diana, incluyendo interacciones aditivas, sinérgicas y permisivas.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Células epiteliales, pág. 4 2. Hormonas, pág. 130 3. Mecanismos de transducción de señales, pág. 136
E
n el capítulo 5 aprendimos cómo se comunican las células entre sí. Para comunicaciones a larga distancia, tenemos el lento sistema endocrino, que libera hormonas, y el rápido sistema nervioso, que libera neurotransmisores. En este capítulo nos centraremos en el sistema endocrino. Los capítulos 7 a 11 tratan del sistema nervioso. Los órganos del sistema endocrino se corresponden con glándulas endocrinas, de las que en el capítulo 1 aprendimos que derivan del tejido epitelial. Las glándulas endocrinas se encuentran en muchos órganos del cuerpo (fig. 6.1). Hay dos tipos de órganos endocrinos: los órganos endocrinos primarios, cuya función primaria es la secreción de hormonas, y los órganos endocrinos secundarios, para los que la secreción de hormonas es secundaria respecto a otras funciones. Algunos órganos endocrinos primarios están situados dentro del cerebro, por ejemplo, en el hipotálamo, la hipófisis y la glándula pineal; otros órganos endocrinos primarios están ubicados fuera del sistema nervioso, como la glándula tiroidea, las glándulas paratiroideas, el timo, las glándulas suprarrenales, el páncreas y las gónadas (testículos en el varón y ovarios en la mujer). La placenta también funciona como una glándula endocrina en las mujeres gestantes. Entre las glándulas endocrinas secundarias se encuentran órganos como el corazón, el hígado, el estómago, el intestino delgado, los riñones y la piel.
Órganos endocrinos primarios En esta sección examinaremos las funciones de varios órganos endocrinos primarios, comenzando con el hipotálamo y la hipófisis.
Hipotálamo e hipófisis Juntos, el hipotálamo y la hipófisis (fig. 6.2) trabajan para regular casi todos los sistemas del organismo. El hipotálamo es una parte del cerebro con muchas funciones, además de su función
como glándula endocrina. Se considera una glándula endocrina primaria, porque secreta varias hormonas, la mayoría de las cuales afecta a la hipófisis (a veces también llamada glándula pituitaria), una estructura del tamaño de un guisante conectada al hipotálamo por un tallo hipofisario llamado infundíbulo. La hipófisis está dividida en dos secciones estructural y funcionalmente diferentes llamadas lóbulo anterior (o adenohipófisis) y lóbulo posterior (o neurohipófisis). Como veremos dentro de poco, las conexiones entre el hipotálamo y los dos lóbulos de la hipófisis difieren y son críticas para el funcionamiento de ambos órganos endocrinos.
Conexión neuronal entre el hipotálamo y la neurohipófisis La neurohipófisis contiene tejido neuronal que consiste en los axones terminales de las neuronas que se originan en el hipotálamo (fig. 6.3). Estas terminaciones neurales secretan dos hormonas peptídicas: la hormona antidiurética (ADH; también llamada vasopresina) y la oxitocina. Estas hormonas suelen ser sintetizadas en las neuronas que se originan en diversas regiones del hipotálamo; se sintetizan en los núcleos paraventriculares y supraópticos del hipotálamo, siendo la ADH sintetizada en el núcleo paraventricular y la oxitocina en el núcleo supraóptico. Después de la síntesis, los péptidos se empaquetan en vesículas secretoras, que son transportadas a los axones terminales en la neurohipófisis. La hormona se libera por exocitosis cuando estas neuronas reciben una señal, normalmente procedente de otras neuronas. Estas hormonas, como las demás, se liberan en la sangre. Como estas hormonas son secretadas por neuronas en vez de por glándulas, también reciben el nombre de neurohormonas. La hormona antidiurética regula la reabsorción de agua de los riñones y se trata en el capítulo 19; la oxitocina estimula las contracciones uterinas y la subida de leche a las mamas y se trata en el capítulo 22.
Conexión sanguínea entre el hipotálamo y la adenohipófisis La adenohipófisis y las células del hipotálamo que la controlan secretan principalmente hormonas trópicas (también llamadas hormonas tróficas), que son hormonas que regulan la secreción de otras hormonas. Una hormona trófica puede ser una hormona estimulante, que aumenta la secreción de otra hormona, o una hormona inhibidora, que disminuye la secreción de otra hormona. La vía de señalización habitual es como sigue: el hipotálamo libera una hormona trópica que efectúa la liberación de otra hormona trópica de la adenohipófisis; esta hormona trópica efectúa la liberación de una tercera hormona de otra glándula endocrina, que tiene efecto sobre las células diana de todo el organismo. Anatomía del sistema portal hipotalámico-hipofisario El hipotálamo y la adenohipófisis están conectados por el sistema portal hipotalámico-hipofisario (fig. 6.4). Un sistema portal es una disposición especial de vasos sanguíneos en la que dos lechos capilares están situados en serie, uno detrás del otro. (Los capilares son los vasos sanguíneos más pequeños y en ellos se pueden intercambiar compuestos entre sangre y tejido.) Después de que el hipotálamo secrete hormonas trópicas en los lechos capilares situados allí (v. fig. 6.4), estas hormonas trópicas se dirigen por el infundíbulo hasta la hipófisis a través de una vena porta, desde la que entran en un segundo lecho capilar. Entonces, las
C A P Í T U LO 6 Órganos endocrinos primarios
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas Órganos endocrinos secundarios
Glándula pineal Hipotálamo Hipófisis
Glándula tiroides
Glándulas paratiroideas Timo Corazón Estómago Glándula suprarrenal Páncreas
Hígado Riñón
Ovarios (mujeres) Intestino delgado
Testículos (hombres) Placenta (no se muestra; solo en mujeres gestantes)
FIGURA 6.1 Órganos endocrinos.
Piel
151
152
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Glándula pineal Hipotálamo
Encéfalo Hipotálamo Infundíbulo Neurohipófisis
Adenohipófisis
Hipófisis
Médula espinal
(a)
(b)
FIGURA 6.2 Hipotálamo e hipófisis. (a) Ubicaciones del hipotálamo y la hipófisis en el encéfalo. (b) Conexión del hipotálamo y de la hipófisis mediante el infundíbulo. La hipófisis se divide en adenohipófisis y neurohipófisis.
Núcleo supraóptico (las células secretan oxitocina)
Células neurosecretoras Núcleo paraventricular (las células secretan ADH)
Hipotálamo
Arteria Entrada de sangre
Infundíbulo
Axones terminales (liberan hormonas a los capilares)
hormonas trópicas hipotalámicas estimulan o inhiben la liberación de hormonas en la adenohipófisis. El sistema portal permite el transporte directo de las hormonas trópicas hipotalámicas hacia sus células diana en la adenohipófisis, garantizando que estas hormonas no se diluyan y degraden por enzimas en la circulación general. Como resultado, las hormonas trópicas hipotalámicas están más concentradas en la sangre portal que se transporta a la adenohipófisis y tienen un mayor efecto en la liberación de hormonas. Hormonas trópicas del hipotálamo y de la adenohipófisis Comparado con la neurohipófisis, la adenohipófisis es más parecida a una glándula endocrina «típica», en el sentido de que las células que sintetizan y secretan las hormonas están situadas totalmente dentro de la hipófisis. Dentro de la adenohipófisis, cada uno de los distintos tipos de células entremezcladas es responsable de la síntesis y la secreción de una hormona concreta. La secreción de estas hormonas se regula mediante hormonas trópicas secretadas por las neuronas del hipotálamo. La secreción de estas hormonas trópicas (cinco hormonas estimulantes y dos hormonas inhibidoras) se regula mediante estímulos neurales en las neuronas hipotalámicas. Las hormonas trópicas hipotalámicas, las hormonas de la adenohipófisis que regulan y las funciones de esas hormonas de la adenohipó-
Adenohipófisis Lecho capilar Neurohipófisis
Vena Salida de sangre
FIGURA 6.3 Conexión entre el hipotálamo y la neurohipófisis. Las neuronas que se originan en el hipotálamo envían proyecciones a la neurohipófisis. Las neuronas que se originan en el núcleo paraventricular sintetizan y secretan hormona antidiurética (ADH); las neuronas que se originan en el núcleo supraóptico sintetizan y secretan oxitocina. Las terminaciones nerviosas secretan ADH y oxitocina en el torrente sanguíneo en la neurohipófisis.
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1. La hormona liberadora de prolactina (PRH) estimula la adenohipófisis para que se libere prolactina, que estimula el desarrollo de las glándulas mamarias y la secreción de leche en las mujeres. 2. La hormona inhibidora de prolactina (PIH), o dopamina (una catecolamina), inhibe la liberación de prolactina. 3. La hormona liberadora de tirotropina (TRH) estimula la liberación de la hormona estimulante del tiroides (TSH) de la adenohipófisis. Entonces, la hormona estimulante del tiroides estimula la secreción de hormonas tiroideas por la glándula tiroides. 4. La hormona liberadora de corticotropina (CRH) estimula la liberación de la hormona adrenocorticotrópica (ACTH) por la adenohipófisis. Entonces, la ACTH estimula la secreción de otras hormonas por la corteza suprarrenal, la capa externa de la glándula suprarrenal. 5. La hormona liberadora de la hormona del crecimiento (GHRH) estimula la secreción de la hormona del crecimiento (GH) por la adenohipófisis. La hormona del crecimiento regula el crecimiento y el metabolismo energético, pero también funciona como una hormona trópica, estimulando la secreción de factores de crecimiento parecidos a la insulina (IGF) por el hígado. 6. La hormona inhibidora de la hormona de crecimiento (GHIH), o somatostatina, inhibe la secreción de la hormona de crecimiento por la adenohipófisis.
Hipotálamo
Arteria Entrada de sangre
Lecho capilar Vena porta
Lecho capilar
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fisis aparecen en una lista a continuación y se muestran en la figura 6.5. Con una excepción, todas esas hormonas son peptídicas.
Células neurosecretoras
Hormonas
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Neurohipófisis
Adenohipófisis Célula endocrina Vena Salida de sangre
FIGURA 6.4 Sistema portal hipotalámico-hipofisario. Las células neurosecretoras del hipotálamo secretan hormonas trópicas en el sistema portal hipotalámico-hipofisario. Las hormonas trópicas viajan a la adenohipófisis, donde determinan la liberación de las hormonas de la adenohipófisis en la sangre.
Células neurosecretoras Hipotálamo
Hormona trópica hipotalámica
PRH
Vena porta hipotalámica-hipofisaria
+
PIH (dopamina)
TRH
CRH
+
+
–
GHRH
GHIH GnRH (somatostatina)
+
– Células endocrinas
Adenohipófisis Hormonas trópicas de la adenohipófisis
+
Prolactina
TSH
ACTH
GH
LH
FSH
Circulación sistémica Mamas
Glándula tiroides
Corteza suprarrenal
TH
Cortisol
FIGURA 6.5 Hormonas trópicas del hipotálamo y de la adenohipófisis. El hipotálamo secreta siete hormonas trópicas en el sistema portal hipotalámico-hipofisario que liberan (–RH) o inhiben (–IH) hormonas. Estas hormonas trópicas actúan sobre las células endocrinas en la adenohipófisis para estimular la liberación de hormonas que (salvo la prolactina) también son hormonas trópicas. Las hormonas de la adenohipófisis actúan sobre
Hígado
Factores de crecimiento parecidos a la insulina
Células por todo el organismo
Gónadas Hombre Mujer Estrógenos, progesterona Andrógenos
otras glándulas endocrinas para estimular la liberación de otras hormonas más. ¿Qué hormona trópica hipotalámica estimula indirectamente la liberación P de cortisol?
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Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas Hipotálamo
Hipotálamo
Secreción de la hormona trópica 1
Secreción de la hormona liberadora de corticotropina (CRH)
Adenohipófisis
Circuito largo de retroalimentación negativa
Circuito corto de retroalimentación negativa
Adenohipófisis
Secreción de la hormona trópica 2
Glándula endocrina
Secreción de la hormona adrenocorticotrópica (ACTH) Circuito largo de retroalimentación negativa
Secreción de la hormona trópica 3
Glándula suprarrenal Secreción de cortisol
Respuesta de la célula diana
Respuesta de la célula diana
Estímulo inicial
Estímulo inicial
Respuesta fisiológica
Respuesta fisiológica
Resultado
Resultado
FIGURA 6.6 Circuitos de retroalimentación negativa que afectan a las hormonas trópicas del hipotálamo y de la adenohipófisis.
FIGURA 6.7 Regulación de la liberación de cortisol.
7. La hormona liberadora de gonadotropina (GnRH) estimula la liberación tanto de la hormona folículo estimulante (FSH) como de la hormona luteinizante (LH) por la adenohipófisis. La hormona luteinizante estimula la ovulación de las mujeres y la secreción de hormonas sexuales (estrógenos y progesterona en mujeres, y andrógenos en hombres) por las gónadas. La hormona folículo estimulante facilita el desarrollo de los óvulos en las mujeres y de los espermatozoides en los hombres, y estimula la secreción de estrógenos en las mujeres y de inhibina en ambos sexos.
retroalimentación negativa causan una disminución en la liberación tanto de CRH y de ACTH. En ambos casos, el resultado neto es que el cortisol actúa para inhibir su propia secreción. Sin embargo, el cortisol proporciona una retroalimentación negativa solo a sus propias hormonas trópicas; no tiene efecto, por ejemplo, en las células que secretan hormona que libera gonadotropina u hormona luteinizante.
Los circuitos de retroalimentación regulan las vías de múltiples pasos por las que se producen las hormonas trópicas del hipotálamo y de la adenohipófisis (fig. 6.6). La hormona trópica de la adenohipófisis puede actuar mediante retroalimentación negativa sobre el hipotálamo para reducir su propia liberación. La inhibición de las hormonas trópicas hipotalámicas por la hormona trópica de la adenohipófisis, llamada circuito corto de retroalimentación negativa, evita la acumulación del exceso de hormona trópica de la adenohipófisis. Además, la hormona cuya secreción es estimulada por la hormona trópica suele ejercer una retroalimentación sobre el hipotálamo (y a menudo en la adenohipófisis también) para inhibir la secreción de la hormona trópica, limitando, así, su propia secreción. Este fenómeno se denomina circuito largo de retroalimentación negativa. La figura 6.7 describe la regulación del cortisol por la glándula suprarrenal como ejemplo concreto de regulación de la retroalimentación negativa. La hormona CRH estimula la liberación de la ACTH, una hormona trópica de la adenohipófisis. Por su parte, la ACTH estimula la liberación de cortisol de la glándula suprarrenal. Si las concentraciones de cortisol de la sangre aumentan por encima de un cierto nivel, entonces los ciclos de
1. Nombra las dos hormonas liberadas en la neurohipófisis. ¿Qué tipo de célula libera estas hormonas? 2. Nombra todas las hormonas trópicas hipotalámicas y explica cómo afectan a la liberación de una hormona de la adenohipófisis. 3. ¿Cuál es la diferencia entre el circuito largo y el circuito corto de retroalimentación negativa?
Test rápido 6.1
Glándula pineal La glándula pineal, situada dentro del cerebro (v. fig. 6.2), está compuesta por tejido glandular que secreta la hormona melatonina. La función de la melatonina sigue siendo un tema de debate, pero estudios más recientes sugieren que es importante en el establecimiento de los ritmos circadianos (un ritmo diario que coordina las actividades del organismo con el ciclo día-noche). Se sabe, por ejemplo, que la secreción de melatonina aumenta por la noche y disminuye durante el día, y que la melatonina es un potente agente inductor del sueño cuando se administra de manera terapéutica. La melatonina también aumenta la función inmune y ejerce un efecto supresor sobre la función reproductora, interfiriendo en la actividad de ciertas hormonas.
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Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
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Faringe Laringe
Glándulas paratiroideas
Glándula tiroidea
Arteria carótida
Tráquea
Glándula tiroides
Esófago Arteria carótida Tráquea
(a) Vista frontal
(b) Vista posterior
FIGURA 6.8 Ubicación de las glándulas tiroides y paratiroides.
Glándula tiroides y glándulas paratiroideas La glándula tiroides es una estructura en forma de mariposa situada en la superficie ventral de la tráquea (fig. 6.8a). La glándula tiroides secreta las dos hormonas tiroideas, tetrayodotironina (T4) y triyodotironina (T3), así como la calcitonina. Las hormonas tiroideas regulan el metabolismo del organismo y son necesarias para el crecimiento y el desarrollo normales; la calcitonina regula los niveles de calcio de la sangre. Las cuatro glándulas paratiroideas son estructuras más pequeñas situadas en la superficie posterior de la glándula tiroides (fig. 6.8b). Las glándulas paratiroideas secretan hormona paratiroidea (PTH), un regulador importante de las concentraciones de calcio en la sangre. Las hormonas tiroideas se tratan con más detalle en el capítulo 21.
Timo El timo está cerca del corazón (v. fig. 6.1) y secreta la hormona timosina. Además, el timo es crítico para la función inmunológica normal, porque las células inmunes llamadas linfocitos T o células T, que son esenciales para respuestas inmunes efectivas contra microorganismos invasores, maduran allí. La timosina regula la función de las células T.
Glándulas suprarrenales Las glándulas suprarrenales están situadas encima de los riñones (v. fig. 6.1), de ahí su nombre. Cada glándula suprarrenal consiste en una capa externa llamada corteza, que representa alrededor del 80% de la masa total de la glándula, y un centro interno, llamado médula (fig. 6.9). Como la hipófisis, cada glándula suprarrenal está compuesta, esencialmente, por dos glándulas en una, porque la corteza y la médula son estructural y funcionalmente distintas. La corteza suprarrenal está estratificada en tres capas diferentes: 1) una capa externa, llamada zona glomerular; 2) una capa
media, llamada zona fascicular, y 3) una capa interior, denominada zona reticular. Como las células de estas capas poseen diferentes complementos de las enzimas implicadas en la síntesis de las hormonas de la corteza suprarrenal, estas células fabrican y secretan varias hormonas en diversas proporciones. La corteza suprarrenal secreta varias hormonas llamadas colectivamente adrenocorticoides, un término que hace referencia a su lugar de origen (corteza suprarrenal) y a la clase química de los componentes a los que pertenecen (esteroides). Entre los adrenocorticoides se incluyen hormonas de tres tipos: 1. Los mineralocorticoides (principalmente aldosterona) son secretados exclusivamente por células en la zona glomerular. Los mineralocorticoides regulan la reabsorción de sodio y la secreción de potasio por los riñones. 2. Los glucocorticoides (principalmente el cortisol) se secretan, sobre todo, por las células en la zona fascicular y la zona reticular. Los glucocorticoides regulan la respuesta del organismo al estrés, el metabolismo de las proteínas, de los hidratos de carbono y de los lípidos en varios tejidos, y los niveles de glucosa en sangre. 3. Las hormonas sexuales (principalmente los andrógenos) son secretadas por células de la zona fascicular y la zona reticular (y por las gónadas). Las hormonas sexuales regulan la función reproductora y varios procesos más. Como en los varones las gónadas secretan los andrógenos en cantidades mucho mayores, la secreción de estas hormonas por parte de la corteza suprarrenal tiene, normalmente, poca importancia fisiológica; sin embargo, en las mujeres, los andrógenos suprarrenales pueden estimular el impulso sexual. La médula suprarrenal contiene células cromafines y secreta catecolaminas; alrededor de un 80% de las hormonas secretadas es adrenalina, un 20% es noradrenalina, y menos del 1% es dopamina. La adrenalina se libera en momentos de estrés o excitación; entre otras cosas, provoca un aumento del ritmo cardíaco y una movilización de las reservas de energía. El principal
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Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas Corteza suprarrenal
Médula suprarrenal
Glándula suprarrenal
Riñón
FIGURA 6.9 Anatomía de la glándula suprarrenal. Las glándulas suprarrenales, situadas justo encima de los riñones, están divididas en una médula interna y una corteza externa.
P ¿Qué hormonas secreta la zona reticular? estímulo para la secreción de adrenalina y, en menor medida, de noradrenalina y dopamina, es neural, como se describe con todo detalle en el capítulo 11.
Páncreas El páncreas funciona como glándula endocrina y exocrina. El páncreas exocrino incluye las células acinares y las células ductales que secretan enzimas y líquido al tubo digestivo (v. capítulo 20); el páncreas endocrino consiste en unos cúmulos de células denominadas islotes de Langerhans, dispersas por el páncreas en espacios entre los conductos (fig. 6.10). Los islotes de Langerhans son la fuente de dos hormonas importantes, cada una de ellas secretada por un tipo distinto de célula: la insulina, secretada por las células B (células beta), y el glucagón, secretado por las células A (células alfa). Ambas hormonas son importantes en la regulación del metabolismo de la energía y los niveles de glucosa en sangre (v. capítulo 21). Existen otros dos tipos de células en los islotes de Langerhans: las células D y las células F. Las células D o células delta secretan somatostatina que ayuda a regular la digestión y la absorción de nutrientes y puede regular la secreción de otras hormonas pancreáticas. (Recordemos que la somatostatina es también una hormona trópica hipotalámica que inhibe la secreción de la hormona de crecimiento en la adenohipófisis.) Las células F secretan polipéptido pancreático; la función de esta hormona es desconocida.
Gónadas Las gónadas (ovarios y testículos) tienen tanto funciones endocrinas como no endocrinas. En ambos sexos producen los gametos, espermatozoides en los hombres y ovocitos en las
mujeres, y secretan hormonas sexuales. En los hombres, las hormonas sexuales predominantes son los andrógenos, la testosterona y la androstenodiona (v. «Comprender el ejercicio: Por qué los atletas toman esteroides»); en las mujeres, las hormonas sexuales más importantes son el estradiol (que pertenece a un grupo de hormonas afines conocidas como estrógenos) y la progesterona. La placenta también funciona como glándula endocrina en las mujeres embarazadas, secretando principalmente estrógenos y progesterona. Las hormonas de la reproducción se describen en detalle en el capítulo 22.
Órganos endocrinos secundarios Además de cumplir con su función primaria, muchos órganos del cuerpo secretan hormonas. Entre estos órganos endocrinos secundarios se encuentran el corazón, los riñones, los órganos digestivos, el hígado y la piel (v. fig. 6.1). El corazón secreta péptido natriurético auricular, que regula la reabsorción de sodio por los riñones (v. capítulo 19). Los riñones secretan eritropoyetina, que estimula la producción de glóbulos rojos por parte de la médula ósea (v. capítulo 15). Los órganos del tubo digestivo secretan varias hormonas que son importantes en la regulación de la digestión y la absorción de alimentos (v. capítulo 20). El hígado secreta factores de crecimiento parecidos a la insulina, que promueven el crecimiento tisular (v. capítulo 21). Finalmente, la piel y los riñones están implicados en la producción de 1,25-dihidroxivitamina D3, que regula los niveles de calcio en sangre (v. capítulo 19). Las hormonas secretadas por los órganos endocrinos primarios y secundarios, así como sus funciones, se resumen en la tabla 6.1.
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Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Estómago
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Páncreas
Páncreas
(a)
Célula alfa (secreta glucagón)
Célula beta (secreta insulina)
Célula delta (secreta somatostatina)
Páncreas exocrino (células acinares y células ductales)
Células F (secretan polipéptido pancreático)
(b)
FIGURA 6.10 Anatomía del páncreas. (a) Situado en la cavidad abdominal debajo del estómago. (b) Histología del páncreas. El páncreas está constituido por células acinares y células ductales, que secretan productos exocrinos en los conductos, e islotes de Langerhans, que contienen células que secretan hormonas al líquido intersticial. Hay cuatro tipos de células endocrinas en los islotes; cada tipo secreta una hormona diferente.
Test rápido 6.2 1. Nombra las tres hormonas que libera la glándula tiroides. ¿Qué hormona regula los niveles de calcio en sangre? 2. ¿Qué hormonas libera la corteza suprarrenal? ¿Y cuáles la médula suprarrenal? 3. ¿Qué glándula endocrina secreta insulina? ¿Cuál estrógenos? ¿Cuál melatonina?
Acción de las hormonas en la célula diana La primera parte de este capítulo describía las glándulas que secretan hormonas. En esta sección, trataremos en detalle las acciones de las hormonas en la célula diana. Entre los factores que influyen en la magnitud de la respuesta de una célula diana
a una hormona se incluyen los tipos de receptores de la célula diana y el mecanismo de transducción de señales (tratados en el capítulo 5), y la concentración de hormonas libres en la sangre.
Control de las concentraciones de hormonas en la sangre La concentración de hormonas libres en la sangre depende de tres factores: 1) el ritmo de secreción de hormonas; 2) la cantidad de hormona transportada ligada a las proteínas transportadoras, y 3) el ritmo al que se metaboliza la hormona.
Velocidad de secreción de las hormonas Con pocas excepciones, las células endocrinas y otras células secretoras liberan mensajeros químicos a velocidades variables. Cuando estas células reciben ciertas señales, la velocidad de
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Por qué los atletas toman esteroides A menudo se oye en las noticias: el atleta dio positivo en un control antidopaje por esteroides. ¿Por qué este atleta pone en riesgo su carrera profesional y su salud tomando sustancias ilegales? Los atletas de hoy en día son más fuertes y rápidos que nunca. Se siguen batiendo récords mundiales, aun cuando ya se creía que eran imbatibles. Aunque la mayoría de estos logros se pueden atribuir a los avances en el entrenamiento y en la tecnología, algunos son el resultado del abuso de esteroides. Entre las hormonas esteroideas producidas en el organismo, se incluyen los adrenocorticoesteroides (como la aldosterona y el cortisol) y las hormonas sexuales (andrógenos, estrógenos
y gestágenos). Las drogas esteroideas incluyen los corticoesteroides, prescritos para luchar contra la inflamación, y los esteroides anabólicos, utilizados por los atletas para fortalecer sus músculos. Los esteroides anabólicos son formas sintéticas de andrógenos, las hormonas sexuales masculinas. Por tanto, ayudan a que los hombres desarrollen características sexuales secundarias, como una mayor masa muscular, vello en la cara e impulso sexual. Unos niveles excesivos de andrógenos causan efectos secundarios graves, entre los que se encuentran detención del crecimiento, tumores en el hígado, comportamiento agresivo y hostil, corazón más grande de lo normal, acné, etc.
En las mujeres, los niveles excesivos de andrógenos pueden resultar en una masculinización del cuerpo, como crecimiento de vello facial, agravamiento de la voz y disminución de los ciclos menstruales. Con tantos riesgos para su salud y para sus carreras profesionales, ¿por qué algunos atletas siguen tomando esteroides anabólicos? Los andrógenos pueden aumentar su fuerza en entre un 5 y un 20%, y su masa corporal magra entre 2 y 5 kg. Aunque estos números puedan parecer pequeños, incluso centésimas de segundo en una carrera de 100 m pueden significar la diferencia entre el oro (y millones de dólares de ingresos) o la plata (y un simple billete de avión para regresar a casa).
TABLA 6.1 Órganos endocrinos y hormonas que secretan Órgano
Hormonas
Funciones
Hipotálamo
Hormonas liberadoras e inhibidoras de la liberación
Regula la secreción de las hormonas de la adenohipófisis
Adenohipófisis
Hormona de crecimiento (GH)
Esencial para el crecimiento; estimula el crecimiento de los huesos y del tejido blando; regula el metabolismo de las proteínas, de los lípidos y de los hidratos de carbono
Hormona adrenocorticotrópica (ACTH)
Estimula la secreción de glucocorticoides por la corteza suprarrenal
Hormona estimulante del tiroides (TSH)
Estimula la secreción de hormonas tiroideas por la glándula tiroides
Prolactina
Estimula el desarrollo de las mamas y la secreción de la leche por las glándulas mamarias
Hormona folículo estimulante (FSH)
Mujeres: estimula el crecimiento y el desarrollo de los folículos ováricos, así como la secreción de estrógenos. Hombres: estimula la producción de esperma por los testículos
Hormona luteinizante (LH)
Mujeres: estimula la ovulación, la transformación del folículo ovárico en el cuerpo lúteo y la secreción de estrógenos y progesterona. Hombres: estimula la secreción de testosterona por los testículos
Órganos endocrinos primarios
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TABLA 6.1 Órganos endocrinos y hormonas que secretan (cont.) Órgano
Hormonas
Funciones
Hormona antidiurética (ADH o vasopresina)
Disminuye la producción de orina por los riñones, promueve la constricción de los vasos sanguíneos (arteriolas)
Oxitocina
Mujeres: estimula las contracciones uterinas y la salida de leche por las glándulas mamarias. Hombres: función desconocida
Glándula pineal
Melatonina
Regula los ritmos biológicos en función del ciclo día-noche
Timo
Timosina
Estimula la proliferación y el funcionamiento de los linfocitos T
Glándula tiroides
Hormonas tiroideas (triyodotironina y tetrayodotironina)
Aumenta el metabolismo basal; es necesaria para un desarrollo normal
Calcitonina
Promueve el depósito de calcio en los huesos y baja los niveles de calcio en la sangre
Glándulas paratiroideas
Hormona paratiroidea (PTH)
Promueve la liberación de calcio de los huesos, la absorción de calcio por el intestino y la reabsorción de calcio por los túbulos renales; aumenta los niveles de calcio en la sangre; estimula la síntesis de vitamina D3
Corteza suprarrenal
Mineralocorticoides (aldosterona)
Estimula la reabsorción de sodio y la secreción de potasio por los túbulos renales
Glucocorticoides (cortisol, corticosterona)
Promueve el catabolismo de proteínas y grasas; aumenta los niveles de glucosa en sangre; adapta el organismo al estrés
Andrógenos (dehidroepiandrosterona, androstenodiona)
Promueve el impulso sexual
Médula suprarrenal
Adrenalina
Estimula la respuesta de la huida o el enfrentamiento
Páncreas
Insulina
Reduce los niveles de glucosa en sangre; almacena energía, promoviendo la síntesis de proteínas, lípidos y glucógeno
Glucagón
Aumenta los niveles de glucosa en sangre; moviliza la energía, promoviendo la glucogenólisis, gluconeogenia
Somatostatina
Inhibe la secreción de hormonas pancreáticas; regula la digestión y absorción de nutrientes por el aparato digestivo
Testículos
Andrógenos (testosterona, androstenodiona)
Necesarios para la producción de esperma por los testículos; promueve el impulso sexual y el desarrollo de características sexuales secundarias (vello en la cara, voz grave, etc.)
Ovarios
Estrógenos (estradiol)
Necesarios para el desarrollo folicular; promueven el desarrollo de características sexuales secundarias (pechos, distribución de la grasa corporal, etc.)
Progestágenos (progesterona)
Promueven el crecimiento del endometrio que prepara el útero para la gestación
Gonadotropina coriónica, estrógenos, progesterona
Mantienen el cuerpo lúteo; refuerzan las acciones de las hormonas secretadas por aquel
Corazón
Péptido natriurético auricular
Inhibe la reabsorción de sodio por los túbulos renales
Riñones
Renina
Estimula la secreción de aldosterona indirectamente mediante el sistema renina-angiotensina
Eritropoyetina
Estimula la producción de glóbulos rojos en la médula ósea
Estómago
Gastrina
Estimula la secreción de ácidos por el estómago y la motilidad intestinal
Intestino delgado
Secretina, colecistocinina, péptido insulinotrópico dependiente de glucosa
Regula la motilidad y la secreción digestiva; regula la secreción exocrina por el hígado y el páncreas
Hígado
Factores de crecimiento (IGF) parecidos a la insulina
Promueve el crecimiento del hueso y del tejido blando
Piel, hígado, riñón*
1,25-dihidroxivitamina D3
Promueve la absorción de calcio por el intestino
Neurohipófisis
Gónadas
Placenta (durante la gestación) Órganos endocrinos secundarios
Tubo digestivo
*La piel, el hígado y los riñones son necesarios para la activación de la 1,25-dihidroxivitamina D3.
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Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
secreción aumenta o disminuye. Las velocidades de secreción más rápidas se traducen en concentraciones más altas de hormona en sangre y más moléculas hormonales unidas a receptores en las células diana. Además, cuando los niveles hormonales en sangre aumentan, provocan cambios en las células diana. Sin embargo, en unos pocos casos, las hormonas son secretadas a una velocidad relativamente continua. Como las concentraciones de estos mensajeros no cambian apreciablemente, no desencadenan cambios en la célula diana de la misma forma que lo hacen otras hormonas. En su lugar, facilitan procesos que suelen darse continuamente. Por ejemplo, las hormonas tiroideas suelen ser secretadas a una velocidad casi constante en los adultos y son necesarias para el mantenimiento del metabolismo normal y el funcionamiento del sistema nervioso. En general, las células endocrinas alteran la secreción hormonal en respuesta a dos tipos de estímulos: las señales neurales y las señales humorales (de transmisión sanguínea), cada una de las cuales puede ser estimulante o inhibidora. Las señales neurales regulan directamente la secreción hormonal en el hipotálamo, la neurohipófisis y la médula suprarrenal, lo que puede afectar a la secreción de otras hormonas. Por ejemplo, el estrés activa las señales neurales que estimulan al hipotálamo para que libere hormona liberadora de corticotropina, que estimula la liberación de ACTH de la adenohipófisis (fig. 6.11). La ACTH estimula la corteza suprarrenal para que secrete cortisol, una hormona que ayuda al organismo para que pueda sobrellevar el estrés. Los efectos del cortisol en el estrés se describen en detalle en el capítulo 21. Entre las señales humorales se encuentran tres categorías básicas: 1) hormonas; 2) iones, y 3) metabolitos. Ya hemos tratado el control hormonal de la liberación hormonal con respecto a las hormonas trópicas del hipotálamo y de la adenohipófisis y los ciclos de retroalimentación negativa. Muchas hormonas regulan las concentraciones de iones o metabolitos en sangre, los cuales operan mediante retroalimentación negativa para regular la secreción de las hormonas. Por ejemplo, la figura 6.12a muestra el control de la secreción de insulina según los niveles de glucosa en sangre. Si estos son altos, se estimula que las células beta del páncreas liberen insulina. Esta estimula que la mayoría de las células del organismo capten glucosa, causando un descenso del nivel de glucosa en sangre. Cuando este nivel llega a la normalidad, se reduce el estímulo para la secreción de insulina y su liberación. La figura 6.12b muestra otro ejemplo de retroalimentación negativa: la regulación de los niveles de potasio en sangre. Si hay altos niveles de iones potasio (K+) en sangre, las células de la zona glomerular de la corteza suprarrenal se estimulan para secretar aldosterona. Esta estimula a los riñones para excretar iones potasio en la orina, disminuyendo los niveles de potasio en sangre. Muchas hormonas se secretan según los ritmos circadianos (v. «Descubrimientos: Ritmos circadianos y desfase horario»). Los mecanismos subyacentes a los ritmos circadianos no se conocen del todo, pero el ritmo depende de los estímulos endocrinos y neurales (p. ej., a través de los ojos). El control hormonal proviene, al menos en parte, de la melatonina. Se cree que el estímulo neural proviene de un área del hipotálamo llamada núcleo supraquiasmático, que proporciona estímulo neural (directa o indirectamente) a las células neurosecretoras del hipotálamo que secretan hormonas trópicas. Todas las hormonas trópicas del hipotálamo están afectadas por un ritmo circadiano, creando así un ritmo para la liberación de las hormonas de la adenohipófisis y, a su vez, para la liberación de las hormonas afectadas por ellas.
Estrés Señales neurales
Hipotálamo secreción de la hormona liberadora de corticotropina (CRH)
Adenohipófisis secreción de la hormona adrenocorticotrópica (ACTH)
Corteza suprarrenal secreción de cortisol
Estímulo inicial Respuesta fisiológica
FIGURA 6.11 Control neural de la liberación de hormonas del hipotálamo. La información neural generada por los estímulos estresantes induce la liberación de CRH del hipotálamo, que finalmente ocasiona la liberación de cortisol de la corteza suprarrenal.
Transporte de las hormonas unidas a las proteínas transportadoras Recordemos que los mensajeros hidrófobos, incluyendo las hormonas esteroideas y tiroideas, son transportados por la sangre uniéndose a proteínas de transporte. Cuando las hormonas son transportadas de esta manera, solo la concentración de hormonas no ligadas afecta a la unión de la hormona al receptor. Las proteínas transportadoras aumentan la semivida de las hormonas, para que estén presentes en la sangre por un período más largo, reduciendo el ritmo de su metabolismo, como se describirá a continuación.
Velocidad del metabolismo hormonal Las hormonas permanecen en la sangre solo por un período relativamente corto de tiempo antes de ser metabolizadas. Las hormonas que se unen a los receptores de las células diana a menudo son metabolizadas por esas mismas células. Incluso aquellas moléculas hormonales que se unen a receptores de membrana con frecuencia se «internalizan» por endocitosis del complejo hormona-receptor. Una vez dentro de la célula, la hormona es degradada por enzimas localizadas en los lisosomas. Las hormonas que están libres en la sangre también pueden ser degradadas. Las hormonas peptídicas pueden ser metabolizadas por enzimas proteolíticas presentes en la sangre. Las hormonas también pueden ser metabolizadas por enzimas del hígado. Los productos de degradación de estas hormonas son excretados en la orina, junto con ciertas hormonas que se excretan en su forma original.
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glucosa en sangre
Células beta del páncreas secreción de insulina
Células de todo el organismo
Retroalimentación negativa
captación de glucosa
glucosa en sangre (a) Regulación de la secreción de insulina
K+ en sangre
161
sis mediada por receptor también es el mecanismo que transporta la insulina hasta sus células diana. Una vez dentro de estas, la insulina está expuesta a una enzima responsable de la degradación de insulina (IDE), situada en el citosol. Parte de la insulina es eliminada del organismo por los riñones. Las células renales contienen IDE; pueden degradar la insulina en fragmentos peptídicos más pequeños y, después, excretarlos del organismo. Las hormonas esteroideas y tiroideas se metabolizan más lentamente (tienen una semivida más larga) que los péptidos y las aminas por dos motivos: 1) las hormonas esteroideas y tiroideas se transportan en la sangre unidas a proteínas transportadoras y 2) las hormonas esteroideas y tiroideas liposolubles pueden ser almacenadas temporalmente en el tejido graso. Como ambos procesos son reversibles, las hormonas pueden ser liberadas de estos grupos cuando la concentración de hormonas libres en el plasma comience a disminuir. La existencia de esta reserva de hormonas que se pueden liberar tiende a mantener la concentración de plasma elevada mucho después de que el ritmo de secreción haya vuelto a su nivel de reposo.
Comprueba tus conocimientos
Corteza suprarrenal
El uso de esteroides por parte de atletas profesionales ha dado como resultado que las sociedades atléticas realicen pruebas antidopaje aleatorias. Explica cómo esas pruebas pueden detectar la presencia de esteroides días después de que los atletas los hayan consumido o se los hayan inyectado.
secreción de aldosterona
Riñones
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Retroalimentación negativa
excreción de K+
K+ en sangre (b) Regulación de la secreción de aldosterona Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 6.12 Ejemplos del control humoral de la liberación de hormonas. (a) Control de la liberación de insulina según los niveles de glucosa en sangre. (b) Control de la liberación de aldosterona según los niveles de potasio en sangre. La insulina es una hormona peptídica y la aldosterona es una hormona P esteroidea. ¿Por medio de qué mecanismo se libera la insulina de las células beta y la aldosterona de las células de la corteza suprarrenal?
Utilicemos el metabolismo de la insulina para ilustrar cómo se elimina una hormona de la sangre. La insulina se libera de las células beta del páncreas cuando la glucemia está elevada. Entonces, la insulina actúa en las células diana por todo el organismo para aumentar el transporte de glucosa hacia las células. La semivida de la insulina es corta, de solo unos 4-6 min en la sangre. De hecho, en cuanto la sangre pasa a través del hígado, la mayor parte de la insulina es eliminada de este por endocitosis mediada por receptor (descrita en el capítulo 4). La endocito-
Secreción anormal de las hormonas Una secreción anormal de hormonas puede tener consecuencias graves. Algunas enfermedades están causadas por un exceso en la secreción de una hormona, lo que se denomina hipersecreción; otras están causadas por la secreción insuficiente de una hormona, lo que se denomina hiposecreción. Un ejemplo de hipersecreción es la acromegalia, una enfermedad causada por un exceso de secreción de la hormona del crecimiento en adultos, lo que hace que se densifiquen los huesos y que los órganos crezcan en exceso. Un ejemplo de hiposecreción es la diabetes mellitus insulinodependiente, una enfermedad causada por una secreción insuficiente de insulina de las células beta del páncreas. Si hay muy poca insulina en la sangre, las células no pueden utilizar la glucosa correctamente para crear energía. En los casos de hipersecreción o hiposecreción, el proceso de la enfermedad puede ser primario (actuando directamente en la glándula endocrina) o secundario (lo que implica un problema con la hormona trópica). En un trastorno de secreción primario, la alteración se origina en la glándula endocrina que secreta la hormona. Por ejemplo, en la hipersecreción primaria del cortisol, la glándula suprarrenal secreta demasiado cortisol (fig. 6.13a). Una causa posible de la hipersecreción son los tumores de las células endocrinas (v. «Conexiones clínicas: Adenomas hipofisarios»). En la hipersecreción primaria, los niveles de hormonas trópicas en sangre tienden a ser menores de lo normal, debido al aumento de la retroalimentación negativa de la hormona regulada por las hormonas trópicas. En el ejemplo del cortisol, los niveles de CRH y ACTH en sangre son bajos, porque el exceso de cortisol inhibe su
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Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
DESCUBRIMIENTOS
Ritmos circadianos y desfase horario La invención de los viajes aéreos tuvo una consecuencia inesperada: el fenómeno del «desfase horario», o los síntomas de fatiga experimentados por los viajeros que vuelan atravesando diversas zonas horarias. El desfase horario ocurre porque se altera el ritmo circadiano del cuerpo. El ritmo circadiano es un «reloj» interno que gobierna muchas funciones del organismo. Normalmente, sigue un ciclo de 24 h y está vinculado a las variaciones normales de luz y oscuridad que experimenta una persona a lo largo del curso de un día (circa significa «casi», y diano hace referencia al «día»). Sin embargo, cuando los viajeros vuelan atravesando diversas zonas horarias, se altera su exposición normal a la luz, cambiando sus ritmos circadianos. Como estos ritmos estimulan muchos procesos fisiológicos, sus alteraciones pueden causar síntomas como sueño en las horas diurnas y pérdida de energía, que caracterizan el desfase horario. Este
puede durar varios días y es su duración tiende a aumentar en proporción con el número de zonas horarias que se cruza. Los viajeros pueden adoptar medidas para ayudar a reducir los efectos del desfase horario. Como lo que altera el ritmo circadiano es un cambio en el nivel de luz, los viajeros pueden simular exposiciones normales a la luz con ayuda de una luz artificial potente mientras vuelan. Las luces artificiales por la noche benefician a los que viajan hacia el oeste, mientras que las luces artificiales por la mañana benefician a quienes viajan hacia el este. También ciertos medicamentos pueden ayudar a algunos viajeros. En los últimos años ha aumentado considerablemente el uso de la melatonina (hormona de la glándula pineal que se cree que está vinculada con los ritmos circadianos) para evitar el desfase horario. Sin embargo, no hay evidencias científicas concluyentes de su eficacia.
liberación mediante retroalimentación negativa. En la hiposecreción primaria del cortisol, los niveles hormonales siguen el patrón opuesto: los niveles de cortisol bajan, pero los de CRH y ACTH aumentan como consecuencia de una realimentación negativa reducida. En un trastorno de secreción secundario, la alteración afecta a las células endocrinas de la adenohipófisis o bien del hipotálamo, que secretan la hormona trópica. En la hipersecreción secundaria del cortisol, por ejemplo, los niveles de cortisol en sangre aumentan debido a una secreción excesiva de ACTH por una adenohipófisis anormal (fig. 6.13b) o bien por una secreción excesiva de CRH por un hipotálamo anormal. Si el exceso de ACTH es secretado por la adenohipófisis, los niveles de cortisol en sangre aumentan, pero los de CRH disminuyen, debido a un aumento de la retroalimentación negativa por el cortisol. Si el exceso de CRH es secretado por el hipotálamo, los niveles de ACTH y cortisol en sangre también aumentan.
Comprueba tus conocimientos Describe los cambios en los niveles de las hormonas liberadora de tirotropina, estimulante del tiroides y tiroideas en la sangre si un adenoma hipofisario no funcional causa un defecto en la secreción de hormona estimulante del tiroides.
Interacciones hormonales Como vimos anteriormente, casi todas las células están expuestas a las hormonas, de modo que las células diana de un mensajero químico deben tener receptores que sean específicos para ese mensajero. Como una sola hormona puede tener receptores en distintos tipos de células, esa hormona puede producir más de un efecto en el organismo. Por ejemplo, hay receptores de ADH tanto en ciertas células epiteliales de los riñones, donde la ADH aumenta la reabsorción de agua, como en células del músculo liso de ciertos vasos sanguíneos, donde la ADH hace que las células musculares se contraigan, disminuyendo el diámetro de los vasos sanguíneos. Como muestra la tabla 6.1, a menudo ocurre que más de una hormona afecta a una función dada del organismo. Por ejemplo, los niveles de calcio en sangre son regulados por la calcitonina, la hormona paratiroidea y la 1,25-dihidroxivitamina D3. Análogamente, los niveles de glucosa en sangre son regulados por la insulina, el glucagón, la adrenalina, el cortisol y la hormona de crecimiento. En algunos casos, los efectos de las hormonas se oponen unos a otros, un proceso llamado antagonismo. Por ejemplo, la hormona paratiroidea aumenta los niveles de calcio en sangre, mientras que la calcitonina los disminuye. De igual manera, el glucagón sube los niveles de glucosa en sangre, mientras que la insulina los baja. En otros casos, las hormonas producen efectos en la misma dirección, generalmente con medios diferentes. Cuando dos o
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Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Hipotálamo
Hipotálamo
secreción de hormona liberadora de corticotropina (CRH)
secreción de hormona liberadora de corticotropina (CRH) Regulación inadecuada
Adenohipófisis
EMPIEZA AQUÍ
secreción de hormona adrenocorticotrópica (ACTH) Regulación inadecuada EMPIEZA AQUÍ
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Regulación inadecuada
Adenohipófisis anormal secreción excesiva de hormona adrenocorticotrópica (ACTH)
Retroalimentación negativa
Retroalimentación negativa Glándula suprarrenal
Glándula suprarrenal anormal secreción excesiva de cortisol
(a) Hipersecreción primaria de cortisol
secreción excesiva de cortisol
(b) Hipersecreción secundaria de cortisol
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 6.13 Secreción anormal de cortisol. (a) Hipersecreción primaria de cortisol. Una alteración de la glándula suprarrenal hace que secrete demasiado cortisol. Un exceso de cortisol en la sangre induce una fuerte retroalimentación negativa, disminuyendo la liberación de CRH y ACTH en la sangre. (b) Hipersecreción secundaria de cortisol. Una alteración de la
más hormonas producen el mismo tipo de respuesta en el organismo, el efecto puede ser aditivo, en cuyo caso el efecto neto iguala la suma de los efectos individuales, o sinérgico, en cuyo caso el efecto neto es mayor que la suma de los efectos individuales. Supongamos, por ejemplo, que las hormonas A y B producen efectos iguales cuando están presentes en una concentración de 1 nanogramo por decilitro (ng/dl) de sangre. Si ambas hormonas están presentes en 1 ng/dl de sangre, entonces la respuesta en una interacción aditiva sería la suma de la de las hormonas individuales, pero la respuesta en una interacción sinérgica sería mayor que la suma de las respuestas hormonales individuales. En algunos casos, la presencia de una hormona es necesaria para que otra hormona pueda ejercer sus acciones, un proceso denominado permisividad. Un ejemplo sería el de la adrenalina, que se une a receptores B-adrenérgicos en las células del tejido muscular liso de los bronquiolos (pequeñas vías de los pulmones), consiguiendo con ello que estas vías aumenten de diámetro (se dilaten). Las hormonas tiroideas son esenciales para la síntesis de los receptores B-adrenérgicos en estas células diana. Por tanto, aun cuando las hormonas tiroideas por sí mismas no tengan un efecto directo en el diámetro de los bronquíolos, la adrenalina no puede desencadenar la dilatación de los bronquíolos en ausencia de hormonas tiroideas, porque no hay receptores a los que la adrenalina se pueda unir.
adenohipófisis hace que secrete demasiada ACTH. El exceso del nivel de ACTH en la sangre estimula a la glándula suprarrenal para que secrete un exceso de cortisol. La retroalimentación negativa al hipotálamo aumenta, con lo que los niveles de CRH en sangre disminuyen.
Test rápido 6.3 1. Nombra los tres factores que afectan a la concentración de una hormona en sangre. 2. Describe el control humoral de la secreción hormonal. 3. ¿Cómo afecta la unión de una hormona a una proteína transportadora en la sangre a la semivida de la hormona? 4. Compara la hipersecreción primaria de cortisol con la hipersecreción secundaria en respuesta a cambios en los niveles de CRH. Describe los cambios en los niveles de CRH, ACTH y cortisol en sangre que podemos observar con cada uno. 5. Compara el antagonismo, los efectos aditivos, los efectos sinérgicos y la permisividad en cuanto a su relación con las interacciones hormonales.
Integración de sistemas Como hemos aprendido en este capítulo, el sistema endocrino implica la liberación de hormonas de muchos órganos diferentes. Después, estas hormonas viajan en la sangre para afectar a las células diana de todo el organismo. Así, a medida que vayamos viendo diversos sistemas en los capítulos que prosiguen, el sistema endocrino volverá a aparecer una y otra vez. En el aparato cardiovascular (v. capítulos 13-15), aprenderemos cuál es la función de la adrenalina en la regulación de la cantidad de san-
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Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
CONEXIONES CLÍNICAS
Adenomas hipofisarios Los adenomas hipofisarios son tumores benignos (no cancerosos) de las células epiteliales de la hipófisis. Aunque no son cancerosos, los adenomas hipofisarios son, sin embargo, potencialmente peligrosos, porque pueden afectar a los niveles normales de secreción de hormonas de la hipófisis. Los adenomas hipofisarios constituidos por células tumorales inactivas se denominan adenomas no funcionales. Estos tienden a disminuir la secreción de ciertas hormonas, comprimiendo las células endocrinas normales, o bien a causar otros trastornos neurológicos al comprimir las neuronas situadas cerca del tumor. Los adenomas con células tumorales que secretan activamente una hormona determinada (aumentando así la secreción de hormonas hipofisarias) reciben el nombre de adenomas funcionales. Aproximadamente el 50% de los adenomas hipofisarios funcionales afectan a las células que secretan prolactina y pueden provocar secreciones lácteas de la glándulas mamarias fuera del período posparto (galactorrea), períodos menstruales irregulares (amenorrea) o disfunciones sexuales. Las células secretoras de hormona del crecimiento
están afectadas por los adenomas hipofisarios funcionales en un 30%, dando como resultado una talla excesiva (gigantismo) en los niños o un engrosamiento excesivo de los huesos y un agrandamiento de los tejidos blandos (acromegalia) en los adultos. Las células secretoras de ACTH se ven afectadas en un 20% por los adenomas hipofisarios funcionales, dando como resultado la enfermedad de Cushing. Como su secreción de cortisol está incrementada, las personas que padecen la enfermedad de Cushing tienden a tener niveles de glucosa elevados, lo que puede motivar diabetes mellitus. Otros síntomas pueden ser obesidad del tronco (pero no de las extremidades), estrías de color púrpura («marcas de estiramiento») en el abdomen debidas a una carencia de colágeno en la piel, y una cara redondeada debido a la acumulación de líquidos. Los adenomas hipofisarios de menos de 1 cm de diámetro reciben el nombre de microadenomas. Los mayores de 1 cm se denominan macroadenomas. La mayoría de los adenomas hipofisarios funcionales son microadenomas, porque causan síntomas que suelen permitir una detección temprana de
gre bombeada del corazón y el diámetro de los vasos sanguíneos. También aprenderemos las funciones de las hormonas angiotensina II y vasopresina en la disminución del diámetro de los vasos sanguíneos. En el sistema renal (v. capítulos 18 y 19), aprenderemos sobre las hormonas que regulan el equilibrio
los tumores. El tratamiento de los adenomas hipofisarios es parecido al de otros tumores e incluye tratamientos farmacológicos (normalmente eficaces para la hipersecreción de prolactina y hormona de crecimiento, pero no de ACTH), radioterapia o extirpación quirúrgica del tumor.
Gigantismo.
entre líquidos y electrólitos. Al estudiar el metabolismo y el crecimiento de todo el organismo, aprenderemos el papel de muchas hormonas que desempeñan funciones en estos apartados. Varias hormonas también son importantes en la reproducción, de la que trata el capítulo 22.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Órganos endocrinos primarios, pág. 150 Los órganos endocrinos primarios incluyen la hipófisis (dividida en adenohipófisis y neurohipófisis), la glándula pineal, la glándula tiroides, las glándulas paratiroideas, el timo, el páncreas y las gónadas. La secreción de la adenohipófisis está regulada por hormonas trópicas secretadas por células neurosecretoras del hipotálamo. La secreción de estas y otras hormonas se regula mediante retroalimentación negativa.
Endocrine, Endocrine System Review, págs. 1–6
Órganos endocrinos secundarios, pág. 156 Un órgano endocrino secundario secreta una hormona además de realizar otra función primaria. Entre los órganos endocrinos secundarios se encuentran el corazón, el hígado y los riñones.
Acción de las hormonas en la célula diana, pág. 157 La magnitud de la respuesta de una célula diana a una hormona varía según la concen-
tración de hormona en el plasma, lo que depende de la velocidad a la que se secrete esa hormona, de la cantidad de hormona que esté unida a las proteínas transportadoras en la sangre, y de la velocidad a la que la hormona se metaboliza. El hígado degrada la mayoría de las hormonas y los productos de deshecho, finalmente, se excretan, en la orina.
Endocrine, Actions of Hormones on Target Cells, págs. 1–9
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Secreción anormal de las hormonas, pág. 161 Entre las secreciones anormales de hormonas se encuentran la hiposecreción, o secreción de escasa hormona, y la hipersecreción, o secreción excesiva de hormona. El trastorno puede ser primario o secundario. Un trastorno de secreción se considera primario
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
cuando el órgano endocrino es anormal y secreta una cantidad incorrecta de hormona. Se habla de un trastorno de secreción secundario cuando el hipotálamo o la adenohipófisis es anormal y secreta una cantidad incorrecta de hormona trópica, que desencadena, por tanto, una secreción inadecuada de hormona de la glándula endocrina diana.
165
Interacciones hormonales, pág. 162 Una sola hormona puede regular más de una función corporal, y una función dada puede estar regulada por dos o más hormonas, que pueden ejercer efectos aditivos, antagonistas, sinérgicos o permisivos.
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Cuál de las siguientes áreas de la glándula suprarrenal libera adrenalina? a) zona reticular b) zona fascicular c) zona glomerular d) médula 2. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es la más precisa con respecto a la regulación de la secreción de la hormona hipofisaria por el hipotálamo? a) Todas las hormonas hipofisarias están reguladas por hormonas trópicas del hipotálamo. b) Todas las hormonas de la adenohipófisis están reguladas por una hormona liberadora y una hormona liberadora-inhibidora del hipotálamo. c) Todas las hormonas de la neurohipófisis están reguladas por una hormona liberadora del hipotálamo. d) Todas las hormonas de la adenohipófisis son hormonas trópicas. e) ninguna de las anteriores 3. La mayoría de las hormonas hipotalámicas e hipofisarias son a) aminoácidos. b) péptidos/proteínas. c) esteroides. d) eicosanoides. e) catecolaminas. 4. ¿La liberación de cuál o cuáles de las siguientes hormonas es estimulada por la hormona liberadora de gonadotropina? a) hormonas sexuales b) hormona folículo estimulante c) hormona luteinizante d) tanto la hormona folículo estimulante como la hormona luteinizante 5. ¿Cuál de las siguientes hormonas suprarrenales es secretada por las células cromafines?
a) b) c) d)
cortisol aldosterona adrenalina andrógenos
6. En la hiposecreción primaria de las hormonas tiroideas, a) los niveles de hormonas tiroideas en sangre disminuyen. b) los niveles de hormona liberadora de tirotropina en sangre disminuyen. c) los niveles de hormona estimulante del tiroides en sangre disminuyen. d) todas las respuestas son correctas e) ninguna de las respuestas es correcta 7. ¿Cuál de los siguientes órganos secreta glucagón? a) hígado b) adenohipófisis c) neurohipófisis d) glándula suprarrenal e) páncreas 8. ¿Cuál de los siguientes es un ejemplo de permisividad? a) El glucagón aumenta los niveles de glucosa en sangre y la insulina los disminuye. b) El glucagón, la adrenalina y el cortisol aumentan, todos ellos, los niveles de glucosa en sangre. c) El estrógeno estimula la síntesis de receptores de progesterona en el endometrio. d) todas las respuestas son correctas e) ninguna de las respuestas es correcta
Preguntas objetivas 1. Las glándulas (endocrinas/exocrinas) secretan hormonas. 2. El estímulo neural al hipotálamo está implicado en la regulación de la secreción de hormonas por ambos lóbulos de la hipófisis. (verdadero/falso) 3. La adrenalina es secretada por la (médula/corteza) suprarrenal.
4. Las hormonas tiroideas se clasifican como (aminas/esteroides). 5. Los mensajeros lipófobos son secretados por (exocitosis/difusión por la membrana celular). 6. La calcitonina es secretada por la glándula (tiroidea/paratiroidea).
Preguntas abiertas 1. Describe la función del hipotálamo en la regulación de la secreción de la hormona de la adenohipófisis. 2. Describe los diversos factores que afectan a la concentración de una hormona en el plasma. 3. Describe la anatomía de la glándula suprarrenal. ¿Cuáles son sus dos subdivisiones principales? ¿Cuáles son las subdivisiones menores de su región externa? ¿Qué hormonas son secretadas por las diferentes subdivisiones?
Pensamiento crítico 1. Las hormonas antagonistas ejercen acciones opuestas sobre el tejido diana. ¿Por qué puede ser esto una ventaja? ¿Qué podríamos predecir sobre los factores que liberan estas hormonas? 2. Cuando se descubre una sustancia y se cree que es una hormona, se la denomina factor. ¿Qué evidencia podríamos aventurar que necesitaría un científico para cambiar el nombre de factor a hormona? 3. La 1,25-dihidroxivitamina D3 es una hormona que aumenta la absorción de calcio por el tubo digestivo y la reabsorción de calcio por los riñones, incrementando así la calcemia. Según lo que sabemos sobre el control de la liberación de hormonas, ¿qué efecto tiene el calcio en la liberación de la 1,25-dihidroxivitamina D3?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
7
Células nerviosas y señales eléctricas Imaginemos que estamos parados ante un semáforo en rojo en nuestro coche. La luz cambia a verde y empezamos a entrar en una intersección. Por el rabillo del ojo nos damos cuenta de que un camión se acerca hacia nosotros a gran velocidad por la izquierda. Las células nerviosas del cerebro inmediatamente envían impulsos eléctricos a lo largo de la médula espinal, donde esos impulsos se transmiten a las células nerviosas que controlan los músculos de las piernas. Menos de un segundo después de haber visto al camión, apretamos el pedal del freno justo a tiempo de evitar una colisión grave. Todos los días y a cada minuto amplias redes de células nerviosas por todo el cuerpo envían mensajes. En el ejemplo descrito, los mensajes se han transmitido por medio de señales eléctricas más pequeñas que la decimoquinta parte del voltaje de una pila normal de una linterna. Algunas células nerviosas envían mensajes del sistema nervioso a los órganos, mientras que otras envían mensajes de los órganos al sistema nervioso. Tal intercambio de señales de ida y vuelta es crucial para el mantenimiento a corto plazo de la homeostasis, porque proporciona una retroalimentación segundo a segundo, necesaria para la regulación del medio interno del organismo.
CONTENIDOS Generalidades del sistema nervioso Microfotografía electrónica en color de unos axones.
Células del sistema nervioso
167
167
Establecimiento del potencial de membrana en reposo Señales eléctricas mediante cambios en el potencial de membrana 179 Mantenimiento de la estabilidad neural
192
173
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OBJETIVOS
Describir los componentes principales del sistema nervioso y la dirección del flujo de información dentro y entre ellos.
Describir la anatomía básica de una neurona. Comparar las funciones de cada parte de una neurona y describir los tipos de canales iónicos situados en cada parte. Describir el agrupamiento de neuronas dentro del sistema nervioso central y el sistema nervioso periférico.
Describir la estructura y las funciones de la mielina.
Explicar la base iónica del potencial de membrana en reposo.
Describir las diversas propiedades de los potenciales graduados, incluyendo la dirección del cambio de potencial, la magnitud del cambio y la suma temporal y espacial. Explicar cómo los potenciales graduados en las neuronas pueden desencadenar un potencial de acción.
Explicar la base iónica de un potencial de acción. Describir los mecanismos de umbral de los canales de sodio y de potasio sensibles al voltaje.
Describir la propagación de los potenciales de acción desde el cono axónico hasta su terminal, y comparar la propagación en axones mielinizados y no mielinizados.
Describir los períodos refractarios, incluyendo qué causa los períodos refractarios absolutos y relativos, y explicar su significado fisiológico.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Bomba de Na+/K+, pág. 109 2. Canales iónicos, pág. 107 3. Fuerzas químicas y eléctricas, págs. 96, 97
E
n el capítulo 5 aprendimos cómo se comunican las células entre sí. Para comunicaciones a larga distancia, tenemos el lento sistema endocrino (descrito en el capítulo 6) y el sistema nervioso (que se describe en los capítulos 7 al 11). Para comprender cómo funciona el sistema nervioso, debemos entender las propiedades generales de las biomoléculas (v. capítulo 2), las propiedades de la energía (v. capítulo 3), los mecanismos de transporte (v. capítulo 4) y los mecanismos de transducción de señales (v. capítulo 5). En este capítulo, examinaremos cómo los gradientes electroquímicos descritos en el capítulo 4 no solo son responsables del potencial de membrana en reposo, sino también de las señales eléctricas que se transmiten entre las células nerviosas.
Generalidades del sistema nervioso El sistema nervioso puede dividirse en dos partes anatómicas principales: el sistema nervioso central y el sistema nervioso periférico (fig. 7.1). El sistema nervioso central (SNC) comprende el cerebro y la médula espinal. El SNC recibe y procesa infor-
Células nerviosas y señales eléctricas
167
mación de los órganos sensoriales y las vísceras para determinar el estado del medio externo (información sensorial) y el medio interno (información visceral). El SNC integra esta información y toma decisiones sobre las acciones adecuadas, y después envía órdenes a ciertos órganos (como los músculos y las glándulas), dándoles instrucciones para realizar las tareas correspondientes. El sistema nervioso central también es el lugar del aprendizaje, la memoria, las emociones, los pensamientos, el lenguaje y otras complejas funciones. El sistema nervioso periférico está constituido por neuronas que permiten la comunicación entre el sistema nervioso central y los órganos del cuerpo. El sistema nervioso central puede subdividirse en dos: aferente y eferente. Las neuronas de la división aferente transmiten información sensorial y visceral de los órganos al sistema nervioso central. La información transmitida al sistema nervioso central incluye los sentidos somáticos (asociados con la piel, los músculos y las articulaciones), los sentidos especiales (visión, oído, equilibrio, olfato y gusto) y la información visceral perteneciente al medio interno (como la sensación de tener lleno el estómago, la presión arterial y el pH de la sangre). Las neuronas de la división eferente transmiten información del sistema nervioso central a los órganos de la periferia, llamados órganos efectores, que realizan funciones en respuesta a las órdenes de las neuronas. Los órganos efectores suelen ser músculos y glándulas. Se dice que una neurona capaz de transmitir mensajes a un órgano efector o de recibir información de un órgano sensorial inerva ese órgano. La división eferente puede subdividirse más en dos ramas principales: los sistemas nerviosos somáticos y autónomos. El sistema nervioso somático comprende las motoneuronas, que regulan las contracciones de los músculos esqueléticos. El sistema nervioso autónomo está constituido por neuronas que regulan la función de los órganos internos y otras estructuras (como las glándulas sudoríparas y los vasos sanguíneos), que no están bajo control voluntario. El sistema nervioso autónomo puede dividirse en dos ramas: el sistema nervioso parasimpático y el simpático, que tienden a tener efectos opuestos en los órganos. El organismo también tiene un sistema nervioso entérico, que consiste en una red intrincada de neuronas en el tubo digestivo que puede funcionar independientemente del resto del sistema nervioso, pero que se comunica con el sistema nervioso autónomo. El capítulo 20 describe el sistema nervioso entérico en detalle.
Células del sistema nervioso El sistema nervioso contiene dos clases principales de células: las neuronas y la neuroglia. En el sistema nervioso, la neurona es la unidad funcional, la unidad más pequeña de un tejido que puede realizar la función de ese tejido. Las neuronas son «células excitables» que se comunican transmitiendo impulsos eléctricos. Las células excitables se definen como células capaces de producir señales eléctricas grandes y rápidas, llamadas potenciales de acción. La neuroglia, que constituye el 90% de las células del sistema nervioso, proporciona varios tipos de apoyo a las neuronas, incluyendo apoyo metabólico y estructural.
Neuronas La figura 7.2 ilustra la anatomía de las neuronas típicas. La mayoría de las neuronas contienen tres componentes principa-
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Células nerviosas y señales eléctricas
Sistema nervioso central
Sistema nervioso periférico Sentidos somáticos ENTRADA
Aferente
Sentidos especiales Sentidos viscerales
Cerebro y médula espinal Somático SALIDA
Músculo esquelético
Eferente Simpático Autónomo Parasimpático
Músculo cardíaco Músculo liso Glándulas Sistema nervioso entérico
Tubo digestivo
FIGURA 7.1 Organización del sistema nervioso. El sistema nervioso tiene dos partes principales: el sistema nervioso central y el sistema nervioso periférico. El segundo se compone funcionalmente de las divisiones aferente y eferente. Las flechas indican la dirección del flujo de información.
les: un cuerpo celular y dos tipos de prolongaciones neurales que se extienden desde el cuerpo celular: las dendritas y un axón. El cuerpo celular (o soma) contiene el núcleo de la célula y la mayoría de los orgánulos celulares; realiza la mayoría de las funciones comunes a otras células, como la síntesis de proteínas y el metabolismo celular. Aunque las neuronas maduras conservan su núcleo, pierden la capacidad de sufrir división celular. Por tanto, en la mayoría de las áreas del sistema nervioso, los adultos tienen todas las neuronas que van a tener durante toda su vida. Sin embargo, en unas pocas áreas del cerebro humano adulto pueden desarrollarse nuevas neuronas a partir de células indiferenciadas (v. «Descubrimientos: Neurogenia»). Las dendritas se ramifican del cuerpo celular y reciben impulsos de otras neuronas en uniones especiales llamadas sinapsis. (Los cuerpos celulares también pueden recibir impulsos sinápticos.) En una sinapsis, una neurona presináptica libera un mensajero químico llamado neurotransmisor, que normalmente comunica con la dendrita o el cuerpo celular de una neurona postsináptica u otra célula. Las neuronas tienen otra rama que procede del cuerpo celular llamada axón, o fibra nerviosa. A diferencia de una dendrita, cuya función es recibir información, la función de un axón es enviar información. Generalmente, una neurona no solo tiene un axón, sino que los axones pueden ramificarse y, por tanto, enviar señales a más de un destino. Las ramas de un axón se denominan colaterales y, como las dendritas, el alcance de las ramas varía dependiendo de las neuronas e indica la cantidad de comunicaciones con otras células. La función del axón es la rápida transmisión de información a lo largo de distancias relativamente largas en forma de señales eléctricas llamadas potenciales de acción, que son cambios breves y grandes del potencial de membrana durante los cuales el interior de la célula se carga positivamente con relación al exterior. (Las propiedades de los potenciales de acción se describen en detalle en una sección posterior de este capítulo.) El comien-
zo y el final de un axón son estructuras especializadas llamadas cono axónico y axón terminal, respectivamente. El cono axónico, el sitio donde se origina el axón a partir del cuerpo celular, está especializado en la mayoría de las neuronas para el inicio de los potenciales de acción. Una vez iniciados, los potenciales de acción se transmiten al axón terminal por mecanismos que vamos a examinar en breve. El axón terminal está especializado en liberar neurotransmisores en el momento en el que llega un potencial de acción. Las moléculas de neurotransmisor liberadas transportan una señal a una célula postsináptica, normalmente a una dendrita, o al cuerpo celular de otra neurona, o a las células de un órgano efector. La neurona cuyo axón terminal libera neurotransmisores es la célula presináptica.
Localización de los canales iónicos en las neuronas Como las distintas regiones de una neurona suelen asumir funciones especializadas (aunque hay excepciones), cada región tiende a tener tipos específicos de canales iónicos, la mayoría de los cuales tienen una acción de umbral (pueden abrirse o cerrarse). El que los canales iónicos se abran o se cierren cambia la permeabilidad de la membrana plasmática para un ion específico, lo cual da como resultado un cambio en las propiedades eléctricas de la célula o la liberación de un neurotransmisor. Los canales de goteo (o sin umbral) que se encuentran en la membrana plasmática a lo largo de una neurona siempre están abiertos y son responsables del potencial de membrana en reposo. Los canales regulados por ligandos se abren o se cierran en respuesta a la unión de un mensajero químico con un receptor específico de la membrana plasmática. En las neuronas, los canales regulados por ligando muestran una mayor densidad en las dendritas y en el cuerpo celular, áreas que reciben comunicación de las neuronas presinápticas en forma de neurotransmisores.
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Células nerviosas y señales eléctricas
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Dendritas
Cuerpo celular (soma) Axones terminales
Núcleo Dirección de la señal Cono axónico
Neurona presináptica
Axón
Sinapsis Dendritas
Axón terminal Neurona postsináptica
Neurotransmisor (después de la liberación) Axones terminales Axón
Axón colateral
FIGURA 7.2 Estructura de una neurona típica. Se muestran dos neuronas; la neurona superior (neurona presináptica) se comunica con la neurona inferior (neurona postsináptica), como indican las flechas que representan el flujo de información. Entre las partes más importantes de una neurona se encuentran el cuerpo celular (también conocido como soma); las dendritas, que reciben comunicación de otras neuronas, y un axón, que está especializado en la transmisión de impulsos eléctricos. Los axones terminales de una neurona liberan un mensajero químico (neurotransmisor) que comunica con otra neurona en una sinapsis.
Los canales de umbral de voltaje se abren o se cierran en respuesta a cambios en el potencial de membrana. Los canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio están situados a lo largo de la neurona, pero de manera más densa en el axón, y en una densidad muy grande en el cono axónico. Estos canales son necesarios para el comienzo y la propagación de los potenciales de acción. Los canales de umbral de voltaje de calcio están más densamente situados en los axones terminales; estos canales se abren en respuesta a la llegada de un potencial de acción a los axones terminales. Cuando estos canales se abren, el calcio penetra en el citosol de los axones terminales y desencadena la liberación del neurotransmisor.
Clasificación estructural de las neuronas Se puede clasificar a las neuronas estructuralmente según el número de prolongaciones (axones y dendritas) que se proyectan del cuerpo celular (fig. 7.3).Entre las neuronas que se suelen encontrar en los seres humanos se incluyen las neuronas bipolares y las neuronas multipolares. Las neuronas bipolares suelen ser neuronas sensoriales con dos proyecciones, un axón y una dendrita, que salen del cuerpo celular. Las neuronas bipolares típicas (v. fig. 7.3a) realizan sus funciones en los sentidos del olfato y la vista. Sin embargo, la mayoría de las neuronas sensoriales son una subclase de las neuronas bipolares llamada
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Células nerviosas y señales eléctricas
DESCUBRIMIENTOS
Neurogenia Durante décadas, los neurocientíficos creyeron que el cerebro humano adulto no podía producir nuevas neuronas. Entonces, en los años setenta, Pasquale Graziadel y cols. descubrieron que las células basales del epitelio olfativo de la cavidad nasal producían células receptoras nuevas (células receptoras sensoriales para el olor). En los años noventa, otros investigadores encontraron evidencias de la neurogenia, la producción de nuevas neuronas, en el sistema nervioso central. La neurogenia en especies inferiores deanimales ha sido evidente durante más de 30 años. Elizabeth Gould y cols. de Princeton han estudiado la neurogenia en primates durante los últimos años. En algunos de estos estudios, se administró bromodeoxiuridina (BrdU) a los animales para que sirviera como marcador de la proliferación celular. Antes de que las células puedan dividirse, tienen que replicar nuevo ADN. La BrdU se incorpora al ADN de nueva síntesis y, por tanto, marca cualquier ADN que se forme después de su administración. Las células que contienen BrdU en su ADN se identifican post mortem mediante su análisis histológico. Utilizando esta técnica y otras, Gould y cols. descubrieron que la
neurogenia tiene lugar en varias áreas del cerebro, incluyendo el hipocampo, la corteza prefrontal, la corteza temporal inferior y la corteza parietal de los primates no humanos. Fred Gage y cols., del Salk Institute for Biological Studies, han estudiado la neurogenia en el hipocampo en especies animales inferiores y recientemente han proporcionado pruebas de que la neurogenia también tiene lugar en el hipocampo de los seres humanos. Sus estudios en la raza humana utilizaron BrdU, del mismo modo que el estudio de Gould en los primates inferiores. Los individuos estudiados eran pacientes que padecían cáncer del doctor sueco Peter Eriksson. Eriksson estaba tratando a los pacientes con BrdU para medir la proliferación de las células tumorales. Estos pacientes estuvieron de acuerdo en donar sus cerebros al grupo de investigación de Gage al morir. Los análisis post mortem de los cerebros mostraron que la BrdU se había incorporado al ADN de las neuronas en el hipocampo. Estos hallazgos son la primera evidencia de neurogenia en el cerebro humano. El descubrimiento de la neurogenia en el cerebro humano tiene una gran relevancia clí-
nica. Muchas enfermedades neurológicas, incluyendo la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer o el derrame cerebral, implican la pérdida de neuronas funcionales. Si los científicos desvelaran los misterios de la neurogenia, podrían ser capaces de desarrollar técnicas que ayuden al sistema nervioso central a sustituir las neuronas perdidas.
Tinción fluorescente de neuronas hipocampales.
Dendritas
Axón periférico
Dendrita
Cuerpo celular
Cuerpo celular Axón central
Axón
(a) Bipolar
(b) Seudounipolar
Axón
(c) Multipolar
FIGURA 7.3 Clases estructurales de neuronas. (a) Neurona bipolar. Las neuronas aferentes asociadas con la vista y el olfato son neuronas bipolares. (b) Neurona seudounipolar. La gran mayoría de neuronas aferentes son seudounipolares. (c) Neurona multipolar. La mayoría de las neuronas son neuronas multipolares.
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neuronas seudounipolares (v. fig. 7.3b), porque el axón y las proyecciones de las dendritas tienen el aspecto de una prolongación única que se extiende en dos direcciones desde el cuerpo celular. En realidad, la dendrita está modificada para funcionar de manera muy parecida a un axón, y es una continuación funcional de éste. La prolongación dendrítica modificada se denomina axón periférico, porque se origina en la periferia con los receptores sensoriales y funciona como un axón en que transmite los potenciales de acción. La prolongación axónica se denomina axón central, porque termina en el sistema nervioso central, donde forma sinapsis con otras neuronas. Las neuronas multipolares, las neuronas más comunes, tienen proyecciones múltiples que salen del cuerpo celular (v. fig. 7.3c); una proyección es un axón, todas las demás son dendritas.
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Sistema nervioso periférico
Sistema nervioso central
Cuerpo celular Axón central
Axón periférico Receptores sensoriales/ viscerales
Interneuronas Entrada Neurona aferente
Salida Órganos efectores Cuerpo celular
Clasificación funcional de las neuronas
Células nerviosas y señales eléctricas
Neurona eferente
FIGURA 7.4 Clases funcionales de neuronas. Las neuronas aferentes se originan en la periferia con
receptores sensoriales o viscerales. Los axones periféricos de las neuronas aferentes son parte del sistema Hay tres clases funcionales de neunervioso periférico, pero los axones terminales están situados en el sistema nervioso central, donde se ronas: neuronas eferentes, neurocomunican con otras neuronas. Las neuronas eferentes se originan en el sistema nervioso central, donde el nas aferentes e interneuronas cuerpo celular y las dendritas reciben comunicación sináptica de otras neuronas. Sin embargo, los axones (fig. 7.4). Las neuronas eferentes eferentes son parte del sistema nervioso periférico y terminan en una sinapsis con un órgano efector. Las transmiten información del sistema interneuronas se encuentran solo en el sistema nervioso central y pueden comunicarse con neuronas nervioso central hacia los órganos aferentes, neuronas eferentes u otras interneuronas. efectores. Recordemos que las neuronas eferentes incluyen a las motoNombra dos tipos de órganos efectores. neuronas, que se extienden hasta el músculo esquelético, y a las neuronas del sistema nervioso autónomo La tercera clase funcional de neuronas son las interneuro(v. fig. 7.1). Obsérvese en la figura 7.4 que el cuerpo celular y nas, que suponen el 99% de todas las neuronas del cuerpo. Estas las dendritas de las neuronas eferentes están situados en el están totalmente localizadas en el sistema nervioso central. Las sistema nervioso central (las neuronas posganglionares autóinterneuronas realizan todas las funciones del sistema nervioso nomas, descritas en el capítulo 11, son una excepción). Sin central, incluyendo el procesamiento de la información sensoembargo, el axón deja el sistema nervioso central y se convierrial de las neuronas aferentes, el envío de órdenes a los órganos te en parte del sistema nervioso periférico a medida que viaja efectores a través de las neuronas eferentes y la realización de hacia el órgano efector al que inerva. funciones complejas del cerebro, como el pensamiento, la La función de las neuronas aferentes es transmitir informemoria y las emociones. mación sensorial de los receptores sensoriales (que detectan la información perteneciente al medio externo) o información visceral de los receptores viscerales (que detectan la informaOrganización estructural de las neuronas ción perteneciente a las condiciones del interior del organisen el sistema nervioso mo) al sistema nervioso central para que siga procesándola. La mayoría de las neuronas aferentes son neuronas seudounipoLas neuronas están dispuestas dentro del sistema nervioso de una lares, que tienen el cuerpo celular situado fuera del sistema manera ordenada, de forma que aquellas cofunciones similares nervioso central en un ganglio (el término general que se da a tienden a estar agrupadas. Además, las neuronas están alineadas un agrupamiento de células neurales situadas fuera del SNC). de tal manera que los cuerpos celulares y las dendritas de las céluLas terminaciones del axón periférico están situadas en el órgalas adyacentes tienden a agruparse, y los axones de las células no periférico (órgano sensorial u órgano visceral), donde son adyacentes también suelen estar agrupados. En el sistema nerviomodificadas para convertirse en receptores sensoriales o bien so central, los cuerpos celulares de las neuronas suelen agruparse reciben comunicación de células receptoras sensoriales sepaen núcleos, y los axones viajan juntos en grupos denominados radas. El axón central termina en el sistema nervioso central, vías, tractos o fascículos. En el sistema nervioso periférico, los donde libera neurotransmisores para comunicarse con otras cuerpos celulares de las neuronas están agrupados en ganglios, y neuronas. los axones viajan juntos en grupos denominados nervios.
P
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Células nerviosas y señales eléctricas
Axón
Vaina de mielina
Núcleo
Citoplasma
Célula de Schwann
Citoplasma
(a)
Célula de Schwann Núcleo
Nódulo (o nodo) de Ranvier
Oligodendrocito Vaina de mielina Axón Núcleo (b)
(c)
FIGURA 7.5 Formación y origen de las vainas de mielina. (a) Formación de una vaina de mielina en una célula de Schwann. La mielina, que consiste en capas concéntricas de membrana plasmática proporcionadas bien por una célula de Schwann o un oligodendrocito, forma una capa aislante alrededor de un axón. (b) Disposición de las vainas de mielina formadas por los oligodendrocitos en el sistema nervioso central.
Un solo oligodendrocito envía prolongaciones citoplásmicas que forman vainas de mielina alrededor de varios axones. Obsérvense los nódulos de Ranvier, huecos en las vainas de mielina. (c) Disposición en las vainas de mielina formadas por las células de Schwann en el sistema nervioso periférico. Una célula de Schwann dada en vaina solo rodea a un axón.
Neuroglia
damente. La figura 7.5a muestra la formación de una vaina de mielina por una célula de Schwann. La mielina son capas concéntricas de las membranas plasmáticas de oligodendrocitos o de células de Schwann. Los oligodendrocitos forman la mielina alrededor de los axones en el sistema nervioso central; un oligodendrocito envía proyecciones proporcionando los segmentos de mielina para muchos axones (fig. 7.5b). Las células de Schwann forman mielina alrededor de los axones en el sistema nervioso periférico, pero cada célula de Schwann proporciona la mielina para un solo axón (fig. 7.5c). Son necesarios muchos oligodendrocitos o células de Schwann para proporcionar mielina a un solo axón. Como la bicapa lipídica de una membrana plasmática tiene baja permeabilidad a los iones, las diversas capas de la membrana que forman la vaina de mielina reducen sustancialmente la fuga de los iones a través de la membrana celular. Sin embargo, en unos huecos que hay en la mielina, denominados nódulos de Ranvier (o simplemente nódulos), la membrana del axón contiene canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio que funcionan en la transmisión de los potenciales de acción, permitiendo el movimiento de iones a través de la membrana. Vamos a tratar la naturaleza de estas señales eléctricas y cómo se originan en las siguientes secciones de este capítulo.
La neuroglia, la segunda clase de células que se encuentra en el sistema nervioso, representa el 90% de todas las células de este. Entre sus funciones principales se encuentran proporcionar integridad estructural al sistema nervioso (glia proviene del latín y significa «pegamento») y apoyo químico y anatómico, que permite que las neuronas realicen sus funciones. Estudios recientes sugieren que la neuroglia también podría desempeñar funciones importantes en la comunicación intercelular. Hay cinco tipos de neuroglia: astrocitos, células ependimarias, microglias, oligodendrocitos y células de Schwann. De estos, solo las células de Schwann están localizadas en el sistema nervioso periférico; las demás están en el sistema nervioso central. Las funciones de la neuroglia se tratan en el capítulo 9. Como una de las funciones de los oligodendrocitos y de las células de Schwann (o neurolemocitos) es crucial para la transmisión eléctrica en las neuronas, trataremos estas células aquí. La función principal de los oligodendrocitos y de las células de Schwann es formar una envuelta aislante de mielina alrededor de los axones de las neuronas. Ese aislamiento permite a las neuronas transmitir potenciales de acción más eficiente y rápi-
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Test rápido 7.1 1. Nombra las diferentes partes, divisiones y ramas del sistema nervioso, y escribe las funciones básicas de cada una. 2. Dibuja una neurona e indica las estructuras siguientes: cuerpo celular, dendrita, axón y axón terminal. Escribe brevemente la función de estas estructuras y el tipo de canales iónicos (regulados por ligandos o de umbral de voltaje) que se pueden encontrar en cada una. 3. ¿Qué neuroglia forma la mielina en el sistema nervioso central? ¿De qué está formada la mielina en el sistema nervioso periférico?
Establecimiento del potencial de membrana en reposo Hemos aprendido acerca del potencial de membrana en el capítulo 4. En esta sección, conoceremos el establecimiento del potencial de membrana basal o en reposo. Para saber más acerca de las fuerzas eléctricas, véase «Cuadro de herramientas: Circuitos eléctricos en biología». Recordemos de la figura 4.2 (v. capítulo 4) que una célula en reposo tiene una diferencia de potencial tal a través de su membrana que el interior de la célula está cargado negativamente en relación con el exterior. Esta diferencia se denomina potencial de membrana en reposo (Vm en reposo), porque la célula está en reposo, es decir, no está recibiendo ni transmitiendo ninguna señal. El potencial de membrana en reposo de las neuronas es, aproximadamente, de –70 mV. Los potenciales de membrana siempre se describen como el potencial que hay en el interior en la célula en relación con el exterior. Por tanto, el interior de una neurona típica en reposo es 70 mV más negativo en comparación con el exterior. (Aunque estamos hablando del potencial de membrana en reposo de las neuronas, todas las células del organismo tienen un potencial de membrana negativo, que varía desde –5 mV a –100 mV.)
Células nerviosas y señales eléctricas
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Las neuronas se comunican generando señales eléctricas en forma de cambios en el potencial de membrana. Algunos de estos cambios en el potencial de membrana desencadenan la liberación de neurotransmisores, que entonces transportan una señal a otra célula. La tabla 7.1 define los diversos tipos de potenciales eléctricos que se describen en este capítulo y en capítulos posteriores. En las siguientes secciones exploramos: 1) qué es responsable de la existencia del potencial de membrana en reposo, y 2) qué causa que el potencial de membrana cambie.
Determinación de los potenciales de equilibrio para los iones sodio y potasio El potencial de membrana en reposo depende de dos factores críticos: 1) los gradientes de concentración de los iones (particularmente de los iones de sodio y de potasio) a través de la membrana plasmática, y 2) la presencia de canales iónicos en la membrana plasmática. Recordemos del capítulo 4 que la bomba de Na+/K+ crea gradientes de concentración para los iones de sodio y potasio sacando tres iones de sodio de la célula e introduciendo dos iones de potasio en ella por ATP hidrolizado. Los iones de sodio tienen una concentración más alta fuera de la célula, de modo que hay un impulso químico que tiende a empujarlos hacia el interior de la célula. Los iones de potasio están más concentrados dentro de la célula, de modo que hay un impulso químico que tiende a empujarlos hacia el exterior de la célula. Como veremos dentro de poco, las fuerzas químicas que mueven los iones de sodio y potasio a través de la membrana plasmática y las diferencias en la permeabilidad de la membrana plasmática para estos dos iones establecen el potencial de membrana en reposo. Para comprender lo que origina el potencial de membrana en reposo, imaginaremos primero dos situaciones hipotéticas. Primero, consideraremos que una célula solo es permeable a los iones de potasio (esto es, que tiene canales para el potasio abiertos en su membrana plasmática). Después, consideraremos una célula que solo es permeable a los iones de sodio (esto es, que tiene canales para el sodio abiertos en su membrana plasmática).
TABLA 7.1 Tipos de potenciales eléctricos en los sistemas biológicos Potencial
Definición
Diferencia de potencial = E
Diferencia de voltaje entre dos puntos
Potencial de membrana = Vm
Diferencia de voltaje a través de la membrana plasmática; siempre se da en términos de voltaje dentro de la célula con relación al voltaje fuera de la célula
Vm en reposo
Diferencia de voltaje a través de la membrana plasmática cuando una célula está en reposo (y ni recibe ni envía señales)
Potencial graduado
Un cambio relativamente pequeño en el potencial de membrana producido por algún tipo de estímulo que desencadena la apertura o cierre de los canales iónicos; la fuerza del potencial graduado tiene relación con la fuerza del estímulo
Potencial sináptico
Potenciales graduados producidos en la célula post-sináptica en respuesta a la unión de los neurotransmisores a los receptores
Potencial receptor
Potenciales graduados producidos como respuesta a un estímulo que actúa sobre un receptor sensorial
Potencial de acción
Un cambio grande y rápido en el potencial de membrana producido por la despolarización de una membrana plasmática de una célula excitable en el umbral
Potencial de equilibrio
Potencial de membrana que contrarresta las fuerzas químicas que actúan para mover un ion a través de la membrana, equilibrando así el ion
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Células nerviosas y señales eléctricas
Célula solo permeable al potasio [Na+] alta [Cl–] alta Iones de K+ + [K ] alta [A–] alta Sin potencial de membrana 0 mV
+ –
–
+ +
–
–
– + Fuerza química
+ Equilibrio establecido
– +
+ – –
+
– + Potencial de equilibrio – – EK = –94 mV + + – – – + + + –
Fuerza eléctrica La fuerza eléctrica se opone exactamente a la fuerza química
Fuerza química (a)
–
+
Dentro de la célula se convierte en (–)
El potencial de membrana se desarrolla
+ –
+
(b)
(c)
FIGURA 7.6 Potencial de membrana de una célula solo permeable al potasio. El potasio (K+) y los aniones orgánicos (A–) están en mayor concentración dentro de la célula. Los iones de sodio (Na+) y de cloruro (Cl–) están en mayor concentración fuera de la célula. La anchura de una flecha hace referencia a la fuerza del movimiento de los iones en la dirección de la flecha. (a) Los iones de potasio salen de la célula debido a una fuerza química. (b) En cuanto los iones de potasio salen de la célula, llevándose con ellos una carga positiva, el interior de la célula se vuelve negativo con relación al exterior. Este cambio en la distribución
de las cargas crea una fuerza eléctrica que mueve los iones de potasio hacia el interior de la célula, oponiéndose a la fuerza química. (c) Finalmente, sale tanto potasio de la célula que la fuerza eléctrica se vuelve lo suficientemente grande como para oponerse a mayores movimientos de salida de los iones de potasio de la célula debidos a la fuerza química, dando como resultado un movimiento no neto de los iones de potasio. En este potencial de membrana, el potasio se encuentra en equilibrio. Este potencial es igual al potencial de equilibrio del potasio y equivale, aproximadamente, a –94 mV en las neuronas.
Potencial de membrana de una célula solo permeable al potasio
iones de potasio que realmente atraviesan la membrana es pequeña en relación con el número total de iones de potasio que hay en los líquidos intracelular y extracelular, es decir, menos del 0,01%), la fuerza eléctrica seguirá cambiando a medida que los iones de potasio atraviesen la membrana. Inicialmente, la fuerza química es mayor que la fuerza eléctrica, porque el potencial de membrana es pequeño, de modo que los iones de potasio siguen saliendo de la célula (v. fig. 7.6b). Sin embargo, cuantos más iones de potasio salgan de la célula, mayor se vuelve el potencial de membrana y, por tanto, mayor es la fuerza eléctrica que tira de los iones de potasio hacia el interior de la célula. Por tanto, cuando se desarrolla el potencial de membrana, la proporción de potasio que sale de la célula se vuelve más lenta a medida que disminuye la fuerza neta (electroquímica) sobre el potasio. Una vez que la fuerza eléctrica ha ganado la fuerza suficiente para equilibrar exactamente la fuerza química opuesta, no se observará un movimiento neto de potasio a través de la membrana (v. fig. 7.6c). Bajo estas condiciones, se dice que el potasio está en equilibrio, porque la fuerza electroquímica es cero. El potencial de membrana en estas condiciones es igual que el potencial de equilibrio del potasio (EK), que es aproximadamente de –94 mV. (El potencial de equilibrio varía en las diferentes neuronas según el gradiente de concentración de los iones de potasio.) Recordemos del capítulo 4 que el potencial de equilibrio de cualquier ion (Ex) solo depende de la carga de ese ion y de la magnitud de su gradiente de concentración. Por tanto, el potencial de membrana de una célula que solo es permeable a los iones de potasio es el potencial de equilibrio del potasio.
La figura 7.6 ilustra cómo se consigue el potencial de equilibrio del potasio en una célula que solo sea permeable a los iones de potasio. Los iones de sodio (Na+) están en mayor concentración fuera de la célula y se encuentran en equilibrio eléctrico gracias a la presencia de iones de cloruro (Cl–) fuera de la célula. Por el contrario, los iones de potasio (K+) están en mayor concentración dentro de la célula y se encuentran en equilibrio eléctrico gracias a la presencia de aniones orgánicos (A–, principalmente proteínas) dentro de la célula. Al principio suponemos que no existe diferencia de potencial a través de la membrana celular, esto es, que el potencial de membrana es de 0 mV. Debido a que la célula 1 solo es permeable a los iones de potasio, el potasio difundirá a favor de su gradiente de concentración hacia fuera de la célula (v. fig. 7.6a). A medida que los iones de potasio se mueven, transportan su carga positiva hacia el exterior de la célula, lo que deja su interior cargado negativamente en relación con su exterior. Como consecuencia, se desarrolla un potencial de membrana negativo (v. fig. 7.6b). Una vez que el potencial de membrana se ha desarrollado, hay dos fuerzas que actúan sobre los iones de potasio: una fuerza química debida al gradiente de concentración, y una fuerza eléctrica debida al potencial de membrana. (Recordemos del capítulo 4 que la fuerza neta que actúa sobre unión se denomina fuerza electroquímica, la suma de las fuerzas eléctrica y química.) La dirección de la fuerza química que ahora está presente en la célula 1 es tal que empuja a los iones de potasio hacia el exterior de la célula; la dirección en la fuerza eléctrica tira de los iones de potasio de nuevo hacia el interior de la célula debido a la atracción de los iones de potasio con carga positiva hacia la carga negativa que hay en el interior de ella. Aunque la fuerza química que hace que los iones de potasio atraviesen la membrana permanezca constante (la cantidad de
Potencial de membrana de una célula solo permeable al sodio La figura 7.7 ilustra cómo se consigue el potencial de equilibrio del sodio en una célula que solo sea permeable a los iones de
C A P Í T U LO 7 Célula solo permeable al sodio [Na+] alta Iones [Cl–] alta de Na+ + [K ] alta [A–] alta Sin potencial de membrana 0 mV
– +
+
+
+ – Fuerza química
– Equilibrio establecido
+ –
+ +
– +
–
+
Potencial de equilibrio + + ENa = +60 mV – + + + – – –
–
+ –
Fuerza eléctrica La fuerza eléctrica se opone exactamente a la fuerza química
Fuerza química (a)
+
–
Dentro de la célula se convierte en (+)
El potencial de membrana se desarrolla
– +
– –
–
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Células nerviosas y señales eléctricas
(b)
(c)
FIGURA 7.7 Potencial de membrana de una célula solo permeable al sodio. El potasio (K+) y los aniones orgánicos (A–) están en mayor concentración dentro de la célula. Los iones de sodio (Na+) y de cloruro (Cl–) están en mayor concentración fuera de la célula. La anchura de una flecha hace referencia a la fuerza del movimiento de los iones en la dirección de la flecha. (a) Los iones de sodio entran en la célula debido a una fuerza química. (b) En cuanto los iones de sodio entran en la célula, llevándose con ellos una carga positiva, el interior de la célula se vuelve positivo con relación al exterior. Este cambio en la
distribución de las cargas crea una fuerza eléctrica que mueve los iones de sodio hacia el exterior de la célula, oponiéndose a la fuerza química. (c) Finalmente, entra tanto sodio a la célula que la fuerza eléctrica se vuelve lo suficientemente grande como para oponerse a mayores movimientos de entrada de los iones de socio a la célula debidos a la fuerza química, dando como resultado un movimiento neto de los iones de sodio. En este potencial de membrana, el sodio se encuentra en equilibrio. Este potencial es igual al potencial de equilibrio del sodio y equivale, aproximadamente, a +60 mV en las neuronas.
sodio. Como antes, suponemos que no existe inicialmente una diferencia de potencial a través de la membrana celular. Como el sodio puede cruzar la membrana, difunde a favor de su gradiente de concentración hacia el interior de la célula (v. fig. 7.7a). A medida que el sodio se mueve, transporta una carga positiva hacia el interior de la célula, lo que hace que este esté cargado positivamente con respecto al exterior, creando un potencial de membrana positivo. En presencia de este potencial de membrana, sobre los iones de sodio actúa ahora una fuerza eléctrica, además de la fuerza química. La dirección de la fuerza química tiende a empujar el sodio hacia dentro de la célula, mientras que la fuerza eléctrica tiende a empujar el sodio hacia afuera de la célula debido a la repulsión entre los iones de sodio cargados positivamente y la carga positiva neta del interior de la célula (v. fig. 7.7b). Aunque la fuerza química que hace que los iones de sodio se muevan a través de la membrana permanezca constante, la fuerza eléctrica seguirá cambiando a medida que los iones de sodio atraviesen la membrana hasta que se establezca el equilibrio. El sodio sigue fluyendo hacia el interior de la célula, haciendo que el potencial de membrana sea más positivo, hasta que la fuerza eléctrica se vuelva lo suficientemente grande como para equilibrar exactamente a la fuerza química (v. fig. 7.7c). En este punto, el sodio se equilibra, que es cuando el potencial de membrana es igual al potencial de equilibrio del sodio (ENa), que es aproximadamente de +60 mV. (El potencial de equilibrio real del sodio varía según el gradiente de concentración de los iones de sodio a través de una neurona dada.) Así, el potencial de membrana de una célula que solo sea permeable a los iones de sodio es igual al potencial de equilibrio del sodio. Como el número de los iones de sodio que deben cruzar la membrana plasmática para causar un potencial de +60 mV es muy pequeño en comparación con la concentración de iones de los líquidos intracelular y extracelular, el gradiente de concentración del sodio no cambia en ningún grado significativo.
Potencial de membrana en reposo de las neuronas Ahora consideremos el potencial en reposo de las neuronas. Tienen los mismos gradientes iónicos a través de la membrana celular, pero tienen tanto canales de potasio como de sodio, lo que hace a la membrana permeable a ambos tipos de iones (fig. 7.8). Sin embargo, la cantidad de canales de potasio abiertos excede, con mucho, la cantidad de canales de sodio abiertos; como consecuencia, la membrana es unas 25 veces más permeable al potasio que al sodio. Suponiendo que no haya potencial de membrana inicialmente, consideremos lo que ocurre cuando tanto los iones de potasio como los de sodio son permeables. Como el potasio y el sodio son capaces de cruzar la membrana celular, ambos iones se mueven en la dirección de las fuerzas químicas que los impulsan: los iones de potasio salen de la célula y los iones de sodio penetran en ella (v. fig. 7.8a). Sin embargo, el movimiento de salida del potasio en este punto excede el movimiento de entrada del sodio, debido a que la permeabilidad de la membrana al potasio es mayor que al sodio. Bajo estas condiciones, hay un movimiento neto de salida de cargas positivas, lo que da lugar a un potencial de membrana negativo (v. fig. 7.8b). A medida que continúan los flujos desiguales de potasio y sodio, el potencial de membrana se vuelve más negativo, pero no aumenta indefinidamente, porque el potencial de membrana negativo ejerce unas fuerzas eléctricas de impulso sobre los iones de potasio y de sodio que se oponen al movimiento de potasio y que aumentan el desplazamiento de sodio (v. fig. 7.8c). Por tanto, a medida que el potencial de membrana se vuelve más negativo, se ralentiza el movimiento de salida del potasio, a la vez que se acelera el movimiento de entrada del sodio (v. fig. 7.8d). Finalmente, los flujos de los dos iones se igualan y se oponen, de modo que no hay movimiento neto de la carga positiva hacia el interior o el exterior de la célula (v. fig. 7.8e). En este punto, el
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Circuitos eléctricos en biología Las neuronas y las células musculares forman tejidos excitables, lo cual que significa que funcionan mediante señales eléctricas en forma de cambios en el potencial de membrana. Para entender mejor estas señales, primero debemos entender la relación existente entre potencial eléctrico, corriente y resistencia. Entre partículas cargadas existen fuerzas eléctricas. La dirección de la fuerza eléctrica sigue una sencilla norma: las cargas opuestas se atraen entre sí y las cargas del mismo signo se repelen. Para separar cargas opuestas se requiere energía. Cuando se separan cargas opuestas, almacenan la energía en forma de potencial eléctrico (o voltaje). La fuerza del potencial depende de la cantidad de separación entre las cargas: cuanto mayor sea esta separación, mayor será el potencial. En los sistemas biológicos se producen potenciales eléctricos al separar iones con cargas opuestas, que son atraídos entre sí, y que se moverán uno hacia el otro si es posible. Cuando los iones se mueven, llevan su carga con ellos. El movimiento de cargas eléctricas se denomina corriente (I). En los sistemas biológicos, las corrientes se suelen expresar en unidades de microamperios (10–6 amperios). A mayor potencial eléctrico, mayor fuerza será necesaria para el movimiento de los iones, o corriente. Sin embargo, la presencia de una fuerza no necesita del movimiento de iones. La facilidad de movimiento de los iones depende de las propiedades de la sustancia a través de la cual deben moverse. La resistencia (R) mide la dificultad existente al para el movimiento de las cargas. Cuanto mayor es la resistencia de una sustancia, más difícil se
potencial de membrana se mantiene constante a unos –70 mV, lo que es un valor típico para el potencial de membrana en reposo de una neurona. Por tanto, en las neuronas tanto el sodio como el potasio se mueven continuamente a través de la membrana, y el movimiento de cada ion atrae el potencial de membrana hacia su potencial de equilibrio respectivo (como ilustran las figs. 7.6 y 7.7). Sin embargo, ningún ion puede llegar nunca al equilibrio, porque el movimiento de cada uno se opone al otro. Dadas estas circunstancias, el potencial de membrana en reposo final se sitúa entre los potenciales de equilibrio del sodio y del potasio. Como la membrana es mucho más permeable al potasio, el potencial de membrana en reposo, –70 mV, está mucho más cerca del potencial de equilibrio del potasio que del potencial de equilibrio del sodio. El potencial de membrana en reposo real varía según las diferentes células, porque los tipos y la cantidad de los canales iónicos en las membranas plasmáticas de esas células varían, pero el potencial de membrana en reposo siempre es negativo.
Comprueba tus conocimientos Si la permeabilidad de una neurona fuera igual para los iones sodio y potasio, ¿el potencial de membrana en reposo de esa célula sería más o menos negativo de –70mV?
vuelve para los iones moverse a través de ella y más débil será la corriente. La membrana plasmática de una neurona tiene una gran resistencia al flujo de corriente, porque su permeabilidad a los iones es baja. Por el contrario, los líquidos intracelular y extracelular tienen una baja resistencia al flujo de corriente, porque estos líquidos son ricos en iones. La inversa de la resistencia es la conductancia (g): g = 1/R Como la capacidad de un ion de cruzar una membrana plasmática depende de la permeabilidad de la membrana plasmática a ese ion, la conductancia de un ion concreto aumenta a medida que la permeabilidad de la membrana a ese ion aumenta. La relación entre diferencia de potencial, corriente y resistencia se define por la ley de Ohm: I = E/R donde E es la diferencia de potencial o voltaje. Comprender bien la ley de Ohm es crucial para entender la fisiología neural, porque las membranas plasmáticas presentan un potencial eléctrico, los iones presentes en el interior y en el exterior de la célula están disponibles para transportar carga a través de la membrana plasmática, y se puede cambiar la resistencia al movimiento de las cargas mediante la apertura o el cierre de los canales iónicos.
Observa que ni el sodio ni el potasio están en equilibrio, porque el potencial de membrana no es igual al potencial de equilibrio de ninguno de los iones. Por tanto, las fuerzas electroquímicas actúan sobre ambos iones, haciendo que el sodio esté continuamente filtrándose hacia el interior de la célula y el potasio esté continuamente filtrándose hacia el exterior de la célula. Aunque esas filtraciones sean responsables de crear el potencial de membrana, también tienden a alterar lentamente las concentraciones iónicas dentro de la célula, aumentando la concentración de sodio a la vez que disminuyen la concentración de potasio. Esto constituiría un problema potencial si se dejara sin vigilancia, porque estos cambios finalmente acabarían con los gradientes de concentración de ambos iones y el potencial de membrana terminaría siendo cero. Sin embargo, las bombas de Na+/K+ de la membrana celular evitan este problema transportando activamente el sodio hacia el exterior de la célula y el potasio hacia el interior de la célula utilizando ATP para obtener la energía. Normalmente, el sodio es bombeado hacia fuera a la misma velocidad a la que entra, y el potasio es bombeado hacia dentro a medida que sale. Por tanto, la bomba de Na+/K+ no solo establece los gradientes de concentración, sino que también los mantiene. Además, como la bomba de Na+/K+ es electrógena, esto es, que saca una carga positiva neta hacia el exterior de la célula, contribuye directamente al potencial de membrana en reposo, pero este efecto es mínimo y solo supone unos pocos mV de separación de carga. Como es necesaria energía para mante-
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[Na+] alta [Cl–] alta
Iones de Na+ Fuerza química para K+
+ –
Como la membrana es más permeable al K+, este sale más rápido que lo que tarda en entrar el Na+; el potencial de membrana se desarrolla
[K+] alta [A–] alta Sin potencial de membrana 0 mV
La fuerza eléctrica se opone al flujo de salida de K+ y favorece el flujo de entrada de Na+
+ – +
–
Dentro de la célula se convierte en (–) –
+ –
+ –
– +
Potencial de membrana = –70 mV
+ – – +
– +
– +
+
– – –
–
+
+ –
Interior de la célula (–) – + – Fuerza eléctrica para Na+
(c)
ATP
–
+
+ Fuerza química para Na+
+ –
Bomba de + Na+/K+
–
+
–
+
(b)
Fuerza eléctrica para K+
+
– +
Fuerza química para Na+ (a)
Fuerza química para K+
177
+
+ – +
+ El flujo de salida de K+ se ralentiza, el flujo de entrada de Na+ se acelera. Finalmente, el potencial de membrana se estabiliza
(e)
FIGURA 7.8 Estabilización de un potencial de membrana en reposo en estado estable. El potasio y los aniones orgánicos están en mayor concentración dentro de la célula. Los iones de sodio y de cloruro están en mayor concentración fuera de la célula. La anchura de una flecha hace referencia a la fuerza del movimiento de los iones en la dirección de la flecha. La célula es permeable tanto a los iones de sodio como a los de potasio, pero es más permeable a estos últimos. (a) Las fuerzas químicas actúan para que los iones de potasio salgan de la célula y los iones de sodio entren en ella. (b) Sale más potasio de la célula que el sodio que entra debido a la mayor permeabilidad al potasio. Al salir más cargas positivas de la célula, se desarrolla un potencial de membrana negativo. (c) Ahora son las fuerzas eléctricas quienes actúan en los
ner el estado de reposo de una neurona, la célula no está en equilibrio, sino que está en un estado estacionario.
Neuronas en reposo Aunque la célula que ilustra la figura 7.8 es parecida a una neurona real, tiene varias simplificaciones. La primera es que algunas células son permeables a iones distintos de los de sodio y potasio y el flujo de estos otros iones contribuye al potencial de membrana en reposo. Por ejemplo, en algunas neuronas, los iones de cloruro contribuyen significativamente al potencial de membrana. En general, el potencial de membrana puede verse afectado por dos, tres o más iones. Cada ion intentará atraer el potencial de membrana hacia su potencial de equilibrio. El potencial de membrana depende de la permeabilidad relativa
–
– +
La bomba de Na+/K+ contrarresta los flujos de filtración o goteo, mantiene los gradientes de Na+ y de K+ (estado estable)
– +
–
Potencial de membrana = –70 mV
+ – – +
– +
– –
+
+
– +
(d)
iones, atrayendo tanto a los iones de sodio como a los de potasio hacia el interior de la célula, creando una fuerza electroquímica mayor para que el sodio entre en la célula y una fuerza electroquímica menor para que el potasio salga de la célula. (d) Finalmente, se establece un estado estable, en el que el movimiento de entrada del sodio hacia la célula se equilibra con el movimiento de salida del potasio de la célula. No se produce ningún movimiento neto de carga neta. Este potencial recibe el nombre de potencial de membrana en reposo y es de, aproximadamente, –70 mV en las neuronas. (e) Para evitar que los gradientes de concentración del sodio y del potasio desaparezcan, la bomba de Na+/K+ hace que salga el sodio de la célula y que entre potasio hacia el interior de la célula, estableciendo un estado estable a –70 mV.
de la membrana a los diversos iones. A medida que aumenta la permeabilidad de la membrana a un ion concreto, el potencial de membrana se acerca al potencial de equilibrio de este ion. (Aquellos iones cuyas concentraciones sean menores que las de otros iones no contribuyen significativamente al potencial de membrana en reposo.) Esta relación puede explorarse en más detalle en «Caja de herramientas: Potencial de membrana en reposo y ecuación GHK».
Comprueba tus conocimientos Escribe la ecuación GHK para calcular el potencial de una membrana algo permeable a los iones de sodio, potasio y cloruro, pero impermeable a otros iones.
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Potencial de membrana en reposo y ecuación GHK En el capítulo 4 vimos cómo la ecuación de Nernst puede ser utilizada para calcular el potencial de equilibrio de un ion concreto. Sin embargo, la ecuación de Nernst no puede utilizarse para calcular el potencial de membrana, porque una membrana es permeable a más de un ion y la permeabilidad de la membrana a los distintos iones varía. Por tanto, el potencial de membrana depende de los gradientes de concentración de todos los iones a través de la membrana plasmática y de la permeabilidad de la membrana a esos iones. Si su permeabilidad es cero, un ion no contribuirá al potencial de membrana. Para las situaciones en las que solamente son permeables los iones sodio (Na+) y potasio (K+), se puede conseguir una aproximación al potencial de membrana (Vm) utilizando la ecuación Goldman-HodgkinKatz (así llamada por sus inventores): Vm = 61 log
PNa[Na+]e + Pk[K+]e PNa[Na+]i + Pk[K+]i
en la que los subíndices o e i indican concentraciones fuera y dentro de la célula respectivamente, y PNa y PK son las permeabilidad desde la membrana al sodio y al potasio. Si dividimos tanto el numerador como el denominador por PK, esta ecuación se convierte en: Vm = 61 log
Esta forma de la ecuación da el potencial de membrana en milivoltios (mV). Utilizando las concentraciones de la tabla 4.1, podemos calcular el potencial de membrana en condiciones de reposo, suponiendo que PK es 25 veces tan grande como PNa (PNa/PK = 1/25 = 0,04): Vm = 61 log
(0,04)(145 mM) + 4 mM (0,04) (15 mM) + 140 mM
= 61 log(0,0697) = –70,6 mM Este valor se encuentra más cerca del potencial de equilibrio del potasio (–94 mV) que del potencial de equilibrio del sodio (+60 mV), como cabría esperar. Si hay un cambio en la permeabilidad de la membrana al sodio relativo al potasio, la GHK nos dará el nuevo potencial de membrana, siempre que sepamos la proporción PNa/PK. Si la permeabilidad del sodio o del potasio es cero, entonces la ecuación GHK se convierte en la ecuación de Nernst para el otro ion. Por tanto, si la membrana es permeable solamente a un ion, el potencial de membrana será igual al potencial de equilibrio de ese ion.
(PNa/Pk) [Na+]e + [K+]e (PNa/Pk) [Na+]i + [K+]i
Otra simplificación de la figura 7.8 muestra a los iones de sodio, potasio y cloruro situados solamente en un lado de la membrana para ilustrar las direcciones de los gradientes de concentración de los iones. En las células reales, cada ion está presente tanto dentro como fuera de la célula, estando el potasio en mayor concentración en el citosol, y el sodio y los iones de cloruro en el líquido extracelular. La tabla 4.1 recoge la distribución real de iones en una membrana celular típica. Como ni el sodio ni el potasio están en equilibrio para el potencial de membrana en reposo, una fuerza electroquímica neta actúa sobre cada ion. La siguiente regla describe las fuerzas electroquímicas que actúan sobre los iones: la fuerza electroquímica neta que actúa sobre un ion tiende a moverlo a través de la membrana en la dirección que moverá el potencial de membrana hacia el potencial de equilibrio de ese ion, esto es, hará que el ion esté más cerca del equilibrio. Por tanto, el sodio tiende a moverse hacia el interior de la célula para que el potencial de membrana se acerque a los +60 mV, y el potasio tiende a moverse hacia el exterior de la célula para que el potencial de membrana se acerque a los –94 mV. La fuerza electroquímica que actúa sobre un ion concreto es proporcional a la diferencia entre el potencial de membrana y el potencial de equilibrio para ese ion. Por tanto, como el sodio está a 130 mV del equilibrio (a un potencial de membrana en reposo de –70 mV), mientras que el potasio está solo a 24 mV del equilibrio, la fuerza electroquímica que hace que el sodio entre en la célula es mucho mayor que la fuerza electroquímica que hace que el
potasio salga de ella (indicada por la anchura de las flechas en la fig. 7.8e). El movimiento real de los iones de sodio o potasio a través de la membrana es la corriente de sodio o de potasio, respectivamente. Las corrientes de iones pueden describirse matemáticamente, como se muestra en las ecuaciones a continuación, que describen las corrientes de sodio y de potasio: iNa = gNa (Vm – ENa) ik = gK (Vm – EK) En las ecuaciones, iI es igual a la corriente de un ion concreto, gI es igual a la conductancia de ese ion (que está relacionada directamente con la permeabilidad), EI es igual al potencial de equilibrio de ese ion y Vm es igual al potencial de membrana. Los canales de sodio y de potasio responsables del potencial de membrana en reposo son canales de goteo que siempre están abiertos. Además de estos canales de goteo, las neuronas tienen canales iónicos regulados. En la sección siguiente veremos que el movimiento de iones a través de la membrana puede alterarse si cambia la permeabilidad de la membrana para ese ion, esto es, mediante la apertura o cierre de canales iónicos específicos de la membrana plasmática. Si aumenta la permeabilidad de la membrana para un ion concreto, aumentará su conductancia, mientras que si disminuye la permeabilidad de la membrana, disminuirá su conductancia.
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Las señales eléctricas tienen lugar en las neuronas mediante los cambios en el potencial de membrana que ocurren cuando ciertos canales iónicos, llamados canales regulados, se abren o se cierran en respuesta a estímulos particulares. Cuando los canales iónicos se abren o se cierran, cambia la permeabilidad de la membrana para ese ion concreto, afectando, por tanto, al movimiento de ese ion a través de la membrana plasmática. Por ejemplo, si se abren los canales iónicos de sodio, aumenta el movimiento de los iones de sodio hacia el interior de la célula, dirigiendo el potencial de membrana hacia el potencial de equilibrio del sodio. Hay tres tipos de canales iónicos regulados: canales de umbral de voltaje, canales regulados por ligandos y canales mecanosensitivos. Ya se han descrito anteriormente los canales de umbral de voltaje y los canales regulados por ligandos. Los canales mecanosensitivo se abren o se cierran en respuesta a una fuerza mecánica que se ejerce sobre la membrana. Estos canales suelen estar asociados a receptores sensoriales o viscerales situados en un extremo de las neuronas aferentes. Los canales regulados son cruciales para el funcionamiento normal del sistema nervioso; de hecho, muchas toxinas ejercen sus efectos perniciosos, interfiriendo con el funcionamiento normal de los canales iónicos (v. «Conexiones clínicas: Neurotoxinas»).
Descripción de los cambios en el potencial de membrana Los cambios en el potencial de membrana se describen según la dirección del cambio en relación con el potencial de membrana en reposo, como se ilustra en la figura 7.9. Como el potencial de membrana es una diferencia de potencial existente a través de la membrana, la membrana se encuentra polarizada. El signo del potencial de membrana (positivo o negativo) siempre hace referencia al potencial dentro de la célula en relación con el potencial fuera de ella. Debido a que el potencial de membrana en reposo es un valor negativo (de aproximadamente –70 mV en las neuronas), un cambio hacia un valor más negativo recibe el nombre de hiperpolarización, porque la membrana se vuelve más polarizada. Por el contrario, un cambio hacia un potencial menos negativo o positivo es una despolarización, porque la membrana se vuelve menos polarizada.
Potencial de membrana (mV)
Señales eléctricas mediante cambios en el potencial de membrana
179
ENa
Test rápido 7.2 1. Describe los gradientes de concentración para que el sodio y el potasio pasen a través de la membrana plasmática. ¿Qué establecen estos gradientes de concentración? 2. Cuando una neurona está en reposo, ¿cuáles son las direcciones de las fuerzas electroquímicas que impulsan el movimiento del sodio y del potasio? 3. Si los canales que permiten el paso de los iones sodio y potasio de repente se abrieran en la membrana plasmática, ¿en qué dirección se movería cada ion: hacia el interior o hacia el exterior de la neurona? ¿Qué ion se movería más? ¿Por qué? ¿Qué cambio tendría lugar en el potencial de membrana?
Células nerviosas y señales eléctricas
0 Despolarización
Repolarización
Potencial de reposo –70 Hiperpolarización EK
FIGURA 7.9 Cambios en el potencial de membrana. El potencial de membrana puede cambiar con la apertura o cierre de los canales iónicos. Un cambio en el potencial de membrana hacia un valor menos negativo se denomina despolarización. Si una membrana despolarizada vuelve al potencial de membrana en reposo, este hecho recibe el nombre de repolarización. Un cambio en el potencial de membrana hacia un valor más negativo se denomina hiperpolarización. Si se abren los canales de potasio dependientes, el potasio saldrá de la célula, haciendo que el potencial de membrana se mueva hacia el potencial de equilibrio del potasio (Ek), o hiperpolarizando la célula. Si se abren los canales de sodio dependientes, entonces el sodio entrará en la célula, haciendo que el potencial de membrana se mueva hacia el potencial de equilibrio del sodio (ENa), o despolarizando la célula.
La repolarización tiene lugar cuando el potencial de membrana vuelve al potencial de membrana en reposo después de una despolarización. Las neuronas se comunican mediante dos tipos de señales eléctricas como resultado de la apertura o cierre de los canales iónicos regulados: 1) los potenciales graduados, que son pequeñas señales eléctricas que actúan a corto alcance solo porque su tamaño disminuye con la distancia, y 2) potenciales de acción, que son grandes señales capaces de viajar largas distancias sin disminuir su tamaño. Vamos a examinar estos potenciales en las dos secciones siguientes.
Potenciales graduados Los potenciales graduados son pequeños cambios en el potencial de membrana que ocurren cuando los canales iónicos se abren o se cierran en respuesta a un estímulo que actúa sobre la célula (fig. 7.10). Los potenciales graduados pueden producirse como resultado de moléculas neurotransmisoras que se unen a los receptores de una dendrita o al cuerpo celular de una neurona; los potenciales graduados también pueden aparecer como resultado de un estímulo sensorial, como el tacto o la luz, que actúe sobre un receptor sensorial en el extremo periférico de una neurona aferente. La magnitud del cambio del potencial de membrana varía (está graduada) según la fuerza del estímulo: un estímulo débil produce un pequeño cambio en el potencial de membrana, mientras que un estímulo más fuerte produce un
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Células nerviosas y señales eléctricas
CONEXIONES CLÍNICAS
Neurotoxinas destruye al cocinarla. La TTX también está presente en algunos tipos de salamandras, pulpos y gobios. Las especies que transportan la toxina tienen canales de sodio ligeramente diferentes, lo cual les vuelve menos sensibles o bien completamente resistentes a la toxina. Una toxina parecida que bloquea los canales de umbral de voltaje de sodio es la saxitoxina (STX), producida por algunos dinoflagelados marinos y por una cianobacteria de agua dulce. Estos microorganismos se vuelven una amenaza importante para la salud durante ciertos períodos del año, cuando se multiplican rápidamente, o «florecen». En altas concentraciones, incluso pueden aportar un color rojizo al agua, produciendo el fenómeno conocido como «marea roja». El peligro principal para los seres humanos durante la marea roja proviene de ingerir marisco, pues filtra toxinas que pueden ser acumuladas en su cuerpo al alimentarse (el marisco es resistente a la toxina). Ingerir un solo plato de marisco contaminado puede llegar a ser fatal. Como la TTX, la STX no se destruye al cocinarla. Desgra-
Potencial de membrana (mV)
El proverbio chino «Para terminar con tu vida, come pez globo» surgió debido a que el pez globo (también llamado fugu) contiene la neurotoxina tetrodotoxina (TTX). Una neurotoxina es una toxina que ataca algún aspecto del funcionamiento del sistema nervioso. La TTX es muy poderosa, un tóxico muy potente a concentraciones nanomolares (10–9 moles/ litro). La TTX actúa bloqueando los canales de umbral de voltaje de sodio necesarios para producir un potencial de acción. El pez globo es una de las exquisiteces gastronómicas más preciadas de los restaurantes de Japón. Este pez es valioso no solo por su sabor, sino por la sensación de hormigueo que produce alrededor de los labios cuando se ingiere. En el pez globo, la TTX está concentrada en ciertos órganos, sobre todo en el hígado y en las gónadas. Su preparación requiere gran experiencia y solo pueden realizarla cocineros con licencia que separan los órganos que contienen el veneno sin aplastarlos, lo cual contaminaría partes del animal que normalmente se pueden comer. La toxina no se
X
X más fuerte
FIGURA 7.10 Efecto de la fuerza del estímulo sobre el tamaño del potencial graduado. Los potenciales graduados son pequeños cambios del potencial de membrana (Vm) en respuesta a un estímulo; un estímulo más fuerte produce un cambio mayor en Vm.
cambio mayor en el potencial de membrana (v. fig. 7.10). Por ejemplo, si la presencia de 5.000 moléculas neurotransmisoras que actuaran sobre canales regulados por ligandos hiciera que una célula se despolarizara 1 mV, entonces 10.000 moléculas
ciadamente, nunca se puede saber a partir de la mera observación si las condiciones son peligrosas: el agua de mar puede contener concentraciones peligrosas de dinoflagelados sin tener ese color rojizo. Por suerte, las autoridades de salud pública suelen hacer un seguimiento del marisco en busca de la presencia de esta toxina y se prohíbe siempre que haya motivos de preocupación.
El pez globo contiene una potente neurotoxina.
neurotransmisoras (un estímulo más fuerte) harían que la célula se despolarizara unos 2 mV. Un potencial graduado puede viajar desde el sitio de estimulación durante una corta distancia, porque se va reduciendo, es decir, el cambio en el potencial de membrana disminuye en tamaño a medida que se mueve a lo largo de la membrana, distanciándose del sitio de estimulación. Para entender por qué un potencial graduado se reduce, veamos primero lo que pasa con el chorro de agua que pasa por una manguera que tiene fugas. Si la manguera estuviera intacta, la cantidad de agua que sale de ella por el extremo sería la misma que la que entra en la manguera desde el grifo. Sin embargo, si la manguera tiene fugas (del mismo modo que una membrana tiene fugas de iones), se perdería parte del agua y la cantidad de agua que saldría por el extremo de la manguera habría disminuido. Ahora, veamos lo que pasa en el flujo de corriente a lo largo de una membrana. Cuando se produce un cambio de potencial en un sitio concreto de una membrana celular, este cambio genera diferencias de potencial dentro de los líquidos intracelular y extracelular. Como una separación de carga crea una fuerza para que se mueva la carga (corriente), el potencial graduado crea una separación de carga dentro del líquido intracelular y del líquido extracelular, que genera corrientes en estos líquidos. Estas corrientes
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Estímulo Cono axónico
Potencial de membrana (mV)
Potencial de membrana (mV)
+ + ++ +
Grabado en el lugar del estímulo
Grabado en el cono axónico
FIGURA 7.11 Propiedad decreciente de los potenciales graduados. Un potencial graduado se disipa a medida que se mueve a áreas adyacentes de la membrana plasmática (flechas con puntos discontinuos). Por tanto, el cambio de potencial registrado en el lugar del estímulo es mayor que el registrado a distancia del lugar del estímulo. Las flechas más oscuras indican una corriente más fuerte.
viajan a áreas adyacentes de la membrana celular, causando cambios de voltaje en estas áreas. Esta propagación del voltaje mediante un movimiento pasivo de carga se denomina conducción electrotónica. A medida que el potencial graduado se propaga desde el sitio de estimulación (fig. 7.11), la corriente se propaga por un área más grande y una parte de la corriente se filtra a través de la membrana plasmática. Como resultado,
Células nerviosas y señales eléctricas
181
disminuye el tamaño del cambio del potencial de membrana a medida que se desplaza desde el sitio de estimulación inicial. Algunos potenciales graduados son despolarizaciones, mientras que otros son hiperpolarizaciones (fig. 7.12). La dirección del cambio depende de la neurona concreta de que se trate, del estímulo aplicado a ella y de los canales iónicos específicos que se abren o se cierran como respuesta al estímulo. Por ejemplo, si un tipo de neurotransmisor que se uniera a sus receptores hiciera que se abrieran los canales de sodio, los iones sodio se desplazarían hacia el interior de la célula y el potencial graduado resultante sería una despolarización. Si al unirse otro tipo de neurotransmisor a sus receptores hiciera que los canales de potasio se abrieran, los iones de potasio se desplazarían hacia el exterior de la célula y el potencial graduado resultante sería una hiperpolarización. Los potenciales graduados son importantes, porque determinan si una célula generará un potencial de acción. Los potenciales graduados generan potenciales de acción si despolarizan una neurona hasta un cierto nivel de potencial de membrana denominado umbral, un valor crítico del potencial de membrana al que debe llegarse o superar si se ha de generar un potencial de acción. Por un lado, los potenciales graduados que son despolarizaciones se denominan excitatorios, porque hacen que el potencial de membrana se acerque al umbral para generar un potencial de acción. Por otro lado, los potenciales graduados que son hiperpolarizaciones reciben el nombre de inhibitorios, porque hacen que el potencial de membrana se aleje del umbral para provocar un potencial de acción. Un solo potencial graduado no suele tener la fuerza suficiente como para provocar un potencial de acción. Sin embargo, si los potenciales graduados se superponen en el tiempo, entonces pueden sumarse tanto a nivel temporal como espacial. En la suma temporal, se aplica repetidamente un estímulo en rápida sucesión, de modo que el potencial graduado de la primera aplicación no se disipa antes de que tenga lugar el siguiente potencial graduado, sumándose los efectos de los potenciales. Cuanto mayor sea la superposición en el tiempo, mayor será la suma. En la suma espacial, los efectos de los estímulos procedentes de diversas fuentes que tienen lugar con un lapso temporal corto entre sí se suman. La suma de un potencial graduado hiperpolarizador y de uno despolarizador tiende a anularse. La figura 7.13 describe gráficamente lo que ocurre en la suma temporal y espacial.
Test rápido 7.3 Potencial de membrana (mV)
1. Define despolarización e hiperpolarización. Si la permeabilidad de una membrana al sodio aumenta, ¿la membrana se despolarizaría o se hiperpolarizaría? Explica por qué. 2. Nombra los tres mecanismos diferentes de regulación (apertura y cierre) de los canales iónicos. 3. ¿Por qué los potenciales graduados no pueden comunicarse a través de grandes distancias?
Potenciales de acción Y (hiperpolarizante)
Z (despolarizante)
Tiempo (ms)
FIGURA 7.12 Efecto del tipo de estímulo en los potenciales graduados. Dependiendo del estímulo y de la neurona, los potenciales graduados pueden ser una hiperpolarización o una despolarización.
En lo que queda de este capítulo trataremos sobre los potenciales de acción. Se dan potenciales de acción en las membranas de los tejidos excitables (nerviosos o musculares) en respuesta a los potenciales graduados que alcanzan el umbral. La tabla 7.2 compara las propiedades de los potenciales de acción y los graduados. Durante un potencial de acción tiene lugar una despolarización grande y rápida, en la que la polaridad del potencial de membrana, de
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Células nerviosas y señales eléctricas Potencial de acción
–55
W
X
Potencial de membrana (mV)
Umbral
–55
Potencial de reposo
–70
Fase 3 Tiempo (ms) Umbral
–55
(a) Las tres fases de un potencial de acción
Potencial de acción +30 W1 W2 W3 Tiempo (ms)
–55
W
X
(c) Potencial de membrana (mV)
Fase 2
Potencial de acción
(b)
(d)
Y Tiempo (ms)
Fase 1
W+X Tiempo (ms)
PNa
PK
–55 –70
Los canales de Na+ se abren
Permeabilidad de membrana (P)
Potencial de membrana (mV)
(a)
Potencial de membrana (mV)
+30
Potencial de membrana (mV)
Potencial de membrana (mV)
182
Los canales de K+ se abren Tiempo (ms)
(b) Cambios de permeabilidad para el Na+ y el K+ durante un potencial de acción –55
FIGURA 7.14 Fases y base iónica de un potencial de acción.
W
Y
W+Y Tiempo (ms)
FIGURA 7.13 Suma temporal y espacial. (a) Efectos de los estímulos W, X e Y en el potencial de membrana. W y X despolarizan la célula; Y la hiperpolariza. (b) Suma temporal del estímulo W, que resulta en una despolarización hacia el umbral anterior y en la generación de un potencial de acción. (c) Suma espacial de los estímulos W y X, que resulta en una despolarización hacia el umbral anterior y en la generación de un potencial de acción. (d) Suma espacial de los estímulos W e Y, que resulta en que no determina una ausencia de cambios en el potencial de membrana y, por tanto, no hay ausencia de potencial de acción.
(a) Las tres fases diferentes de un potencial de acción: (1) despolarización; (2) repolarización, y (3) post-hiperpolarización. (b) Cambios en la permeabilidad a los iones de sodio (PNa) y los iones de potasio (PK) durante un potencial de acción. La rápida despolarización de la fase 1 está causada por un aumento rápido de la permeabilidad al sodio, que permite que el sodio se desplace hacia el interior de la célula. La repolarización de la fase 2 está causada por un aumento más lento de la permeabilidad al potasio, permitiendo un mayor movimiento del potasio hacia fuera de la célula en comparación con las condiciones reposo. La post-hiperpolarización de la fase 3 está causada por el continuo movimiento de salida del potasio hacia el exterior de la célula. Al comienzo de la repolarización, la permeabilidad al sodio es mayor P que la permeabilidad al potasio. ¿Por qué se repolariza el potencial de membrana?
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
183
TABLA 7.2 Comparación de los potenciales graduados y los potenciales de acción Propiedad
Potencial graduado
Potencial de acción
Ubicación
Dendritas, cuerpo celular, receptores sensoriales
Axón
Fuerza
Relativamente débil, proporcional a la fuerza del estímulo; se disipa con la distancia al estímulo
100 mV Todo o nada
Dirección del cambio en el potencial de membrana
Puede ser despolarizado o hiperpolarizado dependiendo del estímulo
Despolarizante
Suma
Espacial y temporal
Ninguna
Períodos refractarios
Ninguno
Absolutos y relativos
Tipos de canales implicados en la producción de un cambio en el potencial
Regulados por ligandos, mecanosensitivo
Dependientes del canal de umbral de voltaje
Iones implicados
Normalmente Na+, Cl– o K+
Na+ y K+
Duración
De unos pocos milisegundos a segundos
De 1 a 2 ms (la posthiperpolarización puede durar 15 ms)
hecho, se invierte; esto es, el potencial de membrana se vuelve positivo durante un breve espacio de tiempo. El potencial de membrana cambia muy rápidamente (tarda alrededor de 1 ms) y pasa de un nivel de reposo de aproximadamente –70 mV a +30 mV (un cambio de 100 mV). Una vez iniciado, un potencial de acción, a diferencia de un potencial graduado, puede propagarse por grandes distancias a lo largo de un axón sin disminuir su fuerza.
Base iónica de un potencial de acción La generación de un potencial de acción se basa en la permeabilidad selectiva de la membrana plasmática y los gradientes electroquímicos de Na+ y K+ que existen a través de la membrana. Recordemos que, en reposo, la membrana plasmática es unas 25 veces más permeable a los iones de potasio que a los iones de sodio, debido a la presencia de muchos más canales de goteo para el potasio que para el sodio. En las células excitables, los cambios en la permeabilidad de la membrana plasmática que resultan de la apertura y el cierre de los canales iónicos dependientes pueden producir potenciales de acción. Un potencial de acción en una neurona consiste en tres fases distintas (fig. 7.14a): 1. Despolarización. La primera fase de un potencial de acción es una despolarización rápida durante la cual el potencial de membrana cambia de –70 mV (en reposo) a +30 mV. Esta despolarización está motivada por un aumento repentino y espectacular de la permeabilidad al sodio (fig. 7.14b), seguido de un aumento del desplazamiento de iones de sodio hacia el interior de la célula, bajando el gradiente electroquímico del sodio. Dado que ahora la permeabilidad para el sodio es mayor que la permeabilidad para el potasio, el potencial de membrana se acerca al potencial de equilibrio del sodio de +60 mV. Aunque el cambio en el potencial de membrana producido por el movimiento del sodio es grande (100 mV), la cantidad de iones de sodio que realmente cruzan la membrana para producir este cambio en el potencial es relativamente pequeña comparada con la concentración de iones de sodio de los líquidos intracelular y extracelular (2-3 iones de sodio cruza la membrana por cada millón de iones de sodio que hay presentes en el líquido intracelular). Por tanto, las concentraciones del sodio en esos líquidos no cambian de manera significativa.
2. Repolarización. La segunda fase de un potencial de acción es una repolarización del potencial de membrana durante la que el potencial de membrana vuelve de los +30 mV a los niveles de reposo (–70 mV). Un ms después del aumento de la permeabilidad al sodio, esta disminuye rápidamente, reduciendo el flujo de entrada del sodio. Aproximadamente en el mismo tiempo, la permeabilidad al potasio aumenta, haciendo que el potasio se desplace por su gradiente electroquímico, saliendo de la célula y repolarizando el potencial de membrana para volverlo a situar en los niveles de reposo. 3. Posthiperpolarización. La tercera fase de un potencial de acción se denomina posthiperpolarización. La permeabilidad al potasio sigue siendo elevada durante un breve espacio de tiempo (de 5 a 15 ms) después de que potencial de membrana alcance el potencial de membrana en reposo, dando como resultado una posthiperpolarización. Durante este tiempo, el potencial de membrana es incluso más negativo que en reposo, a medida que se acerca al potencial de equilibrio de potasio (–94 mV). Como ocurre con el movimiento de los iones sodio, el movimiento de los iones de potasio durante la repolarización y la posthiperpolarización es pequeño, de modo que las concentraciones de potasio dentro y fuera de la célula no cambian significativamente (no llega a cruzar la membrana ni un ion de potasio por cada millón de iones de potasio que hay presentes en el líquido intracelular). A continuación, analizaremos los canales iónicos responsables de los cambios de permeabilidad a los iones de sodio y de potasio durante un potencial de acción.
Función de los canales de umbral de voltaje iónicos en los potenciales de acción Los cambios de permeabilidad asociados con las fases de un potencial de acción se deben a la apertura y el cierre de canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio y del tiempo situados, principalmente, en la membrana plasmática del cono axónico y del axón. (Estos canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio también se encuentran en la membrana plasmática de algunas células musculares.) En los axones mielinizados, estos canales se localizan en mayor concentración en los nódulos de Ranvier; en los axones no mielinizados, estos canales están dis-
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C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas Potencial de membrana en reposo
Líquido extracelular
Na+
Umbral de activación (cerrado pero puede abrirse) Despolarización
Membrana plasmática Líquido intracelular
Canal de Na+ Umbral de activación (abierto)
Umbral de inactivación (abierto)
Na+
Na+
Umbral de inactivación (abierto)
Umbral de activación (abierto)
1 ms
Umbral de inactivación (cerrado y no puede abrirse hasta volver al estado de reposo)
FIGURA 7.15 Modelo del funcionamiento de los canales de umbral de voltaje de sodio. Los canales de umbral de voltaje de sodio se representan en esta figura mediante dos umbrales. En reposo, el umbral de inactivación del sodio está abierto y el umbral de activación está cerrado, pero puede abrirse en respuesta a un estímulo despolarizante. Después de un estímulo despolarizante en el umbral, tanto los umbrales de activación como de
inactivación están abiertos y el sodio puede desplazarse por el canal. Aproximadamente 1 ms después de un estímulo despolarizante, el umbral de inactivación se cierra y permanece cerrado hasta que la célula se haya repolarizado hasta el estado de reposo. Antes de la repolarización, el canal no puede abrirse en respuesta a un nuevo estímulo despolarizante.
tribuidos de manera uniforme a lo largo de todo el axón. Como no se conocen exactamente los mecanismos de apertura y cierre de los canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio, utilizamos modelos para describir su función. El modelo utilizado para explicar las acciones de los canales de umbral de voltaje de sodio implica dos tipos de umbrales: los umbrales de activación y los de inactivación. Los umbrales de activación son responsables de la apertura de los canales de sodio durante la fase de despolarización de un potencial de acción, mientras que los umbrales de inactivación son responsables del cierre de los canales de sodio durante la fase de repolarización de un potencial de acción. Para que se abra un canal de sodio, los dos umbrales deben estar abiertos. Ambos tipos se abren o se cierran en respuesta a cambios en el potencial de membrana. En función de la posición de estos dos umbrales, un canal de sodio puede existir en tres conformaciones (fig. 7.15). En reposo, el umbral de inactivación está abierto, pero el de activación está cerrado. En este estado, el canal está cerrado, pero es capaz de abrirse mediante un estímulo de despolarización que hace que se abra el umbral de activación. Si los dos umbrales están en la posición de apertura, el canal estará abierto y los iones de sodio podrán pasar a través del canal hacia el interior de la célula; esto es lo que ocurre durante la fase de despolarización de un potencial de acción. Sin embargo, aproximadamente 1 ms después del
estímulo inicial que abre el umbral de activación, se cierra el de inactivación. Este cierre es una respuesta retrasada iniciada por la misma despolarización que había causado que el umbral de activación se abriera inmediatamente. Cuando el umbral de inactivación está cerrado y el de activación abierto, el canal está cerrado y no es capaz de abrirse como respuesta a otro estímulo de despolarización, porque el umbral de inactivación no se abre hasta que el potencial de membrana vuelva a tener un valor similar al de reposo. Una vez que ha tenido lugar la repolarización, se abre el umbral de inactivación y se cierra el de activación, volviendo el canal a su estado de reposo. La apertura de los umbrales de activación del sodio es un mecanismo regenerativo, esto es, la apertura de algunos umbrales de activación del sodio hace que se abran más umbral es de activación del sodio, regenerando el estímulo para abrir los umbrales (despolarización). Este mecanismo regenerativo funciona de la siguiente manera: al principio, la despolarización desencadena la apertura de unos cuantos canales de sodio, lo que permite cierto movimiento a los iones de sodio que entran en la célula, lo que la despolariza aún más. Esta mayor despolarización hace que se abran aún más canales de sodio, motivando un mayor flujo de entrada de iones de sodio y una mayor despolarización, etc. Este circuito de retroalimentación positiva es la causa de la fase de despolarización (de menos de 1 ms) tan rápida del potencial de
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Células nerviosas y señales eléctricas
185
Estímulo umbral
Despolarización de la membrana
canales de sodio abiertos
Realimentación positiva permeabilidad de la membrana al sodio
carga positiva neta en la célula (despolarización)
flujo de sodio hacia el interior de la célula
Realimentación negativa
Efecto retrasado (1 ms)
Efecto retrasado (1 ms)
Los umbrales de inactivación del canal de sodio se cierran
canales de potasio abiertos
Permeabilidad de la membrana al sodio
Permeabilidad de la membrana al potasio
flujo de potasio hacia el exterior de la célula
carga positiva neta en la célula (repolarización)
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 7.16 Apertura y cierre de los canales de sodio y de potasio durante un potencial de acción. La apertura del canal de sodio es parte de un circuito de retroalimentación positiva que permite la rápida despolarización de la célula. Cuando la célula se despolariza hasta el umbral, los canales de sodio se abren. Esta apertura permite que el sodio entre hacia el interior de la célula, causando una mayor despolarización y abriendo más canales de sodio. El circuito de retroalimentación continúa hasta que se cierren los umbrales de inactivación del sodio, aproximadamente 1 ms después de la despolarización en el umbral. La apertura y el cierre del canal de potasio es parte de un circuito
acción. El circuito de retroalimentación positiva termina cuando se cierran los umbrales de inactivación del sodio (fig. 7.16). En contraste con los canales de sodio que acabamos de describir, el modelo de los canales de umbral de voltaje de potasio solo describe un umbral que se abre más lentamente en respuesta a la despolarización. En más o menos el mismo tiempo que tardan los umbrales de inactivación del sodio en cerrarse (de 1 a 2 ms después de la despolarización hasta el umbral), los canales de potasio empiezan a abrirse. El aumento en la per-
flujo de sodio hacia el interior de la célula
de retroalimentación negativa. La despolarización estimula la lenta apertura de los canales de potasio, lo cual que permite que el potasio salga de la célula, repolarizándola. Como la repolarización es opuesta al estímulo de despolarización para la apertura de los canales de potasio, estos canales se cierran. ¿Qué parte detiene el circuito de retroalimentación positiva que abre los P canales de sodio?
meabilidad para el potasio junto con el fuerte gradiente electroquímico necesario para que el potasio salga de la célula (cuando la membrana está despolarizada, el potasio se encuentra lejos del equilibrio), aumenta el movimiento de los iones de potasio hacia fuera de la célula. Este movimiento de carga positiva hacia el exterior de la célula la repolariza. Como el efecto de la apertura de canales de potasio (repolarización) es una acción opuesta al estímulo inicial que abrió los canales de potasio (despolarización), los canales de umbral de voltaje de potasio son parte de un
186
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
TABLA 7.3 Características de una neurona en reposo y durante las diversas fases de un potencial de acción Reposo
Despolarización
Repolarización
Post-hiperpolarización
Potencial de membrana
–70 mV
De –70 mV a +30 mV
De +30 mV a –70 mV
De –70 mV a –85 mV
Canal de umbral de voltaje de sodio
Cerrado
Abierto
Cerrado
Cerrado
Umbral de activación
Cerrado
Abierto
Abierto
Cerrado
Umbral de inactivación
Abierto
Abierto
Cerrado
Abierto
Bajo flujo hacia el interior a través de canales de goteo
Alto flujo hacia el interior a través de canales de umbral de voltaje*
Bajo flujo hacia el interior a través de canales de goteo
Bajo flujo hacia el interior a través de canales de goteo
Cerrado
Cerrado
Abierto
Cerrándose
Bajo flujo hacia el exterior a través de canales de goteo
Bajo flujo hacia el exterior a través de canales de goteo
Alto flujo hacia el exterior a través de canales de umbral de voltaje*
Alto flujo hacia el exterior a través de canales de umbral de voltaje, pero en disminución*
Flujo de sodio
Canal de umbral de voltaje de potasio Flujo de potasio
*Aunque en cualquier momento dado los iones se desplazan a través tanto de los canales de umbral de voltaje como de los canales de goteo, la conductancia a través de los canales de goteo es mínima en comparación con la conductancia a través de los canales de umbral de voltaje.
30
Umbral
–55 –70
Fuerza del estímulo
Potencial de membrana (mV)
circuito de retroalimentación negativa durante un potencial de acción (v. fig. 7.16). Por tanto, a medida que la célula se repolariza, el estímulo despolarizador se debilita y los canales de potasio se cierran lentamente. La tabla 7.3 resume las condiciones que rodean a los canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio cuando están en reposo y durante las tres fases de un potencial de acción. El umbral para generar un potencial de acción corresponde al nivel de despolarización necesario para inducir el circuito de retroalimentación positiva del sodio. Una despolarización que esté por debajo del umbral (estímulo subumbral) puede abrir
Estímulos subumbrales
Estímulo en el umbral
Estímulo supraumbral
Tiempo (en ms)
FIGURA 7.17 Concepto de un estímulo en el umbral. Un estímulo debe causar un nivel crítico de despolarización, o umbral, antes de que se genere un potencial de acción. Un estímulo por debajo del umbral (subumbral) no puede generar un potencial de acción. Cualquier estímulo por encima del umbral (supraumbral) genera un potencial de acción de la misma magnitud y duración que un estímulo en el umbral.
algunos canales de sodio, pero no habrá canales suficientes como para producir un flujo de sodio hacia el interior con el tamaño suficiente como para superar el flujo de potasio hacia el exterior a través de los canales de goteo. La figura 7.17 ilustra el concepto de umbral. Observa que un estímulo subumbral no produce potencial de acción alguno, mientras que un estímulo en el umbral provoca un potencial de acción. Un estímulo mayor que el umbral, esto es, un estímulo supraumbral, también provoca un potencial de acción. Observa, sin embargo, que el tamaño del potencial de acción no aumenta conforme aumenta la fuerza de un estímulo supraumbral; esto quiere decir que los potenciales de acción no están graduados. La iniciación de un potencial de acción sigue la ley del todo o nada: siempre que una membrana se despolariza hasta el umbral o por encima, la amplitud del potencial de acción resultante es la misma; si la membrana no se despolariza hasta el umbral, no tendrá lugar ningún potencial de acción. El nivel de despolarización que se alcanza en el pico de un potencial de acción depende no tanto de la fuerza del estímulo, sino, más bien, de las fuerzas relativas de los gradientes electroquímicos de los iones de sodio y de potasio y de las permeabilidades relativas de la membrana a esos iones. Durante la fase de despolarización, la permeabilidad al sodio sobrepasa en varias centenas la permeabilidad al potasio y el potencial de membrana se acerca al potencial de equilibrio del sodio de +60 mV. Sin embargo, la neurona nunca puede llegar a o sobrepasar el potencial de equilibrio del sodio, por el mismo motivo por el que el potencial de membrana en reposo nunca podrá igualar o sobrepasar el potencial de equilibrio del potasio: el desplazamiento de los iones de sodio hacia el interior de la célula se contrarresta con el desplazamiento de los iones de potasio hacia el exterior de la célula, principalmente a través de los canales de goteo de potasio, y secundariamente a través de los canales de umbral de voltaje de potasio que se hayan abierto. Por tanto, el pico constante de un potencial de acción se determina, principalmente, por dos factores: 1) los gradientes de concentración de los iones de sodio y de potasio a través de la membrana plasmática, que no cambian en circunstancias normales, y 2) la cantidad de canales de goteo de potasio existentes en la membrana plasmática, que tampoco cambian.
C A P Í T U LO 7 Período refractario absoluto
FIGURA 7.18 Períodos refractarios asociados con un potencial de acción. Los gráficos representan (a) los cambios en el potencial de membrana que ocurren durante un potencial de acción; (b) la fuerza que ha de tener el estímulo para provocar un segundo potencial de acción, y (c) los porcentajes de los canales de sodio que están inactivados (en los que los umbrales de inactivación están cerrados) y de los canales de umbral de voltaje de potasio que están abiertos.
(a) Estímulo
Con independencia de su fuerza, un estímulo no puede generar un segundo potencial de acción durante el período refractario absoluto Es necesario un estímulo mucho más fuerte de lo normal para generar un segundo potencial de acción al comienzo del período refractario relativo
Es necesario un estímulo un poco mayor de lo normal para generar un potencial de acción al final del período refractario relativo
(b) Estímulo
100
100 % de canales de Na+ inactivados % de canales de K+ abiertos
Tiempo (en ms) (c) Estímulo
% de canales de K+ abiertos
Durante e inmediatamente después de un potencial de acción, la membrana es menos excitable que cuando está en reposo. Este período de excitabilidad reducida se denomina período refractario. El período refractario se puede dividir en dos fases, el período refractario absoluto y el período refractario relativo (fig. 7.18). El período refractario absoluto se extiende a lo largo de toda la fase de despolarización, además de durante la mayor parte de la fase de repolarización de un potencial de acción (de 1 a 2 ms). Durante este tiempo, no se puede generar un segundo potencial de acción en respuesta a un segundo estímulo con independencia de la fuerza que tenga ese estímulo. Hay dos motivos para explicar el período refractario absoluto: 1) durante la rápida fase de despolarización de un potencial de acción, la apertura regenerativa de los canales de sodio que se ha puesto en marcha continuará hasta su finalización y no se verá afectada por un estímulo posterior, y 2) durante el comienzo de la fase de repolarización, la mayor parte de los umbrales de inactivación del sodio están cerrados y no pueden abrirse a pesar de que haya un segundo estímulo. No se puede generar un segundo potencial de acción hasta que la mayoría de los canales de sodio hayan vuelto a su estado de reposo, una situación que ocurre casi al final de la fase de repolarización. En ese momento, los umbrales de activación se han cerrado y los de inactivación se han abierto, de modo que los canales de sodio están cerrados, pero pueden abrirse en respuesta a la despolarización. El período refractario relativo tiene lugar inmediatamente después del período refractario absoluto y dura de 5 a 15 ms. Durante este período, es posible generar un segundo potencial de acción, pero solo en respuesta a un estímulo más fuerte que el necesario para alcanzar el umbral en condiciones de reposo. El período refractario relativo se debe, principalmente, al aumento de la permeabilidad al potasio que continúa más allá de la fase de repolarización (durante la posthiperpolarización). Además, puede que sigan cerrados algunos umbrales de inactivación del sodio, especialmente al principio del período refractario relativo. La fuerza que ha de tener el estímulo para provocar un segundo potencial de acción es una cuestión de sincronización. Al comienzo del período refractario relativo es necesario un estímulo más fuerte para generar un potencial de acción que al final del período refractario relativo, porque al principio del período refractario hay más umbrales de inactivación de sodio cerrados y más canales de potasio abiertos.
Fuerza del estímulo necesaria para generar un segundo potencial de acción
Períodos refractarios
% de canales de Na+ inactivados
1. Durante la fase de despolarización de un potencial de acción, ¿la membrana es más permeable al sodio o al potasio? ¿Y cómo es la membrana durante la fase de repolarización? 2. Compara los mecanismos de apertura y cierre de los canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio. ¿Por qué es tan importante la sincronización de los hechos para el desarrollo de un potencial de acción?
Período refractario relativo
Potencial de membrana (mV)
Test rápido 7.4
187
Células nerviosas y señales eléctricas
La TTX es una toxina que bloquea los canales de umbral de voltaje de sodio y la TEA es una toxina que bloquea los canales de umbral de voltaje de potasio. ¿Cuál será el efecto de cada una de estas toxinas en 1) el potencial de membrana en reposo, y 2) la generación de potenciales de acción.
Los períodos refractarios establecen varias propiedades de los potenciales de acción, incluyendo su propiedad de todo o nada, la frecuencia con la que se puede generar un potencial de acción por una sola neurona y la propagación unidireccional a lo largo de un axón. Los períodos refractarios contribuyen a la ley del todo o nada de los potenciales de acción descrita anteriormente. A diferencia de los potenciales graduados, los potenciales de acción no pueden sumarse, debido a que el período refractario absoluto impide una superposición de potenciales de acción. Los períodos refractarios también son importantes en la codificación de la información que llega en forma de potenciales de acción. Recordemos que la magnitud de los potenciales graduados varía dependiendo de la fuerza de un estímulo y, por tanto, codifica la información sobre la fuerza del estímulo. El hecho de que los potenciales de acción sigan la ley del todo o nada podría parecer un problema: ¿cómo pueden los potenciales de acción transmitir información sobre la intensidad de un estímulo (digamos, por ejemplo, el volumen de un sonido)? La información perteneciente a la intensidad de un estímulo es codificada por los cambios en la frecuencia de los potenciales de acción, esto es, los cambios en la cantidad de potenciales de acción que tienen lugar en un período de tiempo dado. Como los potenciales graduados suelen durar mucho más tiempo que los potenciales de acción, los potenciales graduados más fuertes y de mayor duración pueden generar una explosión de potenciales de acción. Dependiendo del tamaño del potencial graduado, estos potenciales de acción podrían darse más separados o más juntos. Este es el motivo de que un sonido fuerte genere potenciales de acción a mayor frecuencia que un sonido suave. Consideremos la figura 7.19a, que compara los efectos de un estímulo subumbral, un estímulo en el umbral durante 10 ms y un estímulo en el umbral durante 20 ms en la frecuencia de los potenciales de acción generados en una neurona con un período refractario relativo de 15 ms. Un estímulo subumbral no genera un potencial de acción; un estímulo de 10 ms de duración que simplemente llega al umbral genera un solo potencial de acción. Sin embargo, si el estímulo en el umbral se aplica durante más tiempo que el período refractario relativo, puede generarse un segundo potencial de acción, como hemos visto en el caso del estímulo en el umbral durante 20 ms. Comparemos la figura 7.19a con la figura 7.19b, en la que se aplica a la neurona un estímulo supraumbral. Es más probable que un estímulo supraumbral genere más de un potencial de acción, porque puede generar un segundo potencial de acción durante el período refractario relativo del primero. Para generar un segundo potencial de acción durante el período refractario relativo, un estímulo debe tener la fuerza suficiente como para abrir un número suficiente de canales de sodio para permitir que el flujo de entrada del sodio supere el elevado flujo de salida del potasio que tiene lugar durante el período refractario relativo, y el estímulo puede tener que superar algunos umbrales de inactivación del sodio que sigan cerrados. Además, un estímulo más fuerte puede producir un segundo potencial de acción que esté más próximo en el tiem-
Fuerza del estímulo
Comprueba tus conocimientos
Potencial de membrana (mV)
Células nerviosas y señales eléctricas 30
–55 –70
Estímulo subumbral durante 10 ms
Estímulo en el umbral durante 10 ms
Estímulo en el umbral durante 20 ms
Tiempo (s) (a)
Potencial de membrana (mV)
C A P Í T U LO 7
Fuerza del estímulo
188
30
Umbral
–55 –70
Estímulo subumbral
Estímulo en el umbral
Estímulos supraumbrales Tiempo (s)
(b)
FIGURA 7.19 Codificación de la frecuencia: cómo los potenciales de acción transmiten la intensidad del estímulo. El período refractario entero de esta neurona es de 15 ms. (a) El estímulo subumbral no genera un potencial de acción. Un estímulo en el umbral durante 10 ms genera un solo potencial de acción, mientras que un estímulo en el umbral durante 20 ms (más largo que el período refractario) genera un segundo potencial de acción. (b) Un estímulo en el umbral genera un solo potencial de acción, mientras que los estímulos supraumbral generan una explosión de potenciales de acción. Cuanto más fuerte sean los estímulos supraumbral, mayor será la frecuencia de potenciales de acción.
po al primer potencial de acción. Sin embargo, como un segundo estímulo no puede generar un segundo potencial de acción durante el período refractario absoluto, el período refractario absoluto limita la frecuencia máxima de los potenciales de acción en una neurona a, aproximadamente, de 500 a 1.000 por segundo.
Test rápido 7.5 1. ¿Puede generarse un potencial de acción durante el período refractario absoluto? ¿Y durante el período refractario relativo? 2. Durante el período refractario absoluto, ¿están abiertos la mayoría de los canales de sodio, están cerrados pero pueden abrirse, o están cerrados y no pueden abrirse? 3. ¿Cómo codifican los potenciales de acción la intensidad de un estímulo?
C A P Í T U LO 7
FIGURA 7.20 Conducción de un potencial de acción en axones no mielinizados. (a) Estado de la membrana cuando el potencial de membrana está en reposo. (b) Comienzo de la conducción. Cuando se produce un potencial de acción en el sitio A de la membrana, hay una separación de cargas en el líquido intracelular y el líquido extracelular. Esta separación es una fuerza que hace que se mueva la corriente. Las corrientes locales producidas por el desplazamiento de los iones positivos hacia las regiones negativas del líquido intracelular se muestran mediante flechas. (c) Propagación de la conducción. La corriente despolariza la región adyacente de la membrana (sitio B) hacia el umbral, provocando un potencial de acción allí. (d) Continuación de la propagación. Continúa la despolarización de regiones adyacentes hasta que el potencial de acción se haya propagado a lo largo de todo el axón terminal. Los períodos refractarios impiden que los potenciales de acción viajen en dirección opuesta.
Propagación de los potenciales de acción en axones no mielinizados Recuerda que, cuando hablamos de los potenciales graduados, dijimos que la conducción electrotónica es la forma pasiva que tienen los cambios de voltaje de propagarse a lo largo de una neurona a distancia del sitio de origen. La conducción electrotónica es el mecanismo por el cual se propagan los potenciales de acción en axones no mielinizados (fig. 7.20). Cuando tiene lugar un potencial de acción en un axón, no se despolariza todo el axón a la vez; en su lugar, la despolarización se limita a una sola región del axón en cada momento. Dentro de esta región de despolarización, el signo del potencial de membrana es el opuesto, de forma que el interior de la célula se vuelve positivo cuando el exterior se vuelve negativo. Este cambio en el potencial de membrana en una región crea una diferencia de potencial tanto dentro del líquido intracelular como del líquido extracelular, debido a que las regiones adyacentes de la membrana siguen estando en reposo (esto es, el interior es negativo y el exterior es positivo). Para mayor simplicidad, trataremos los cambios de potencial eléctrico y las corrientes resultantes que tienen lugar en el interior de la célula. Sin embargo, obsérvese que fuera de la célula tienen lugar los potenciales eléctricos y el flujo de corriente opuestos.
189
Líquido extracelular Cono axónico
Axón no mielinizado
Membrana plasmática
Propagación de los potenciales de acción Una vez que un potencial de acción se inicia en un axón, se propaga a lo largo de él desde la zona en la que se desencadena al axón terminal sin decremento. De hecho, un potencial de acción no viaja por el axón; en su lugar, un potencial de acción establece gradientes electroquímicos en los líquidos extracelular e intracelular. Como los líquidos extracelular e intracelular tienen una baja resistencia al flujo de corriente, las cargas positivas se desplazan desde el área en la que la membrana ha sido despolarizada hacia el área adyacente de la membrana, despolarizándola también. La corriente fluye a las áreas adyacentes de la membrana plasmática del axón mediante conducción electrotónica. El primer potencial de acción producido en la zona en la que se desencadena produce una corriente, que causa un segundo potencial de acción en la membrana adyacente, que causa un tercer potencial de acción, y el proceso sigue así hasta que se produce un potencial de acción en el axón terminal. La propagación de un potencial de acción a lo largo de un axón es, por tanto, análoga a la caída secuencial de una fila de fichas de dominó colocadas muy cerca unas de otras: cuando cae la primera ficha de dominó, hace que caiga la siguiente, y así continúa el proceso hasta llegar a la última ficha de la fila. Sin embargo, los mecanismos de propagación se diferencian unos de otros dependiendo de si el axón está no mielinizado o mielinizado.
Células nerviosas y señales eléctricas
(a) Reposo
+ –
Líquido intracelular – – – – – – – – – – – – – – – – – – – + + + + + + + + + + + + + + + + – + + + Líquido extracelular +
+ – Sitio del potencial de acción original
Líquido extracelular + + + + + + + + + + + + + + + + + + – – – – – – – – – – – – – – – – – – –
+
+
+ + – – – – + + + + + + + + + + + + – – – + + + + – – – – – – – – – – – –
Sitio A Sitio B + + + – – – – – – – – – – – – + – – – – – – – + + + + + + + + + + + + – + + + + Región de despolarización
(b) Iniciación
Dirección de la propagación del potencial de acción + –
+
+ + + + + + – – – – + + + + + + + + – – – – – – – + + + + – – – – – – – –
Sitio A Sitio B Sitio C – – – + + + + – – – – – – – – – – – – + + + + – – – – + + + + + + + + – + + + + Estado Región de refractario despolarización
(c) Propagación
+ –
+
+ + + + + + + + + + – – – – + + + + – – – – – – – – – – – + + + + – – – –
Sitio A Sitio B Sitio C Sitio D – – – – – – – + + + + – – – – – – – – + + + + + + + + – – – – + + + + – + + + +
(d) La propagación continúa
Región de Estado repolarización refractario (estado de reposo)
Región de despolarización
190
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Constante de longitud para la conducción electrotónica
Vx = Voe–x/L donde Vo es el cambio de voltaje en el sitio de origen, Vx es el cambio de voltaje a una distancia determinada (x) del sitio de origen, e es la base logarítmica natural (aproximadamente 2,7) y L es la constante de longitud. La constante de longitud es la distancia en la que el cambio inicial de voltaje ha bajado a 1/e o al 37% de su valor, como muestra la figura. Mide hasta qué distancia a lo largo del axón puede propagarse la corriente antes de que se filtre hacia su exterior. La constante de longitud depende de la resistencia al flujo de corriente. En las neuronas, la corriente puede fluir a través de la membrana plasmática o a lo largo del citoplasma. La corriente fluye a lo largo del camino que tenga menos resistencia. La resistencia de la membrana al flujo de corriente (rm) es mayor que la resistencia del citoplasma (también llamada resistencia axial, dado que la corriente fluye a lo largo del eje, ra). Por tanto, cuanto mayor sea la resistencia de la membrana y menor la resistencia axial, más grande será la constante de longitud. Matemáticamente, la constante de longitud se describe: r L = gr
ll m a
La carga positiva dentro de la célula en el lugar en el que la fase de despolarización de un potencial de acción acaba de ocurrir es atraída hacía la carga negativa adyacente en el interior, donde la célula sigue estando en reposo. Como el líquido intracelular tiene una baja resistencia al movimiento de cargas, las cargas positivas se desplazan hacia la región adyacente cargada negativamente, despolarizándola hasta el umbral y causando otro potencial de acción. Este proceso continúa con un potencial de acción que establece corrientes locales que, a su vez, causan otro potencial de acción en la región cercana a la membrana del axón, hasta que el potencial de acción se haya propagado por todo el camino hasta llegar al axón terminal. Una vez que se haya generado el primer potencial de acción en el cono axónico, la corriente que se propaga a la membrana adyacente tiene siempre la magnitud suficiente como para despolarizar a la membrana vecina hasta el umbral y provocar un potencial de acción. Este es el motivo por el cual los potenciales de acción, a diferencia de los potenciales graduados, no disminuyen al desplazarse. El diámetro de un axón determina con qué velocidad se propaga la corriente y, por tanto, la velocidad de conducción de los potenciales de acción. Cuanto mayor es el diámetro, menor resistencia al flujo de corriente longitudinal (esto es, al flujo de corriente que viaja a lo largo el axón). Se podría establecer una
Las constantes de longitud suelen tener menos de 1 mm; esto es, cuando un cambio de voltaje se haya extendido a 1 mm de distancia del sitio de origen, el cambio de voltaje será menor que el 37% del cambio inicial. El factor más importante que afecta a la resistencia de la membrana es el grado de mielinización. La mielina aísla el axón aumentando su resistencia. El factor más importante que afecta a la resistencia axial es el diámetro. Los axones con un diámetro mayor tienen una menor resistencia al flujo de corriente longitudinal y, por tanto, una menor resistencia axial.
Cambios de voltaje con relación al cambio inicial
Cuando el potencial eléctrico cambia en un sitio específico de la membrana plasmática, la corriente fluye desde este sitio por conducción electrotónica, o flujo de corriente pasivo. La conducción electrotónica desempeña una función crítica en la señalización eléctrica. Cuando la corriente fluye pasivamente desde el sitio donde se ha originado, se disipa por filtración a través de la membrana plasmática. Si suponemos una estructura cilíndrica, lo anterior puede describirse de manera matemática utilizando la siguiente ecuación:
100%
37%
– 0 Distancia del cambio inicial en el potencial de membrana
analogía con una autopista de seis carriles que permite que el tráfico pesado se desplace a mayor velocidad que una autopista de dos carriles (existe más espacio para que los vehículos, o los iones, «maniobren»). Por tanto, los potenciales de acción se propagan con mayor velocidad del cono axónico al axón terminal en axones de diámetros grandes (v. «Caja de herramientas: Constante de longitud para la conducción electrotónica»). Cuando una región concreta de un axón se despolariza durante un potencial de acción, las corrientes resultantes se desplazan en sentido anterógrado y retrógrado por las regiones adyacentes de la membrana. Lo que evita que un potencial de acción se desplace en sentido retrógrado es que la parte de la membrana más cercana al cono axónico acaba de experimentar un potencial de acción propio; por tanto, está en un estado refractario absoluto. El período refractario evita que los potenciales de acción viajen en sentido retrógrado, garantizando que los potenciales de acción se propaguen de manera unidireccional (fig. 7.20c y d).
Propagación de los potenciales de acción en axones mielinizados En axones que están rodeados por mielina, los potenciales de acción se propagan gracias a un tipo especializado de conducción
C A P Í T U LO 7 Líquido extracelular Cono axónico
Vaina de mielina
Axón mielinizado
Nódulo de Ranvier
+
+ + + + + + + + + + + + + + + – – – + + + + + + – + + + – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – Líquido intracelular – + + + – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Líquido extracelular Dirección de la propagación del potencial de acción
+
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + – – – + + + – – – – – – – – – – – + + + – – – – – – – – – – –
– – – – – – – – – – – + + + – – – – – – – – – – – + + + + + + – – – + + + + + + + + + + + + + + + +
FIGURA 7.21 Conducción saltatoria en axones mielinizados. Un potencial de acción en un axón mielinizado produce gradientes eléctricos en los líquidos intracelular y extracelular similares a los observados en los axones no mielinizados (v. fig. 7.20). Sin embargo, como fluye muy poca corriente a través de la membrana cuando la mielina la aísla, la corriente debe fluir todo el camino hasta el siguiente nódulo de Ranvier, donde despolariza esta área de la membrana hasta el umbral e inicia un potencial de acción.
electrotónica denominado conducción saltatoria (fig. 7.21). La mielina proporciona una gran resistencia al movimiento de iones a través de la membrana plasmática, pero la resistencia longitudinal es baja. Como se ha observado previamente, los nódulos de Ranvier son huecos de la mielina en los que a la membrana del axón le falta aislamiento, está expuesta al líquido intersticial y tiene la mayor concentración de canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio. En las fibras mielinizadas, los potenciales de acción se producen en los nódulos de Ranvier. El concepto es
Células nerviosas y señales eléctricas
191
similar al descrito para la conducción electrotónica, salvo en el hecho de que los potenciales de acción no pueden producirse donde hay mielina. Por tanto, la separación de cargas en el líquido intracelular hace que fluya la corriente de un nódulo de Ranvier al siguiente. Estas corrientes se mueven rápidamente bajo la vaina de mielina, pero reducen su amplitud, debido a que parte de la corriente se filtra a través de la membrana del axón. Sin embargo, como la distancia entre los nódulos de Ranvier es corta, la corriente sigue teniendo la fuerza necesaria para despolarizar la membrana en el nódulo de Ranvier hasta el umbral y para generar un potencial de acción. De este modo, se generan potenciales de acción en cada nódulo a lo largo del axón hasta que se genere un potencial de acción en el axón terminal. El salto de los potenciales de acción de nódulo a nódulo es el motivo de que a este tipo de conducción se le haya denominado conducción saltatoria. En la sección anterior vimos que la velocidad de conducción es mayor en los axones cuyo diámetro es más grande. Como los potenciales de acción pueden desplazarse a grandes saltos en los axones mielinizados, la velocidad de conducción en estos axones es mayor que la de los axones no mielinizados. Podemos verlo de esta manera: los trenes rápidos que hacen pocas paradas (como los potenciales de acción en los axones mielinizados) tardan menos tiempo en llegar a su destino que los trenes locales que hacen muchas paradas (como los potenciales de acción en los axones no mielinizados). Por tanto, los axones cuya velocidad de conducción es más rápida tienen grandes diámetros y además están mielinizados (tabla 7.4). Estos axones se suelen encontrar en las vías que precisan una acción rápida; por este motivo, los axones que controlan las contracciones del músculo esquelético están mielinizados y tienen un mayor diámetro, por lo que su velocidad de conducción es la más rápida. Para ver lo que ocurre cuando se bloquea la conducción de un potencial de acción, véase «Conexiones clínicas: Anestesia local».
Comprueba tus conocimientos La esclerosis múltiple es una enfermedad autoinmune en la que el sistema inmunológico ataca a la mielina del sistema nervioso central. ¿Qué efecto tendrá la esclerosis múltiple en la conducción de los potenciales de acción del sistema nervioso?
Neuropatía periférica La neuropatía periférica es una enfermedad del sistema nervioso periférico y puede afectar a las ramas eferentes o aferentes autónomas o somáticas. Sus síntomas varían dependiendo del sitio donde se localice la enfermedad, pero entre los síntomas más comunes se encuentran entumecimiento, cosquilleo o dolor en
TABLA 7.4 Velocidades de conducción en axones de varios tipos de fibras nerviosas Diámetro de la fibra (Mm)
Velocidad de conducción (m/s)
Estimulación de la contracción del músculo esquelético
12-20
70-120
Sí
Tacto, sensación de presión
5-12
30-70
Sí
Estimulación de las fibras contráctiles del huso muscular
3-6
15-30
A delta
Sí, pero poca
Dolor, sensación térmica
2-5
12-30
B
Sí
Neuronas aferentes viscerales, autónomas preganglionares
C
No
Dolor, sensación térmica, neuronas autónomas preganglionares
Tipo de fibra
¿Hay mielina?
Ejemplo de funcionamiento
A alfa
Sí
A beta A gamma
1-3
3-15
0,3-1,3
0,7-2,3
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Células nerviosas y señales eléctricas
CONEXIONES CLÍNICAS
Anestesia local Antes de taladrar el diente de un paciente, un dentista suele inyectar anestesia local, como el hidrocloruro clorhidrato de procaína o la lidocaína. La inyección se administra en la boca, cerca de donde se encuentran los nervios que inervan a ese diente concreto. Cuando la anestesia alcanza las neuronas, ciertas regiones de la cara, la boca y la lengua pierden la sensibilidad o se entumecen. Este efecto de entumecimiento se debe a la capacidad que tiene la anestesia para bloquear la producción de los potenciales de acción en las neuronas. El clorhidrato de procaína y otros anestésicos locales funcionan bloqueando los canales de umbral de voltaje de sodio de las neuronas. Si estos canales no pueden abrirse, no se podrán producir potenciales de acción en la
neurona. Los potenciales de acción son necesarios en las neuronas sensoriales para que estas puedan comunicar al sistema nervioso central que ha tenido lugar un estímulo. Al bloquear los potenciales de acción, el cerebro (y el paciente) no se dan cuenta de la presencia de estímulos dolorosos en la boca. Los procedimientos más complicados, tales como los canales de raíz, pueden necesitar de la administración de analgésicos después de que se haya terminado el procedimiento. Los analgésicos se diferencian en el hecho de que solo bloquean los estímulos dolorosos, mientras que la anestesia bloquea todos los estímulos. Los analgésicos son más específicos porque afectan a la comunicación sináptica de las neuronas, un tema que trataremos en el capítulo 8.
las manos o los pies. En la neuropatía autónoma, los síntomas se asocian con los órganos internos e incluyen mareos, diarrea, indigestión e impotencia. A medida que progresa la enfermedad, los síntomas aumentan. Según la Neuropathy Association, 20 millones de norteamericanos sufren esta enfermedad. Aunque hay muchas causas diversas, el 30% de neuropatías se dan en relación con la diabetes. No se conoce con exactitud cómo la diabetes causa neuropatía, pero hay correlaciones entre la regulación de los niveles de glucosa en sangre y el desarrollo de la neuropatía. Por tanto, una persona con diabetes que regule mejor sus niveles de glucosa en sangre tiene una probabilidad menor de desarrollar neuropatía. Los altos niveles de glucosa en sangre tienen efectos directos sobre la capacidad de las neuronas de generar señales eléctricas, pero también pueden afectar a los vasos sanguíneos que riegan las neuronas, causando indirectamente daños a los nervios. Estudios recientes sugieren que del 30 al 40% de las personas que tienen diabetes desarrollan alguna forma de neuropatía. Los estudios también sugieren que otro 30% de las personas con diabetes sufren una neuropatía asintomática que no ha sido diagnosticada.
Mantenimiento de la estabilidad neural Al comienzo de este capítulo vimos la importancia de los gradientes de concentración de iones y de los potenciales de equilibrio para el establecimiento del potencial de membrana en
reposo; las secciones posteriores han tratado la función del desplazamiento de los iones hacia el interior o el exterior de la neurona para producir el potencial de reposo, los potenciales graduados y los potenciales de acción. Pero todo esto plantea preguntas: si los iones se desplazan a través de la membrana celular, ¿no se debería disipar el gradiente y no deberían cambiar los potenciales de equilibrio? Si los gradientes se disipan, ¿qué le pasa al potencial de membrana en reposo? La clave para contestar estas preguntas radica en las bombas de Na+/K+ de la membrana de la neurona. Al principio de este capítulo tratamos la bomba de Na+/K+ en el contexto de su importancia en el desarrollo de los gradientes de concentración y en su mantenimiento cuando la célula está en reposo, cuando los iones de sodio y de potasio se están desplazando hacia el interior y el exterior de la célula a través de los canales de goteo. Para compensar el desplazamiento de los iones de sodio y de potasio en una célula activa (una célula que propaga potenciales de acción), la bomba de Na+/K+ transporta aún más iones de sodio y de potasio para compensar el mayor desplazamiento de estos iones a través de los canales de umbral de voltaje abiertos. Aunque un potencial de acción es un cambio de relativa importancia en el potencial de membrana, hemos visto que, comparado con la cantidad total de iones presentes en los líquidos intracelular y extracelular, muy pocos iones necesitan cruzar la membrana para producir este cambio. De hecho, incluso sin la bomba de Na+/K+, no ocurriría ningún cambio medible en el potencial de membrana en reposo hasta que una neurona hubiera producido más de 1.000 potenciales de acción. Por tanto, la acción de la bomba de Na+/K+ es suficiente para evitar cam-
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bios en los gradientes de concentración de sodio y el potasio en una célula que funciona a niveles de actividad normales.
Test rápido 7.6 1. ¿Qué quiere decir «todo o nada» en relación con los potenciales de acción? 2. ¿En qué tipos de axón tiene lugar la conducción saltatoria? 3. Explica los efectos del diámetro de la fibra y la mielinización sobre la velocidad de conducción de los potenciales de acción.
Células nerviosas y señales eléctricas
193
Integración de sistemas En este capítulo, hemos aprendido cómo el sistema nervioso genera y transmite señales eléctricas. Estas señales eléctricas son importantes para la comunicación entre todos los sistemas de órganos y desempeñan una función muy importante en el mantenimiento de la homeostasis. En capítulos posteriores del libro, aprenderemos más sobre los potenciales de acción que tienen lugar en los músculos (v. capítulo 12), incluyendo el músculo cardíaco (v. capítulo 13).
RESUMEN DEL CAPÍTULO Generalidades del sistema nervioso, pág. 167 El sistema nervioso puede dividirse en el sistema nervioso central y el sistema nervioso periférico. El sistema nervioso central está formado por el cerebro y la médula espinal. El sistema nervioso periférico incluye las divisiones aferente y eferente. La división aferente está formada por neuronas que transmiten información desde la periferia al sistema nervioso central, mientras que la división eferente está formada por neuronas que transmiten información desde el sistema nervioso central a la periferia. La división eferente está dividida, a su vez, en dos ramas principales: 1) el sistema nervioso somático, que comunica con el músculo esquelético, y 2) el sistema nervioso autónomo, que comunica con el músculo liso, el músculo cardíaco, las glándulas y el tejido adiposo. El sistema nervioso autónomo está dividido en los sistemas nerviosos simpático y parasimpático.
Células del sistema nervioso, pág. 167 El sistema nervioso contiene neuronas, que son células especializadas en la transmisión de impulsos eléctricos, y neuroglia, que proporciona un apoyo metabólico y estructural a las neuronas. Una neurona está compuesta por las siguientes partes: cuerpo celular, dendritas y axón. Las dendritas, y en menor medida el cuerpo celular, reciben información de otras neuronas en las sinapsis. El axón incluye un cono axónico, que es donde se inician los impulsos eléctricos (potenciales de acción), y un axón terminal. El axón terminal transmite información mediante neurotransmisores a otras neuronas en las sinapsis. Funcionalmente, las neuronas se clasifican en tres clases: las neuronas eferentes transmiten información desde el sistema nervioso central a los órganos efectores, las neuronas aferentes transmiten información desde los órganos sensoriales o viscerales al sistema nervioso central, y las interneuronas se comunican dentro del sistema nervioso central.
En la formación de la mielina alrededor de los axones intervienen dos tipos de neuroglia: los oligodendrocitos, en el sistema nervioso central, y las células de Schwann, en el sistema nervioso periférico. La mielina mejora la propagación de los impulsos eléctricos, al proporcionar aislamiento al axón.
Nervous I, Anatomy Review, págs. 4–6 Nervous I, Ion Channels, págs. 3–11
Establecimiento del potencial de membrana en reposo, pág. 173 En reposo, las células tienen un potencial de membrana que causa que el interior de la célula sea negativo en relación con el exterior. Este potencial de membrana existe debido a las fuerzas electroquímicas que hacen que los iones potasio salgan de la célula y los iones sodio se desplacen hacia el interior de la célula, y debido al hecho de que la membrana celular es más permeable a los iones de potasio en reposo. Por tanto, el potencial de membrana en reposo se acerca al potencial de equilibrio del potasio. El potencial de membrana se mantiene gracias a la bomba de Na+/K+.
Nervous I, The Membrane Potential, págs. 1–3 Nervous II, Synaptic Potentials and Cellular Integration, págs. 1–10
Señales eléctricas mediante cambios en el potencial de membrana, pág. 179 Se pueden producir cambios en el potencial de membrana cambiando la permeabilidad de la membrana plasmática a los iones. Los potenciales graduados son pequeños cambios en el potencial de membrana en respuesta a un estímulo que abre o cierra los canales iónicos. Si los potenciales graduados dan como resultado una despolarización de la neurona hasta el umbral, se produce un potencial de acción. Un solo potencial graduado no suele tener la magnitud suficiente como para despolarizar una neurona hasta
el umbral, pero los potenciales graduados pueden sumarse temporalmente y/o espacialmente. Los potenciales de acción son despolarizaciones rápidas de la membrana plasmática que se propagan a lo largo de los axones desde la zona en que se desencadenan hasta el axón terminal. La causa que explica la rápida fase de despolarización de un potencial de acción es la apertura de los canales de sodio y el desplazamiento de los iones de sodio hacia el interior de la célula. La fase de repolarización está motivada por el cierre de los canales de sodio y la apertura de los canales de potasio, seguida del desplazamiento de los iones de potasio hacia el exterior de la célula. La posthiperpolarización tiene lugar porque los canales de potasio se cierran lentamente, permitiendo un movimiento continuo de salida del potasio de la célula durante un breve espacio de tiempo. Los potenciales de acción son fenómenos del tipo «todo o nada», lo que significa que su tamaño no varía con la fuerza del estímulo que los provoca. La fuerza de un estímulo está codificada por la frecuencia de los potenciales de acción; estímulos más fuertes producen más potenciales de acción por unidad de tiempo. Los períodos refractarios garantizan el flujo unidireccional de los potenciales de acción y limitan su frecuencia.
Nervous I, The Action Potential, págs. 4–17
Mantenimiento de la estabilidad neural, pág. 192 La bomba de Na+/K+ es crucial para el funcionamiento normal de las neuronas, porque establece los gradientes de concentración de los iones de sodio y de potasio, generando, con ello, los gradientes químicos que establecen el potencial de membrana en reposo. La bomba también impide que se disipen los gradientes de concentración, devolviendo los iones de sodio y de potasio que hayan cruzado la membrana (bien a través de los canales de goteo en reposo o a través de los canales dependientes durante la actividad) a su lado original.
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EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. La despolarización de una neurona hasta el umbral estimula a) la apertura de los canales de sodio. b) el cierre tardío de los canales de sodio. c) la apertura tardía de los canales de potasio. d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 2. Los neurotransmisores se suelen liberar de a) el cuerpo celular. b) las dendritas. c) los axones terminales. d) el cono axónico. 3. Si un catión se distribuye uniformemente a través de la membrana celular (esto es, si su concentración en el interior de la célula es igual a su concentración fuera de ella), entonces ¿cuál de las afirmaciones siguientes es falsa? a) A –70 mV, la fuerza química sobre el ion es cero. b) A –70 mV, la fuerza eléctrica sobre el ion actúa para desplazarlo hacia el interior de la célula. c) A +30 mV, la fuerza química sobre el ion es cero. d) El potencial de equilibrio para el ion es cero. e) A –70 mV, la fuerza electroquímica sobre el ion actúa para desplazarlo hacia el exterior de la célula. 4. La fase de despolarización de un potencial de acción está causada por a) la apertura de los canales de potasio. b) el cierre de los canales de potasio. c) la apertura de los canales de sodio. d) el cierre de los canales de sodio. 5. Durante el período refractario relativo, un segundo potencial de acción a) no puede ser provocado. b) puede ser provocado mediante un estímulo en el umbral. c) puede ser provocado mediante un estímulo subumbral. d) puede ser provocado mediante un estímulo supraumbral. 6. Los nervios se encuentran a) en el sistema nervioso central. b) en el sistema nervioso periférico. c) todas las respuestas son correctas d) ninguna de las respuestas es correcta 7. Si el potencial de membrana de una neurona se vuelve más negativo de lo que era en reposo, entonces la neurona está ————. En este estado, la neurona es ———— excitable. a) despolarizada/más b) hiperpolarizada/más c) despolarizada/menos d) hiperpolarizada/menos
8. La ouabaína es un veneno que bloquea la bomba de Na+/K+. Si se bloquea esta bomba, entonces la concentración de potasio dentro de la célula a) aumentaría. b) disminuiría. c) no cambiaría. 9. Si la concentración de potasio en el líquido extracelular del cerebro aumentara, la actividad cerebral a) aumentaría. b) disminuiría. c) no cambiaría. 10. ¿Cuál de las siguientes neuronas es parte del sistema nervioso periférico? a) una motoneurona que inerva al músculo esquelético b) una neurona parasimpática c) una neurona simpática d) todas las anteriores 11. ¿Cuál de los siguientes axones muestra la mayor velocidad de conducción? a) un axón no mielinizado con un diámetro de 5 Mm b) un axón mielinizado con un diámetro de 5 Mm c) un axón no mielinizado con un diámetro de 20 Mm d) un axón mielinizado con un diámetro de 20 Mm
b) Algunos potenciales graduados son hiperpolarizaciones; otros son despolarizaciones. c) Los potenciales graduados se producen en canales iónicos regulados por ligandos. d) Los potenciales graduados pueden sumarse en el espacio y en el tiempo. e) Los potenciales graduados ven limitada su duración por el período refractario.
Preguntas objetivas 1. ¿Cuáles son las subdivisiones del sistema nervioso periférico? 2. La información de la periferia se transmite al sistema nervioso central mediante vías (aferentes/eferentes). 3. ¿Qué tipo de célula es más abundante en el sistema nervioso, la neuroglia o las neuronas? 4. ¿En qué región/regiones de una neurona se sitúan los canales de umbral de voltaje de calcio? 5. (Las células de Schwann/los oligodendrocitos) forman mielina en el sistema nervioso periférico y (las células de Schwann/los oligodendrocitos) forman mielina en el sistema nervioso central.
12. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones describe mejor el estado de los canales de sodio en el potencial de membrana en reposo? a) Los umbrales de activación están abiertos y los umbrales de inactivación están cerrados. b) Los umbrales de activación están cerrados y los de inactivación están abiertos. c) Los umbrales de activación y de inactivación están cerrados. d) Los umbrales de activación y de inactivación están abiertos.
6. La mielina (aumenta/disminuye) la velocidad de conducción en los axones.
13. ¿Cuál de los siguientes no es parte de la división eferente del sistema nervioso? a) el sistema nervioso parasimpático b) el sistema nervioso simpático c) las motoneuronas d) los receptores sensoriales
10. La fuerza electroquímica para los iones de potasio cuando el potencial de membrana está en el pico de un potencial de acción es (mayor/menor) que la fuerza electroquímica para los iones de potasio cuando el potencial de membrana está en reposo.
14. De los iones siguientes, ¿cuál/es está/ están situados en mayor concentración dentro de la célula? a) solo el sodio b) solo el potasio c) solo el cloruro d) el sodio y el potasio e) el potasio y el cloruro
11. Tanto los canales de sodio como los de potasio tienen umbrales de inactivación que se cierran brevemente después de que se abran los umbrales de activación. (verdadero/falso)
15. ¿Cuál de las afirmaciones siguientes sobre los potenciales graduados es falsa? a) La magnitud de un potencial graduado varía según la fuerza del estímulo.
7. Si un anión se encuentra en mayor concentración en el exterior de la célula que en el interior de ella, ¿el potencial de equilibrio de ese anión sería positivo, negativo o neutro? 8. ¿Qué ion está más cerca del equilibrio en el potencial de membrana en reposo de –70 mV, el sodio o el potasio? 9. En el sistema nervioso periférico, los cuerpos celulares de las neuronas aferentes están situados en ————.
12. Cuando los umbrales de inactivación del sodio están cerrados, es imposible que se genere un segundo potencial de acción. (verdadero/falso) 13. En los axones mielinizados, los potenciales de acción se propagan por conducción ————.
C A P Í T U LO 7
14. La bomba de Na+/K+ causa la fase de repolarización de un potencial de acción. (verdadero/falso) 15. Cuando una neurona está en el pico de un potencial de acción (+30 mV), la dirección de la fuerza eléctrica para los iones de potasio es para que (entren/salgan) de la célula.
Preguntas abiertas
Pensamiento crítico 1. Predice cuál será el potencial de membrana de una célula que tenga la misma permeabilidad a los iones de sodio que a los iones de potasio. Supón que las concentraciones de los iones de sodio y de potasio dentro y fuera de la célula se corresponden con las recogidas en la tabla 4.1.
3. Elabora una lista consignando algunas similitudes y diferencias entre los potenciales graduados y los potenciales de acción.
2. Las células musculares, como las neuronas, son células excitables porque pueden producir potenciales de acción. El potencial de membrana en reposo en los músculos es de, aproximadamente, –90 mV. Suponiendo que solamente los iones de sodio y de potasio establezcan el potencial de membrana, explica cómo las células musculares pueden tener un potencial más polarizado que las neuronas.
4. Explica la base iónica de un potencial de acción.
3. Muchos tipos de anestésicos locales (medicamentos que bloquean la entrada
1. Dibuja una neurona típica e indica las estructuras principales. Después, escribe las funciones de cada estructura. 2. Compara las fuerzas química y eléctrica que actúan sobre los iones de sodio y de potasio cuando una célula está en reposo.
Células nerviosas y señales eléctricas
195
de estímulos sensoriales) funcionan bloqueando los canales de sodio. Explica cómo se pierde la entrada de estímulos sensoriales mediante este tipo de acción. 4. Las motoneuronas se originan en el sistema nervioso central y terminan con una sinapsis en las células del músculo esquelético, situadas en la periferia. Por tanto, parte del axón se localiza en el sistema nervioso central, pero su mayor parte está en el sistema nervioso periférico. El axón esta mielinizado. ¿Qué tipo de neuroglia formaría la mielina? 5. Predice qué le pasaría al potencial de membrana en reposo y a la capacidad de una neurona de provocar potenciales de acción si la concentración de potasio en el líquido extracelular descendiera hasta el 50% de su valor normal. ¿Qué pasaría si la concentración de sodio en el líquido extracelular descendiera hasta el 50% de su valor normal?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
8
Transmisión sináptica e integración neural Juan es el delantero del equipo de fútbol de la universidad. Durante un partido, le pasan el balón y recibe una patada del defensa. El impacto le rompe la pierna, una lesión grave que hace que el futbolista sienta un dolor muy agudo. Le sacan del campo y le llevan al hospital, donde un médico le da morfina. En cuestión de minutos, su dolor comienza a desaparecer. ¿Por qué la morfina, un producto que procede de la amapola del opio, alivia el dolor de Juan? La respuesta está relacionada con la forma en que las neuronas se comunican mediante los neurotransmisores. La morfina alivia el dolor porque se puede unir a ciertas neuronas del sistema nervioso central en unos receptores en los que, de manera natural, hay moléculas mensajeras parecidas a la morfina llamadas encefalinas y endorfinas. Como resultado de esta unión, la morfina suprime la transmisión de las señales de dolor. En este capítulo tratamos cómo las encefalinas y otros neurotransmisores se comunican mediante sinapsis, uniéndose a receptores en la neurona postsináptica. Cualquier lugar del organismo en el que un mensajero químico actúe uniéndose a un receptor proporciona un objetivo potencial para un fármaco, como Juan descubrió con la morfina.
CONTENIDOS Microfotografía electrónica en color de una sinapsis.
Sinapsis eléctricas 197 Sinapsis químicas 197 Integración neural
203
Modulación presináptica
205
Neurotransmisores: estructura, síntesis y degradación
207
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OBJETIVOS
Describir la comunicación entre sinapsis químicas. Explicar cómo se liberan los neurotransmisores y describir sus acciones después de la liberación.
Comparar las respuestas rápidas y lentas en las sinapsis.
Describir el proceso de integración neural y la función del cono axónico en este proceso.
Describir las clases principales de neurotransmisores, incluyendo su estructura química, su síntesis, su degradación y los mecanismos de transducción de señal.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Uniones comunicantes, pág. 39 2. Exocitosis, pág. 118 3. Potencial de membrana, pág. 97 4. Potenciales graduados, pág. 180 5. Proteínas G, pág. 140 6. Síntesis de catecolaminas, pág. 131 7. Síntesis de proteínas, pág. 41
E
n el capítulo 7 estudiamos que las neuronas generan señales eléctricas en forma de potenciales graduados y potenciales de acción que transmiten mensajes de un área del cerebro a otra. En este capítulo aprenderemos cómo esas señales eléctricas hacen que se establezca la comunicación entre las neuronas en las sinapsis. Hay dos tipos de sinapsis en el sistema nervioso: las sinapsis eléctricas y las sinapsis químicas. Las sinapsis eléctricas funcionan permitiendo la transmisión de señales eléctricas de una neurona a otra mediante las uniones comunicantes, descritas en el capítulo 2. Las sinapsis químicas funcionan mediante la liberación de neurotransmisores que activan mecanismos de transducción de señales, descritos en el capítulo 5, en la célula diana.
Sinapsis eléctricas Las sinapsis eléctricas se establecen entre neuronas, y entre neuronas y neuroglia. En estas sinapsis, las membranas plasmáticas de las células adyacentes están unidas entre sí por uniones comunicantes, de tal modo que cuando se genera una señal eléctrica en una célula, se transfiere directamente a la célula adyacente mediante flujos de iones que pasan a través de las uniones comunicantes. También las moléculas de los segundos mensajeros pueden moverse a través de estas uniones. Se sabe de la existencia de sinapsis eléctricas en el sistema nervioso central desde hace décadas, pero el funcionamiento de estas sinapsis no está más que empezando a conocerse. Estudios previos demostraron la importancia de las sinapsis eléctricas en el desarrollo del sistema nervioso, un tema que excede el ámbito de este libro. Estudios más recientes indican que estas uniones transmiten señales en el cerebro adulto.
Transmisión sináptica e integración neural
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Las sinapsis eléctricas permiten una comunicación rápida entre neuronas adyacentes que sincroniza la actividad eléctrica de esas células. A menudo, la comunicación es bidireccional, aunque algunas uniones comunicantes permiten el flujo de corriente en una sola dirección. La comunicación puede ser excitatoria o inhibidora en la misma sinapsis, ya que, a través de esas uniones, se puede extender tanto una corriente despolarizante como una corriente hiperpolarizante. Algunas sinapsis eléctricas siempre están activas, mientras que otras parecen tener mecanismos de apertura y cierre que permiten el flujo de corriente solo en ciertas circunstancias. Las sinapsis eléctricas se han identificado en la retina de los ojos y en ciertas áreas de la corteza, donde se cree que intervienen en la transmisión de señales. Las sinapsis eléctricas también se encuentran en áreas del tronco encefálico que regulan la respiración, un proceso rítmico. Se cree que las uniones comunicantes sincronizan las neuronas responsables de la inspiración. Las neuronas hipotalámicas que liberan las hormonas trópicas están conectadas con otras neuronas hipotalámicas que liberan las mismas hormonas trópicas mediante uniones comunicantes, sincronizando así su actividad y dando como resultado explosiones de liberación de hormona trópica. Sin embargo, sigue habiendo mucho desconocimiento acerca del funcionamiento de las sinapsis eléctricas. La gran mayoría de las sinapsis del sistema nervioso son sinapsis químicas, cuyo funcionamiento se conoce mucho mejor. Vamos a ver ahora las sinapsis químicas, que será el tema que ocupará el resto del capítulo.
Sinapsis químicas Casi todas las neuronas transmiten mensajes a otras células en las sinapsis químicas. En una sinapsis química, una neurona secreta un neurotransmisor al líquido extracelular en respuesta a un potencial de acción que llega al terminal de su axón. Entonces, el neurotransmisor se une a los receptores de la membrana plasmática de una segunda célula, desencadenando en ella una señal eléctrica que puede iniciar un potencial de acción o no, dependiendo de una serie de circunstancias. Una neurona puede formar sinapsis con otras neuronas, situación de la que se ocupa este capítulo, o con células efectoras, como las células musculares o glandulares. Los músculos y las glándulas suelen denominarse órganos efectores, y la sinapsis entre una neurona y una célula efectora recibe el nombre de unión neuroefectora. Las uniones neuroefectoras, que se tratarán en mayor profundidad en los capítulos 11 y 12, funcionan según los mismos principios básicos de los que hemos hablado aquí para las sinapsis neurona-neurona. En unos cuantos casos, las células no neuronales pueden formar sinapsis con neuronas, como ocurre, por ejemplo, con las células receptoras del gusto en las papilas gustativas de la lengua (v. capítulo 10).
Anatomía funcional de las sinapsis químicas La figura 8.1 muestra las posibles disposiciones de las sinapsis típicas neurona-neurona, las uniones estrechas entre el axón terminal de una neurona y la membrana plasmática de otra neurona. La primera neurona, que transmite señales a la segunda, se denomina neurona presináptica; la segunda neurona, que recibe las señales de la primera, recibe el nombre de neurona postsináptica. El estrecho espacio entre las neuronas presináptica y
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Transmisión sináptica e integración neural Neuronas presinápticas
Sinapsis axodendrítica
Neurona postsináptica
Sinapsis axosomática
Neurona presináptica
Sinapsis axoaxónica
FIGURA 8.1 Sinapsis químicas neurona-neurona. Las sinapsis pueden tener lugar en las dendritas (sinapsis axodendrítica), en el cuerpo celular (sinapsis axosomática) o con otro axón (sinapsis axoaxónica).
postsináptica se denomina hendidura sináptica, y suele medir solo de 30 a 50 nm de ancho (1 nm = 10–9 m). Las señales a través de una sinapsis son unidireccionales: la neurona presináptica se comunica con la neurona postsináptica. Lo más habitual es que el axón terminal de la neurona presináptica forme una sinapsis con una dendrita o con el cuerpo celular de la neurona postsináptica, en cuyo caso las sinapsis reciben el nombre de sinapsis axodendríticas o axosomáticas, respectivamente. En algunos casos, el axón terminal de la neurona presináptica forma una sinapsis con el axón terminal de la neurona postsináptica, en cuyo caso la sinapsis se denomina sinapsis axoaxónica. Las sinapsis axoaxónicas tienen una función especial en la modulación de la comunicación en las sinapsis axodendríticas y axosomáticas; se describirán más tarde en este capítulo. También se han identificado las sinapsis dendrodendríticas, pero su función sobrepasa el ámbito de este texto. Las siguientes descripciones son más características de las sinapsis axodendríticas y axosomáticas. La figura 8.2 muestra un primer plano de una sinapsis y el mecanismo de transmisión de una señal que tiene lugar en ella. En todos los casos, el axón terminal de la neurona presináptica libera neurotransmisores en la hendidura sináptica. Una vez allí, los neurotransmisores difunden rápidamente por la
hendidura y se unen a los receptores de la neurona postsináptica. La unión de los neurotransmisores a los receptores produce una respuesta en la neurona postsináptica mediante mecanismos de transducción de señal, como los descritos en el capítulo 5. Observa que el axón terminal de la neurona presináptica contiene numerosos compartimentos rodeados de membrana, denominados vesículas sinápticas, que almacenan moléculas neurotransmisoras. La mayoría de los neurotransmisores se sintetizan en el citosol del axón terminal, donde están situadas las enzimas para su síntesis. Después de la síntesis, los neurotransmisores son transportados activamente hacia vesículas sinápticas, donde se almacenan hasta que sean finalmente liberados por exocitosis. El calcio del citosol desencadena la liberación de neurotransmisor por exocitosis. Recuerda del capítulo 7 que la membrana de una neurona contiene canales iónicos de varios tipos que dependen de su ubicación en la neurona. Los canales más abundantes en la membrana del axón terminal son los canales de umbral de voltaje de calcio. Estos canales de calcio se abren cuando el axón terminal está despolarizado, lo que ocurre a la llegada de un potencial de acción en el axón terminal (v. ➀ en fig. 8.2b). Cuando los canales de calcio se abren ➁, permiten que el calcio fluya a favor de su gradiente electroquímico hacia el axón terminal, aumentando la concentración de calcio en el citosol del axón terminal. Entonces, el calcio hace que las membranas de las vesículas sinápticas se fusionen con los sitios de unión de las vesículas situados sobre la superficie interior de la membrana del axón terminal y pasen por el proceso de exocitosis, liberando, así, neurotransmisores en la hendidura sináptica ➂. La cantidad de neurotransmisor liberado depende de la concentración de calcio en el citosol del axón terminal, lo que depende de la frecuencia de los potenciales de acción en la neurona presináptica. Después de un solo potencial de acción, se detiene la liberación de neurotransmisor en unos pocos milisegundos, porque los canales de umbral de voltaje de calcio se cierran al poco de haberse abierto y porque los iones de calcio son continua y activamente transportados hacia el exterior del axón terminal, lo que reduce, de nuevo, la concentración de calcio en el citosol a su nivel de reposo. Sin embargo, si llega un segundo potencial de acción antes de que se haya eliminado el neurotransmisor de la hendidura sináptica, aumentarán los niveles de calcio en el citosol. Estos aumentos hacen que se libere más neurotransmisor de la hendidura presináptica, aumentando, con ello, la cantidad de neurotransmisor en ella. Cuando llega una serie de potenciales de acción al terminal de un axón en un breve espacio de tiempo, aumentan más aún los niveles de calcio en el citosol, liberando así más neurotransmisor todavía. Por tanto, la concentración de neurotransmisor en la hendidura sináptica aumenta a medida que lo hace la frecuencia de los potenciales de acción. Una vez en la hendidura sináptica, las moléculas neurotransmisoras se alejan del axón terminal y hacia la neurona postsináptica, donde se unen a los receptores (v. ➃ en fig. 8.2b), induciendo con ello una respuesta en la neurona postsináptica ➄. La unión de una molécula neurotransmisora a un receptor es un proceso breve y reversible (v. «Caja de herramientas: Interacciones ligando-proteína», capítulo 3). Si las moléculas neurotransmisoras se tuvieran que quedar indefinidamente en la hendidura sináptica después de su liberación, se unirían a receptores una y otra vez, induciendo una respuesta continua en la neurona postsináptica.
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Neurona presináptica Axón terminal
Potencial de acción
1 Vesículas sinápticas
Canal de umbral de voltaje de Ca2+
Neurotransmisor 7
3 Molécula recaptada Hendidura sináptica
2 Ca2+
8 4 6
Membrana plasmática Receptor
Enzima
5
Neurona postsináptica (a) Neurona presináptica en reposo
Respuesta celular (b) Neurona presináptica activa
FIGURA 8.2 Anatomía funcional de una sinapsis. (a) Neurona presináptica en reposo. Los canales de calcio están cerrados y no se libera ningún neurotransmisor. (b) Neurona presináptica activa. La comunicación tiene lugar como sigue: ➀ La membrana se despolariza por la llegada de un potencial de acción. ➁ Los canales de calcio se abren. ➂ El calcio penetra en la célula y desencadena la liberación de neurotransmisor por exocitosis. ➃ El
neurotransmisor difunde a través de la hendidura sináptica; una parte se une a los receptores de la membrana celular postsináptica. ➄ Se produce una respuesta en la célula postsináptica. ➅ Parte del neurotransmisor es degradado por enzimas. ➆ Parte del neurotransmisor es captado por la célula presináptica. ➇ Parte del neurotransmisor (o productos de su degradación) se aleja de la hendidura sináptica.
El neurotransmisor no se une continuamente al receptor, porque varios procesos eliminan rápidamente el neurotransmisor de la hendidura, terminando así la señal. Algunas moléculas neurotransmisoras son degradadas por las enzimas, que pueden estar situadas sobre la membrana plasmática de la neurona postsináptica (v. ➅ en fig. 8.2b), sobre la membrana plasmática de la neurona presináptica, sobre las membranas plasmáticas de la neuroglia cercana, en el líquido intersticial de la hendidura sináptica, o incluso en el citoplasma de la neurona presináptica o la neuroglia. Otras moléculas neurotransmisoras pueden ser transportadas activamente de nuevo hacia la neurona presináptica que las liberó ➆, un proceso conocido como recaptación. Una vez dentro de la neurona, estas moléculas neurotransmisoras suelen ser degradadas y los productos de desecho suelen ser reciclados para formar nuevas moléculas neurotransmisoras. Incluso otras moléculas neurotransmisoras de la hendidura sináptica simplemente difunden hacia el exterior de ella ➇. Mientras las moléculas neurotransmisoras no estén unidas a los receptores, pueden tener cualquiera de los destinos descritos. Como resultado, el neurotransmisor solo suele estar presente en la hendidura sináptica durante unos cuantos milisegundos después de su liberación de la neurona presináptica.
El tiempo que transcurre entre que llega un potencial de acción al terminal de un axón y se da una respuesta en la célula postsináptica es de, aproximadamente, de 0,5 a 5 ms. Este lapso de tiempo, denominado demora sináptica, se debe principalmente al tiempo que requiere el calcio para desencadenar la exocitosis del neurotransmisor. Una vez en la hendidura sináptica, la difusión del neurotransmisor al receptor es tan rápida que el tiempo es insignificante.
Comprueba tus conocimientos Varios agentes farmacéuticos trabajan disminuyendo la actividad de las proteínas o enzimas específicas de captación de neurotransmisores que los degradan. Describe los efectos de cada uno de esos tipos de inhibidores sobre la concentración de neurotransmisores de la hendidura sináptica y, por tanto, sobre la comunicación entre sinapsis específicas.
Test rápido 8.1 1. ¿Cuáles son las diferencias esenciales entre una sinapsis química y una sinapsis eléctrica? 2. Haz una lista de los pasos implicados en la transmisión de señales en una sinapsis química. 3. Después de su liberación, ¿mediante qué tres procesos puede ser eliminado un neurotransmisor de una hendidura sináptica?
Mecanismos de transducción de señal en las sinapsis químicas El neurotransmisor liberado por una neurona presináptica induce respuestas en la célula postsináptica mediante los mecanismos de transducción de señal descritos en el capítulo 5. El neurotransmisor puede inducir una respuesta rápida o lenta en una neurona postsináptica. La respuesta rápida (fig. 8.3a) tiene lugar siempre que un neurotransmisor se una a un receptor ligado a un canal, también denominado receptor ionotrópico. Todos los receptores ligados a un canal son canales regulados por ligandos (v. capítulo 7). La
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Líquido extracelular
Citosol
El neurotransmisor se une
Receptor ionotrópico/canal iónico
Movimiento iónico
(a) Respuesta rápida
1 El neurotransmisor se une al receptor
Canal iónico
Receptor metabótropo
2 Activa la proteína G
3 Abre o cierra los canales iónicos
Proteína G (b) Respuesta lenta, acoplamiento directo
1 El neurotransmisor (primer mensajero) se une al receptor Receptor metabótropo
2 Activa la proteína G
Enzima
3 Activa o inhibe la enzima
4 Produce el segundo mensajero Segundo mensajero
5a Abre o cierra los canales iónicos
5b Produce otras respuestas celulares (c) Respuesta lenta, sistema del mensajero secundario
unión del neurotransmisor abre el canal iónico, permitiendo que un ion o varios iones específicos penetren en la membrana plasmática y cambien las propiedades eléctricas de la neurona postsináptica. La respuesta típica es un cambio en el potencial de membrana, denominado potencial postsináptico (PSP), que ocurre muy rápidamente y que también se termina con rapidez (normalmente en unos pocos milisegundos), porque el canal se cierra en cuanto el neurotransmisor sale del receptor.
FIGURA 8.3 Mecanismos de transducción de señal en las sinapsis químicas. (a) Respuestas rápidas en un receptor ligado a un canal. El panel de la izquierda muestra el estado cerrado del canal en ausencia de neurotransmisor; el panel de la derecha muestra la apertura del canal iónico gracias a la unión del neurotransmisor al receptor. (b, c) Respuestas lentas, en las que el receptor del neurotransmisor se acopla a una proteína G. En las dos respuestas lentas, la unión del neurotransmisor al receptor activa una proteína G. En el acoplamiento directo, la proteína G abre o cierra un canal iónico, cambiando así las propiedades eléctricas de la célula. Cuando la proteína G funciona como parte de un sistema de mensajero secundario, activa o inhibe una enzima que produce el mensajero secundario, que en ese caso abre o cierra un canal iónico o bien produce algún otro tipo de respuesta celular.
Por el contrario, las respuestas lentas son mediadas a través de receptores acoplados a proteínas G, llamados receptores metabótropos. En el sistema nervioso, las proteínas G pueden desencadenar la apertura o el cierre de los canales iónicos, dependiendo de la sinapsis específica. Estos canales iónicos regulados por proteínas G responden a una unión más lenta del neurotransmisor que los canales que median la respuesta rápida, cuya duración varía de milisegundos a horas, dependiendo de la sinapsis, pero con el mismo efecto último: la apertura o el cierre de los canales iónicos altera la permeabilidad de la neurona postsináptica a un ion o iones específicos, determinando en condiciones normales cambios en el potencial de membrana. La proteína G puede servir de acoplamiento directo entre el receptor y el canal iónico (fig. 8.3b) o puede desencadenar la activación o inhibición de un sistema de segundos mensajeros, de tal modo que el segundo mensajero afecte al estado del canal iónico (fig. 8.3c). Hemos visto que, en general, un neurotransmisor ejerce sus efectos en una neurona postsináptica, desencadenando la apertura o el cierre de los canales iónicos, lo que suele causar un cambio en el potencial de membrana. Dependiendo del tipo de canal que esté abierto o cerrado, el cambio en el potencial de membrana resultante puede ser una despolarización o una hiperpolarización. Recordemos que se considera que una despolarización es una excitación, porque acerca el potencial de membrana al umbral necesario para generar un potencial de acción; del mismo modo, se considera que una hiperpolarización es una inhibición, porque aleja el potencial de membrana del umbral. En cualquier sinapsis dada, la dirección de la respuesta siempre es la misma, y la sinapsis se clasifica como excitatoria o inhibidora.
Sinapsis excitatorias Una sinapsis excitatoria es aquella que acerca el potencial de membrana de la neurona postsináptica al umbral para generar un potencial de acción; esto es, las sinapsis excitatorias despolarizan a la neurona postsináptica. Esta despolarización se denomina potencial postsináptico excitatorio (PPSE), y puede tener lugar tanto en forma de respuesta rápida como de respuesta lenta. Los PPSE son potenciales graduados en los que la amplitud de la despolarización aumenta a medida que se unen más moléculas neurotransmisoras a los receptores. Como ocurre con todos los potenciales graduados, la despolarización es mayor en el sitio de origen (normalmente una dendrita o un cuerpo celular), y disminuye a medida que se acerca al cono axónico. Los PPSE rápidos suelen ser causados por la unión de moléculas neurotransmisoras a sus receptores en la célula postsináptica, abriendo canales en el proceso que permiten que los cationes de pequeño tamaño (iones de sodio y potasio) los atraviesen (fig. 8.4a). Recuerda que en el potencial de membrana en
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Voltímetro
0
5
Voltímetro
10
0
10
s
mV
mV
1 El neurotransmisor se une al receptor
Na+ Líquido extracelular
Citosol
5
ms
El neurotransmisor se une al receptor
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Adenilato ciclasa
Canal de K+
Receptor metabótropo
K+ Receptor ionotrópico/canal iónico
2 Activa la proteína G
3 Activa la enzima
ATP 4 Produce el segundo mensajero cAMP
(a) Respuesta rápida
5 Activa la enzima
P
K+
7 El canal de K+ se cierra, los iones de K+ no pueden atravesar el canal
6 Fosforila la proteína (canal de K+)
Proteína cinasa A
(b) Respuesta lenta
FIGURA 8.4 Sinapsis excitatorias. Un electrodo insertado en la neurona y conectado a un voltímetro puede medir la actividad eléctrica de la célula. El tipo de voltímetro representado en esta figura y en las siguientes es un osciloscopio. (a) Sinapsis excitatoria rápida. El neurotransmisor abre los canales iónicos, permitiendo la entrada de iones de sodio al interior de la célula y la salida de iones de potasio de esta. El movimiento del sodio es mayor, por lo
que el efecto neto es una despolarización (un PPSE) que dura varios milisegundos. (b) Sinapsis excitatoria lenta. La activación de una proteína G mediante neurotransmisor conduce a la serie de acontecimientos descritos. La fosforilación del canal de potasio en el último paso disminuye la salida de potasio de la célula, produciendo una despolarización. Observa que esta respuesta tarda segundos en producirse.
reposo el potasio está mucho más cerca del equilibrio que el sodio. Por tanto, la fuerza electroquímica es mucho mayor para los iones de sodio que penetran en el interior de la célula que para los iones de potasio que salen de ella. Así, cuando se abren los canales que permiten que tanto los iones de sodio como de potasio se muevan a través de ellos, entran más iones de sodio que los que salen de potasio, produciendo una despolarización neta. Los PPSE rápidos pueden durar desde unos cuantos a varios cientos de milisegundos. Los PPSE lentos pueden estar causados por varios mecanismos, pero un mecanismo típico es el cierre de los canales de potasio que implican al mensajero secundario más común, el cAMP (fig. 8.4b). Cuando el neurotransmisor se une a un receptor ➀ y activa una proteína G ➁, esta activa la enzima adenilato ciclasa ➂, que entonces cataliza la reacción, convirtiendo ATP en cAMP ➃. cAMP activa la proteína cinasa A ➄, que cataliza la adición de un grupo fosfato al canal de potasio ➅. La fosforilación del canal de potasio lo cierra ➆. Antes de la fosforilación del canal de potasio, el canal estaba abierto y los iones de potasio salían de la célula, mientras que los iones de sodio entraban en ella. No había cambios en el potencial de membrana, porque las entradas y salidas de los iones de
sodio y de potasio estaban equilibradas. Cuando el canal de potasio se cierra por la fosforilación, salen menos iones de potasio de la célula. El efecto neto es una despolarización, porque si la permeabilidad al potasio disminuye, mientras que la permeabilidad al sodio sigue siendo la misma, el potencial de membrana se desplazará del potencial de equilibrio para el potasio hacia el potencial de equilibrio para el sodio (v. capítulo 7). Los PPSE lentos tardan más en desarrollarse y duran más tiempo (de segundos a horas) que los PPSE rápidos. En el caso del cierre de los canales de potasio dependientes de cAMP, el potencial de membrana no volverá a las condiciones de reposo hasta que los canales de potasio estén desfosforilados, lo que no ocurrirá hasta que se haya degradado el suficiente cAMP por la fosfodiesterasa como para devolver la concentración de cAMP a su nivel de reposo.
Sinapsis inhibidoras Una sinapsis inhibidora es aquella que aleja el potencial de membrana de la neurona postsináptica del umbral del potencial de acción, hiperpolarizando la neurona, o estabiliza el potencial de membrana en el valor de reposo. En cualquier caso, la activi-
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Transmisión sináptica e integración neural Voltímetro
Líquido extracelular Neurotransmisor (NT)
0
5
10
Cl–
ms
mV
Voltímetro
Líquido extracelular
ATP
El neurotransmisor se une al receptor
Cl–
Citosol
(a) La neurona transporta activamente cloruro hacia el exterior de la célula
NT1
K+
Receptor ionotrópico/canal iónico
Voltímetro
Citosol Respuesta rápida
FIGURA 8.5 Sinapsis inhibidora que implica canales de potasio. En este tipo de sinapsis inhibidora, los canales de potasio se abren gracias a la unión del neurotransmisor al receptor. El potasio fluye hacia el exterior de la célula, hiperpolarizándola y produciendo un PPSI.
dad de la sinapsis disminuye la probabilidad de que se genere un potencial de acción en la neurona postsináptica, motivo por el cual se dice que la sinapsis es inhibidora. En las sinapsis inhibidoras, la unión de un neurotransmisor a sus receptores abre canales tanto para los iones de potasio como los iones de cloruro. Cuando un neurotransmisor hace que se abran los canales de potasio (fig. 8.5), el potasio saldrá de la célula, hiperpolarizándola. Esta hiperpolarización se denomina potencial postsináptico inhibidor (PPSI). Un PPSI, como un PPSE, es un potencial graduado: cuantas más moléculas neurotransmisoras se unan a los receptores, más canales de potasio se abrirán y mayor será la hiperpolarización. Los PPSI (como los PPSE y todos los demás potenciales graduados) disminuyen de tamaño a medida que se desplazan hacia el cono axónico, donde la hiperpolarización aleja el potencial de membrana del umbral, disminuyendo así la probabilidad de que se genere un potencial de acción en la neurona postsináptica. Lo que ocurra cuando un neurotransmisor permite que se abran los canales de cloruro (Cl–) depende del tamaño y la dirección de la fuerza electroquímica que actúa para desplazar los iones de cloruro a través de la membrana de la neurona postsináptica. Como el ion de cloruro tiene una carga negativa (es un anión), el potencial de membrana en reposo es una fuerza eléctrica que actúa para sacar los iones de cloruro de la célula. Sin embargo, como los iones de cloruro se encuentran en mayor concentración fuera de la célula, hay una fuerza química que desplaza estos iones hacia el interior de la célula. La fuerza neta depende de la neurona en cuestión. Las neuronas se diferencian en los mecanismos de transporte que existen para los iones cloruro. En algunas neuronas, los iones de cloruro son transportados activamente hacia el exterior
(b) No hay transporte activo de cloruro, el cloruro está en equilibrio
Cl–
NT1
Cl– NT2
+ Voltímetro
+ + (c) No hay transporte activo de cloruro, la sinapsis excitatoria está activa
FIGURA 8.6 Funciones de los canales de cloruro en las sinapsis inhibidoras. (a) En las neuronas que transportan activamente cloruro hacia el exterior de la célula, la unión de un neurotransmisor que hace que los canales de cloruro se abran permite que el cloruro penetre en el interior de la célula, hiperpolarizándola (induciendo un PPSI). (b) Las células a las que les faltan transportadores de cloruro tienen canales de goteo de cloruro y el cloruro se encuentra en equilibrio en sus membranas. Si la unión del neurotransmisor 1 (NT1) hace que se abran más canales de cloruro, no habrá movimiento neto de cloruro, porque este ya está en equilibrio. (c) Esta figura muestra la misma célula del panel b, pero incluyendo una segunda sinapsis. Si NT1 está presente en una sinapsis inhibidora, mientras que NT2 está presente en una sinapsis excitatoria, el cloruro penetrará en la célula a la vez que las cargas positivas entran en el canal abierto por NT2, oponiéndose a cualquier cambio en el potencial de membrana.
de la célula, creando una concentración mucho más baja en el interior que en el exterior de la célula. En esas condiciones, el potencial de equilibrio del cloruro es negativo y mayor que el potencial de membrana en reposo.
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En una neurona en la que los iones de cloruro son activamente transportados hacia el exterior de la célula, el cloruro está concentrado en el líquido extracelular (fig. 8.6a). Por tanto, el cloruro no está en equilibrio; en su lugar, hay una fuerza electroquímica neta que desplaza el cloruro hacia el interior de la célula. Cuando se abren los canales de cloruro gracias a la unión de los neurotransmisores a los receptores, el cloruro penetra en el interior de la célula produciendo una hiperpolarización o un PPSI. Por tanto, vemos el mismo tipo de efecto que cuando se abren los canales de potasio. En otras neuronas no tiene lugar un transporte activo del cloruro, pero existen algunos canales iónicos a través de los cuales puede difundirse el cloruro. En estas condiciones, el movimiento pasivo del cloruro, además de la falta de transporte activo, permite que los iones de cloruro estén en equilibrio. En una neurona que carece de transporte activo de cloruro, bien sea hacia el interior o el exterior de la célula (fig. 8.6b), el cloruro simplemente difunde a través de los canales de goteo de cloruro para distribuirse a través de la membrana en concentraciones que lo pondrán en equilibrio. (Observa que el potencial de membrana determina el gradiente de concentración de los iones de cloruro cuando no son transportados activamente, lo que se opone a lo que ocurre en el caso de los iones de sodio y de potasio, cuyos gradientes de concentración, establecidos mediante transporte activo, determinan el potencial de membrana en reposo). Si el cloruro está en equilibrio, la apertura de canales de cloruro no implicará cambios en el potencial de membrana (v. fig. 8.6b). En este caso, tal vez sorprendentemente, se sigue considerando que la sinapsis es inhibidora. Para ver por qué, debemos considerar cómo afecta esta sinapsis a las señales que podrían ser generadas en otras sinapsis al mismo tiempo. Consideremos una neurona postsináptica en la que estén activas una sinapsis excitatoria y una sinapsis inhibidora al mismo tiempo. Aunque la sinapsis excitatoria tiende a inducir un PPSE (un cambio positivo en el potencial de membrana) en la neurona postsináptica, la sinapsis inhibidora también hace que se abran los canales de cloruro (fig. 8.6c). El resultado es que disminuirá el PPSE o incluso no habrá PPSE. El motivo es que cuando se despolariza la membrana, el cloruro ya no está en equilibrio. El potencial más positivo existente en el interior de la célula tira de los iones de cloruro negativos hacia el interior de la célula, estabilizando el potencial de membrana y contrarrestando la influencia de la carga positiva que se desplaza hacia el interior de la célula. Esto se considera una acción inhibidora, porque disminuye la probabilidad de que la neurona alcance el umbral de un potencial de acción. Como ilustra este ejemplo, la actividad de una sola sinapsis puede influir en la probabilidad de que tenga lugar un potencial de acción, pero normalmente no es el único factor determinante. En su lugar, suele haber muchas sinapsis activas al mismo tiempo, y es la combinación concreta de los impulsos sinápticos que llegan en cualquier momento dado lo que determina si una célula postsináptica producirá un potencial de acción. El proceso que condiciona esta determinación, conocido como integración neural, es nuestro siguiente tema de estudio.
Transmisión sináptica e integración neural
203
Integración neural La comunicación en el sistema nervioso no suele ser un proceso en el que una célula presináptica se comunica con una célula postsináptica. El axón de una neurona a menudo tiene varios colaterales que se comunican con otras neuronas, una disposición que recibe el nombre de divergencia (fig. 8.7a). Del mismo modo, una neurona dada suele recibir comunicaciones de varias neuronas (cientos o miles), una disposición llamada convergen-
Neurona presináptica
Neurona postsináptica (a) Divergencia
Axones terminales presinápticos
Neurona postsináptica
Test rápido 8.2 1. ¿La activación de qué tipo de receptor, ionotrópico o metabótropo, produce una respuesta más rápida? 2. ¿Cuál es la función de las proteínas G en el funcionamiento de los receptores metabótropos? 3. Si una proteína G activa un mensajero secundario que cierra los canales de sodio, ¿esta activación producirá un PPSE o un PPSI? ¿La respuesta será rápida o lenta?
(b) Convergencia
FIGURA 8.7 Divergencia y convergencia. (a) En la divergencia, una sola neurona se comunica con varias neuronas diferentes. (b) En la convergencia, una sola neurona recibe comunicaciones de varias neuronas diferentes.
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B C
PPSE
A
PPSE
PPSI
Potencial de membrana (mV)
204
+30
Suma temporal Umbral
–55 –70
Cono axónico Axón
Potencial de membrana (mV)
A
A
A A Tiempo (ms)
+30
Suma espacial
Suma espacial Umbral
–55 –70
A
B
A+B C Tiempo (ms)
A+C
FIGURA 8.8 Suma temporal y espacial. (a) Una neurona postsináptica recibe impulsos excitatorios de las neuronas A y B e impulsos inhibidores de la neurona C; están implicados tres neurotransmisores diferentes. Si la suma de todos los potenciales sinápticos en el cono axónico da como resultado la despolarización hasta el umbral, entonces se genera un potencial de acción. (b) La suma temporal ocurre cuando los potenciales de acción que llegan del axón terminal presináptico de la neurona A se producen con la suficiente cercanía temporal como para que los PPSE generados en respuesta a la unión del neurotransmisor se superpongan y se sumen. (c) La suma espacial ocurre cuando diversas sinapsis están activas simultáneamente. Si los PPSE de las sinapsis con las neuronas A y B tienen lugar al mismo tiempo, se sumarán y
alcanzarán el umbral, desencadenando un potencial de acción. Observa que si las sinapsis con las neuronas A y C estuvieran activas simultáneamente, los PPSE y los PPSI resultantes tenderían a anularse mutuamente, produciendo muy poco cambio en el potencial de membrana.
cia (fig. 8.7b). Debido a la convergencia, una sola sinapsis no determina si un potencial de acción se genera en la neurona postsináptica. En su lugar, el cono axónico de la neurona postsináptica hace de integrador, que, en efecto, añade todas las señales que llegan de todas las sinapsis activas. Este proceso de suma se denomina integración neural y funciona siguiendo una simple regla: un potencial de acción se desencadena si se despolariza el potencial de membrana del cono axónico hasta el umbral; si el potencial está por debajo del umbral, no tendrá lugar ningún potencial de acción. La suma es necesaria, porque un solo PPSE no suele tener la magnitud suficiente como para despolarizar la neurona postsináptica hasta el umbral.
temporal, dependiendo de si los potenciales postsinápticos que se suman surgen en la misma sinapsis o en sinapsis diferentes.
Suma Como los PPSE y los PPSI son potenciales graduados, pueden sumarse entre sí (v. capítulo 7). Esta suma puede ser espacial o
La sinapsis de la neurona A con la célula postsináptica está más cercana al P cono axónico que la sinapsis de la neurona B. Si un solo potencial de acción en cada neurona presináptica da como resultado una despolarización de 8 mV en el cono axónico, ¿qué neurona presináptica tendría que producir la mayor despolarización en el sitio de la sinapsis?
Suma temporal En la suma temporal, se generan dos o más potenciales postsinápticos en rápida sucesión en la misma sinapsis, de modo que un potencial postsináptico no tiene tiempo de disiparse completamente antes de que se genere el siguiente. Cuando ocurre esto, los potenciales postsinápticos se superponen, de modo que la despolarización o hiperpolarización resultante es mayor que para un solo potencial postsináptico. La figura 8.8a muestra la medición del potencial de membrana en el cono axónico de una neurona postsináptica que recibe estímulos procedentes de tres neuronas presinápticas (A, B y C). El gráfico de la figura 8.8b muestra los acontecimientos que tienen lugar en la suma temporal. Para mayor simplicidad, hemos
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Transmisión sináptica e integración neural
205
de considerar que, cuando la neurona A desencadena un solo potencial de acción, libera suficiente neurotransmisor como para causar un PPSE de unos 8 mV en el cono axónico de la neurona postsináptica, lo que no es suficiente para despolarizar la membrana hasta el umbral (en realidad, la mayoría de los PPSE tienen menos de 1 mV de magnitud). Una vez que este PPSE ha terminado, y que el potencial de membrana ha vuelto al valor de reposo, un segundo potencial de acción en la neurona A desencadena otro PPSE del mismo tamaño. Sin embargo, cuando tienen lugar más cerca en el tiempo dos potenciales de acción en la neurona A (en unos pocos milisegundos), de modo que el segundo PPSE se produce antes de que el primero pueda disiparse, los dos PPSE se suman. En este caso, la suma de los dos PPSE es suficientemente grande como para despolarizar la membrana de la neurona postsináptica hasta el umbral y generar un potencial de acción. Observa que también los PPSI pueden sumarse temporalmente de manera similar. Cuando dos PPSI generados en una sinapsis inhibidora tienen lugar muy cerca uno de otro en el tiempo, se suman de tal modo que la hiperpolarización resultante es mayor que la producida por un solo PPSI. Sin embargo, el grado de hiperpolarización que puede alcanzarse está limitado por el potencial de equilibrio del ion que causa la hiperpolarización. Cuando, por ejemplo, la apertura de los canales de potasio produce una hiperpolarización, cuantos más canales de potasio estén abiertos, mayor será la hiperpolarización hasta que el potencial de membrana se acerque a –94 mV (el potencial de equilibrio del potasio). El potencial de membrana nunca puede exceder y, de hecho, nunca alcanzará –94 mV, porque, aun cuando todos los canales de potasio de una membrana estén abiertos, los canales de goteo del sodio permitirán que algo de sodio se filtre en el interior de la célula, contrarrestando el movimiento del potasio. La suma temporal puede tener lugar porque los potenciales postsinápticos duran bastante más tiempo que los potenciales de acción. Esto hace posible que una neurona presináptica desencadene un segundo potencial de acción, liberando así una segunda explosión de moléculas neurotransmisoras, mientras que las moléculas neurotransmisoras del primer potencial de acción siguen estando en la hendidura sináptica. La mayor concentración de neurotransmisor en la hendidura sináptica abre más canales iónicos, causando un potencial postsináptico mayor. Por el contrario, cuando una neurona presináptica desencadena dos potenciales de acción lejanos en el tiempo, el neurotransmisor liberado como resultado del primer potencial de acción desaparece totalmente de la hendidura sináptica antes de que llegue el siguiente potencial de acción, de modo que los dos potenciales postsinápticos no pueden sumarse. (Observa, sin embargo, que cuando están implicados los receptores metabótropos, los de la respuesta lenta, puede persistir un potencial postsináptico incluso después de que el neurotransmisor que lo inició haya desaparecido de la hendidura sináptica.)
co de la neurona postsináptica y un potencial de acción en la neurona C libera suficiente neurotransmisor para causar una hiperpolarización de 8 mV. Cuando se activan las neuronas A y B a la vez, los PPSE resultantes se suman para producir una despolarización lo suficientemente grande como para desencadenar un potencial de acción. Observa también que si las neuronas A y C estuvieran activas a la vez, no habría cambios en el potencial de membrana de la neurona postsináptica, porque el PPSE que se hubiera originado en la sinapsis A y el PPSI que se hubiera originado en la sinapsis C se anularían mutuamente. Por tanto, la suma espacial ocurre cuando los potenciales postsinápticos que se originan en sinapsis diferentes se extienden al cono axónico, superponiéndose a lo largo del camino. La figura 8.8 es un ejemplo muy simplificado del concepto de integración neural. En primer lugar, el número de sinapsis con una neurona postsináptica puede llegar a cientos de miles. En segundo lugar, como algunas sinapsis son excitatorias y otras inhibidoras, la cantidad de combinaciones posibles de estímulos sinápticos activos es astronómica. La suma temporal y espacial de potenciales postsinápticos tiene lugar continuamente y la magnitud del potencial sumado en el cono axónico determina si ocurren potenciales de acción y cuándo lo hacen.
Suma espacial
Modulación presináptica
En la suma espacial (fig. 8.8c), se generan dos o más potenciales postsinápticos de distintas sinapsis casi a la vez, de tal modo que cuando se extienden al cono axónico se superponen y se suman. Cuando las neuronas A y B tienen potenciales de acción en momentos diferentes, cada neurona induce un PPSE en la neurona postsináptica, ninguno de los cuales es lo suficientemente grande como para desencadenar un potencial de acción. Igual que antes, por sencillez, suponemos que para un solo potencial de acción en la neurona A o B se libera suficiente neurotransmisor para producir una despolarización de 8 mV en el cono axóni-
Codificación por frecuencia En el capítulo 7 explicamos que una vez que un estímulo despolarizante excede el umbral, el grado de despolarización no afecta al tamaño de los potenciales de acción, sino más bien a su frecuencia. Vimos que los aumentos de fuerza de esos estímulos por encima del umbral hacen que aumente la frecuencia de los potenciales de acción, un efecto denominado codificación por frecuencia. Como la suma de los potenciales postsinápticos afecta al grado de despolarización en el cono axónico, se deduce que la suma influye sobre la frecuencia de los potenciales de acción en la neurona postsináptica. Cuando los potenciales de acción tienen lugar a una frecuencia mayor, se libera más neurotransmisor de la neurona. Por tanto, una mayor frecuencia de los potenciales de acción corresponde a una comunicación más fuerte con la siguiente neurona en una vía neural. Las sinapsis excitatorias e inhibidoras descritas anteriormente se encuentran, principalmente, en sinapsis axodendríticas y axosomáticas. Ahora, vamos a describir lo que ocurre en las sinapsis axoaxónicas.
Test rápido 8.3 1. Compara la suma espacial con la temporal. 2. Explica lo que se quiere decir cuando se describe el cono axónico como un integrador.
Las sinapsis axoaxónicas funcionan como sinapsis moduladoras, sinapsis que regulan la comunicación con otra sinapsis. Recordemos que las sinapsis axoaxónicas pueden formarse entre el axón terminal de una neurona y el axón terminal de otra neurona (v. fig. 8.1). En las sinapsis axoaxónicas, un neurotransmisor de la neurona presináptica (también llamada neurona moduladora) no genera señales eléctricas en la neurona postsináptica. En su lugar, mediante la unión a los receptores que hay sobre la membrana del axón terminal de la neurona postsináptica, el neuro-
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Transmisión sináptica e integración neural
Potencial de acción
Voltímetro
C
E
Potenciales de acción
E
E
D
C
X
C
Cono axónico
Potencial de membrana (mV)
206
+30
Umbral
–55 –70
C
D
Potencial de acción
Voltímetro
F
H
G
H F
Y Cono axónico
Potenciales de acción
H F
Potencial de membrana (mV)
(a) Facilitación presináptica
E C+E Tiempo (ms)
D+E
+30
Umbral
–55 –70
F
G
H
F+H
F+G
F+G+H
(b) Inhibición presináptica
FIGURA 8.9 Modulación presináptica en las sinapsis axoaxónicas. (a) Facilitación presináptica. Cuando las neuronas C y E están activas, el neurotransmisor de la neurona E aumenta la liberación del neurotransmisor de la neurona C, aumentando la fuerza del PPSE resultante hasta el umbral y generando un potencial de acción en la neurona X. (b) Inhibición presináptica. Cuando las neuronas F y H están activas, el neurotransmisor de la neurona H disminuye la liberación del neurotransmisor de la neurona F, disminuyendo la
fuerza del PPSE en la neurona Y. Cuando las neuronas F y G están activas, sus PPSE se suman espacialmente y la neurona Y se despolariza hasta el umbral, generando un potencial de acción. Sin embargo, cuando las neuronas F, G y H son activadas, el PPSE de la neurona F disminuye, debido a la inhibición presináptica de la neurona H, hasta el punto de que la suma de los PPSE de las neuronas F y G está por debajo del umbral y no se genera ningún potencial de acción.
transmisor induce un cambio en la cantidad de calcio que entra en el axón terminal en respuesta a un potencial de acción, alterando, a cambio, la cantidad de neurotransmisor liberado de la neurona postsináptica. En algunos casos, se aumenta la liberación de neurotransmisor, un fenómeno llamado facilitación presináptica; en otros casos, la liberación de neurotransmisor disminuye, un fenómeno denominado inhibición presináptica. A continuación, vamos a considerar estos fenómenos.
tiva. Observa que la actividad en la neurona E sola no tiene efectos directos sobre la neurona X, porque la neurona E no forma sinapsis con la neurona X. Observa, también, que la actividad de la neurona E no tiene efectos sobre ningún PPSE que se haya desencadenado por algún estímulo de la neurona D. Este ejemplo ilustra una característica importante de la modulación presináptica en las sinapsis axoaxónicas que las diferencia de las sinapsis axodendríticas y axosomáticas: la modulación presináptica afecta a la transmisión hacia la neurona postsináptica en una sinapsis específica, alterando, por ello, la capacidad de esa sinapsis para excitar o inhibir a la neurona postsináptica. Por el contrario, en las sinapsis axodendríticas y axosomáticas, las neuronas presinápticas excitan o inhiben a la neurona postsináptica de una manera no selectiva, produciendo directamente cambios en el potencial de membrana de la neurona postsináptica en forma de PPSE e PPSI.
Facilitación presináptica La facilitación presináptica se ilustra en la figura 8.9a. Las neuronas C y D son neuronas presinápticas que forman sinapsis excitatorias con la neurona postsináptica X; la neurona E es una neurona moduladora que forma una sinapsis en el axón terminal de la neurona C. En este ejemplo, un potencial de acción en la neurona C desencadena la liberación del suficiente neurotransmisor como para producir un PPSE de 10 mV en la neurona X cuando la neurona E no está activa. Sin embargo, cuando la neurona E está activa, un solo potencial de acción en la neurona C liberará el suficiente neurotransmisor como para producir un PPSE de 15 mV y desencadenar un potencial de acción. Por tanto, la actividad de la neurona E aumenta la cantidad de calcio presente en el citosol del axón terminal de la neurona C, aumentando así la cantidad de neurotransmisor liberado de la neurona C. Como resultado, la neurona C desencadena un PPSE mayor en la neurona X, comparado con cuando la neurona E está inac-
Inhibición presináptica La figura 8.9b muestra un ejemplo de inhibición presináptica. En este ejemplo, las neuronas F y G crean conexiones sinápticas excitatorias directas con la neurona Y; la neurona H es una neurona moduladora que formaba una sinapsis axoaxónica con la neurona F. Cuando está activa solamente la neurona F o la neurona G, se produce un PPSE en la neurona Y. Cuando la neurona H está activa por sí misma, no se producen cambios en el potencial de membrana de la neurona Y. Sin embargo, cuando
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las neuronas F y H están activas al mismo tiempo, la respuesta de la neurona Y al estímulo de la neurona F disminuye, esto es, la neurona H disminuye la cantidad de calcio que entra en el citosol del axón terminal de la neurona F, suprimiendo, con ello, la liberación de neurotransmisor de la neurona F. Por el contrario, la actividad de la neurona H no afecta a la respuesta de la neurona Y para recibir estímulos de la neurona G.
207
Célula presináptica Acetil-CoA
+
Axón terminal
Colina CAT 1 Acetilcolina (ACh) 2
Comprueba tus conocimientos Las encefalinas son sustancias parecidas a la morfina producidas por el organismo (v. el comienzo de este capítulo). Las encefalinas inhiben presinápticamente la liberación de neurotransmisor de las neuronas que transportan señales procedentes de los receptores del dolor (llamados nocirreceptores) desde la piel a la médula espinal. A partir de esta información, explica qué efecto, si es que hay alguno, tendrían las encefalinas en la percepción del dolor, que tiene lugar en el cerebro.
3 6 4
5
Colina Acetato
ACh
Receptor colinérgico
Observa que, aunque la figura 8.9 ilustra la facilitación y la inhibición presinápticas en las sinapsis excitatorias, estos fenómenos pueden ocurrir también en las sinapsis inhibidoras.
Acetilcolinesterasa (AChE) Célula postsináptica
FIGURA 8.10 Síntesis del neurotransmisor, acción y degradación en
Test rápido 8.4 1. ¿Qué tipo de sinapsis tiene lugar en la modulación presináptica? 2. Durante la inhibición presináptica, ¿aumenta o disminuye la cantidad de neurotransmisor liberado?
Neurotransmisores: estructura, síntesis y degradación Los neurotransmisores entran en una variedad de clases químicas que incluyen la acetilcolina, las aminas biógenas, los aminoácidos, las purinas y los neuropéptidos. La mayoría son moléculas de pequeño tamaño, a excepción de los neuropéptidos, mucho más grandes que los demás. Unos cuantos neurotransmisores adicionales, como el óxido nítrico, son distintos a los demás y se agrupan en una clase aparte. En la tabla 8.1 aparecen los diversos tipos de neurotransmisores más conocidos, de los que vamos a tratar en las secciones siguientes.
las sinapsis colinérgicas. Secuencia de acontecimientos en una sinapsis colinérgica. ➀ La enzima colinacetiltransferasa (CAT) cataliza la reacción combinando acetil-CoA con colina para formar ACh (y CoA). ➁ A continuación, la ACh es activamente empaquetada en vesículas sinápticas. ➂ La ACh se libera mediante exocitosis. Una vez liberada, la ACh puede ➃ unirse a los receptores colinérgicos existentes en la célula postsináptica o ➄ ser degradada por la enzima acetilcolinesterasa (AChE) en colina y acetato. ➅ La colina es activamente transportada de nuevo hacia la neurona presináptica, donde puede utilizarse para sintetizar más acetilcolina.
P ¿Qué desencadena la liberación de acetilcolina por exocitosis? en las neuronas eferentes tanto de las ramas somática como autónoma. La acetilcolina es sintetizada en el citoplasma de los axones terminales de las neuronas (fig. 8.10). La síntesis de acetilcolina a partir de dos sustratos, el acetil-CoA y la colina, es catalizada por la colinacetiltransferasa (CAT) como sigue: Acetil-CoA + colina
Acetilcolina La acetilcolina (ACh) se libera de las neuronas de los sistemas nerviosos central y periférico. Es el tipo de neurotransmisor más abundante en el sistema nervioso periférico, donde se encuentra
CAT
acetilcolina + CoA
En el capítulo 3 vimos que uno de estos sustratos, el acetilCoA, es una molécula de dos carbonos producida durante el catabolismo de los lípidos, los hidratos de carbono y las proteí-
TABLA 8.1 Tipos de neurotransmisores más conocidos Derivados de la colina
Aminas biógenas
Aminoácidos
Purinas
Neuropéptidos
Moléculas únicas
Acetilcolina
Catecolaminas Dopamina Adrenalina Noradrenalina Serotonina Histamina
Glutamato Aspartato Glicina GABA
ATP ADP Adenosina
TRH Vasopresina Oxitocina Sustancia P Opioides endógenos Encefalinas Endorfinas Orexina
Óxido nítrico Endocannabinoides
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nas, y es el sustrato inicial del ciclo de Krebs. Por tanto, hay acetil-CoA en casi todas las células del organismo, incluyendo en aquellas neuronas que sintetizan y liberan acetilcolina (llamadas neuronas colinérgicas). Por el contrario, las neuronas no pueden sintetizar colina (aunque una parte se sintetiza en el hígado); en su lugar, la mayor parte de la colina se obtiene de la dieta y el torrente sanguíneo se encarga de transportarla hasta las neuronas colinérgicas, donde se asimila mediante un sistema de transporte activo. Una vez que se ha sintetizado, la acetilcolina es almacenada en vesículas sinápticas (v. fig. 8.10) hasta que un potencial de acción desencadena su liberación por exocitosis. Tras su liberación, la acetilcolina puede unirse a los receptores de la célula postsináptica (denominados receptores colinérgicos) y/o ser degradada por una enzima llamada acetilcolinesterasa (AChE), que se encuentra en la membrana de la neurona presináptica, en la membrana de la neurona postsináptica o en ambas. La acetilcolinesterasa cataliza la descomposición de la acetilcolina en acetato (una molécula de acetil-CoA a la que no está unido el CoA) y colina como sigue: Acetilcolina
CAThE
acetato + colina
Ninguno de los productos de la descomposición de esta reacción tiene actividad transmisora, pero la colina producida se vuelve a introducir en la célula presináptica mediante un mecanismo de transporte activo y puede utilizarse para sintetizar más acetilcolina. El acetato se aleja de las sinapsis y entra en la sangre. Las células del sistema nervioso suelen tener distintos tipos de receptores para un neurotransmisor específico. Los receptores de la acetilcolina son de dos tipos: receptores colinérgicos nicotínicos y receptores colinérgicos muscarínicos. (Estos receptores se denominan así porque la nicotina se une a los receptores nicotínicos, pero no a los muscarínicos, mientras que la muscarina se une a los receptores muscarínicos, pero no a los nicotínicos.) A pesar de que ambos receptores tienen un
Líquido extracelular ACh
Na+
Receptor colinérgico nicotínico
mensajero común, la acetilcolina, los efectos sobre la célula postsináptica son muy diferentes (fig. 8.11). Los receptores colinérgicos nicotínicos son ionotrópicos y tienen dos lugares de unión para la acetilcolina. Cuando se les une la acetilcolina, se desencadena la apertura de los canales que permiten que tanto el sodio como el potasio pasen a través, causando un PPSE en la célula postsináptica (fig. 8.11a). Los receptores colinérgicos nicotínicos están situados en varias áreas del sistema nervioso periférico, por ejemplo, en ciertas neuronas autónomas y en células del músculo esquelético, que son las células efectoras de las motoneuronas somáticas. Los receptores colinérgicos nicotínicos también están situados en algunas regiones del sistema nervioso central. Los receptores colinérgicos muscarínicos son receptores metabótropos y funcionan mediante la acción de una proteína G. El efecto resultante de la unión de acetilcolina a los receptores colinérgicos muscarínicos depende de la célula postsináptica en cuestión; estos receptores pueden abrir o cerrar canales iónicos o activar enzimas (fig. 8.11b). Los receptores colinérgicos muscarínicos, que se encuentran en algunos órganos efectores del sistema nervioso autónomo, constituyen el tipo dominante de receptor colinérgico del sistema nervioso central. Los distintos efectos de la acetilcolina en los receptores colinérgicos nicotínicos y muscarínicos ilustran un concepto fisiológico importante: la acción de cualquier mensajero químico depende, finalmente, no de la naturaleza del mensajero, sino del tipo de receptor al que el mensajero se une en la célula diana.
Aminas biógenas Las aminas biógenas son un tipo de neurotransmisores derivados de los aminoácidos. Se llaman aminas porque todas poseen un grupo amino (— NH2). (Observa que no incluyen a los aminoácidos, que también poseen grupos amino.) Entre las aminas biógenas se incluyen las catecolaminas, la serotonina y la histamina. Las catecolaminas contienen un grupo catecol, un anillo de seis carbonos con dos grupos hidroxilo que incluyen a los
ACh
Canal iónico
Citosol
Receptor colinérgico muscarínico
Enzima
K+ Proteína G (a) Receptores colinérgicos nicotínicos
Mensajero secundario
(b) Receptor colinérgico muscarínico
FIGURA 8.11 Mecanismos de transducción de señal en los receptores colinérgicos. (a) Los receptores colinérgicos nicotínicos son canales operados por receptores que permiten el paso a los iones sodio y potasio. Cuando la acetilcolina se une a estos receptores, se abren los canales. Debido al hecho de que entra más sodio del potasio que sale, el resultado es un PPSE. (b) Los receptores colinérgicos muscarínicos están acoplados a proteínas G que pueden tanto abrir como cerrar canales iónicos directamente, como activar o inhibir una enzima que cataliza la producción de un segundo mensajero. Los
segundos mensajeros producidos pueden tener varios efectos en la célula postsináptica, incluyendo la apertura o el cierre de los canales iónicos. Los efectos en las células postsinápticas pueden ser excitatorios (PPSE) o inhibidores (PPSI). ¿Qué tipo de receptor colinérgico (nicotínico o muscarínico) produce la P respuesta más rápida?
Transmisión sináptica e integración neural
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neurotransmisores dopamina, noradrenalina y adrenalina. (La vía sintética de las catecolaminas se describe en el capítulo 5.) Como la acetilcolina, las aminas biógenas son sintetizadas en el citosol del axón terminal y empaquetadas en vesículas sinápticas. Tanto la dopamina como la noradrenalina son principalmente liberadas por neuronas del sistema nervioso central, pero la noradrenalina también es liberada por neuronas del sistema nervioso periférico. A pesar de que la adrenalina sea liberada por algunas neuronas del sistema nervioso central, es más conocida como una hormona liberada por la médula suprarrenal en respuesta a órdenes del sistema nervioso simpático. Las diversas catecolaminas se unen a receptores específicos. Los receptores para la adrenalina y noradrenalina se denominan receptores adrenérgicos, de los que hay dos clases principales: los receptores alfa adrenérgicos y los beta adrenérgicos. Cada una de estas clases tiene subclases designadas por subíndices numéricos, siendo los tipos de receptor más importantes los alfa1, alfa2, beta1, beta2 y beta3. La adrenalina muestra una mayor afinidad por los receptores beta2, mientras que la noradrenalina tiene mayor afinidad por los receptores alfa y beta1, pero ambos compuestos se unen a todos estos receptores. Los receptores adrenérgicos se encuentran en el sistema nervioso central y en los órganos efectores de la rama simpática del sistema nervioso autónomo. Los receptores adrenérgicos se denominan así porque se unen a la adrenalina y la noradrenalina, respectivamente. De modo similar, los receptores que se unen a la dopamina reciben el nombre de dopaminérgicos. Las catecolaminas suelen producir respuestas lentas mediadas a través de las proteínas G y cambios en los sistemas de los segundos mensajeros. Además, a menudo funcionan como autocrinos, uniéndose a receptores (denominados autorreceptores) en el axón terminal de la célula que los haya liberado. Estos receptores hacen posible que una neurona module su propia liberación de neurotransmisor, generalmente modificando la cantidad de calcio que entra en la célula como respuesta a un potencial de acción. Las neuronas también presentan autorreceptores para otros neurotransmisores. Después de su liberación, las catecolaminas pueden ser degradadas por dos enzimas, la monoaminooxidasa (MAO) y la catecol-O-metiltransferasa (COMT). La MAO está situada en la hendidura sináptica, en las mitocondrias del axón terminal de las neuronas que liberan las catecolaminas y en algunos tipos de neuroglia. La COMT está situada en la hendidura sináptica. Para comprender la importancia de las enzimas que degradan neurotransmisores, véase «Conexiones clínicas: Tratamiento de la depresión». La serotonina y la histamina son aminas biógenas, pero no catecolaminas. La serotonina se encuentra en el sistema nervioso central, particularmente en la porción inferior del cerebro, llamada tronco encefálico. Entre las funciones de la serotonina se incluyen la regulación del sueño y de las emociones. La histamina, mejor conocida por su liberación por células no neuronales durante las reacciones alérgicas, entre otras, también puede actuar como neurotransmisor. La histamina se encuentra en el sistema nervioso central, principalmente en un área del cerebro llamada hipotálamo.
Neurotransmisores aminoácidos Los neurotransmisores aminoácidos son el tipo más abundante de neurotransmisores del sistema nervioso central, donde se encuentran ampliamente distribuidos por casi todas las zonas.
209
COOH
H2N
CH2
COOH
CH2
CH2
C
H
H2N
C
H
COOH
COOH
Glutamato
Aspartato
(a) Neurotransmisores aminoácidos en sinapsis excitatorias
COOH CH2 CH2 H2N
CH2
Ácido gamma-aminobutírico (GABA)
H H2N
C
H
COOH Glicina
(b) Neurotransmisores aminoácidos en sinapsis inhibidoras
FIGURA 8.12 Neurotransmisores aminoácidos. (a) Neurotransmisores aminoácidos liberados en sinapsis excitatorias. (b) Neurotransmisores aminoácidos liberados en sinapsis inhibidoras.
El aspartato y el glutamato son liberados en las sinapsis excitatorias, mientras que la glicina y el ácido gamma-aminobutírico, más conocido como GABA, se liberan en las sinapsis inhibidoras (fig. 8.12). Debido a que el GABA se deriva de uno de los demás neurotransmisores aminoácidos, el glutamato, tiene una estructura similar a la de un aminoácido excitatorio, pero produce efectos inhibidores. El motivo de esta aparente contradicción es que los receptores de estos compuestos son muy específicos; por tanto, a pesar de que el GABA y el glutamato tienen estructuras similares, se unen a poblaciones de receptores totalmente diferentes y producen resultados opuestos. El glutamato es el neurotransmisor liberado con mayor frecuencia en las sinapsis excitatorias del sistema nervioso central. Se puede unir a tres clases principales de receptores: receptores para A-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol propionato (AMPA), receptores para N-metil-D-aspartato (NMDA) y receptores para cainato. Cuando el glutamato se une a receptores para AMPA o para cainato, se produce un PPSE rápido por el movimiento del sodio hacia el interior de la célula. Cuando el glutamato se une a los receptores para NMDA, se abren los canales de calcio, dando como resultado un flujo de entrada de calcio. El calcio actúa como segundo mensajero, produciendo cambios bioquímicos en la neurona postsináptica. Por su parte, el GABA es el neurotransmisor más común que se libera en las sinapsis inhibidoras del sistema nervioso central. Hasta ahora, se han identificado tres categorías de receptores GABA: GABAA, GABAB y GABAC. La unión de los receptores GABA a los GABAA abre canales cloruro, produciendo un PPSI en la membrana de la célula postsináptica. Los receptores GABAB pueden estar situados en la membrana del axón terminal presináptico, donde funcionan como autorreceptores, o cerca de los axones terminales, donde tienen funciones en la inhibición presináptica. Los receptores GABAB también están situados en las dendritas
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Transmisión sináptica e integración neural
CONEXIONES CLÍNICAS
Tratamiento de la depresión La depresión clínica tiene muchos síntomas, incluyendo falta de energía, hábitos de alimentación anormales (comer demasiado o demasiado poco), y/o dificultad para conciliar el sueño o bien un exceso de sueño. A menudo, la persona piensa que no vale nada y le pueden asaltar pensamientos suicidas. A una persona deprimida le cuesta mucho rendir en la sociedad. Las causas de la depresión y sus síntomas no se conocen en su totalidad, pero se sabe que la depresión es una enfermedad asociada con los cambios bioquímicos que tienen lugar en el cerebro. Muchas evidencias sugieren que la depresión está asociada a deficiencias de las aminas biógenas serotonina y noradrenalina. Por tanto, las estrategias de tratamiento farmacológico a menudo se centran en aumentar las concentraciones de aminas biógenas en el cerebro. Un tipo de antidepresivos lo constituyen los inhibidores de monoaminooxidasa. La monoaminooxidasa es la enzima que degrada las aminas biógenas, incluyendo la noradrenalina y la serotonina. Como estos antidepresivos inhiben su degradación, estos neurotransmisores permanecen más tiempo en la hendidura sináptica; el efecto es similar a un aumento en la liberación de estos neurotransmisores. Los inhibidores de monoaminooxidasa, incluyendo la fenelcina y la isocarboxacida, se han utilizado con éxito para tratar muchos casos de depresión clínica.
Una clase relativamente nueva de antidepresivos de uso común (aprobados por primera vez por la Food and drug Administration norteamericana en 1987) son los inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina (ISRS). Disminuyendo la recaptación de serotonina en la célula que la liberó, los ISRS aumentan selectivamente la cantidad de serotonina presente en la hendidura sináptica. Los ISRS son más específicos que los inhibidores de monoaminooxidasa, porque solo afectan a las sinapsis serotoninérgicas. Entre los ISRS se encuentran la fluoxetina y la paroxetina. Otra clase de antidepresivos de uso común son los tricíclicos, así llamados por los tres anillos de carbono que contienen. Aunque los tricíclicos son los antidepresivos más antiguos (se utilizaron por primera vez en los años cincuenta), sus mecanismos de acción son los que menos se han comprendido. Se han propuesto varias hipótesis relacionadas con estos mecanismos, la mayoría de las cuales implica alteraciones de la actividad en las sinapsis adrenérgicas o serotoninérgicas. Entre los tricíclicos se encuentran la imipramina, la amitriptilina y la desipramina. Los beneficios terapéuticos de los inhibidores de monoaminooxidasa y de los ISRS para la depresión tampoco se comprenden del todo, en cuanto a que, aunque estos fár-
y los somas postsinápticos, donde se acoplan a las proteínas G. Los receptores GABAC están situados en la retina, donde tienen funciones en la comunicación de la información visual. Los sedantes, como diacepam, se unen a los receptores GABAA para participar en la actividad neural depresora del sistema nervioso central (v. «Conexiones clínicas: Función de los agentes gabaérgicos en la ansiedad y los trastornos del sueño»).
Purinas La función de las purinas y las pirimidinas en la formación de los ácidos nucleicos se trató en el capítulo 2, en el que se mencionaba que el ATP es la fuente de energía más importante de los procesos celulares; se sintetiza a partir del ADP y más tarde se cataboliza a ADP cuando es necesaria energía. Por tanto, todas las
macos disminuyen inmediatamente la actividad de la monoaminooxidasa con la recaptación de serotonina, respectivamente, no tienen efectos sobre la depresión hasta que hayan sido administrados durante varias semanas. Sigue habiendo mucho campo para la investigación sobre los mecanismos de acción de los antidepresivos y de otros medicamentos.
células del organismo necesitan ATP. Cuando se descubrieron por primera vez en el cerebro los receptores del ATP (y de otras purinas), fue difícil comprender que el ATP pudiera funcionar como un neurotransmisor. Hoy en día, está aceptado como uno de los neurotransmisores, junto con el GTP, el ADP y el AMP, todos los cuales se almacenan en vesículas sinápticas y se liberan mediante exocitosis. La adenosina también está considerada como un neurotransmisor, aunque no en el sentido clásico. No se almacena en vesículas sinápticas; se genera a partir del ATP liberado en el líquido extracelular por las enzimas allí situadas. El ATP parece ser uno de los neurotransmisores más importantes del sistema nervioso entérico del tubo digestivo. Sin embargo, también funciona como neurotransmisor en los sistemas nerviosos periférico y central, donde se han identificado varios tipos de receptores purinérgicos. Los dos tipos principales
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CONEXIONES CLÍNICAS
Función de los agentes gabaérgicos en la ansiedad y los trastornos del sueño El GABA es el neurotransmisor inhibidor más común del sistema nervioso central. Como tal, los agentes que aumentan la actividad en las sinapsis gabaérgicas tienden a deprimir la actividad en el sistema nervioso central. Entre los productos que actúan en los sistemas gabaérgicos se pueden citar las benzodiacepinas (diacepam), las ayudas contra el insomnio (zolpidem) y el alcohol. Estas sustancias interactúan con los receptores GABAA, que son receptores ionotrópicos con canales de cloruro. Cuando el GABA se une al receptor, los canales de cloruro permiten que este entre en la célula. Las benzodiacepinas se utilizan para tratar la ansiedad. Todo el mundo siente ansiedad en un momento u otro, pero algunas personas sufren ansiedad crónica o ataques de ansiedad. La ansiedad aparece en respuesta a una situación de estrés o de miedo que activa el sistema nervioso simpático. Esta rama del sistema nervioso autónomo es responsable de la respuesta de lucha o huida, caracterizada por un aumento del ritmo cardíaco y de la fuerza de las contracciones del corazón, de la respiración, de la sudoración y de la movilización de los almacenes de energía. La respuesta ayuda a preparar el organismo para enfrentarse al agente estresante, aumentando el flujo de sangre y el transporte de nutrientes a las célu-
las, especialmente a las del músculo cardíaco y esquelético. Aunque esta respuesta ha hecho posible que los seres humanos sobrevivamos a situaciones peligrosas, para algunos esta respuesta aparece ante acontecimientos de importancia relativamente menor o incluso de ninguna importancia. En dosis bajas, las benzodiacepinas disminuyen la ansiedad modulando alostéricamente un tipo de receptores GABAA denominados receptores BZ y aumentando la afinidad del receptor por GABA. Al aumentar la transmisión de GABA, las benzodiacepinas producen un efecto inhibidor general sobre el sistema nervioso central. Sin embargo, en dosis altas, las benzodiacepinas actúan como un estimulante, inhibiendo los circuitos inhibidores del sistema nervioso central. Ciertos somníferos, como el zolpidem, actúan de una manera similar a las benzodiacepinas, pero se unen preferentemente a una subclase más limitada de los receptores GABAA (BZ-1). El zolpidem tiene un efecto hipnótico sedante, pero carece de los efectos contra la ansiedad de las benzodiacepinas. Tanto las benzodiacepinas como el zolpidem crean adicción y deben ser administrados con precaución. El alcohol deprime el sistema nervioso central mediante varios mecanismos, uno de los
de receptores purinérgicos son P2X y P2Y. P2X es un receptor ionotrópico cuyo canal permite que pasen los cationes, especialmente los iones de sodio y calcio. Tanto el sodio como el calcio penetran en la célula a través de estos canales, despolarizándola. Por tanto, la comunicación en los receptores P2X es excitatoria. Entre los neurotransmisores que pueden activar los receptores P2X se encuentran el ATP y el ADP. P2Y es un receptor metabótropo acoplado a proteínas G. La adenosina, el ADP y el ATP son todos neurotransmisores que pueden unirse al receptor P2Y. Además de los receptores purinérgicos, ciertos receptores solo se unen a la adenosina, los receptores A1 y A2. Una vez liberados en la hendidura sináptica, los neurotransmisores de tipo purina pueden ser degradados por enzimas. Las nucleotidasas degradan el ADP y el ATP, mientras que la adenosina desaminasa degrada la adenosina.
cuales implica a los receptores GABAA. De manera parecida a las benzodiacepinas, el alcohol aumenta las acciones de GABA en los receptores GABAA, aunque las acciones del alcohol parecen tener lugar en la membrana celular y no en el receptor en sí. El alcohol, las benzodiacepinas y el zolpidem interactúan en los mismos receptores. Por tanto, su administración conjunta puede ser peligrosa, porque la respuesta es sinérgica (esto es, la respuesta de dos fármacos cualesquiera administrados conjuntamente es mayor que la respuesta de la suma de cada uno por separado).
El alcohol deprime el sistema nervioso central.
Neuropéptidos Los neuropéptidos son cadenas cortas de aminoácidos que se sintetizan del mismo modo que las proteínas. Se han encontrado más de 50 de estos compuestos en las neuronas, en las que su funcionamiento como neurotransmisores está bien establecido o es muy probable. Como otros péptidos o proteínas que se secretan de las células, los neuropéptidos son sintetizados en el retículo endoplásmico rugoso y el aparato de Golgi los empaqueta en vesículas secretoras. En las neuronas, estos acontecimientos tienen lugar en el cuerpo celular, que es la única parte de la célula que contiene la dotación necesaria. Después de esta síntesis y del empaquetamiento, las vesículas secretoras son lentamente transportadas a lo largo del axón hasta el axón terminal, donde son almacenadas. Muchos de los neuropéptidos se cono-
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cen más clásicamente como hormonas, entre las que se encuentran la TRH, que regula la liberación de otra hormona llamada TSH; la vasopresina, que regula la salida de orina desde el riñón; la oxitocina, que regula las contracciones uterinas y la salida de leche de los pechos, y la sustancia P, que disminuye la motilidad digestiva. Entre los neuropéptidos también se encuentran los opioides endógenos, con efectos similares a la morfina. Dos exponentes de los opioides endógenos son las encefalinas y las endorfinas, ya mencionadas al comienzo de este capítulo. Un neuropéptido de descubrimiento más reciente es la orexina, un neurotransmisor hipotalámico que regula los ciclos de sueño-vigilia. Concretamente, la orexina induce el despertar. Actualmente, las empresas farmacéuticas están estudiando el potencial de la orexina sintética como tratamiento contra la narcolepsia, una enfermedad en la que una persona, de manera súbita y con frecuencia inesperada, se duerme. Otros estudios sugieren que la orexina podría utilizarse para evitar el sueño, igual que como se utiliza la cafeína hoy en día. La mayoría de los neuropéptidos están situados junto a otros neurotransmisores en las mismas neuronas, esto es, se liberan desde el mismo axón terminal. Los neuropéptidos a menudo actúan sobre receptores metabótropos y modulan la respuesta de la neurona postsináptica al neurotransmisor adyacente.
Por tanto, la liberación de óxido nítrico se controla mediante la regulación de la tasa de síntesis en una reacción catalizada por la enzima óxido nítrico sintasa. Después de su liberación, el óxido nítrico difunde hacia las células diana, que no están necesariamente conectadas con la célula secretora en una sinapsis. Una vez que el óxido nítrico llega a la célula diana, penetra en ella por difusión y modifica la actividad de las proteínas. Al degradarse rápidamente por sí mismo sin la ayuda de enzimas, su vida es muy corta y solamente dura unos pocos segundos. Puede que el óxido nítrico no sea el único gas que funciona como neurotransmisor. Existen evidencias recientes que sugieren que el monóxido de carbono también podría ser un neurotransmisor. Los endocannabinoides son una familia de sustancias químicas elaboradas en las neuronas a partir de los fosfolípidos de la membrana. Su producción es estimulada por un aumento de los niveles de calcio en el citosol. Una de las clases de receptores endocannabinoides identificada en el sistema nervioso central son los receptores CB1, que son metabótropos. Un fármaco cuya diana es el receptor CB1 es el tetrahidrocannabinol (THC), el componente activo del cannabis, o marihuana.
Test rápido 8.5
Neurotransmisores únicos Se han identificado varias sustancias químicas en las neuronas que parecen funcionar como neurotransmisores, a pesar de que no estén almacenadas en vesículas sinápticas ni sean liberadas por exocitosis. Dos de estas sustancias son el gas óxido nítrico y los endocannabinoides. El óxido nítrico tiene una estructura especialmente sencilla, un átomo de nitrógeno y un átomo de oxígeno. Además, no encaja en el patrón general de funcionamiento de los neurotransmisores, en el sentido de que no es sintetizado y almacenado en vesículas sinápticas antes de su liberación. En su lugar, se libera en cuanto se sintetiza, porque puede cruzar la membrana plasmática con gran facilidad.
1. Explica cómo es posible que un neurotransmisor dado inhiba una célula y excite otra. 2. Nombra los diversos tipos de neurotransmisores. ¿Cuáles son dominantes en el sistema nervioso periférico? 3. La mayoría de los neurotransmisores pequeños son sintetizados y almacenados en el axón terminal antes de su liberación. ¿Cómo se desvían los neuropéptidos de este patrón? ¿Cómo lo hacen la adenosina y los endocannabinoides? 4. A diferencia de otros neurotransmisores, el óxido nítrico no se une a receptores en la superficie de una célula postsináptica. ¿Cómo ejerce sus efectos?
RESUMEN DEL CAPÍTULO Sinapsis eléctricas, pág. 197 Las neuronas se comunican con otras neuronas o con órganos efectores en las sinapsis, y lo hacen tanto mediante sinapsis eléctricas como mediante sinapsis químicas. Las sinapsis eléctricas existen donde las uniones comunicantes conectan a dos neuronas.
Nervous II, Anatomy Review, pág. 6
Sinapsis químicas, pág. 197 En una sinapsis química, la transmisión del mensaje de una neurona presináptica a una neurona postsináptica tiene lugar como respuesta a un potencial de acción en la neurona presináptica. El potencial de acción se propaga desde la zona en que se desencadena hasta el axón terminal, donde estimula la apertura de los canales de umbral de voltaje de calcio. El calcio penetra en la célula, desencadenando la liberación de un neurotransmisor por exocitosis. El neurotransmi-
sor se une a receptores en la neurona postsináptica, provocando una respuesta en la neurona postsináptica, que normalmente consiste en un cambio en sus propiedades eléctricas. La transducción de señal hace referencia al mecanismo por el cual un mensajero produce una respuesta en una célula. En los receptores ionotrópicos (de respuesta rápida), el neurotransmisor hace que los canales iónicos se abran rápidamente, produciendo un cambio inmediato en las propiedades eléctricas de la célula. En los receptores metabótropos (de respuesta lenta), el neurotransmisor activa una proteína G, que abre o cierra los canales iónicos para cambiar las propiedades eléctricas de la célula, o activa una enzima que produce un mensajero secundario. El mensajero secundario puede, entonces, abrir o cerrar canales iónicos o bien producir algún otro tipo de respuesta en la célula.
Las sinapsis pueden ser excitatorias o inhibidoras. En las sinapsis excitatorias, el potencial de membrana de la neurona postsináptica se despolariza, acercándose al umbral para generar un potencial de acción. Esta despolarización se denomina PPSE. En las sinapsis inhibidoras, el potencial de membrana de la neurona postsináptica se hiperpolariza o se estabiliza, reduciendo la posibilidad de que la neurona comience un potencial de acción. La hiperpolarización recibe el nombre de PPSI.
Nervous II, Anatomy Review, págs. 7–8 Nervous II, Synaptic Transmission, págs. 2–14 Nervous II, Synaptic Potentials and Cellular Integration, págs. 4–9
Integración neural, pág. 203 La integración neural es la suma espacial y temporal de los potenciales sinápticos en el
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cono axónico de una neurona postsináptica. Si el cono axónico se despolariza hasta el umbral, se generará un potencial de acción. Una vez que la despolarización alcance el umbral, las despolarizaciones mayores condicionarán que los potenciales de acción se den con mayor frecuencia.
la liberación de un neurotransmisor desde la célula postsináptica. En la facilitación presináptica, se aumenta la comunicación en una sinapsis concreta, mientras que en la inhibición presináptica, la comunicación se disminuye en una sinapsis específica.
Nervous II, Synaptic Potentials and Cellular Integration, págs. 1–10
Neurotransmisores: estructura, síntesis y degradación, pág. 207
Modulación presináptica, pág. 205 La comunicación sináptica puede ser modulada. El tipo de modulación más común ocurre en las sinapsis axoaxónicas y se denomina modulación presináptica. En estas sinapsis, la célula presináptica modula
Las neuronas pueden liberar varios neurotransmisores. La acetilcolina es el neurotransmisor más abundante del sistema nervioso periférico, aunque también se puede encontrar en el sistema nervioso central. Las aminas biógenas comprenden las catecolaminas, la serotonina y la histamina. Entre las catecola-
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minas se encuentran la noradrenalina, la adrenalina y la dopamina. La noradrenalina es otro neurotransmisor común del sistema nervioso periférico. Otras clases de neurotransmisores incluyen los aminoácidos y los neuropéptidos. Entre los neurotransmisores de reciente descubrimiento se encuentran el óxido nítrico y la ATP. Los neurotransmisores se comunican uniéndose a receptores específicos para ellos. Generalmente, hay más de un tipo de receptor para cada neurotransmisor y la respuesta producida en la célula postsináptica puede variar considerablemente según el tipo de receptor activado y del mecanismo de acoplamiento implicado.
Nervous II, Synaptic Transmission, págs. 1–10
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. Supongamos que la fuerza electroquímica del anión X (X–) actúa para que el anión salga de la célula. Si la unión de un neurotransmisor con su receptor abriera los canales para X– en la célula postsináptica, entonces la respuesta sería a) un PPSE. b) un PPSI. c) la estabilización de la membrana. d) no habría respuesta 2. Supongamos que se pudiera eliminar todo el calcio del líquido extracelular que rodea a una neurona. Esta eliminación inhibiría la capacidad de una neurona para a) producir potenciales de acción. b) liberar neurotransmisor. c) responder a la unión de un neurotransmisor a su receptor. d) degradar neurotransmisores. 3. Las vesículas sinápticas a) almacenan calcio. b) liberan neurotransmisores por exocitosis. c) degradan neurotransmisores. d) forman uniones comunicantes. e) sintetizan neurotransmisores. 4. Si los canales de sodio se cerraran en respuesta a un estímulo, entonces a) la neurona se despolarizaría. b) la neurona se hiperpolarizaría. c) el potencial de membrana se estabilizaría. d) se produciría un mensajero secundario. e) la neurona permanecería en reposo. 5. Con mayor frecuencia, se produce un PPSE rápido por la apertura de canales a) selectivos para sodio. b) selectivos para potasio. c) de cloruro.
d) selectivos tanto para sodio como para potasio. e) selectivos para calcio. 6. La enzima que cataliza la síntesis de acetilcolina es la a) adenilato ciclasa. b) colinacetiltransferasa. c) monoaminooxidasa. d) acetilcolinesterasa. e) catecol-O-metiltransferasa. 7. ¿Cuál de los siguientes neurotransmisores es una amina biógena, pero no una catecolamina? a) la noradrenalina b) la serotonina c) la dopamina d) la adrenalina 8. ¿Cuál de los siguientes acontecimientos es más probable que ocurra en una sinapsis axoaxónica? a) un PPSE b) un PPSI c) la estabilización del potencial de membrana d) una suma temporal e) la modulación presináptica 9. ¿Qué ocurre con la concentración de neurotransmisor en la hendidura sináptica cuando la frecuencia de los potenciales de acción aumenta en la neurona presináptica? a) aumenta b) disminuye c) permanece constante 10. Los PPSE de dos sinapsis diferentes ocurren al mismo tiempo y causan una despolarización mayor que la que causaría cualquiera por separado. Esto es un ejemplo de a) estabilización de la membrana. b) inhibición presináptica.
c) facilitación presináptica. d) suma temporal. e) suma espacial.
Preguntas objetivas 1. En las sinapsis eléctricas, ¿qué tipo de unión existe entre las dos células? 2. Cuando la apertura de los canales iónicos permite que tanto los iones sodio como potasio pasen a través de la membrana, no hay cambios en el potencial de membrana, porque el sodio entra en la célula y el potasio sale de ella. (verdadero/falso) 3. Los receptores de los neurotransmisores se encuentran en las sinapsis (químicas/ eléctricas). 4. Que una sinapsis sea excitatoria o inhibidora viene determinado por el mecanismo de acoplamiento entre el receptor del neurotransmisor y los canales iónicos de la célula postsináptica. (verdadero/ falso) 5. La demora sináptica es el tiempo que tarda un potencial de acción en viajar desde la zona de una célula presináptica en la que se desencadena hasta el axón terminal. (verdadero/falso) 6. Un neurotransmisor dado podría ser excitatorio en una sinapsis e inhibidor en otra. (verdadero/falso) 7. Dado que la liberación de un neurotransmisor inhibidor es modificada por la facilitación presináptica, la respuesta de la célula postsináptica será de un grado (mayor/menor) de hiperpolarización. 8. La respuesta a un neurotransmisor es más rápida en los receptores (ionotrópicos/metabótropos).
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9. Las enzimas que catalizan la degradación de las catecolaminas son ———— y ————. 10. La adenilato ciclasa cataliza la formación de ————.
Preguntas abiertas
lecturas del voltaje en las preguntas 1 y 3 hacen referencia al potencial de membrana (Vm1 para la célula 1, etc.). Los potenciales de acción se muestran como espigas verticales; la barra horizontal que hay encima de la lectura del voltaje indica el período de tiempo durante el que el electrodo estimulador estuvo encendido.
1. Describe la secuencia de acontecimientos que tienen lugar en una sinapsis química, comenzando con un potencial de acción en la célula presináptica y terminando con una respuesta en la célula postsináptica.
Neurona 1
2. Compara y contrasta los acontecimientos causados por la unión de los neurotransmisores a los receptores ionotrópicos y metabótropos.
Sinapsis 1
b) la estimulación hiperpolariza la membrana celular. c) la estimulación no tiene efectos en el potencial de membrana de la célula. d) la estimulación imita el efecto de un neurotransmisor inhibidor. 2. Si observáramos un aumento de la frecuencia del potencial de acción en la célula 2 durante la estimulación de la célula 1, podríamos concluir que
a) b) c)
la sinapsis 1 es excitatoria. la sinapsis 1 es inhibidora. los resultados no son concluyentes.
3. Dados los siguientes resultados, ¿cuál sería la conclusión que se podría sacar?
3. Explica la base iónica de un PPSE rápido. Neurona 2
4. Expón cuál es la función de las sinapsis axoaxónicas. 5. Describe los pasos del sistema de segundos mensajeros del cAMP. Explica cómo el cAMP puede producir respuestas diferentes en los muy diversos tipos de células que lo utilizan como segundo mensajero.
Vm2 Sinapsis 2
Vm3
Neurona 3
Pensamiento crítico Preguntas 1-3: El diagrama que se puede observar a continuación muestra tres neuronas en una vía neural en la que la neurona 1 establece una sinapsis con la neurona 2, y la neurona 2 establece una sinapsis con la neurona 3. La neurona 1 puede activarse artificialmente mediante un electrodo de estimulación que pase corriente por la membrana. Se registran los potenciales de membrana de las tres neuronas mediante un electrodo intracelular conectado a un voltímetro. Las
Vm1
1. A partir de esta lectura del voltaje para la célula 1, podemos concluir que
Vm1
a) la estimulación despolariza la membrana celular.
a) La sinapsis 1 es excitatoria, mientras que la sinapsis 2 es inhibidora. b) La sinapsis 1 es inhibidora, mientras que la sinapsis 2 es excitatoria. c) Las sinapsis 1 y 2 son inhibidoras. d) Las sinapsis 1 y 2 son excitatorias. e) No es posible sacar una conclusión definitiva. 4. La enfermedad de Alzheimer afecta a la memoria y a la función cognitiva debido a una pérdida de las neuronas colinérgicas en ciertas áreas del cerebro. Propón una estrategia terapéutica a partir de lo que has aprendido en este capítulo.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Sistema nervioso: sistema nervioso central Según lees esto, tu sistema nervioso central está realizando muchas tareas, como percibir las palabras de la página, entenderlas y formular juicios acerca
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de su importancia y de si deberían almacenarse en la memoria o no. Si sigues leyendo, puede que empieces a integrar información con recuerdos o pensamientos previos. Sin embargo, si estás leyendo esto a altas horas de la noche, puede que te sientas soñoliento e incluso te quedes dormido; en ese caso, puede que mañana te acuerdes de algunas de las cosas leídas, pero no de muchas. En cualquier caso, lo que ocurre cuando lees es una consecuencia del procesamiento del sistema nervioso central. Una de las cosas que hace que el sistema nervioso sea tan fascinante es que las neuronas realizan la mayoría de sus funciones, como aprendiste en los capítulos 7 y 8. Dado que todas las neuronas operan según un pequeño conjunto de principios bien comprendidos, ¿cómo es que las neuronas son responsables de todas las complejidades y los misterios del sistema nervioso? ¿En qué medida están las neuronas implicadas cuando alguien se enfada o sueña despierto? ¿Cómo hacen las neuronas para que recordemos el nombre de una persona o cómo funciona el corazón? Una neurona sola no puede realizar ninguna de estas funciones, pero cuando miles de millones de neuronas (y la neuroglia asociada a ellas) están organizadas para formar el sistema nervioso, las neuronas realizan estas y otras miles de funciones más.
CONTENIDOS Anatomía general del sistema nervioso central 216 Médula espinal 224 Encéfalo
229
Función integrada del SNC: los reflejos 236 Función integrada del SNC: el control motor voluntario
239
Función integrada del SNC: el lenguaje 242 Función integrada del SNC: el sueño 243 Función integrada del SNC: las emociones y la motivación 247 Función integrada del SNC: el aprendizaje y la memoria 247
Microfotografía fluorescente de las neuronas.
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Sistema nervioso: sistema nervioso central
OBJETIVOS
Los científicos trabajan para desentrañar los misterios del encéfalo. Al ser la complejidad y las funciones del encéfalo tan difíciles de comprender utilizando la metodología científica actual, gran parte de lo que vas a estudiar en este capítulo comprende las partes generalmente aceptadas de una teoría en constante desarrollo acerca del funcionamiento del sistema nervioso central. Tal vez algún día comprenderemos el funcionamiento del encéfalo del mismo modo que comprendemos, por ejemplo, el de los pulmones o el de los riñones. Por ahora, examinemos la anatomía del sistema nervioso central.
Describir la anatomía del encéfalo y de la médula espinal y relacionar sus estructuras con sus funciones. Indicar qué estructuras protegen al sistema nervioso central y cuáles están implicadas en las señales neurales.
Describir la anatomía, la fisiología y las consecuencias de la barrera hematoencefálica.
Describir los suministros de energía del encéfalo y explicar por qué el flujo de sangre es tan importante.
Definir arco reflejo. Describir las siguientes vías de los reflejos: reflejo de estiramiento del huso muscular, reflejo de retracción y reflejo extensor cruzado.
Anatomía general del sistema nervioso central
Describir las áreas del encéfalo que contribuyen al control voluntario de los músculos esqueléticos y las funciones básicas que desempeñan dichas áreas.
Describir las diversas funciones de los dos centros del lenguaje: el área de Wernicke y el área de Broca.
El sistema nervioso central (SNC) comprende el encéfalo y la médula espinal. Como está compuesto por tejido blando con una consistencia parecida a la de la gelatina, es particularmente vulnerable a sufrir daños por traumas físicos. Afortunadamente, el SNC está protegido por la neuroglia, el hueso, el tejido conjuntivo y el líquido cefalorraquídeo, todo lo cual se describe a continuación.
Describir las diferentes fases del sueño y cómo el encéfalo cambia del estado dormido al estado consciente.
Describir los diferentes tipos de aprendizaje y memoria. Definir plasticidad neural y explicar cómo contribuye al aprendizaje y a la memoria.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Uniones estrechas, pág. 39 2. Glucólisis, pág. 74 3. Organización del sistema nervioso, pág. 167 4. Neurotransmisores, pág. 207 5. Estructura de la neurona, pág. 168 6. La comunicación en las sinapsis, pág. 199
Neuroglia Cuando pensamos en el sistema nervioso, pensamos en las neuronas. Sin embargo, del 75 al 90% del sistema nervioso central está compuesto por diferentes tipos de neuroglia que proporcionan soporte a las neuronas. Sin embargo, la función de la neuroglia en la comunicación neural puede ir más allá del simple soporte. Hay cinco tipos de neuroglia: las células de Schwann, los oligodendrocitos, la microglia, las células ependimarias y los astrocitos (fig. 9.1). La función de las células de Schwann y de los oligodendrocitos de formación de la mielina ya se describió en el capítulo 7. La neuroglia libera factores de crecimiento implicados en el desarrollo del sistema nervioso. Estudios recientes sugieren que la neuroglia y las neuronas se comunican entre sí. Aquí discutimos el funcionamiento de los astrocitos y de la microglia. En una sección posterior de este capítulo se describirán las células ependimarias.
7. Integración neural, pág. 203
A
prendimos algunos aspectos relacionados con la transmisión de señales eléctricas en las neuronas en el capítulo 7 y el traspaso de las señales químicas de una neurona a otra durante las sinapsis en el capítulo 8. Sorprendentemente, el sistema nervioso (con toda su complejidad) funciona principalmente a través de estos dos procesos básicos. En este capítulo, aprenderemos cómo las cadenas de conexiones neuronaneurona (vías neurales) permiten que el sistema nervioso central realice todas sus complejas funciones. El sistema nervioso central es el último responsable de todo lo que percibimos, hacemos, sentimos y pensamos. Nos da, a cada uno de nosotros, nuestra personalidad singular y nuestro sentido de identidad propia. También realiza muchas funciones críticas de las que no nos solemos dar cuenta. Por ejemplo, coordina las actividades de todos nuestros sistemas de órganos, función necesaria para el mantenimiento de la homeostasis. Se estima que el sistema nervioso central contiene unos 1011 de neuronas y 109 de sinapsis, todo ello contenido dentro de dos estructuras impresionantes: el encéfalo y la médula espinal.
Astrocitos Los astrocitos, así llamados porque su aspecto recuerda al de una estrella, es una de las neuroglias más diversas y ejercen muchas funciones en el sistema nervioso central. Los astrocitos son necesarios para el desarrollo normal del sistema nervioso, así como para su continuo mantenimiento a lo largo de toda la vida. Estas células se encargan de dirigir el desarrollo de unos capilares especiales que restringen el movimiento de ciertas moléculas entre la sangre y el SNC, que en su conjunto reciben el nombre de barrera hematoencefálica. Las células de Schwann y los oligodendrocitos también contribuyen al desarrollo de las neuronas, aunque en menor medida. Los astrocitos guían a las neuronas en desarrollo hacia su correcto destino, y regulan el desarrollo y el mantenimiento de las sinapsis. También pueden ayudar en la regeneración de axones dañados. Los astrocitos son esenciales para el mantenimiento de las neuronas que rodean el medio extracelular normal, especialmente en las sinapsis. Son especialmente importantes para mantener los niveles normales de potasio extracelular, un estado crítico para la excitabilidad de las neuronas. Los astrocitos también eliminan ciertos neurotransmisores, como el glutamato y las aminas
C A P Í T U LO 9 Sistema nervioso central
Ventrículo
Célula ependimaria
Sistema nervioso: sistema nervioso central
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Sistema nervioso periférico
Capilar
Neurona
Astrocito
Célula de Oligodendrocito la microglia
Célula de Schwann
FIGURA 9.1 Diferentes tipos de neuroglia del sistema nervioso.
La microglia protege al sistema nervioso central de sustancias extrañas, como las bacterias y los restos de células muertas o dañadas. Realizan esta función por fagocitosis y la liberación de citocinas, de una manera parecida a como la realizan ciertas células de la sangre. La microglia también protege a las neuronas del estrés de la oxidación.
mielina en el sistema nervioso central. Es una enfermedad autoinmunitaria, lo cual significa que el sistema inmunológico ataca a una parte del cuerpo, en este caso a los oligodendrocitos. La pérdida de mielina (y de algunos axones) en el sistema nervioso central ralentiza o detiene la comunicación a lo largo de ciertas vías neurales. Entre los síntomas se encuentran una visión borrosa, debilidad muscular y dificultades para mantener el equilibrio. La esclerosis múltiple se describe con más detalle en el capítulo 23. La enfermedad de Alzheimer está causada por la pérdida de neuronas colinérgicas en ciertas áreas del encéfalo y la sustitución de las neuronas perdidas por un tejido cicatricial denominado placas. Durante la regeneración de las neuronas colinérgicas, los astrocitos y la microglia se vuelven muy activos. Estos tipos de neuroglia liberan sustancias químicas inflamatorias que inducen una mayor degeneración de las neuronas colinérgicas. Por tanto, se establece un círculo vicioso. Entre los primeros signos de la enfermedad de Alzheimer se pueden mencionar pérdida de memoria y confusión. Los signos posteriores serían disfunción motora, pérdida de las habilidades de comunicación y una disminución de las funciones cognitivas. El tratamiento es limitado, principalmente debido a que es difícil diagnosticar la enfermedad antes de que alcance un estado avanzado. Las primeras fases se tratan con inhibidores de acetilcolinesterasa, pero no son efectivos en los estados avanzados de la enfermedad. La enfermedad de Parkinson es una enfermedad degenerativa que consiste en la pérdida de neuronas dopaminérgicas. Como en la enfermedad de Alzheimer, se cree que la neuroglia aumenta la degeneración neural mediante la producción de agentes inflamatorios. La neuroglia protege a las neuronas en sus cercanías más inmediatas. Ahora vamos a tratar el soporte físico del SNC.
Neuroglias en las enfermedades neurodegenerativas
Soporte físico del sistema nervioso central
Cada vez hay más evidencia de que los diferentes tipos de neuroglia contribuyen a las enfermedades neurodegenerativas, como la esclerosis múltiple, la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson. La esclerosis múltiple es el resultado de la pérdida de
Las estructuras más externas que protegen los blandos tejidos del sistema nervioso central son el cráneo, que rodea al encéfalo, y la columna vertebral, que rodea la médula espinal (fig. 9.2). A pesar de que estas estructuras sean claramente beneficiosas,
biogénicas, de la hendidura sináptica. Un nivel excesivo de glutamato sería tóxico y contribuiría a que hubiera una dispersión del daño neurológico durante un derrame cerebral. Los astrocitos sintetizan y almacenan moléculas para que sean utilizadas por las neuronas. Por ejemplo, sintetizan la glutamina, que después es liberada en el líquido intersticial y capturada por otras neuronas para formar glutamato, un neurotransmisor excitador. Los astrocitos almacenan algo de glucógeno, que puede ser degradado a lactato; a continuación, el lactato es transportado a las neuronas, donde supone una fuente de energía importante en áreas activas del encéfalo. Estudios recientes sugieren que los astrocitos desempeñan un papel importante en la comunicación intercelular. Además de regular la comunicación sináptica entre dos neuronas, tienen la capacidad de comunicarse directamente con las neuronas y con otros tipos de neuroglia. Las neuronas también se comunican con los astrocitos. Finalmente, otros estudios recientes sugieren que los astrocitos trabajan conjuntamente con la microglia, que se describe a continuación, en la protección de las neuronas de sustancias tóxicas. Los astrocitos protegen a las neuronas del estrés de la oxidación y ayudan a eliminar restos celulares.
Microglia
218
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central
Calavera (cráneo) Duramadre Aracnoides
Meninges craneales
Piamadre
Duramadre Aracnoides
Meninges espinales
Piamadre
Vértebra Médula espinal
(a)
Cráneo Senos Duramadre Vellosidades aracnoideas Aracnoides Espacio subaracnoideo Piamadre Encéfalo
Posterior (dorsal) Médula espinal Aracnoides Duramadre
Piamadre
Vértebra
(b)
Anterior (ventral)
FIGURA 9.2 Estructuras protectoras del SNC. (a, b) Secciones de las estructuras protectoras del SNC. Entre las estructuras óseas exteriores se incluyen el cráneo y las vértebras. Las meninges, situadas entre las estructuras óseas y el blando tejido nervioso, están compuestas por tres capas: duramadre, aracnoides y piamadre. La presencia amortiguadora del líquido cefalorraquídeo dentro del espacio subaracnoideo proporciona otro nivel de protección adicional.
C A P Í T U LO 9
en el sentido de que hacen de armadura rígida que rodea el delicado tejido nervioso, su dureza también plantea un peligro potencial: ¿qué podría evitar que el encéfalo, siendo blando, chocara con la dura superficie interna del cráneo si, por ejemplo, el coche en el que vamos a velocidad de autopista tuviera que parar repentinamente? Entre el hueso y el tejido nervioso se encuentran tres membranas llamadas meninges y una capa de líquido denominado líquido cefalorraquídeo, que proporciona protección contra impactos de este tipo. Las meninges son tres membranas de tejido conjuntivo que separan el tejido blando del SNC de los huesos que lo rodean (v. fig. 9.2). Las tres membranas meníngeas son duramadre, aracnoides y piamadre. Mater proviene del latín y significa «madre», lo que da una idea de la naturaleza protectora de las meninges. La duramadre es la capa más externa y la más cercana al hueso. El nombre, también derivado del latín, indica que se trata de un tejido duro y fibroso. La aracnoides es la capa media. Su nombre viene del griego y significa «araña», lo que describe de manera muy adecuada la estructura en forma de tela de araña. Normalmente, no hay ningún espacio entre la duramadre y la aracnoides. La capa más interna, la piamadre, está inmediatamente adyacente al tejido nervioso. Pia proviene del latín y significa «tierno, suave». El espacio entre la piamadre y la aracnoides, denominado espacio subaracnoideo, está relleno de líquido cefalorraquídeo. El líquido cefalorraquídeo (LCR) es un líquido de color claro y acuoso que baña el SNC; es similar (pero no idéntico) en su composición al plasma (tabla 9.1). El LCR rodea completamente al SNC y rellena una serie de cavidades situadas dentro del encéfalo y de la médula espinal. El encéfalo contiene cuatro cavidades de este tipo, llamadas ventrículos, que están en continuidad unas con otras. Dos ventrículos laterales en forma de C están conectados por el agujero interventricular con un tercer ventrículo situado en el centro. El acueducto cerebral o de Silvio conecta el tercer ventrículo con el cuarto ventrículo, que se continúa con el conducto raquídeo, una cavidad cilíndrica larga y fina que corre a lo largo de la médula espinal (fig. 9.3). El revestimiento de los ventrículos y del conducto raquídeo está compuesto por un tipo de neuroglia llamado células ependimarias, que son una clase de célula epitelial. El revestimiento de los ventrículos está vascularizado y forma un tejido denominado plexo coroideo, compuesto por la piamadre, los capilares y las células ependimarias, y que participa en la síntesis del LCR. El volumen total de LCR solo es de 125-150 ml, pero, como se recicla unas tres veces al día, el plexo coroideo debe producir 400-500 ml al día. A medida que se produce LCR,
TABLA 9.1 Composición del plasma y el líquido cefalorraquídeo (LCR)* Plasma
LCR
Glucosa (mg/dl)
8-100
45-80
Proteínas (mg/dl)
7.000
15-45
145
149
4
3,1
Cloro (mM)
103
129
Calcio (mM)
2,5
2,1
Sodio (mM) Potasio (mM)
*Los niveles de LCR varían según dónde se tome la muestra.
Sistema nervioso: sistema nervioso central
219
circula por el sistema ventricular y entra en el espacio subaracnoideo a través de aberturas en el cuarto ventrículo. Finalmente, el LCR del espacio subaracnoideo se reabsorbe en la sangre venosa gracias a estructuras especiales presentes en la aracnoides, denominadas vellosidades aracnoideas (v. fig. 9.2b), situadas en la parte superior del encéfalo.
Comprueba tus conocimientos La hidrocefalia surge cuando un aumento del líquido cefalorraquídeo hace que los ventrículos aumenten de tamaño. A partir de la descripción anterior del sistema ventricular, describe un mecanismo por el que los niveles de LCR puedan aumentar. El LCR tiene varias funciones en el encéfalo. Actúa como amortiguador que evita que el tejido nervioso suave colisione con el duro hueso, porque el SNC flota esencialmente en el LCR. El LCR también funciona como líquido intersticial que baña a las neuronas y la neuroglia, proporcionando a estas células nutrientes esenciales y eliminando sus productos de desecho. El LCR contribuye al mantenimiento de la composición iónica normal que debe rodear a las neuronas, esencial para que estas tengan una excitabilidad normal. Para que el LCR realice sus funciones metabólicas, debe ser repuesto a partir de la sangre que irriga el SNC, lo que se describe a continuación.
Irrigación del sistema nervioso central Aunque el SNC solo representa el 2% del peso corporal (el encéfalo adulto y la médula espinal pesan aproximadamente de 1,36 a 1,81 kg), recibe alrededor del 15% de la sangre que bombea el corazón a todos los órganos y tejidos del cuerpo en condiciones de reposo. Este gran aporte de sangre es necesario, porque el tejido del SNC tiene un alto índice de actividad metabólica en comparación con la mayoría de los demás tejidos del organismo y, por tanto, tiene una alta demanda de combustible y oxígeno para satisfacer sus necesidades energéticas. En condiciones de reposo, por ejemplo, el encéfalo consume cerca del 20% de todo el oxígeno que consume el organismo y cerca del 50% de toda la glucosa. Para garantizar el suministro de estas sustancias necesarias, se debe mantener un flujo de sangre adecuado al SNC en todo momento. De hecho, el SNC depende tanto de este aporte de sangre que de su interrupción, aunque se produzca durante unos pocos minutos, pueden resultar daños irreversibles al tejido del SNC. A veces, las condiciones patológicas pueden reducir el flujo de sangre a un área particular del SNC y causar déficits en ciertas funciones, como la capacidad de hablar o de mover un brazo. Estos cambios en el funcionamiento ocurren en un derrame, un acontecimiento en el que el flujo de sangre es interrumpido debido al bloqueo o a la rotura de un vaso sanguíneo en el encéfalo (v. Conexiones clínicas: Derrame cerebral). El SNC es particularmente sensible a las interrupciones en el flujo sanguíneo, debido a que las células del SNC tienen muy poco glucógeno (en comparación con las de los músculos o el hígado) y, por tanto, deben obtener la glucosa directamente de la sangre. Además, la mayoría de las células del SNC no tienen acceso a los ácidos grasos para la obtención de energía, lo que aumenta su demanda de glucosa. (Recordemos que la oxidación de una sola molécula de ácido graso puede producir tanta energía como la oxidación de varias moléculas de glucosa.) Finalmente, a diferencia de muchos otros tejidos que pueden obtener energía a partir del metabolismo anaerobio durante los períodos
220
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central Ventrículos laterales
Vellosidades aracnoideas
Cerebro Espacio subaracnoideo
Tercer ventrículo
Plexo coroideo del tercer ventrículo
Acueducto cerebral o de Silvio
Senos Cerebelo
Cuarto ventrículo Tronco del encéfalo
Cerebelo Conducto raquídeo
Plexo coroideo del cuarto ventrículo
Tronco del encéfalo
Médula espinal
(a)
Conducto raquídeo Cerebro
Ventrículos laterales
Médula espinal
Tercer ventrículo Duramadre Acueducto cerebral o de Silvio Aracnoides Cerebelo
Cuarto ventrículo
Piamadre
Tronco del encéfalo Conducto raquídeo Médula espinal (b)
(c)
FIGURA 9.3 Sistema ventricular del SNC. Los cuatro ventrículos del encéfalo (dos ventrículos laterales, el tercer ventrículo y el cuarto ventrículo) se continúan con el conducto raquídeo de la médula espinal. (a) Vista lateral. (b) Vista frontal. (c) Relaciones de los ventrículos con las demás estructuras del SNC. Observa la presencia del plexo coroideo dentro de los ventrículos.
de disponibilidad reducida de oxígeno, el tejido nervioso no puede hacerlo, por lo que requiere un suministro constante de oxígeno y glucosa para seguir vivo. Aunque la glucosa es la fuente principal de energía para las células del SNC, bajo ciertas condiciones (como cuando se padece inanición o diabetes mellitus), los tejidos del SNC pueden utilizar cetonas para suministrar hasta dos tercios de sus necesidades energéticas. Las cetonas son un subproducto del catabolismo de los lípidos (producidas, principalmente, en el hígado) cuando el suministro de glucosa es limitado. Sin embargo, el SNC no puede depender de estos compuestos por completo y, por tanto, siempre tiene que depender de un aporte continuo de glucosa.
Barrera hematoencefálica Como en los demás tejidos del organismo, el intercambio de oxígeno, glucosa y otras sustancias entre la sangre y las células en el SNC ocurre a través de las paredes de los capilares, que son los
vasos sanguíneos más pequeños. Las paredes de los capilares están compuestas por poco más de una capa de células endoteliales (un tipo de célula epitelial), lo que garantiza que la distancia de difusión para el intercambio sea corta. En la mayoría de los tejidos, las moléculas pequeñas, como los gases, los iones inorgánicos, los monosacáridos y los aminoácidos se mueven con libertad a través de las paredes capilares (fig. 9.4a). Las moléculas hidrófobas difunden a través de las membranas de las células endoteliales, mientras que las moléculas hidrófilas difunden a través de huecos relativamente grandes (poros) que hay entre las células endoteliales. Sin embargo, las células y las macromoléculas, como las proteínas, son demasiado grandes como para atravesar estos huecos; en su lugar, ciertas macromoléculas pueden ser transportadas activamente a través de las células endoteliales por transcitosis (el paso de una molécula a través de una célula endotelial por endocitosis hacia su interior, seguida de exocitosis hacia su exterior).
Sistema nervioso: sistema nervioso central
C A P Í T U LO 9
221
Uniones estrechas Célula endotelial
Célula endotelial
Poros
Astrocito
Líquido intersticial Célula endotelial Solutos hidrófobos
Astrocito
Líquido cefalorraquídeo
Sangre
Sangre Célula endotelial
Proteínas
Proteínas Solutos hidrófilos seleccionados
Solutos hidrófilos Poro
Transcitosis de proteínas
Transporte mediado por transportador
Unión estrecha Solutos hidrófobos
(a) Capilar típico
(b) Capilar del encéfalo
FIGURA 9.4 Barrera hematoencefálica. (a) Capilares típicos (se encuentran en la mayor parte del organismo). Aunque el intercambio de pequeñas moléculas hidrófilas tiene lugar por difusión simple entre la sangre y el líquido intersticial a través de los poros, las proteínas son demasiado grandes para pasar por estos poros; algunas proteínas son transportadas a través de las paredes de los capilares por transcitosis. (b) Capilares del encéfalo. Como
las células endoteliales de estos capilares están conectadas por uniones estrechas, las moléculas hidrófilas deben cruzar la pared con la ayuda de sistemas de transporte. Las proteínas no pueden cruzar la barrera hematoencefálica, porque no hay transcitosis en los capilares del encéfalo. Aunque los astrocitos estén estrechamente asociados a los capilares del encéfalo, no constituyen una barrera funcional.
En el SNC, la mayoría de las moléculas hidrófobas pueden difundirse a través de las células endoteliales de los capilares, como en otros tejidos. Sin embargo, la transcitosis no ocurre a través de las células endoteliales de los capilares en el SNC, y el movimiento de las moléculas hidrófilas a través de las paredes capilares está limitado por la barrera hematoencefálica (fig. 9.4b), una barrera física que existe entre la sangre y el LCR, que es el líquido intersticial del SNC. La existencia de esta barrera guarda relación con la existencia de uniones estrechas entre las células endoteliales de los capilares, que eliminan los poros capilares, restringiendo así la difusión de moléculas hidrófilas entre las células. Los astrocitos son esenciales para la formación de la barrera hematoencefálica, porque estimulan a las células endoteliales para que se desarrollen y mantengan las uniones estrechas. La barrera hematoencefálica protege el SNC de sustancias dañinas que pudieran estar presentes en la sangre, porque restringe el movimiento de las moléculas a través de las células endoteliales de los capilares. Para entrar o salir de los capilares, las moléculas deben cruzar las células endoteliales por sí mis-
mas. Los gases y otras moléculas hidrófobas penetran a través de estas células con relativa facilidad, porque son capaces de moverse a través de las membranas celulares por difusión simple atravesando la bicapa lipídica. Como consecuencia, estas moléculas son capaces de moverse libremente entre la sangre y el tejido del encéfalo. Un ejemplo es el etanol (un alcohol de cereales), que deprime el funcionamiento del SNC mediante diversos mecanismos. Por el contrario, las sustancias hidrófilas, como los iones, los hidratos de carbono y los aminoácidos, no pueden atravesar la membrana plasmática de ninguna célula por difusión simple, sino que deben depender del transporte mediado para cruzar las paredes capilares del SNC. Como el transporte mediado utiliza proteínas transportadoras, que son selectivas con ciertas moléculas, la barrera hematoencefálica es selectivamente permeable, permitiendo que solo ciertos compuestos puedan atravesarla. Los compuestos como la glucosa pueden cruzar la barrera hematoencefálica fácilmente por difusión facilitada, porque las proteínas de transporte de la glucosa están presentes en las membranas celulares. La glucosa es transportada a través de la barrera hema-
222
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central
CONEXIONES CLÍNICAS
Derrame cerebral Las enfermedades vasculares cerebrales, las que afectan a los vasos sanguíneos del encéfalo, son actualmente la tercera causa de muerte en EE. UU., por detrás de las cardiopatías y el cáncer. Las enfermedades vasculares cerebrales son responsables de las alteraciones en la función del encéfalo en aproximadamente 2 millones de estadounidenses. El derrame cerebral (también conocido como accidente cerebrovascular o ACV) es un trastorno cerebral vascular caracterizado por una disminución repentina o una interrupción del flujo de sangre a una parte del encéfalo. La disminución del aporte de sangre (isquemia) es peligrosa para cualquier tejido, pero el tejido cerebral es especialmente vulnerable, en parte debido a la alta velocidad de sus reacciones metabólicas, que consumen combustible y oxígeno con rapidez. De hecho, la interrupción del flujo de sangre durante más de 2 o 4 min puede ser suficiente para causar la muerte de la mayoría de las células del encéfalo. Por este motivo, un derrame puede matar a una persona
en minutos o dañar su encéfalo permanentemente. Los derrames se clasifican como oclusivos o hemorrágicos, y pueden ocurrir en el interior del encéfalo o en su superficie. En los derrames oclusivos, se bloquea el flujo de sangre a través de un vaso, normalmente como resultado de un coágulo de sangre. En los derrames hemorrágicos, se rompe un vaso sanguíneo, causando una hemorragia (o sangrado). Entre los trastornos que aumentan la probabilidad de un derrame se encuentran la arterioesclerosis (estrechamiento de las arterias debido a la acumulación de depósitos de grasa sobre la pared interna), el aneurisma (protrusión de una arteria debida al debilitamiento de la pared) y la hipertensión (presión arterial alta). Los síntomas del derrame varían con la ubicación y el alcance del área afectada y su aparición es repentina. Es precisamente su súbita aparición lo que distingue el derrame de otros problemas neurológicos. Puede haber debilidad muscular o parálisis, pérdida de visión (normalmente solo en una parte del campo visual), pérdida de otros sentidos, cos-
toencefálica por portadores GLUT-1, que son distintos de los portadores GLUT-4 que se encuentran en las membranas de la mayoría de las células. Entre otras sustancias transportadas a través de la barrera hematoencefálica se encuentran la insulina, los aminoácidos, la colina (necesaria para la síntesis de acetilcolina) y el ácido acetilsalicílico. El descubrimiento de que la insulina es transportada a través de la barrera hematoencefálica podría parecer contradictorio en principio, porque el transporte de glucosa hacia las neuronas ocurre gracias a mecanismos independientes de insulina. Sin embargo, los receptores de la insulina están situados en las neuronas del SNC, incluyendo las neuronas del centro de la saciedad del hipotálamo. De hecho, la acción de la insulina en el SNC regula la ingesta de alimentos, no el metabolismo de la glucosa. Concretamente, la insulina se considera una hormona de saciedad, en cuanto a que disminuye la sensación de hambre. Por tanto, cuando los niveles de insulina están bajos, como ocurre en la diabetes, es más probable que una persona coma demasiado y se vuelva obesa. Otras sustancias hidrófilas, como las catecolaminas, los iones inorgánicos (incluyendo el H+) y ciertos fármacos (incluyendo varios antibióticos), no pueden penetrar la barrera hematoencefálica de ningún modo, porque no existen proteínas de transporte para estos compuestos en las células endoteliales de los capilares del SNC.
quilleo u otras alteraciones sensoriales, modificaciones en el lenguaje o en la percepción espacial, cambios en la personalidad, desorientación o pérdidas de memoria. Los efectos de un derrame pueden reducirse a los síntomas iniciales o pueden intensificarse o ampliarse a lo largo de unas pocas horas o días.
Imagen tridimensional que muestra el suministro de sangre al encéfalo y el área del derrame.
La diferencia en la composición del líquido cefalorraquídeo respecto del plasma (v. tabla 9.1) se debe a la permeabilidad selectiva de la barrera hematoencefálica. Por tanto, ciertas enfermedades del SNC pueden ser diagnosticadas correctamente con solo una muestra del líquido cefalorraquídeo, normalmente mediante un procedimiento denominado punción lumbar.
Sustancias gris y blanca El sistema nervioso central tiene una disposición ordenada de las neuronas de tal modo que se tiende a encontrar los cuerpos celulares, las dendritas y los axones terminales en agrupaciones de un color grisáceo y los axones aparecen en agrupaciones de un color blancuzco; estas regiones reciben el nombre de sustancia gris y sustancia blanca, respectivamente. La sustancia gris constituye, aproximadamente, el 40% del SNC y es el lugar donde se realiza la comunicación sináptica y la integración neural (fig. 9.5a). La sustancia blanca constituye, aproximadamente, el 60% del SNC y tiene ese aspecto blanco debido a la presencia de axones mielinizados. La mielina tiene color blanco por su alto contenido en grasa. Los axones mielinizados están especializados en la rápida transmisión de información en forma de potenciales de acción en distancias relativamente largas. La neuroglia
C A P Í T U LO 9 Sustancia gris
Sistema nervioso: sistema nervioso central
223
Sustancia blanca
Axón mielinizado
Oligodendrocito
Dendrita
Cuerpo celular
Axón terminal de la célula presináptica (a)
Sección coronal
Sección sagital media
Sustancia gris Sustancia blanca Corteza cerebral
Sustancia blanca
Fibras de asociación Sustancia gris Fibras comisurales (cuerpo calloso) Núcleos basales
Fibras de proyección
Tálamo
(b)
(c)
FIGURA 9.5 Composición y disposición de las sustancia gris y blanca en el SNC. (a) Histología de las sustancias gris y blanca. Mientras que la sustancia gris comprende principalmente cuerpos celulares y dendritas, y es el sitio donde se realiza la integración neural, la sustancia blanca corresponde, principalmente, a axones mielinizados. (b, c) Secciones sagital media y coronal en las que se muestran las fibras de asociación, las fibras comisurales y las fibras de proyección, vías de sustancia blanca que conectan distintas áreas del SNC.
P ¿En qué parte de la neurona se propagan los potenciales de acción?
224
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central
está situada a lo largo del SNC, tanto en la sustancia gris como en la sustancia blanca. Cuando se observa la superficie externa del encéfalo, solo es visible la sustancia gris. Esto se debe a que la prominente estructura en forma de globo (llamada cerebro) que compone la mayor parte del encéfalo está completamente cubierta de una fina capa de sustancia gris llamada corteza cerebral. La sustancia blanca del cerebro está situada debajo de esta capa. Incrustadas dentro de esta sustancia blanca hay unas áreas más pequeñas de sustancia gris conocidas como núcleos. Al estar debajo de la corteza, a menudo se las denomina núcleos subcorticales. En la médula espinal, la disposición es inversa: la sustancia blanca está en la parte externa, mientras que la sustancia gris está en la parte interna. En la sustancia blanca del encéfalo y de la médula espinal, los axones (también denominados fibras) están organizados en haces o vías que conectan una región de sustancia gris con otra. Las distintas vías se clasifican según la ubicación de las regiones concretas a las que conectan. Las fibras de proyección o vías conectan la corteza cerebral con niveles más bajos del encéfalo o de la médula espinal (fig. 9.5c). Por tanto, por ejemplo, las vías piramidales conectan regiones de la corteza con la sustancia gris de la médula espinal. Las fibras de asociación conectan un área de la corteza cerebral con otra área de la corteza que esté situada en el mismo lado del encéfalo (v. fig. 9.5c). Por ejemplo, el fascículo arciforme conecta dos regiones conocidas como área de Broca y área de Wernicke, que son importantes en la función del lenguaje y que están localizadas en distintas regiones de la corteza cerebral, pero del mismo lado. Las fibras comisurales conectan regiones corticales de un lado del encéfalo con las correspondientes regiones corticales del otro lado. La mayor parte de las fibras comisurales están situadas en una banda de tejido llamada cuerpo calloso (v. fig. 9.5b, c), que conecta las dos mitades del cerebro (denominadas hemisferios cerebrales) entre sí.
Test rápido 9.1 1. Nombra las tres meninges por orden, comenzando con la más externa. 2. ¿Qué es el líquido cefalorraquídeo? ¿Dónde se encuentra? ¿Dónde se sintetiza? ¿Dónde se absorbe? 3. ¿Cuál es la función de la barrera hematoencefálica? ¿Qué estructura anatómica existente entre las células endoteliales limita la difusión de las moléculas hidrosolubles?
Médula espinal La médula espinal es un cilindro de tejido nervioso que se continúa con el extremo inferior del encéfalo y que está rodeado por la columna vertebral (fig. 9.6); tiene una longitud de aproximadamente 44 cm en adultos, y su diámetro varía desde 1 a 1,4 cm.
Nervios raquídeos De la médula espinal salen 31 pares de nervios raquídeos como ramas a intervalos regulares (v. fig. 9.6). Cada par de nervios raquídeos sale de la columna vertebral entre dos vértebras adyacentes. Los nervios raquídeos y la región de la médula espinal reciben su nombre atendiendo al lugar del que surgen los nervios desde la columna vertebral. Hay ocho pares de nervios cervicales (identificados como C1-C8), que salen de la columna vertebral en la región de la nuca; 12 pares de nervios torácicos
(identificados T1-T12), que salen de la región del tórax; cinco pares de nervios lumbares (identificados como L1-L5), que salen de la región inferior de la espalda; cinco pares de nervios sacros (identificados como S1-S5), que salen de la región del cóccix, y un solo nervio coccígeo (identificado como Co), que nace en la punta del cóccix. Aunque los nervios raquídeos se originan a lo largo de toda la columna vertebral, la médula espinal en sí se extiende solo a lo largo de unos dos tercios de la columna. Por tanto, algunos de los nervios raquídeos viajan realmente hacia abajo por el interior de la columna vertebral antes de salir de ella. De hecho, el tercio inferior de la columna vertebral contiene nervios individuales, pero no una médula espinal real. El haz de nervios de esta región recibe el nombre de cola de caballo por su forma. Cuando los médicos administran fármacos por vía raquídea (como cuando ponen la epidural) o toman una muestra del líquido cefalorraquídeo (realizan una punción lumbar), lo hacen en esta región para evitar daños potenciales a la médula espinal en sí. Los numerosos axones que viajan dentro de un solo nervio raquídeo suelen viajar a regiones adyacentes del organismo. Por tanto, es posible hacer una cartografía de las diversas regiones sensoriales de la superficie del cuerpo, llamadas dermatómeros, a cada una de las cuales llega un nervio raquídeo (fig. 9.7). (La cara no se cartografía, porque está inervada por los nervios craneales, también llamados pares craneales, que salen del encéfalo en vez de la médula espinal. El dermatómero C1 no se cartografía, porque el primer nervio cervical no proporciona una inervación sensorial de la piel.) Los mapas del cuerpo como este son útiles porque facilitan que los médicos puedan determinar la ubicación del daño de la médula espinal o los nervios raquídeos. Por ejemplo, un entumecimiento en el dermatómero T1 del lado derecho indicaría daños al primer nervio raquídeo torácico de ese lado, mientras que un entumecimiento en el dermatómero T1 y en todos los dermatómeros inferiores indicaría daños en la médula espinal entre el C8 y el T1.
Sustancias gris y blanca de la médula espinal La sustancia gris de la médula espinal está concentrada en una región en forma de mariposa en el interior de la médula, mientras que la sustancia blanca se encuentra en la región exterior que la rodea (fig. 9.8). La sustancia gris contiene interneuronas, cuerpos celulares y dendritas de neuronas eferentes, y los axones terminales de neuronas aferentes. Las neuronas eferentes viajan en los nervios raquídeos hasta los órganos efectores; las neuronas aferentes viajan en los nervios raquídeos desde los receptores sensoriales situados en la periferia del organismo hasta la médula espinal. La sustancia gris de la médula espinal está organizada tanto anatómica como funcionalmente en las regiones dorsal y ventral. En la sustancia gris hay un asta dorsal y un asta ventral a cada lado (v. fig. 9.8). El asta dorsal comprende la mitad dorsal (posterior) de la sustancia gris a cada lado; el asta ventral comprende la mitad ventral (anterior). Las fibras aferentes se originan en la periferia en forma de receptores sensoriales y terminan en el asta dorsal, donde forman sinapsis en las interneuronas o en las neuronas eferentes. Observa que los cuerpos celulares de estas fibras aferentes no están situados en la misma médula espinal; en su lugar, están ubicados fuera de ella en agrupaciones denominadas ganglios espinales. (Recuerda del capítulo 7 que ganglio es un término general para cualquier agrupación de cuerpos celulares de neuronas fuera del SNC.) Por el contrario,
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central
225
Cerebro
Cerebelo Tronco del encéfalo
Nervios cervicales
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 T1
Médula espinal
T2
Nervio axilar
T3 T4 T5 T6 Nervio radial
Nervios torácicos
Nervio cubital
T7 T8 T9 T10 T11 T12
Vértebra
L1 L2
Nervios lumbares
L3 L4
Cola de caballo
L5 Nervio femoral S1 Nervio ciático
Nervios sacros Nervio coccígeo
(a)
S2 S3 S4 S5 Co (b)
FIGURA 9.6 Médula espinal. (a) Situación de la médula espinal vista desde atrás. (b) Vista lateral de la médula espinal, mostrando su posición en la columna vertebral. También se muestran los 31 pares de nervios raquídeos, que salen de los huecos que hay en la médula espinal entre vértebra y vértebra. los cuerpos celulares de las neuronas eferentes están situados en la médula espinal. Las neuronas eferentes se originan en el asta ventral y viajan hacia la periferia, donde forman sinapsis con los músculos esqueléticos. En las regiones torácica y lumbar superior de la médula espinal, hay otra área de sustancia gris denominada asta lateral o columna celular intermediolateral, situada
entre las astas dorsal y ventral de cada lado. Las astas laterales son el origen de las neuronas eferentes del sistema nervioso autónomo (v. capítulo 11). Los axones aferentes y eferentes viajan juntos en los nervios raquídeos, pero se separan en haces distintos cuando entran o salen de la médula espinal. Los haces que contienen axones afe-
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Sistema nervioso: sistema nervioso central Anterior
Posterior C2 C3 C4 C5 C6
C2 C3 C4 C5 T1 T2 T3 T4 T5 T6
C6
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 L1 L2 L3 L4 L5
C7
T7 T8 T9
C8
T10 T11 T12 C7
S3
L1
C8 S2–4
S4 S5
L2
S1 S2
L3
L1 L2
L4 L3
L5
L4
S1 L5
FIGURA 9.7 Dermatómeros. Cada dermatómero es una región sensorial de la superficie del cuerpo inervada por el nervio raquídeo indicado por las abreviaturas.
P Si sintiéramos que el pulgar izquierdo está entumecido, ¿qué nervio raquídeo estaría dañado? rentes se denominan raíces dorsales o posteriores, mientras que los haces que contienen axones eferentes reciben el nombre de raíces ventrales o anteriores. A poca distancia de la médula espinal, estas raíces dorsales y ventrales o posteriores y anteriores se unen para formar los nervios raquídeos. Por tanto, todos los nervios raquídeos se describen como nervios mixtos, porque contienen tanto axones aferentes como eferentes.
Comprueba tus conocimientos Algunas personas con daños neurológicos periféricos pueden perder la función sensorial de un nivel espinal concreto, pero no la función motora. ¿Dónde ha ocurrido el daño en estos casos?
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central
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Receptor sensorial (en la piel)
Sustancia gris Asta dorsal
Raíz dorsal
Axón terminal
Cuerpo celular Ganglio de la raíz dorsal Axón aferente
Dorsal Ventral
Nervio raquídeo Asta ventral
Axón eferente
Cuerpo celular Conducto raquídeo Raíz ventral Sustancia blanca
Axones terminales
Efector (en el músculo)
FIGURA 9.8 Sustancia gris de la médula espinal y nervios raquídeos. Esta sección transversal de la médula espinal a nivel lumbar revela las dos mitades funcionales de la sustancia gris de la médula espinal: dorsal y ventral: los axones de las neuronas aferentes entran en la médula espinal a través de la raíz dorsal y
terminan en el asta dorsal; sus cuerpos celulares están localizados en los ganglios de la raíz dorsal. Los axones de las neuronas eferentes se originan en el asta ventral y salen a través de la raíz ventral. Como contienen axones tanto de neuronas aferentes como eferentes, los nervios raquídeos se consideran nervios mixtos.
Dorsal (posterior) Columnas dorsales
Vías ascendentes
Vía piramidal lateral
Vía espinotalámica lateral Vía espinotectal
Vía vestibuloespinal
Vía espinotalámica anterior
Vías descendentes
Vía piramidal anterior Ventral (anterior)
FIGURA 9.9 Sección transversal de la sustancia blanca en la médula espinal. La sustancia blanca de la médula espinal comprende las vías longitudinales existentes entre el encéfalo y la médula espinal o entre diferentes segmentos de la médula espinal. Las vías ascendentes transmiten información de la médula espinal al encéfalo, mientras que las descendentes transmiten información del encéfalo a la médula espinal. Aquí solamente se muestran algunas de las más importantes.
La sustancia blanca de la médula espinal consiste en vías que proporcionan comunicación entre los distintos niveles de la médula espinal o entre el encéfalo y varios niveles de la médula espinal (fig. 9.9). Las vías ascendentes transmiten información de la médula espinal al encéfalo, mientras que las vías descendentes transmiten información del encéfalo a la médula espinal. Aunque las vías de la figura 9.9 están etiquetadas solamente en un
lado de la médula espinal para mayor claridad, todas las vías son bilaterales, esto es, cualquier vía dada se encuentra a ambos lados de la médula espinal. Por ejemplo, las vías piramidales son vías descendentes que transmiten órdenes motoras a las neuronas eferentes a ambos lados de la médula espinal. Las columnas dorsales son vías ascendentes que transmiten información sensorial desde la periferia al encéfalo.
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C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central
Área somatosensitiva de la corteza cerebral
Área motora de la corteza cerebral
Tálamo
Tálamo
Bulbo raquídeo
Bulbo raquídeo
Vía espinotalámica lateral
Pirámides Vía piramidal lateral
Vía piramidal anterior Médula espinal
Médula espinal
Receptor del dolor (nocirreceptor)
Músculo esquelético Médula espinal
Al encéfalo
Del encéfalo
Receptor del dolor Médula espinal (a) Vías ascendentes
FIGURA 9.10 Vías ascendentes y descendentes más importantes.
Músculo esquelético
Músculo esquelético
(b) Vías descendentes
(a) La vía espinotalámica lateral es ascendente (v. fig. 9.9); se origina en los receptores sensoriales en la periferia y viaja a lo largo de la médula espinal, comunicando finalmente la información sensorial al tálamo y, posteriormente, a la corteza cerebral. Esta vía cruza hacia la parte contralateral de la médula
espinal. (b) Vías piramidales (v. fig. 9.9). Ambas se originan en la corteza motora primaria. La vía piramidal lateral cruza a la altura de las pirámides bulbares, mientras que la piramidal anterior cruza por encima de la médula espinal. Terminan en el asta ventral de la médula espinal, donde se comunican con las motoneuronas que inervan el músculo esquelético.
Las vías ascendentes y descendentes unen de un modo eficiente los nervios periféricos al encéfalo. Cuando las neuronas aferentes son activadas por un estímulo que actúa sobre un receptor sensorial (p. ej., cuando nuestro dedo toca la espina de un rosal), los potenciales de acción viajan a lo largo de la fibra nerviosa desde el receptor sensorial hasta el axón terminal, normalmente en el asta dorsal de la médula espinal (fig. 9.10a). El axón terminal libera un neurotransmisor que transmite la señal a una interneurona (o, en casos infrecuentes, directamente a una neurona eferente). Algunas de estas inter-
neuronas forman las vías ascendentes, que transmiten la información al encéfalo de modo que tenga lugar la percepción del estímulo. Las señales del encéfalo viajan a lo largo de las vías descendentes hasta las neuronas eferentes situadas en el asta ventral (fig. 9.10b). Por ejemplo, cuando se desea mover un dedo, el encéfalo transmite órdenes a través de fibras descendentes hasta las neuronas eferentes que controlan los músculos esqueléticos que hacen que se mueva el dedo. Sin embargo, el control de las neuronas eferentes no es la única función de las fibras descenden-
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tes. Algunas vías descendentes modulan la información sensorial. Por ejemplo, el organismo tiene sistemas de alivio del dolor (analgésicos) que bloquean la percepción del dolor durante períodos de estrés. Estos sistemas bloquean la transmisión sináptica entre una neurona aferente de transmisión del dolor y las interneuronas de la médula espinal. Al bloquear la transmisión de la información del dolor al encéfalo, se evita la percepción de un estímulo doloroso. (Este tema se trata en mayor profundidad en el capítulo 10.) Observa que las vías ascendente y descendente que se muestran en la figura 9.10 suelen cruzarse al lado opuesto del lado en el que se originan. Esta es la norma, pero hay excepciones. Cuando una vía permanece en el mismo lado en el que fue originada, se denomina ipsolateral. Cuando una vía cruza al lado opuesto al de su origen, recibe el nombre de contralateral. Debido a que la mayoría de las vías sensoriales y motoras cruzan al lado opuesto dentro del SNC, los estímulos sensoriales del lado derecho del cuerpo se transmiten hacia el lado izquierdo del encéfalo para su percepción, por lo que el control motor del lado derecho del cuerpo proviene del lado izquierdo del encéfalo.
Test rápido 9.2 1. ¿Cuál es la diferencia funcional entre las astas dorsal y ventral de la médula espinal? 2. ¿Por qué a los nervios raquídeos se les denomina nervios mixtos? 3. ¿Cuál es la diferencia funcional entre las vías ascendente y descendente de la médula espinal?
Encéfalo El encéfalo está compuesto por tres partes principales: el prosencéfalo, el cerebelo y el tronco del encéfalo (fig. 9.11). El prosencéfalo, la parte más grande y más superior del encéfalo, está dividido en la mitad izquierda y la derecha, cada una de ellas llamada hemisferio, y comprende el cerebro y el diencéfalo (fig. 9.11c). El cerebro es una gran estructura que recuerda la forma de una C y que contiene tanto sustancia gris como sustancia blanca. Las áreas de sustancia gris incluyen la corteza cerebral en la superficie y los núcleos subcorticales profundos. El diencéfalo está compuesto por el tálamo y el hipotálamo, dos estructuras de la línea media situadas cerca de la base del prosencéfalo, cada una de las cuales contiene múltiples núcleos pequeños. El cerebelo (que proviene de la palabra latina que significa «pequeño encéfalo») es una estructura simétrica bilateral, con una corteza externa y núcleos internos, parecida al prosencéfalo. Está situada por debajo del prosencéfalo y detrás del tronco del encéfalo. El cerebelo tiene funciones en la coordinación motora y el equilibrio, aportando una información de retorno a los sistemas motores para garantizar que los ojos y el cuerpo se muevan con precisión (este capítulo tratará este tema en detalle más adelante). El tronco del encéfalo es la parte más inferior del encéfalo y conecta el prosencéfalo y el cerebelo con la médula espinal. El tronco del encéfalo está compuesto por tres regiones principales: 1) el mesencéfalo, la parte más superior, que se conecta con el prosencéfalo; 2) la protuberancia, la parte media, que se conecta con el cerebelo, y 3) el bulbo raquídeo, la parte más inferior, que se conecta con la médula espinal. El tronco del encéfalo contiene muchos núcleos que realizan una gran variedad de funciones. Dentro del tronco del encéfalo existen centros de procesamiento para 10 de los 12 pares de nervios craneales,
Sistema nervioso: sistema nervioso central
229
nervios periféricos que emanan directamente del encéfalo en vez de la médula espinal. Los 12 pares de nervios craneales y sus funciones básicas aparecen en la lista de la tabla 9.2. También situada dentro del tronco del encéfalo está la formación reticular, una red difusa de núcleos vitales en los ciclos de sueño-vigilia, la excitación de la corteza cerebral y la conciencia. Además, el tronco del encéfalo es importante para la regulación de muchas funciones involuntarias controladas por el sistema nervioso autónomo, como la función cardiovascular y la digestión.
Corteza cerebral La corteza cerebral es la parte más externa del cerebro, compuesta por una capa fina y muy contorneada de sustancia gris (fig. 9.12). Las irregularidades están formadas por unos surcos llamados cisuras y unas protuberancias denominadas circunvoluciones. Las circunvoluciones permiten acomodar un mayor volumen de corteza cerebral dentro de un volumen craneal dado. La corteza cerebral es el área más avanzada del encéfalo y, en términos evolutivos, es el área de más reciente desarrollo. El espesor de la corteza cerebral varía entre 1,5 y 4 mm, según la zona que se mida, y contiene alrededor de 109 de neuronas y 1012 de sinapsis. Aunque la corteza es delgada, suele estar dispuesta en seis capas funcionalmente diferentes (v. fig. 9.12). La disposición específica de las capas varía, dependiendo de la función concreta de la región cortical de que se trate. La corteza cerebral realiza el procesamiento neural de mayor nivel. Es allí donde percibimos nuestro entorno, formulamos ideas, experimentamos emociones, recordamos acontecimientos pasados y ordenamos a nuestro cuerpo que se mueva. Para llevar a cabo todas estas funciones tan complejas, la corteza actúa como un centro de integración; esto es, recibe muchos tipos de estímulos sensoriales procedentes de diversas fuentes, consolida esta información y la utiliza para formular pensamientos y acciones.
Organización funcional de la corteza cerebral Cada uno de los hemisferios cerebrales está dividido en cuatro regiones conocidas como lóbulos (fig. 9.13). El lóbulo frontal está en la parte anterior del cerebro. Inmediatamente detrás de él se encuentra el lóbulo parietal. Estos dos lóbulos están separados por la cisura central, una hendidura prominente en cada hemisferio del encéfalo. Por detrás y por debajo del lóbulo parietal se encuentra el lóbulo occipital. El lóbulo temporal está situado por debajo de los lóbulos frontal y parietal, a un lado del cerebro; está separado del lóbulo frontal por una profunda hendidura llamada cisura lateral (o cisura de Silvio). Dentro de cada lóbulo, la corteza cerebral puede subdividirse en áreas especializadas para diversas funciones (fig. 9.14). El lóbulo occipital también es conocido como corteza visual, porque es donde se realiza el procesamiento de la información visual. Otro ejemplo es la corteza auditiva, un área situada en el lóbulo temporal superior, que procesa la información sensorial en forma de sonido. En el lóbulo parietal hay otra área especializada denominada corteza somatosensitiva primaria, implicada en el procesamiento de la información sensorial somática asociada tanto con las sensaciones somestésicas (sensaciones de la superficie, como el tacto, el picor, la temperatura y el dolor) como con la propiorrecepción (consciencia de las tensiones musculares y de la posición de las articulaciones y de los miembros). El lóbulo frontal contiene la corteza motora primaria, que inicia el movimiento voluntario, y otras áreas implicadas en
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Sistema nervioso: sistema nervioso central
Hemisferio derecho
Hemisferio izquierdo
Prosencéfalo
Cerebelo Tronco del encéfalo
Médula espinal
(a) Vista anterior externa
(b) Vista lateral externa (hemisferio izquierdo)
Cerebro Cuerpo calloso
Prosencéfalo Tálamo Diencéfalo Hipotálamo Hipófisis
Cerebelo Mesencéfalo Tronco del encéfalo
Protuberancia Médula espinal
Bulbo raquídeo (c) Sección sagital media
FIGURA 9.11 Encéfalo. El encéfalo está compuesto por tres partes principales: el prosencéfalo, el cerebelo y el tronco del encéfalo. (a, b) Vistas externas del encéfalo que muestra sus tres partes principales y su relación con la médula espinal. (c) Plano mediosagital del encéfalo que muestra sus tres partes principales. Observa el cuerpo calloso, el haz principal de fibras que conectan los hemisferios cerebrales izquierdo y derecho.
el control motor. El lóbulo frontal también contiene áreas implicadas en el lenguaje y la planificación, y es importante en el establecimiento de la personalidad (v. «Descubrimientos: La historia de Phineas Gage»). Algunas áreas funcionales de la corteza cerebral están organizadas topográficamente, lo que significa que se pueden cartografiar según sus funciones. Vemos los mejores ejemplos de esta organización topográfica en la corteza motora primaria del lóbulo frontal y en la corteza somatosensitiva primaria del lóbulo parietal.
Los mapas de la organización somatotópica de estas dos áreas corticales, en los que las partes del cuerpo se cartografían en la superficie cortical a la que corresponden, se denominan homúnculo motor y homúnculo sensorial (del latín homunculus: «hombrecillo»; fig. 9.15). En los homúnculos, cada parte del cuerpo se muestra al lado del área de corteza cerebral que se dedica a ella, siendo su tamaño representativo del tamaño relativo del área de la corteza correspondiente. Consideremos los dedos de la mano: como son capaces de realizar movimientos delicados y de una dis-
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I
II
III
Circunvolución
Capas de la corteza (sustancia gris)
V
Cisura Corteza cerebral (sustancia gris) Sustancia blanca
IV
VI
Sustancia blanca
Axones (a)
criminación táctil muy afinada, los dedos se representan exageradamente en la corteza con relación a su tamaño real. Por tanto, los homúnculos muestran que el área de la corteza motora que contiene circuitos neurales dedicados al movimiento de los dedos (v. fig. 9.15a) y el área de la corteza sensorial que contiene circuitos neurales que procesan señales sensoriales procedentes de los dedos (v. fig. 9.15b) son amplias. Otras áreas de la corteza también están organizadas topográficamente. Por ejemplo, se puede construir un mapa del campo visual (lo que ven los ojos) de la corteza visual primaria o un mapa de frecuencias (del tono del sonido) de la corteza auditiva primaria. Hasta ahora hemos tratado la corteza como si cada área se encargará de una sola función concreta. Sin embargo, esto no es del todo cierto. Ciertas áreas de la corteza, denominadas áreas de asociación, están implicadas en procesamientos más complejos que requieren la integración de distintos tipos de información. Por ejemplo, si un fuerte sonido procedente del exterior de la ventana de nuestra habitación nos despierta por la noche, tenemos que decidir si es necesario emprender una acción. Podríamos intentar determinar la fuente del sonido, si nos plantea un peligro potencial, y, en ese caso, qué podemos hacer para evitarlo. Podríamos mirar por la ventana y escuchar cualquier otro sonido extraño. Para tomar una decisión, nuestro encéfalo debe consolidar la información procedente de los diversos sistemas sensoriales (como los ojos y los oídos) y de la memoria (¿qué puede causar un sonido como ese?). Gran parte de este tipo de procesamiento tiene lugar en las áreas de asociación.
Lateralización del encéfalo La división del cerebro en dos hemisferios es funcional y anatómica. Ciertas funciones del encéfalo son dominantes en un lado del encéfalo en comparación con el otro, una organización llamada lateralización del encéfalo. Esta lateralización no es absoluta, es decir, el encéfalo de cada persona no siempre es dominante de una función particular en el mismo lado. Por ejemplo, el lado izquierdo del encéfalo controla el movimiento del lado derecho del cuerpo, mientras que el lado derecho del encéfalo
(b)
(c)
FIGURA 9.12 Organización de la corteza cerebral. (a) Circunvoluciones de la corteza cerebral. (b) Capas de la corteza cerebral. Los cuerpos celulares están confinados en una sola capa, pero los axones y las dendritas están repartidos por distintas capas. La disposición real de las capas depende del área de la corteza examinada. (c) Microfotografía de las capas corticales.
P ¿Para qué sirven las cisuras y las circunvoluciones? controla el movimiento del lado izquierdo del cuerpo. En el 90% de la población, el lado izquierdo del encéfalo domina los movimientos de la mano, y por eso el 90% de la población es diestra. Otro ejemplo es que aproximadamente el 95% de la población muestra un dominio del lenguaje en el lado izquierdo del encéfalo. Gran parte del conocimiento sobre la lateralización del encéfalo procede de estudios realizados sobre pacientes con encéfalo escindido, a los que se les cortó el cuerpo calloso como tratamiento para la epilepsia, de modo que sus hemisferios izquierdo y derecho estuvieran literalmente separados, y pacientes con derrame cerebral, quienes tenían dañadas ciertas regiones del
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Sistema nervioso: sistema nervioso central
TABLA 9.2 Nervios craneales Número
Nombre
Clase de nervio
Función
I
Olfativo
Sensorial
Olfativa
II
Óptico
Sensorial
Visión
III
Oculomotor
Mixto
Movimientos oculares; reflejos de la pupila; reflejo de acomodación; propiorrecepción (posición de los músculos y las articulaciones)
IV
Troclear
Mixto
Movimientos oculares; propiorrecepción
V
Trigémino
Mixto
Control motor de la masticación; sensaciones somáticas de la cara, la nariz, la boca
VI
Abducens
Mixto
Movimientos oculares
VII
Facial
Mixto
Control motor de los músculos faciales; las glándulas salivales, las glándulas lagrimales; sensaciones somáticas de la cara; gusto
VIII
Vestibulococlear
Sensorial
Oído; equilibrio
IX
Glosofaríngeo
Mixto
Control motor del acto de tragar y de las glándulas salivales; gusto; aferente visceral de la región faríngea; aferente visceral de los barorreceptores
X
Vago
Mixto
Aferente motor y visceral de las vísceras torácicas y abdominales; control motor de la laringe y de la faringe
XI
Accesorio
Motor
Control motor de la laringe y de la faringe
XII
Hipogloso
Mixto
Sensaciones motoras y somáticas de la lengua
encéfalo. De estos estudios se han derivado las siguientes generalizaciones sobre la lateralización del encéfalo: la parte derecha del encéfalo se suele asociar con el movimiento de la parte izquierda del cuerpo, la percepción sensorial de estímulos de la parte izquierda del cuerpo, la orientación espacial, la creatividad, la música, las imágenes oníricas, la filosofía y la intuición. La parte izquierda del encéfalo suele asociarse con el movimiento de la parte derecha del cuerpo, la percepción sensorial de estímulos en la parte derecha del cuerpo, la lógica y el procesamiento analítico, una fuerte capacidad lingüística y las capacidades matemáticas.
Cisura central
Lóbulo frontal
Lóbulo parietal
Lóbulo occipital
Núcleos subcorticales Los núcleos subcorticales son regiones de sustancia gris situadas dentro del cerebro. Entre los núcleos subcorticales más importantes se pueden citar los núcleos basales (también denominados ganglios basales), entre los que se encuentran el núcleo caudado, el globo pálido y el putamen (fig. 9.16). Hay que destacar los núcleos basales por su función en la modificación del movimiento. Se describirán más adelante en este capítulo.
Diencéfalo
Cisura lateral
Lóbulo temporal
FIGURA 9.13 Lóbulos del cerebro. Esta vista lateral del lado izquierdo del cerebro muestra sus cuatro lóbulos: frontal, parietal, occipital y temporal. La cisura central separa los lóbulos frontal y parietal; la cisura lateral separa el lóbulo temporal de los lóbulos frontal y parietal.
El diencéfalo se encuentra por debajo del cerebro e incluye dos estructuras centrales: el tálamo y el hipotálamo (v. fig. 9.16).
Tálamo El tálamo es una agrupación de núcleos que funciona como centro de relevo o de conexión. Toda la información sensorial sigue una vía que incluye una conexión directa a través del tálamo con la corteza cerebral (v. dos ejemplos en fig. 9.10a), salvo en el caso del sentido del olfato. La mayoría de los estímulos sensoriales se filtran y se refinan en el tálamo antes de ser transmitidos a la corteza. Por ello, el tálamo parece ser importante a la hora de dirigir la atención, del mismo modo que una madre está más atenta al llanto de su hijo que a un avión que pase en ese momento, aunque este último haga más ruido. El tálamo también
conecta la información del cerebelo y de los ganglios basales con la corteza motora para proporcionar una retroalimentación en el control del movimiento (que se describirá posteriormente en este capítulo).
Hipotálamo El hipotálamo, situado debajo del tálamo, desempeña muchas funciones en la regulación de la homeostasis. Constituye el vínculo más importante entre los dos sistemas de comunicación del organismo, el sistema endocrino y el sistema nervioso. En respuesta a estímulos neurales y hormonales, el hipotálamo libera hormonas trópicas que regulan la liberación de hormo-
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Sistema nervioso: sistema nervioso central
mona antidiurética, que regula el volumen de plasma y la osmolaridad, y la oxitocina, que regula las Corteza premotora Cisura central Corteza somatosensitiva contracciones uterinas y la emisión (coordina los primaria (sensaciones mamaria de leche. movimientos somestésicas y propiorrecepción) voluntarios) El hipotálamo también afecta a muchos comportamientos. Por ejemÁreas de asociación plo, contiene centros de saciedad y sensorial (integración Áreas de de la información sensorial) de hambre, que regulan el comportaasociación prefrontales miento alimenticio, y el centro de la Áreas de asociación (ideas y planes de visual (procesamiento sed, que regula el comportamiento movimiento voluntario, superior de la visión) pensamientos, dípsico. También contiene el centro personalidad) termorregulador. Además, como el Corteza visual hipotálamo es parte del sistema límprimaria (vista) Área de Broca bico (ya tratado), afecta a las emocio(formación del habla) Área de Wernicke nes y a los comportamientos rela(comprensión del cionados con las emociones. Corteza olfativa lenguaje) (olfato) Muchas de las respuestas produCorteza de asociación cidas por el hipotálamo se ejercen Áreas de límbica (emociones, gracias a la acción del sistema nerasociación auditiva aprendizaje y memoria) Corteza auditiva vioso autónomo. El hipotálamo tieprimaria (oído) ne tanto estímulos directos como FIGURA 9.14 Áreas funcionales de la corteza cerebral. Se muestran algunas áreas importantes de la indirectos en el sistema nervioso corteza cerebral y sus funciones específicas. autónomo. Por ejemplo, las emociones pueden afectar las funciones cardiovascular, respiratoria y digestiva a través de estímulos nas de la adenohipófisis o lóbulo anterior de la hipófisis. Adehipotalámicos a los centros de control autónomo situados en el más, el hipotálamo controla la liberación de hormonas de la tronco del encéfalo. El hipotálamo también regula la temperaneurohipófisis, o lóbulo posterior de la hipófisis, como la hor-
ra
Corteza sensorial s
s do
Mano
Muñeca
Brazo
Codo
lg
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Pu te en o Oj
Fr
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Ca
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Corteza motora
tes Encías
la
Mandíbu
Cisura central
Intraabdominal
(a)
o
ell
Cu
Genitales Dedos de los pies
Dien
Mandíbula Lengua Faringe
Hombro
Tronco
Cadera Dedos de los Tobillo pies
jo
Ca
Labio
Tronco
Cuello
Cabeza
Codo
Brazo
razo Anteb Mano
os
Ded
ar
lg
Pu
riz
Pierna Rodilla
O
Na
Cadera
Corteza motora primaria (movimiento voluntario)
Lengua Tragar
(b)
FIGURA 9.15 Homúnculos motores y sensoriales. (a) Sección transversal de la corteza somatosensitiva primaria, situada por detrás de la cisura central, y el mapa somatotópico correspondiente de las partes del cuerpo. (b) Sección transversal de la corteza motora primaria, situada por delante de la cisura central, y el mapa somatotópico correspondiente de las partes del cuerpo.
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Sistema nervioso: sistema nervioso central
Cuerpo calloso Ventrículo lateral Núcleo caudado Plexo coroideo Núcleos basales
Putamen
Tálamo Diencéfalo
Globo pálido Hipotálamo Núcleo amigdalino
Tercer ventrículo
FIGURA 9.16 Sustancia gris subcortical. Una sección coronal del cerebro al nivel indicado revela las áreas de la sustancia gris: los núcleos basales (núcleo caudado, putamen y globo pálido), tálamo, hipotálamo y el núcleo amigdalino (parte del sistema límbico).
P ¿Cuál es la función del plexo coroideo? tura corporal, que implica varias respuestas autónomas integradas. El núcleo supraquiasmático del hipotálamo genera y regula los ritmos circadianos, las fluctuaciones endógenas de las funciones del cuerpo que ocurren en ciclos de 24 h. El diencéfalo se prolonga en un órgano endocrino denominado glándula pineal, que secreta la hormona melatonina, importante para el establecimiento de los ritmos circadianos.
Trígono Circunvolución del cuerpo calloso (o del cíngulo)
Núcleo mediodorsal del tálamo
Corteza prefrontal
Sistema límbico El sistema límbico es una agrupación heterogénea de regiones corticales, núcleos subcorticales y vías estrechamente asociados en el prosencéfalo que tienen funciones en la motivación, la memoria y las emociones. Incluidos en él se encuentran el núcleo amigdalino, el hipocampo, el trígono, las circunvoluciones del cuerpo calloso (o del cíngulo) y del parahipocampo de la corteza cerebral (fig. 9.17), así como partes de los núcleos basales, de la corteza prefrontal, del tálamo y del hipotálamo. El sistema límbico, una de las áreas más «primitivas» de nuestro encéfalo, está implicado en los impulsos básicos. Por ejemplo, una de las regiones más antiguas del encéfalo (en términos de evolución) es el núcleo amigdalino, implicado en la agresión y el miedo. El hipocampo, un componente principal del sistema límbico, está implicado en el aprendizaje y la memoria. El sistema olfativo proporciona estímulos sensoriales importantes al sistema límbico, especialmente en especies de mamíferos inferiores.
Bulbo olfativo
Hipocampo Cuerpos mamilares o tubérculos mamilares del hipotálamo
Núcleo amigdalino
FIGURA 9.17 Sistema límbico. En esta vista tridimensional se muestran las estructuras más importantes del sistema límbico.
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DESCUBRIMIENTOS
La historia de Phineas Gage En 1848, mientras trabajaba como capataz en la construcción del ferrocarril, un hombre de 25 años llamado Phineas Gage se convirtió en víctima de un extraño accidente que permitió extraer las primeras impresiones acerca de la importancia del encéfalo en la determinación de la personalidad. Como resultado, su historia será para siempre parte de la historia de la ciencia. Según testigos presenciales, lo que pasó fue lo expuesto a continuación. El día del accidente, Gage estaba supervisando a los trabajadores que estaban colocando una nueva sección de vía en las rocosas montañas de Vermont, EE. UU. Para abrir camino para la vía, iban a eliminar una gran roca explotándola. Para conseguirlo, los trabajadores harían un agujero en la roca, lo rellenarían con pólvora, cubrirían la pólvora con una capa de arena para evitar las chispas, prensarían la pólvora y la arena con una pesada barra de metal (para que la explosión fuera más potente) y encenderían la pólvora con una mecha. Gage se encontraba en medio de este proceso cuando le distrajo un sonido. Después de haberlo investigado un rato, volvió a su tarea, sin darse cuenta de que se había olvidado de añadir la arena. Cuando metió la barra de metal por el agujero, aparentemente se produjo una chispa que encendió la pólvora. La explosión resultante hizo que la barra penetrara en su cara entrando desde el pómulo izquierdo en dirección ascendente. El misil continuó su curso implacablemente, atravesando huesos, músculos y tejido cerebral hasta que salió disparado por la parte superior de su cabeza con suficiente fuerza como para elevarse aún unos 15 m en el aire. Gage cayó hacia atrás, quedándose desmayado sobre el suelo, y después
empezó a tener convulsiones. Sin embargo, en cuestión de minutos había vuelto a recuperar la conciencia y fue capaz de moverse (con ayuda), a pesar de que una masa importante de su encéfalo y de tejido craneal habían reventado. Atónitos ante lo que estaban presenciando, los compañeros de Gage le transportaron en carruaje hasta un médico que había en una ciudad cercana. Durante los días siguientes, Gage se debatió entre la vida y la muerte; la herida había hecho que el encéfalo desarrollara edema y se infectara. No obstante, superó la crisis y en unos cuantos meses se había recuperado totalmente y fue capaz de llevar una vida casi normal. Sin embargo, desgraciadamente, Gage no salió indemne. Aunque la herida no había dejado efectos aparentes en su capacidad para razonar, hablar o moverse, sí había afectado profundamente a su personalidad. Antes del accidente, él había sido una persona tranquila y agradable, pero después se volvió pendenciero y peleaba con cualquier hombre ante la menor provocación. Su lenguaje se volvió grosero y vulgar, y no podía evitar las obscenidades. Habiendo sido anteriormente un ciudadano modélico, templado y sensato, se volvió impulsivo, exaltado e irresponsable. En palabras de su médico, «ya no era Gage». Al no poder controlar su comportamiento, perdió su trabajo y se vio forzado a vagar por el campo buscando un empleo. En un momento dado, empezó a trabajar en el circo Barnum y Bailey, exponiéndose a sí mismo y a su barra como atracción secundaria. Phineas Gage murió a los 37 años, 12 años después del accidente que le robó su persona-
Test rápido 9.3 1. Nombra las dos estructuras que componen el diencéfalo y haz una lista con sus funciones principales. 2. ¿Qué tres estructuras componen el tronco del encéfalo? 3. Nombra los cuatro lóbulos de la corteza cerebral y describe al menos una función de cada uno. 4. Para cada una de las funciones siguientes, indica si es el hemisferio cerebral izquierdo o derecho el que desempeña la función predominante: a) actividad creativa; b) lógica; c) control motor
lidad. Su calavera y la barra que la atravesó se guardan, actualmente, en la Harvard Medical School. Si examinamos un dibujo realizado por el médico de Gage indicando los tamaños relativos de la barra y de la calavera de Gage, y utilizamos una reconstrucción computarizada de la probable trayectoria que siguió la barra al atravesar su cabeza, podemos ver que probablemente el accidente destruyó gran parte de sus lóbulos frontales, dejando el resto del encéfalo intacto. Como los lóbulos frontales son importantes en el comportamiento motivado por objetivos, ejercen una influencia restrictiva sobre las partes más emocionales e impulsivas del encéfalo, como el sistema límbico. Tras el accidente, esta influencia ya no existía, lo que motivó que las emociones de Gage gobernaran su comportamiento.
Posición aproximada de la barra al atravesar la cabeza de Phineas Gage.
sobre la parte izquierda del cuerpo; d) percepción sensorial de la parte izquierda del cuerpo, y e) comprensión y expresión lingüísticas. Hasta ahora, nos hemos centrado en la identificación de áreas concretas del SNC y hemos descrito sus funciones básicas. Aunque es cierto que las distintas áreas se especializan en funciones diferentes, es importante darse cuenta de que la mayoría de las tareas realizadas por el SNC requieren la acción coordinada de muchas áreas diferentes trabajando juntas. Además, el SNC reci-
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be y transmite información a través del sistema nervioso periférico al llevar a cabo muchas tareas. Por ejemplo, podemos identificar un objeto como una manzana porque podemos verlo, tocarlo, olerlo, gustarlo, poner todas esas sensaciones juntas en una «imagen» coherente del objeto y compararla con nuestro concepto de lo que es una manzana, que deriva del recuerdo de nuestras experiencias anteriores con manzanas. Por tanto, la tarea, aparentemente sencilla, de identificar una manzana implica la actividad coordinada de varias áreas sensoriales, áreas de almacenamiento de memoria y áreas de asociación. En la sección siguiente examinaremos varias funciones del SNC que implican esas acciones coordinadas, comenzando con las funciones más sencillas: los reflejos. Después examinaremos tareas más complejas, como el control motor voluntario, el lenguaje, el sueño y la consciencia, las emociones y la motivación, y el aprendizaje y la memoria.
Función integrada del SNC: los reflejos Hemos visto que las vías neurales son una serie de neuronas conectadas por sinapsis que forman una línea de comunicación necesaria para una tarea concreta. Por ejemplo, ya hemos aprendido acerca de la vía de percepción del dolor (v. fig. 9.10a) y la vía del control motor voluntario (v. fig. 9.10b). Ahora vamos a pasar a vías más complejas que integran información en los sistemas nerviosos centrales. Comenzamos con las vías de los reflejos, denominadas arcos reflejos. Cuando reaccionamos a algún estímulo, a menudo nos detenemos a considerar la situación antes de emprender una acción. Sin embargo, a veces nuestras respuestas son automáticas y no implican una intervención consciente por nuestra parte, como cuando nos sobresaltamos en respuesta a un sonido fuerte. Esa respuesta automática y modelizada a un estímulo sensorial se denomina reflejo. Los reflejos pueden clasificarse en los siguientes cuatro grupos, cada uno de los cuales contiene dos clases (tabla 9.3): 1. Los reflejos pueden ser medulares o craneales, dependiendo del nivel de procesamiento neural implicado. En los reflejos medulares, el nivel más alto de integración tiene lugar en la médula espinal; los reflejos craneales precisan de la participación del encéfalo. 2. Los reflejos pueden ser somáticos o autónomos, dependiendo de la división eferente que controle la vía. Los reflejos somáticos implican señales que se envían mediante neuronas somáticas al músculo esquelético; los reflejos autónomos (también llamados reflejos viscerales) implican señales que se envían mediante las neuronas autónomas al músculo liso, al músculo cardíaco o a las glándulas. 3. Los reflejos pueden ser innatos (de nacimiento) o condicionados (aprendidos). Todas las personas que tienen un funcionamiento neurológico normal cuentan con los mismos reflejos innatos; nacemos con ellos. Sin embargo, los reflejos condicionados difieren según las experiencias de cada persona en la vida. Por ejemplo, si una persona come tanta cantidad de su alimento favorito que se empacha, puede que en el futuro sienta náuseas ante el olor de ese alimento. 4. Los reflejos pueden ser monosinápticos o polisinápticos. En los reflejos monosinápticos, la vía neural consiste solo en dos neuronas y una sola sinapsis; los reflejos polisinápticos contienen más de dos neuronas y sinapsis múltiples.
Observa que un reflejo dado se clasifica dentro de los cuatro grupos. Por ejemplo, consideremos el reflejo rotuliano, que ocurre cuando el médico da un golpecito sobre el tendón rotuliano justo por debajo de la rótula. En respuesta al golpecito, la pierna se extiende, dando una patada hacia adelante. Este reflejo es medular (el encéfalo no está implicado), somático (porque las señales diferentes se envían a los músculos esqueléticos mediante neuronas somáticas), innato (nacemos con él) y monosináptico (la neurona establece sinapsis directamente con la neurona eferente). Ahora considera el reflejo pupilar ante la luz, que tiene lugar cuando el médico nos enfoca en los ojos con una luz. Como respuesta, la pupila se contrae. Este reflejo es craneal (porque implica al encéfalo), autónomo (porque las señales eferentes se envían al músculo liso que rodea a la pupila mediante neuronas autónomas), innato y polisináptico (hay sinapsis con interneuronas entre las neuronas aferente y eferente). Observa, también, que estos reflejos son innatos, ya que no necesitan ser aprendidos. El ejemplo clásico de reflejo aprendido es el reflejo de salivación, descrito por primera vez por Ivan Pavlov, un fisiólogo ruso que ganó el Premio Nobel en 1904 por su estudio sobre la digestión en los perros. En su clásica demostración del reflejo de salivación, Pavlov tocaba un timbre justo antes de alimentar a los perros. Estos aprendieron a asociar el sonido del timbre con la llegada de comida, de modo que finalmente empezaban a salivar nada más oír el timbre, aunque no hubiera alimento delante. Así, la salivación como respuesta al sonido de un timbre es un reflejo condicionado (aprendido). Las vías neurales de los reflejos se conocen como arcos reflejos y consisten en cinco componentes (fig. 9.18): 1) un receptor sensorial; 2) una neurona aferente; 3) un centro de integración; 4) una neurona eferente, y 5) un órgano efector. Para poner el reflejo en movimiento, primero el receptor detecta un estímulo. Entonces, la información se transmite del receptor al SNC mediante la neurona aferente. El SNC, que funciona como integrador, envía señales a la neurona eferente, que transmite las señales al órgano efector, estimulándolo para que produzca una respuesta específica. La integración puede ser relativamente sencilla, como ocurre en un reflejo monosináptico, o puede ser compleja, implicando a varias interneuronas en el proceso.
3 Centro de integración (SNC) 2 Neurona aferente
4 Neurona(s) eferente(s)
1 Receptor sensorial
5 Órgano efector (músculo, glándula)
Estímulo
Respuesta
FIGURA 9.18 Representación esquemática de un arco reflejo. Los cinco componentes de un arco reflejo son un receptor sensorial que detecta un estímulo, una neurona aferente que transmite información del receptor al SNC, un centro de integración (que suele ser el SNC), una neurona eferente que transmite información desde el centro de integración a la periferia, y un órgano efector que produce una respuesta al estímulo.
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TABLA 9.3 Tipos de reflejos Base de la clasificación
Tipo
Ejemplo
Nivel de procesamiento neural
Medular
Reflejo de estiramiento del huso muscular
Craneal
Reflejo pupilar
Efector de control de la división eferente
Somático
Reflejo de estiramiento del huso muscular
Autónomo
Reflejo barorreceptor para controlar la presión arterial
Innato
Reflejo de estiramiento del huso muscular
Patrón de desarrollo Número de sinapsis en la vía
Reflejo de estiramiento
Condicionado
Reflejo de salivación de los perros de Pavlov
Monosináptico
Reflejo de estiramiento del huso muscular
Polisináptico
Todos los demás reflejos
tibiales (v. sinapsis 2, fig. 9.19). La excitación simultánea del cuádriceps y la inhibición de los músculos isquiotibiales por parte de las aferentes de los husos musculares causa la extensión de la pierna durante el reflejo rotuliano. El procesamiento neural no termina aquí. Los colaterales de las neuronas aferentes de los husos musculares también ascienden hasta el encéfalo, formando sinapsis con varias interneuronas. El encéfalo utiliza la información procedente de los husos musculares (y otros receptores de los músculos, las articulaciones y la piel) para supervisar el estado de contracción de los diversos músculos y las posiciones de los miembros que controlan. Como el encéfalo controla las contracciones del músculo esquelético, esta información sirve de retorno, lo que permite al encéfalo ajustar sus órdenes a los músculos, una función necesaria para la ejecución de movimientos suaves y precisos.
El ejemplo más sencillo de un reflejo es el reflejo de estiramiento del huso muscular, del que el reflejo rotuliano es un ejemplo. La figura 9.19 representa este reflejo en detalle. El reflejo de estiramiento es el único reflejo monosináptico conocido del cuerpo humano. El receptor en este reflejo es un huso muscular, una estructura especializada que se encuentra en los músculos esqueléticos y que responde cuando se estiran los músculos. En el reflejo rotuliano, dar un golpecito en el tendón rotuliano por debajo de la rótula hace que el cuádriceps de la parte alta del muslo se estire. Este estiramiento excita los husos musculares existentes en ese músculo, desencadenando, así, los potenciales de acción que viajan en las neuronas aferentes hacia la médula espinal (centro de integración). En la médula espinal, las neuronas aferentes crean conexiones sinápticas excitadoras directas (v. sinapsis 1, fig. 9.19) con las neuNeurona ronas eferentes que inervan el cuáaferente driceps, el mismo músculo que conAl encéfalo tiene los husos musculares, estimulando la contracción del cuáHuso driceps y haciendo que la pierna se muscular extienda, dando una patada hacia Cuádriceps adelante. Estímulo Para que la extensión de la pierna tenga efecto, la acción de los músculos que causan la extensión (cuádri1 2 Músculos ceps) no debería encontrar oposición isquiotibiales Tendón en las acciones de otros músculos rotuliano que hacen que la pierna se doble o se flexione (músculos isquiotibiales). Interneurona Durante el reflejo de estiramiento, la Neuronas eferentes contracción de los músculos isquiotibiales podría ralentizarse o incluso impedir la extensión de la pierna. Este problema potencial se evita, porque el reflejo de estiramiento, una vez comenzado, desencadena no solo la contracción del cuádriFIGURA 9.19 Reflejo de estiramiento del huso muscular. Reflejo rotuliano, un ejemplo del reflejo ceps, sino también la inhibición de monosináptico de estiramiento del huso muscular, por el que un golpecito sobre el tendón rotuliano causa los músculos isquiotibiales. Las neula contracción del músculo cuádriceps. Las neuronas aferentes del huso muscular crean dos comunicaciones ronas aferentes de los husos muscusinápticas en la médula espinal: ➀ sinapsis excitadora con las neuronas eferentes hacia el músculo cuádriceps, lares tienen colaterales que establey ➁ sinapsis con las interneuronas inhibidoras que se comunican con las neuronas eferentes hacia los cen sinapsis con las interneuronas músculos isquiotibiales de la misma pierna. Las neuronas aferentes también tienen colaterales que viajan inhibidoras, inervando las motoneupor la sustancia blanca de la médula espinal hacia el tronco del encéfalo, donde establecen sinapsis con las ronas que van a los músculos isquiointerneuronas que transmiten información acerca de la longitud del músculo a varias áreas del encéfalo.
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Comprueba tus conocimientos
Al tálamo
Si un doctor da un golpecito en el tendón rotuliano sin que se produzca el reflejo rotuliano, ¿qué tipo de daño neurológico puede ser la causa?
Reflejos de retracción y extensor cruzado Cuando una parte del cuerpo está sujeta a un estímulo doloroso, automáticamente se retira del estímulo mediante una respuesta llamada reflejo de retracción, como ocurre cuando una persona pisa una chincheta (fig. 9.20). Pisar una chincheta se percibe como algo doloroso, porque activa unos receptores sensoriales especiales denominados nocirreceptores, que responden a estímulos intensos que están dañando (o pueden dañar potencialmente) el tejido. Las neuronas de los nocirreceptores aferentes transmiten esta información a la médula espinal, donde tienen lugar sinapsis excitadoras en interneuronas. Entonces, las interneuronas excitan a las neuronas eferentes (v. sinapsis 1, fig. 9.20) que inervan los músculos esqueléticos que causan la retracción del miembro o de cualquier otra parte del cuerpo. En el ejemplo de la figura 9.20, los músculos isquiotibiales se contraen para retirar la pierna. Para que el reflejo de retracción sea efectivo, los músculos que causan la retracción deben ser excitados, mientras que los músculos que se oponen a la retracción (o causan la extensión) deben ser inhibidos. Este es, de hecho, el caso, ya que las ramas de las aferentes activan las interneuronas inhibidoras a las eferentes que inervan el cuádriceps (v. sinapsis 2, fig. 9.20). Por tanto, el reflejo de retracción desencadena, simultáneamente, la contracción de los músculos isquiotibiales y la relajación del cuádriceps, permitiendo que la flexión de la pierna prosiga sin impedimentos. Pero sigue habiendo otro problema: si se retira la pierna mientras está soportando nuestro peso, podríamos perder el equilibrio y caernos. Afortunadamente, cuando un estímulo doloroso desencadena el reflejo de retracción, otro reflejo, el reflejo extensor cruzado, comienza simultáneamente. Las neuronas de los nocirreceptores aferentes tienen ramas que envían señales, mediante las interneuronas, a las neuronas eferentes que controlan los músculos de la otra pierna (v. sinapsis 3 y 4, fig. 9.20). Estas señales ocasionan la contracción de los músculos extensores y la relajación de los músculos flexores en esa pierna, de modo que cuando se retira la primera pierna en respuesta a un estímulo doloroso, la otra pierna se extiende para soportar el peso del cuerpo. ¿Es la persona consciente de que ha pisado una chincheta? Por supuesto, porque las mismas neuronas aferentes que activan tanto el reflejo de retracción como el extensor cruzado también se comunican con las vías ascendentes, que envían información al encéfalo de que se ha aplicado un estímulo doloroso al cuerpo (v. sinapsis 5, fig. 9.20). ¿El reflejo de retracción hace que nos retiremos de cada estímulo doloroso que encontramos en la vida? Probablemente no, porque hay veces en las que los reflejos son perjudiciales. Supongamos que vamos a coger una taza de té que nos han servido en una de las tazas de porcelana preferidas de nuestra madre y que la taza está tan caliente que quema. Sabiendo el aprecio que le tiene nuestra madre a esa taza de porcelana, podríamos intentar anular el reflejo y seguir sujetándola con la mano, a pesar de que sintamos dolor al hacerlo. En este proceso, el encéfalo activa interneuronas inhibidoras de la médula espinal que suprimen la actividad de las neuronas que controlan el reflejo de retracción. Recordemos que las células postsinápticas (en este caso, las neuronas eferentes que controlan los músculos) suman
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2 3
1 5
Neurona aferente Neuronas eferentes
Cuádriceps
Músculos isquiotibiales
Nocirreceptor
Estímulo
FIGURA 9.20 Reflejos de retracción y extensor cruzado. En respuesta a la activación de un nocirreceptor, una neurona aferente establece una sinapsis con una interneurona excitadora ➀ y con una interneurona inhibidora ➁, determinando la contracción de los músculos isquiotibiales y la relajación del cuádriceps en la pierna afectada, causando su retracción. Simultáneamente, la neurona aferente establece una sinapsis con la interneurona excitadora ➂ y con una interneurona inhibidora ➃, que produce la contracción del cuádriceps y la relajación de los músculos isquiotibiales de la otra pierna. La neurona aferente también establece una sinapsis con una interneurona ➄ que se cruza hacia el lado opuesto de la médula espinal y viaja hacia el tálamo para transportar la información sobre el estímulo doloroso al encéfalo.
la información procedente de diversos estímulos sinápticos. Si la influencia inhibidora que desciende del encéfalo es mayor que la influencia excitadora que procede del nocirreceptor aferente, el reflejo de retracción no ocurrirá.
Reflejo pupilar a la luz El reflejo de estiramiento y el de retracción son ejemplos de reflejos medulares somáticos. El reflejo pupilar a la luz es un ejemplo de reflejo craneal autónomo en el que el estímulo es la
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luz que entra en un ojo y que activa los fotorreceptores. Estos activan las neuronas aferentes que transmiten señales a áreas del mesencéfalo del tronco del encéfalo, que funcionan como centro de integración. A continuación, estas áreas del mesencéfalo activan, mediante una vía polisináptica, las aferentes autónomas, que inervan el músculo liso que rodea las pupilas de los ojos. La respuesta es la contracción pupilar (la reducción del diámetro de las pupilas) en ambos ojos.
Test rápido 9.4 1. ¿Es la salivación en respuesta a un timbre un ejemplo de un reflejo innato o condicionado? ¿Por qué? ¿Qué podemos decir acerca de la salivación en respuesta al olor de la comida? 2. ¿Cuáles son los cinco componentes de un arco reflejo?
Función integrada del SNC: el control motor voluntario Imaginemos que estamos en un quirófano a punto de que nos operen de apendicitis. El cirujano nos explica que antes de comenzar el proceso nos va a administrar dos medicamentos por vía intravenosa: un anestésico y un relajante muscular. Alguien nos inyecta una jeringuilla llena de líquido en el brazo y pronto sentimos que los brazos y las piernas pesan cada vez más. En cuestión de minutos, nos damos cuenta de que no nos podemos mover, ni siquiera podemos respirar. (Afortunadamente, nos han conectado un respirador.) Aunque creíamos que nos iban a dormir, estamos bien despiertos y podemos ver, oír y sentir todo lo que está pasando. Para nuestro horror, vemos que el cirujano ha cogido un bisturí. Aparentemente, alguien ha cometido un error y ha olvidado darnos el anestésico. A medida que vemos que el bisturí se acerca a nuestra piel, intentamos desesperadamente gritar, mover los brazos, hacer cualquier cosa para que el equipo sepa que estamos despiertos, pero no podemos. IDEA Todos nuestros músculos esquelétiSistema límbico cos están paralizados y ni siquiera podemos parpadear. Áreas de Este horrible escenario ilustra que asociación para que nuestros pensamientos e Área motora intenciones se traduzcan en acciosuplementaria nes, el sistema nervioso debe ser capaz de comunicarse con los músculos y de provocar la contracción muscular. El fin de esta sección es describir lo que ocurre cuando controlamos nuestros músculos voluntariamente, en otras palabras, qué pasa cuando nuestras intenciones se traducen en acciones.
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de moverse; 2) elaborar un programa de órdenes motoras para realizar el movimiento; 3) ejecutar el movimiento activando los músculos correctos en el momento adecuado, y 4) una constante información de retorno para asegurarnos de que el movimiento se realiza con éxito y precisión. Cada uno de los pasos se describe a continuación y se ilustra en la figura 9.21. La idea o intención de moverse ha de ser formulada primero. La corteza cerebral realiza la formulación de intenciones, así como su traducción en planes de movimiento, y es el nivel más alto de control motor. Se cree que varias áreas de la corteza están implicadas en estos procesos, incluyendo el área de asociación prefrontal y el sistema límbico. Debe desarrollarse un programa de órdenes motoras para dirigir, en última instancia, los músculos adecuados para que se contraigan en el momento exacto para producir el movimiento deseado. Tal desarrollo implica a varias áreas, como la corteza motora primaria, el área de asociación prefrontal y la corteza premotora. El programa de las órdenes motoras debe ser ejecutado mediante el envío de órdenes a los músculos para que se contraigan. La ejecución de un programa motor requiere la activación de las neuronas eferentes que inervan el músculo esquelético. Estas neuronas eferentes se originan en el asta ventral de la médula espinal y se denominan motoneuronas inferiores, o simplemente motoneuronas. (Para los músculos que están controlados por los nervios craneales, las motoneuronas se originan en ciertos núcleos de nervios craneales del tronco del encéfalo.) Las motoneuronas son las únicas neuronas que controlan la contracción del músculo esquelético. La influencia de estas neuronas siempre es excitadora, esto es, las señales en una motoneurona siempre estimulan la contracción de una célula muscular. Por tanto, la iniciación de la contracción de una célula muscular requiere la excitación de la motoneurona que inerva esa célula muscular. La relajación de una célula del músculo esquelético simplemente requiere que la motoneurona que la inerva no esté activa.
PROGRAMA Área motora suplementaria Área premotora Corteza motora primaria
EJECUCIÓN Vía piramidal Vía extrapiramidal
Movimiento del músculo esquelético
Motoneurona
RETORNO Sistemas sensoriales Cerebelo Tálamo
Componentes neurales de los movimientos voluntarios precisos Llevar una tarea motora voluntaria a término con éxito implica cuatro componentes: 1) desarrollar la idea
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Núcleos basales Tronco del encéfalo
FIGURA 9.21 Pasos del movimiento voluntario. El movimiento voluntario requiere la actividad coordinada de varias estructuras neurales para garantizar un movimiento del músculo esquelético sin problemas. El proceso comienza con la idea de moverse.
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Los estímulos a las motoneuronas se originan en niveles muy diferentes del sistema nervioso. En la sección anterior vimos que las motoneuronas pueden ser excitadas o inhibidas por estímulos procedentes de las neuronas aferentes, como en el caso de los reflejos medulares. También vimos que la actividad de las motoneuronas puede verse influida por estímulos que proceden del encéfalo, como cuando anulamos un reflejo de retracción mediante un esfuerzo consciente. En esta sección nos interesan, sobre todo, los estímulos que descienden del encéfalo hacia las motoneuronas. En concreto, dos vías descendentes que proporcionan estímulos a las motoneuronas son importantes en el control motor voluntario: las vías piramidales (también conocidas como corticoespinales) y las vías extrapiramidales. A medida que se lleva a cabo la tarea motora, un continuo retorno de información al SNC le permite determinar si la tarea se está cumpliendo según la intención y el programa. Ese retorno de información permite que el SNC realice los ajustes necesarios en el programa y, posiblemente, incluso cambie la inten-
ción original para garantizar que la tarea se termine bien y sin problemas. El cerebelo, el tálamo, los núcleos basales, ciertos núcleos del tronco del encéfalo y varias áreas de asociación de la corteza proporcionan este retorno de información y ayudan en el desarrollo de la programación motora.
Control cortical del movimiento voluntario Las vías piramidales (fig. 9.22a) van desde la corteza motora primaria hasta la médula espinal. Los axones de las neuronas de estas vías terminan en el asta ventral de la médula espinal y reciben el nombre de motoneuronas superiores; algunas crean sinapsis directamente en las motoneuronas, mientras que otras crean sinapsis con las interneuronas. La mayor parte de los axones de las vías piramidales se cruzan al otro lado del SNC en un área del bulbo raquídeo llamada pirámides medulares. Además, los axones tienen colaterales que viajan a otras áreas motoras, incluyendo los núcleos del tron-
Corteza motora
Colículo superior Mesencéfalo
Núcleo rojo
Vía rubroespinal Vía tectoespinal Núcleo vestibular
Bulbo raquídeo
Formación reticular
Vía piramidal lateral
Vía piramidal anterior
Vías vestibuloespinales
Pirámides medulares
Vía reticuloespinal
Médula espinal
(a) Vías piramidales
(b) Vías extrapiramidales
FIGURA 9.22 Vías piramidales y extrapiramidales. (a) Vías piramidales. La vía piramidal lateral es, principalmente, una vía cruzada, mientras que la piramidal anterior es, principalmente, una vía no cruzada hasta que llega a la médula espinal. (b) Vías extrapiramidales. En ellas se incluyen todas las vías motoras excepto las vías piramidales; algunas se cruzan, otras no y algunas son bilaterales.
P ¿Dónde se originan las vías piramidales?
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co del encéfalo. Se cree que las vías piramidales controlan, principalmente, los discretos y finos movimientos de las extremidades distales (las partes de los miembros que están más lejos del tronco), especialmente los antebrazos, las manos y los dedos. Entre las vías extrapiramidales (fig. 9.22b) se encuentran todas las de control motor que están fuera del sistema piramidal. A diferencia de las piramidales, estas vías son conexiones indirectas entre el encéfalo y la médula espinal, esto es, las neuronas de las vías extrapiramidales no forman sinapsis con las motoneuronas. La mayor influencia de las vías extrapiramidales se ejerce en los músculos del tronco, el cuello y las partes proximales de los miembros (es decir, las más cercanas al tronco). En general, el sistema extrapiramidal está implicado en el control de grandes grupos musculares que pueden contraerse independientemente. Por ejemplo, cuando una costurera enhebra una aguja, el sistema piramidal controla los movimientos finos de sus brazos, manos y dedos, mientras que el sistema extrapiramidal controla el movimiento más grosero de su tronco, cuello y piernas para mantener la postura adecuada. Los sistemas piramidal y extrapiramidal ilustran el concepto de procesamiento paralelo, que es la transmisión simultánea del mismo tipo de información general a lo largo de vías neurales separadas. El procesamiento paralelo es frecuente en el sistema nervioso en general, no solamente en sistemas motores. En este tipo de procesamiento, la información que se transmite por las dos vías se procesa de manera diferente en cada una. Por tanto, el procesamiento paralelo no es lo mismo que la redundancia, en la que cada una de las dos vías sería un duplicado de la otra, y ambas transmitirían la misma información básicamente del mismo modo. Sin embargo, el procesamiento paralelo es redundante, en el sentido de que proporciona un circuito de refuerzo en caso de que una de las vías falle o funcione mal. Por tanto, una persona que sufre daños en el sistema piramidal al menos puede recuperar ciertas funciones, supuestamente porque el sistema extrapiramidal puede compensarlo parcialmente. Tal recuperación ilustra otro hecho de las vías paralelas: es muy raro, si es que llega a ocurrir, que estén separadas realmente. Por ejemplo, a pesar de que el sistema piramidal predomine en el control del movimiento de los miembros distales, el sistema extrapiramidal también controla los mismos músculos hasta cierto punto.
Control postural por el tronco del encéfalo El tronco del encéfalo contiene varios núcleos que se proyectan hacia la médula espinal por medio de vías extrapiramidales. Entre esos núcleos, conviene resaltar la formación reticular, los núcleos vestibulares y los núcleos rojos. A pesar de que las funciones de estos núcleos por separado no se conocen en su totalidad, parece ser que suelen estar implicados en el control involuntario de la postura. Además, estos núcleos no pueden iniciar movimientos voluntarios. Nuestros músculos se ajustan constantemente a los cambios de postura, estemos moviéndonos o quietos. Incluso el simple acto de alargar el brazo para agarrar un picaporte requiere la alteración de la tensión muscular en las piernas y en el tronco, porque cambiamos la posición del centro de gravedad de nuestro cuerpo cuando extendemos el brazo. Para ejercer el control postural, el tronco del encéfalo utiliza información de los receptores sensoriales situados en la piel, los propiorreceptores de los músculos y de las articulaciones, y los receptores del
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aparato vestibular, un conjunto de órganos sensoriales asociados con el oído interno que detectan el movimiento de la cabeza (v. capítulo 10). Estos estímulos informan al tronco del encéfalo acerca de la posición del cuerpo y las fuerzas que actúan sobre él. El tronco del encéfalo también recibe información sensorial de los ojos y de los oídos, de modo que puede realizar ajustes de la postura en respuesta a estímulos visuales o auditivos. Un buen ejemplo es la reacción que tenemos cuando oímos un sonido inesperado. Al oír que se quiebra una ramita en el bosque, lo más normal es que automáticamente dejemos de caminar y nos volvamos hacia la fuente de sonido. Además, este ejemplo ilustra cómo la información de retorno que llega a los sistemas de control motor puede alterar no solo la programación del movimiento, sino también su intención o su plan. El plan original puede haber sido dar un largo paseo por el bosque; dependiendo de lo que haya quebrado la ramita, la nueva tarea puede ser salir corriendo del bosque.
Función del cerebelo en la coordinación motora Antes de lanzar una nave espacial, los controladores de la misión diseñan una trayectoria y después programan el ordenador de a bordo con información relativa a la ruta planeada. Después del lanzamiento, la nave nunca sigue el plan al pie de la letra. En su lugar, un sistema de guía a bordo supervisa continuamente la posición de la nave y la compara con la ruta planeada, de modo que puede corregir el rumbo cuando sea necesario. En muchos aspectos, el cerebelo actúa como «sistema de guía» del movimiento. Después de que la corteza diseñe planes de acción y ordene a los músculos ejecutarlos, el cerebelo compara los movimientos reales a medida que van ocurriendo con los planes, corrigiendo la fuerza y la dirección del movimiento siempre que detecta una discrepancia. Además, el cerebelo parece desempeñar una función de mantenimiento del tono muscular (un bajo nivel constante de tensión en los músculos en reposo). El cerebelo también puede almacenar recuerdos de actividades motoras, de modo que movimientos ejecutados previamente pueden ser refinados y ejecutados con más precisión en intentos futuros. Para hacer todo esto, el cerebelo debe recibir información de la corteza relativa a los movimientos planeados y ser actualizado continuamente respecto a cómo se están realizando los movimientos realmente. Recibe estímulos procedentes de áreas sensitivomotoras de la corteza (áreas implicadas en el procesamiento sensorial y/o motor), de los núcleos basales, del tronco del encéfalo y de la médula espinal, así como información sensorial que se origina en todas las áreas el cuerpo (fig. 9.23). Después, envía señales de retorno a la corteza (mediante una conexión en el tálamo), de modo que la corteza puede ajustar sus señales de salida para completar con éxito el movimiento planeado. Una persona que tenga el cerebelo dañado conserva la capacidad de realizar movimientos voluntarios, pero los movimientos resultantes son torpes, no están bien dirigidos y a menudo no se realizan con la fuerza adecuada. Consideremos los numerosos movimientos de los dedos, la muñeca y el brazo necesarios para coger un lápiz, una tarea que podemos hacer sin pensar. Lo que normalmente sería una secuencia precisa de movimientos, uno detrás del otro, puede ser ejecutada como una serie de pasos independientes, necesitando cada uno un control consciente. Un signo característico de daño cerebeloso es el temblor intencional, un movimiento tembloroso a veces violento que ocurre solo cuando la persona hace un movimiento voluntario. Por ejemplo, cuando una persona con daño cerebeloso quiere
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Corteza
Tálamo
Tronco del encéfalo Cerebelo
Información sensorial Médula espinal
FIGURA 9.23 Vías principales del flujo de información hacia y desde el cerebelo. El cerebelo recibe información sobre el estado del movimiento procedente de las áreas sensoriales de la corteza, el tronco del encéfalo y la médula espinal. Después, el cerebelo transmite la información a la corteza mediante el tálamo, facilitando que la corteza pueda alterar sus señales de salida para modificar el movimiento (si fuera necesario) con el fin de lograr la tarea con precisión.
encender la luz o apagarla, su mano no va directamente hacia el interruptor, sino que empieza a hacer movimientos erráticos que se vuelven más pronunciados conforme la mano se acerca a su destino.
Función de los núcleos basales en el control motor Se cree que los núcleos basales tienen funciones similares a las del cerebelo, en cuanto a que proporcionan información de retorno a la corteza para el desarrollo de estrategias motoras y de precisión de los movimientos. Algunas evidencias también sugieren que los núcleos basales son necesarios para la realización automática de movimientos repetitivos aprendidos. Los núcleos basales reciben estímulos de la corteza y envían señales de salida otra vez a la corteza mediante una conexión en el tálamo. Una de las funciones de este «circuito» es la de ayudar a la corteza en la selección e iniciación del movimiento deseado, a la vez que se inhiben los movimientos no deseados. Al estudiar dos enfermedades bien conocidas que afectan al control motor, la corea de Huntington y la enfermedad de Parkinson, hemos aprendido que los efectos de los núcleos basales sobre la actividad motora son, generalmente, inhibidores. La corea de Huntington es una enfermedad genética mortal, caracterizada, en sus fases más tempranas, por la pérdida de coordinación motora y la aparición de sacudidas y tics involuntarios exagerados en los miembros y la cara. La pérdida del control motor es progresiva, de tal modo que los pacientes terminan por estar postrados en la cama. Al mismo tiempo, la función cognitiva (la capacidad de pensar) también se reduce, progresando finalmente hasta una incapacidad total de las funciones mentales o demencia. El daño inicial de la corea de Huntington parece deteriorar la transmisión de información mediante vías que se proyectan desde los núcleos basales hasta el tálamo. Como el deterioro de estos estímulos hace que ciertos circuitos motores se vuelvan hiperactivos, se cree
que estas vías ejercen influencias principalmente inhibidoras sobre el control motor. La enfermedad de Parkinson, como la corea de Huntington, es un trastorno neurodegenerativo progresivo que afecta al control motor. Entre sus signos más característicos se encuentran temblores involuntarios en reposo, un modo de andar inclinado y arrastrando los pies, movimientos lentos y rígidos, y cierta dificultad para iniciar cualquier movimiento, que a menudo necesita una planificación cuidadosa y un gran esfuerzo. También puede darse cierto trastorno de la función cognitiva. Las disfunciones iniciales de la enfermedad de Parkinson parecen crear problemas de comunicación entre los distintos núcleos basales. En concreto, se sabe que la diana de la enfermedad son los cuerpos celulares de las neuronas dopaminérgicas en una zona del mesencéfalo denominada sustancia negra, dando como resultado una reducción en la liberación de dopamina en los núcleos a los que se proyectan estas células.
Test rápido 9.5 1. ¿Cuáles son las diferencias funcionales entre los sistemas piramidal y extrapiramidal para el control motor? 2. Describe brevemente el papel de cada una de las siguientes estructuras en el control motor: el cerebelo, los núcleos basales, los núcleos del tronco del encéfalo y el tálamo.
Función integrada del SNC: el lenguaje En comparación con el encéfalo de cualquier otra especie, el encéfalo humano es superior en su capacidad de manipular símbolos que utiliza para codificar pensamientos e ideas. Entre estos símbolos hay letras, palabras y sonidos que utilizamos para formular el lenguaje, el medio por el que comunicamos nuestros pensamientos e ideas a otros. Dada la importancia del lenguaje para los seres humanos, no es una sorpresa que nuestro encéfalo contenga áreas especializadas en esta capacidad. De hecho, dos áreas de la corteza de asociación, situadas en el hemisferio izquierdo en el 90-95% de la población, están dedicadas completamente al lenguaje: el área de Wernicke, situada en la parte posterior y superior del lóbulo temporal y el lóbulo parietal inferior, y el área de Broca, situada en el lóbulo frontal (v. fig. 9.14). El área de Wernicke está implicada en la comprensión del lenguaje, esto es, la capacidad para entenderlo. Aunque está cerca de la corteza auditiva, el área de Wernicke no influye sobre la capacidad de oír el lenguaje, sino sobre la de comprenderlo en sus muchas manifestaciones: en forma de sonido, palabras escritas o incluso señales de las manos, como las que se utilizan en el lenguaje de signos. Por el contrario, el área de Broca está implicada en la expresión del lenguaje, esto es, nuestra capacidad para hablar o escribir palabras. Aunque está situada cerca de la región de la corteza motora primaria que controla la boca, el área de Broca interviene en la formación de palabras orales o escritas con una sintaxis apropiada para su comprensión por otras personas. Hay otras áreas del encéfalo que también contribuyen al lenguaje. Los daños en las áreas de Wernicke o de Broca producen afasia, o disfunción del lenguaje, pero las características de la afasia difieren dependiendo de cuál sea el área dañada. Los daños en el área de Wernicke producen la afasia de Wernicke,
C A P Í T U LO 9
en la que una persona tiene dificultades para comprender el lenguaje, con independencia de si las palabras son habladas o escritas. Aunque una persona que sufra de afasia de Wernicke pueda articular palabras, estas carecen de sentido. Por el contrario, los daños en el área de Broca producen la afasia de Broca. En este caso, las personas afectadas comprenden el lenguaje y saben lo que quieren decir, pero no pueden producir los sonidos correctos o escribir las palabras correctas. Por tanto, si a una persona que padece afasia de Broca le preguntáramos: «¿Cómo estás?», él o ella intentaría contestar, pero su respuesta sería gramaticalmente incorrecta o vendría pronunciada entre tartamudeos o arrastrando las palabras. Por el contrario, una persona con afasia de Wernicke respondería con una frase fluida, pero carente de sentido, como podría ser: «Sol colegio ya ves». Como se ha dicho antes, las áreas de Wernicke y de Broca procesan el lenguaje de signos del mismo modo que el lenguaje hablado. Los daños en el área de Broca en el caso de personas sordas ocasionan un déficit en la capacidad de formar signos, mientras que los daños en el área de Wernicke les causan dificultades a la hora de interpretarlos.
Función integrada del SNC: el sueño Todos sabemos lo que es el sueño y pasamos aproximadamente un tercio de nuestras vidas durmiendo. No obstante, por qué lo hacemos no está tan claro y, aunque se ha estudiado mucho sobre el tema, se conoce poco acerca de cómo lo hacemos. En esta sección examinaremos lo que se conoce acerca de este fenómeno familiar y, sin embargo, misterioso.
Funciones del sueño El sueño es un proceso activo, en el sentido de que requiere energía; también es un proceso necesario para todos los mamíferos. El sueño se define como un estado cíclico en el que la actividad motora y la percepción son reducidas. Observa que la actividad es menor que en el estado de vigilia, pero no está ausente en absoluto. Se producen arranques ocasionales de actividad motora, por ejemplo, cuando una persona que está durmiendo cambia de posición en la cama. También hay percepción, porque una persona puede ser despertada por estímulos sensoriales, como el sonido o el tacto. Los investigadores han propuesto muchas teorías para explicar la utilidad biológica del sueño. Algunos creen que su función es principalmente reconstituyente, es decir, que aporta un tiempo de reposo que permite al organismo y al encéfalo recuperarse totalmente de su actividad diaria. Otros sugieren que el sueño nos permite conservar energía. Hay otros que piensan que el sueño puede haber evolucionado porque soñar es útil, al proporcionar, por ejemplo, una oportunidad para practicar y refinar mentalmente comportamientos adaptativos (escapar de los depredadores, por ejemplo) sin tener que realizarlos de verdad, lo cual nos situaría en una posición de peligro. Algunas evidencias sugieren que dormir y soñar pueden facilitar el almacenamiento de recuerdos a largo plazo. Otra posibilidad, la de que el sueño pueda ser necesario para mantener un adecuado funcionamiento del sistema inmunitario, está respaldada por el hecho de que los animales a los que se priva de sueño durante largos períodos a menudo contraen infecciones.
Sistema nervioso: sistema nervioso central
243
Gran parte de lo que sabemos del sueño y de sus efectos en el funcionamiento del encéfalo proviene de la encefalografía, una técnica que utiliza electrodos y que, mediante su colocación en el cuero cabelludo, registra la actividad eléctrica del encéfalo. Los registros de esta actividad, conocidos popularmente como ondas cerebrales, reciben el nombre de electroencefalogramas (EEG). Utilizando este método, los investigadores han identificado dos tipos de sueño diferentes: el sueño de ondas lentas (SOL), caracterizado por fases múltiples de ondas de baja frecuencia en el EEG, y el sueño REM, caracterizado por ondas de alta frecuencia en el EEG y episodios periódicos de movimiento ocular rápido (REM). En el SOL, también llamado sueño no-REM (o sueño NREM), existe tono muscular, pero reducido en comparación con el estado de vigilia. Los reflejos medulares siguen estando presentes y tienen lugar arranques ocasionales de actividad involuntaria cada 10-20 min. El sonambulismo suele ser más frecuente durante las fases de SOL más profundas que durante las fases más ligeras del sueño SOL o en el sueño REM. La actividad disminuye en la mayor parte de las regiones cerebrales, pero la actividad en el sistema nervioso parasimpático y en ciertas estructuras del tronco del encéfalo aumenta. Durante el SOL, una persona puede tener pensamientos recurrentes y soñar, pero los sueños son escasos y tanto los pensamientos como los sueños tienden a ser más lógicos y menos emocionales que los que tienen lugar durante el sueño REM. También puede haber ronquidos durante el SOL. En el sueño REM, los músculos posturales pierden su tono y se paralizan. Sin embargo, los músculos que controlan la cara, los globos oculares y los miembros distales suelen moverse o incluso temblar. Los músculos de la mandíbula se relajan, haciendo que la boca se abra con frecuencia. Si hay ronquidos durante el SOL, en la fase REM se detienen. En comparación con el SOL, hay un aumento general de la actividad cerebral, excepto en ciertas áreas del tronco del encéfalo, en las que la actividad disminuye. La respiración se suele hacer más rápida y variable. Aumenta la actividad del sistema nervioso simpático, incrementando la presión arterial y el ritmo cardíaco. La pérdida de control sobre la temperatura corporal hace que esta fluctúe más según la temperatura ambiental. Los sueños y los pensamientos en la fase REM son más elaborados e intensos, así como más extraños y narrativos, que en la SOL. Las pesadillas tienen lugar durante el sueño REM. Los niños sufren pesadillas con mayor probabilidad que los adultos, aunque algunos adultos las padecen frecuentemente (v. «Conexiones clínicas: Trastorno por estrés postraumático»). La tabla 9.4 resume las diferencias entre el sueño SOL y el sueño REM. En comparación con el sueño, la anestesia y el coma son estados de menor actividad en el sistema nervioso central. Mientras que una persona puede despertar de un estado de sueño, no puede hacerlo de un estado de anestesia o de coma.
Ciclos sueño-vigilia El cuerpo humano alterna períodos de vigilia con períodos de sueño, normalmente completando un ciclo sueño-vigilia entero en un período de 24 h. Otras funciones del organismo, como la temperatura corporal, también varían con el ciclo sueño-vigilia (fig. 9.24). Aunque se suele decir que el tiempo diario medio que dedicamos al sueño es de 8 h para los adultos, la realidad es que el ciclo varía con la edad. Los bebés y los niños pequeños tienden a dormir unas 17 h al día, mientras que los adolescentes
C A P Í T U LO 9 Ciclo sueño-vigilia
244
Sistema nervioso: sistema nervioso central
Vigilia
Sueño
Temperatura corporal
37°C
36°C
6 a.m.
10 p.m.
6 a.m.
10 p.m.
Tiempo
FIGURA 9.24 Fluctuaciones en la temperatura corporal durante el ciclo de sueño-vigilia. La temperatura corporal es aproximadamente 1 °C mayor en el estado de vigilia que cuando una persona duerme.
suelen pasar unas 9 h durmiendo. Los adultos dedican menos tiempo a dormir a medida que envejecen, y algunos necesitan solamente 5 h de sueño al día. ¿Qué es lo que hace que nuestro organismo se mueva entre estos niveles distintos de conciencia? Aunque se desconoce la respuesta exacta a esta pregunta, ciertas áreas del encéfalo parecen estar implicadas en la regulación del sueño y de la vigilia. Una de estas áreas es la formación reticular del tronco del encéfalo, una red difusa de núcleos que forman el sistema de activación reticular ascendente (SARA); figura 9.25. Esta área es crítica en el mantenimiento de la vigilia alerta. Los estímulos del SARA se proyectan en la corteza a través de conexiones en el tálamo, el hipotálamo y el prosencéfalo, y «despiertan» la corteza, haciéndola más receptiva a las señales procedentes de otras vías. Entre los neurotransmisores asociados al SARA y, por tanto al estado de vigilia, se encuentran la acetilcolina, la noradrenalina y la dopamina. La nicotina, una droga que se une a los receptores colinérgicos nicotínicos, imita el papel de la acetilcolina en el estado de vigilia-alerta; del mismo modo, drogas como las anfetaminas y la cocaína imitan la función de las catecolaminas. En otra área implicada en mantener despierto al encéfalo, el hipotálamo, los neurotransmisores incluyen la histamina y la orexina. El papel de la histamina en el mantenimiento del estado de vigilia es evidente cuando una persona toma antihistamínicos, lo que le produce somnolencia. La orexina es un péptido de reciente descubrimiento cuyas acciones relacionadas con la vigilia están siendo exploradas por empresas farmacéuticas para
desarrollar fármacos que ayuden a que las personas se mantengan despiertas. Otras áreas del encéfalo están implicadas en la inducción del sueño. El SOL está inducido por el prosencéfalo. Investigaciones
Mesencéfalo Protuberancia Formación reticular
Bulbo raquídeo
FIGURA 9.25 Sistema de activación reticular ascendente. El sistema de activación reticular ascendente es parte de la formación reticular, una red difusa de neuronas esparcidas por el área del tronco del encéfalo que aparece marcada en el dibujo. Las flechas indican la propagación de la excitación que «estimula» a la corteza.
TABLA 9.4 Características del sueño de ondas lentas y del sueño REM Sueño de ondas lentas
Sueño REM
EEG
Lento, de amplitud media a alta
Rápido; de amplitud baja
Movimiento
Tono muscular moderado; algún movimiento, como en el cambio de postura
Poco tono; no hay movimiento (parálisis) de los músculos posturales, temblores de los músculos distales
Ritmos cardíaco y respiratorio
Reducidos en comparación con los períodos de reposo durante la vigilia
Incrementados en comparación con los períodos de reposo durante la vigilia
Sueños
Infrecuentes, lógicos, no detallados
Frecuentes, vívidos, ilógicos
Movimientos oculares rápidos
Infrecuentes
Frecuentes
Sitio de inducción en el SNC
Prosencéfalo
Protuberancia
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central
245
CONEXIONES CLÍNICAS
Trastorno por estrés postraumático Cuando una persona está sometida a una circunstancia estresante, se activa el eje hipotálamo-hipófisis-suprarrenal, causando una liberación de cortisol y activando el sistema nervioso autónomo. El estrés se define como una tensión o presión sobre el organismo y adopta muchas formas, como ejercicio, cambios en el entorno, enfermedad, heridas o miedo. El cortisol ayuda al organismo a ajustarse al estrés, movilizando los almacenes de energía, aun a expensas de degradar las proteínas celulares en aminoácidos. El sistema nervioso autónomo ayuda durante la adaptación inmediata al estrés, aumentando el flujo de sangre a los músculos y al corazón, y movilizando los almacenes de energía. Aunque nuestro organismo está bien equipado para enfrentarse al estrés diario de la vida, el estrés crónico o traumático puede tener efectos devastadores a largo plazo en el sistema nervioso central. Aparece un trastorno por estrés postraumático (TEPT) cuando el organismo resulta traumatizado por una experiencia horrenda, como puede ser servir en el ejército durante una guerra, sufrir un desastre
natural, ser testigo de un crimen o ser víctima de una agresión sexual. A aproximadamente el 30% de los veteranos de la Guerra de Vietnam y el 8% de los veteranos de la Guerra del Golfo se les ha diagnosticado un TEPT. Después de los ataques del 11-S en los edificios de las Torres Gemelas y del Pentágono, el diagnóstico de TEPT aumentó un 55% en todo el país y aproximadamente un 100% en la ciudad de Nueva York. En general, más de 5 millones de estadounidenses sufren TEPT. El TEPT no se reconoció como un trastorno del encéfalo hasta 1980. A diferencia de los diagnósticos sintomáticos de la mayoría de trastornos, el diagnóstico del TEPT depende de la causa (exposición a un hecho traumático), así como de los síntomas. Entre los efectos fisiológicos se encuentran una mayor sensibilidad del sistema nervioso simpático, ansiedad y trastornos del sueño (incluyendo pesadillas recurrentes). Entre los efectos psicológicos se pueden citar un adormecimiento de las emociones, la experimentación repetitiva del hecho traumático y la elusión (fobias) de los recuerdos del hecho traumático. El TEPT se
recientes sugieren que la adenosina es un neurotransmisor crítico para la inducción del SOL. Una de las teorías actuales sobre los efectos estimulantes de la cafeína sugiere que esta bloquea los receptores de adenosina, inhibiendo con ello el sueño. Por el contrario, el sueño REM está inducido por la actividad que se origina en la protuberancia y se asocia con la liberación de acetilcolina. Los mecanismos precisos de inducción del sueño o los de mantenimiento del estado de vigilia no se conocen en su totalidad.
Actividad eléctrica durante la vigilia y el sueño Cuando estamos despiertos y alerta, un EEG muestra un patrón de oscilaciones de alta frecuencia y baja amplitud conocido como ondas beta, que reflejan las señales eléctricas generadas por un gran número de neuronas en diferentes momentos (fig. 9.26a). Cuando estamos despiertos, pero en reposo, el EEG cambia a un nuevo patrón de ondas de baja frecuencia y mayor amplitud conocido como ondas alfa (fig. 9.26b). En comparación con las ondas beta, las ondas alfa reflejan un mayor grado de sincronización de la actividad eléctrica entre las neuronas, esto es, las señales eléctricas se generan en grandes grupos de neuronas más o menos a la vez. Este cambio en el patrón del
asocia con menores niveles de serotonina en el encéfalo, por lo que se trata con inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina (ISRS), como la paroxetina y la sertralina.
El estrés experimentado por los soldados puede motivar un trastorno por estrés postraumático.
EEG podría compararse con los cambios en el ruido de la multitud en un estadio. Cuando grandes cantidades de personas están hablando en momentos diferentes (actividad no sincronizada, similar a las ondas beta), el sonido general es un barullo casi constante, siendo difícil distinguir patrones o palabras. Cuando la multitud empieza a cantar al unísono (actividad sincronizada, similar a las ondas alfa), el sonido se produce en una serie de ondas distinguibles que se pueden reconocer como palabras. El SOL ocurre en cuatro fases sucesivas que se pueden distinguir por cambios tanto en el EEG como en el umbral de excitación (que es la fuerza que debe tener el estímulo para despertar a un durmiente). La fase 1 del SOL tiene el umbral de excitación más bajo, mientras que la fase 4 tiene el más alto. En otras palabras, el sueño es «más ligero» en la fase 1 y «más profundo» en la fase 4. El sueño de la fase 1 es característico del período de somnolencia o «amodorramiento» que hay entre cuando se está dormido y cuando se está despierto. El sueño de la fase 2 es un sueño ligero, el de la fase 3 es moderado y el de la fase 4 es profundo. Las fases 1-4 muestran aumentos sucesivos en el grado de sincronización del EEG, siendo las ondas de la fase 4 las de mayor amplitud y menor frecuencia, indicando un alto grado de sincronización (fig. 9.26c-e). Los complejos K que se aprecian en la
246
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central REM
150
REM
REM
REM
(a)
Vigilia (alerta)
V
Ondas beta Vigilia
0
REM Fase 1 SOL
–150 150 (b)
Vigilia (reposo)
V
Ondas alfa 0
Fase 2 Fase 3 Fase 4
–150
Fase 2 Sueño
V
(c)
Ritmo cardíaco
80
150
Complejo K
0
–150
(d)
Fase 3 Sueño
V
150
1
5
6
7
pasa a través de las diferentes fases de sueño. Inicialmente, la persona progresa de la fase 1 del SOL a la fase 4 del SOL, después vuelve al sueño REM. A medida que continúa el período de sueño, el sueño REM se vuelve más largo y más frecuente. El panel inferior muestra los cambios que tienen lugar en el ritmo cardíaco durante el sueño. Observa que cuando una persona entra en el sueño REM, su ritmo cardíaco aumenta hasta alcanzar casi los niveles del estado de vigilia.
V
Ondas delta
0
V
150 REM Sueño
3 4 Tiempo (h)
FIGURA 9.27 Fases del sueño. Durante las 8 h de sueño, una persona
–150
(f)
2
0
150 Fase 4 Sueño
60
Ondas delta
–150
(e)
70
0
–150
0
4
8 12 Tiempo (s)
16
20
FIGURA 9.26 Registros del EEG durante la vigilia y el sueño. Estos gráficos son muestras de 20 s de duración de un EEG que se grabó a una mujer de 21 años. La amplitud de las grabaciones del EEG se mide en microvoltios (MV) y las frecuencias, en hercios (Hz). (a) El EEG de vigilia se caracteriza por ondas de alta frecuencia y de baja amplitud. (b) Durante la vigilia en reposo, aparecen las ondas alfa de 8-12 Hz en el EEG. (c) El EEG durante la fase 2 del sueño se caracteriza por complejos K de gran amplitud (que se aprecian aquí a 3 y 14 s) y husos sigma (o husos de sueño) (ondas de 12 a 15 Hz que se ven aquí a 6, 10 y 12 s). (d, e) Ondas delta de gran amplitud (0,3-3 Hz) están presentes en la fase 3 del sueño y ocupan todo el período de 20 s en la muestra de la fase 4 del sueño. (f) La amplitud del EEG disminuye y la frecuencia aumenta en el sueño REM. (Datos proporcionados por cortesía de I.G. Campbell, University of California, Davis.)
P ¿Durante qué fase del sueño está más sincronizada la actividad del encéfalo? figura 9.26c representan husos sigma (o husos de sueño), que son arranques periódicos de actividad sincronizada que tienen lugar en la corteza y el tálamo. Los husos de sueño suelen ocurrir durante las fases 2 y 3 del sueño. Durante el sueño REM, el EEG muestra un patrón completamente diferente (fig. 9.26f). En vez de ondas lentas de gran amplitud, contiene ondas rápidas de baja amplitud que recuer-
dan a las del estado de vigilia alerta. El umbral de excitación es mayor durante el sueño REM que en cualquier otro momento, pero es más probable que una persona se despierte espontáneamente durante el sueño REM que en las otras fases. Debido a este hecho sorprendente, a menudo se hace referencia al sueño REM llamándolo sueño paradójico. Durante una noche típica, una persona atraviesa las diversas fases del sueño de una manera bastante ordenada y predecible (fig. 9.27). Cuando nos empezamos a dormir, entramos en la fase 1 del SOL. A partir de ahí, se pasa a las fases 2-4 por orden. Alrededor de 1 h después de haber empezado a dormir, pasamos por estas fases en orden inverso, para después entrar en nuestro primer período de sueño REM. A intervalos de unos 90 min, este patrón se repite varias veces, excepto por el hecho de que tendemos a pasar menos tiempo en las fases más profundas del SOL y más tiempo en el sueño REM a medida que continuamos durmiendo. Observa en la figura 9.27 que los períodos de sueño REM duran más y ocurren a menores intervalos de tiempo conforme seguimos durmiendo. Según esto, cuando hay despertares espontáneos, ocurren con mayor frecuencia en las últimas horas de sueño que en las primeras. Como norma, solemos recordar solamente aquellos sueños que hayamos tenido inmediatamente antes de despertar. Como es más probable que esto ocurra durante el sueño REM, con mayor probabilidad recordaremos sueños de tipo REM.
Test rápido 9.6 1. ¿Qué es la electroencefalografía y por qué es útil en el estudio del sueño?
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Sistema nervioso: sistema nervioso central
247
Memoria Estímulos sensoriales
Corteza (áreas de asociación)
Sistema límbico
Hipotálamo
Tronco del encéfalo
Pensamientos EMOCIÓN Emoción percibida
Corteza (áreas de asociación)
Corteza (motora)
FIGURA 9.28 Estructuras del SNC implicadas en las emociones. Varias estructuras del encéfalo están implicadas en la producción de emociones, tanto en los «sentimientos» como en las respuestas asociadas a ellos. Las áreas de asociación cortical integran pensamientos, memoria e información sensorial, y se comunican con el sistema límbico. Este «crea» la emoción, pero no somos conscientes de ella hasta que se transmite de
2. ¿Qué tipos de cambios se observan en el EEG a medida que una persona progresa de la fase 1 a la fase 4 del SOL? 3. ¿Qué es el sistema de activación reticular ascendente y cómo se cree que funciona en la regulación del ciclo sueño-vigilia?
Función integrada del SNC: las emociones y la motivación Sabemos cómo nos sentimos en este momento. Puede ser que estemos enfadados porque nuestro compañero de habitación está haciendo demasiado ruido mientras intentamos estudiar o bien puede ser que estemos emocionados por todo lo que estamos aprendiendo sobre fisiología. Las emociones son muy subjetivas; son diferentes en personas que se enfrentan a circunstancias idénticas y también varían cuando la misma persona se enfrenta al mismo conjunto de hechos, pero estos ocurren bajo circunstancias diferentes. Por ejemplo, lo que sentimos cuando nuestro compañero de habitación saca un sobresaliente en un examen depende de nuestras circunstancias. Si también estamos sacando buenas notas, seguramente nos alegraremos; si hemos sacado una nota baja, tendremos celos. Como las emociones son tan variadas, es difícil definirlas y comprenderlas. En las emociones están implicadas diversas áreas del encéfalo, como la corteza cerebral, el sistema límbico y el hipotálamo (fig. 9.28). Las emociones suelen ser desencadenadas por estímulos sensoriales o por recuerdos. En la «respuesta emocional» hay cambios autónomos (en el ritmo cardíaco, la digestión, etc.), motores y hormonales. Actualmente, muchas teorías hacen referencia al papel que desempeña el encéfalo en las emociones, pero hay muy pocas evidencias que apoyen una sola de ellas. Sin embargo, sí parece que en las distintas emociones intervienen diversas vías neurales. Por ejemplo, las amígdalas son críticas en los sentimientos de miedo y ansiedad; por el contrario, el hipotálamo se asocia con la ira y la agresión, aunque otras estructuras (incluyendo las amígdalas y el mesencéfalo) también están implicadas en estas emociones. También los hemisferios izquierdo y derecho parecen desempeñar diversas funciones en las emociones: el hemisferio izquierdo está más estrechamente aso-
Cambios hormonales
Respuestas autónomas Respuestas motoras
nuevo hacia la corteza para su percepción. Mientras tanto, el sistema límbico también comunica la emoción al hipotálamo, que es responsable de las respuestas del organismo a la emoción, incluyendo los cambios hormonales (p. ej., la liberación de adrenalina), las respuestas motoras (p. ej., fruncir el ceño) y la respuestas autónomas (p. ej., los cambios en el ritmo cardíaco).
ciado con las emociones positivas, mientras que el hemisferio derecho lo está con las emociones negativas. Un impulso muy cercano a las emociones es la motivación, que impulsa nuestras acciones. Las motivaciones pueden ser puramente fisiológicas, esto es, pueden surgir simplemente porque no se esté satisfaciendo una necesidad corporal. Por ejemplo, comemos porque tenemos hambre, y tenemos hambre porque nuestro organismo carece de ciertos nutrientes. Las motivaciones también pueden verse impulsadas por emociones que se ponen de manifiesto en ausencia de cualquier impulso fisiológico evidente. Por ejemplo, el motivo por el que algunas personas consumen helados cuando se sienten tristes, a pesar de que no tengan hambre, es que el hecho de comer un helado aporta un placer que puede anular la tristeza. El placer es una emoción que motiva mucho. El encéfalo contiene unos «centros del placer» que pueden ser activados por muchos estímulos diferentes. Por ejemplo, la euforia que se apodera de las personas que consumen alcohol, opioides, anfetaminas o nicotina puede deberse a las acciones que estas sustancias ejercen en los centros del placer. Se cree que todas estas sustancias producen euforia porque activan los sistemas dopaminérgicos de los ganglios basales, que después se proyectan al sistema límbico. Se piensa que el objetivo de estos sistemas es «premiar» los comportamientos saludables, como el de buscar alimento y agua para satisfacer las necesidades del organismo. La motivación provocada por estas sustancias es tan fuerte que los animales, incluyendo las personas, pueden desarrollar adicciones a ellos. A veces estas adicciones anulan otras motivaciones, incluso las asociadas a las necesidades corporales. Por ejemplo, se sabe de animales adictos que han muerto de inanición porque rechazaban la ingesta de alimentos en favor de otros estímulos más placenteros.
Función integrada del SNC: el aprendizaje y la memoria Mientras que el aprendizaje es la adquisición de nueva información o de nuevas habilidades, la memoria es la retención de información, habilidades o pensamientos. Aprender es una par-
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Sistema nervioso: sistema nervioso central
te importante de la vida; lo hacemos muchas veces cada día. De hecho, cada nueva experiencia es una oportunidad para aprender. Sin embargo, solo una parte de lo que experimentamos se graba en la memoria de forma que podamos recordarlo en algún otro momento. Si fuéramos capaces de almacenar y recuperar todo lo que experimentamos, entonces la vida sería mucho más fácil: nunca tendríamos que estudiar para los exámenes ni estudiar un mapa de carreteras por segunda vez. El aprendizaje y la memoria están estrechamente vinculados, como lo están las áreas del encéfalo implicadas en estas capacidades.
Aprendizaje Aunque el aprendizaje tiene una definición sencilla, hace tiempo que los psicólogos han reconocido varias formas de aprendizaje que pueden ser clasificadas en dos tipos principales: el aprendizaje asociativo y el aprendizaje no asociativo. El aprendizaje asociativo es el tipo de aprendizaje que requiere el establecimiento de conexiones entre dos o más estímulos. El reflejo de salivación de los perros de Pavlov es un ejemplo de aprendizaje asociativo, en el que los perros aprendían a «asociar» el sonido del timbre con la llegada de alimento. Si tuviéramos que enseñar a una hermana menor que no debe tocar algo que está caliente, es muy probable que no nos prestara atención al decírselo nosotros; sin embargo, si ella tocara una plancha caliente, el dolor que sentiría al quemarse le enseñaría que no debe volver a hacerlo. En este caso, ella habría aprendido dos lecciones asociativas: no tocar algo caliente porque le dolerá y hacer caso de las palabras de su hermano o hermana cuando te dice que haga o no haga algo. Utilizar reglas nemotécnicas en clase para memorizar un grupo de palabras es otro ejemplo de aprendizaje asociativo. El aprendizaje no asociativo se da en respuesta a la repetición de un solo estímulo (o estímulos parecidos), y en él estarían incluidos los procesos de habituación y sensibilización. La habituación es una disminución en la respuesta a un estímulo repetitivo. Por ejemplo, si los vecinos estuvieran de reformas y unos obreros empezaran a pegar martillazos al otro lado de una de las paredes de nuestra habitación mientras estuviéramos estudiando, al principio nos distraerían tanto que no podríamos estudiar. Sin embargo, a medida que el ruido persistiera, es probable que nos acabáramos acostumbrando y que consiguiéramos estudiar, aunque las condiciones no fueran ideales. En este caso, nuestro encéfalo se habría habituado a un estímulo repetitivo. Por el contrario, la sensibilización es un aumento en la respuesta a un estímulo repetitivo. Si cuando éramos pequeños nuestra madre nos forzó a comer algo que no nos gustaba, el primer bocado puede habernos parecido desagradable, pero cada bocado adicional nos habría parecido de peor sabor. En este caso, nos hemos sensibilizado al sabor. El que nos sensibilicemos o nos habituemos a estímulos repetitivos depende de las circunstancias. Si percibimos que un estímulo es importante (como puede serlo una señal de peligro inminente), tenderemos a sensibilizarnos; si consideramos que el estímulo no tiene importancia, tenderemos a habituarnos a él.
Memoria Hemos visto cómo una hermana menor ha aprendido a asociar las cosas calientes con el dolor, pero ahora queremos que recuerde esa lección para que no se queme cada vez. Para hacerlo, la información que ha aprendido debe ser grabada en la memoria. Igual que hay dos tipos de aprendizaje, también hay dos tipos de memoria: la memoria procedimental y la memoria declarativa.
La memoria procedimental (o implícita) es la memoria del aprendizaje de habilidades o destrezas motoras y de comportamientos. Recordemos la primera vez que intentamos tocar un instrumento musical o practicar un deporte. Al principio, el aprendizaje era difícil; cada movimiento tenía que ser planificado cuidadosamente. Pero ahora ya lo dominamos, porque hemos aprendido y memorizado cada destreza. El tipo de memoria a la que nos referimos cuando decimos de algo «es como montar en bicicleta, nunca lo olvidas» es la memoria procedimental. Este tipo de memoria comprende varias áreas del encéfalo, como el cerebelo, los núcleos basales y la protuberancia. La memoria declarativa (o memoria explícita) es la memoria de las experiencias aprendidas, como los hechos y otras cosas que pueden expresarse verbalmente («declararse»). Podemos afirmar que las tres primeras letras del alfabeto son A, B y C (memoria declarativa), pero no podemos expresar los recuerdos que utilizamos cuando montamos en bicicleta (memoria procedimental). La capacidad de recordar y explicar lo que genera los potenciales de acción es un ejemplo de memoria declarativa. Recordar nuestro cumpleaños y el aniversario de boda de nuestros padres son otros ejemplos. La memoria declarativa está más estrechamente asociada con el uso cotidiano de la palabra «memoria». Este tipo de memoria implica al hipocampo. La memoria tiene lugar a dos niveles, memoria a corto plazo y memoria a largo plazo. En el modelo actual de procesamiento y almacenamiento de la información en la memoria, la información de entrada entra primero en el SNC y es almacenada como memoria a corto plazo (también llamada memoria de trabajo), que es un almacenamiento temporal que solo dura unos pocos segundos o minutos. Hay poco espacio disponible para la memoria a corto plazo y la información en ella colocada se perdería si no se consolidara en la memoria a largo plazo, que puede durar años o toda una vida. Los mecanismos de consolidación no se conocen en su totalidad, pero la repetición parece ayudar (puede que nuestra hermana pequeña no se crea que cada vez que toque algo caliente se va a quemar hasta que toque objetos calientes varias veces), como lo hace la asociación. Tendemos a recordar cosas que podemos asociar con objetos, personas o hechos importantes para nosotros. Memorizar el número de teléfono de un amigo es mucho más fácil que memorizar una secuencia de siete números aleatorios. La mayoría de personas casadas recuerdan la fecha de su boda, aunque solo haya ocurrido una vez. El procesamiento de recuerdos es complejo e implica varias, si no todas, las áreas del encéfalo. El lóbulo frontal es crítico para la memoria a corto plazo, y el lóbulo temporal, incluyendo el hipocampo, es necesario para la memoria a largo plazo. Sin embargo, casi todo el sistema nervioso central puede cambiar con las experiencias, y estos cambios desempeñan un papel en el aprendizaje y en la memoria, como se describe a continuación.
Plasticidad del sistema nervioso El aprendizaje y la memoria se pueden dar porque el sistema nervioso está dotado de plasticidad, que es la capacidad limitada de modificar su anatomía y su funcionamiento como respuesta a cambios en sus patrones de actividad. Esta plasticidad se deriva tanto del hecho de que el funcionamiento de las sinapsis existentes puede modificarse por largos períodos de tiempo (horas o días), como del hecho de que se pueden desarrollar nuevas conexiones sinápticas. Estudios recientes muestran que nuestro encéfalo produce neuronas nuevas en las áreas implicadas en la memoria.
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Célula presináptica
Glutamato
Ca2+ Receptor AMPA
Mg2+ Na+
Mg2+ Receptor NMDA
PO4 Célula postsináptica
Despolarización
Paracrina Na+
Mayor despolarización Proteína cinasa 1
(a) Bajos niveles de actividad en la célula presináptica
Ca2+
Segundo mensajero
Proteína cinasa 2
(b) Altos niveles de actividad en la célula presináptica
FIGURA 9.29 Mecanismo de potenciación a largo plazo. La estimulación repetitiva de una sinapsis aumenta la probabilidad de que el estímulo sináptico produzca un potencial de acción. (a) A bajos niveles de actividad en la célula presináptica, el glutamato liberado de esa célula se une a los dos tipos de receptores, pero la presencia de magnesio en el receptor NMDA evita un flujo de calcio hacia el interior; el efecto neto es una despolarización de la célula postsináptica. (b) A altos niveles de actividad en la célula presináptica, un aumento en la liberación de glutamato permite que entre más sodio a la célula postsináptica, produciendo una mayor despolarización, que fuerza al magnesio a salir del canal del receptor NMDA. El aumento
resultante del flujo de calcio hacia el interior activa las proteínas cinasas. Una proteína cinasa actúa sobre el canal de sodio, haciéndolo más sensible al glutamato; una segunda proteína cinasa desencadena la producción de una paracrina, que hace que la célula presináptica produzca más glutamato. El efecto neto de que haya mayor cantidad de glutamato actuando sobre una célula postsináptica más sensible es una despolarización prolongada.
Un ejemplo de plasticidad del sistema nervioso es la potenciación a largo plazo (PLP), que en los mamíferos fue descubierta por primera vez en el hipocampo y que se da en las sinapsis preexistentes. En la PLP, la estimulación repetitiva de una sinapsis concreta motiva, finalmente, un aumento en la fuerza de esa conexión sináptica, esto es, la repetición aumenta la probabilidad de que el estímulo sináptico sea capaz de desencadenar un potencial de acción en la célula postsináptica (suponiendo que la sinapsis sea excitadora). Tales aumentos en la fuerza de las sinapsis ocurren debido a un aumento en el tamaño de los potenciales postsinápticos excitadores (PPSE) generados en la célula postsináptica. Un aumento en la fuerza sináptica puede deberse a un aumento en la sensibilidad de la célula postsináptica al neurotransmisor liberado en esa sinapsis, a un aumento en la cantidad de neurotransmisor liberado por la célula presináptica con cada potencial de acción, o a ambos. Se cree que la PLP es importante en la consolidación de la memoria a largo plazo, porque proporciona un mecanismo por el cual la actividad repetitiva en vías neurales concretas, como ocurriría en la repetición de un hecho aprendido, puede dejar un «registro» más o menos permanente de sí misma una vez que haya cesado.
En la figura 9.29 se ilustra un mecanismo de potenciación a largo plazo. En este ejemplo, la célula presináptica libera el neurotransmisor excitador glutamato. La célula postsináptica tiene dos tipos de receptores para el glutamato: receptores AMPA (ácido A-amino-3-hidroxi-5-metil-isoxazol-propiónico) y receptores NMDA (N-metil D-aspartato). NMDA y AMPA son agonistas del glutamato que se unen a los receptores del glutamato. Cuando el glutamato se une a los receptores NMDA, se abren los canales de calcio; cuando se une a los receptores AMPA, se abren los canales de sodio. Cuando la célula presináptica libera glutamato, este se une a ambos tipos de receptores. La concentración de glutamato en la hendidura sináptica depende de la frecuencia de los potenciales de acción en la célula presináptica. Cuando en la hendidura sináptica hay niveles de glutamato bajos a moderados (fig. 9.29a), se abren algunos canales de sodio dependientes del receptor AMPA y el sodio difunde hacia el interior de la célula, causando una despolarización. Algunos canales de calcio dependientes del receptor NMDA también se abren, pero el calcio no puede atravesarlos, porque están bloqueados por iones magnesio. El resultado final es un PPSE que puede llegar al umbral de un potencial de acción o no.
P ¿Qué desencadena la exocitosis del glutamato?
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COMPRENDER EL E JERCICIO
¿Puede el ejercicio afectar al encéfalo? La realización de actividades físicas, como el ejercicio, necesita claramente del encéfalo. No podemos correr, lanzar cosas, recogerlas o levantarlas sin enviar señales neurales a nuestros músculos esqueléticos para que se contraigan en el momento exacto o con la fuerza adecuada. El ejercicio también es beneficioso para el organismo de muchas maneras. El ejercicio aeróbico (de intensidad baja a moderada que depende de un suministro adecuado de oxígeno a los músculos) mejora el metabolismo de todo el organismo, el peso corporal y el funcionamiento cardiovascular, por citar solo unos cuantos ejemplos. Pero ¿qué pasa con el encéfalo? ¿Puede el ejercicio ser beneficioso para el encéfalo? Algunos estudios recientes sugieren que la respuesta es afirmativa. Por ejemplo, el ejercicio aeróbico en personas de edad avanzada puede mejorar las funciones cognitivas e incluso retrasar el desarrollo de la demencia en pacientes con enfermedad de Alzheimer. El ejercicio también parece aliviar trastornos del
estado de ánimo, como la depresión, tanto en adultos como en ancianos. ¿Cómo logra el ejercicio todo esto? Se están desarrollando varias teorías, pero los investigadores no conocen la respuesta con certeza. Una teoría sugiere que el funcionamiento del encéfalo se ve mejorado simplemente porque el ejercicio aumenta la salud cardiovascular. Un flujo de sangre al encéfalo más eficiente puede aumentar la actividad cerebral y disminuir el deterioro cerebral que se produce con la edad. Varios estudios han mostrado que los cambios en el funcionamiento cerebral debidos a la práctica del ejercicio ocurren al mismo tiempo que las mejoras en el funcionamiento cardiovascular. Otros estudios sugieren que el ejercicio aumenta la actividad metabólica del encéfalo, mejorando así su funcionamiento. De hecho, el aumento del metabolismo de todo el cuerpo debido a la práctica habitual de ejercicio está asociado con cambios en la actividad cerebral. Concretamente, la activación de una enzima
Cuando la frecuencia del potencial de acción aumenta en la célula presináptica, se liberan grandes cantidades de glutamato (fig. 9.29b), lo que produce una despolarización mayor de la célula postsináptica. La fuerte despolarización ejerce una fuerza repulsiva en los iones de magnesio que los fuerza a salir de los canales del receptor NMDA. Habiendo salido los iones de magnesio y con los canales abiertos, el calcio puede fluir hacia el interior de la célula postsináptica, elevando la concentración de calcio en el citosol y desencadenando la activación de otros segundos mensajeros que activan las proteína cinasas. Estas proteínas cinasas fosforilan varias proteínas que potencian la comunicación en la sinapsis en dos sentidos: los canales del receptor AMPA se vuelven más sensibles al glutamato y la célula postsináptica produce una paracrina que hace que la célula presináptica libere más glutamato. El resultado neto son PPSE más grandes y más prolongados, lo que aumenta la probabilidad de que los potenciales de acción sean generados como respuesta a señales que se transmiten en esa sinapsis. Aunque la plasticidad del encéfalo es mayor en edades tempranas, continúa a lo largo de toda la vida. Por ello podemos enseñar a un perro viejo un truco nuevo. Estudios recientes sugieren que el ejercicio puede mejorar el funcionamiento del encéfalo, como se describe en «Comprender el ejercicio: ¿Puede el ejercicio afectar al encéfalo?»
hipotalámica, la proteína cinasa dependiente de AMP (AMPK), aumenta el metabolismo de todo el cuerpo. También se producen otros tipos de cambios metabólicos en el encéfalo; por ejemplo, el ejercicio induce cambios metabólicos en el hipocampo, un área crítica para la memoria. Aunque estos estudios están en sus etapas tempranas, son prometedores a la hora de explicar el vínculo entre encéfalo y ejercicio. Algunos han demostrado que varias proteínas se expresan en mayor nivel en el hipocampo de las ratas o los ratones que hacen ejercicio en comparación con el de animales que no lo practican. Dado que algunas de estas proteínas están implicadas en la comunicación sináptica, puede que desempeñen una función crítica en la mejora de la memoria. Aunque aún faltan años para sacar conclusiones definitivas sobre los beneficios neurales derivados de la práctica de ejercicio, es emocionante considerar que el ejercicio pueda ayudarnos a mantener no solo la salud corporal, sino también la salud mental.
Test rápido 9.7 1. ¿Qué emoción motiva la adicción? ¿Qué neurotransmisor es crítico en el desarrollo de la adicción a las drogas? 2. Cuando entrenamos a un perro para que se siente premiándolo con comida cada vez que obedece una orden, ¿se trata de un aprendizaje asociativo o no asociativo?
Integración de sistemas El sistema nervioso central interactúa con cada sistema de órganos del cuerpo. A medida que estudiemos el resto de sistemas de órganos, aprenderemos cosas acerca del control neural del ritmo cardíaco, la presión arterial, la respiración, la micción, la digestión, la absorción, el metabolismo, la función inmunológica, la reproducción y mucho más. Además de regular los diversos sistemas de órganos para mantener la homeostasis, el sistema nervioso nos permite provocar comportamientos para obtener placer (como jugar) o para satisfacer necesidades (como trabajar). La mayor parte de lo que hace nuestro organismo está asociado, directa o indirectamente, con la actividad neural.
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RESUMEN DEL CAPÍTULO Anatomía general del sistema nervioso central, pág. 216 El sistema nervioso central (SNC) comprende el encéfalo y la médula espinal. El tejido del SNC está organizado en sustancia gris y sustancia blanca. La sustancia gris está compuesta, principalmente, por cuerpos celulares, dendritas y axones terminales; la sustancia blanca está compuesta, principalmente, por axones mielinizados. La neuroglia también está situada en el SNC. El SNC está protegido por varias estructuras, como el cráneo y la columna vertebral, las meninges (duramadre, aracnoides y piamadre) y la barrera hematoencefálica. También el líquido cefalorraquídeo proporciona protección y amortiguación.
Médula espinal, pág. 224 De la médula espinal salen 31 pares de nervios raquídeos, un par a cada nivel vertebral. Todos los nervios raquídeos son nervios mixtos, porque contienen tanto axones aferentes como eferentes. La sustancia blanca de la médula espinal contiene vías ascendentes y descendentes que transportan información desde y hacia el encéfalo, respectivamente. La sustancia gris está dividida en las astas ventral y dorsal; los cuerpos celulares y las dendritas de las eferentes están situados en el asta ventral, los axones terminales de las aferentes están situados en el asta dorsal, y hay pequeñas interneuronas dispersas por todo el espacio.
Encéfalo, pág. 229 El encéfalo tiene tres partes principales: prosencéfalo, tronco del encéfalo y cerebelo. El prosencéfalo comprende el cerebro (la corteza cerebral y los núcleos subcorticales) y el diencéfalo (el tálamo y el hipotálamo). El tronco del encéfalo está compuesto por el mesencéfalo, la protuberancia y el bulbo raquídeo. El cerebro es responsable de las funciones cerebrales superiores, como el control motor, la percepción sensorial, el len-
guaje, las emociones, el aprendizaje y la memoria. Los núcleos subcorticales incluyen los núcleos basales y los núcleos del sistema límbico. Los núcleos basales son importantes en el control motor, mientras que el sistema límbico está implicado en las emociones, el aprendizaje y la memoria. El diencéfalo, situado por debajo del cerebro en el centro del prosencéfalo, comprende el tálamo, que sirve de estación de conexión para la información que viaja hacia la corteza, y el hipotálamo, que regula varias funciones corporales para mantener la homeostasis.
Función integrada del SNC: los reflejos, pág. 236 Las acciones más sencillas del sistema nervioso son los reflejos o respuestas automáticas a un estímulo concreto. Los reflejos pueden estar mediados medular o cranealmente y pueden ser somáticos o autónomos, y condicionados o innatos. Los reflejos pueden describirse como un arco reflejo. Tres reflejos medulares son: el reflejo de estiramiento del huso muscular, el reflejo de retracción y el reflejo extensor cruzado.
Función integrada del SNC: el control motor voluntario, pág. 239 El control voluntario de los músculos implica muchas regiones del SNC. La corteza cerebral formula planes de movimiento y establece una orden. Las vías piramidal y extrapiramidal transmiten información sobre el plan a las motoneuronas de la médula espinal, que son las neuronas que estimulan al músculo esquelético para que se contraiga. El cerebelo y los núcleos basales ayudan a que el movimiento sea preciso. Las vías extrapiramidales son más importantes para los movimientos de apoyo, como mantener la postura, que para los movimientos voluntarios precisos. También hay contracciones involuntarias de los músculos esqueléticos.
Función integrada del SNC: el lenguaje, pág. 242 Entre las áreas del encéfalo importantes para el lenguaje se encuentran el área de Wernicke, en el lóbulo temporal, y el área de Broca, en el lóbulo frontal. La afasia es una anormalidad en la habilidad lingüística.
Función integrada del SNC: el sueño, pág. 243 El objetivo y los mecanismos del sueño no se conocen en su totalidad. Se puede hacer un seguimiento de las fases del sueño mediante la utilización de un EEG. El sueño de ondas lentas se caracteriza por ondas EEG de baja frecuencia y gran amplitud, mientras que el sueño REM se caracteriza por ondas EEG de alta frecuencia y baja amplitud. El organismo pasa por varias etapas a lo largo de los períodos de sueño.
Función integrada del SNC: las emociones y la motivación, pág. 247 Las emociones se generan en el sistema límbico basándose en los estímulos sensoriales. Después, el sistema límbico transmite información a la corteza, que es donde la emoción se percibe realmente. Entre las respuestas relacionadas con las emociones también se incluyen cambios en el sistema nervioso autónomo. La motivación dirige las acciones y está estrechamente asociada al placer.
Función integrada del SNC: el aprendizaje y la memoria, pág. 247 El aprendizaje es la adquisición de nuevas habilidades o información, mientras que la memoria es la retención del conocimiento. El aprendizaje y la memoria requieren plasticidad. Un tipo de plasticidad es la potenciación a largo plazo, en la que se prolonga la comunicación en una sinapsis.
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. La percepción del tacto requiere que las neuronas sensoriales de la piel transmitan información a a) los núcleos basales. b) la corteza somatosensitiva. c) el hipotálamo. d) el sistema límbico. e) el hipocampo.
2. ¿Cuál de las meninges está más próxima al tejido neural? a) duramadre b) aracnoides c) piamadre 3. En reposo, ¿de qué porcentaje de consumo de oxígeno del organismo es responsable el encéfalo? a) 2%
b) c) d) e)
5% 20% 40% 50%
4. La mayoría de las fibras que conectan los hemisferios cerebrales izquierdo y derecho están situadas en el a) hipocampo. b) cuerpo calloso.
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c) vías corticoespinales. d) conducto raquídeo. e) ventrículos cerebrales. 5. Todos los nervios raquídeos contienen a) fibras aferentes. b) fibras eferentes. c) tanto fibras aferentes como eferentes. d) ni fibras aferentes ni fibras eferentes. 6. El origen de las neuronas de la vía corticoespinal es a) el asta ventral de la médula espinal. b) la corteza somatosensitiva. c) la corteza motora primaria. d) el cerebelo. e) el tálamo. 7. ¿Cuál de los siguientes no es un componente del sistema límbico? a) el hipocampo b) la corteza cerebral c) la amígdala d) el mesencéfalo e) el hipotálamo 8. ¿En qué área del encéfalo se establecen los ritmos circadianos? a) en el núcleo supraquiasmático b) en la amígdala c) en el tálamo d) en el lóbulo occipital de la corteza cerebral e) en la protuberancia 9. La enfermedad de Parkinson está causada por una pérdida de la inervación dopaminérgica de a) el cerebelo. b) los núcleos basales. c) el tronco del encéfalo. d) la corteza motora primaria. e) el tálamo. 10. ¿Cuál de los siguientes reflejos es monosináptico? a) retracción b) extensor cruzado c) estiramiento del huso muscular d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 11. El área del encéfalo importante para el mantenimiento de la postura es a) la corteza motora primaria. b) los núcleos basales. c) el tronco del encéfalo. d) el cerebelo. e) el sistema límbico.
12. La potenciación a largo plazo a) es un aumento prolongado de la actividad sináptica en una sinapsis dada. b) es la formación de nuevas sinapsis. c) es la memoria de hace más de 10 años. d) se activa mediante el sistema de activación reticular ascendente. e) todas las respuestas son correctas
2. Describe el suministro de energía al encéfalo.
Preguntas objetivas 1. ¿Dónde se sintetiza el líquido cefalorraquídeo?
5. Describe las diferentes fases del sueño. ¿Durante qué fase del sueño es más probable que una persona se dé vueltas en la cama?
2. ¿Qué tipo de unión entre las células endoteliales de los capilares del encéfalo produce la barrera hematoencefálica?
6. Describe las funciones de los receptores NMDA y AMPA en la potenciación a largo plazo.
3. Los axones mielinizados se encuentran en la sustancia (gris/blanca). 4. Las eferentes somáticas se originan en el asta (dorsal/ventral) de la médula espinal. 5. La función principal del (cerebro/cerebelo) es coordinar los movimientos corporales. 6. ¿Qué tres estructuras forman el tronco del encéfalo? 7. ¿Qué lado del encéfalo suele estar asociado con la creatividad? 8. ¿Cuáles son las dos estructuras principales del diencéfalo? 9. ¿Cuál es el núcleo de conexión sensorial más importante de la corteza? 10. El área del encéfalo más estrechamente asociada con el miedo es ————. 11. El sistema ———— está asociado con las emociones, el aprendizaje y la memoria. 12. La capacidad de recordar información cuando nos examinamos de fisiología es un ejemplo de memoria ————. 13. Las aferentes que activan las acciones motoras reflejas son diferentes de las que activan las vías ascendentes para comunicar un estímulo sensorial al encéfalo. (verdadero/falso)
Preguntas abiertas 1. Describe las diversas estructuras que protegen los tejidos del sistema nervioso central.
3. Identifica los cuatro lóbulos de la corteza cerebral y describe, al menos, una función asociada con cada uno. 4. Describe los diferentes componentes implicados en la realización de una tarea motora voluntaria. Identifica la/s estructura/s asociada/s con cada componente.
Pensamiento crítico 1. La enfermedad de Parkinson está causada por una pérdida de la función dopaminérgica en los núcleos basales. Para tratar a los pacientes de enfermedad de Parkinson, los médicos intentan incrementar los niveles de dopamina en el encéfalo. Sin embargo, la dopamina no puede cruzar la barrera hematoencefálica. ¿Qué método podría elevar los niveles de dopamina en el encéfalo? 2. Una persona sufre un derrame cerebral que afecta el área de Wernicke. Describe cómo sería una conversación con esta persona. 3. Los reflejos pueden anularse mediante controles voluntarios. Explica cómo puede ocurrir esto utilizando la información que hemos aprendido en el capítulo 8. 4. La parálisis es la incapacidad para controlar voluntariamente el movimiento y puede incluir una pérdida de estímulos excitadores en las motoneuronas (parálisis flácida) o una pérdida de estímulos inhibidores en las motoneuronas (parálisis espástica). Además, algunas formas de parálisis están emparejadas con la ausencia de reflejos. Compara los tipos de parálisis que se podrían observar si las siguientes áreas del sistema nervioso estuvieran dañadas: 1) corteza motora primaria; 2) núcleos basales, y 3) motoneurona.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Sistema nervioso: sistemas sensoriales Ponte cómodo y reflexiona sobre el mundo que te rodea. ¿Estás sentado o tumbado? Si estás en un espacio cerrado, ¿de qué color son las paredes de la habitación?
10
¿Tienes frío o calor? ¿Es ruidosa la gente de tu alrededor? Quizás alguien tenga la radio tan alta que puedes sentir las vibraciones. La percepción del mundo que nos rodea se logra a través del funcionamiento de los sistemas sensoriales. Sin embargo, tú no puedes percibir todos los elementos de tu entorno. Por ejemplo, si alguna vez te han realizado una radiografía, sabrás que no podías oír ni ver los rayos cuando atravesaban tu cuerpo, y cuando pones algo de comida en el microondas, no puedes ver las ondas que la calientan. ¿Por qué percibimos algunas cosas del mundo y otras no? Los humanos tenemos receptores sensoriales especiales que pueden detectar formas específicas de energía en el entorno, como ondas luminosas, ondas de sonido o vibraciones, pero no tenemos receptores de rayos X o microondas. Por tanto, no podemos percibir estas formas de energía, ni siquiera cuando están presentes en nuestro medio inmediato. Además, las percepciones de los estímulos que podemos percibir no son absolutas. Cuando nos tiramos al agua en un lago, por ejemplo, percibimos inmediatamente el agua fría, pero con el tiempo nuestro cuerpo se adapta y en cuestión de minutos el agua ya no está tan fría (aunque la temperatura del agua no haya cambiado).
CONTENIDOS Principios generales de la fisiología sensorial 254 Sistema somatosensitivo
Microfotografía electrónica en color de las papilas gustativas.
Visión 270 Oído y audición
284
Oído y equilibrio 292 Gusto 295 Olfato
297
262
254
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
OBJETIVOS
Describir la función de los receptores sensoriales y explicar la forma en que desarrollan esa función.
Describir el mecanismo de transducción sensorial para cada uno de los sentidos especiales.
Describir las vías neurales de los diferentes sistemas sensoriales, desde el receptor sensorial a la corteza cerebral.
Describir cómo se enfoca la luz en la retina.
Describir la forma en que el iris regula la cantidad de luz que entra en el ojo.
Explicar las diferencias entre bastones y conos.
Describir los dos sistemas sensoriales del oído.
Describir los dos sentidos químicos.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Canales de iones, pág. 107 2. Mecanismos de transducción de señales, pág. 136 3. Corteza cerebral, pág. 231 4. Asta dorsal de la médula espinal, pág. 224 5. Vías ascendentes, pág. 227
E
n el capítulo 7 aprendimos que el sistema nervioso periférico se compone de una rama aferente y una eferente, en el que la aferente envía información sobre los entornos internos y externos al sistema nervioso central (SNC) y la rama eferente envía información desde el sistema nervioso central a los órganos efectores. Después, aprendimos en el capítulo 9 acerca de algunas estructuras del sistema nervioso central que intervienen en la percepción del mundo que nos rodea. Este capítulo se centra en los sistemas sensoriales involucrados en la percepción, la interpretación consciente del mundo en función de los sistemas sensoriales, la memoria y otros procesos neurales. A medida que estudiemos los sistemas sensoriales, aprenderemos la forma en que los diversos mecanismos de transducción de señales descritos en el capítulo 5 detectan y hacen llegar la información relativa a los estímulos. Estos mecanismos de transducción de señales a menudo dependen de un potencial receptor que tiene las propiedades de los potenciales graduados que tratamos en el capítulo 7. Al estudiar los sentidos especiales, exceptuando el sentido del olfato, volveremos al concepto de comunicación sináptica que aprendimos en el capítulo 8. Además, al igual que con cualquier rama del sistema nervioso, la importancia de los canales de iones, fuerzas electroquímicas y señales eléctricas, como se describe en los capítulos 4 y 7, resultará aparente. En primer lugar, describiremos las propiedades generales de los sistemas sensoriales. Después, discutiremos los sentidos que nos permiten percibir el tacto y otros estímulos asociados con la superficie de la piel, y que también nos permiten percibir aspectos como la posición de nuestras extremidades y órganos. Por último, hablaremos de los sentidos especiales.
Principios generales de la fisiología sensorial La división aferente del sistema nervioso periférico transmite la información desde la periferia al sistema nervioso central. La información se detecta por medio de los receptores sensoriales que responden a tipos específicos de estímulos. Mientras algunos de estos receptores detectan estímulos en el medio externo, otros, denominados receptores viscerales, detectan estímulos que surgen dentro del organismo. Los receptores viscerales transmiten la información al SNC por medio de una clase de neuronas aferentes conocidas como aferentes viscerales. Algunos ejemplos de los numerosos tipos de receptores viscerales son los quimiorreceptores de los principales vasos sanguíneos, que controlan los niveles de O2 CO2 y H+ en la sangre; los barorreceptores de determinados vasos sanguíneos, que controlan la presión arterial, y los mecanorreceptores del tubo digestivo, que controlan el grado de estiramiento o distensión. Aunque el cerebro recibe información de estos receptores y la utiliza a efectos reguladores, no somos conscientes de estos estímulos. Por ejemplo, no podemos sentir cuál es el pH de nuestra propia sangre a menos que tomemos una muestra de sangre y la analicemos. Sin embargo, los receptores de pH de determinadas arterias y del tronco del encéfalo le dicen al cerebro si el pH es normal, información que permite al cerebro tomar decisiones reguladoras. Los pormenores de estos y otros receptores viscerales se cubren en los capítulos que tratan de los sistemas orgánicos particulares. Este capítulo cubre los sistemas sensoriales que detectan información acerca del medio externo. Esta información se transmite a la corteza cerebral, llega a la conciencia y se percibe, haciendo que seamos conscientes del mundo que nos rodea. No obstante, ten presente que nuestra percepción del mundo no resulta siempre totalmente precisa, como se demuestra en la figura 10.1. En la figura 10.1a percibimos algo que no está presente, un cuadrado. Parte de nuestra percepción se basa en experiencias previas. En este ejemplo, nuestro cerebro percibe lo que espera ver. En la figura 10.1b se perciben líneas curvas cuando en realidad las líneas son rectas, lo que demuestra que nuestra percepción puede engañarnos. En la figura 10.1c algunas personas perciben un conejo, otras un pato, otras los dos y otras ninguno de ellos. Los individuos pueden percibir las cosas de forma diferente, en parte debido a sus experiencias pasadas. Entre los sistemas sensoriales que nos permiten percibir el medio externo se incluyen el sistema somatosensitivo y los sistemas sensoriales especiales. El sistema somatosensitivo resulta necesario para la percepción de sensaciones asociadas a los receptores de la piel (sensaciones somestésicas) y para la propiorrecepción, la percepción de la posición de las extremidades y el organismo. La propiorrecepción depende de los propiorreceptores específicos de los músculos y articulaciones, y de receptores más generalizados de la piel. Los sentidos especiales resultan necesarios para los sentidos de la vista, el oído, el equilibrio, el gusto y el olfato.
Fisiología de los receptores Los receptores sensoriales son estructuras neuronales especializadas que detectan una forma específica de energía en el medio interno o el externo. La forma de energía de un estímulo es su modalidad. Entre los ejemplos de modalidades encontramos
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(a)
(b)
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(c)
FIGURA 10.1 Falibilidad de la percepción. Estas ilusiones ópticas demuestran que nuestra percepción no siempre resulta precisa. (a) Donde faltan partes de los cuatro discos verdes, el cerebro percibe un cuadrado. (b) El efecto de los círculos concéntricos consiste en hacer que las líneas rectas parezcan curvas. (c) Esta forma puede parecer un pato o un conejo (o ambos o ninguno).
ondas luminosas, ondas sonoras, presión, temperatura y productos químicos. La ley de energías nerviosas específicas afirma que un receptor sensorial dado es específico para una modalidad particular. Por tanto, las células especiales del ojo denominadas fotorreceptores detectan ondas luminosas, pero no sonoras. La modalidad a la que un receptor responde mejor se denomina estímulo adecuado. La tabla 10.1 contiene una lista de las características de varias clases de receptores sensoriales. Las modalidades distintas del estímulo adecuado pueden activar los receptores, pero solo a niveles relativamente altos. Además, un estímulo «inadecuado» suficientemente fuerte inducirá la percepción del estímulo adecuado, como cuando un soplido en el ojo (presión) activa los fotorreceptores, haciendo que la persona perciba luz.
Transducción sensorial La función de los receptores sensoriales es la transducción, esto es, la conversión de una forma de energía en otra. En la transducción sensorial, los receptores convierten la energía de
un estímulo sensorial en cambios en el potencial de la membrana denominados potenciales receptores o potenciales generadores. Los potenciales receptores se parecen a los potenciales postsinápticos (v. capítulo 8) en que son potenciales graduados provocados por la apertura o el cierre de canales de iones. Cuanto mayor es la fuerza del estímulo, mayor es el cambio en el potencial de la membrana. Sin embargo, a diferencia de los potenciales postsinápticos, desencadenados por la unión de los neurotransmisores a los receptores, los potenciales receptores son desencadenados por estímulos sensoriales. Los receptores sensoriales tienen dos formas básicas, como se ilustra en la figura 10.2. En algunos casos, un receptor sensorial es una estructura especializada del extremo periférico de una neurona aferente (v. fig. 10.2a). Cuando un receptor semejante se despolariza hasta el umbral, se genera un potencial de acción en la neurona aferente y se propaga hasta el SNC, transmitiéndose así la información relativa a los estímulos. En otros casos, el receptor sensorial es una célula distinta que se comunica por medio de una sinapsis química con una
TABLA 10.1 Características de los receptores sensoriales Clase de receptor
Sensación/información visceral
Modalidad
Fotorreceptores
Visión
Fotones de luz
Quimiorreceptores
Gusto
Sustancias químicas disueltas en saliva
Olfato
Sustancias químicas disueltas en el moco
Dolor
Sustancias químicas en líquido extracelular
Oxígeno en la sangre
Oxígeno disuelto en plasma
pH en la sangre
Iones de hidrógeno libres en el plasma
Receptores de calor
Calor
Aumento de temperatura entre 30 y 43 °C
Receptores de frío
Frío
Disminución de temperatura entre 35 y 20 °C
Barorreceptores
Presión arterial
Estiramiento de las paredes de vasos sanguíneos específicos
Osmorreceptores
Osmolaridad del líquido extracelular
Hinchamiento (estiramiento) de las células receptoras
Células ciliadas
Sonido
Ondas de sonido
Balance y equilibrio
Aceleración
Termorreceptores
Mecanorreceptores
256
C A P Í T U LO 1 0
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
neurona aferente asociada (v. fig. 10.2b). Cuando el receptor sensorial es una célula distinta, los cambios en el potencial de la membrana de la célula receptora provocan la liberación de un mensajero químico o transmisor. (En algunos casos, un estímulo desencadena un cambio en el potencial de la membrana que inhibe la liberación de un transmisor.) Cuanto mayor es el estímulo excitatorio, mayor es la cantidad de transmisor que se libera. Este transmisor se une entonces a los receptores de la neurona aferente y provoca cambios en el potencial de la membrana de esa célula. En la mayoría de los casos, si la neurona aferente se despolariza hasta el umbral, se genera un potencial de acción y la célula lo transmite al SNC (los fotorreceptores son una excepción). El mecanismo de transducción varía para los diferentes tipos de receptores y se tratará junto con los sistemas sensoriales individuales más adelante en este capítulo.
Hacia el sistema nervioso central
Hacia el sistema nervioso central
Dirección del potencial de acción
Neurona aferente
Neurona aferente
Dirección del potencial de acción
Canal de umbral de voltaje de calcio Proteína receptora para el transmisor
Receptor sensorial
Transmisor
Ca2+ (promueve la liberación del transmisor)
Célula receptora sensorial
Adaptación de los receptores
Potencial Fuerza del estímulo de receptor (mV)
Fuerza Potencial del estímulo de receptor (mV)
Estímulo Estímulo Algunos receptores siguen respondiendo a un estímulo durante todo el (a) (b) tiempo que se aplique este. No obsFIGURA 10.2 Estructura y funcionamiento de los receptores sensoriales. (a) Un receptor sensorial es tante, la mayoría de los receptores se una terminación especializada de una neurona aferente. El estímulo actúa en el receptor sensorial mediante la adaptan al estímulo, es decir, su resapertura o el cierre de canales de iones, lo que produce un potencial receptor. (b) Un receptor sensorial es una puesta disminuye con el paso del célula diferente de la neurona aferente. El estímulo cambia el potencial de la membrana de la célula receptora tiempo. La adaptación del receptor que abre (o cierra) un canal de calcio y la concentración de calcio citosólico aumenta (o disminuye). Los es una disminución a lo largo del cambios en la concentración de calcio desencadenan (o inhiben) la liberación de un transmisor químico tiempo en la magnitud del potencial mediante exocitosis. El transmisor se comunica con la neurona aferente mediante la unión a receptores en la del receptor en presencia de un estíterminación aferente e induce un potencial graduado. mulo constante. Los receptores de adaptación lenta o tónicos muestran poca adaptación y, por tanto, pueden intervenir en la transmisión de señales sobre la Respuesta intensidad de un estímulo prolongado (fig. 10.3a). desactivada Algunos ejemplos de receptores de adaptación lenta son los receptores del estiramiento de músculos, que detectan la longitud del músculo, y los propiorreceptores, que detectan la posición del cuerpo en el espacio tridimensional. Para disfrutar de un movimiento y equilibrio adecuado, resulta fundamental que estos receptores infor0 0 men de forma continua al SNC de la posición de los músculos y las articulaciones. Los receptores Tiempo Tiempo de adaptación rápida o fásicos se adaptan rápiEstímulo Estímulo Estímulo Estímulo activado desactivado activado desactivado damente y, por tanto, son los mejores a la hora de detectar cambios en la intensidad de los estímu(a) Receptores de adaptación lenta (b) Receptores de adaptación rápida los (fig. 10.3b). Los receptores de adaptación rápida responden a la aparición de un estímulo y desFIGURA 10.3 Respuestas de los receptores de adaptación lenta y de adaptación pués se adaptan. Algunos receptores de adaptación rápida. (a) Los receptores de adaptación lenta responden con un cambio en el potencial rápida también muestran una segunda respuesta receptor que persiste mientras dure el estímulo. (b) Los receptores de adaptación rápida más pequeña a la finalización de un estímulo, responden con un cambio en el potencial receptor en el momento de la puesta en marcha de denominada «respuesta de apagado». Algunos un estímulo, pero entonces se adaptan. La «respuesta desactivada» es una segunda respuesta ejemplos de receptores de adaptación rápida son más pequeña que se produce al terminar el estímulo.
C A P Í T U LO 1 0 Corteza vestibular
Corteza somatosensitiva
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
257
los receptores olfativos, que detectan los olores, y los corpúsculos de Pacini, que detectan la vibración en la piel.
Vías sensoriales Corteza gustativa
Corteza visual
Corteza olfativa Corteza auditiva
FIGURA 10.4 Zonas sensoriales de la corteza cerebral. Observa que la corteza vestibular se localiza sobre el lado inferior de la corteza somatosensitiva del lóbulo parietal, la corteza auditiva está en el lado interno del lóbulo temporal y la corteza olfativa se encuentra sobre la superficie inferior del lóbulo temporal.
P
Nombra el lóbulo que corresponde a cada una de las partes siguientes: corteza visual, corteza auditiva y corteza somatosensitiva.
Axones terminales en el sistema nervioso central
En el capítulo 9 aprendimos acerca de las zonas de la corteza cerebral especializadas en la percepción de determinados estímulos sensoriales. Aquí nos centraremos en las vías sensoriales que transmiten información sensorial a la zona apropiada de la corteza. Las vías neurales específicas que transmiten información erteneciente a una modalidad particular se conocen como líneas marcadas, y cada modalidad sensorial sigue su propia línea marcada. La activación de una vía específica provoca la percepción de la modalidad asociada, independientemente del estímulo real que activó la vía. Por tanto, como hemos visto, la presión en el ojo puede desencadenar fogonazos de luz, porque la presión genera señales en la vía para la percepción de luz. Las vías de las distintas modalidades terminan en zonas sensoriales diferentes de la corteza cerebral (fig. 10.4). Aunque las vías sean distintas, podemos hacer algunas generalizaciones relativas a la mayoría de ellas, empezando por una unidad sensorial. Una unidad sensorial es una neurona aferente única y todos los receptores asociados a ella (fig. 10.5). Todos los receptores asociados a una neurona aferente dada son del mismo tipo. La activación de cualquiera de los receptores asociados puede desencadenar potenciales de acción en la neurona aferente. La zona sobre la cual un estímulo adecuado
Axones terminales en el sistema nervioso central
Axones terminales
Axón
Cuerpo celular
Unidades sensoriales
Unidad sensorial con campo receptor
Ramas del axón
Células receptoras sensoriales
Receptores sensoriales
Neurona aferente con terminaciones receptoras en la periferia (a)
Células receptoras en la periferia (b)
Campo receptor (c)
FIGURA 10.5 Unidades sensoriales y campos receptores. (a) Unidad sensorial en la que los receptores son terminaciones especializadas de la neurona aferente. (b) Unidad sensorial en la que los receptores son células distintas, cada una de las cuales se comunica con una neurona aferente. (c) Campo receptor para la unidad sensorial representada en la parte (a).
258
C A P Í T U LO 1 0
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
puede producir una respuesta (que puede ser excitante o inhibidora) en la neurona aferente se denomina campo receptor de esa neurona. Corresponde a la región que contiene los receptores para esa neurona aferente. En la piel, por ejemplo, una neurona aferente que posee corpúsculos de Pacini se ramifica en la periferia y cada ramificación termina en un corpúsculo de Pacini. La vibración en cualquier zona de la piel donde se encuentren los corpúsculos puede despolarizar la neurona aferente y, si resulta lo suficientemente fuerte, puede generar potenciales de acción. Si la vibración aplicada a una zona dada de la piel provoca una respuesta en una neurona, esa área se incluye dentro del campo receptor de la neurona. Sin embargo, ten en cuenta que los campos receptores en el sistema visual están asociados a áreas del campo visual (la zona del medio externo desde la que pueden entrar rayos de luz en los ojos y verse). Las neuronas aferentes de la vía visual responden a la luz originada en zonas específicas del campo visual. En la figura 10.6 se ilustra una vía generalizada para la transmisión de información sensorial. Aunque no todas las vías sensoriales siguen este modelo exacto, el modelo ilustra similitudes fundamentales en los sistemas sensoriales. La neurona aferente que transmite información desde la periferia al SNC se denomina neurona de primer orden. Una neurona de primer orden puede divergir dentro del SNC y comunicarse con varias interneuronas. Además, las interneuronas pueden recibir información convergente de varias neuronas de primer orden. Algunas de estas interneuronas transmiten la información al tálamo, el principal núcleo de transmisión para la entrada de información sensorial. Interneuronas semejantes son ejemplos de neuronas de segundo orden. Estas neuronas de segundo orden realizan sinapsis en el tálamo con neuronas de tercer orden, que transmiten información a la corteza cerebral, donde se produce la percepción sensorial. Las distintas vías sensoriales viajan a través de diferentes zonas del tálamo y la corteza. El concepto de campos receptores descrito con anterioridad para las neuronas de primer orden también se aplica a las neuronas de segundo y tercer orden, e incluso a neuronas de mayor nivel en vías sensoriales. El campo receptor de cualquier neurona en una vía sensorial es la zona en que un estímulo adecuado puede inducir una respuesta en esa neurona.
Corteza
Neurona de tercer orden
Tálamo Sistema nervioso central Neurona de segundo orden
Tronco del encéfalo de la médula espinal
Neurona aferente (neurona de primer orden)
Sistema nervioso periférico
Receptores
Estímulo
FIGURA 10.6 Vía generalizada para los sistemas sensoriales.
Codificación por tipo de estímulo Test rápido 10.1 1. ¿Cómo puede una célula receptora sensorial que no forma parte de una neurona aferente provocar potenciales de acción en esa neurona? 2. ¿Qué tipo de receptor resulta mejor para comunicar cambios en la intensidad de una aferencia sensorial, los receptores de adaptación rápida o los de adaptación lenta? 3. Define unidad sensorial. ¿Cuántos tipos diferentes de receptores están asociados a una unidad sensorial?
Codificación sensorial En la sección anterior vimos que las vías neurales específicas transmiten información desde los receptores sensoriales al sistema nervioso central. No obstante, cuando un estímulo actúa sobre un receptor sensorial, ¿cómo identifica el sistema nervioso el tipo, la fuerza y la ubicación de ese estímulo? Estas tareas son posibles gracias a la codificación sensorial.
El receptor codifica el tipo de estímulo y la vía se activa cuando el estímulo se aplica. Por ejemplo, las ondas de luz activan los fotorreceptores, que se comunican por medio de una vía específica con la corteza visual. De hecho, incluso cuando se activa la vía visual de forma inadecuada, como en el ejemplo del soplido en el ojo, aún se percibe la luz porque la vía visual estaba activada. Para conocer lo que ocurre cuando se cruzan las vías sensoriales, véase «Conexiones clínicas: Sinestesia». Nuestras percepciones de los estímulos no están basadas necesariamente en una única vía sensorial. A menudo, el cerebro debe integrar la información proveniente de diferentes sistemas sensoriales. Por ejemplo, percibimos cuándo está seca nuestra piel, aunque no tengamos receptores de humedad. Esto resulta posible porque los termorreceptores y los receptores del tacto, cuando se activan de forma apropiada, transmiten una combinación de señales interpretadas por el cerebro como humedad. Para demostrar que no existen receptores de humedad, haz lo siguiente: ponte un guante fino de látex en la mano y después pon la mano debajo del grifo. Estará convencido de que
Axón aferente
Potencial del receptor (mV)
Voltímetro
Estímulo
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
Sistema nervioso central
259
Sistema nervioso central
Cuerpo celular –70
Neurona aferente
Piel Estímulo fuerte
Estímulo débil Reposo
(a) Una sola unidad sensorial estimulada
Sistema nervioso central
Fuerza del estímulo
Vaina de mielina
Potencial del axón (mV)
C A P Í T U LO 1 0
Activado
Desactivado Activado Tiempo (s)
Sistema nervioso central
Desactivado
FIGURA 10.7 Codificación de la intensidad del estímulo. Los cambios en el potencial de la membrana a lo largo del axón (arriba) y el receptor (centro) se representan para dos intensidades de estímulo diferentes (abajo). La detección de un estímulo más fuerte por parte del receptor produce potenciales de acción más frecuentes a lo largo del axón.
Estímulo débil
Estímulo fuerte
(b) Varias unidades sensoriales estimuladas
FIGURA 10.8 Codificación de la intensidad de un el agua se cuela por el guante, aunque no lo haga. Si hubiera receptores de humedad, no se habrían activado por el estímulo inadecuado de este ejemplo.
estímulo mediante reclutamiento (codificación por población). (a) Reclutamiento del receptor dentro de una sola unidad sensorial. (b) Reclutamiento del receptor de más unidades sensoriales.
Codificación por intensidad de estímulo La frecuencia de los potenciales de acción (codificación de frecuencia) y el número de receptores activados (codificación de población) codifican la intensidad de estímulo. En la codificación de frecuencia (fig. 10.7), el resultado es un estímulo más fuerte en un potencial receptor mayor. Recuerda del capítulo 7 que mientras que el potencial graduado (en este caso el potencial receptor) supere el umbral, las despolarizaciones más fuertes pueden superar el período refractario relativo de un potencial de acción y generar un segundo potencial de acción más rápidamente de lo que pueden las despolarizaciones más débiles. Por tanto, los estímulos más fuertes producen una mayor frecuencia de los potenciales de acción. En la codificación de población, un estímulo más fuerte activa, o recluta, un mayor número de receptores (fig. 10.8). Estos receptores pueden estar asociados a una neurona aferente (v. fig. 10.8a), en cuyo caso los potenciales receptores que se generan en los receptores individuales suman y producen una
mayor frecuencia de potenciales de acción en esa neurona. Asimismo, un estímulo puede reclutar receptores asociados a diferentes neuronas aferentes (v. fig. 10.8b), en cuyo caso más neuronas aferentes transmiten señales al SNC relativas a la presencia de estímulos. En cualquiera de los casos, una mayor frecuencia de potenciales de acción se transmite al SNC en respuesta al estímulo, indicando que el estímulo es más fuerte.
Codificación por ubicación de estímulos La base para la codificación de las ubicaciones de la mayoría de los estímulos son los campos receptores. Recuerda que cuando se aplica un estímulo adecuado dentro de un campo receptor determinado, activa los receptores asociados a una neurona aferente específica. Este concepto se ilustra perfectamente con los receptores sensoriales de la piel.
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C A P Í T U LO 1 0
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
CONEXIONES CLÍNICAS
Sinestesia Si alguna vez has reparado en que la comida sabe más sosa cuando tenemos un resfriado, habrás experimentado de primera mano cómo el sentido del olfato está ligado al sentido del gusto. Nuestros sistemas sensoriales no existen de forma aislada, sino que interactúan entre sí. Sin embargo, en algunos individuos, los sistemas sensoriales parecen hacer algo más que interactuar. En verdad, parecen entrelazarse. Los individuos con una enfermedad denominada sinestesia (que literalmente significa «percepción conjunta») pueden «oír» colores, «ver» sonidos o «saborear» formas. Los sinestésicos con «oído de colores» pueden ver verde cuando escuchan la palabra perro y ver rojo cuando escuchan la palabra gato. Pueden ver letras en el alfabeto como siempre, pero en forma de color (como la L en color azul y la N en color naranja), independientemente del color que la mayoría de la gente asocie a las letras). Es posible que incluso saboreen un filete cuando ven un triángulo. La siguiente figura ilustra la forma en que pueden diferenciarse las percepciones de un sinestésico de las percepciones típicas. La fila superior ilustra los números del 1 al 9 en negro. Sin embargo, un sinestésico puede ver cada
número como un color diferente, como se muestra en la fila del medio. La asociación del sinestésico de un número particular con un color particular sería consistente, independientemente del orden en que aparecieran los números, como se muestra en la fila de abajo. 1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
3
5
1
6
9
7
2
4
8
Curiosamente, la sinestesia parece ser un fenómeno automático involuntario que a menudo trabaja solo en una dirección. Por ejemplo, cuando un sinestésico ve amarillo si mira al número 5, esa persona verá siempre el número 5 en amarillo, aunque no necesariamente vea el número 5 cuando esté delante del color amarillo. Asimismo, la sinestesia parece ocurrir en familias, y los sinestésicos de una familia tienden a tener la misma forma de sinestesia. Fuera de las familias, la sinestesia resulta altamente variable (para algunos sinestésicos, el número 5 es amarillo, mientras que para otros el número 7 es amarillo).
La precisión con que la ubicación de un estímulo se percibe se denomina agudeza. En las sensaciones asociadas a la piel, la agudeza depende del tamaño y el número de campos receptores, el grado de solapamiento entre los campos receptores y un fenómeno denominado inhibición lateral (tratado brevemente). Si se activa una neurona aferente específica, el estímulo debe localizarse dentro del campo receptor de la neurona. Sin embargo, los tamaños de los campos receptores varían de forma considerable a lo largo del organismo. La ubicación de un estímulo mejora en zonas a las que acceden neuronas con campos receptores más pequeños. Además, la información de una sola neurona aferente no proporciona una ubicación precisa de un estímulo, porque este podría estar en cualquier sitio dentro de su campo receptor. La ubicación mejora mediante el solapamiento de los campos receptores de diferentes neuronas aferentes (fig. 10.9). Dicho solapamiento mejora la ubicación por medio de dos fenómenos: 1) cualquier estímulo que se produce dentro de la región de solapamiento entre los campos receptores de dos neuronas aferentes activa a las dos neuronas, y 2) la inhibición lateral.
La mayoría de las formas de sinestesia se consideran anomalías del desarrollo en las conexiones del sistema nervioso central. Los estudios de resonancia magnética (RM) de sinestesia de audición en colores, por ejemplo, muestran que cuando los sinestésicos oyen determinadas palabras se activan sus áreas de asociación visual, algo que no ocurre en individuos normales. El fenómeno sugiere que las vías auditivas desarrollaron conexiones con los centros de procesamiento visual en el cerebro. Asimismo, se cree que los individuos normales desarrollan semejantes vías sensoriales, pero que las vías experimentan apoptosis (muerte celular programada). Sin embargo, en las personas con sinestesia, las vías persisten. El hecho de que la sinestesia sea más común en niños que en adultos proporciona pruebas de que estas «vías extraordinarias» degeneran durante el desarrollo. Asimismo, la sinestesia se puede inducir en adultos en respuesta al daño cerebral o la epilepsia. Dado que la sinestesia es rara y se produce en numerosas variantes, resulta complicado realizar estudios de sus patrones de desarrollo y distan aún de ser definitivos.
Neurona A
Campo receptor A
Neurona B
Campo receptor B
FIGURA 10.9 Solapamiento de los campos receptores de dos neuronas aferentes.
C A P Í T U LO 1 0
En la inhibición lateral, un estímulo que excita con fuerza los receptores de una ubicación dada inhibe la actividad en las vías aferentes de otros receptores cercanos. En las vías simplificadas descritas en la figura 10.10, cada neurona aferente establece sinapsis solo con una neurona de segundo orden. Ten en cuenta que las neuronas aferentes tienen colaterales que se comunican con interneuronas inhibidoras en el SNC. En este caso, los colaterales de la neurona aferente Y1 activan interneuronas inhibidoras que reducen la comunicación entre las neuronas aferentes con campos receptores cercanos (neuronas X1 y Z1) y sus neuronas de segundo orden (X2 y Z2, respectivamente). La inhibición lateral aumenta la agudeza, porque aumenta el contraste de señales en el sistema nervioso (permite la transmisión de señales fuertes en algunas neuronas, mientras que suprime la transmisión de las señales débiles que se emiten desde neuronas cercanas). Cuando un estímulo se aplica en el centro del campo receptor para la neurona Y1, esa neurona se activa con más fuerza que las neuronas X1 o Z1, lo que se evidencia por una mayor frecuencia de potenciales de acción (v. gráfico inferior en fig. 10.10). Dado que la neurona Y1 es la más altamente activada, su activación de las interneuronas inhibidoras en las neuronas X1 y Z1 sobrepasa el efecto inhibidor de las otras neuronas, lo que produce una mayor inhibición de las neuronas X2 y Z2. La dismi-
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
261
nución de la actividad se produce en todas las neuronas de segundo orden, pero las actividades de X2 y Z2 se reducen más que la de la neurona Y2 (v. gráfico superior de fig. 10.10). El resultado es una mayor diferencia en la frecuencia de potenciales de acción entre neuronas de segundo orden que en las neuronas aferentes. Lo más importante es que la frecuencia de potenciales de acción en Y2 es mucho mayor que las frecuencias en X2 y Z2. El contraste mejorado resultante entre las señales neurales más importantes y menos importantes permite localizar mejor el estímulo y, por tanto, aumentar la agudeza táctil. Una medida de la agudeza táctil es la discriminación de dos puntos, la capacidad de una persona de percibir dos puntos finos presionados contra la piel como dos puntos distintos. La distancia mínima que debe existir entre dos puntos para que se perciban como distintos se denomina el umbral de discriminación de dos puntos. Los puntos que están más cerca se perciben como un único punto. La discriminación de dos puntos se produce solo si los dos puntos se aplican a los campos receptores de dos neuronas aferentes diferentes (fig. 10.11). Cuanto más pequeños son los campos receptores, mayor es la capacidad de discriminar dos puntos y mayor la agudeza táctil. La agudeza táctil varía a lo largo de las diferentes regiones del organismo. En algunas zonas del organismo, la piel se iner-
Neuronas de segundo orden
X2
Y2 Interneuronas inhibidoras
Interneuronas inhibidoras
Z2
Frecuencia de potenciales de acción
Actividad en neuronas de segundo orden
X2
Y2
Z2
Neuronas de segundo orden
Neuronas aferentes (neuronas de primer orden)
X1
Y1
Z1
Frecuencia de potenciales de acción
Actividad en neuronas aferentes
X1
Y1
Z1
Neuronas aferentes
Localización del estímulo
FIGURA 10.10 Inhibición lateral. La inhibición lateral mejora el contraste entre los puntos de estimulación fuerte y débil. En este ejemplo, el estímulo se aplica en el centro del campo receptor para la neurona Y1 y en la periferia de los campos receptores para las neuronas aferentes X1 y Z1. La inhibición lateral se
produce cuando los colaterales de una neurona aferente (aquí, Y) activan las interneuronas que inhiben la comunicación entre las neuronas aferentes vecinas y las neuronas de segundo orden. Los gráficos muestran las frecuencias de los potenciales de acción en las neuronas aferentes y de segundo orden.
262
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
Campo receptor grande
Campos receptores pequeños
TABLA 10.2 Umbrales para la discriminación de dos puntos en determinadas zonas del cuerpo Región corporal
Percibido como un punto
Percibidos como dos puntos
Umbral de la discriminación de dos puntos (mm)*
Labios (la mayor agudeza)
1
Dedo índice
2
Pulgar
3
Palma de la mano
10
Pulgar del pie
10
Frente
18
Planta del pie
22
Pecho
31
Abdomen
36
Hombros
38
FIGURA 10.11 Discriminación de dos puntos. La capacidad de
Espalda
42
discriminar entre dos puntos diferentes depende de la activación de campos receptores diferentes. Cuanto más pequeño es el campo receptor, mayor es la capacidad para la discriminación de dos puntos y mayor la agudeza táctil.
Muslo
46
Antebrazo
47
Pantorrilla (la menor agudeza)
48
*Las distancias más pequeñas indican una mayor agudeza táctil.
va por medio de neuronas aferentes con pocas ramificaciones y, por tanto, campos receptores pequeños, mientras que otras zonas se inervan mediante neuronas aferentes con ramificaciones extensas y campos receptores grandes. Además, los campos receptores más pequeños se solapan más, lo que contribuye a una agudeza táctil mayor. La tabla 10.2 contiene umbrales de discriminación de dos puntos de varias zonas seleccionadas del organismo. En los labios, la zona más sensible, se pueden distinguir puntos que distan 1 mm como dos puntos distintos. Las yemas de los dedos son también bastante sensibles. Sin embargo, las zonas de la espalda, el muslo y el antebrazo no son muy sensibles. De hecho, es posible que dos puntos alejados entre 40 y 50 mm no se distingan como puntos distintos en estas zonas. La localización en algunos sistemas sensoriales no guarda relación con la codificación por parte de los campos receptores. Aunque una persona pueda determinar la dirección desde la cual proviene un olor o un sonido, ni las neuronas aferentes olfativas ni las auditivas tienen campos receptores. Por el contrario, estos sistemas codifican la calidad y la intensidad del olor, y el tono y la sonoridad del sonido, respectivamente. La localización en el olfato y el oído se basa en la llegada de estímulos a los dos orificios nasales o a los dos oídos en tiempos ligeramente distintos (fig. 10.12). El cerebro utiliza la diferencia en el tiempo de llegada de potenciales de acción a la corteza olfativa o auditiva para determinar dónde se originaron los estímulos. La ubicación en el sistema auditivo resulta más aguda que en el olfativo, pero los dos sistemas se basan a menudo en acciones de comportamiento, así como en el giro de la cabeza para determinar si el sonido o el olor se hacen más fuertes o más débiles.
Test rápido 10.2 1. ¿Cuál es la diferencia entre la codificación de población y la codificación de frecuencia? ¿Codifican estos procesos un tipo de estímulo, una intensidad o ambos? 2. ¿Cuál es la diferencia entre los receptores de adaptación rápida y los de adaptación lenta?
Fuente: Weinstein and Kenshalo, editors, The Skin Senses, copyright 1968. Por cortesía de Charles C. Thomas Publisher, Ltd., Springfield, Illinois.
3. Explica el concepto de discriminación de dos puntos. ¿Resulta mejor la discriminación de dos puntos en la palma de la mano o en el muslo? ¿Por qué? ¿Dónde es mejor la capacidad de localizar estímulos, en la palma de la mano o en el muslo? ¿Por qué?
Sistema somatosensitivo El sistema somatosensitivo guarda relación con las sensaciones corporales, como la presión, la temperatura, el dolor y la posición corporal (soma = «cuerpo»). En primer lugar, hablaremos de los tipos de receptores de este sistema.
Receptores somatosensitivos El sistema somatosensitivo responde a una variedad de estímulos que surgen de muchas zonas del organismo, de forma que utiliza muchos tipos de receptores. Por ejemplo, la propiorrecepción de la posición de nuestro organismo precisa de receptores en los músculos, tendones, ligamentos y articulaciones, así como en la piel. Dichos receptores se denominan propiorreceptores, un ejemplo de los cuales es el huso muscular, tratado en el capítulo 9. Las sensaciones somestésicas de estímulos asociados a la superficie del organismo precisan de mecanorreceptores para detectar la presión, la fuerza o la vibración, de termorreceptores para detectar la temperatura, y de nocirreceptores para detectar los estímulos del daño tisular. De todos los sistemas sensoriales, el sistema somatosensitivo tiene la variedad más amplia de tipos de receptores. La tabla 10.3 enumera y caracteriza los diferentes tipos de receptores de la piel. La mayoría de los receptores somatosensitivos de la piel son estructuras especializadas en las terminaciones nerviosas, que se identifican fácilmente con un microscopio óptico. Sin embargo, algunos tipos de receptores somatosensitivos carecen de estructuras especializadas identificables y, por tanto, se deno-
C A P Í T U LO 1 0
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
263
minan terminaciones nerviosas libres. Las estructuras diferentes están diseñadas para responder a modalidades particulares de estímulos que afectan a la piel.
El sonido de un petardo alcanza el oído derecho en primer lugar
Mecanorreceptores de la piel Los distintos tipos de mecanorreceptores de la piel se describen en la figura 10.13. Algunos receptores se localizan en las capas superficiales de la piel cercanas a la epidermis, o la capa exterior de la piel. Entre los receptores superficiales se incluyen los discos de Merkel y los corpúsculos de Meissner. Otros receptores están localizados más profundamente, en la dermis o en capas internas de la piel, entre los que se incluyen los receptores del folículo piloso, los corpúsculos de Pacini y las terminaciones de Ruffini. Los corpúsculos de Meissner se encuentran solo en la piel sin vello, mientras que los receptores del folículo piloso se encuentran solo en la piel con vello. Fíjate en que los mecanorreceptores de adaptación lenta responden a la presión (un estímulo sostenido), mientras que los mecanorreceptores de adaptación rápida responden mejor a la vibración (un estímulo en cambio constante). Fíjate también en que los tamaños de los campos receptores para los distintos mecanorreceptores varían en gran medida y que los campos receptores más pequeños proporcionan una mejor agudeza táctil.
El olor de un petardo alcanza la fosa nasal derecha en primer lugar
0,2 ms
Petardo
FIGURA 10.12 Localización en la audición y el olfato. La localización
Termorreceptores de la piel
de un sonido o un olor depende de la diferencia entre el tiempo en que el estímulo alcanza los oídos izquierdo y derecho o las fosas nasales, respectivamente.
Los termorreceptores responden a la temperatura de las propias terminaciones del receptor y de los tejidos vecinos, y no a la temperatura del aire que los rodea. Existen dos tipos de ter-
TABLA 10.3 Receptores sensoriales de la piel Tipo aferente asociado
Tamaño del campo receptor
Adaptación
Modalidad
Superficial, toda la piel
Pequeño
Lenta
Toque ligero
A-beta
Superficial, toda la piel
Pequeño
Lenta
Presión
Corpúsculo de Pacini
A-beta
Profunda, toda la piel
Grande
Rápida
Vibración
Corpúsculo de Meissner
A-beta
Superficial, piel sin vello
Pequeño
Rápida
Vibración
Receptor de folículo piloso
A-beta
Superficial, piel con vello
Pequeño
Rápida
Doblamiento del vello
Terminación de Ruffini
A-beta
Profunda, piel con vello
Grande
Lenta
Presión
Receptores de calor (terminaciones nerviosas libres)
C
Superficial, toda la piel
Pequeño
Rápida
Aumento de la temperatura de la piel
Receptores de frío
A-delta
Superficial, toda la piel
Pequeño
Rápida
Disminución en la temperatura de la piel
Mecánico (terminaciones nerviosas libres)
A-delta
Superficial, toda la piel
Grande
Lenta
Estímulo mecánico intenso
Térmicas (terminaciones nerviosas libres)
A-delta
Superficial, toda la piel
Pequeño
Rápida
Estímulo caliente o frío intenso
Polimodales (terminaciones nerviosas libres)
C
Superficial, toda la piel
Grande
Lenta
Estímulo térmico o mecánico intenso, sustancias químicas específicas
Clase de receptor
Tipo
Mecanorreceptores
Terminación nerviosa libre
A-delta, C
Disco de Merkel
Termorreceptores
Nocirreceptores
Localización
264
C A P Í T U LO 1 0
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
morreceptores: receptores de calor y Piel con vello Piel sin vello receptores de frío. Los receptores de calor responden a temperaturas Disco entre 30 y 45 °C. La frecuencia de los de Merkel potenciales de acción aumenta a Epidermis medida que la temperatura de la piel se eleva hasta los 45 °C; después, la frecuencia disminuye rápidamente (fig. 10.14a). Los receptores de frío responden a temperaturas entre 35 y Dermis 20 °C. La frecuencia de los potenciales de acción alcanza un punto máximo a una temperatura de la piel de 25 °C (v. fig. 10.14a). Asimismo, los receptores de frío responden a temHipodermis peraturas superiores a 45 °C, un doloroso estímulo caliente, y la frecuencia de los potenciales de acción aumenta Corpúsculo de Pacini a medida que lo hace la temperatura. Corpúsculo de Meissner La percepción del frío con estas temTerminación de Ruffini peraturas calientes se denomina frío Receptor del folículo piloso Terminación nerviosa libre paradójico. Los termorreceptores son terminaFIGURA 10.13 Receptores sensoriales de la piel. ciones nerviosas libres que contienen canales de iones sensibles a la temperatura denominados canales de potentipos de termorreceptores tienen una actividad tónica durante la ciales receptores transitorios (TRP, por sus siglas en inglés). temperatura de reposo. Cuando la temperatura disminuye, Algunos de estos canales se abren o cierran solo como respuesta la frecuencia de los potenciales de acción en los axones asociaa estímulos térmicos, mientras que otros también responden a dos a los receptores de frío aumenta considerablemente, y desestímulos químicos (tabla 10.4). Los canales TRP intervienen en pués disminuye de forma gradual (a medida que los receptores la transducción térmica, así como en la transducción de estímuse adaptan a los cambios de temperatura). Los axones asociados los dolorosos, como se describe en la siguiente sección sobre los a los receptores de calor muestran la respuesta opuesta. La frenocirreceptores. Existen cuatro tipos de canales TRP activacuencia de los potenciales de acción disminuye considerabledos por calor (TRPV1-4) y dos tipos de canales activados por frío mente cuando la temperatura cae, y aumenta con rapidez cuan(TRPM8 y TRPA1). Los TRPV1 y TRPV2 responden a temperado la temperatura vuelve al estado de reposo. De hecho, son los turas superiores a 42 °C y se encuentran en los nocirreceptores. cambios relativos en las respuestas de los receptores de calor y Los TRPV3 y TRPV4 responden a temperaturas entre los 27 °C de frío los que usa el cerebro para interpretar la temperatura del y los 42 °C y se localizan en los receptores de calor. Asimismo, los entorno. TRPV3 responden al alcanfor, una sustancia química natural utilizada tópicamente que induce una sensación de calor. Los receptores TRPM8 responden a temperaturas inferiores a 25 °C Nocirreceptores de la piel y al mentol y el aceite de eucalipto, dos compuestos que inducen una sensación de frío. Los receptores TRPA1 responden a temLos nocirreceptores son los receptores sensoriales responsables peraturas inferiores a 17 °C y al aceite de mostaza, el ajo y la de la transducción de estímulos nocivos que percibimos como canela. dolor. Los nocirreceptores son terminaciones nerviosas libres que Tanto los receptores de frío como los del calor responden responden a los estímulos del daño tisular (o dañinos en potencon rapidez, y responden mejor cuando la temperatura cambia, cia). Existen tres tipos de nocirreceptores: nocirreceptores mecácomo se muestra en la figura 10.14b. Ten en cuenta que los dos nicos, que responden a los estímulos mecánicos intensos, como
TABLA 10.4 Canales iónicos con un potencial de receptor transitorio en los termorreceptores y nocirreceptores Canal
Tipo de receptor
Sensibilidad a la temperatura
Sensibilidad química
TRPV1
Nocirreceptores
42 °C
Capsaicina, H+, alcanfor
TRPV2
Nocirreceptores
52 °C
TRPV3
Receptores de calor
33 °C-38 °C
TRPV4
Receptores de calor
27 °C-42 °C
TRPM8
Receptores de frío*
25 °C
Mentol, aceite de eucalipto
TRPA1
Receptores de frío*
17 °C
Canela, ajo, aceite de mostaza
*La presencia de estos canales en los receptores de frío no se ha mostrado, pero su patrón de respuesta es indicativo de la recepción del frío.
Alcanfor
Frecuencia de los potenciales de acción (Hz)
C A P Í T U LO 1 0
Caliente
15
25
35
45
Temperatura corporal (°C) (a) Respuesta de los termorreceptores a la temperatura estática
Frío
Frecuencia (Hz)
Frecuencia (Hz)
265
químicas que se liberan en los tejidos dañados que son capaces de activar los nocirreceptores polimodales, se encuentran la histamina, la bradicinina y las prostaglandinas. Hemos visto con anterioridad que algunos canales TRP detectan el calor y el frío, y ahora veremos que dos de los canales TRP detectan el calor intenso: TRPV1 y TRPV2 (tabla 10.4). Asimismo, los canales TRPV1 responden al ácido y a la capsaicina, una sustancia química que hace que los chiles piquen.
Corteza somatosensitiva
Frío
5
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
Temperatura de la piel (°C)
Caliente
La percepción de las sensaciones somáticas de todas las partes del organismo comienza en la corteza somatosensitiva primaria (aunque algunos estudios sugieren que algunas percepciones «primitivas» pueden ocurrir en el tálamo). Recuerda del capítulo 9 que la corteza somatosensitiva está orientada topográficamente, es decir, que la información sensorial que proviene de las zonas vecinas del organismo normalmente se proyecta a las zonas vecinas de la corteza. Asimismo, recuerda que el tamaño de la zona de corteza dedicada a las sensaciones somáticas de una zona específica del organismo no es necesariamente proporcional al tamaño de la región corporal, sino más bien a la sensibilidad de la región del organismo. Los labios y las yemas de los dedos, por ejemplo, son zonas muy sensibles, porque tienen umbrales de discriminación de dos puntos pequeños (v. tabla 10.2), y estas regiones corporales también tienen amplias zonas de la corteza somatosensitiva primaria dedicadas a ellas (v. fig. 9.15, pág. 233). Asimismo, recuerda que la corteza cerebral tiene una organización columnar. En la corteza somatosensitiva primaria las columnas verticales se organizan de acuerdo con la modalidad sensorial. Por ejemplo, en la zona de la corteza somatosensitiva primaria, una columna está asociada a la presión del pulgar, otra columna a la vibración en el pulgar, otra columna al frío, y así sucesivamente. La siguiente sección describe las vías a lo largo de las cuales viaja la información desde los receptores a la corteza somatosensitiva primaria.
Vías somatosensitivas
Tiempo (s) (b) Respuesta de los termorreceptores a los cambios de temperatura
FIGURA 10.14 Respuestas de los termorreceptores. (a) La frecuencia de los potenciales de acción en las aferentes asociada a los receptores de frío y calor cuando la temperatura se mantiene a un nivel fijo. (b) La respuesta de los aferentes de los receptores de frío (gráfico superior) y receptores de calor (gráfico medio) hasta una disminución de la temperatura (gráfico inferior).
un golpe en el dedo del pie; nocirreceptores térmicos, que responden al calor intenso (superior a 44 °C), como tocar una estufa caliente, y nocirreceptores polimodales, que responden a una variedad de estímulos, entre los que se incluyen los estímulos mecánicos intensos, el calor intenso, el frío intenso y las sustancias químicas liberadas en los tejidos dañados. Entre las sustancias
Dos vías principales transmiten la información desde los receptores somatosensitivos periféricos al sistema nervioso central: la vía dorsal-lemniscal medial y la vía espinotalámica. Estas vías transmiten diferentes tipos de información sensorial al tálamo y después a la corteza somatosensitiva primaria. En ambos casos, las vías entran en la médula espinal por un lado y cruzan al otro antes de alcanzar al tálamo. Por tanto, la información somatosensitiva del lado derecho se percibe en la corteza somatosensitiva izquierda, y al contrario.
Vía dorsal-lemniscal medial La vía dorsal-lemniscal medial transmite información desde los mecanorreceptores y los propiorreceptores al tálamo. Cruza al otro lado del SNC en el bulbo raquídeo ( fig. 10.15a). En esta vía se originan neuronas de primer orden en la periferia y entran en el asta dorsal de la médula espinal. Los colaterales del axón principal pueden terminar en la médula espinal, comunicándose con interneuronas como las que intervienen en los reflejos espinales. Sin embargo, la principal rama del axón asciende desde la médula espinal hasta el tronco del encéfalo ipsolateral (mismo lado que el estímulo) de las columnas dorsales, que son vías de sustancia blanca que se localizan dor-
266
C A P Í T U LO 1 0
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
sales y mediales al asta dorsal. Las neuronas de primer orden terminan en los núcleos de la columna dorsal, situados en el bulbo, donde establecen sinapsis con neuronas de segundo orden. A continuación, las neuronas de segundo orden cruzan al lado contralateral del bulbo en una vía denominada lemnisco medial, y finalmente ascienden al tálamo. En el tálamo, las neuronas de segundo orden realizan la sinapsis con neuronas de tercer orden, que transmiten información desde el tálamo a la corteza somatosensitiva.
Comprueba tus conocimientos Una persona tiene un accidente de tráfico y se daña la vía de la columna dorsal del lado izquierdo de la médula espinal torácica. Describe los cambios que experimentará esta persona en la percepción sensorial, prestando especial atención a los tipos de deficiencias, su lado (izquierdo o derecho) y su nivel (brazos y/o piernas).
dentro de la médula espinal antes de alcanzar el cerebro (fig. 10.15b). En esta vía, las neuronas de primer orden se originan en la periferia en los termorreceptores o los nocirreceptores y entran en el asta dorsal de la médula espinal. Aquí es posible que las neuronas de primer orden asciendan o desciendan una pequeña distancia (unos pocos segmentos espinales) a lo largo del tracto de Lissauer, pero finalmente realizarán la sinapsis con neuronas de segundo orden en el asta dorsal. Las neuronas de segundo orden cruzan hasta el lado contralateral de la médula espinal, ascienden al cuadrante anterolateral de la médula espinal a través del bulbo raquídeo, y después terminan en el tálamo. En el tálamo, las neuronas de segundo orden realizan sinapsis con neuronas de tercer orden que ascienden a la corteza somatosensitiva.
Comprueba tus conocimientos Una persona tiene un accidente de tráfico y se daña la vía espinotalámica en el lado izquierdo de la médula espinal torácica. Describe los cambios que experimentaría esta persona en la percepción sensorial, prestando especial atención a la modalidad de déficit(s), el lado del déficit (izquierdo o derecho) y el nivel de déficit (brazos y/o piernas).
Vía espinotalámica La vía espinotalámica transmite información desde los termorreceptores y nocirreceptores al tálamo. Cruza al otro lado del SNC
Corteza somatosensitiva primaria
Corteza somatosensitiva primaria Neurona de tercer orden
Neurona de tercer orden Tálamo
Neurona de segundo orden
Neurona de segundo orden
Núcleos de la columna dorsal Bulbo raquídeo Decusación del lemnisco medial Columnas dorsales Médula espinal
Tracto de Lissauer
Neurona de primer orden (aferente)
Cuadrante anterolateral
Propiorreceptores o mecanorreceptores (a) Vía dorsal-lemniscal medial
Nocirreceptores o termorreceptores
(b) Vía espinotalámica
FIGURA 10.15 Las dos vías somatosensitivas. (a) Vía dorsal-lemniscal medial, que transmite información desde los mecanorreceptores y propiorreceptores al SNC. (b) Vía espinotalámica, que transmite información desde los termorreceptores y nocirreceptores al SNC.
Neurona de primer orden (aferente)
C A P Í T U LO 1 0
Percepción del dolor El dolor, una de las sensaciones somestésicas, resulta importante, porque nos enseña a evitar encuentros subsiguientes con estímulos potencialmente dañinos. El dolor resulta importante desde el punto de vista clínico, porque indica que puede haber ocurrido un daño tisular. Por este motivo los mecanismos de la percepción del dolor merecen una especial consideración.
Respuesta al dolor La activación de los nocirreceptores conduce no solo a la percepción del dolor, sino también a una variedad de otras respuestas corporales, entre las que se incluyen una o más de las siguientes: 1) respuestas autónomas, como el aumento de la presión arterial y el ritmo cardíaco, aumento de las concentraciones de adrenalina en la sangre, aumento de la glucosa de la sangre, dilatación de las pupilas del ojo o sudor; 2) respuestas emocionales, como el miedo o la ansiedad, y 3) un alejamiento reflejo del estímulo. El nivel de daño percibido varía considerablemente entre los individuos en función de sus referencias pasadas y las circunstancias en las que se aplica el estímulo. Así, por ejemplo, un dolor de muelas que prácticamente no se nota durante un día lleno de actividad puede resultar insoportable cuando se intenta dormir por la noche. Para comprender mejor cómo puede variar la percepción del dolor, estudiemos más en profundidad los mecanismos de la percepción del dolor. Cada uno de los dos tipos de dolor, dolor rápido y dolor lento, se percibe de forma diferente y se transmite por medio de una clase diferente de neuronas aferentes. El dolor rápido se percibe como una sensación aguda que puede ser fácilmente localizable. Se transmite por medio de fibras AD (A delta), axones delgados ligeramente mielinizados con una velocidad de conducción de aproximadamente 12-30 m/s. El dolor lento se percibe como una sensación vagamente localizada de dolor moderado. Se transmite por medio de fibras C, axones delgados no mielinizados con una velocidad de conducción de 0,2-1,3 m/s. Piensa en la última vez que te cortaste un dedo. A un dolor agudo inicial (dolor rápido), le siguió un dolor moderado prolongado (dolor lento). Los aferentes primarios, sean fibras AD o C, realizan sinapsis con neuronas de segundo orden en el asta dorsal de la médula espinal. En la comunicación entre estas neuronas de primer y segundo orden intervienen distintos neurotransmisores, uno de los cuales es la sustancia P. La sustancia P se libera de las neuronas aferentes primarias y se une a los receptores en neuronas de segundo orden. Las neuronas de segundo orden ascienden al tálamo por medio de la vía espinotalámica, la vía que interviene en la percepción y la discriminación del dolor. Asimismo, los aferentes nocirreceptores activan distintas vías ascendentes que resultan necesarias para la interpretación de los componentes afectivos del dolor. Las vías afectivas ascienden hasta la formación reticular del bulbo raquídeo, el hipotálamo y el sistema límbico.
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
267
ras produce un dolor que se denomina dolor referido (porque se refiere a la superficie corporal). Por ejemplo, una persona que sufre un infarto cardíaco normalmente se queja de un dolor en el lado izquierdo del pecho, el antebrazo y el hombro (no en el propio corazón). El dolor referido se produce porque las neuronas de segundo orden que reciben la información de los aferentes viscerales también reciben información de los aferentes somáticos (fig. 10.16a). Según esta teoría, el cerebro interpreta la información en función de sus experiencias pasadas. A lo largo de la vida de una persona, los aferentes somáticos activan principalmente estas neuronas de segundo orden, y así, el cerebro ha aprendido que estas señales de estas neuronas tienen un origen somático. Cuando una persona sufre un ataque al corazón, el
Hacia el tálamo
Piel
Víscera (corazón) (a) Mecanismo de dolor remitido
Corazón
Esófago
Hígado y vesícula biliar
Estómago
Apéndice
Riñones Colon
Uréteres
Dolor visceral El dolor no se limita a la superficie corporal. Por ejemplo, la mayoría de las personas han sufrido dolor muscular después de un exceso de ejercicio o han experimentado dolor de estómago. Las vísceras están sujetas al daño tisular y los nocirreceptores de los órganos detectan este daño. ¿Qué percibe una persona cuando se le inflama el apéndice o cuando sufre un infarto cardíaco? Normalmente, la activación de los nocirreceptores de las vísce-
(b) Mapa clínico del dolor remitido
FIGURA 10.16 Mecanismos y sitios del dolor referido. (a) El dolor referido se produce cuando los aferentes viscerales y somestésicos convergen en las mismas neuronas de segundo orden de la médula espinal. (b) El dolor en órganos viscerales específicos normalmente se refiere a las zonas de la superficie del organismo indicadas en este mapa.
268
C A P Í T U LO 1 0
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
Señal fuerte enviada al tálamo
Neurona de segundo orden
–
+
Interneurona inhibidora
Columnas dorsales
Señal débil enviada al tálamo
Neurona de segundo orden
Sistema nervioso central
–
+
Interneurona inhibidora
+ –
–
Fibra C Fibra A
Fibra C
Desde los nocirreceptores
Sistema nervioso periférico
(a) Dolor no modulado
Desde los nocirreceptores
Desde los mecanorreceptores de la piel
(b) Modulación del dolor
FIGURA 10.17 Teoría del control de la compuerta del dolor. (a) En la transmisión del dolor no modulada, los colaterales de los aferentes de nocirreceptores (fibras C) inhiben las interneuronas inhibidoras, permitiendo la transmisión de señales de dolor a neuronas de segundo orden del asta dorsal de la médula espinal y, después, al tálamo. (b) En la modulación de la transmisión del dolor, los colaterales de los aferentes de diámetro grande (fibras AB), se ramifican desde los receptores del tacto y la presión excitan la interneurona inhibidora, lo que disminuye la transmisión de señales de dolor.
cerebro interpreta las señales como una molestia somática, porque eso es lo que dichas señales significaron en el pasado. Los médicos utilizan mapas de ubicaciones superficiales del dolor referido (fig. 10.16b) para confirmar que órganos internos pueden estar causando dolor al paciente.
Modulación de las señales de dolor Las señales relativas a la información sensorial se pueden modular a medida que se transmiten a lo largo de vías sensoriales, es decir, la facilitación o atenuación de las señales puede dar como resultado cambios en la percepción final de esa información. Se pueden modular señales sensoriales donde quiera que exista una sinapsis en la vía. Los mecanismos relacionados con la modulación del dolor tienen una importancia clínica profunda, porque el dolor es una queja común de los pacientes. La teoría de la compuerta de la modulación del dolor afirma que las señales somáticas de fuentes no dolorosas pueden inhibir señales de dolor a nivel espinal (fig. 10.17). Entre las difer-
entes interneuronas dentro de la médula espinal se encuentran las interneuronas que inhiben las neuronas de segundo orden que transmiten la información del dolor. Cuando estas interneuronas están activas, se suprime la transmisión de señales de dolor y se reduce la percepción del dolor. Cuando la información relativa a un estímulo doloroso se transmite a la médula espinal por medio de fibras C (v. fig. 10.17a), los colaterales de estas fibras C inhiben la actividad de la interneurona inhibidora, que permite la transmisión hacia la neurona de segundo orden. Sin embargo, la misma interneurona inhibidora se estimula mediante colaterales de aferentes mielinizados de diámetro grande (fibras AB) asociados a estímulos mecánicos como el tacto, la presión y la vibración (v. fig. 10.17b). Si un estímulo mecánico no doloroso se aplica de forma simultánea a un estímulo doloroso, los colaterales de las fibras AB estimulan la interneurona inhibidora, disminuyendo así la transmisión de señales dolorosas. La teoría de la compuerta describe por qué frotar una zona dolorosa alivia el dolor. Asimismo, es la base para la utilización
C A P Í T U LO 1 0
de la estimulación nerviosa eléctrica transcutánea para tratar el dolor, en la que una pequeña corriente aplicada a través de la piel que rodea a un nervio activa aferentes de gran diámetro, lo que alivia ese dolor. La teoría de la compuerta describe cómo las señales aferentes en la médula espinal pueden influir en la percepción del dolor. Asimismo, el cerebro tiene la capacidad de bloquear el dolor o producir analgesia a través de vías descendentes que forman parte de los sistemas endógenos de analgesia bloqueadores del dolor. El dolor puede ser debilitante y hay veces en las que percibir un dolor supone una desventaja. Por ejemplo, los soldados heridos de gravedad tienen menos posibilidades de sobrevivir si son inmovilizados por el dolor, mientras sus vidas siguen en peligro. Estos soldados heridos a menudo pueden mantener su actividad sin percibir dolor, porque los sistemas endógenos de analgesia se vuelven activos y bloquean el dolor, permitiendo que el organismo haga frente a una necesidad más acuciante (la supervivencia). Muchas áreas del cerebro están involucradas en los sistemas endógenos de analgesia. Una de las vías mejor definidas se ilustra en la figura 10.18. Las situaciones estresantes pueden activar una zona del cerebro medio denominada sustancia gris periacueductal. Esta zona se comunica con una zona bulbar denominada el núcleo magno del rafe y con la formación reticular lateral, que se extiende a lo largo de la longitud del tronco del encéfalo. Las neuronas de estas zonas descienden a la médula espinal, donde bloquean la comunicación entre las neuronas aferentes nocirreceptoras y las neuronas de segundo orden, tal como sigue. Recuerda que la sustancia P es un neurotransmisor liberado por los aferentes nocirreceptores que se comunican con neuronas de segundo orden. Las interneuronas inhibidoras de la médula espinal realizan sinapsis en el cuerpo celular y las dendritas de las neuronas de segundo orden, y también en los axones terminales de la neurona aferente nocirreceptora. Estas interneuronas inhibidoras liberan el neurotransmisor opiáceo endógeno encefalina (tratado en el capítulo 8), que se une a los receptores para opiáceos en la neurona de segundo orden e induce los potenciales postsinápticos inhibidores. Asimismo, la encefalina se une a los receptores opiáceos en el axón terminal de la neurona aferente nocirreceptora, lo que inhibe la liberación de la sustancia P. Estas dos acciones suprimen transmisiones de señales desde la neurona aferente a la neurona de segundo orden, disminuyendo así la transmisión de las señales de dolor al cerebro. Estas interneuronas inhibidoras se activan mediante neuronas descendentes del núcleo magno del rafe. Más recientemente, se ha demostrado que la modulación descendente incluye vías que facilitan el dolor. Un ejemplo es la hiperalgesia que se produce cuando una persona está enferma. Varias de las citocinas que inducen síntomas de enfermedad (por ejemplo, fiebre y fatiga) también actúan en zonas del cerebro para incrementar la percepción del dolor. En ocasiones, los sistemas que transmiten o modulan el dolor funcionan mal, dando como resultado un dolor crónico. Un ejemplo es el dolor de miembro fantasma, la percepción de dolor en una extremidad amputada (v. «Conexiones clínicas: Dolor de miembro fantasma»). La importancia de las sensaciones somestésicas, y especialmente del dolor, para la homeostasis resulta obvia cuando miramos los efectos de la diabetes en la salud podal. Cada año, en EE. UU. aproximadamente entre 80.000 y 90.000 individuos con diabetes sufren amputaciones de extremidades como resultado de la enfermedad. El alto nivel de glucosa en sangre daña los nervios periféricos (neuropatía periférica), especialmente
Sistema nervioso: sistemas sensoriales Estrés
269
Hacia el tálamo
Acueducto cerebral Sustancia gris periacueductal
Mesencéfalo
Formación reticular lateral
Vía espinotalámica
Bulbo
Núcleo del rafe magno
Neurona aferente
Neurona de segundo orden Médula espinal
Piel Nocirreceptor Neurona descendiente Neurona aferente
Interneurona Encefalina
Sustancia P
Neurona de segundo orden
FIGURA 10.18 Sistemas endógenos de analgesia. Cuando un estímulo doloroso activa los nocirreceptores, la información se transmite al SNC mediante la vía espinotalámica. Cuando hay estrés, los sistemas endógenos de analgesia pueden bloquear la transmisión de dolor al nivel de la sinapsis entre la neurona aferente nocirreceptora y la neurona de segundo orden, como sigue: la sustancia gris periacueductal del cerebro medio se comunica con la formación reticular lateral y con el núcleo del rafe magno bulbar. Estas regiones tienen neuronas que descienden hasta el asta dorsal de la médula espinal y activan interneuronas inhibidoras que liberan el neurotransmisor encefalina, el cual bloquea la comunicación entre el aferente nocirreceptor y la neurona de segundo orden a través de dos mecanismos: la liberación de la inhibición presináptica de la sustancia P desde el aferente nocirreceptor y la producción de potenciales postsinápticos inhibitorios en la neurona de segundo orden. los que inervan los pies. Se desconoce el mecanismo preciso por el que ocurre el daño, pero las consecuencias son graves. La neuropatía puede conducir a una pérdida de la sensibilidad de los pies. Por tanto, una persona con diabetes puede no sentir las heridas en los pies (ni siquiera una herida menor, como una pequeña ampolla). No sentir las heridas es un peligro, porque los pies podrían no tener los cuidados necesarios y las heridas se pueden infectar. Una infección grave podría conducir a la muerte tisular (gangrena), que podría progresar finalmente hasta el punto de que resulte necesaria una amputación para evitar que se siga extendiendo. Para evitar el riesgo de amputación, los diabéticos necesitan controlar y mantener los niveles de glucosa en sangre y examinar sus pies frecuentemente en busca de sín-
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C A P Í T U LO 1 0
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
CONEXIONES CLÍNICAS
Dolor de miembro fantasma Cuando una persona pierde un brazo o una pierna, el daño puede resultar devastador a nivel psicológico. Para colmo, estos pacientes a menudo sufren dolor crónico, aparentemente originado en la extremidad que ya no tienen. A menudo, una persona con una extremidad amputada percibe otras sensaciones que vienen de la extremidad perdida (denominadas sensaciones fantasma), pero la sensación de dolor es la más debilitante. Más del 50% de las personas con amputaciones perciben algún tipo de dolor de miembro fantasma. En algunos pacientes, el dolor resulta relativamente menor y decrece con el tiempo. En otros, el dolor resulta insoportable y persiste casi de forma constante durante toda su vida. ¿Cómo es posible que una persona pueda sentir algo en una parte del cuerpo de la que carece? Esta pregunta ha dejado perplejos a los médicos durante siglos. Las primeras teorías sugerían que se pueden activar las terminaciones nerviosas del muñón y así producirse la sensación de dolor. No obstante, el dolor inducido mediante estímulos en el muñón produce dolor del muñón, más conocido y más fácil de tratar que el verdadero dolor de miembro fantasma. Teorías más recientes sugieren que los cambios se producen dentro del sistema nervioso central, a través del cual las neuronas de
segundo o tercer orden transmisoras del dolor que ya no reciben información de la extremidad faltante se vuelven más sensibles a otros tipos de información sináptica. Dado que las neuronas reciben información convergente de diversas fuentes, otras sinapsis se vuelven más efectivas al excitar las neuronas de segundo y tercer orden. Así, las neuronas que solían transmitir información acerca de estímulos dolorosos de las extremidades ahora se excitan mediante otra información sináptica no relacionada con la extremidad. Sin embargo, la sensación sigue siendo la de dolor en la extremidad, porque se activa la vía del dolor normalmente procedente de la extremidad. El tratamiento del dolor de miembro fantasma resulta complicado, pues solo un 25% de los pacientes han podido sentir alivio a largo plazo. Los tratamientos contra el dolor crónico tradicional, como los antiinflamatorios y los opiáceos, no han tenido buenos resultados para el dolor de miembro fantasma. Entre otros tratamientos utilizados se incluyen las manipulaciones quirúrgicas, la acupuntura y la estimulación nerviosa eléctrica transcutánea. Los científicos continúan estudiando este asombroso fenómeno que tan desgraciados hace a muchos pacientes, con la esperanza de desarrollar un tratamiento eficaz contra el dolor.
tomas de daños, puesto que las señales somáticas podrían no existir.
Test rápido 10.3 1. Nombra los dos tipos de termorreceptores y describe los tipos de estímulos que los excitan. 2. Nombra los tres tipos de nocirreceptores y describe los tipos de estímulos que los activan. 3. Distingue entre dolor rápido y dolor lento. ¿Qué clase de neurona aferente es responsable del dolor rápido y cuál del dolor lento? 4. ¿Qué tipo de dolor experimenta en el hombro izquierdo una persona que está sufriendo un ataque cardíaco?
Visión Gran parte de lo que aprendemos del mundo lo hacemos a través de la visión. En esta sección examinamos el sistema visual,
Una persona con una amputación puede percibir sensaciones originadas aparentemente en la extremidad perdida.
que nos dota de esta importante capacidad. Comenzaremos con la anatomía del ojo, el órgano sensorial del sistema visual.
Anatomía del ojo Las estructuras importantes del ojo se muestran en la figura 10.19. El ojo se puede dividir en tres capas concéntricas. La capa más externa se compone de la esclerótica y la córnea. La esclerótica, un duro tejido conjuntivo, constituye el «blanco» del ojo. Sin embargo, en la parte frontal del ojo, la esclerótica se continúa con la córnea, una estructura transparente que permite que la luz entre en el ojo. La capa media del ojo se compone de coroides, cuerpo ciliar e iris. La coroides se encuentra debajo de la esclerótica y contiene vasos sanguíneos que nutren la capa interna del ojo, que incluye los fotorreceptores. El cuerpo ciliar contiene los músculos ciliares, unidos al cristalino por medio de unas fibras de tejido conjuntivo denominadas fibras zonulares. El cristalino enfoca la luz de la retina, donde se transduce la información visual. Los músculos ciliares cambian la forma del cristalino
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
271
Músculo
Fóvea
Córnea
Vasos sanguíneos
Disco óptico
Iris Fóvea
Pupila
Disco óptico
Segmento anterior (humor acuoso) Cristalino Fibras zonulares
Vasos sanguíneos Nervio óptico
Cuerpo ciliar Cámara vítrea (humor vítreo)
Esclerótica Coroides Retina
(a)
(b)
FIGURA 10.19 Anatomía del ojo. (a) Estructuras principales del ojo en un corte horizontal. (b) Retina vista mediante un oftalmoscopio.
para que enfoque las ondas de luz. El iris, que se compone de dos capas de músculo liso pigmentado, se localiza delante del cristalino. La pigmentación del iris determina el color del ojo. La pupila es un agujero del centro del iris que permite que la luz acceda a la parte posterior del ojo; no se trata de una estructura. El iris regula el diámetro de la pupila, condicionando así la cantidad de luz que alcanza la parte posterior del ojo. La capa más interna del ojo es la retina. La retina corresponde a un tejido neural y contiene los fotorreceptores, células que detectan las ondas de luz. Los fotorreceptores son de dos tipos: bastones y conos, los cuales detectan la luz tenue y la luz intensa, respectivamente. Por tanto, la retina realiza la fototransducción, la conversión de la energía luminosa en energía eléctrica. Situado justo fuera de la retina y unido a la coroides se encuentra el epitelio pigmentado de la retina. Esta estructura contiene una alta concentración del pigmento negro melanina, que absorbe la luz que incide sobre la parte posterior del ojo, evitando que se vuelva a reflejar a través de la retina. Conviene destacar dos zonas de la retina. Una es la fóvea, la región central de la retina, donde incide la luz del centro del campo visual. (El cristalino transparente enfoca las ondas de luz de la retina, del mismo modo que la lente de una cámara enfoca las ondas de luz en la película.) Por motivos descritos más tarde, la fóvea es la zona de la retina con la mayor agudeza visual. La otra zona destacable es el disco óptico, la porción de la retina donde el nervio óptico y los vasos sanguíneos que lo irrigan atraviesan la retina. Dado que no hay fotorreceptores en el disco óptico, esta zona es un punto ciego, una región donde la luz que incide en la retina no se puede transducir en impulsos neurales y, por tanto, no se puede percibir (en la fig. 10.20 puede verse una demostración). El cristalino y el cuerpo ciliar dividen el ojo en dos cámaras llenas de líquido. Por delante del cristalino y el cuerpo ciliar se
encuentra el segmento anterior, que se divide en una cámara anterior entre la córnea y el iris, y una cámara posterior entre el iris y el cristalino. El segmento anterior contiene un líquido claro y acuoso denominado humor acuoso, que aporta nutrientes a la córnea y el cristalino. La córnea y el cristalino son transparentes, de forma que la luz puede atravesarlos fácilmente. Si estas estructuras dependieran de la sangre para su suministro de nutrientes, la presencia de vasos sanguíneos obstruiría la luz. Detrás del cristalino y el cuerpo ciliar se encuentra el segmento posterior o la cámara vítrea, que contiene un material más firme y gelatinoso denominado humor vítreo, que mantiene la estructura esférica del ojo.
Naturaleza y comportamiento de las ondas de luz La luz es una forma de energía. Específicamente, la luz existe en forma de ondas electromagnéticas. Junto con otras formas de energía electromagnética, entre las que se incluyen las ondas de radio y de televisión, los rayos X y los rayos gamma, la luz forma parte del espectro electromagnético (fig. 10.21). La luz visible comprende aquellas ondas electromagnéticas que tienen longi-
FIGURA 10.20 Punto ciego. Para demostrar el punto ciego, cubre tu ojo derecho y mira al símbolo – con el ojo izquierdo. Mueve el libro cerca del ojo izquierdo mientras sigues mirando al símbolo –. Cuando el libro se encuentre a unos pocos centímetros de tu cara, el símbolo + debería desaparecer porque las ondas de luz que se reflejan de él inciden sobre el disco óptico.
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1012 nm
109 nm
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
Radio
TV
105 nm
Microondas
104 nm
Infrarrojos
750 nm 350 nm 102 nm
750 nm
Luz visible Ultravioleta
1 nm
Rayos X
10–2 nm
Rayos gamma
(a)
350 nm Rayos cósmicos
(b)
FIGURA 10.22 Refracción de las ondas de luz pasando a través de diferentes medios. (a) Pajita en ángulo con la superficie de contacto aire-agua. (b) Pajita perpendicular a la superficie de contacto aire-agua.
FIGURA 10.21 Espectro electromagnético. Los números indican la longitud de onda en nanómetros (1 nm = 1 10–9 m). Se destaca la banda de luz visible.
tudes de onda entre aproximadamente 350 nm y 750 nm; los diferentes colores corresponden a las diferentes longitudes de onda dentro de este rango. Dado que la luz es una onda, exhibe las propiedades normales de las ondas, entre las que se incluyen la reflexión y la refracción. La reflexión es un fenómeno en el que las ondas de luz golpean y rebotan sobre una superficie. La reflexión resulta importante en la vista, porque gran parte de la luz que percibimos se refleja de los objetos que observamos. (También vemos luz emitida, como la luz que viene directamente hasta el ojo desde el sol o una bombilla.) La luz que absorben los objetos no se percibe. Así, percibimos un objeto como verde porque refleja hacia los ojos una luz de una longitud de onda correspondiente al verde (aproximadamente 530 nm), mientras que absorbe el resto de las ondas de luz. La refracción hace referencia a la inclinación que sufren las ondas de luz cuando atraviesan materiales transparentes de diferentes densidades. Esta propiedad resulta importante en la visión, porque en el camino desde los objetos hasta los fotorreceptores de la retina la luz debe pasar a través de varios materiales diferentes, entre los que se incluye el aire, la córnea, el cristalino, y los humores vítreo y acuoso. Dado que la refracción resulta importante al enfocar las ondas de luz de la retina, la vamos a estudiar más en detalle. Intenta esto en casa: coloca una pajita en un vaso de cristal medio lleno de agua y déjala quieta en un ángulo. Orientada así, la pajita parece rota en la superficie de contacto aire-agua (fig. 10.22a). Ahora sujeta la pajita erguida de forma que quede perpendicular a la superficie de contacto aire-agua. La pajita
parece estar entera de nuevo (fig. 10.22b). Las ondas de luz se refractan a medida que viajan de un medio al otro si inciden sobre el segundo medio con un ángulo distinto del perpendicular. El grado de refracción de la luz depende de las diferencias en las densidades de los dos medios y del ángulo de incidencia de la luz. Intenta sujetar la pajita en ángulos diferentes. La figura 10.23 ilustra la refracción de ondas de luz paralelas cuando pasan a través de las superficies cóncava y convexa que a menudo se utilizan en lentes, como las de las gafas o los telescopios. En cualquiera de los tipos de superficie, las ondas de luz que inciden sobre la superficie de forma perpendicular pasan directamente a través de ella. Sin embargo, cuando la luz incide sobre las superficies con otros ángulos, la lente cóncava determina la divergencia de las ondas de luz paralelas (se separan más), mientras que la lente convexa condiciona su convergencia en un único punto denominado punto focal. La distancia entre el eje largo de la lente convexa y el punto focal se denomina longitud focal. Tanto la córnea como el cristalino tienen superficies convexas que hacen converger las ondas de luz que entran en el ojo a la retina, un proceso que resulta necesario para enfocar las imágenes visuales. La figura 10.24 muestra la forma en que las ondas de luz de un objeto visto se proyectan sobre la retina. Para que veamos los objetos enfocados, la luz de un punto dado del campo visual (a lo que miramos) debe converger en un único punto de la retina. Aunque la córnea tiene una mayor potencia de refracción que el cristalino, la potencia de este último puede variar a medida que necesitemos enfocar la luz en la retina. Por ejemplo, para visualizar objetos muy cercanos, el cristalino se hace más redondo, lo que aumenta su potencia de refracción para enfocar la imagen en la retina. La capacidad del cristalino de ajustar su potencia de refracción para visualizar objetos cercanos es un proceso denominado acomodación, que exploraremos a continuación.
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
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Punto focal
Luz
Luz
Longitud focal (a) Superficie cóncava
(b) Superficie convexa
FIGURA 10.23 Refracción de las ondas de luz al pasar a través de superficies curvas. (a) Las superficies cóncavas provocan divergencia de ondas de luz. (b) Las superficies convexas provocan la convergencia de ondas de luz con un punto focal. La distancia desde el eje largo de una lente convexa hasta el punto focal se denomina longitud focal. Cristalino
Córnea Ondas de luz
FIGURA 10.24 Refracción de las ondas de luz en el ojo. Un punto dado en el campo visual se enfoca en un único punto de la retina. La refracción de las ondas de luz mientras pasan a través de la córnea convexa y el cristalino del ojo hace que la imagen se invierta y se revierta en la retina.
Divergencia de los rayos de luz
Rayos de luz casi paralelos
Lente plana para una refracción débil
Lente redonda para refracción fuerte
(a) Visión de un objeto distante
(b) Visión de un objeto cercano
FIGURA 10.25 Enfoque de luz desde una fuente distante y cercana. (a) Las ondas de luz reflejadas desde un objeto distante se acercan a la lente de forma paralela entre sí. Un cristalino relativamente plano (débil) resulta suficiente para hacer converger las ondas de luz en la retina. (b) Las ondas de luz reflejadas desde un objeto directo divergen a media que se acercan al cristalino. Se necesita un cristalino más redondo (fuerte) para hacer converger las ondas de luz en la retina.
Acomodación Para ver con claridad un objeto, la luz que se refleja desde cualquier punto dado del mismo debe converger en un punto único de la retina. Cuando visualizamos algo lejano, las ondas de luz entran en el ojo casi paralelas unas a otras (fig. 10.25a), de forma que se necesita poca potencia de refracción para enfocar la luz en la retina. Sin embargo, las ondas de luz de objetos cercanos divergen cuando entran en el ojo (fig. 10.25b), de forma que se necesita la mayor potencia refractaria de una lente más
redonda para superar esta divergencia y enfocar la luz en la retina. El músculo ciliar dispuesto de forma circular controla la forma del cristalino por medio de la tensión que aplica a las fibras zonulares, que anclan el músculo ciliar al cristalino. Cuando los músculos se contraen, se acorta. Así, cuando el músculo circular se contrae, el diámetro del círculo se hace más pequeño. Para visualizar objetos distantes, el músculo ciliar se relaja, lo que aumenta el diámetro del círculo y tensa las fibras zonulares, lo
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
que da al cristalino una forma plana (fig. 10.26a). Para obtener la acomodación para ver objetos cercanos (fig. 10.26b), el músculo ciliar se contrae, lo que reduce el diámetro del círculo y disminuye la tensión de las fibras zonulares. Dada su elasticidad inherente, el cristalino se vuelve más redondo cuando se reduce la tensión de las fibras zonulares. La acomodación está controlada por el sistema nervioso parasimpático, que desencadena la contracción del músculo ciliar para la visión de objetos cercanos. Cuando no hay actividad parasimpática, el músculo ciliar se relaja.
Músculo ciliar Fibras zonulares Músculo ciliar (relajado)
Cristalino (plano) Pupila
Fibras zonulares (tensas)
Córnea Iris
Cristalino Sin simulación parasimpática (a) Visión lejana de objetos distantes
Músculo ciliar
Defectos clínicos de la visión
Fibras zonulares
Si las ondas de luz no están enfocadas Músculo Cristalino ciliar de forma adecuada en la retina, la (redondo) (contraído) visión resulta borrosa. Existen numePupila rosas causas de visión borrosa y tipos (contraída) Fibras diferentes de lentes correctoras para zonulares Córnea + mejorar la visión. (flojas) Iris Cristalino Entre los defectos visuales más comunes se encuentran la miopía y Estimulación parasimpática (b) Acomodación para la visión de cerca la hipermetropía. En la emetropía, o visión normal (fig. 10.27a), una perFIGURA 10.26 Mecanismo de la acomodación. (a) Visión de objetos distantes. En la ausencia de sona puede ver tanto los objetos disestimulación parasimpática, el músculo ciliar se relaja, poniendo en tensión las fibras zonulares. Las fibras tantes como los cercanos de forma zonulares tiran del cristalino, lo que lo aplana. (b) Acomodación para la visión de cerca. Bajo estimulación clara, porque el ojo puede enfocar la parasimpática, el músculo ciliar se contrae, lo que reduce la tensión en las fibras zonulares y permite al luz proveniente de fuentes lejanas sin cristalino elástico redondearse. acomodación y de fuentes cercanas con acomodación. Tanto en la miona al cristalino libertad de acción suficiente para permitirle acopía como la hipermetropía existe un desajuste entre la potencia modarse ante los objetos cercanos. del cristalino o la córnea y la longitud del globo ocular. El defecOtros muchos defectos clínicos afectan a la capacidad de to podría estar relacionado con el cristalino, la córnea o la lonenfocar la luz en la retina. En el astigmatismo, las irregularidades gitud del globo ocular. de la superficie de la córnea o el cristalino hacen que las ondas de Una persona con miopía (fig. 10.27b) puede ver objetos cerluz se curven de forma errática. La presbicia es un endurecimiencanos de forma clara, pero no objetos distantes, porque el cristo del cristalino que ocurre con el envejecimiento. A medida que talino o la córnea son demasiado fuertes para la longitud del se endurece el cristalino, su pérdida de elasticidad disminuye su globo ocular y curvan los rayos de luz demasiado. En esta situacapacidad para hacerse esférica, lo que hace la acomodación para ción, el ojo puede enfocar objetos cercanos sin acomodación, la visión de cerca más difícil. Una catarata es una opacificación pero la luz de los objetos distantes se enfoca delante de la retina, del cristalino relacionada con la edad que disminuye su transpalo que da como resultado una imagen borrosa. Para corregir la rencia. En el glaucoma, un aumento del volumen del humor miopía, se coloca una lente cóncava delante del ojo. La lente acuoso eleva la presión en la cavidad anterior del globo ocular, lo hace que las ondas de luz diverjan antes de alcanzar el ojo. Con que puede distorsionar la forma de la córnea y cambiar la posiestas condiciones, el ojo se debe acomodar para visualizar los ción del cristalino. El cambio del cristalino puede transmitir el objetos cercanos y los objetos distantes se enfocarán sin acomoaumento de la presión a la cámara vítrea, donde puede comprimir dación. los axones del nervio óptico o los vasos sanguíneos que irrigan la En la hipermetropía (fig. 10.27c), el cristalino o la córnea son retina. Un exceso de presión puede reducir el suministro sanguídemasiado débiles para la longitud del globo ocular. Por tanto, neo de forma importante, lo que provoca ceguera permanente. el ojo solo puede enfocar objetos distantes con acomodación, lo que significa que el cristalino no puede aumentar la acomodación lo suficiente para ajustarse a la visión de cerca. La luz de los objetos cercanos se enfoca detrás de la retina, lo que da como Regulación de la cantidad resultado una imagen borrosa. Para corregir la hipermetropía, se de luz que entra en el ojo coloca una lente convexa delante del ojo. La lente hace que las ondas de luz converjan antes de alcanzar el ojo. Ahora el ojo Los ojos son capaces de regular la cantidad de luz que entra en puede ver objetos distantes sin acomodación, lo que proporcioellos mediante la variación del tamaño de las pupilas. Con luz
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Objeto distante
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
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Objeto cercano
Emetropía
Enfocado en la retina (a)
Enfocado en la retina
Sin acomodación
Acomodación
Objeto distante
Objeto cercano
Miopía (cristalino demasiado potente para la longitud del globo ocular)
Enfocado en la retina
No enfocado en la retina Sin acomodación
Sin acomodación
Miopía corregida con lentes cóncavas (disminuye la potencia de refracción general)
Enfocado en la retina
Enfocado en la retina (b)
Sin acomodación
Acomodación
Objeto distante
Objeto cercano
Hipermetropía (cristalino demasiado débil para la longitud del globo ocular)
Enfocado en la retina Acomodación
Hipermetropía corregida con lentes convexas (aumenta la potencia refractante general) (c)
No enfocado en la retina Acomodación
Enfocado en la retina
Enfocado en la retina Sin acomodación
FIGURA 10.27 Visión normal, de cerca y de lejos. (a) En la emetropía, o visión normal, los objetos distantes se enfocan en la retina sin acomodación y los objetos cercanos se enfocan con acomodación. (b) En la miopía, el cristalino (o la córnea) resulta demasiado potente para la longitud del globo ocular. Los objetos cercanos se enfocan sin acomodación y los lejanos se enfocan delante de la retina incluso sin acomodación. La miopía se puede corregir mediante una lente cóncava para producir
Acomodación
divergencia de las ondas de luz antes de que entren en el ojo. (c) En la hipermetropía, el cristalino (córnea) resulta demasiado débil para la longitud del globo ocular. Los objetos distantes se enfocan con acomodación y los objetos cercanos se enfocan detrás de la retina, incluso con acomodación. La hipermetropía se puede corregir mediante una lente convexa para producir convergencia de las ondas de luz que complementa la convergencia producida en el ojo.
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
Músculo radial externo Iris
Músculo circular interno Pupila
(a) Anatomía del iris y la pupila
+
Estimulación parasimpática del músculo circular
(b) Contracción pupilar
+
Estimulación simpática del músculo radial
(c) Dilatación pupilar
FIGURA 10.28 Regulación de la cantidad de luz que entra en el ojo. (a) El iris, que se compone de dos capas de músculo liso (una capa circular interna y otra radial externa), controla el tamaño de la pupila. El tamaño de la pupila determina la cantidad de luz que entra en el ojo. (b) Contracción pupilar, provocada por la estimulación parasimpática de la capa muscular circular del iris. (c) Dilatación pupilar, provocada por la estimulación simpática de la capa muscular radial del iris.
brillante, las pupilas son pequeñas, o constreñidas, para que los fotorreceptores no se «cieguen» ante tanta luz. En condiciones de luz brillante, las pupilas se pueden encoger hasta unos 2 mm de diámetro. Al contrario, con luz tenue, las pupilas son grandes o dilatadas para permitir entrar más luz, lo que mejora la capacidad de ver. En condiciones de luz tenue, las pupilas se pueden dilatar hasta aproximadamente 7 mm de diámetro. El tamaño de la pupila está controlado por el iris. Recuerda que el iris se compone de dos capas de músculo liso alrededor de la pupila. Estas dos capas de músculo liso son una capa interior del músculo circular, también denominado músculo constrictor, y una capa externa del músculo radial, también denominado músculo dilatador ( fig. 10.28a ). Los músculos circulares forman anillos concéntricos alrededor de las pupilas; cuando se contraen, el diámetro de la pupila disminuye. Por tanto, la contracción de los músculos circulares provoca la contracción pupilar (fig. 10.28b). Los músculos radiales se disponen como los radios de una rueda. Cuando se contraen, el diámetro de la pupila aumenta. Por tanto, la contracción de los músculos radiales provoca la dilatación pupilar (fig. 10.28c). El iris se encuentra bajo el control del sistema nervioso autónomo. Las neuronas parasimpáticas inervan los músculos circulares. La actividad de estas neuronas hace que los músculos circulares se contraigan, produciéndose la constricción pupilar. Las neuronas simpáticas inervan los músculos radiales; la actividad de estas neuronas hace que los músculos radiales se contraigan, produciendo la dilatación pupilar.
Comprueba tus conocimientos Los ojos rojos aparecen en fotos tomadas con flash con luz tenue. El ojo se dilata antes del flash, y el flash es tan rápido que el ojo no lo puede compensar mediante constricción. Cuando entra demasiada luz en el ojo, parte de ella se refleja desde la coroides y fuera del ojo (y de la cámara). Para proteger contra los ojos rojos, algunas cámaras están equipadas con un flash que emite una ráfaga corta de luz antes del verdadero flash de la foto. Explica cómo se evita, de este modo, el fenómeno de los ojos rojos en las fotografías.
Retina La retina, compuesta de un tejido neural, es la ubicación de los fotorreceptores, los bastones y los conos. Los bastones propor-
cionan la capacidad de ver en blanco y negro en condiciones de relativa falta de luz, como bajo la luz de la luna en la noche. Los conos nos proporcionan la visión a color, pero solo intervienen cuando existe una luz relativamente brillante, como la luz del sol durante el día. La retina se compone de tres capas distintas (fig. 10.29): 1) una capa interna, que contiene neuronas denominadas células ganglionares; 2) una capa media, que contiene neuronas denominadas células bipolares, y 3) una capa externa, que contiene bastones y conos. En la capa media también encontramos células amacrinas y células horizontales, neuronas que modulan la comunicación entre las células de la retina. Fíjate en la figura 10.29 que, como los fotorreceptores se encuentran en la capa externa de la retina, la luz debe atravesar las capas interiores y medias antes de golpearlos. Además, los vasos se encuentran en el trayecto de la luz hacia los fotorreceptores. Sin embargo, para permitirle un camino despejado a la luz hasta la fóvea, las células bipolares y ganglionares se desplazan de forma lateral, lo que crea una depresión en el centro de la retina denominada mácula lútea, que rodea la fóvea. La fóvea solo contiene conos. La proporción de los bastones respecto de los conos aumenta con la distancia desde la fóvea, hasta que en la periferia de la retina solo se encuentran bastones (fig. 10.30). Este es el motivo por el que vemos los objetos mejor con luz tenue si no los miramos directamente y por el que los vemos solo en blanco y negro. En la degeneración macular, la visión en el centro del campo visual se deteriora a medida que la gente envejece. Se distinguen dos formas de degeneración macular: seca y húmeda. En la degeneración macular seca, los fotorreceptores de la mácula lútea degeneran por causas desconocidas. Al principio, la visión es borrosa, pero a medida que la enfermedad progresa, la visión en el centro del campo visual se puede perder totalmente. En la degeneración macular húmeda, se desarrollan nuevos vasos sanguíneos (un proceso denominado angiogenia) dentro y detrás de la retina. Estos nuevos vasos sanguíneos resultan frágiles y tienden a estallar. Una causa de la degeneración macular es la retinopatía diabética. La retinopatía diabética puede estar provocada por el desarrollo de nuevos vasos sanguíneos frágiles o por el daño de los vasos sanguíneos existentes, lo que les hace tener fugas. De hecho, a menudo son los optometristas los que diagnostican la diabetes en primer lugar, al notar un exceso de vasos sanguíneos en la retina.
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Células ganglionares
Axones del nervio óptico
Fotorreceptores
Células bipolares
Cono Células horizontales
Células amacrinas
Epitelio pigmentado Bastón de la retina
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Esclerótica Coroides Retina Fóvea Mácula lútea
Luz Nervio óptico Disco óptico
Esclerótica Coroides Capa interna
Capa media
Capa externa
FIGURA 10.29 Anatomía de la retina. Situada en la superficie interior del ojo, la retina se compone de tres capas de tejido neural compuesto por los distintos tipos de células representados. Fíjate en que la luz debe atravesar las capas interna y media de la retina antes de incidir sobre los fotorreceptores de la capa externa. Dentro de la retina se encuentra el epitelio pigmentado de la retina, que absorbe la luz.
Test rápido 10.4
–90°
1. ¿Qué efecto tiene la contracción de los músculos ciliares sobre el cristalino? ¿Permite esto la visión de objetos cercanos o distantes? 2. ¿Qué efectos tienen las dos ramas del sistema nervioso autónomo en el diámetro de la pupila? 3. ¿Dónde se encuentran los humores vítreo y acuoso? ¿Qué función tiene cada uno? 4. ¿Qué tipo de células se encuentran en cada una de las tres capas de la retina?
90°
–45°
45° 0° Fóvea Disco óptico
Fototransducción
–90°
Bastones
Bastones Disco óptico
Número de fotorreceptores por mm2
Conos
Conos
–45°
0°
45°
90°
Fóvea Posición en la retina (relativa a la fóvea)
FIGURA 10.30 Distribución de los bastones y los conos en la retina. La abundancia de conos es superior en la fóvea y disminuye rápidamente al alejarse de ella. Los bastones están ausentes de la fóvea, pero son muy abundantes cerca de ella. Su número disminuye lentamente a medida que aumenta la distancia.
Los bastones y los conos llevan a cabo la fototransducción, la conversión de energía luminosa en señales eléctricas. La morfología básica de los dos tipos de fotorreceptores es la misma; cada uno se compone de dos porciones principales, denominados segmentos externos e internos (fig. 10.31). El segmento externo contiene invaginaciones con discos membranosos cuyas moléculas absorben ondas de luz, lo que da a los fotorreceptores la capacidad de responder a la luz. El segmento interno contiene el núcleo celular y varios orgánulos, y termina en el extremo de la terminal sináptica del receptor, lo que resulta análogo al axón terminal de una neurona ordinaria y es donde un mensajero químico se almacena en las vesículas sinápticas. La absorción de luz es el primer paso de la fototransducción, y la molécula de los fotorreceptores que absorbe la luz es un fotopigmento. Cada uno de los cuatro tipos diferentes de fotorreceptores contiene un fotopigmento diferente. Un tipo de fotopigmento se localiza en los bastones y los otros tres tipos en tres tipos de conos, cada uno de los cuales contiene un fotopigmento que absorbe la luz a partir de un rango particular de longitudes de onda y, por tanto, responde mejor a determinados colores. Los conos L responden a las longitudes de onda más largas, resultando más sensibles a 560 nm, o el espectro rojo. Los conos M responden a las longitudes de onda medias, resultando
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
más sensibles a 530 nm, o el espectro verde. Los conos S responden a longitudes de onda cortas, resultando más sensibles a 420 nm, o el espectro azul. Cada molécula de fotopigmento contiene una porción absorbente de luz denominada retinal y una proteína denominada opsina. La porción retinal es la misma en todos los fotopigmentos, pero el tipo de opsina presente determina las lonDiscos gitudes de onda que absorbe un determinado fotopigmento Segmento exterior mediante la modificación de energías electromagnéticas a las que la porción retinal es sensible. Los cuatro fotopigmentos son la rodopsina en los bastones y la opsina L, opsina M y opsina S en los conos de longitudes de onda largas, medias y cortas, respectivamente. Los componentes de los fotorreceptores que intervienen en la fototransducción se muestran en la figura 10.32, donde se usan bastones como ejemplo. El fotopigmento de los bastones, la rodopsina, se encuentra ubicado en la membrana de los disNúcleos cos. Asimismo, dentro de la membrana del disco se encuentra una proteína G denominada transducina y la enzima fosfodiesSegmento interno terasa, que cataliza la degradación del cGMP (si esta molécula está presente en el citosol, abre los canales de sodio situados en la membrana plasmática del fotorreceptor). Examinemos el proceso de la fototransducción como se proTerminales duce en los bastones. (Se producen procesos similares en los tres Vesículas sinápticas sinápticas tipos de conos, pero intervienen diferentes fotopigmentos.) Bastón Cono Comenzaremos considerando el estado del fotorreceptor en la oscuridad (fig. 10.33a). En la oscuridad, los niveles del mensajeFIGURA 10.31 Morfología de los fotorreceptores. Los bastones y los ro secundario cGMP son altos dentro del segmento externo (1), conos tienen los mismos componentes estructurales básicos: el segmento de forma que el cGMP abre los canales de sodio de la membrana externo se compone de discos que contienen el fotopigmento; el segmento plasmática del segmento externo (2). Por tanto, los iones de interno contiene el núcleo y la mayoría de los orgánulos. La terminal sináptica contiene las vesículas sinápticas, que almacenan un transmisor químico sodio entran en la célula y el fotorreceptor se despolariza (3). utilizado para la comunicación. Esta despolarización se extiende hasta el segmento interno y abre los canales de calcio, que también se encuentran presentes en la membrana plasmática (4). El calcio entra en la célula (5), lo que desencadena la liberación del transmisor por medio de la exocitosis en la oscuridad. El transmisor se comunica con las células bipolares (6). Cuando el fotorreceptor se expone a la luz (fig. 10.33b), la rodopsina absorbe la luz (1). El componente retinal cambia su conformación y se disocia de la opsina (2), dejando lo que se denomina «opsina blanqueada». (Cuando la opsina se blanquea, los fotorreceptores se vuelven menos sensibles a la luz, un fenómeno denominado adaptación a la Líquido del luz.) La opsina blanqueada activa la transRodopsina interior ducina (3), que activa la enzima fosfodiesdel disco terasa (4), que cataliza la descomposición de cGMP. Con la disminución de los niveles de cGMP del segmento externo (5), los canales de sodio Membrana se cierran (6). El potasio que sale de la célula discal Fosfoprovoca una hiperpolarización a la que ya no diesterasa se opone la entrada de sodio en la célula (7). La Retinal hiperpolarización provoca el cierre de los canales de calcio del segmento interno (8). cGMP Degradación Como entra una menor cantidad de calcio a la Citosol Transducina célula, la liberación del transmisor disminuye (9). Por tanto, en presencia de luz se libera menos transmisor desde el terminal del FIGURA 10.32 Componentes de los bastones. El fotopigmento, rodopsina, se encuentra fotorreceptor. La información acerca de la situado en la membrana de los discos apilados situados en el segmento externo del bastón. La presencia de luz se transmite, por tanto, por rodopsina se acopla a una proteína G, denominada transducina, que activa la enzima fosfodiesterasa, medio de una disminución en la transmisión que a su vez cataliza la degradación del cGMP.
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1 El fotopigmento absorbe la luz
Retinal Retinal
2 El retinal y la opsina se disocian 1 Los niveles del cGMP del citosol son altos
cGMP
Na+
K+
Ca2+
Transmisor Célula bipolar
2 Se abren los canales de sodio
3 Se activa la transducina 4 Se activa la fosfodiesterasa Na+ Luz
3 El sodio entra en la célula, lo que provoca una despolarización que se extiende desde el segmento exterior hasta el terminal
K+
4 Los canales de calcio se abren en respuesta a la despolarización
Ca2+
5 El calcio entra en la célula, lo que desencadena la exocitosis del transmisor
7 Con menos sodio entrando en la célula, la célula se hiperpolariza
8 Se cierran los canales de calcio
9 Disminuye la liberación del transmisor 10 El potencial graduado en la célula bipolar se hace más pequeño
6 El transmisor provoca potenciales graduados en la célula bipolar
(a) Estado del fotorreceptor en la oscuridad
5 Los niveles de cGMP del citosol disminuyen 6 Los canales de sodio se cierran
(b) Respuesta del fotorreceptor a la luz
FIGURA 10.33 Fototransducción de la luz. (a) En la oscuridad, los fotorreceptores liberan su transmisor químico. (b) Cuando hay luz, resulta absorbida por el fotopigmento, lo que inicia una secuencia de acontecimientos que disminuye la liberación del transmisor.
de señales a las siguientes células de la vía visual, las células bipolares (10). Conos S
Bastones frente a conos 100
Absorción de luz (% del máximo)
Los bastones y los conos no solo varían en la longitud de onda de la luz a la que responden (fig. 10.34), sino también en el nivel o intensidad de luz que los activa. Los bastones son muy sensibles a la luz tenue (pueden responder a un simple fotón de luz) y son responsables de la visión escotópica o monocromática (en blanco y negro). Sin embargo, bajo la luz brillante se saturan (se blanquean totalmente), esto es, se hiperpolarizan al máximo y, por tanto, no pueden codificar más brillo. En comparación, los conos precisan una mayor intensidad de luz para activarse. Dado que los tres tipos de conos responden a diferentes longitudes de ondas de luz, los conos proporcionan la visión fotópica o a color. La figura 10.35 muestra la respuesta de los bastones y los conos a diferentes niveles de luminosidad (medida de emisión de luz). A niveles bajos de luminosidad, solo los bastones están activos, por lo que solo hay visión escotópica. A altos niveles de luminosidad, solo los conos están activos, por lo que solo hay visión fotópica. Tanto los conos como los bastones están activos a niveles intermedios de luminosidad y posibilitan juntos la visión mesópica. En la tabla 10.5 se comparan los bastones y los conos.
Conos L Bastones Conos M
75
50
25
400
430
500 530 560 Longitud de onda (nm)
600
FIGURA 10.34 Espectros de absorción para los diferentes fotorreceptores. Los bastones pueden absorber luz en la gama más amplia de longitudes de onda. Los espectros de absorción de los tres tipos de conos se solapan.
280
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
C A P Í T U LO 1 0 –6
–4
–2
0
2
4
6
8 Luminosidad (log cd/cm2)
Luz de una estrella
Luz de la luna
Luz interior
Luz del sol Luminosidad de la luz natural sobre blanco
Escotópica
Mesópica
Fotópica Tipo de visión Mayor agudeza visual
FIGURA 10.35 Sensibilidad de los conos y los bastones. Se muestran los niveles de luminosidad de la luz natural y la luz interior normal, y los tipos de visión con estas condiciones de luminosidad. La visión escotópica se produce con la luz de las estrellas y activa solo los bastones, lo que proporciona baja agudeza, imágenes en blanco y negro. La visión mesópica se produce con
Visión a color La visión a color se produce solo con luz brillante, porque la activación de los conos precisa una alta intensidad de luz. Sin embargo, el proceso de la fototransducción en los conos resulta similar al de los bastones y no se describirá aquí. La capacidad de percibir colores se basa en la presencia de tres tipos de conos que responden de la mejor manera a la luz de diferentes tipos de longitudes de onda. En la figura 10.36 se ilustra la necesidad de disponer de más de un tipo de cono para distinguir los colores. Aquí se muestran los espectros de absorción para dos fotorreceptores teóricos, P1 y P2. Consideremos dos colores con longitudes de ondas de 450 y 500 nm. El fotorreceptor P1 no podría distinguir estos colores por sí mismo, porque la absorción de P1 a 450 nm y 500 nm es igual. Sin embargo, estando presentes P1 y P2, la absorción de los dos fotorreceptores dicta que la longitud de onda tendría que ser de 500 nm y no de 450. ¿Cómo nos permiten percibir tres tipos de conos el espectro completo de colores? Cada tipo de cono responde mejor a una longitud de onda específica, pero, asimismo, cada cono responde sobre un rango de longitudes de onda, aunque en grados diferentes (v. fig. 10.34).
P2
Absorción
P1
la luz de la luna y activa los conos y bastones. Sin embargo, son limitadas tanto la agudeza y la visión a color. La visión fotópica se produce a niveles de luz a los que los bastones se saturan y solo los conos están activos, como en la luz artificial y la luz del sol. La visión fotópica proporciona la mayor agudeza y visión a color.
Los conos S o azules resultan más sensibles a la luz a una longitud de onda cercana a 420 nm, los conos M o verdes resultan más sensibles a la luz a una longitud de onda de 530 nm y los conos L o rojos resultan más sensibles a la luz a una longitud de onda de 560 nm (v. fig. 10.34). Sin embargo, dado que el espectro de absorción de los tres tipos de conos se solapa, se pueden percibir muchos colores en función de los patrones de activación de los diferentes conos. Mientras una longitud de onda de luz dada podría provocar una respuesta en más de un tipo de cono, los diferentes conos normalmente responden a diferentes grados. Por tanto, nuestros cerebros disciernen colores diferentes mediante la comparación de las respuestas de los diferentes tipos de conos con cada longitud de onda. Sin embargo, las respuestas relativas de los conos solos no explican totalmente la percepción del color. Por ejemplo, ¿por qué no existen colores como verde rojizo o azul amarillento? Se pueden explicar propiedades como esta por medio de la teoría del proceso oponente, que afirma que rojo y verde, azul y amarillo o blanco y negro son colores opuestos, de forma que la estimulación de un color inhibe el otro. Por tanto, no podemos ver verde rojizo, porque la presencia del verde inhibe la percepción del rojo. La teoría del proceso oponente pertenece al nivel de las células ganglionares, donde el rojo excita algunas células ganglionares en sus campos visuales y el verde las inhibe en las mismas regiones.
TABLA 10.5 Características de los bastones y los conos
450
500 550 Longitud de onda (nm)
FIGURA 10.36 Estado teórico si solo existieran dos tipos de conos. Fíjate en que un cono con las propiedades de P1 no podría distinguir entre colores de 450 nm y 500 nm, y un cono con propiedades P2 no podría distinguir entre colores de 500 y 550 nm. Con los dos conos presentes, P1 y P2 responderían al color de 500 nm y el cerebro sería capaz de distinguir el color mediante la integración de la información desde los dos conos, en lugar de depender de un solo cono.
Bastones
Conos
Tipos de visión
Blanco y negro; noche (luz tenue)
Color; día (luz brillante)
Sensibilidad a la luz
Alta
Baja
Abundancia
100 millones por retina
3 millones por retina
Agudeza visual
Baja
Alta
Lugar de la mayor concentración
Periferia de la retina
Fóvea
Grado de convergencia con células bipolares
Alto
Bajo
C A P Í T U LO 1 0
FIGURA 10.37 Adaptación de colores oponentes. Sigue las instrucciones del texto para observar los colores opuestos.
Asimismo, la teoría del proceso oponente explica el concepto de las imágenes reflejadas. Para observar imágenes reflejadas, haz lo siguiente: mira fijamente a la figura 10.37 durante aproximadamente 30 s y después mira fijamente una hoja en blanco durante otros 30 s. ¿Qué ves? Cuando mirabas el papel en blanco, deberías haber visto los colores oponentes por la adaptación a los colores originales. Recuerda que la mayoría de la luz que percibimos son ondas de luz reflejadas desde los objetos. Vemos en blanco cuando se refleja el espectro completo de ondas de luz en el ojo y se activan los tres conos. Para comprender esta percepción, concentrémonos en lo que ocurrió en la zona del campo visual donde estabas mirando el verde. Mientras mirabas la foto, se activaron los conos verdes o se blanquearon. Al cambiar la vista al papel en blanco, se reflejaron todas las longitudes de onda de luz en el ojo. No obstante, en el campo visual que originalmente detectó el verde, los conos verdes se blanquearon y, por tanto, no respondieron tan fuertemente a las longitudes de onda verdes que estaban presentes en la luz blanca. Con menos inhibición del verde, las señales rojas se transmitieron al SNC más fuertemente y se observó el rojo.
Entrada de la luz a ritmos circadianos Muchos sistemas del organismo varían en función de los ritmos circadianos, como se describe en el capítulo 9. Sin embargo, sin ninguna entrada visual, los ritmos circadianos durarían más de 24 h. Los fotorreceptores que vinculan el ritmo circadiano a los ciclos de luz-oscuridad no son ni los bastones ni los conos. Estos fotorreceptores utilizan un fotopigmento denominado melanopsina.
Blanqueamiento de los fotorreceptores con la luz Con pequeños cambios en la densidad de luz, los ojos se adaptan simplemente por medio de la dilatación y la contracción de
Sistema nervioso: sistemas sensoriales
281
las pupilas, descritas previamente. Con más cambios drásticos en la intensidad de luz, la dilatación y la contracción no resultan suficientes. Recuerda la última vez que fuiste a una sesión matinal en el teatro, donde estaba muy oscuro en el interior. Al salir a la luz del sol, tus ojos quedaron cegados por la intensidad de la luz. De forma similar, cuando una persona se mueve desde el soleado exterior a una sala oscura, la capacidad de ver se dificulta en gran medida. Sin embargo, en ambos casos, los ojos se adaptan en cuestión de minutos para permitir que veamos de forma clara. ¿Qué les permite a nuestros ojos adaptarse a estas variaciones en la intensidad de luz? Al exponerse al brillo de la luz, los bastones se «blanquean», es decir, la mayoría de la rodopsina ha absorbido luz y la opsina se encuentra en forma activa. Por consiguiente, no se puede absorber más luz hasta que la rodopsina vuelva a su estado original o su estado «no blanqueado». (Este es el motivo por el que los conos funcionan con luz tenue.) Con estas condiciones, que corresponden a cuando entramos en una habitación oscura, los bastones son mucho menos sensibles a la luz. El no blanqueamiento de los bastones se produce con luz tenue, cuando la opsina vuelve a su estado inactivo. Esta reasociación del retinal y la opsina dura varios minutos, y después el retinal se vuelve sensible a la luz de nuevo. Por el contrario, los bastones no blanqueados resultan extremadamente sensibles a la luz. Por tanto, cuando hemos estado a oscuras por un período de tiempo y después salimos a la luz del día, la luz estimula a los bastones hasta que se blanquean.
Procesamiento neural en la retina El transmisor liberado de los bastones y conos comunica las señales claras y oscuras a las células bipolares de la retina. Normalmente, existe algún grado de convergencia entre los fotorreceptores y las células bipolares, es decir, más de un fotorreceptor se comunica con una única célula bipolar. Asimismo, ocurre la convergencia entre las células bipolares y las ganglionares. Sin embargo, el alcance de esta convergencia es mayor con los bastones que con los conos. Así, en la fóvea y la mácula, donde predominan los conos, se produce poca convergencia; solo unos pocos fotorreceptores convergen en una célula bipolar. De hecho, en la fóvea, un cono se comunica con una célula bipolar, que se comunica con una célula ganglionar, proporcionando el mayor grado de agudeza visual. Por el contrario, en la periferia de la retina, donde solo existen bastones, miles de bastones convergen en una célula bipolar. Recuerda que, en el sistema somatosensitivo, una menor convergencia da como resultado una mayor agudeza táctil y discriminación de dos puntos. De forma similar, menos convergencia del sistema visual proporciona mayor agudeza visual, porque dos fuentes de luz diferentes se pueden discriminar como fuentes distintas solo si desencadenan respuestas en células separadas a lo largo de la vía visual. En comparación, una mayor convergencia proporciona una mayor sensibilidad a la luz, dada la suma espacial de entradas de luz de varios fotorreceptores en una célula bipolar. Las células bipolares son capaces de transmitir potenciales graduados, pero no potenciales de acción. En algunas sinapsis realizadas entre fotorreceptores y células bipolares, el transmisor es excitatorio (despolariza la célula bipolar), mientras que en otros el transmisor es inhibidor (hiperpolariza la célula bipolar). Por tanto, la luz excita algunas células bipolares e inhibe otras. Además, las sinapsis realizadas entre los fotorreceptores y las células bipolares están sujetas a modulación (excitación o inhibición) por parte de las células horizontales.
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
C A P Í T U LO 1 0
– –
– –
–
– –
–
+ – + + – + + – – – + + – – – – – – –
+ +
– –
+ +
Entorno
+ –
–
+
+
+
+
–
–
+ –
– – +
Centro
+ + + +
+
Cono del entorno
Cono del centro
(a) Célula ganglionar de centro (b) Célula ganglionar de centro activado y contorno desactivado desactivado y contorno activado
–
Cuando se despolarizan, las células bipolares liberan un transmisor que se comunica con las células ganglionares. La mayor parte de la comunicación desde las células bipolares a las ganglionares resulta excitatoria, si bien existen algunas sinapsis inhibidoras. Además, las sinapsis establecidas entre las células bipolares y las ganglionares están sujetas a modulación por parte de células amacrinas. Las células ganglionares son las primeras neuronas de la vía visual que son capaces de transmitir potenciales de acción. Los axones de las células ganglionares conforman el nervio óptico y son las neuronas eferentes de la vía visual. En función de esta descripción, cabría esperar que las propiedades del campo receptor de las células ganglionares fuera complejo, algo que sucede en realidad. El campo receptor de una célula ganglionar es la zona del campo visual en la que un estímulo de luz aumenta o disminuye la frecuencia de los potenciales de acción en la célula. La figura 10.38 muestra los campos receptores de dos tipos de células ganglionares. El primer tipo se denomina célula de centro encendido, contorno apagado (v. fig. 10.38a). En estas células ganglionares, la luz del centro del campo receptor excita la célula («enciende» la célula), mientras que la luz de la zona en torno al campo receptor (el «contorno») inhibe la célula («apaga» la célula). La luz difusa sobre todo el campo receptor produce una pequeña excitación (relativa a la oscuridad difusa). El otro tipo de célula ganglionar es la denominada célula de centro apagado, contorno encendido (v. fig. 10.38b). En estas células ganglionares, la luz en el centro del campo receptor inhibe la célula, mientras que la luz en el contorno la excita. La luz difusa sobre todo el campo receptor produce una pequeña inhibición (relativa a la oscuridad difusa). La figura 10.39 muestra una vía retiniana simplificada en la que las células ganglionares de centro encendido, contorno apagado reciben una entrada visual. En este ejemplo se muestra un cono con su campo receptor en el centro y dos conos con campos receptores en el contorno. El cono central libera un neurotransmisor inhibidor que se comunica con una célula bipolar. Dado que la luz inhibe el cono, la inhibición de una señal inhibidora (desinhibición) da como resultado la excitación de la célula bipolar. La célula bipolar se comunica con la célula ganglionar con un neurotransmisor excitatorio. Así, la luz que afecta al campo receptor de este cono (el centro) excita la célula bipolar y la célula ganglionar. Los conos con campos receptores en el contorno no se comunican directamente con esta célula ganglionar, sino que estos
– –
FIGURA 10.38 Campos receptores de las células ganglionares. Las células ganglionares responden con excitación (+) e inhibición (–) a la luz aplicada al campo visual. (a) Las células ganglionares de centro activado y entorno desactivado responden con excitación a la luz en el centro de su campo receptor. (b) Las células ganglionares de centro desactivado y entorno activado responden con inhibición a la luz en el centro de su campo receptor y con excitación a la luz de la zona del entorno de su campo receptor.
Cono del entorno
Célula bipolar
+ Célula ganglionar de centro activado y entorno desactivado
Al nervio óptico
FIGURA 10.39 Circuito neural que resulta en célula ganglionar de centro activado y entorno desactivado. Una célula ganglionar tiene respuestas diferentes a la luz en el centro de su campo visual y la luz en el entorno (bordes exteriores) de su campo visual. En este ejemplo, la luz en el centro del campo visual excita la célula ganglionar y la luz en el medio inhibe la célula ganglionar. Las células horizontales realizan una inhibición lateral desde los conos que reciben la luz en el entorno hasta la sinapsis entre los conos que reciben la luz en el centro y una célula bipolar.
conos se comunican con células horizontales que inhiben la transmisión entre el cono central y la célula bipolar. La comunicación entre los conos del contorno y las células horizontales resulta excitante. Por tanto, cuando la luz incide en el contorno y se inhiben estos conos, la célula horizontal también se inhibe. Cuando está activa, la célula horizontal inhibe la inhibición (desinhibe) entre el cono central y la célula bipolar, excitando así la célula bipolar. Sin embargo, cuando la célula horizontal se inhibe, la célula bipolar no se excita. De la misma manera, la célula ganglionar no se excita y «se apaga». Los campos receptores de las células ganglionares se hacen incluso más complejos cuando se toma en consideración el color. Por ejemplo, el rojo del centro del campo visual excita algunas células ganglionares y las inhibe en el contorno. El verde inhibe estas mismas células ganglionares en el centro del campo visual y las excita en el contorno. El verde y el rojo son colores oponentes, es decir, no pueden coexistir. La presencia del verde inhibe el rojo y la presencia del rojo inhibe el verde. El azul y el amarillo son también colores oponentes, como lo son el blanco y el negro. Asimismo, la teoría del proceso oponente explica por qué la ceguera para el color se produce en pares, como la ceguera para los colores rojo y verde (v. «Conexiones clínicas: Ceguera para el color»).
Vías neurales para la visión Como se describió anteriormente, las células ganglionares son las neuronas de salida desde la retina, porque generan potenciales de acción que se transmiten al SNC. Los axones de las
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células ganglionares constituyen el nervio óptico (nervio craneal II). Los dos nervios ópticos abandonan cada ojo por el disco óptico y se combinan en la base del cerebro, justo delante del tronco del encéfalo, para formar el quiasma óptico. En el quiasma óptico, la mitad de los axones de cada ojo cruzan al otro lado del cerebro (fig. 10.40). Fíjate en la figura 10.40 que la entrada desde el campo visual izquierdo incide sobre la retina nasal (lado más cercano a la nariz) del ojo izquierdo y la retina temporal (lado más cercano a la cabeza) del ojo derecho. De la misma forma, las aferencias desde el campo visual derecho inciden en la retina nasal del ojo derecho y la retina temporal del ojo izquierdo. Por tanto, los dos ojos reciben información desde los dos campos visuales. En el quiasma óptico, los axones que se originan en las células ganglionares nasales cruzan al lado opuesto, mientras que los axones que se originan en las células ganglionares temporales se quedan en el lugar de origen. El resultado es que, después del quiasma óptico, todas las aferencias del campo visual derecho viajan en axones del lado izquierdo del cerebro y todas las del campo visual izquierdo viajan en axones del lado derecho del cerebro. Aunque los axones siguen siendo los de las células ganglionares, después del quiasma óptico los axones viajan por lo que se denomina cintilla óptica. Las células ganglionares terminan en un núcleo del tálamo denominado cuerpo geniculado lateral, donde establecen sinapsis con neuronas que ascienden a la corteza visual primaria del lóbulo occipital. Las vías provenientes del cuerpo geniculado lateral hasta la corteza visual en los dos lados se denominan radiaciones ópticas.
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Campo visual binocular ual iz o vis p m Ca
quierdo
Campo
visua
l der ech
o
Retina nasal Retina temporal Nervio óptico
Quiasma óptico Cintilla óptica Cuerpo geniculado lateral del tálamo Radiaciones ópticas
Corteza visual primaria
FIGURA 10.40 Vías neurales para la visión.
Comprueba tus conocimientos Describe el defecto visual que ocurriría después de una lesión en cada uno de los siguientes elementos del lado derecho: nervio óptico, cintilla óptica y corteza visual primaria. En la corteza somatosensitiva, la organización topográfica de la corteza es tal que las zonas adyacentes del organismo se representan normalmente en sus zonas adyacentes. Asimismo, la corteza visual tiene una organización topográfica, aunque en este caso el campo visual se mapea sobre la corteza. Recuerda que, en la corteza somatosensitiva, las zonas de la piel que resultan más sensibles (como los labios y las yemas de los dedos) tienen más zonas de la corteza dedicadas a ellas. Igual sucede con el sistema visual, donde la zona de la corteza visual dedicada a la fóvea y la mácula resulta considerablemente mayor que la zona dedicada al campo visual periférico. Debido al cruce de axones del quiasma óptico, el campo visual derecho se mapea sobre la corteza visual izquierda y el campo visual izquierdo se mapea sobre la corteza visual derecha.
Procesamiento paralelo en el sistema visual El sistema visual posee claramente un procesamiento paralelo en el que las vías paralelas transmiten calidades diferentes de un estímulo. Por ejemplo, algunas neuronas de la vía visual transmiten la información acerca del color de un objeto observado, mientras que otras transmiten información acerca de la forma o el movimiento. La codificación permanece totalmente distinta a la de la corteza visual primaria. Sin embargo, las zonas corticales más altas integran las diferentes calidades de un estímulo, de forma que podamos percibir, por ejemplo, un camión de bomberos rojo alejándose rápidamente de nosotros.
Percepción de la profundidad La percepción de la profundidad necesita que el cerebro reciba información de los dos ojos. La figura 10.40 muestra que las imágenes de la mayoría de las zonas de los campos visuales derecho e izquierdo (pero no de todas) son detectadas por los dos ojos. Somos capaces de percibir la profundidad en la porción de los campos visuales que detectan los dos ojos, denominado el campo
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
CONEXIONES CLÍNICAS
Ceguera para el color La capacidad de percibir colores depende de la presencia de tres tipos de conos, cada uno de los cuales responde de forma preferente a una longitud de onda de luz particular. La carencia de uno de los tipos de conos afecta a la capacidad de las personas de percibir colores diferentes, que es la base de la ceguera para los colores. El tipo más común de ceguera para los colores es la ceguera para los colores rojo y verde, en la que estos colores no se pueden distinguir entre sí. Este tipo de ceguera para el color viene normalmente provocada por un defecto genético en los fotopigmentos de los conos rojos y verdes. Los genes que codifican
estos fotopigmentos rojos y verdes son recesivos y están situados en el cromosoma X; dado que los hombres solo tienen un cromosoma X, es más probable que hereden esta característica recesiva. También existe la ceguera para el color azul, pero resulta más extraña y no está vinculada al cromosoma X. Una prueba común para analizar la ceguera para el color utiliza los denominados gráficos de Ishihara. En estos gráficos, hay números escondidos dentro de un patrón de puntos coloreados. Se muestra un ejemplo en la figura. Una persona con visión normal puede identificar el número, pero una persona con ceguera para el color no es capaz de ver el número.
visual binocular. La percepción de la profundidad depende del hecho que los ojos izquierdo y derecho, con sus posiciones diferentes en la cabeza, ven las imágenes desde ángulos ligeramente diferentes. La corteza utiliza estas diferencias para construir una imagen tridimensional del mundo (es decir, una que incluye la profundidad) en lugar de una imagen plana en dos dimensiones. Para probar su capacidad de percibir la profundidad, intenta lo siguiente: sujeta dos lápices a la altura del brazo, uno en cada mano. Con un ojo abierto, intenta tocar la punta de un lápiz con la punta del otro. Repite esta maniobra con los dos ojos abiertos.
Test rápido 10.5 1. Ordena los siguientes componentes de la vía visual de forma que reflejen correctamente la vía de la transmisión de la información visual: cintilla óptica, célula ganglionar, fotorreceptor, radiación óptica, quiasma óptico, célula bipolar, nervio óptico, núcleo geniculado lateral y corteza visual. 2. ¿Cuándo son los niveles de cGMP mayores en los fotorreceptores: cuando están expuestos a la luz o a la oscuridad? ¿Qué efecto tiene el cGMP sobre los canales de sodio del segmento exterior de los fotorreceptores? 3. ¿Cuáles son los dos componentes de las moléculas de fotopigmentos? ¿Cuál de estos componentes absorbe la luz?
Oído y audición Ahora desviamos nuestra atención a los sistemas sensoriales del oído: en primer lugar, el sistema auditivo, que es responsable de la audición, y el aparato vestibular, que es responsable del equilibrio. Aunque el estímulo involucrado varíe, estos dos sistemas sensoria-
les dependen de las células ciliadas para detectar el movimiento de líquido dentro de las cavidades del oído, lo que causa un potencial receptor y libera un transmisor que se comunica con una neurona aferente. Comenzamos nuestro examen del sistema auditivo tomando en consideración la anatomía del oído.
Anatomía del oído El oído se puede dividir en tres partes: oído externo, oído medio y oído interno (fig. 10.41). Los oídos externo y medio son cavidades rellenas de aire, mientras que el oído interno está lleno de líquido. El oído externo incluye el pabellón auricular y el conducto auditivo externo, o conducto auditivo. La función principal del oído externo consiste en reunir las ondas sonoras y conducirlas hacia la membrana timpánica (o tímpano), que separa los oídos externo y medio. La función del oído medio consiste en amplificar las ondas de sonido para preparar la transmisión de las ondas desde el aire a un entorno líquido. Dentro del oído medio se encuentran tres huesecillos denominados martillo, yunque y estribo. Los tres huesecillos se extienden desde la membrana timpánica a una fina membrana denominada ventana oval, que es una conexión entre los oídos medio e interno. La ventana redonda también conecta los oídos medio e interno. La trompa de Eustaquio, que conecta el oído medio con la faringe, o garganta, ayuda a mantener la presión normal en el oído medio. Los cambios de presión que pueden ocurrir en el oído medio mientras volamos o hacemos submarinismo, o durante las infecciones de oído, pueden resultar dolorosos y provocar la rotura de la membrana timpánica si se hacen lo suficientemente grandes. Incluso los cambios de presión moderados pueden modificar la capacidad de oír, porque los cambios
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Conductos semicirculares Huesecillos del oído Ventana oval Martillo Yunque Estribo
Nervio vestibulococlear (nervio craneal VIII)
Pabellón auricular
Cóclea
Conducto auditivo externo (conducto del oído)
Membrana timpánica (tímpano)
Trompa de Eustaquio
Ventana redonda A la faringe
Oído externo
Oído medio
Oído interno
FIGURA 10.41 Anatomía del oído. Principales estructuras del oído externo, el oído medio y el oído interno.
de presión afectan a las vibraciones del sonido. La apertura de la trompa de Eustaquio permite que la presión del oído medio se equilibre con la presión de la faringe, lo que alivia cualquier diferencia de presión a través del tímpano. Tragar o bostezar puede facilitar la apertura de la trompa de Eustaquio. El oído interno contiene estructuras asociadas tanto a la audición como al equilibrio. La cóclea es una estructura en forma de espiral que contiene las células receptoras de la audición. (Las estructuras del aparato vestibular, entre las que se incluyen los conductos semicirculares, se tratan en la sección sobre el equilibrio.) El nervio que contiene los aferentes para la audición y el equilibrio, el nervio craneal VIII, es el nervio vestibulococlear.
Naturaleza de las ondas Las ondas de sonido son ondas mecánicas provocadas por moléculas de aire puestas en movimiento. La figura 10.42a muestra la producción de ondas de sonido por medio de un diapasón. Cuando el diapasón vibra, genera ondas en el aire similares a las producidas cuando tocamos con la mano la superficie de un estanque en calma. Las ondas se componen de zonas donde las moléculas de aire están juntas o comprimidas y de zonas donde las moléculas de aire están apartadas o son menos densas. La figura 10.42b ilustra las propiedades de las ondas de sonido: amplitud y tono. La amplitud de un sonido es proporcional a la diferencia de las densidades de las moléculas de aire entre las zonas de compresión y las de rarefacción. Cuanto mayor es la diferencia de densidades, más alto es el sonido. La amplitud de un sonido se expresa de forma más conveniente en unidades logarítmicas denominadas decibelios (dB) (v. «Caja de herramientas: Decibelios»). El tono del sonido viene determinado por la frecuencia de las ondas sonoras. Las ondas sonoras de baja frecuencia producen sonidos de tono bajo, como los que produce una tuba. Las
ondas de sonido de alta frecuencia producen sonidos de tono alto, como el chirriar de los frenos de un coche. La frecuencia de las ondas de sonido se mide como el número de ondas por segundo, o hercios (Hz). Una persona media puede percibir ondas de sonido con frecuencias entre los 20 y los 20.000 Hz; la mayor sensibilidad auditiva se produce en el rango entre los 1.000 y los 4.000 Hz. La codificación de la amplitud y el tono del sonido se deben mantener mientras las ondas de sonido se mueven desde el oído medio lleno de aire hasta el oído interno lleno de líquido y durante el proceso de transducción del oído interno. La anatomía del oído está diseñada de forma exquisita para sostener la codificación.
Amplificación del sonido en el oído medio Cuando las ondas de sonido acceden al oído, golpean la membrana timpánica haciendo que oscile (vibre) hacia delante y hacia atrás. Las oscilaciones se producen a la misma frecuencia que las de las ondas de sonido, y con una amplitud proporcional a la amplitud de las ondas de sonido. Dado que el martillo, el primero de los pequeños huesecillos, está conectado a la membrana timpánica (fig. 10.43), las oscilaciones de la membrana timpánica hacen que el martillo oscile a la misma frecuencia y con una amplitud que refleja la de las vibraciones de la membrana timpánica. Los tres huesecillos están dispuestos de tal manera que funcionan como una serie de palancas; el movimiento del martillo provoca un mayor movimiento en el yunque, que causa aún un movimiento más grande en el estribo. El efecto neto es la amplificación del movimiento producido por las ondas de sonido iniciales. El estribo está situado encima de la ventana oval de la cóclea llena de líquido, de forma que esas oscilaciones del estribo generan ondas en el líquido de la cóclea. La amplificación de las ondas de sonido mejora la transmisión de las ondas asentadas sobre el aire a ondas asentadas sobre líquido. Asimis-
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Longitud de onda Moléculas de aire
Moléculas de aire en rarefacción
Moléculas de aire en compresión
Rarefacción Compresión
Diapasón en reposo
Diapasón comenzando a vibrar Diapasón vibrando
(a) Generación de ondas de sonido
Frecuencia = 12 Hz (tono más alto)
Frecuencia = 4 Hz (tono más bajo)
Intensidad
Intensidad
Intensidad
0,5 Tiempo (s)
0,5 Tiempo (s)
1
1
(b) Propiedades de las ondas de sonido
FIGURA 10.42 La naturaleza de las ondas sonoras. (a) Las vibraciones producen ondas sonoras que consisten en zonas de moléculas de aire de alta densidad (compresión) separadas por zonas de moléculas de aire de baja densidad (rarefacción). (b) Las ondas de sonido tienen una intensidad (fuerza) y una frecuencia (tono). Huesecillos Martillo
Yunque
Estribo
Ventana oval
Ventana redonda Cóclea
Membrana timpánica
mo, la amplificación se produce cuando las ondas de sonido se transmiten desde la membrana timpánica de gran diámetro a la ventana oval, mucho más pequeña, porque una fuerza dada que actúa sobre una superficie más pequeña produce una mayor presión.
Transducción de señales para el sonido Conducto auditivo externo
Oído externo
La cóclea es el órgano en el cual ocurre la transducción del sonido. A continuación exploraremos la anatomía de la cóclea y consideraremos la forma en que se relaciona con el mecanismo de la transducción del sonido. Oído medio
Oído interno Trompa de Eustaquio
FIGURA 10.43 Estructuras que transmiten las ondas sonoras en el oído medio. Las ondas sonoras golpean la membrana timpánica, lo que inicia la vibración en los huesecillos. El estribo empuja la ventana oval y las vibraciones se transmiten por el líquido de la cóclea.
Anatomía funcional de la cóclea La comprensión de los mecanismos de la transducción del sonido precisa conocer en profundidad la anatomía de la cóclea (fig. 10.44). Desde el exte-
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Cóclea
Ventana oval
Helicotrema Ventana redonda
(a)
(b)
Rampa vestibular Membrana vestibular Membrana tectoria
Estribo en la ventana oval
Membrana basilar Rampa timpánica
Rampa media Ventana redonda Nervio coclear
Membrana tectoria Células
(d)
(c)
ciliadas internas
Estereocilios Células ciliadas externas
Membrana vestibular Rampa media Membrana tectoria
Rampa vestibular 0 mV +80 mV
Órgano de Corti Membrana basilar
Células de soporte
Rampa timpánica 0 mV (f)
(e)
FIGURA 10.44 Cóclea, el lugar de la transducción del sonido. (a, b) Dos vistas externas de la cóclea, una estructura en forma de espiral separada del oído medio en las ventanas oval y redonda. (c, d) Dos vistas internas de una cóclea parcialmente desenroscada, mostrando su separación por dos membranas en tres compartimentos rellenos de líquido. (e) Corte transversal de la cóclea que muestra los tres compartimentos. Situado en la membrana basilar se encuentra el órgano de Corti. (f) Ampliación del órgano de Corti que muestra las células ciliadas con estereocilios incrustados en la membrana tectoria. (g) Microfotografía electrónica de las células ciliadas en la cóclea.
(g)
Membrana basilar
Fibras del nervio coclear
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Decibelios El volumen (amplitud) del sonido se basa en la diferencia de densidad de las moléculas de aire de las zonas de rarefacción y compresión. Dado que el oído funciona en una amplia gama de amplitudes, el volumen normalmente se expresa en unidades logarítmicas conocidas como decibelios (dB). Las medidas en decibelios siempre comparan la proporción de dos intensidades en función de la siguiente ecuación:
En la tabla figuran las intensidades de varios sonidos familiares. Los sonidos que se acercan a los 100 dB crean el potencial para la pérdida de audición; los sonidos entre 130 y 140 dB se acercan al umbral del dolor.
Intensidades de algunos sonidos familiares 20 log amplitud del sonido Intensidad (dB) = amplitud de referencia
Sonido Manecillas de un reloj
En la audición, la amplitud de referencia es el umbral de la audición normal (es decir, la amplitud mínima que los humanos pueden percibir) y se le da un valor de 1. Así, con el denominador puesto en 1, la ecuación cambia a Intensidad (dB) = 20 log (amplitud del sonido.) En el umbral amplitud, el número de decibelios es 0 [20 log(1) = 0]. Un sonido que es 10 veces el umbral de la audición tiene 20 dB [20 log(10) = 20], mientras que un sonido que es 100.000 veces el umbral tiene 100 dB [20 log(100.000) = 100].
rior (v. fig. 10.44a,b), la cóclea parece una concha marina en espiral. El punto en el extremo de la espiral se denomina helicotrema. Para representar el interior de la cóclea, la espiral de la figura 10.44d está parcialmente desenrollada. En las figuras 10.44d y e se muestra una sección transversal de la cóclea. Dentro de la cóclea hay dos membranas que la separan en tres compartimentos llenos de líquido: la membrana vestibular y la membrana basilar separan la cóclea en la rampa vestibular, la rampa del tímpano y la rampa media. Las rampas vestibular y basilar se unen en el helicotrema. Por tanto, existe una apertura entre la rampa vestibular y la rampa del tímpano en el helicotrema. El líquido de la rampa vestibular y la rampa del tímpano se denomina perilinfa. Es diferente del líquido de la rampa media, que se denomina endolinfa. La perilinfa tiene una composición similar al líquido cefalorraquídeo, pero la endolinfa tiene una composición más cercana al líquido intracelular, con una alta concentración de iones de potasio y una baja concentración de iones de sodio. Además, existe un potencial eléctrico en la endolinfa relativo a la perilinfa, denominado potencial endococlear, que es aproximadamente +80 mV. La cóclea es una estructura cerrada, llena de líquido, separada del oído medio en las ventanas oval y redonda. Dado que no se puede comprimir el líquido, para generar ondas en la perilinfa se necesita movimiento dentro del sistema sin cambiar el volumen. Cuando las vibraciones se producen en la ventana oval, se generan ondas en la perilinfa de la rampa vestibular y viajan a través de la rampa del tímpano, donde provocan el movimiento de la ventana redonda. Así, el movimiento de la ventana oval que tendería a cambiar el volumen de la perilinfa es opuesto al movimiento de la ventana redonda, el cual disipa la energía de la onda. Consideremos la siguiente analogía: si llenamos una jeringuilla con agua y tapamos la apertura, no podre-
Música en un ascensor Conversación
Intensidad (dB) 20 40 50-60
Alarma de un reloj
80
Concierto de rock
100
Taladradora
110
Hélice de un avión
120
Avión a reacción
130
mos mover el émbolo, porque el agua no se puede expandir ni comprimir. Sin embargo, si conectamos dos jeringuillas llenas de agua con un tubo, podemos empujar hacia abajo un émbolo, porque la fuerza resultante empuja hacia arriba el otro émbolo. Esta disposición nos permite mover el émbolo hacia delante y hacia atrás, a pesar de que el agua permanece a un volumen constante.
Anatomía funcional del órgano de Corti El órgano de Corti, el órgano sensorial del sonido, se localiza encima de la membrana basilar (v. fig. 10.44f). El órgano de Corti contiene células ciliadas, células de soporte y una membrana que lo rodea denominada membrana tectoria. Las células ciliadas fueron denominadas así debido a sus proyecciones semejantes a los cabellos, denominadas estereocilios, cuyas puntas se encuentran incrustadas en la membrana tectoria. Existen tres filas de células ciliadas externas y una fila de células ciliadas internas. Las ondas de sonido provocan que los estereocilios de las células ciliadas internas se inclinen, lo que supone el comienzo de la transducción sensorial. Las células ciliadas externas modulan la sensibilidad de las células ciliadas internas y, por tanto, reciben principalmente la inervación eferente. Solo se describirá en detalle la actividad de las células ciliadas internas. El medio ambiente interno de las células ciliadas y el que las rodea difiere del entorno de la mayoría de las otras células del organismo. La figura 10.44e muestra el potencial +80 mV localizado en la endolinfa de la rampa media en relación con la perilinfa de la rampa timpánica y vestibular. Las células ciliadas presentan un potencial de membrana de aproximadamente –70 mV. Recuerda también que la endolinfa es rica en iones de potasio. Los estereocilios de las células ciliadas están rodeados por la
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
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Perilinfa en la rampa vestibular Martillo Yunque Estribo en la ventana oval Membrana basilar
Membrana timpánica
Endolinfa en la rampa media Perilinfa en la rampa timpánica Ondas de sonido en el conducto auditivo
Ventana redonda
(a)
Membrana vestibular Membrana tectoria Estereocilios Célula ciliada
(b)
Rampa media
Membrana basilar Nervio coclear
FIGURA 10.45 Conducción de las ondas sonoras en el oído. (a) Las ondas sonoras que entran en el oído a través del pabellón auricular y el conducto auditivo externo golpean la membrana timpánica, haciéndola vibrar. Los huesecillos vibran en respuesta a la membrana timpánica y transmiten las vibraciones a la ventana oval. La ventana oval que vibra provoca ondas en el
líquido (perilinfa) de la cóclea. (b) Las ondas en la perilinfa provocan el desplazamiento de las membranas de la cóclea. Cuando las membranas oscilan, los estereocilios de las células ciliadas se inclinan, lo que provoca la apertura o el cierre de los canales de potasio.
endolinfa, mientras que el resto de las células ciliadas está rodeado por la perilinfa. Dentro de los estereocilios se encuentran los canales de potasio regulados de forma mecánica. La presencia del potencial endococlear y la alta concentración de potasio producen una fuerza electroquímica que empuja al potasio hacia los estereocilios. A continuación se describirá la importancia de estas fuerzas electroquímicas en el movimiento del potasio en la transducción de señales.
concentración de potasio en la endolinfa, la fuerza electroquímica sobre los iones potasio actúa para introducirlos en los estereocilios de las células ciliadas. Por tanto, la apertura de canales de potasio hace que el potasio entre en la célula ciliada por difusión, lo que provoca la despolarización. Por el contrario, el cierre de los canales de potasio evita que el potasio difunda dentro de la célula ciliada, lo que provoca la hiperpolarización. La figura 10.46 muestra cómo la inclinación de los estereocilios hace que los canales de potasio se abran o se cierren. Ten en cuenta que los estereocilios están unidos por filamentos proteicos elásticos y tienen tamaños diferentes, de forma que un lado de la célula ciliada tiene los estereocilios más altos. Cuando los estereocilios se encuentran rectos (no hay ondas de sonido), la tensión en los filamentos elásticos mantiene los canales de potasio en un estado parcialmente abierto, lo que permite que parte del potasio difunda por la célula ciliada y la despolarice en parte (v. fig. 10.46a). Esta despolarización parcial de la célula ciliada en reposo provoca la apertura de alguno de los canales de calcio en ella, de forma que el calcio entra en la célula y causa la liberación del transmisor mediante exocitosis. El transmisor se comunica con una neurona aferente que forma parte del nervio
Transducción del sonido por las células ciliadas internas La figura 10.45a muestra la conducción de ondas de sonido hacia la perilinfa del oído interno. La energía proveniente de ondas en la perilinfa hace que las membranas vestibular y basilar se muevan una respecto a la otra (fig. 10.45b), lo que provoca que los estereocilios se muevan hacia atrás y hacia delante. Fíjate en la figura 10.46 que las puntas de los estereocilios están unidas por puentes de proteínas, de forma que los estereocilios se mueven simultáneamente. Según la dirección en la que se inclinen los estereocilios, los canales de potasio de las células ciliadas se abren o se cierran. Dado el potencial coclear y la alta
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales Membrana vestibular 0 mV Membrana tectoria K+
+80 mV Membrana basilar
Unión de las puntas K+
K+ K+ K+
Puente de proteínas
K+
K+
Estereocilios
K+ K+ Canales K+ regulados de forma mecánica
Ca2+
Ca2+
Ca2+ Canales de calcio controlados por voltaje
(a) En reposo (despolarizado parcialmente)
(b) Despolarizado
Tiempo
Potencial de la membrana (mV)
Tiempo
Potencial de la membrana (mV)
Potencial de la membrana (mV)
Ca2+
Tiempo
(c) Hiperpolarizado
FIGURA 10.46 Funciones de los estereocilios en la transducción de sonido realizadas por las células ciliadas. (a) Los canales de potasio regulados de forma mecánica de los estereocilios se abren de forma parcial cuando la célula está en reposo (los estereocilios están rectos) y los iones de potasio entran en la célula, lo que produce una pequeña despolarización que resulta suficiente para liberar un transmisor que se comunica con la neurona aferente; el resultado es una baja frecuencia de potenciales de acción.
(b) Cuando los estereocilios se inclinan hacia el estereocilio más alto, los canales se abren más y más iones de potasio entran en la célula, lo que produce una mayor despolarización y una frecuencia más alta de potenciales de acción en la neurona aferente. (c) Cuando los estereocilios se inclinan alejándose del estereocilio más alto, los canales de potasio se cierran y poco potasio puede entrar en la célula. Se liberan menos transmisores y la frecuencia de los potenciales de acción de la neurona aferente disminuye.
coclear, lo que da como resultado una baja frecuencia de potenciales de acción (v. fig. 10.45b). Cuando los estereocilios se inclinan hacia el estereocilio más largo (v. fig. 10.46b), aumenta la tensión sobre los filamentos elásticos y los canales de potasio se abren más. Más potasio difunde por la celula ciliada, lo que produce un estado más despolarizado. Se abren más canales de calcio, lo que permite la
liberación de más transmisores, aumentando así la frecuencia de los potenciales de acción en la neurona aferente. Cuando los estereocilios se inclinan en dirección opuesta al estereocilio más largo, los filamentos se aflojan y los canales de potasio se cierran (v. fig. 10.46c). Con los canales de potasio cerrados, el potasio no se puede difundir por la célula y la esta se hiperpolariza en comparación con el estado de reposo. En estas
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Membrana basilar
Helicotrema
Ventana oval
Ventana redonda
Sonido de baja frecuencia
Amplitud de la membrana basilar
Sonido de alta frecuencia
Cerca de la ventana oval, la membrana basilar es estrecha y rígida
Cerca del helicotrema, la membrana basilar es amplia y flexible
20.000 Hz 1.500 Hz Cerca de la ventana oval
500 Hz
20 Hz Cerca del helicotrema
Frecuencia de la vibración en las diferentes regiones de la membrana
FIGURA 10.47 Codificación de la frecuencia de sonido. La frecuencia de sonido se codifica en función de la ubicación a lo largo de la membrana basilar de las células ciliadas activadas. Las variaciones en la amplitud y flexibilidad de la membrana basilar a lo largo de su longitud dictan que los sonidos de alta frecuencia provocan desviaciones cerca de la ventana oval, mientras que los sonidos de baja frecuencia causan desviaciones cerca del helicotrema. condiciones, los canales de calcio se cierran y se liberan menos transmisores, disminuyendo así la frecuencia de los potenciales de acción en la neurona aferente.
Codificación de la intensidad del sonido y el tono en la cóclea Dado que los potenciales de receptor se producen mediante la inclinación de los estereocilios, ¿cómo se codifican la intensidad y el tono del sonido? Los sonidos más altos hacen que los estereocilios se inclinen más en cualquiera de las direcciones, provocando mayores cambios en el número de canales de potasio abiertos. Esto da como resultado potenciales de receptor más grandes y variaciones más grandes en la liberación del transmisor. La codificación de la frecuencia del sonido se basa en la ubicación de las células ciliadas en la membrana basilar. Las ondas de sonido de frecuencias diferentes provocan la desviación de la membrana basilar en diferentes regiones, porque la estructura de la membrana basilar es rígida y estrecha cerca de las ventanas oval y redonda, y ancha y flexible cerca del helicotrema (fig. 10.47). Por tanto, las ondas de sonido de alta frecuencia asociadas a un tono alto provocan la mayor desviación de la membrana basilar en la región más cercana a las ventanas oval y redonda, lo que activa las células ciliadas situadas en esta región. Las ondas de sonido de baja frecuencia, por el contrario, provocan la mayor desviación de la membrana basilar en la región más cercana al helicotrema, lo que activa las células ciliadas situadas en esta región de la membrana basilar. Por tanto, la frecuencia del sonido se codifica en función de la célula ciliada que se active más fuertemente.
Vías neurales del sonido El transmisor liberado desde las células ciliadas se une a los receptores en las neuronas aferentes del nervio coclear, parte del nervio craneal VIII. El transmisor de la célula ciliada despolariza la neurona aferente. Cuanto mayor es el grado de despolarización, mayor es la frecuencia de los potenciales de acción de la neurona aferente, la cual codifica la intensidad del sonido. Las neuronas aferentes terminan en núcleos cocleares situados en el bulbo raquídeo. Las neuronas de los núcleos cocleares viajan tanto en sentido ipsolateral como contralateral a otros núcleos del tronco del encéfalo, que funcionan como transmisores para el cuerpo geniculado medial del tálamo. Las neuronas del geniculado medial viajan a la corteza auditiva del lóbulo temporal. El cerebro compara el momento de aparición de las señales ipsolaterales y contralaterales para determinar la dirección del sonido. Al igual que otros sistemas sensoriales, la corteza auditiva tiene una organización topográfica. Su organización es tonotópica, esto es, mapea la frecuencia del sonido.
Test rápido 10.6 1. Explica cómo se codifica el tono de un sonido. ¿Cómo se codifica la intensidad del sonido? 2. Cuando los estereocilios de las células ciliadas se inclinan en una dirección determinada, ¿qué ion entra en ellas para despolarizarlas?
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
Oído y equilibrio En la sección anterior hablamos sobre la anatomía del oído en su relación con la transducción de ondas de sonido. Esta sección presenta la anatomía del oído en lo relativo a la capacidad de detectar la aceleración del cuerpo y la posición de la cabeza (información necesaria para poder mantener el equilibrio). La aceleración es un cambio en la velocidad de un objeto, que depende de su velocidad y dirección. Un cambio en la velocidad sin un cambio en la dirección se denomina aceleración lineal. Ocurre, por ejemplo, en un coche que está incrementando su velocidad mientras se mueve en una línea recta. Sin embargo, la aceleración también se produce cuando el coche gira, incluso si su velocidad permanece constante. Este tipo de aceleración se denomina aceleración rotacional.
Anatomía del aparato vestibular
Conductos semicirculares
El aparato vestibular está situado en las cavidades de los huesos temporales denominados laberinto óseo. Dado que el aparato vestibular se compone de estructuras rodeadas de membrana dentro del laberinto óseo, estas estructuras también se denominan laberinto membranoso (la cóclea también forma parte del laberinto membranoso). El laberinto membranoso está lleno de endolinfa, mientras que el espacio entre el laberinto membranoso y el laberinto óseo contiene perilinfa. Fíjate en que estos líquidos son los mismos que los que se encuentran en la cóclea. La figura 10.48 proporciona una imagen ampliada del aparato vestibular del oído interno. El aparato vestibular se compone de los conductos semicirculares, y el utrículo y el sáculo. Fíjate en la figura 10.48 que los tres conductos semicirculares de cada oído, que detectan la aceleración rotacional, están orientados en planos perpendiculares entre sí, lo que les permite detectar movimientos rotatorios de la cabeza en tres planos. El conducto anterior detecta la rotación de la cabeza hacia arriba
Conducto anterior Conducto lateral Conducto posterior
Utrículo Cóclea Sáculo
Cúpula
Ampollas
FIGURA 10.48 Anatomía del aparato vestibular del oído interno. El aparato vestibular comprende los tres conductos semicirculares, el utrículo y el sáculo. Las células ciliadas que detectan la aceleración rotacional están situadas en las ampollas de los conductos semicirculares.
y abajo, como cuando asentimos con la cabeza. El posterior detecta la rotación de la cabeza hacia arriba y abajo de lado, como cuando movemos la oreja hacia el hombro. El conducto lateral detecta la rotación de la cabeza de lado a lado, como cuando giramos la cabeza para decir «no». El utrículo y el sáculo detectan la aceleración lineal; el utrículo detecta la aceleración hacia delante y hacia atrás, mientras que el sáculo la detecta hacia arriba y abajo.
Conductos semicirculares y transducción de la rotación Las células receptoras de la aceleración rotacional son otro tipo de células ciliadas situadas en la ampolla, una zona alargada en la base de cada conducto semicircular (fig. 10.49a). En la base de cada ampolla se encuentra la cresta, que contiene las células de soporte y las células ciliadas. Rodeando la cresta se encuentra la cúpula, una zona gelatinosa separada de la endolinfa por una membrana. Entre las células de soporte en la base de la cúpula se encuentran células ciliadas parecidas a las de la cóclea y que cuentan con estereocilios que se proyectan hacia arriba en la cúpula (fig. 10.49b). Sin embargo, uno de los estereocilios resulta mucho más grande que los otros y se denomina cinetocilio. Como en la audición, la inclinación mecánica de los estereocilios hace que los canales de iones se abran o cierren, dando como resultado un cambio en el potencial de la membrana de las células ciliadas. A continuación examinaremos la forma en que una rotación puede hacer que los estereocilios se inclinen. Cuando la cabeza se encuentra en reposo (fig. 10.49c), ninguna fuerza actúa sobre la cúpula, de forma que los estereocilios se encuentran rectos. En este caso, las células ciliadas se encuentran despolarizadas parcialmente, lo que genera unos potenciales de acción de baja frecuencia en las neuronas aferentes asociadas. Cuando la cabeza comienza a rotar, el laberinto óseo gira con ella, pero la endolinfa va por detrás del movimiento de la cabeza, ejerciendo una fuerza sobre la cúpula y haciendo que los estereocilios se inclinen, en la dirección opuesta de la rotación. Cuando la dirección de la rotación hacer que los estereocilios se inclinen alejándose del cinetocilio (fig. 10.49d), la célula ciliada se hiperpolariza y la frecuencia de los potenciales de acción en la neurona aferente se reduce. Cuando la cabeza gira de tal forma que los estereocilios se inclinan hacia el cinetocilio (fig. 10.49e), las células ciliadas se despolarizan y la frecuencia de los potenciales de acción de las neuronas aferentes aumenta. Fíjate en que cuando la cabeza continúa girando a una velocidad constante (v. fig. 10.49c), el movimiento del líquido finalmente se equipara con el movimiento del laberinto óseo. En ese caso, no hay ninguna fuerza actuando sobre la cúpula, de forma que los estereocilios ya no están inclinados y la frecuencia de los potenciales de acción vuelve a ser la que se produce cuando la cabeza se encuentra en reposo. Así, los conductos semicirculares detectan solo los cambios en la velocidad de rotación, no la rotación constante. ¿Qué ocurría cuando de niño girabas para marearte y después dejabas de girar? Cuando la rotación constante se detiene de repente, la cabeza y el laberinto óseo también lo hacen, pero la endolinfa continúa moviéndose durante un tiempo. Por tanto, durante un tiempo detecta la rotación aunque estés parado, si bien parece que está ocurriendo en la dirección opuesta a la de la rotación original.
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Ampolla Conducto semicircular
Endolinfa
Cúpula
Cinetocilio
Endolinfa Estereocilios
Ampolla
Cúpula Célula ciliada
Células de apoyo
Crestas
Célula ciliada
Nervio vestibular (a)
Aferentes del nervio vestibular
(b)
Presión desde la endolinfa Aferente vestibular Rotación de la cabeza
Tiempo (c) Reposo o ritmo constante de movimiento
Potencial de la membrana (mV)
Rotación de la cabeza
Potencial de la membrana (mV)
Potencial de la membrana (mV)
Ampolla
Presión desde la endolinfa
Tiempo (d) Aceleración
Tiempo (e) Aceleración
FIGURA 10.49 Anatomía funcional de los conductos semicirculares. (a) Dentro de las ampollas situadas en la base de cada conducto semicircular se encuentra la cúpula, una zona gelatinosa separada de la endolinfa por una membrana. (b) Las células ciliadas, receptoras de la aceleración, tienen estereocilios que se extienden hasta la cúpula gelatinosa; el estereocilio más largo es el cinetocilio. Las células ciliadas se comunican con las neuronas aferentes. (c) Cuando la cabeza está en reposo o se mueve a un ritmo constante, ninguna fuerza neta actúa sobre la cúpula y los estereocilios se encuentran erguidos. Las células ciliadas están parcialmente despolarizadas, lo que libera algún transmisor químico y provoca una baja frecuencia de potenciales de acción en la neurona aferente. (d) Durante la aceleración de la cabeza, la inercia
del líquido hace que este se retrase con respecto al movimiento de la cabeza. Al ser así, empuja contra la cúpula en la dirección opuesta a la de la rotación, lo que hace que los estereocilios se inclinen. Cuando los estereocilios se doblan alejándose del cinetocilio, la célula ciliada se hiperpolariza y la frecuencia de los potenciales de acción de la neurona aferente disminuyen. (e) Durante la aceleración de la cabeza en la dirección opuesta, los estereocilios se inclinan hacia el cinetocilio, las células ciliadas se despolarizan y la frecuencia de los potenciales de acción de la neurona aferente aumenta.
Utrículo y sáculo y transducción de la aceleración lineal
encuentran los otolitos, pequeños cristales de carbonato de calcio que añaden masa a la materia gelatinosa. Las células ciliadas del utrículo están orientadas en filas horizontales en la cabeza, con los estereocilios extendiéndose hacia arriba de forma vertical. Las células ciliadas del sáculo están orientadas en filas verticales en la cabeza, de forma que los estereocilios están orientados de forma horizontal. Debido a estas orientaciones, el utrículo detecta la aceleración lineal hacia delante y atrás, mientras que el sáculo detecta la aceleración lineal hacia arriba y abajo. La figura 10.50b-d ilustra la inclinación de los estereocilios dentro del utrículo durante la aceleración lineal hacia delante y
El utrículo y el sáculo funcionan de una forma similar a los conductos semicirculares, en el sentido de que contienen células ciliadas con estereocilios que se inclinan, pero su anatomía es, en cierto, modo diferente. El utrículo y el sáculo, que son protuberancias situadas entre el conducto semicircular y la cóclea del oído interno (v. fig. 10.48), tienen células ciliadas con estereocilios que se extienden hasta una materia gelatinosa (fig. 10.50). Dentro de los bordes superiores de la materia gelatinosa se
P ¿De qué tipo de proteína filamentosa están compuestos los esterocilios?
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Otolitos Cinetocilio
Capa gelatinosa
Estereocilios
Célula ciliada
Células de soporte
Aferentes del nervio vestibular
Tiempo
Tiempo
(c) Aceleración hacia delante
Tiempo (e) Cabeza erguida
Tiempo (d) Aceleración hacia atrás
Potencial de la membrana (mV)
Potencial de la membrana (mV)
(b) Reposo o movimiento constante
Potencial de la membrana (mV)
Potencial de la membrana (mV)
Potencial de la membrana (mV)
(a)
Tiempo (f) Cabeza inclinada hacia delante
FIGURA 10.50 Anatomía funcional del utrículo y el sáculo. (a) Las células receptoras de la aceleración lineal tanto en el utrículo como en el sáculo son células ciliadas con estereocilios que se extienden hasta una capa gelatinosa que contiene cristales de otolito. Las partes b-f representan los acontecimientos asociados de forma exclusiva al utrículo. (b) En reposo o en movimiento constante, los estereocilios del utrículo están rectos y la célula ciliada se despolariza en parte. La neurona aferente tiene una baja frecuencia de potenciales de acción. (c) Durante la aceleración hacia delante, los otolitos provocan un arrastre en la masa gelatinosa del utrículo, lo que hace que los estereocilios se inclinen. En este ejemplo, los estereocilios están inclinados hacia el cinetocilio. La célula ciliada está despolarizada y la frecuencia de los
potenciales de acción en la neurona aferente aumenta. (d) Durante la aceleración hacia atrás, los otolitos del utrículo provocan un arrastre en la masa gelatinosa en la dirección opuesta a la parte (c). Los estereocilios se inclinan alejándose del cinetocilio, lo que provoca una hiperpolarización de la célula ciliada y una disminución en la frecuencia de los potenciales de acción de la neurona aferente. (e, f) Efecto de la gravedad en el utrículo. En el ejemplo que se muestra, cuando la cabeza está inclinada hacia delante, la gravedad hace que los otolitos caigan, tirando de la masa gelatinosa. Los estereocilios se inclinan, lo que causa una hiperpolarización y una disminución en la frecuencia de los potenciales de acción de la neurona aferente.
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atrás. Aunque todos los cinetocilios están orientados en la misma dirección (posterior) en este ejemplo, algunos cinetocilios se sitúan de forma anterior y Aferentes vestibulares otros de forma posterior en el utrículo. Las células ciliadas con los cinetocilios anteriores se comportarán de una forma opuesta a la descrita aquí. Cuando Sistemas sensoriales Núcleos vestibulares una persona está en reposo o se mueve hacia delante (tronco del encéfalo) o atrás a una velocidad constante (v. fig. 10.50b), las células ciliadas son verticales y la despolarización resultante da como resultado potenciales de acción Movimientos oculares Corteza Cerebelo moderadamente frecuentes en la neurona aferente. Cuando la persona comienza a caminar hacia delante (v. fig. 10.50c), los otolitos hacen que la masa gelatiBalance y Percepción nosa quede retrasada, lo que inclina los estereocilios equilibrio hacia el cinetocilio y provoca una mayor despolarización y potenciales de acción más frecuentes. La aceleración lineal hacia atrás (v. fig. 10.50d) hace que los estereocilios se inclinen alejándose del cinetocilio, lo FIGURA 10.51 Vías neurales asociadas al aparato vestibular. que produce la hiperpolarización y potenciales de acción menos frecuentes. Cuando el movimiento lineal continúa a un ritmo constante (v. fig. 10.50b), el material nan en los núcleos vestibulares, aunque algunos se desplazan gelatinoso se adapta al movimiento del organismo y los estereodirectamente hasta el cerebelo para proporcionar información cilios vuelven a la posición de reposo. inmediata para el equilibrio, que resulta importante en la coorAsimismo, el utrículo desempeña un papel en la detección de dinación motriz. Los núcleos vestibulares tienen proyecciones la posición de la cabeza en relación con la gravedad, una fuerza hacia diferentes zonas de la corteza que permiten percibir la que puede provocar aceleración. Cuando la cabeza está en posiaceleración, pero las vías no se conocen bien. Los núcleos vestición erguida (v. fig. 10.50e), los estereocilios del utrículo están en bulares resultan importantes en el control de la información del vertical, pero cuando la cabeza está inclinada hacia delante movimiento para el equilibrio y en el control de los movimientos (v. fig. 10.50f), la gravedad tira de los pesados otolitos hacia abajo, de los ojos. Para realizar estas funciones, los núcleos vestibulares doblando los estereocilios hacia abajo y produciendo hiperpolatambién reciben aferencias de sistemas sensoriales diferentes, rización. entre los que se incluyen los que intervienen en la visión, las senEl sáculo funciona de la misma manera que el utrículo, pero, saciones somestésicas y la propiorrecepción. Esta información debido a su orientación, cuando la cabeza se mantiene en posisensorial se utiliza para proporcionar información eferente a las ción erguida, detecta la aceleración lineal hacia arriba y abajo, motoneuronas que intervienen en el equilibrio y para hacer como ocurre cuando una persona va montada en un ascensor. coincidir los movimientos oculares con los movimientos corporales. Si los ojos y la cabeza no se mueven a la vez, la visión se hará borrosa y se podrán producir mareos.
Comprueba tus conocimientos
La enfermedad de Ménière es un trastorno del oído interno asociado a cambios en la composición de la endolinfa. La causa no se conoce con exactitud, pero una de las teorías defiende que una rotura en el laberinto membranoso hace que se mezclen la endolinfa y la perilinfa, lo que disminuye el gradiente electroquímico para el potasio y otros iones. Explica los síntomas que pueden estar asociados a la enfermedad de Ménière.
Test rápido 10.7 1. De los órganos del aparato vestibular, ¿cuál detecta la aceleración lineal? 2. ¿Por qué los conductos semicirculares detectan la rotación cuando comienza o para, pero no la rotación constante?
Vías neurales para el equilibrio
Gusto
En reposo, las células ciliadas del aparato vestibular están despolarizadas en parte y liberan algún transmisor que se comunica con los aferentes en el nervio vestibular. Por tanto, en reposo, una baja frecuencia de potenciales de acción viaja a lo largo de los aferentes vestibulares. Cuando una célula ciliada se despolariza por la inclinación de los estereocilios hacia el cinetocilio, se liberan más transmisores, y la frecuencia de los potenciales de acción en la neurona aferente aumenta. De igual manera, cuando una célula ciliada se hiperpolariza por la inclinación de los estereocilios en dirección opuesta al cinetocilio, se liberan menos transmisores, y la frecuencia de los potenciales de acción en la neurona aferente disminuye. Los aferentes vestibulares entran en el tronco del encéfalo como parte del nervio vestibular (fig. 10.51). La mayoría termi-
Aunque muchos de nosotros pensamos que el chocolate es el néctar de los dioses, el chocolate es simplemente un conjunto de sustancias químicas mezcladas de la forma correcta para estimular los quimiorreceptores de la boca de una forma que nos resulta placentera a la mayoría. Esta sección describe la forma en que detectamos el sabor de la comida.
Anatomía de las papilas gustativas Podemos saborear la comida porque los quimiorreceptores de la boca responden a determinadas sustancias químicas de la comida. Los quimiorreceptores del gusto están ubicados en estructuras denominadas papilas gustativas, cada una de las cuales contiene entre 50 y 150 células receptoras y numerosas células de
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C A P Í T U LO 1 0 Célula receptora
Epitelio
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Microvellosidades
Poro
Célula de soporte
Aferentes del gusto
FIGURA 10.52 Células receptoras del gusto en una papila gustativa. Los receptores del gusto contienen microvellosidades que se extienden hasta un poro en la parte superior de la papila gustativa, donde se exponen a partículas alimenticias disueltas en saliva.
soporte (fig. 10.52). Encima de cada papila hay un poro que permite a las células receptoras exponerse a la saliva y a las moléculas de comida disueltas. Cada persona tiene más de 10.000 papilas gustativas, situadas principalmente en la lengua y el paladar, pero también en la faringe. Las células receptoras del gusto son células epiteliales modificadas con microvellosidades que se extienden por el poro de una papila gustativa. Los receptores del gusto se encuentran situados en la membrana plasmática de las microvellosidades y se unen de forma selectiva a diferentes sustancias químicas, denominadas saborizantes, que le dan a la comida su sabor. Para que una sustancia química se una a su receptor del gusto, las sustancias químicas se deben disolver en la saliva, motivo por el cual una persona no saborea igual de bien la comida cuando tiene la boca seca. La interacción del saborizante con el receptor del gusto cambia el potencial de la membrana de la célula receptora del gusto.
Transducción de señales en el gusto Existen cuatro sabores principales: ácido, salado, dulce y amargo; cada uno de ellos necesita su propio mecanismo de transducción. Para todas las transducciones de sabor, el saborizante interactúa con las proteínas de las células receptoras para activar un mecanismo de transducción de señales que aumente los niveles de calcio intracelular por medio de la despolarización de la célula para abrir canales de umbral de voltaje de calcio o mediante la activación de un sistema de segundos mensajeros. El calcio desencadena la liberación de un transmisor que se comunica con los aferentes del sabor. No se han identificado todos los transmisores liberados a partir de las células receptoras del gusto, pero se sabe que tanto el ATP como la serotonina son transmisores. Los sabores ácidos son provocados por la presencia de ácido en la comida. La acidez tiende a ser un estímulo desagradable o aversivo, y puede evitar que consumamos ácidos en exceso. No se sabe si las células receptoras del sabor responden a iones de
hidrógeno disociados de compuestos ácidos o ácidos orgánicos, y, en verdad, las dos respuestas podrían producirse. Diversos estudios muestran una correlación entre el pH intracelular y la liberación por parte de células receptoras de neurotransmisores. Sin embargo, solo los iones orgánicos que son hidrófobos pueden entrar en la célula y modificar el pH intracelular. Si los iones de hidrógeno tuvieran que inducir un cambio en la actividad del receptor, tendrían que hacerlo a través de interacciones con proteínas orientadas hacia la luz de la boca. Un posible mecanismo por el cual los iones de hidrógeno podrían hacer esto es a través del bloqueo de canales de potasio, disminuyendo así la fuga de potasio de la célula y provocando, en cambio, una despolarización que abre los canales de calcio. Los sabores salados vienen provocados por la presencia de iones de sodio en la comida. Cuando los niveles de sodio fuera de la célula aumentan por el consumo de comidas saladas, aumenta la fuerza electroquímica motriz hacia el interior sobre los iones de sodio, lo que provoca un aumento de la entrada de sodio en la célula y la despolariza. Entonces, los canales de umbral de voltaje de calcio se abren, y el calcio desencadena la liberación de un transmisor. Las células receptoras y de soporte de las papilas gustativas están conectadas por uniones estrechas que evitan el movimiento paracelular de las moléculas, excepto de los iones de sodio y cloruro. Por tanto, el sodio podría pasar a través de canales de la vertiente basolateral de las células receptoras del gusto, así como de la vertiente apical. Además del sodio, algunas otras sustancias químicas, entre las que se incluyen el litio, el amoníaco y el potasio, pueden inducir el sabor salado. Los sabores dulces están provocados por la presencia de moléculas orgánicas, como la sacarosa. La sacarosa y otras sustancias químicas dulces (como la fructosa, la maltosa, el aspartamo, la sacaralosa) funcionan como ligandos que se unen a los receptores acoplados a la proteína G. La proteína G, gustducina, activa la enzima adenilato ciclasa, que, a su vez, cataliza la síntesis de cAMP. El cAMP activa una proteína cinasa que cataliza la fosforilación de canales de potasio, cerrándolos. Cuando los canales de potasio se cierran y la fuga de potasio de la célula disminuye, la célula receptora del sabor se despolariza, lo que hace que se abran los canales de calcio. Los sabores amargos están asociados a una amplia variedad de compuestos que contienen nitrógeno, entre los que se incluyen algunos tóxicos. Por tanto, el que los animales tiendan a evitar comer cosas que saben extremadamente amargas constituye un mecanismo protector. Existen varios tipos distintos de sustancias amargas y mecanismos propuestos para la transducción de sabores amargos. Algunos alimentos amargos tienen moléculas, como la quinina, que pueden bloquear los canales de potasio y así disminuir la difusión de potasio fuera de la célula, lo que despolariza la célula y abre canales de umbral de voltaje de calcio. El calcio entra en la célula y desencadena la liberación de un transmisor. Existen otros sabores amargos provocados por saborizantes que se unen a receptores acoplados a la gustducina. Sin embargo, a diferencia de los saborizantes dulces, los saborizantes amargos inhiben la gustducina, disminuyendo así la actividad de la adenilato ciclasa y, por tanto, los niveles de cAMP en la célula. Los investigadores han identificado otro saborizante que se diferencia de los sabores principales en que no produce una sensación de sabor por sí mismo, pero mejora otros sabores: el umami, que es el término japonés para «delicioso». Las sustancias químicas asociadas al umami parecen ser potenciadores del sabor. El umami está asociado a los aminoácidos (principalmente al glutamato) y, por tanto, a menudo se añade el glutamato monosódico (MSG) a los alimentos para potenciar su sabor. El
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Sistema nervioso: sistemas sensoriales
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Frecuencia de los potenciales de acción en el aferente del gusto
temente al dulce. Por consiguiente, mientras la mayoría de los sistemas sensoriales codifican la calidad del estímulo en función de la especificidad del receptor y una vía de línea marcada, el gusto no tiene esa especificidad. La percepción del gusto resulta compleja y parece depender del patrón de actividad de múltiples neuronas aferentes y, además, se complica por el hecho de que depende del sentido del olfato.
Vía neural del gusto Dulce
Salado
Ácido
Amargo
FIGURA 10.53 Codificación neuronal del gusto. Respuestas de un aferente del gusto a los cuatro sabores principales. Este aferente del gusto responde en particular mejor al dulce.
MSG y otros ligandos que inducen el umami se unen a los receptores acoplados a la gustducina. Al igual que los saborizantes amargos, estos ligandos inhiben la gustducina, de forma que los niveles de cAMP en la célula receptora del sabor disminuyen. Cada célula receptora del sabor tiene cuatro mecanismos de transducción, cada uno de los cuales responde a los cuatro sabores principales. Sin embargo, una célula receptora tiende a responder más fuertemente a un sabor primario que al resto. Por tanto, la codificación de las calidades del sabor resulta compleja. Varias células receptoras se comunican con una sola neurona aferente. Esta extensa convergencia de información dota de unas propiedades complejas a las neuronas aferentes del gusto, como se muestra en la figura 10.53, que contiene un gráfico de las respuestas de una neurona aferente que responde más fuer-
Las células receptoras del gusto se comunican con las neuronas aferentes que viajan en tres nervios craneales VII, IX y X. Estos aferentes del gusto terminan en el núcleo gustativo bulbar, donde establecen sinapsis con neuronas de segundo orden. Las neuronas de segundo orden se desplazan hasta el tálamo contralateral, donde establecen sinapsis con neuronas de tercer orden que terminan en la corteza gustativa, que se encuentra cerca de la región de la corteza somatosensitiva que corresponde a la boca.
Olfato La sensación del olfato, u olor, depende de muchos de los mismos mecanismos que la sensación del gusto. Sin embargo, en el olfato, las sustancias químicas específicas, denominadas sustancias odoríferas, se deben disolver en la mucosa para poder unirse a un quimiorreceptor específico y olerse.
Anatomía del sistema olfativo En el techo de la cavidad nasal se encuentra el órgano del olfato, el epitelio olfativo (fig. 10.54), que tiene un área de superficie de
Axón del nervio olfativo Lámina cribiforme Bulbo olfativo
Cavidad nasal
Placa cribiforme Glándula de Bowman
Epitelio olfativo
Lámina propria
Célula basal Célula de soporte Epitelio olfativo
Célula receptora
Cilios de la célula receptor
Capa de moco
FIGURA 10.54 Epitelio olfativo. El epitelio olfativo, situado en la cavidad nasal, contiene tres tipos de células: células receptoras, células de soporte y células basales. Los cilios de las células receptoras se extienden hasta una capa de mucosa en la cavidad nasal, mientras los axones de las células receptoras ascienden hasta el bulbo olfativo del cerebro a través de cavidades de la placa cribiforme del cráneo.
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aproximadamente 1 cm2 a cada lado de la nariz. Dos capas celulares constituyen el epitelio: la mucosa olfativa y la lámina propria. La mucosa olfativa contiene varios tipos de células, entre los que se incluye el cuerpo celular de las células receptoras olfativas (neuronas), las células basales, que son precursoras del desarrollo de nuevas células receptoras, y las células sustentaculares, que mantienen el medio extracelular que rodea a las células receptoras. Las células receptoras olfativas son las únicas neuronas del organismo conocidas actualmente que se sustituyen de forma regular. La lámina propria contiene glándulas de Bowman, que producen el moco localizado en la cavidad nasal, y los axones de las neuronas olfativas. Las células receptoras olfativas son neuronas bipolares con cilios en el extremo dendrítico que se proyectan hacia abajo en la mucosa que recubre la cavidad nasal. A su vez, los cilios contienen receptores que se unen a moléculas odorantes específicas. Estos cilios son inmóviles y aumentan el área de superficie funcional del epitelio olfativo cerca de 10 veces a cada lado de la nariz. Los axones de las células receptoras olfativas entran en el SNC a través de unas cavidades (denominadas agujeros) en la lámina cribiforme del cráneo y terminan en el bulbo olfativo. Para percibir los olores, las sustancias odoríferas deben atravesar la capa de moco y unirse a los receptores olfativos. Las moléculas hidrófilas difunden a lo largo del moco, pero las moléculas hidrófobas se deben unir a las proteínas de unión a odorantes para transportarse a través del moco hasta los cilios con receptores. Las moléculas odorantes se pueden detectar en concentraciones tan bajas como 1 parte por 10 millones (1 molécula odorante por 10 millones de moléculas). Sin embargo, una concentración más alta de sustancias odoríferas que alcanzan el epitelio olfativo produce un sentido del olfato más fuerte. Los comportamientos como olfatear aumentan el ritmo de flujo y crean un fluido turbulento que potencia el movimiento de las sustancias odoríferas hacia la mucosa, lo que aumenta su llegada al epitelio olfativo. Algunas moléculas odorantes realmente se originan en la cavidad oral y pasan a través de la nasofaringe a la cavidad nasal, contribuyendo al sentido del olfato. La unión de la molécula odorante al receptor inicia la transducción de señales.
Transducción de señales olfativas Aunque existen muchas proteínas de unión a las sustancias odoríferas, un único proceso básico de transducción parece ser universal en las células receptoras olfativas. La unión de una molécula odorante a un receptor de membrana activa una proteína G, denominada Golf, la cual, a su vez, activa la enzima adenilato ciclasa, que cataliza la formación de cAMP. Aunque el cAMP normalmente funciona como un segundo mensajero mediante la activación de una proteína cinasa, en las células receptoras olfativas el cAMP se une, en cambio, a canales catiónicos, abriéndolos y permitiendo que los iones de sodio y calcio entren en la célula. El efecto principal de la entrada de sodio y calcio es la despolarización. No obstante, la entrada de calcio en la célula también hace que se abran los canales de cloruro, lo que permite que el cloruro salga de la célula y aumente la despolarización de la célula receptora. Si la despolarización resulta lo suficientemente grande, se generan los potenciales de acción en el axón de la célula receptora. Aunque el olor es una de las sensaciones más sensibles, resulta también una sensación de rápida adaptación. Las teorías actuales sugieren que el mismo calcio que se usa para despola-
rizar la célula para generar potenciales de acción también inhibe los canales catiónicos regulados por cAMP. El olfato es una sensación muy aguda, de forma que la mayoría de las personas tienen la capacidad de distinguir entre millones de olores. Aunque el mecanismo preciso por el que el sistema olfativo codifica diferentes olores resulta desconocido, al menos se han identificado 1.000 genes que codifican los receptores olfativos; se cree que cada célula receptora olfativa expresa solo uno de estos genes. Así, una célula receptora responde solo a un tipo de sustancia odorífera. Con las diferencias anatómicas en las neuronas que transmiten diferentes calidades olfativas, esta separación se puede mantener a través de la vía neural del olfato, descrita a continuación.
Vía neural del olfato A diferencia de otros receptores sensoriales, los receptores olfativos son terminaciones especializadas de neuronas aferentes, no células diferentes. Los axones de las neuronas aferentes conforman el nervio olfativo (nervio craneal I). Si una célula receptora está despolarizada hasta el umbral, se producen los potenciales de acción y transmiten al axón terminal del cerebro. La figura 10.55 ilustra una porción de la vía neural del olfato. Los axones terminan en una zona del cerebro denominada bulbo olfativo, donde se comunican con neuronas de segundo orden denominadas células mitrales. Las sinapsis realizadas entre las neuronas aferentes y las de segundo orden se producen en grupos denominados glomérulos. Existen aproximadamente 8.000 glomérulos en cada bulbo olfativo. Cada uno de los aproximadamente 10 millones de axones de las células receptoras olfativas termina en un solo glomérulo. Por tanto, existe mucha más convergencia de entrada de información olfativa a los glomérulos y las células mitrales. El olor percibido en última instancia depende del patrón de activación de las neuronas receptoras olfativas. Las neuronas de segundo orden forman la vía olfativa, que es la vía neural a una zona del cerebro denominada tubérculo olfativo. Las vías neurales provenientes del tubérculo olfativo terminan en dos zonas de la corteza cerebral: la corteza olfativa para la percepción y la discriminación de olores, y el sistema límbico para desencadenar comportamientos dirigidos por el olfato, como el comportamiento sexual. La vía dirigida hacia la corteza olfativa comienza con una sinapsis en el tubérculo olfativo con otra neurona. La mayoría de estas neuronas viajan directamente hasta la corteza olfativa. El olfato es uno de los sistemas sensoriales cuya vía a la corteza no incluye una sinapsis en el tálamo. Sin embargo, estudios recientes han identificado neuronas que responden al olor en el tálamo que pueden funcionar como un transmisor a la corteza olfativa. Otras neuronas de segundo orden no realizan la sinapsis en el tubérculo olfativo, aunque viajan directamente al sistema límbico.
Test rápido 10.8 1. Nombra los cuatro sabores principales. 2. ¿Cuál es la diferencia entre una papila gustativa y un receptor del gusto? 3. Nombra los tres tipos de células localizadas en el epitelio olfativo y describe sus funciones. 4. Indica tres similitudes entre los sistemas responsables del gusto y el olor.
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Célula mitral
Bulbo olfativo
Glomérulos
Axones de las neuronas olfativas
Placa cribiforme
Lámina propria
Epitelio olfativo
Células receptoras
Cilios Aire inhalado que contiene moléculas de olor
FIGURA 10.55 Porción inicial de la vía neural para el olfato. La comunicación entre los aferentes olfativos y las neuronas de segundo orden, denominadas células mitrales, se produce en los glomérulos del bulbo olfativo.
Integración de sistemas El organismo no puede funcionar sin recibir información de forma constante. Esta información proviene de los datos sobre el medio exterior que transmiten los sistemas sensoriales descritos en este capítulo y de los datos sobre el medio interior que transmiten los sistemas aferentes viscerales, que funcionan de forma similar a los sistemas sensoriales. Por ejemplo, la temperatura
corporal no se puede regular sin termorreceptores que detecten que la temperatura corporal no es normal. La probabilidad de que una persona se proteja de los estímulos que dañan tejidos es menor sin contar con la percepción del dolor. Además, nuestra capacidad de encontrar alimentos y agua depende de nuestros sentidos de la visión y el olfato. Existen muchos más ejemplos de cómo utilizamos nuestros sistemas sensoriales diariamente para mantener nuestro organismo sano.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Principios generales de la fisiología sensorial, pág. 254 Nuestra capacidad de percibir el mundo que nos rodea depende de la presencia de receptores sensoriales y de vías neurales específicas para comunicar la información a la cor-
teza cerebral. Los sistemas sensoriales deben codificar diferentes cualidades del estímulo. El receptor y la vía activada codifican el tipo de estímulo. La codificación por frecuencia y la codificación por población codifican la intensidad del estímulo. La capacidad de localizar un estímulo depende del tamaño
de los campos receptores, del grado de su superposición y de la inhibición lateral.
Sistema somatosensitivo, pág. 262 El sistema somatosensitivo permite la percepción de estímulos asociados a la superficie
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del organismo (sensaciones somestésicas) o la posición del organismo (propiorrecepción). Algunos receptores del sistema somatosensitivo son terminaciones nerviosas especializadas, mientras que otros son terminaciones nerviosas libres. La información sobre el tacto, la presión, la vibración y la propiorrecepción se transmite al tálamo mediante la vía dorsal-lemniscal medial. La información acerca del dolor y la temperatura se transmite al tálamo a través de la vía espinotalámica. La información del tálamo se transmite a la corteza somatosensitiva primaria.
Visión, pág. 270 Los ojos intervienen en la transducción de energía luminosa. Para enfocar la luz en la retina, el ojo puede cambiar la forma del cristalino y, así, su potencia refractiva. Varios defectos clínicos afectan a la capacidad de los ojos para enfocar la luz, entre los que se incluyen la miopía, la hipermetropía, el astigmatismo, la presbicia, las cataratas y el glaucoma. Las pupilas del ojo son capaces de contraerse o dilatarse para regular la cantidad de luz que entra en el ojo. La fototransducción se produce en la retina, que se compone de tejido neural que conforma tres capas: fotorreceptores, células bipolares y células ganglionares. Los fotorreceptores, conos y bastones, contienen fotopigmentos que absorben la luz. En la oscuridad, los fotorreceptores se despolarizan y sufren una transmisión química. En la luz, los fotopigmentos absorben la luz y se disocian, lo que provoca una cadena de reacciones que lleva a la hiperpolarización del fotorreceptor y a una disminución de la liberación del transmisor. Los fotorreceptores se comunican con células bipolares, que se comunican a su vez con células ganglionares. Si la célula ganglionar se despolariza hasta el umbral, el resultado es un potencial de acción. Los axones de las células ganglionares conforman el nervio óptico. La información se transmite desde el nervio óptico al quiasma óptico, donde la mitad de los axones de cada ojo cruzan al lado opuesto del SNC, de forma que toda la entrada de información del campo visual derecho se encuentra ahora en el lado izquierdo, y toda la información del campo visual izquierdo se encuentra en el lado derecho. Los axones de las células
ganglionares situados después del quiasma óptico conforman la cintilla óptica. La cintilla óptica termina en el cuerpo geniculado lateral del tálamo, donde los axones de las células ganglionares se comunican con las neuronas que transmiten la información a la corteza visual.
Oído y audición, pág. 284 El oído contiene las células receptoras de dos sistemas sensoriales: la audición y el equilibrio. Para la audición, las ondas de sonido deben entrar en el oído externo, amplificarse en el oído medio y transducirse en impulsos neurales en la cóclea del oído interno. La transducción del sonido se produce en células ciliadas del órgano de Corti, situado en la cóclea. Cuando las ondas de sonido alcanzan la cóclea llena de líquido, generan ondas que provocan el movimiento de la membrana basilar, lo que hace que se inclinen los estereocilios. Esta inclinación provoca la apertura o el cierre de canales de potasio, lo que cambia las propiedades eléctricas de las células ciliadas. Cuando una célula ciliada está despolarizada, se libera un transmisor químico y se comunica con las neuronas aferentes del nervio coclear. La información del sonido se transmite al cuerpo geniculado medial del tálamo y, después, a la corteza auditiva; en la corteza auditiva es un mapa tonotópico. La intensidad de un sonido se codifica por el grado de inclinación de los estereocilios, mientras que el tono del sonido se codifica por la ubicación de las células ciliadas de la membrana basilar.
Oído y equilibrio, pág. 292 El aparato vestibular del oído interno incluye los conductos semicirculares (para detectar una rotación), y el utrículo y el sáculo (para detectar la aceleración lineal). El aparato vestibular contiene células ciliadas con estereocilios que se inclinan con la aceleración de la cabeza. En los conductos semicirculares, las células ciliadas están situadas en la ampolla. Las células ciliadas del utrículo y el sáculo tienen estereocilios que se extienden a una masa gelatinosa que contiene otolitos. La inclinación de los estereocilios abre o cierra los canales de iones, lo que afecta a la liberación de un transmisor químico que se comunica con neuronas aferentes del nervio
vestibular. La información vestibular se transmite a los núcleos vestibulares del tronco del encéfalo, que se comunica con el tálamo y después con la corteza para la percepción del equilibrio. Los núcleos vestibulares también se comunican con el cerebelo, para mantener el equilibrio, y con los núcleos del tronco del encéfalo, que regulan el movimiento ocular.
Gusto, pág. 295 Los dos sentidos químicos, gusto y olfato, dependen de la unión de sustancias químicas en los alimentos o el aire con los quimiorreceptores de las células receptoras. Las células receptoras del gusto están situadas dentro de las papilas gustativas. Las moléculas que se unen a los receptores del gusto se denominan saborizantes. Cada uno de los cuatro sabores principales requiere un mecanismo de transducción diferente. Una única célula receptora del gusto responde a los cuatro sabores primarios, pero principalmente a uno. La información se transmite, en primer lugar, a través de los nervios craneales al núcleo gustativo de la médula y, después, a la corteza gustativa a través del tálamo.
Olfato, pág. 297 Los receptores olfativos, situados en el epitelio olfativo de la cavidad nasal, responden a las sustancias odoríferas disueltas en la mucosa localizada allí. Asimismo, se encuentran presentes en el epitelio olfativo las células basales, precursoras de las células receptoras. Para unirse a receptores olfativos, una sustancia odorífera se debe unir a proteínas de unión olfativa en la mucosa. Con la unión a los receptores, las sustancias odoríferas desencadenan la producción de cAMP en el citosol de la célula receptora, que despolariza la célula mediante una serie de pasos. Si se despolariza hasta el umbral, un potencial de acción se transmite a lo largo del axón de la célula receptora. Los axones de las células receptoras, que constituyen juntos el nervio olfativo, establecen sinapsis con células mitrales en los glomérulos del bulbo olfativo. Las células mitrales transmiten la información a lo largo de dos vías, una que termina en la corteza olfativa y la otra en el sistema límbico.
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. La fuerza de un estímulo está codificada a) por el tamaño del potencial receptor. b) por el tamaño de los potenciales de acción. c) por la frecuencia de los potenciales de acción.
d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 2. El mecanismo por el que un receptor convierte un estímulo en una señal eléctrica se denomina a) conducción. b) convección. c) transducción.
d) modulación. e) propagación. 3. En la inhibición lateral, a) el sistema nervioso produce contrastes para enfatizar información más importante sobre información menos importante.
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b) las neuronas aferentes con campos receptores vecinos inhiben la comunicación de la otra con neuronas de segundo orden. c) se mejora la capacidad de localizar la posición de un estímulo. d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 4. ¿Cuál de las siguientes observaciones ilustra mejor el concepto de la línea etiquetada? a) Cuando un boxeador recibe un golpe en el ojo, percibe luz. b) La rotación de la cabeza estimula determinados receptores del aparato vestibular, pero no los del sistema visual. c) La información de diferentes fotorreceptores converge en una célula ganglionar que se proyecta hacia el núcleo geniculado lateral. d) Las células ciliadas de la cóclea resultan estimuladas por vibraciones sonoras por una gran variedad de frecuencias. 5. ¿Cuál de las siguientes observaciones ilustra mejor el concepto del estímulo adecuado? a) Cuando un boxeador recibe un golpe en el ojo, percibe luz. b) La rotación de la cabeza estimula determinados receptores del aparato vestibular, pero no los del sistema visual. c) La información de diferentes fotorreceptores converge en una célula ganglionar que se proyecta hacia el núcleo geniculado lateral. d) Las células ciliadas de la cóclea resultan estimuladas por vibraciones sonoras por una gran variedad de frecuencias. 6. Frotar una zona dolorida puede disminuir la sensación de dolor mediante a) la activación de sistemas de anestesia endógenos. b) la transmisión del dolor a otra zona del organismo. c) la activación de aferentes de diámetros más grandes, que activan una interneurona inhibidora que inhibe las neuronas de segundo orden del dolor. d) la disminución del número de potenciales de acción en aferentes de nocirreceptor. e) la inhibición presináptica de la liberación de la sustancia P. 7. En la vía dorsal-lemniscal medial, a) se transmite información de la propiorrecepción al cerebro. b) la neurona de primer orden se comunica con la neurona de segundo orden en el asta dorsal de la médula espinal.
c) la vía cruza al lado contralateral de la médula espinal. d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 8. ¿Cuál de los siguientes es el nombre correcto de la vía desde la retina hasta el quiasma óptico? a) cintilla óptica b) radiaciones ópticas c) nervio óptico d) disco óptico 9. ¿Cuál de los siguientes es el nombre correcto de la vía desde el núcleo geniculado lateral del tálamo hasta la corteza visual? a) cintilla óptica b) radiaciones ópticas c) nervio óptico d) disco óptico 10. ¿Dónde esperaría encontrar las vías ascendentes para la información somatosensitiva? a) en la sustancia blanca de la médula espinal b) en el nervio raquídeo c) en la sustancia gris de la médula espinal d) ninguna respuesta es correcta 11. La capacidad de percibir frecuencias diferentes en las vibraciones sonoras se basa en el hecho de que a) los estereocilios de una célula ciliada dada responden solo a una frecuencia. b) distintas áreas de la membrana basilar resuenan a frecuencias diferentes, como el sonido de una frecuencia particular hace que vibre solo una determinada región de la membrana. c) la frecuencia de los potenciales de acción en el nervio coclear varía en proporción a la frecuencia de un estímulo sonoro. 12. Los estereocilios de la audición están expuestos a a) endolinfa en el ducto vestibular. b) perilinfa en el ducto vestibular. c) endolinfa en el ducto coclear. d) perilinfa en el ducto coclear. e) endolinfa en el ducto timpánico. 13. El sistema nervioso parasimpático provoca a) la contracción del músculo radial del iris. b) la contracción del músculo ciliar. c) la dilatación de las pupilas. d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas
Preguntas objetivas 1. Los dos tipos de termorreceptores son ———— y ————. 2. Los receptores son más sensibles a la energía del estímulo ————.
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3. Un receptor fásico se adapta (rápidamente/lentamente) a un estímulo constante. 4. Los tres tipos de nocirreceptores son ————, ———— y ————. 5. La información sobre el tacto detectada en el lado izquierdo del organismo se transmite al cerebro en la columna dorsal del lado ______ de la médula espinal. 6. Cuando un fotopigmento absorbe la luz, los niveles de cGMP (aumentan/disminuyen). 7. Las primeras neuronas que favorecen la producción de potenciales de acción en la vía visual son (fotorreceptores/ células bipolares/células ganglionares). 8. El tono de la vibración sonora refleja su (amplitud/frecuencia). 9. Una célula ciliada de la cóclea se puede excitar mediante diferentes sonidos. (verdadero/falso) 10. El proceso por el que la lente se hace más fuerte para la visión de cerca se denomina ————. 11. Los bastones y los conos difieren en relación con el tipo de (retinal/opsina) que contienen. 12. Una única célula ganglionar resultará excitada o inhibida por la luz aplicada a su campo visual. (verdadero/falso) 13. La corteza visual del lado izquierdo del cerebro recibe información del ojo derecho solamente. (verdadero/falso) 14. Las moléculas odorantes se deben disolver en el moco para unirse a los receptores olfativos. (verdadero/falso) 15. Una célula de un receptor del gusto dado responde solo a uno de los cuatro tipos principales de sensación gustativa. (verdadero/falso)
Preguntas abiertas 1. Compara la respuesta de los receptores del tacto de adaptación rápida y lenta al colocar la mano sobre un altavoz que vibra. 2. Explica los conceptos de organización topográfica de la corteza cerebral. Compara la organización topográfica de la corteza somatosensitiva, la corteza visual y la corteza auditiva. 3. Explica cómo es posible que la percepción de una persona sea diferente de la percepción de otra. 4. Haz un esquema de la vía sensorial general para transmitir información desde un receptor a la corteza. Intenta ajustar cada sistema sensorial a la vía general; ¿qué sistemas sensoriales no se ajustan exactamente a este esquema?
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5. Describe la secuencia de acontecimientos que se produce cuando los fotorreceptores están expuestos a la luz. 6. Haz una lista de similitudes entre los sistemas olfativos y gustativos. 7. Haz una lista de los diferentes tipos de receptores sensoriales del organismo que se están activando en este momento.
Pensamiento crítico 1. Una persona va al hospital quejándose de dolor en el lado derecho del bajo
abdomen. ¿Cuál podría ser la dolencia? ¿Qué vía neural es responsable de la sensación de dolor? 2. Explica por qué normalmente no eres consciente de tu punto ciego. 3. Mira fijamente a una luz brillante durante 10 s y después mira una hoja de papel en blanco. ¿Qué observas? Explícalo.
somáticas se perderían, qué extremidades se verían afectadas y de qué lado del cuerpo? 5. ¿Qué percepciones sensoriales se ven normalmente afectadas cuando una persona sufre un resfriado grave? Razona tu respuesta.
4. Si una persona resulta dañada en el lado izquierdo de la médula espinal torácica (con lesión de toda la sustancia blanca de ese lado) ¿qué sensaciones
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor Imagina que es domingo por la tarde. Acabas de disfrutar de una copiosa comida y estás sentado en un sillón reclinable viendo una película. Tu corazón
11
late lentamente mientras que los órganos digestivos están realizando la digestión de forma activa y absorbiendo los nutrientes. De repente, la alarma de incendios suena y ves humo. Tu corazón comienza a latir fuertemente. El flujo sanguíneo se desvía desde los órganos digestivos a los músculos esqueléticos y huyes de la casa a medida que las llamas emergen. Poco después de alcanzar un lugar seguro, tu organismo vuelve lentamente al estado de reposo. ¿Cómo cambia el organismo tan rápidamente de un estado relajado y de reposo a uno preparado para una acción de emergencia? Tu sistema nervioso central controla los músculos y otros órganos por medio de señales que se envían a través de la rama eferente del sistema nervioso periférico. Cuando el cerebro detecta un peligro inminente, puede comunicar rápidamente a la rama simpática del sistema nervioso autónomo que inicie una respuesta de enfrentamiento o huida. En cuestión de segundos, tu organismo se adapta al estado de crisis.
Microfotografía de la unión neuromuscular.
CONTENIDOS Sistema nervioso autónomo
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Sistema nervioso somático 316
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Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
OBJETIVOS
dir de forma consciente incrementar su frecuencia cardíaca; en cambio, la frecuencia cardíaca se incrementa a través de mecanismos neurales subconscientes cuando las necesidades lo requieren, como el ejercicio. Por esta razón, el sistema nervioso autónomo también se conoce como el sistema nervioso involuntario.
Describir la anatomía del sistema nervioso somático y las dos ramas del sistema nervioso autónomo.
Describir los mensajeros químicos y los tipos de receptores asociados al sistema nervioso periférico.
Explicar la función básica de las dos ramas del sistema nervioso autónomo y el concepto de inervación dual.
Inervación dual en el sistema nervioso autónomo
Describir cómo el sistema nervioso central regula o controla la rama autónoma del sistema nervioso periférico.
La inervación de los órganos por medio de las dos ramas del sistema nervioso autónomo se representa en la figura 11.1; fíjate en que las dos ramas del sistema nervioso autónomo inervan la mayoría de los órganos, una disposición denominada inervación dual. Aunque ambas ramas inervan la mayoría de los órganos, por naturaleza sus funciones son generalmente opuestas y, por tanto, los efectos son contrarios. Sin embargo, esto no representa ningún conflicto, porque las dos divisiones autónomas son típicamente más activas bajo condiciones diferentes. Por ejemplo, el sistema nervioso parasimpático resulta más activo durante las condiciones de reposo, cuando ambos estimulan los órganos digestivos (aumentando la digestión y absorbiendo los nutrientes) e inhiben el aparato cardiovascular (reduciendo la frecuencia cardíaca). En cambio, el sistema nervioso simpático resulta más activo durante períodos de excitación o actividad física, cuando coordina un grupo de cambios fisiológicos conocidos como la respuesta de lucha o huida, que prepara el cuerpo para hacer frente a situaciones amenazadoras. Durante la respuesta de lucha o huida, la frecuencia y la fuerza de contracción del corazón aumentan, el flujo sanguíneo se desplaza desde los órganos digestivos hasta los músculos esqueléticos y cardíacos, y la energía almacenada se moviliza. El sistema nervioso simpático interviene en estos y otros cambios, que preparan al organismo para realizar esfuerzos físicos intensos y lo adaptan a posibles respuestas ante una situación amenazadora. La función principal del sistema nervioso autónomo consiste en regular el funcionamiento de los órganos efectores para mantener la homeostasis. En reposo, tanto la rama simpática como la parasimpática están activas, pero el sistema nervioso parasimpático es el dominante. Cuando el organismo se excita o se estresa, el patrón cambia, siendo la actividad menor para el parasimpático y mayor para el simpático. La existencia de ambos sistemas trabajando con propósitos combinados proporciona mecanismos de tira y afloja que permiten aumentar el control sobre los órganos efectores. Por ejemplo, tanto las neuronas simpáticas como parasimpáticas controlan la frecuencia cardíaca. Para conseguir un incremento de la frecuencia cardíaca, la actividad simpática aumenta (es decir, la frecuencia de los potenciales de acción en las neuronas simpáticas se incrementa), mientras que la actividad parasimpática disminuye (es decir, la frecuencia de los potenciales de acción en las neuronas parasimpáticas decrece). En los capítulos que tratan sobre los sistemas de órganos individuales aparece información adicional sobre las funciones del sistema nervioso autónomo.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Proteínas G, pág. 140 2. Sistema de mensajero secundario cAMP, pág. 142 3. Sistema de mensajero secundario fosfatidilinositol, pág. 143 4. Acetilcolina, pág. 207 5. Catecolaminas, pág. 209 6. Receptores colinérgicos, pág. 208 7. Receptores adrenérgicos, pág. 209 8. Sinapsis, pág. 197
E
n el capítulo 10 aprendimos lo relativo a la rama aferente del sistema nervioso y las diferentes vías por las cuales se transmite la información desde los receptores sensoriales al sistema nervioso central para la percepción. Asimismo, aprendimos acerca de la rama eferente del sistema nervioso, que transmite órdenes desde el SNC a los órganos efectores, como los músculos y las glándulas. La rama eferente del sistema nervioso se comunica con los órganos efectores prácticamente de la misma forma que las neuronas se comunican con otras neuronas a través de la sinapsis, como se describió en el capítulo 7. Por consiguiente, el conocimiento de los canales de iones, las fuerzas electroquímicas para los movimientos de iones, los mecanismos de transducción de señales, los potenciales graduados y los potenciales de acción resulta fundamental para comprender el funcionamiento del sistema nervioso eferente. En este capítulo estudiaremos los neurotransmisores del sistema nervioso eferente y sus mecanismos de acción. Recuerda del capítulo 7 que el sistema nervioso periférico se compone de los sistemas aferente y eferente, y que la rama eferente se divide en los sistemas nerviosos autónomo y somático. Comenzaremos nuestro estudio por el sistema nervioso autónomo.
Sistema nervioso autónomo El sistema nervioso autónomo inerva la mayoría de los órganos efectores y tejidos del organismo, entre los que se incluyen el músculo cardíaco, el músculo liso ubicado en los vasos sanguíneos y varios órganos viscerales (p. ej., el estómago y las vías respiratorias), las glándulas (p. ej., las glándulas sudoríparas, las glándulas salivales y algunas glándulas endocrinas) y el tejido adiposo. Se llama «autónomo» porque sus funciones ocurren en el nivel subconsciente. Por ejemplo, una persona no puede deci-
Anatomía del sistema nervioso autónomo El sistema nervioso autónomo se compone de vías eferentes que contienen dos neuronas dispuestas en serie que comunican el SNC y el órgano efector (fig. 11.2). Las neuronas se comunican
C A P Í T U LO 1 1 Simpático
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Parasimpático
Ojo Nervio craneal III Glándulas salivales y lagrimales
Pulmones Protuberancia Bulbo C1 C2 C3 C4 Cervical C5 C6 C7 C8 T1 T2 T3 T4 T5 T6 Torácico T7 T8 T9 T10 T11 T12 L1 L2 L3 Lumbar L4 L5 S1 S2 S3 Sacra S4 S5 Co1 Coccígea
Ganglios parasimpáticos
Nervio craneal VII Nervio craneal IX Nervio craneal X
Corazón
Hígado Estómago
Nervio vago (nervio craneal X)
Bazo Páncreas Riñón Intestino grueso Intestino delgado
Ganglio colateral
Recto
S2 S3 S4
Vejiga
Cadena simpática Genitales
FIGURA 11.1 Inervación dual en el sistema nervioso autónomo. En este diagrama esquemático detallado del sistema nervioso autónomo, las vías parasimpáticas se muestran en morado y las simpáticas en verde. Ambas ramas del sistema nervioso autónomo generalmente inervan los mismos órganos. (Solo se muestra una parte del cuerpo para cada sistema; por tanto, en realidad, existen dos cadenas simpáticas, dos nervios craneales de cada tipo y así sucesivamente.)
con otras a través de la sinapsis que se localiza en las estructuras periféricas denominadas ganglios autónomos. Las neuronas que viajan desde el SNC hasta estos ganglios se denominan neuronas preganglionares. Las neuronas que viajan desde los ganglios a los órganos efectores se denominan neuronas posganglionares. Por tanto, dentro de cada ganglio se encuentran los axones terminales de las neuronas preganglionares y los cuerpos celulares, y las dendritas de las neuronas posganglionares. Una
sola neurona preganglionar generalmente establece sinapsis con varias neuronas posganglionares. Además, otras neuronas localizadas completamente dentro de cada ganglio, llamadas neuronas intrínsecas, modulan el flujo de información hacia los órganos diana. Aunque las dos ramas del sistema nervioso autónomo son similares en este sentido, estas muestran características anatómicas diferentes, que se explicarán en las dos secciones siguientes.
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C A P Í T U LO 1 1
Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor SNC
SNP
Órganos efectores: Neurona preganglionar
Neurona posganglionar
Músculo cardíaco Músculo liso Glándulas Tejido adiposo
Ganglio autónomo
FIGURA 11.2 Anatomía de las vías autónomas. En las vías autónomas, dos neuronas transmiten información desde el SNC hacia el órgano efector. La neurona preganglionar se origina en el SNC y viaja hacia el ganglio en la periferia, donde se realiza la sinapsis con la neurona posganglionar, que inerva a uno de los múltiples tipos de órganos efectores.
Anatomía del sistema nervioso simpático Como en el sistema nervioso simpático las neuronas preganglionares se originan en la parte torácica y lumbar de la médula espinal (v. fig. 11.1), el sistema nervioso simpático a veces se denomina división toracolumbar del sistema nervioso autónomo. Las neuronas preganglionares se originan en una región de sustancia gris denominada asta lateral o columna celular intermediolateral. Las neuronas preganglionares y posganglionares simpáticas se organizan anatómicamente en tres patrones (fig. 11.3). En las disposiciones más comunes, las neuronas preganglionares tienen axones cortos que se originan en el cuerno lateral de la médula espinal y salen de esta a través de la raíz ventral (fig. 11.4; v. fig. 11.3). Inmediatamente después de que las raíces dorsal y ventral emerjan para formar el nervio raquídeo, el axón de la neurona preganglionar abandona este nervio raquídeo a través de una rama llamada ramo blanco (blanco en apariencia, porque las neuronas preganglionares están mielinizadas) para entrar en uno de los múltiples ganglios simpáticos localizados
Asta lateral
Neurona preganglionar
Canal simpático Neurona posganglionar Órgano efector Órgano efector Órgano efector Célula cromafín Médula suprarrenal Órgano efector
Médula espinal torácica y lumbar
Ganglio colateral
FIGURA 11.3 Vías anatómicas de las neuronas preganglionares y posganglionares en el sistema nervioso simpático. La mayoría de las neuronas preganglionares simpáticas establecen sinapsis con neuronas posganglionares en ganglios de la cadena simpática; algunas neuronas preganglionares simpáticas inervan células secretoras de la médula suprarrenal; sin embargo, otras neuronas preganglionares simpáticas realizan la sinapsis en ganglios colaterales que son independientes de la cadena simpática.
justo a la salida de la médula espinal. Aquí, la neurona preganglionar realiza la sinapsis con varias neuronas posganglionares, cuyos largos axones viajan hacia el órgano efector. La mayoría de estos axones posganglionares regresan al nervio raquídeo a través de una rama denominada ramo gris (gris en apariencia, porque las neuronas posganglionares son fibras C, que carecen de mielina) y entonces viajan hacia el órgano efector. Los distintos ganglios simpáticos se unen unos con otros para formar estructuras que viajan en paralelo a cada uno de los lados de la columna vertebral, llamadas cadenas simpáticas o troncos simpáticos (v. fig. 11.4). Debido a que una neurona preganglionar que entra en un ganglio particular puede tener colaterales que viajan hacia arriba o hacia abajo a través de estas cadenas para realizar sinapsis con neuronas posganglionares de otros ganglios, la activación del sistema nervioso simpático produce una amplia acción que afecta a muchos órganos objetivo diferentes al mismo tiempo, como resulta evidente en una respuesta de lucha o huida. La segunda disposición anatómica de las fibras simpáticas, y una excepción muy importante a la disposición descrita anteriormente, es un grupo de neuronas preganglionares largas que inervan el tejido endocrino (la médula de la glándula suprarrenal) en lugar de realizar la sinapsis en las neuronas posganglionares (v. fig. 11.3). Cada una de las dos glándulas suprarrenales, localizadas en el panículo adiposo situado en la parte superior de cada riñón (fig. 11.5a), se dividen en la corteza periférica y en la médula interna. La médula consiste en células simpáticas posganglionares modificadas, llamadas células cromafines, que se convierten en células endocrinas en lugar de neuronas (fig. 11.5b). Con la estimulación del sistema nervioso simpático, la médula suprarrenal libera catecolaminas. De las tres catecolaminas liberadas por la glándula suprarrenal, aproximadamente el 80% es adrenalina, el 20% es noradrenalina y una pequeña cantidad es dopamina. Al igual que otras glándulas endocrinas, la médula suprarrenal libera sus productos hacia el torrente sanguíneo y de esta manera esos productos funcionan como hormonas. Debido a que estas catecolaminas viajan a través de la sangre por el organismo, el componente endocrino del sistema nervioso simpático contribuye a extender los efectos de la activación simpática. La tercera disposición anatómica de las fibras simpáticas incluye las neuronas preganglionares que establecen sinapsis con neuronas posganglionares en estructuras denominadas ganglios colaterales (o ganglios prevertebrales) situados en algún lugar
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Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
Raíz dorsal
Cadena simpática Ganglio espinal
Nervio raquídeo Rama gris Al efector Rama blanca
Raíz anterior
FIGURA 11.4 Vía más común de las fibras simpáticas. Las neuronas preganglionares simpáticas salen de la médula espinal como parte de la raíz dorsal y viajan hacia el nervio raquídeo. Poco después de entrar en el nervio raquídeo, la neurona preganglionar sale del nervio y viaja a través de la rama blanca hacia el ganglio en la cadena simpática, donde la neurona establece sinapsis con una neurona posganglionar. La neurona posganglionar vuelve al nervio raquídeo a través de la rama gris. Además de los axones posganglionares simpáticos, ¿qué tipos de axones viajan a través de la médula P espinal de un nervio raquídeo?
Neurona preganglionar simpática Corteza suprarrenal Médula suprarrenal Glándula suprarrenal
Neurotransmisor Médula suprarrenal Célula cromafín Adrenalina
Vaso sanguíneo (a)
(b)
FIGURA 11.5 Inervación simpática de una glándula suprarrenal. (a) Las glándulas suprarrenales, localizadas dentro de las almohadillas de grasa situadas sobre cada riñón, consisten en una corteza externa y una médula interna. (b) Las neuronas preganglionares simpáticas inervan a las células cromafines de la médula suprarrenal, estimulando la liberación de adrenalina (y una pequeña cantidad de noradrenalina) hacia el torrente sanguíneo. ¿Cuáles son las tres hormonas que segregan las células cromafines y cuál es la proporción de la cantidad P total segregada?
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entre el SNC y el órgano efector (v. fig. 11.3). Los ganglios colaterales son pares e incluyen el ganglio celíaco, que inerva el estómago, el hígado y el bazo, el ganglio mesentérico superior, que inerva el intestino delgado y la parte proximal del intestino grueso, y el ganglio mesentérico inferior, que inerva la mayor parte del intestino delgado, los riñones, la vejiga urinaria y los órganos reproductores. La vía anatómica de las neuronas simpáticas de los ganglios colaterales comprende una neurona preganglionar que se encuentra en la médula espinal en la raíz ventral y que entra en la cadena simpática a través de un ramo blanco, como se ha descrito anteriormente. Sin embargo, el axón de las neuronas preganglionares atraviesa este ganglio sin establecer sinapsis y viaja hacia un ganglio colateral a través del nervio simpático. Dentro del ganglio colateral, la neurona preganglionar establece sinapsis con varias neuronas posganglionares que viajan hacia los tejidos diana. Como estos ganglios no se encuentran interconectados, como los que forman parte de la cadena simpática, permiten al sistema nervioso simpático controlar grupos seleccionados de tejidos diana y, por tanto, ejercer un efecto más delimitado.
Anatomía del sistema nervioso parasimpático Las neuronas preganglionares del sistema nervioso parasimpático se originan en el tronco del encéfalo o en la médula espinal sacra (v. fig. 11.1), lo que explica por qué el sistema nervioso parasimpático se denomina en ocasiones división craneosacra del sistema nervioso autónomo. En general, las neuronas parasimpáticas preganglionares son relativamente largas y terminan en el ganglio localizado cerca del órgano efector (fig. 11.6); en los ganglios, realizan la sinapsis con neuronas posganglionares cortas, que viajan hacia el órgano efector. En la porción craneal del sistema nervioso parasimpático, los axones de las neuronas preganglionares se originan en el núcleo nervioso craneal localizado en el tronco del encéfalo y viajan con sus axones en los nervios craneales. Un nervio craneal importante es el nervio vago (nervio craneal X), que se origina en el bulbo raquídeo e inerva a muchas de las vísceras, entre las que se incluyen los pulmones, el corazón, el estómago, el intestino delgado y el hígado (v. fig. 11.1). Otros nervios craneales que
contienen axones preganglionares parasimpáticos son: el nervio oculomotor (nervio craneal III), que inerva los músculos lisos del ojo, controlando el tamaño de la pupila y la potencia del cristalino; el nervio facial (nervio craneal VII), que inerva las glándulas salivales, y el nervio glosofaríngeo (nervio craneal IX), que inerva los músculos lisos y las glándulas de la garganta y las vísceras del tórax y el abdomen. A diferencia de las neuronas preganglionares simpáticas, las neuronas preganglionares parasimpáticas que se originan en la médula espinal no se unen al nervio raquídeo. En cambio, se unen con otras neuronas preganglionares parasimpáticas para formar los distintos nervios pélvicos, que inervan el colon, la vejiga y los órganos reproductores (v. figs. 11.1 y 11.6).
Composición mixta de los nervios autónomos Aunque durante mucho tiempo se pensaba que los nervios con fibras del sistema nervioso autónomo contenían solo fibras eferentes, estudios recientes han demostrado que estos nervios se componen de una mezcla de nervios. De hecho, algunos de estos nervios (p. ej., el vago) contienen, en realidad, más fibras aferentes que eferentes. Solo las fibras eferentes de estos nervios forman parte del sistema nervioso autónomo (el cual, por definición, es una rama eferente). Las fibras aferentes generalmente transmiten señales desde los receptores de las vísceras hasta el SNC, y son importantes para mantener la homeostasis. Los receptores de las fibras y sus asociaciones aferentes se describen en los siguientes capítulos.
Test rápido 11.1 1. Compara la vía anatómica para la inervación de los órganos efectores de las ramas simpática y parasimpática del sistema nervioso autónomo. 2. ¿Cuál de las divisiones anatómicas regula la liberación de adrenalina de la médula suprarrenal? 3. ¿Cuál de los dos sistemas, el simpático o el parasimpático, produce una respuesta más difusa? ¿Por qué?
SNC
SNP
Nervio craneal
Órgano efector
Tronco del encéfalo
Neuronas preganglionares
Médula espinal sacra Nervio pélvico
FIGURA 11.6 Vías del sistema nervioso parasimpático. Las neuronas preganglionares parasimpáticas se originan en el tronco del encéfalo o en la médula espinal sacra y sus axones se encuentran en los nervios craneales y pélvicos, respectivamente. Estos axones realizan la sinapsis con las neuronas posganglionares, en el ganglio cercano o dentro de los órganos efectores.
Neuronas posganglionares
Órgano efector
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Neurotransmisores y receptores autónomos Los dos principales neurotransmisores del sistema nervioso periférico son la acetilcolina y la noradrenalina. Las neuronas que liberan el neurotransmisor más común de los dos, la acetilcolina, se denominan colinérgicas. Las neuronas preganglionares de las ramas simpática y parasimpática del sistema nervioso autónomo y las neuronas posganglionares parasimpáticas liberan la acetilcolina. Las neuronas preganglionares simpáticas que inervan las células cromafines de la médula suprarrenal liberan acetilcolina, al igual que el resto de las neuronas preganglionares. Sin embargo, en este caso, la acetilcolina actúa sobre las células endocrinas en la médula suprarrenal para estimular la liberación de adrenalina. La acetilcolina es también el único neurotransmisor de la rama somática del sistema nervioso eferente, un tema que trataremos más tarde en este capítulo. Casi todas las neuronas posganglionares simpáticas liberan noradrenalina. Las neuronas que liberan noradrenalina se denominan adrenérgicas. (Las neuronas posganglionares simpáticas que inervan las glándulas sudoríparas liberan acetilcolina.) Recuerda del capítulo 8 que los efectos de un neurotransmisor dependen del tipo de receptor postsináptico activado cuan-
Desde SNC
Neurona preganglionar (colinérgica)
Desde SNC
Receptor colinérgico nicotínico
Tipos de receptores colinérgicos Las dos principales clases de receptores colinérgicos (receptores nicotínicos y muscarínicos) se distinguen en función de los estudios farmacológicos con dos tipos de antagonistas de la acetilcolina (sustancias químicas que se ligan con un receptor y producen un efecto biológico): la nicotina (que se encuentra en el tabaco) y la muscarina (una toxina que se encuentra en ciertos hongos). Existen al menos cuatro subclases de receptores nicotínicos y cinco subclases de receptores muscarínicos. Los receptores colinérgicos nicotínicos se localizan en los cuerpos celulares y en las dendritas de las neuronas posganglionares simpáticas y parasimpáticas (fig. 11.7), en las células cromafines de la médula suprarrenal y en las células musculares esqueléticas. Los receptores colinérgicos muscarínicos se encuentran en los órga-
Receptor adrenérgico NA
Receptores colinérgicos nicotínicos Adrenalina
Neurona preganglionar (colinérgica)
ACh
Desde SNC
309
do el neurotransmisor se une a él. La acetilcolina y la noradrenalina pueden unirse a diferentes clases y subclases de receptores colinérgicos y adrenérgicos, respectivamente. En esta sección también se consideran los receptores para la hormona adrenalina, porque se liberan desde la médula suprarrenal durante la activación del sistema nervioso simpático.
Neurona posganglionar (adrenérgica)
ACh
Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
Órganos efectores (con receptores adrenérgicos)
Glándula suprarrenal
Neurona posganglionar (adrenérgica)
Neurona preganglionar (colinérgica)
NA ACh
Receptor colinérgico nicotínico
(a) Sistema nervioso simpático
Desde SNC
Receptor colinérgico muscarínico
Neurona posganglionar (colinérgica)
Neurona preganglionar (colinérgica)
ACh
ACh
Órgano efector (con receptor colinérgico)
Receptor colinérgico nicotínico
(b) Sistema nervioso parasimpático
FIGURA 11.7 Neurotransmisores y receptores en el sistema nervioso autónomo. (a) Neurotransmisores y receptores de las tres vías distintas del sistema nervioso simpático. En todos los casos, la neurona preganglionar libera acetilcolina (ACh), esta se une a los receptores colinérgicos nicotínicos de las neuronas posganglionares o de las células endocrinas de la médula suprarrenal. Las neuronas posganglionares liberan noradrenalina (NA), que se
une a receptores adrenérgicos de los órganos efectores. (b) Neurotransmisores y receptores en la vía parasimpática. La acetilcolina se libera desde las neuronas preganglionares y posganglionares; esta se une a los receptores colinérgicos nicotínicos de la neurona posganglionar y a receptores colinérgicos muscarínicos del órgano efector.
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Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
nos efectores del sistema nervioso parasimpático, como el corazón, los músculos lisos que controlan el diámetro de la pupila de los ojos y el músculo liso del tubo digestivo (v. fig. 11.7). Los mecanismos de transducción de señales de los receptores colinérgicos se describieron en el capítulo 8 y se resumen aquí. Todas las subclases de receptores colinérgicos nicotínicos están asociadas a canales que permiten el paso de iones sodio y potasio a través de ellos. Cuando la acetilcolina se liga a estos receptores, estos canales catiónicos se abren, permitiendo la difusión del sodio hacia el interior de la célula y del potasio hacia el exterior celular. Como el sodio se encuentra más lejos de alcanzar el equilibrio, el fluido de entrada de sodio hacia la célula postsináptica supera el flujo de salida de potasio de la misma y provoca la despolarización. Por tanto, los receptores colinérgicos están asociados a la despolarización, o excitación, de la célula postsináptica. En cambio, todas las subclases de receptores colinérgicos muscarínicos se asocian a proteínas G y segundos mensajeros. Las respuestas provocadas por la unión de la acetilcolina pueden ser tanto excitatorias como inhibidoras, dependiendo de la célula diana concreta y de la naturaleza de la vía de transducción de la señal.
Tipos de receptores adrenérgicos
Líquido extracelular
Noradrenalina/ adrenalina Fosfolipasa C
PIP2
IP3 + DAG
Proteína cinasa C Gs
Ca2+ Retículo endoplásmico
Respuesta Citosol
Proteína fosforilasa Respuesta
(a) Fosfatidilinositol bifosfato (PIP3) y receptores 1
Líquido extracelular
Noradrenalina/adrenalina Adenilato ciclasa
2
–
+
Existen dos clases principales de receptores adrenérgicos localizados en los órganos efecATP tores del sistema nervioso parasimpático: los Gs Gi cAMP receptores alfa 1A2 y los receptores beta 1B2. Cada uno de ellos se divide en las siguientes subclases: A1 y A2, y B1, B2 y B3. Los receptores adrenérgicos se asocian a Proteína cinasa proteínas G que pueden tanto activar como inhibir los sistemas de segundos mensajeros (fig. 11.8). La unión de noradrenalina o adreProteína fosforilasa nalina con un receptor A1 activa la proteína G, que, a su vez, activa la enzima fosfolipasa C; Citosol Respuesta esta cataliza la conversión de fosfatidilinositol bifosfato (PIP2) a inositol trifosfato (IP3) y dia(b) cAMP y receptores 2 y cilglicerol (DAG) (v. fig. 11.8a). IP3 entra a la célula y provoca la liberación de calcio desde FIGURA 11.8 Mecanismo de transducción de señales en los órganos efectores del sistema los depósitos intracelulares. El calcio, entonnervioso parasimpático. (a) La unión de la noradrenalina o adrenalina a un receptor adrenérgico A1 ces, provoca una respuesta en la célula. DAG determina la activación del sistema de segundo mensajero del fosfatidilinositol. (b) La unión de la activa la enzima proteína cinasa C, que catalinoradrenalina o adrenalina a un receptor adrenérgico A2 determina la inhibición del sistema del za la fosforilación de una proteína, provocansegundo mensajero del cAMP, mientras que la unión de un receptor adrenérgico B determina la do una respuesta en la célula. excitación del sistema de segundo mensajero del cAMP. La asociación de la noradrenalina o adrenalina con un receptor A2 activa la proteína G como la adrenalina se unen a receptores adrenérgicos. Sin embarinhibidora (Gi), que disminuye la actividad de go, las subclases de receptores adrenérgicos tienen diferentes afila enzima adenilato ciclasa y de ese modo se suprime la síntesis nidades por estos dos mensajeros (tabla 11.1). Los receptores A de cAMP (v. fig. 11.8b). En cambio, la unión de noradrenalina o adrenalina a un receptor B activa la proteína G estimuladora presentan una mayor afinidad por la noradrenalina que por la (GS), que incrementa la actividad de la enzima adenilato ciclasa, adrenalina, y suelen tener un efecto excitatorio, es decir, estimulan las células musculares para contraerlas o las glándulas para aumentando de este modo la síntesis de cAMP (v. fig. 11.8b). que segreguen un producto. Los receptores B1 y B3 tienen aproxiMientras que la acetilcolina es el único mensajero endógeno que se une a los receptores colinérgicos, tanto la noradrenalina madamente las mismas afinidades por la noradrenalina que por
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la adrenalina, y tienden a ser excitatorios. Los receptores B2 tienen mucha más afinidad por la adrenalina que por la noradrenalina y, por consiguiente, la noradrenalina no funciona normalmente como un mensajero químico en estos receptores. La activación de los receptores B2 produce, generalmente, una respuesta inhibidora. Los receptores autónomos tienen una gran importancia clínica. Por ejemplo, los pacientes que padecen asma o congestión nasal toman normalmente agonistas adrenérgicos B2, como adrenalina o efedrina, los cuales producen la dilatación de las vías respiratorias; los agonistas A1 pueden usarse también para tratar la congestión. La hipertensión se puede tratar con fármacos como el propranolol, también llamados beta-bloqueantes porque bloquean los efectos de la noradrenalina o la adrenalina en los receptores adrenérgicos beta, entre los que se incluyen los que se encuentran en el corazón. La atropina, un antagonista colinérgico muscarínico, proviene de la planta Atropa belladonna, denominada así porque los extractos de esta planta se utilizaron para dilatar las pupilas de las mujeres con fines cosméticos (belladonna significa «mujer bella»). La atropina se utiliza en ocasiones para dilatar las pupilas de los ojos antes de realizar una exploración ocular, y se emplea para tratar los cólicos intestinales y las náuseas.
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Neurona posganglionar Varicosidad Órgano efector
Varicosidad
Vesícula sináptica Neurotransmisor (acetilcolina o noradrenalina)
(a) Axón
Canal de umbral de voltaje de Na+
(b)
Axón
Canal de umbral de voltaje de K+ Canal de umbral de voltaje de Ca2+
FIGURA 11.9 Uniones de neuroefector del sistema nervioso autónomo. (a) Cerca del órgano efector, el axón de la neurona posganglionar se separa en ramas con unas tumefacciones, que se denominan varicosidades. (b) Una imagen ampliada de una varicosidad. Mientras que los canales de umbral de voltaje de sodio y potasio aparecen por todo el axón para la propagación de los potenciales de acción, los canales de umbral de voltaje de calcio se concentran en la varicosidad. Los neurotransmisores se almacenan en las vesículas sinápticas de la varicosidad. Con respecto a la varicosidad representada en la parte (b), ¿hacia dónde se propagan los potenciales de P acción: hacia la izquierda, hacia la derecha o hacia ambos lados?
Comprueba tus conocimientos Una persona padece incontinencia urinaria. En función de la información que contiene la tabla 11.2, ¿qué tipo de fármaco (agonista o antagonista, simpático o parasimpático) podrá utilizarse para tratar esta enfermedad? ¿Cuáles pueden ser algunos efectos secundarios de estos fármacos?
Uniones de neuroefectores autónomos La sinapsis realizada entre una neurona eferente y su órgano efector se denomina unión neuroefectora. La sinapsis establecida entre las neuronas posganglionares autónomas y sus órganos efectores son diferentes de las sinapsis ordinarias entre las neuronas, en el sentido de que las neuronas posganglionares no tienen axones terminales definidos. En cambio, los neurotransmisores se liberan desde numerosas tumefacciones localizadas en intervalos a lo largo de los axones de estas neuronas, denominadas varicosidades (fig. 11.9a). Dentro de ellas, los neurotransmisores se sintetizan y después se almacenan en vesículas (fig. 11.9b). La membrana del axón contiene los canales de umbral de voltaje del sodio y el potasio normales, que permiten la propagación de los potenciales de acción. Además, la mem-
brana de la región de cada varicosidad contiene canales de umbral de voltaje de calcio que se abren cuando un potencial de acción los alcanza. El mecanismo de liberación de neurotransmisores desde estas varicosidades es similar al mecanismo de liberación de transmisores desde un axón terminal ordinario (fig. 11.10). Un potencial de acción que llega a una varicosidad abre canales de umbral de voltaje de calcio, lo que permite que el calcio acceda al citoplasma y estimule la liberación de un neurotransmisor mediante exocitosis. Sin embargo, a diferencia de las sinapsis ordinarias, no existe una disposición anatómica definida entre la varicosidad y el órgano efector. Primero, como un axón posganglionar tiene varias varicosidades, un potencial de acción propagado a lo largo del axón desencadena la liberación de un neurotransmisor desde todas ellas. Segundo, dado que la distancia entre la varicosidad y el órgano efector es mayor que la amplitud de la hendidura sináptica, el neurotransmisor liberado desde una varicosidad difunde por una zona mayor del órgano efector, uniéndose a receptores de las células por todo el órgano efector. Los efectos de un neurotransmisor terminan cuando se encuentran en una sinapsis típica neurona a neurona, algo que puede suceder por la separación del neurotransmisor respecto de los receptores por difusión, por la recaptación activa de este
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Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor Varicosidad
Varicosidad Potencial de acción
Mitocondria con MAO
Potencial de acción
ACh
NA
Proteína G
NA
Colina + Acetato
Receptor colinérgico muscarínico
Célula efectora
Ca2+
Colina
Ca2+
Receptor adrenérgico
ACh
Enzima amplificadora Acetilcolinesterasa
Célula efectora
Proteína G
Enzima amplificadora
(a) Acetilcolina liberada por la neurona posganglionar
(b) Noradrenalina liberada por una neurona posganglionar
FIGURA 11.10 Neurotransmisores liberados en las varicosidades.
y se utiliza para sintetizar más acetilcolina. (b) Liberación de la noradrenalina desde una varicosidad. Cuando un potencial de acción despolariza una varicosidad, los canales de umbral de voltaje de calcio se abren, permitiendo que los iones de calcio entren en la célula y liberen la noradrenalina (NA) por exocitosis. La noradrenalina se une a los receptores adrenérgicos de la membrana del órgano efector, donde se activa la proteína G. Parte de la noradrenalina se transporta de vuelta dentro de las varicosidades de las neuronas posganglionares, donde se degrada por la monoaminooxidasa (MAO) en la mitocondria.
(a) Liberación de acetilcolina desde una varicosidad. Cuando un potencial de acción despolariza una varicosidad, los canales de umbral de voltaje de calcio se abren, permitiendo que los iones de calcio entren en la célula y liberen acetilcolina por exocitosis. La acetilcolina se une a un receptor colinérgico muscarínico en la membrana de un órgano efector, donde activa la proteína G. Cuando se degrada la acetilcolina por la acetilcolinesterasa localizada en el órgano efector, la colina es transportada de nuevo a la varicosidad posganglionar
o mediante la degradación del neurotransmisor por parte de las enzimas. Una enzima de este tipo es la acetilcolinesterasa, que se sitúa en la membrana de la neurona posganglionar o del órgano efector en uniones neuroefectoras colinérgicas. Después de la degradación de acetilcolina en acetato y colina por parte de la acetilcolinesterasa, la colina se transporta de forma activa al interior de la varicosidad posganglionar y se utiliza para sintetizar más acetilcolina. La monoaminooxidasa, otra enzima degradante, se ubica en las uniones neuroefectoras adrenérgicas dentro de la mitocondria de las neuronas posganglionares, donde degrada las catecolaminas que se han transportado de forma activa al interior de las células.
Regulación de la función activa Para mantener la homeostasis, el organismo debe equilibrar los niveles de actividad entre las dos ramas del sistema nervioso autónomo. En condiciones de reposo, el organismo gasta menos energía que en otros momentos; la mayor parte de esa energía se gasta en la digestión y absorción de nutrientes de la comida ingerida recientemente. Cuando las demandas de energía son bajas, el corazón no necesita trabajar tan fuertemente, porque la demanda de sangre de los órganos es baja. De forma conveniente, el sistema nervioso parasimpático ejerce un control dominante sobre los órganos del organismo en estas condiciones. Sin
TABLA 11.1 Receptores adrenérgicos Afinidades relativas
Mecanismo de transducción de señales
La mayoría de los músculos lisos vasculares, pupilas
NA Ad
Activa IP3
Excitante
SNC, plaquetas, terminales nerviosos adrenérgicos (autorreceptores), algunos músculos lisos vasculares, tejido adiposo
NA Ad
Inhibe cAMP
Excitante
B1
SNC, músculo cardíaco, riñón
NA = Ad
Activa cAMP
Excitante
B2
Algunos vasos sanguíneos, aparato respiratorio, útero
Ad NA
Activa cAMP
Inhibidor
B3
Tejido adiposo
NA = Ad
Activa cAMP
Excitante
Tipo de receptor
Órgano efector con cada tipo de receptor
A1 A2
=, igual que; , mayor que; , mucho mayor que; Ad = adrenalina; NA = noradrenalina. † Los efectos se generalizan y no son absolutos.
Efecto en el órgano efector†
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Una persona se levanta
Extremidades inferiores La fuerza de la gravedad hace que la sangre se acumule
Arterias sistémicas presión arterial
Receptores viscerales Detectan una disminución en la presión arterial
Vía aferente frecuencia de potenciales de acción
Centro del control cardiovascular en el bulbo raquídeo Integración
Vía eferente actividad simpática
actividad parasimpática
Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
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viscerales, cambios automáticos en las funciones de los órganos que se producen como respuesta a las condiciones cambiantes dentro del organismo. Considera, por ejemplo, la respuesta autónoma que se produce cuando una persona se levanta rápidamente (fig. 11.11). Debido a la fuerza de la gravedad, se produce un descenso de la presión por la acumulación de sangre en las extremidades inferiores, y los receptores de algunas de las arterias principales (aorta y carótida) la detectan. Dicha información se transmite entonces a las zonas reguladoras cardiovasculares del bulbo raquídeo a través de una vía aferente. A modo de respuesta, estas zonas ajustan las señales emitidas a los sistemas nerviosos simpático y parasimpático. Aumentan las señales simpáticas hacia el corazón y los vasos sanguíneos, lo que normaliza la presión arterial. Al mismo tiempo, disminuyen los estímulos parasimpáticos hacia el corazón, lo que permite que la presión arterial aumente sin oposición. (Recuerda que la actividad parasimpática tiende a ralentizar el corazón. Esta acción tiende a disminuir la presión arterial.) Normalmente, la presión vuelve a la normalidad en un par de segundos, de forma que la persona no nota los cambios que pueden haberse producido. Este arco reflejo actúa para evitar una disminución del flujo sanguíneo al cerebro y la pérdida de la conciencia cuando una persona se levanta después de estar tumbado. Asimismo, el sistema nervioso autónomo se adapta a las variaciones a largo plazo de la actividad, como en el ejercicio (v. «Comprender el ejercicio: Adaptaciones del sistema nervioso periférico»). Entre las zonas principales del cerebro que regulan la función autónoma se incluyen: el hipotálamo, la protuberancia y el bulbo raquídeo (fig. 11.12). El hipotálamo inicia la respuesta de lucha o huida para provocar una activación amplia del sistema nervioso simpático cuando una persona se encuentra en peligro o excitada. Asimismo, el hipotálamo contiene los centros reguladores de la temperatura corporal, la ingesta de alimentos y el equilibrio del agua, todos los cuales están regulados de alguna forma por neuronas autónomas. El bulbo raquídeo y la protuberancia contienen centros cardiovasculares y respiratorios que controlan el corazón, los vasos sanguíneos y los músculos lisos de las vías respiratorias, y regulan los patrones de respiración automáticos que no requieren del pensamiento consciente. Estas zonas del cerebro reciben
Corazón y vasos sanguíneos presión arterial
Estímulo inicial
Hipotálamo
Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 11.11 Respuesta refleja autónoma que controla la presión arterial cuando una persona se levanta.
embargo, cuando el organismo está activo, la demanda de energía de los tejidos aumenta. Esta demanda debe satisfacerse, incluso a costa de suspender la actividad de los órganos digestivos. En estas condiciones, la actividad parasimpática disminuye y la actividad simpática aumenta. El resultado es un aumento de la actividad del corazón, que ayuda a aumentar el flujo sanguíneo a los músculos esqueléticos. Ahora bien, ¿cómo regula el cerebro el equilibrio entre la actividad parasimpática y simpática para satisfacer las cambiantes demandas del organismo? La mayoría de los cambios de actividad del sistema nervioso autónomo se realizan a través de la operación de los reflejos
Centros respiratorios
Protuberancia Bulbo raquídeo
Centros cardiovasculares
FIGURA 11.12 Áreas del cerebro que regulan la función autónoma. La sección media sagital del cerebro muestra la protuberancia y el bulbo raquídeo del tronco del encéfalo y el hipotálamo, todos los cuales regulan la función autónoma.
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información de otras regiones del cerebro, entre las que se incluyen el hipotálamo, la corteza cerebral y el sistema límbico. Asimismo, reciben la información aferente necesaria para el control reflejo del funcionamiento visceral como el que se acaba de describir en relación con la presión arterial. Entre otros reflejos autónomos en los que interviene el tronco del encéfalo se incluyen el reflejo pupilar a la luz (v. capítulo 10), el reflejo de acomodación (v. capítulo 10), el reflejo del vómito (v. capítulo 20) y el reflejo de deglución (v. capítulo 20). Los circuitos neurales de la médula espinal coordinan algunos reflejos viscerales, y se trata, por tanto, de reflejos medulares. Algunos ejemplos son los reflejos que controlan la micción (v. capítulo 18), la defecación (v. capítulo 20), la erección (v. capítulo 22) y la eyaculación (v. capítulo 22). Recuerda del capítulo 9 que una zona del cerebro que influye en la actividad de los centros de control autónomos es el sistema límbico, que interviene en el desarrollo de las emociones. Las emociones tienen un fuerte efecto sobre la actividad del sistema nervioso autónomo y afectan, por tanto, al funcionamiento de los órganos efectores controlados por este. Todos somos conscientes de algunas de las repuestas autónomas comunes a las emociones, entre las que se incluyen un ritmo acelerado del corazón, molestias en el estómago («mariposas»), ponerse colorado, desvanecerse y sudar.
Comprueba tus conocimientos Para cada una de las siguientes respuestas emocionales: ritmo acelerado del corazón, molestias en el estómago («mariposas»), ponerse colorado, desvanecerse y sudar, ¿cuál de las dos ramas, la parasimpática o la simpática, domina la respuesta autónoma? ¿Qué tipo de medicación se podría utilizar para aliviar estas respuestas si se producen en exceso? El sistema nervioso autónomo es también responsable de muchos de los síntomas asociados a la cinetosis, que está normalmente provocada por una descoordinación de informacio-
nes sensoriales, entre las que se incluyen las provenientes del aparato vestibular (que detecta el movimiento del organismo), del sistema visual y los propiorreceptores por todo el organismo (que detectan la posición del cuerpo en un espacio tridimensional). Entre los síntomas más comunes se incluyen las náuseas y el sudor. Los mecanismos neurales que intervienen en la cinetosis no se entienden completamente, pero es posible que la comunicación entre el aparato vestibular y los centros de control autónomos del tronco del encéfalo estén involucrados, resultando excitadas las dos ramas del sistema nervioso autónomo. Un tratamiento común para los mareos al viajar es el fármaco escopolamina, un antagonista colinérgico muscarínico, que se puede administrar en pastillas o mediante un parche. Se ha mencionado la neuropatía diabética en varios capítulos, dados sus amplios efectos en el sistema nervioso. Asimismo, resulta un tema apropiado para la discusión en este capítulo, ya que la neuropatía diabética puede afectar al sistema nervioso autónomo. Dado que el sistema nervioso autónomo controla tantos sistemas orgánicos diferentes, la neuropatía autónoma tiene una amplia gama de efectos graves. En primer lugar, la neuropatía autónoma dificulta a los individuos con diabetes el control de su enfermedad, para el cual se necesita un control de los niveles de glucosa en sangre. Muchos de los síntomas de la hipoglucemia, como el sudor, el temblor y las palpitaciones, necesitan la actividad autónoma y, por tanto, pasan desapercibidos si existe alguna neuropatía. El daño de los nervios autónomos al corazón disminuye la capacidad del corazón de ajustarse a los cambios en la demanda del aumento o disminución del flujo sanguíneo. La neuropatía autónoma que afecta a los nervios del tubo digestivo puede provocar náuseas, vómitos o estreñimiento. Asimismo, este tipo de neuropatía puede afectar a los riñones y los órganos reproductores, provocando síntomas como incontinencia urinaria y disfunción eréctil. La tabla 11.2 resume los efectos de las dos ramas del sistema nervioso autónomo. En la siguiente sección volveremos a tratar el sistema nervioso somático.
TABLA 11.2 Efectos de la inervación por parte del sistema nervioso autónomo Sistema nervioso parasimpático*
Sistema nervioso simpático
Efecto
Efecto
Clase de receptor adrenérgico
Nódulo sinoauricular
Disminuye la frecuencia cardíaca
Incrementa la frecuencia cardíaca
B1
Nódulo auriculoventricular
Disminuye la velocidad de conducción
Incrementa la velocidad de conducción
B1
Fuerza de contracción
Disminuye (pequeño efecto)
Incrementa
B1
Arteriolas de la mayoría del cuerpo
Ninguno
Vasoconstricción
A1
Arteriolas de los músculos esqueléticos
Ninguno
Vasoconstricción
A1
Vasodilatación (adrenalina)
B2
Arteriolas del cerebro
Ninguno
Ninguno
Venas
Ninguno
Vasoconstricción
A1
Vasodilatación (adrenalina)
B2
Sistema orgánico Corazón
Vasos sanguíneos
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Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
TABLA 11.2 Efectos de la inervación por parte del sistema nervioso autónomo (cont.) Sistema nervioso parasimpático*
Sistema nervioso simpático
Efecto
Efecto
Clase de receptor adrenérgico
Músculo bronquial
Contracción
Relajación
B2
Glándulas bronquiales
Estimula la secreción
Inhibe la secreción
A
Motilidad
Aumentada
Disminuida
A1, A2, B2
Secreciones
Estimuladas
Inhibida
A2
Esfínteres
Relajación
Contracción
A1
Glándulas exocrinas
Estimula la secreción
Inhibe la secreción
A
Glándulas endocrinas
Estimula la secreción
Inhibe la secreción
A2
Estimula la secreción acuosa
Estimula la secreción de mucosa
A1
Ninguno
Estimulada
B1
Pared de la vejiga
Contracción
Relajación (pequeño efecto)
B2
Esfínteres
Relajación
Contracción
A1
Vasos sanguíneos (erección)
Vasodilatación
Ninguno
Conductos deferentes y vesículas seminales (eyaculación)
Ninguno
Eyaculación
A1
Útero, no embarazada
Desconocido
Relajación
B2
Útero, embarazada
Desconocido
Contracción
A1
Glándulas sudoríparas
Estimula la secreción
Estimula la secreción
A1, muscarínico†
Músculos piloerectores
Ninguno
Contracción (los pelos se erizan)
A1
Músculos del iris (tamaño de la pupila)
Contracción del músculo circular (contracción pupilar)
Contracción del músculo radial (dilatación pupilar)
A1
Músculos ciliares (acomodación)
Contracción para la visión de cerca
Relajación para la visión de lejos (pequeño efecto)
B2
Ninguno
Estimula la glucogenólisis y la gluconeogenia
A1, B2
Ninguno
Estimula la lipólisis
B3
Sistema orgánico Pulmones
Aparato digestivo
Páncreas
Glándulas salivales Riñones Liberación de renina Vejiga urinaria
Aparato reproductor masculino
Aparato reproductor femenino
Piel
Ojo
Metabolismo Hígado Tejido adiposo
*No se dan los tipos de receptores para el sistema nervioso parasimpático porque todos los órganos efectores tienen receptores colinérgicos muscarínicos. † Las neuronas posganglionares simpáticas de las glándulas del sudor liberan acetilcolina como neurotransmisor.
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Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
COMPRENDER EL E JERCICIO
Adaptaciones del sistema nervioso periférico La mayoría de nosotros somos conscientes de algunas de las adaptaciones que sufren nuestros músculos cuando los ejercitamos. Cuando comenzamos una rutina regular de jogging, nuestros músculos se vuelven más eficientes y, a medida que continúa el entrenamiento, podemos correr distancias más largas con menos fatiga. Cuando comenzamos a entrenar con pesas, los músculos se hacen más grandes y fuertes. Otros sistemas orgánicos también se adaptan al ejercicio. Aquí describimos la forma en que la rama eferente del sistema nervioso autónomo se adapta. En términos de la rama somática del sistema nervioso eferente, la mayoría de los cambios principales se producen con la activación de la motoneurona en la médula espinal y los cambios anatómicos en la unión neuromuscular. El reclutamiento de unidades motoras tiende a ser más fuerte y ajustado; más fuerte en el sentido de que, una vez activadas, las motoneuronas tienen una mayor frecuencia de potenciales de acción, y más ajustado en el sentido de que hay una gama más estrecha sobre la cual una determinada motoneurona se activa. Esto permite con-
tracciones más fuertes, aunque más estables, de un músculo. En la unión neuromuscular, se producen cambios anatómicos con el ejercicio regular, aunque la importancia funcional precisa resulta incierta. Las motoneuronas desarrollan una ramificación axonal más extensa en la unión neuromuscular. Por tanto, cuando un potencial de acción llega a los botones terminales más numerosos, más vesículas sinápticas liberan su acetilcolina en la hendidura sináptica, lo que mejora la comunicación sináptica y, probablemente, provoca una contracción muscular más fuerte. Otro cambio principal que ocurre en la unión neuromuscular con el ejercicio regular es un aumento en la concentración de acetilcolinesterasa, la enzima que degrada la acetilcolina. Por tanto, mientras el músculo se contrae con más fuerza, debido a la mejora en la liberación de acetilcolina, también se relaja más rápidamente, debido a una degradación más rápida de la acetilcolina. Asimismo, el sistema nervioso autónomo se adapta al ejercicio de resistencia; por ejemplo, aunque la frecuencia cardíaca en reposo
Test rápido 11.2 1. ¿Cuáles son los dos neurotransmisores principales de la rama eferente del sistema nervioso periférico y qué neurona(s) los liberan? 2. ¿Qué es una unión neuroefectora? ¿En qué sentido son las uniones neuroefectoras autónomas diferentes de las sinapsis ordinarias entre las neuronas? ¿En qué sentido son iguales? 3. ¿Qué son los reflejos viscerales y cómo intervienen en el control de las funciones autónomas? 4. ¿Qué zonas del SNC ejercen el control primario sobre el sistema nervioso autónomo?
Sistema nervioso somático A diferencia del sistema nervioso autónomo, que controla el funcionamiento de muchos tipos diferentes de órganos efectores, el sistema nervioso somático controla solo un tipo de órgano efector: los músculos esqueléticos. La mayoría de los músculos
suele oscilar entre 70 y 80 latidos por minuto, no resulta inusual que un atleta tenga una frecuencia cardíaca en reposo de 50 latidos por minuto, lo que se debe, en parte, a los cambios en la actividad neural parasimpática y simpática del corazón. La actividad neural parasimpática disminuye el ritmo cardíaco, mientras que la actividad neural simpática lo aumenta. En condiciones de reposo, la actividad parasimpática domina y el ritmo cardíaco es relativamente bajo. Durante el ejercicio, aumenta la actividad simpática y disminuye la actividad parasimpática, lo que provoca un aumento en el ritmo cardíaco. Con el ejercicio regular, el ritmo cardíaco en reposo se reduce debido a la adaptación neural: la actividad parasimpática resulta más activa y la simpática menos activa durante el reposo en un atleta comparado con una persona que no realiza ejercicio. La disminución de los niveles de la actividad neural simpática en reposo puede tener otros beneficios para el organismo, dado que el sistema nervioso simpático se activa durante la respuesta de «lucha o huida», que puede causar un desgaste adicional del organismo.
esqueléticos están conectados a los huesos y, por tanto, intervienen en el soporte y el movimiento del organismo. Además, el sistema nervioso somático solo tiene un tipo de neurona eferente: las motoneuronas, las neuronas que inervan los músculos esqueléticos. La mayoría de los músculos esqueléticos se encuentran bajo el control voluntario, es decir, podemos decidir conscientemente contraer un músculo. Por este motivo, el sistema nervioso somático también se conoce como sistema nervioso voluntario.
Anatomía del sistema nervioso somático En el sistema nervioso somático, una sola motoneurona viaja desde el sistema nervioso central a una célula de un músculo esquelético (fig. 11.13). Recuerda que existen dos neuronas en la vía del sistema nervioso autónomo hacia un órgano efector. Las motoneuronas se originan en el asta ventral de la médula espinal (o los núcleos del tronco del encéfalo análogos) y reciben información de numerosas fuentes, entre las que se incluyen los aferentes (para los reflejos medulares), las vías extrapiramidales del
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Motoneurona 1 Motoneurona 2 Motoneurona 3 Motoneurona
Médula espinal
Médula espinal Asta ventral Músculo esquelético Fibra muscular
FIGURA 11.13 Anatomía de la vía del sistema nervioso somático. El sistema nervioso somático consta de motoneuronas, que se originan en el asta ventral de la médula espinal y terminan en las fibras musculares esqueléticas a lo largo del cuerpo.
tronco del encéfalo, y la vía piramidal de la corteza cerebral. Una motoneurona inerva muchas células musculares (denominadas fibras musculares), pero cada fibra muscular solo resulta inervada por una motoneurona. Una motoneurona, junto con todas las fibras musculares que inerva, compone una unidad motora (fig. 11.14). Cuando una motoneurona se activa, estimula la contracción de todas las fibras musculares de su unidad. La importancia funcional de las unidades motoras se trata en el capítulo 12.
Músculo
Fibras musculares
FIGURA 11.14 Unidades motoras. Una unidad motora consiste en una motoneurona y las fibras musculares que inerva. Mientras que una única neurona inerva muchas fibras musculares, una fibra muscular es inervada por una sola motoneurona. Fíjate que las fibras musculares de una unidad motora determinada se encuentran dispersas a lo largo del músculo.
Unión neuromuscular Cada rama de una motoneurona establece sinapsis con una fibra muscular esquelética en una región central única altamente especializada de la fibra denominada unión neuromuscular (fig. 11.15a). Los axones terminales de una motoneurona, denominados botones terminales, almacenan y liberan acetilcolina, el único neurotransmisor del sistema nervioso somático. Frente a esos botones terminales se encuentra una región especializada en la membrana plasmática de la fibra muscular denominada placa motora terminal, que presenta invaginaciones que contienen un gran número de receptores colinérgicos nicotínicos. La acetilcolinesterasa, que se encuentra entre las invaginaciones de la placa motora terminal, finaliza la señal excitatoria, permitiendo a las fibras que se relajen. El mecanismo de transmisión de señales de la unión neuromuscular es similar al de la sinapsis excitatoria entre neuronas (fig. 11.15b). Cuando una motoneurona se activa por la convergencia de entradas sinápticas, los potenciales de acción se propagan hacia los botones terminales de las uniones neuromusculares de todas las fibras musculares de la unidad motora. Como resultado de la despolarización, se abren en los botones los canales de umbral de voltaje de calcio, permitiendo la entrada de calcio al citosol y desencadenando la liberación de acetilcolina por exocitosis. La acetilcolina difunde a través de la hendidura sináptica y se une a los receptores colinérgicos nicotínicos de la placa motora terminal, provocando la apertura de los canales de cationes. Esto permite que el sodio fluya hacia el interior de la fibra muscular y produzca una despolarización
denominada potencial de la placa terminal, que resulta parecida en muchos aspectos a los potenciales postsinápticos excitatorios generados en las neuronas. La principal diferencia es que los potenciales de placa terminal normalmente tienen una magnitud suficiente para despolarizar la fibra muscular por encima del umbral, lo que genera un potencial de acción y la contracción de la fibra muscular siguiendo los mecanismos descritos en el capítulo 12. Aunque el metabolismo del músculo esquelético está sometido a regulación hormonal, solo la inervación por parte de una motoneurona controla la contracción de los músculos esqueléticos. Por tanto, toda la comunicación neuronal hacia el músculo esquelético es excitatoria, es decir, estimula la contracción del músculo. Para relajar los músculos esqueléticos, la estimulación neuronal debe decrecer. Evidentemente, la transmisión de señales normales en la unión neuromuscular resulta necesaria para la contracción normal del músculo esquelético. Si se altera la transmisión en la unión neuromuscular, como ocurre en la enfermedad miastenia grave, entonces la función normal de los músculos esqueléticos se pierde (v. «Conexiones clínicas: Miastenia grave»). La unión neuromuscular es también el objetivo de muchas de las toxinas presentes en venenos animales. El veneno de la viuda negra, por ejemplo, contiene la toxina latroxina, que estimula la liberación de acetilcolina en la unión neuromuscular e induce espasmos musculares y rigidez. Debido a que afecta a los
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Potencial de acción
Vesícula sináptica
ACh
Botón terminal de la motoneurona Membrana celular del músculo esquelético
1
Placa motora terminal de la célula muscular esquelética
Potencial de acción
8
(a)
3
Colina
2
ACh
6
7 Acetilcolinesterasa
K+ 4
Ca2+ Canal de umbral de voltaje de Ca2+
5 Corriente Na+
5 Corriente
Receptor colinérgico nicotínico
(b)
FIGURA 11.15 Anatomía funcional de la unión neuromuscular. (a) Tanto el axón terminal de la motoneurona como la porción de la membrana plasmática del músculo esquelético denominada placa motora terminal están especializadas en la unión neuromuscular. (b) Comunicación en la unión neuromuscular. Cuando un potencial de acción alcanza el axón terminal de la motoneurona ➀, los canales de umbral de voltaje de calcio se abren y el calcio entra en el citosol ➁. La entrada de calcio hace que se comience la liberación por exocitosis de la acetilcolina ➂, que difunde y se une a receptores colinérgicos nicotínicos en la placa motora terminal,
músculos respiratorios (que son músculos esqueléticos), este veneno puede ocasionar una insuficiencia respiratoria y la muerte, al inducir contracciones espásticas de estos músculos. Por el contrario, el veneno de la serpiente de cascabel contiene la toxina crotoxina, que tiene el efecto contrario a la latroxina. La crotoxina inhibe la liberación de acetilcolina, lo que induce la parálisis flácida de los músculos esqueléticos. Otra toxina que presenta efectos paralizantes de los músculos esqueléticos es el curare, un veneno usado por los nativos de Sudamérica en las puntas de los dardos para las cerbatanas (v. «Descubrimientos: Curare»).
abriendo los canales de cationes. El sodio entra en la célula ➃, produciendo un potencial terminal de placa que genera corrientes a través de la membrana plasmática de la célula muscular esquelética ➄, generando un umbral de potencial de acción que despolariza la membrana ➅. El potencial de acción se extiende a lo largo de la membrana de las células musculares esqueléticas, estimulando finalmente la contracción. La acetilcolinesterasa degrada la acetilcolina y produce acetato y colina ➆. La colina es transportada hacia el botón terminal ➇, donde puede usarse para sintetizar más acetilcolina.
Test rápido 11.3 1. Describe dos diferencias entre el sistema nervioso somático y las dos ramas del sistema nervioso autónomo con respecto a las disposiciones anatómicas de sus neuronas eferentes. ¿Cómo se llaman las neuronas eferentes del sistema nervioso somático? 2. ¿Qué tipo de neurotransmisor liberan las motoneuronas en la unión neuromuscular? ¿A qué tipo de receptor se une dicho neurotransmisor? 3. ¿Cuántos tipos de motoneuronas inervan a una única fibra muscular esquelética?
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Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
CONEXIONES CLÍNICAS
Miastenia grave La miastenia grave es una enfermedad que afecta a la transmisión en las uniones neuromusculares. Los pacientes suelen ser mujeres y aparece entre los 20 y los 50 años. La característica más destacable de esta enfermedad es la fatiga de rápida aparición y gran intensidad tras la utilización de determinados grupos musculares. Debido a que los músculos afectados normalmente son los de la cabeza, los síntomas más frecuentes son la dificultad en el habla (disartria) y en la deglución (disfagia); asimismo, a menudo se produce una caída del párpado (ptosis), como se observa en la foto. Además, la enfermedad suele afectar a los músculos de las extremidades, lo que provoca debilidad en los brazos y en las piernas. En algunas personas también se ven afectados los músculos respiratorios, llegando incluso a precisarse, en ocasiones, un respirador mecánico. La causa subyacente de la enfermedad fue un misterio hasta mediados del siglo XX, cuando se desarrollaron técnicas que permitieron grabar señales eléctricas en los nervios y en los músculos. Estas técnicas revelaron que los sín-
tomas de la miastenia grave se debían al fallo de las motoneuronas al excitar las células musculares para que se contraigan. Aunque las motoneuronas eran capaces de transmitir potenciales de acción seguidos por potenciales de la placa terminal en las células musculares, estos potenciales de la placa terminal eran, a menudo, más pequeños de lo normal, especialmente si las neuronas se estimulaban de forma repetida. Cuando esto ocurría, los potenciales de la membrana de las células musculares a menudo no alcanzaban el umbral, lo que daba como resultado una contracción «disminuida». Ahora sabemos que la miastenia grave es una enfermedad autoinmunitaria (una enfermedad en la que el sistema inmunitario ataca a proteínas que son componentes normales de los tejidos corporales). En la miastenia grave, el sistema inmunitario produce anticuerpos contra los receptores de acetilcolina de las uniones neuromusculares. Estos anticuerpos se unen a receptores colinérgicos nicotínicos, lo que provoca su extracción de la membrana plasmática y la consiguiente destrucción por parte de las célu-
las inmunitarias. La disminución resultante en el número de receptores funcionales de la superficie celular afecta a la capacidad de estas células musculares para responder a la acetilcolina. Los tratamientos actuales intentan disminuir la acción del sistema inmunitario mediante la reducción de los niveles de anticuerpos en la sangre. Estos tratamientos han eliminado casi por completo la mortalidad de la miastenia grave y han permitido que muchas de las personas con esta enfermedad puedan vivir su vida con normalidad.
Paciente con un párpado caído, característico de la miastenia grave.
DESCUBRIMIENTOS
Curare El curare es un extracto de una planta (Chondrodendron tomentosum) localizada en América del Sur. Los indígenas de esa región machacan y cocinan las raíces y tallos de la planta para producir un veneno que aplican a las puntas de sus flechas y dardos. (La palabra curare viene de la palabra utilizada por los nativos para veneno.) El curare se utilizaba en el juego de caza. Cuando un animal resultaba alcanzado por una flecha o un dardo con curare, quedaba paralizado y finalmente moría por fallo respiratorio. El eficaz componente del curare es un compuesto denominado tubocurarina, que bloquea la comunicació en la unión neuromuscular.
La tubocurarina se une a los receptores colinérgicos nicotínicos, evitando así que la acetilcolina se una. Cuando esto se produce, los músculos esqueléticos son incapaces de contraerse incluso cuando las motoneuronas que los inervan transmiten los potenciales de acción. A finales del siglo XIX y comienzos del XX se estudiaron los posibles beneficios farmacéuticos del curare. Se utilizó por primera vez en la década de 1930 como relajante muscular complementario a la anestesia general. Hoy, el curare tiene numerosas aplicaciones clínicas, entre las que se incluyen la dilatación de órganos huecos como el recto y la relajación
de la garganta, lo que facilita la exploración. Asimismo, se utiliza para el alivio de la parálisis espástica, un tipo de parálisis secundaria a un exceso de actividad muscular esquelética.
Planta del curare.
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Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
TABLA 11.3 Propiedades de los sistemas nerviosos somático y autónomo Propiedad
Autónomo: parasimpático
Autónomo: simpático
Somático
Origen
Tronco del encéfalo o astas laterales de la médula espinal sacra
Astas laterales de la médula espinal torácica y lumbar
Astas ventrales de la médula espinal
Neuronas en la vía
Dos (preganglionares y posganglionares)
Dos (preganglionares y posganglionares)
Una (motoneurona)
Órganos efectores
Músculo cardíaco, músculo liso, glándulas
Músculo cardíaco, músculo liso, glándulas, tejido adiposo
Músculo esquelético
Neurotransmisores en la unión neuroefectora
Acetilcolina
Noradrenalina
Acetilcolina
Tipo de receptor en el órgano efector
Colinérgico muscarínico
Adrenérgico (todos los tipos)
Nicotínico colinérgico
Efectos en el órgano efector
Excitación o inhibición
Excitación o inhibición
Excitación
Control
Principalmente involuntario
Principalmente involuntario
Principalmente voluntario
RESUMEN DEL CAPÍTULO Sistema nervioso autónomo, pág. 304 Existen dos ramas principales del sistema nervioso eferente: el sistema nervioso autónomo y el sistema nervioso somático. La tabla 11.3 compara las propiedades de las dos ramas del sistema nervioso autónomo con las del sistema nervioso somático. El sistema nervioso autónomo comprende los sistemas nerviosos parasimpático y simpático, los cuales inervan el músculo cardíaco, los músculos lisos, las glándulas y el tejido adiposo. Los órganos efectores normalmente se inervan tanto por las divisiones parasimpáticas como por las simpáticas, una disposición denominada inervación dual. El sistema nervioso parasimpático resulta más activo durante el reposo, mientras que el sistema nervioso simpático resulta más activo durante los períodos de actividad o de excitación y es responsable de la respuesta de lucha o huida. Las vías del sistema nervioso autónomo se componen de dos neuronas que comunican el SNC y el órgano efector: las neuronas preganglionares y las neuronas posganglionares. Las neuronas posganglionares inervan el órgano efector. Asimismo, el sistema nervioso simpático tiene un componente endocrino, porque un conjunto de neuronas preganglionares inerva la médula suprarrenal, lo que estimula la liberación de la hor-
mona adrenalina. Todas las neuronas preganglionares contienen el neurotransmisor acetilcolina. Asimismo, las neuronas posganglionares parasimpáticas contienen el neurotransmisor acetilcolina, pero la mayoría de las neuronas posganglionares simpáticas contienen el neurotransmisor noradrenalina. Los receptores de acetilcolina de las neuronas posganglionares son receptores colinérgicos nicotínicos, mientras que los receptores de acetilcolina de los órganos efectores del sistema nervioso parasimpático son receptores colinérgicos muscarínicos. Los receptores de noradrenalina y adrenalina de los órganos efectores del sistema nervioso simpático son receptores adrenérgicos. La sinapsis realizada entre una neurona eferente y el órgano efector se denomina unión neuroefectora. En las uniones neuroefectoras entre las neuronas posganglionares autónomas y sus órganos efectores, se libera el neurotransmisor de forma difusa desde las varicosidades y, después, se une a los receptores de los órganos efectores. El mecanismo de liberación de un neurotransmisor resulta similar al de la sinapsis entre las neuronas. El sistema nervioso autónomo se encuentra bajo control involuntario. Las zonas del cerebro que influyen en la actividad autóno-
ma son el tronco del encéfalo, el hipotálamo y el sistema límbico.
Nervous II, Synaptic Transmission, págs. 3–4 Nervous II, Ion Channels: págs. 4–5, 7 Nervous I, The Membrane Potential, págs. 5–6, 11
Sistema nervioso somático, pág. 316 La división somática del sistema nervioso eferente se compone de vías compuestas por motoneuronas. Las motoneuronas se originan en el asta ventral de la médula espinal e inervan las células musculares esqueléticas. Una motoneurona y las células musculares que inerva conforman una unidad motora. La sinapsis realizada entre una motoneurona y una fibra de músculo esquelético se denomina unión neuromuscular. La motoneurona contiene el neurotransmisor acetilcolina. Los receptores de los músculos esqueléticos son colinérgicos nicotínicos. La unión de acetilcolina con los receptores colinérgicos nicotínicos en la placa terminal motora produce un potencial de la placa terminal, que finalmente hace que se contraiga la fibra del músculo esquelético.
Nervous II, Synaptic Transmission, pág. 11 Muscular, The Neuromuscular Junction, págs. 1–10
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. Entre los órganos efectores del sistema nervioso autónomo se incluyen todos los siguientes excepto a) el músculo cardíaco. b) el músculo liso de las pupilas del ojo.
c) los músculos respiratorios. d) las glándulas sudoríparas. e) las glándulas salivales. 2. Según el concepto de la inervación dual realizada por el sistema nervioso autónomo, si la actividad simpática inhibe las
secreciones pancreáticas, entonces el sistema nervioso parasimpático debería a) inhibir las secreciones pancreáticas también. b) estimular las secreciones pancreáticas.
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c) no afectar a las secreciones pancreáticas. 3. La médula suprarrenal a) contiene neuronas simpáticas posganglionares. b) forma parte del tronco del encéfalo. c) libera adrenalina a la sangre. d) forma parte del sistema nervioso parasimpático. e) está controlada por el sistema nervioso somático. 4. ¿Cuál de los siguientes nervios craneales no contiene neuronas preganglionares parasimpáticas? a) oculomotor (nervio craneal III) b) facial (nervio craneal VII) c) glosofaríngeo (nervio craneal IX) d) vago (nervio craneal X) e) hipogloso (nervio craneal XII) 5. ¿Cuál de los siguientes tipos de receptor no activa proteínas G? a) colinérgico nicotínico b) colinérgico muscarínico c) adrenérgico A1 d) adrenérgico B1 e) adrenérgico B3 6. El origen de las neuronas preganglionares medulares es el asta ———— de la médula espinal. a) ventral b) dorsal c) lateral 7. El origen de las motoneuronas es el asta ———— de la médula espinal. a) ventral b) dorsal c) lateral 8. ¿Cuál de los siguientes segundos mensajeros estimula la liberación de calcio desde los almacenes intracelulares? a) cAMP b) inositol trifosfato c) diacilglicerol 9. ¿Cuál de las siguientes es la ubicación de los centros reguladores cardiovasculares? a) tálamo b) hipotálamo c) sistema límbico d) protuberancia e) bulbo raquídeo 10. ¿Cuántas motoneuronas inervan una única célula muscular esquelética? a) cero b) una c) varias d) cientos e) millones
Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
11. La placa terminal motora es a) la terminal sináptica especializada de la motoneurona. b) la terminal sináptica especializada de las neuronas posganglionares autónomas. c) la región especializada del músculo esquelético inervado por una motoneurona. d) la región especializada de un órgano efector inervado por una neurona posganglionar autónoma. 12. ¿De qué porción de una neurona posganglionar se libera el neurotransmisor? a) botón terminal b) axón terminal c) varicosidad d) cuerpo celular e) dendritas
Preguntas objetivas 1. ¿Qué rama del sistema nervioso autónomo tiene neuronas preganglionares más largas? 2. ¿Qué rama del sistema nervioso autónomo es la más activa cuando el organismo se encuentra en reposo? 3. La comunicación entre las neuronas preganglionares y las posganglionares del sistema nervioso autónomo es uno a uno. (verdadero/falso) 4. ¿Qué parte de la glándula suprarrenal segrega la adrenalina? 5. Nombra los cuatro nervios craneales que contienen neuronas preganglionares parasimpáticas. 6. Los nervios autónomos contienen solo neuronas eferentes. (verdadero/falso) 7. ¿Qué neuronas del sistema nervioso periférico son colinérgicas? 8. ¿Qué neuronas del sistema nervioso periférico son adrenérgicas? 9. ¿Qué enzima cataliza la formación de diacilglicerol e inositol trifosfato? 10. ¿Con qué clase de receptor adrenérgico se asocia una disminución de cAMP? 11. La activación de receptores adrenérgicos A normalmente produce (excitación/ inhibición). 12. Los receptores adrenérgicos B2 tienen una mayor afinidad por (adrenalina/ noradrenalina).
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13. La placa terminal motora tiene receptores colinérgicos (nicotínicos/muscarínicos). 14. Los músculos esqueléticos solo se pueden excitar para que se contraigan, es decir, no se pueden inhibir para que se relajen. (verdadero/falso) 15. La enzima que degrada la acetilcolina en la hendidura sináptica se denomina ————.
Preguntas abiertas 1. Describe las distintas disposiciones anatómicas que se localizan en las dos ramas del sistema nervioso autónomo y del sistema nervioso somático. 2. Explica el concepto de la inervación dual. 3. Explica por qué la activación simpática produce un efecto más difuso en comparación con la activación del sistema nervioso parasimpático. 4. Compara los mecanismos de transducción de señales de los diferentes tipos de receptores adrenérgicos. 5. ¿Qué zonas del cerebro regulan la función autónoma?
Pensamiento crítico 1. Si un paciente tiene una frecuencia cardíaca tan baja que no le llega suficiente sangre al cerebro, ¿qué tipo de agonista de receptor se le podría administrar para aumentar la frecuencia cardíaca? ¿Qué tipo de antagonista del receptor? (V. tabla 11.2) 2. De las neuronas simpáticas preganglionares y posganglionares, una tiene axones mielinizados, mientras que la otra no. En función de la anatomía del sistema nervioso simpático de la figura 11.4, ¿qué neurona está mielinizada y cuál no? 3. Explique cómo la unión de noradrenalina a receptores A2 o B1 puede producir un efecto excitante en el órgano efector aunque los receptores A2 inhiban la producción de cAMP, mientras que los B 1 estimulan la producción de cAMP. 4. Los inhibidores de monoaminooxidasa se utilizan a veces para tratar la depresión. ¿Cuáles son algunos de los efectos secundarios que cabría esperar con este tipo de fármaco?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
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Fisiología muscular Todos hemos oído que Benjamin Franklin descubrió la electricidad volando una cometa durante una tormenta, pero ¿sabías que Luigi Galvani descubrió la «electricidad animal» colgando ranas diseccionadas de un alambre durante una tormenta? Galvani enseñaba anatomía en la Universidad de Bolonia, en Italia, y fue profesor de obstetricia en el Instituto de Artes y Ciencias desde 1765 a 1797. En sus enseñanzas utilizaba ranas diseccionadas. Para preparar una rana muerta, solía colgarla de un gancho de cobre y después suspenderla sobre un alambre de hierro. Hizo esto durante una tormenta y vio cómo la rana recién muerta contraía sus músculos. Esto le sugirió a Galvani que las ranas y otros animales tenían su propia forma de electricidad y que esta «electricidad animal» provocaba la contracción muscular. En otros experimentos, el ayudante de Galvani descubrió que el tejido nervioso activaba el tejido muscular. Mientras el ayudante estaba diseccionando una rana, él utilizaba un bisturí que estaba cerca de una máquina que generaba electricidad. Cuando tocaba con el bisturí el nervio ciático, el músculo se contraía. Galvani concluyó que la carga electrostática del bisturí excitaba el nervio y que los nervios proporcionaban la electricidad que hace que los músculos se contraigan. Aunque esto no es realmente cierto, como aprenderás en este capítulo, el trabajo de Galvani dio lugar al campo de la electrofisiología, el estudio de la actividad eléctrica en animales (o plantas).
CONTENIDOS Estructura de los músculos esqueléticos 323 Mecanismo de generación de fuerza en el músculo Microfotografía electrónica de las células musculares cardíacas.
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Mecanismo de contracción de los músculos esqueléticos 334 Tipos de fibras de los músculos esqueléticos
343
Control de la actividad de los músculos esqueléticos Músculos liso y cardíaco 351
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OBJETIVOS
Nombrar las principales características estructurales de una célula muscular esquelética y describir brevemente el papel de cada característica en la contracción muscular.
Describir la secuencia de eventos que se produce en el ciclo de los puentes transversos y relacionar esta secuencia con el modelo de deslizamiento de filamentos de la contracción muscular.
Identificar los distintos factores que afectan a la fuerza de la contracción muscular.
Nombrar los tres tipos de fibras musculares esqueléticas y describir las principales diferencias entre ellas.
Describir las principales características de los músculos liso y cardíaco, y comparar estos tipos de músculos con los esqueléticos.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Unión neuromuscular, pág. 317 2. Fosforilación oxidativa y al nivel de sustrato, pág. 74 3. Producción de ácido láctico, pág. 83 4. Calmodulina, pág. 139
E
n el capítulo 11 aprendimos acerca de la rama eferente del sistema nervioso y su inervación de los órganos efectores. El órgano efector del sistema nervioso somático es el músculo esquelético, mientras que los músculos liso y cardíaco son los órganos efectores del sistema nervioso autónomo. En este capítulo aprenderemos acerca de estos tipos de músculos y cómo, al igual que las neuronas, son tejidos excitables y generan potenciales de acción similares a los descritos en el capítulo 7. Sin embargo, los potenciales de acción del tejido muscular tienen un efecto diferente al de las neuronas: inducen la contracción y generan fuerza. La comprensión de cómo una célula muscular se contrae requiere estar familiarizado con muchos de los conceptos descritos en capítulos anteriores. La maquinaria contráctil de un músculo se compone de proteínas, que deben interactuar con iones y con otras proteínas. Los músculos son tejidos que demandan una alta cantidad de energía y los conceptos de metabolismo celular se aplican a las células musculares; determinadas células musculares dependen más de la fosforilación oxidativa para obtener la energía, mientras que otras dependen más de la glucólisis anaerobia. Debido a que los músculos se componen de células excitables, todo lo que hemos aprendido sobre los canales de iones y las fuerzas conductoras electroquímicas se aplica a la forma en que las células musculares se estimulan para contraerse. Los músculos también deben responder con rapidez a las órdenes de contracción y, por tanto, se encuentran bajo el control del sistema nervioso. Para realizar su trabajo adecuadamente, los músculos que mueven el organismo deben ser capaces de responder eficaz y rápidamente a las órdenes provenientes del sistema nervioso. De hecho, una célula de un músculo esquelético típica puede activar su maquinaria contráctil en cuestión de milisegundos tras la recepción de una señal neural, y puede apagar la maqui-
Fisiología muscular
323
naria casi igual de rápido. Es esta rapidez de respuesta la que nos permite realizar movimientos complicados. Comenzaremos nuestro estudio de la fisiología muscular revisando la anatomía muscular, pasando desde la anatomía macroscópica al nivel molecular, con especial énfasis en las estructuras que generan y regulan la fuerza contráctil. Después, examinaremos los mecanismos contráctiles y reguladores para ver cómo funcionan. Aunque nos concentremos en los músculos esqueléticos, la mayoría de los principios básicos se aplican a cada uno de los tres tipos de músculos que se encuentran en el organismo. Al final del capítulo examinaremos las propiedades especiales de los otros dos tipos de músculos: los músculos liso y cardíaco.
Estructura de los músculos esqueléticos Con pocas excepciones, los músculos esqueléticos, como el bíceps del brazo, están conectados al menos a dos huesos. Entre las excepciones a esta regla se encuentran determinados músculos esqueléticos que están conectados a la piel (como es el caso de algunos músculos faciales), al cartílago (p. ej., los músculos de la laringe) o a otros músculos (p. ej., el esfínter anal externo). Los músculos están conectados a los huesos por tendones, cuerdas de tejido conjuntivo elástico que transmiten la fuerza desde el músculo hasta el hueso.
Estructura a nivel celular La parte del músculo que genera la fuerza se denomina cuerpo, la parte «carnosa» del músculo (fig. 12.1). El cuerpo contiene muchos paquetes (denominados fascículos) de células musculares individuales, así como tejido conjuntivo, vasos sanguíneos y nervios. Cada fascículo contiene cientos de miles de células musculares, denominadas fibras musculares debido a su forma alargada. Cada fibra muscular recorre toda la longitud del músculo (a menudo en diagonal) y está envainada en una funda de tejido conjuntivo. A diferencia de la mayoría de las células, que tienen un solo núcleo, las fibras musculares tienen muchos, porque cada fibra muscular se forma durante la vida embrionaria a partir de la fusión de varias células. Estos núcleos se encuentran inmediatamente por debajo de la membrana plasmática de la fibra muscular, que se denomina sarcolema. Un citoplasma semilíquido de la fibra muscular, denominado sarcoplasma, se encuentra repleto de mitocondrias y cientos de elementos con forma de bastón unidos, denominados miofibrillas, que contienen la maquinaria contráctil de la fibra (fig. 12.2). Cada miofibrilla es un paquete de filamentos gruesos y finos solapados compuestos de las proteínas miosina y actina, respectivamente. Una red membranosa con forma de saco, denominada retículo sarcoplásmico, rodea cada una de las miofibrillas y está estrechamente asociada a otras estructuras, denominadas túbulos transversales (túbulos T), que están conectadas al sarcolema y penetran en el interior de la célula. El retículo sarcoplásmico y los túbulos T desempeñan un importante papel en la activación de las contracciones musculares, porque ayudan a transmitir señales desde el sarcolema a las miofibrillas, lo que permite a una célula muscular responder a las aferencias neurales. Las funciones del retículo sarcoplásmico son almacenar iones de calcio (Ca2+) y liberarlos al
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Fisiología muscular
FIGURA 12.1 Estructura de un músculo esquelético. Se muestran los
Hueso
músculos esqueléticos representativos en el brazo, como los tendones que conectan los músculos con los huesos. La ampliación muestra la disposición de las fibras musculares dentro del músculo y algunas de las características estructurales de las fibras musculares individuales.
Tendón
Cuerpo del músculo Tejido conjuntivo
Fascículo
Fibra muscular (célula) Miofibrilla
Sarcolema Fibras musculares en fascículos
Filamentos proteicos
Núcleo
Unión neuromuscular
Axón de una motoneurona
Vesículas sinápticas Axón terminal
Fibra muscular
Hendidura sináptica Placa motora terminal Túbulo T
Núcleo Sarcolema Retículo sarcoplásmico Retículo sarcoplásmico
Túbulos T
Miofibrillas
Mitocondria
Filamento grueso (miosina)
Filamento fino (actina)
FIGURA 12.2 Estructura de una fibra muscular esquelética. Se muestran los componentes internos principales de una fibra muscular. Se ha ampliado ligeramente una miofibrilla individual en la fibra muscular para mostrar la disposición de los filamentos gruesos y finos en su interior. La imagen ampliada muestra una unión neuromuscular.
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Puentes Banda A Banda I transversos Línea Z
Línea M Línea Z
Zona H
Filamentos gruesos
Miofibrilla
citosol cuando la célula muscular se estimula para contraerse. Como veremos, estos iones de calcio se liberan como respuesta a las señales eléctricas que se desplazan desde el sarcolema a los túbulos T, y sirven como mensajeros químicos que transportan estas señales a las miofibrillas para iniciar la contracción.
Fisiología muscular
Estructura a nivel molecular Filamentos Línea M Línea Z Cuando se ven desde un microscopio, finos Sarcómero las células musculares esqueléticas Sección transversal de la banda A tienen una apariencia rayada y, por donde se solapan tanto, estos músculos (y también el los filamentos músculo cardíaco) se conocen como gruesos y finos músculos estriados. Una vista más detallada muestra que estas estriacioFIGURA 12.3 Estructura del sarcómero. El dibujo de la miofibrilla muestra la disposición regular de nes se deben a la disposición ordenafilamentos de proteína dentro de los sarcómeros. La microfotografía inferior muestra el patrón de bandas da de unas fibras de proteínas de las típicas del estriado muscular. La microfotografía de la derecha muestra una sección transversal de una miofibrillas denominadas filamentos miofibrilla a lo largo de la banda A, en la que se observa la disposición tridimensional de los filamentos gruesos y filamentos finos, que corren gruesos y finos. en paralelo al eje largo de la célula muscular. Los filamentos gruesos y finos existen en una proporción 2:1. proteínas fibrosas). Dos actinas F están dispuestas en una hélice Las miofibrillas están compuestas por una unidad fundamendoble para formar las hebras de actina localizadas en los filatal, denominada sarcómero, que se repite una y otra vez mentos finos (fig. 12.4a). (fig. 12.3). Cada sarcómero se encuentra bordeado en los dos extremos por líneas Z, que se extienden de forma perpendicular También existen dos proteínas reguladoras en los filamenal eje largo y se anclan en los filamentos finos por un extremo. tos finos que permiten a las fibras musculares comenzar o Los filamentos gruesos de un sarcómero están conectados por dejar de contraerse: tropomiosina y troponina (fig. 12.4b). La líneas M, que también se extienden de forma perpendicular al tropomiosina es una molécula larga y fibrosa que se extiende eje largo. por numerosos monómeros de actina, de tal forma que bloAntes de que la estructura del sarcómero se descubriera y se quea los sitios de unión de la miosina en los músculos en repoidentificaran sus filamentos de proteínas, los primeros investiso. La troponina es un complejo de tres proteínas: una que se gadores identificaron determinadas regiones de la fibra muscujunta a la hebra de actina, otra que se une a la tropomiosina, y lar basándose en el patrón de bandas, como se ve con un microsuna tercera que contiene un sitio al cual se pueden unir los copio óptico (v. fig. 12.3). La estriación oscura que se observa iones de calcio de forma reversible. Como veremos, la unión con el microscopio se debe a la presencia de filamentos gruesos del calcio a este sitio desencadena la contracción muscular, y se denomina banda A. En el centro de la banda A se encuentra haciendo que la troponina desplace a la tropomiosina, expouna región más clara que los lados, porque solo contiene filaniendo así los sitios de unión a miosina en las moléculas de mentos gruesos, es decir, no hay filamentos finos que se solapen actina. con los filamentos gruesos. Esta región se denomina zona H. La Cada filamento grueso está constituido por cientos de estriación clara comprende zonas en las que hay filamentos moléculas de miosina, cada una de los cuales recuerda a dos finos sin solapamiento con filamentos gruesos. Esta región se palos de golf envueltos juntos (fig. 12.5a). Cada molécula de denomina banda I. La línea Z que conecta los filamentos finos miosina es un dímero que se compone de dos subunidades está ubicada en el centro de la banda I. entrelazadas, cada una de ellas con una cola larga y una cabeza Los filamentos finos y gruesos del sarcómero están comsobresaliente y gorda. Estas cabezas se denominan enlaces puestos por dos proteínas denominadas actina y miosina, conotransversos, porque, en determinadas condiciones (que tratacidas como proteínas contráctiles, porque constituyen la maquiremos seguidamente), tienden un puente entre los filamentos naria que genera la fuerza contráctil. Así como las miofibrillas gruesos y los finos. Dentro de un filamento grueso, las molécuestán compuestas de estructuras ordenadas y repetidas, los filalas de miosina se unen entre sí por el extremo de las colas, de mentos finos y gruesos están compuestos de estructuras disforma que sus cabezas se extiendan en direcciones opuestas, puestas de forma ordenada y repetida. alejándose del centro (fig. 12.5b). Asimismo, las colas de las Los componentes básicos de cada filamento fino son monómoléculas de miosina adyacentes también se disponen de formeros de actina denominados actina G (G debido a que son proma escalonada, de forma que las cabezas sobresalgan de los teínas globulares), cada uno de los cuales tiene un sitio de unión filamentos gruesos siguiendo un patrón helicoidal ordenado a miosina. Como veremos, la capacidad de la actina y la miosina (fig. 12.5c). Dado que la mitad del filamento grueso está despara unirse en determinadas condiciones resulta fundamenprovista de enlaces transversos, esta región se denomina contal para la capacidad de un músculo para generar fuerza. Las venientemente zona desnuda. actinas G están ligadas extremo a extremo como las perlas de un La cabeza es el extremo principal de la miosina, porque es collar para formar hebras denominadas actina F (F porque son la parte que genera de forma activa la fuerza mecánica de un
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Fisiología muscular
Sitio de unión a la miosina Actina G
Cola
Zona de unión a la actina
Cabezas
Zona ATPasa (a) Molécula de miosina Moléculas de actina G
(b) Dos moléculas de miosina unidas por sus colas Enlaces transversos
Zona desnuda
Actina F
(c) Porción de un filamento grueso Sarcómero Doble hebra helicoidal de actina (a)
Tropomiosina
Troponina compleja
Actina Titina
Filamento grueso Filamento fino Enlace Línea Z (miosina) (actina) transverso
(d) Sarcómero Porción de un filamento fino (b)
Filamento grueso
FIGURA 12.4 Estructura de un filamento fino. (a) La columna vertebral
Filamento fino
de un filamento fino de dos hebras de moléculas de actina polimerizada se une para formar una hélice doble. El sitio de unión a la miosina de una molécula de actina individual (actina G) se representa por puntos oscuros. (b) Porción de un filamento fino que muestra troponina y tropomiosina en sus respectivas posiciones de reposo de las hebras de actina. Observa que el sitio de unión a la miosina en la actina está cubierto por tropomiosina cuando una célula muscular está en reposo.
músculo. Cada cabeza posee dos sitios fundamentales para su capacidad de generar fuerza: un sitio de unión a actina, que es capaz de unirse a los monómeros de actina de los filamentos finos, y un sitio ATPasa, que tiene actividad enzimática e hidroliza el ATP (v. fig. 12.5a). Al igual que los filamentos finos, los filamentos gruesos tienen más proteínas asociadas a ellos, principalmente titina, una proteína extraordinariamente elástica que puede estirarse hasta tres veces su longitud normal (fig. 12.5d). Las hebras de titina se extienden a lo largo de cada filamento grueso desde la línea M a cada línea Z, manteniendo los filamentos gruesos en sus posiciones correspondientes relativas a los filamentos finos. Cuando se aplica una fuerza de estiramiento externo a un músculo, las hebras de titina (v. fig. 12.5d) se alargan a medida que los sarcómeros lo hacen, y estas hebras comienzan a ejercer una fuerza opuesta, de la misma forma que un muelle resiste el estiramiento. Cuando desaparece la fuerza externa, la fuerza opuesta acerca las líneas Z y los filamentos gruesos, y hace que los sarcómeros se acorten, lo que permite que las hebras de titina vuelvan a su longitud original. Cuando esto ocurre, las fibras
Enlace transverso
100 nm (e) Microfotografía electrónica de parte de un sarcómero
FIGURA 12.5 Estructura de un filamento grueso. (a) Molécula de miosina, un dímero compuesto por dos subunidades unidas. Fíjate en las zonas de unión a la actina y en las zonas ATPasa en la región de la cabeza. (b) Dos moléculas de miosina se unen por las colas. (c) Fragmento de un filamento grueso que muestra las cabezas de miosina (enlaces transversos) que sobresalen en los extremos, pero no en la región central (la zona desnuda). (d) Vista detallada de un sarcómero que muestra las posiciones relativas de los filamentos finos y gruesos y la proteína titina, que se une a los filamentos gruesos en ese lugar. (e) Microfotografía de una sarcómero que muestra los filamentos gruesos y finos y los enlaces transversos.
musculares individuales se acortan, al igual que lo hace todo el músculo.
Test rápido 12.1 1. Nombra y describe las ubicaciones y funciones principales de las dos proteínas contráctiles y las dos proteínas reguladoras de los sarcómeros. 2. ¿Qué dos funciones realizan las cabezas de las moléculas de miosina?
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Mecanismo de generación de fuerza en el músculo El funcionamiento en el organismo sigue a la forma desde el nivel celular a los órganos. En ningún lugar resulta esto tan claro como en los músculos esqueléticos. Como veremos en la próxima sección, la disposición regular de los filamentos gruesos y finos resulta fundamental para la contracción muscular.
Banda I
Fisiología muscular
Zona H
Acortamiento de la banda I
Acortamiento de la zona H
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Línea Z
Acortamiento de la banda I
Modelo de deslizamiento de filamentos Cuando los fisiólogos descubrieron por primera vez la presencia de actina y miosina en las miofibrillas, pensaron que las contracciones musculares estaban provocadas por el acortamiento de las propias proteínas. A medida que se produjeron avances en la microscopia, los investigadores descubrieron que durante la contracción de las células musculares, la banda A no cambia de longitud, pero las bandas I y la zona H se acortan (fig. 12.6). Dado que la banda A abarca la longitud de los filamentos gruesos de un sarcómero, esto significa que los filamentos gruesos no cambian de longitud cuando la célula muscular se contrae. Los investigadores se dieron cuenta de que el acortamiento de las bandas I (que contienen solo filamentos finos) se producía no porque los filamentos finos se contrajeran, sino porque se deslizaban más allá de los filamentos gruesos, moviéndose más en profundidad en la zona H y disminuyendo su anchura. Cuando esto ocurre, las bandas A adyacentes se acercan, lo que disminuye la amplitud de las bandas I. El resultado es que las líneas Z de cualquiera de los extremos del sarcómero se acercan, acortando así el sarcómero. Cuando los sarcómeros se acortan, también lo hacen las miofibrillas, como también lo hacen las fibras musculares y, por ende, todo el músculo. En otras palabras, los músculos se contraen porque los filamentos finos y gruesos de las miofibrillas se deslizan unos por encima de otros. Esto se denomina modelo de deslizamiento de filamentos de la contracción muscular.
Ciclo de los puentes transversos: cómo generan fuerza los músculos El mecanismo que conduce el deslizamiento de los filamentos finos y gruesos durante la contracción muscular se denomina ciclo de los puentes transversos (fig. 12.7). El origen de este mecanismo es un movimiento oscilante hacia atrás y hacia delante de los enlaces transversos de miosina impulsados por la hidrólisis de ATP. Junto con esto se encuentra la unión y desunión cíclica de los enlaces transversos a los filamentos finos, lo que ocurre de tal forma que el movimiento de los enlaces transversos tira de los filamentos finos hacia el centro del sarcómero. El movimiento hacia atrás y hacia delante de los enlaces transversos se debe a cambios en la forma de las moléculas de miosina. Estos cambios no solo hacen que las cabezas cambien de posición, sino también que modifiquen tanto su capacidad para unirse a los monómeros de actina de los filamentos finos como el contenido energético de las moléculas de miosina. Se conoce como forma de alta energía a una forma de la miosina que se indica en el paso 5 de la figura 12.7. Las cabezas de la miosina adquieren esta forma después de hidrolizar ATP. Se denomina forma de alta energía porque la molécula de miosina almacena energía que se libera en la división hidrolítica de ATP.
Una banda permanece igual
FIGURA 12.6 Cómo se explican los cambios en el patrón de estriación por el modelo de deslizamiento de filamentos de la contracción muscular. Dibujo esquemático.
Las cabezas adquieren otra forma, forma de baja energía, después de que la energía almacenada se libere para permitir el movimiento de los filamentos finos (paso 3). Cada ciclo de los puentes transversos comprende los siguientes cinco pasos (v. fig. 12.7): ➀ Unión de la miosina a la actina. Comenzamos con la miosina en su forma energética, es decir, ADP y Pi (fosfato inorgánico) se unen al sitio ATPasa de la cabeza de miosina. En este estado, la miosina tiene una alta afinidad por la actina y la cabeza de miosina se une a un monómero de actina del filamento fino adyacente. Este paso se produce solo en presencia de calcio, por motivos que a continuación se describen. ➁ Fase de potencia. La unión de la miosina a la actina desencadena la liberación de Pi y ADP desde el sitio ATPasa. Durante este proceso, la cabeza de miosina pivota hacia el centro del sarcómero, tirando del filamento fino, y la molécula de miosina pasa a su estado de baja energía. ➂ Rigidez. En su forma de baja energía, la miosina y la actina están unidas estrechamente, un estado denominado rigidez (como la rigidez post mortem, el endurecimiento del cuerpo que se produce tras la muerte porque el ciclo de los puentes transversos se para debido a la ausencia de ATP; la rigidez post mortem continúa hasta que las enzimas liberadas por los componentes celulares en desintegración comienzan a degradar las miofibrillas). ➃ Desunión de la miosina y la actina. Un nuevo ATP entra en el sitio ATPasa de la cabeza de miosina, desencadenando una cambio de forma en la cabeza, lo que disminuye la afinidad de la miosina por la actina, de forma que la miosina se separa de la actina. ➄ Recuperación de la cabeza de miosina. Poco después de unirse al sitio ATPasa de la miosina, el ATP se divide mediante hidrólisis en ADP y Pi, lo que libera energía. La molécula de miosina captura parte de esta energía a medida que cambia a su forma de alta energía. Aunque en este momento el ATP se ha hidro-
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C A P Í T U LO 1 2
Fisiología muscular La ATP se hidroliza
ATP 5 Formación de la cabeza de miosina (miosina en forma de alta energía)
4 Desunión de la miosina y la actina
ATP
Pi ADP
ATP nuevo se une a la cabeza de miosina Pi ADP 1 Unión de la miosina a la actina
3 Rigidez (miosina en forma de baja energía) Liberación de ADP
2 Golpe de energía
Liberación de fosfato inorgánico
ADP ADP
La actina se estira hacia la mitad del sarcómero
Pi
FIGURA 12.7 Ciclo del puente transverso. Las fases del ciclo se describen en el texto.
lizado, el producto final de la reacción (ADP y Pi) permanece unido al sitio ATPasa. Si existe calcio, el ciclo comenzará de nuevo en el paso 1. Aunque un enlace transverso concreto genera fuerza a tiempo parcial mientras está activo (durante la fase de potencia), una célula muscular genera fuerza de forma continuada durante una contracción, porque muchos enlaces transversos pasan por el ciclo de forma simultánea, pero de forma desfasada. Así, en un cierto momento, algunos enlaces transversos se encuentran a comienzo del ciclo, otros al final y otros en diversas fases entremedias. Para reparar en la importancia de esto, piense en lo que ocurre cuando camina: sus piernas se mueven hacia atrás y hacia delante (como hacen los enlaces transversos durante la contracción muscular), pero el organismo se mueve hacia delante de forma suave y continuada. Cuando una pierna se mueve hacia atrás le impulsa hacia delante; esta es la «fase de potencia». Cuando levanta esa pierna y la mueve hacia delante, esta acción no le impulsa, sino que simplemente hace que la pierna vuelva a su posición original, es la «fase de recuperación». Cuando camina se mueve hacia delante suavemente, porque una pierna pasa por la fase de potencia, mientras que la otra está pasando por la fase de recuperación. Dado que los enlaces transversos de los extremos opuestos de un filamento grueso están orientados en direcciones opues-
tas el uno respecto del otro (v. figs. 12.3 y 12.5), las fases de potencia de los enlaces transversos de los extremos opuestos del filamento grueso se mueven en direcciones opuestas, tirando de los filamentos finos a cada lado de la banda A hacia el centro y provocando el acortamiento del sarcómero. Cuando se detiene el ciclo de los puentes transversos y finaliza la contracción, los filamentos finos se deslizan de nuevo pasivamente a su posición original. Durante una contracción, cada cabeza de miosina solo completa cerca de cinco ciclos de puentes transversos por segundo. No obstante, dado que cada filamento grueso tiene varios cientos de cabezas, pueden producirse miles de fases de potencia cada segundo. Por este motivo, los sarcómeros (y todas las fibras musculares) pueden acortarse muy rápidamente, en muchos casos tardando menos de una décima de segundo en contraerse totalmente. Además, los numerosos ciclos de los puentes transversos que se producen en una única fibra muscular ocurren de forma asincrónica. Si los ciclos estuvieran sincronizados y todos los enlaces transversos se apartaran de la actina a la vez, los filamentos finos se deslizarían de nuevo pasivamente a sus posiciones originales, lo que haría que el ciclo de los puentes transversos fuera ineficaz. Durante la contracción real, hay siempre diversos enlaces transversos adheridos a la actina en cualquier momento que evitan que este efecto ocurra.
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En teoría, el ciclo de los puentes transversos podría continuar de forma indefinida siempre y cuando existiera un suministro continuo de ATP y sitios de actina disponibles para la unión con la miosina. Dado que esto no ocurre, ¿qué inicia el ciclo y qué evita que el ciclo se produzca cuando un músculo está relajado? En la siguiente sección veremos que la respuesta a las dos preguntas se encuentra en las acciones de las proteínas reguladoras troponina y tropomiosina.
Test rápido 12.2 1. ¿Cuál de los siguientes elementos se acorta durante la contracción muscular: filamentos gruesos, filamentos finos, bandas A, bandas I, zonas H, sarcómeros? (Selecciona todas las que cumplan la condición.) 2. Cuando se hidroliza ATP, los enlaces transversos de la miosina cambian de forma. ¿A qué forma cambian: a la de alta energía o a la de baja energía? 3. ¿Qué desencadena la fase de potencia del ciclo de los puentes transversos?
Acoplamiento contracción-excitación: cómo se activan y desactivan las contracciones musculares En el capítulo 11 vimos que el sistema nervioso central controla en última instancia las contracciones de los músculos esqueléticos y las motoneuronas dan órdenes a los músculos, que les indican cuándo contraerse y cuándo no. Vimos que la información proveniente de las motoneuronas siempre tiene un efecto excitante sobre las células musculares y sirve para desencadenar la contracción de dichas células. Al igual que las neuronas, las células musculares son excitables, lo que significa que son capaces de generar potenciales de acción si sus membranas plasmáticas se despolarizan lo suficiente. Cuando una célula muscular recibe información de una motoneurona, la célula se despolariza y emite un potencial de acción que estimula la contracción. La secuencia de acontecimientos que vincula el potencial de acción con la contracción se conoce como acoplamiento contracción-excitación (fig. 12.8).
Papel de la unión neuromuscular en el acoplamiento contracción-excitación La conexión entre una motoneurona y una célula muscular, conocida específicamente como unión neuromuscular, resulta fundamentalmente similar a una sinapsis «ordinaria» entre dos neuronas del sistema nervioso. La motoneurona (la célula presináptica) transmite un potencial de acción y segrega el neurotransmisor acetilcolina a su llegada al axón terminal (v. paso 1, fig. 12.8). Tras su liberación, la acetilcolina difunde por la membrana plasmática de la célula muscular (la célula postsináptica), donde se une a receptores específicos, lo que provoca un cambio en la permeabilidad a los iones, que da como resultado la despolarización. A pesar de su similitud con una sinapsis ordinaria, una unión neuromuscular tiene numerosas características que la hacen especial (v. capítulo 11). Aunque una motoneurona normalmente se ramifica e inerva más de una célula muscular, cada fibra muscular recibe información solo de una motoneurona. En la unión neuromuscular, los botones terminales de la
Fisiología muscular
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motoneurona se abren en abanico por una zona extensa del sarcolema. Enfrente de estos botones se encuentra una región especializada del sarcolema denominada placa terminal motora, que está muy plegada y contiene una alta densidad de receptores para acetilcolina (v. fig. 12.8). Un potencial de acción de la motoneurona provoca la liberación de acetilcolina desde cada uno de los numerosos botones terminales, lo que hace que muchos receptores de acetilcolina se activen. Por consiguiente, la despolarización resultante (denominada potencial de placa terminal) es mucho mayor que un potencial postsináptico ordinario; de hecho, tan grande que siempre se encuentra por encima del umbral y provoca un potencial de acción en la célula muscular. Por tanto, si un potencial de acción se produce en una motoneurona, está siempre seguido por un potencial de acción en las células musculares que inerva (v. paso 2, fig. 12.8). Una vez que se ha iniciado un potencial de acción en una célula muscular, este se propaga por todo el sarcolema y se desplaza por los túbulos T, que son principalmente extensiones del sarcolema. A media que el potencial de acción se desplaza por los túbulos T, desencadena la liberación de calcio desde el retículo sarcoplásmico cercano (v. paso 3, fig. 12.8). Después, este calcio sirve como la señal que inicia el ciclo de los puentes transversos y, por consiguiente, la contracción de la célula muscular.
Papeles del calcio, la troponina y la tropomiosina en el acoplamiento contracción-excitación Cuando una célula muscular está relajada, la concentración de calcio en el citosol es muy baja y se producen pocas uniones entre el calcio y la troponina. La troponina se encuentra en su forma normal (reposo) y, debido a esto, la tropomiosina se coloca en los filamentos finos de tal forma que bloquea los sitos de unión con la miosina de la actina, de forma que el ciclo de los puentes transversos no puede producirse (fig. 12.9a). El nivel de calcio citosólico es normalmente bajo, porque la membrana del retículo sarcoplásmico (RS) está equipada con bombas que transportan los iones de calcio activamente desde el citosol al RS. Debido a la acción de estas bombas, el RS es capaz de acumular calcio contra un gradiente de concentración y, por tanto, puede funcionar como un almacén de calcio. Además de las bombas de calcio, la membrana del RS contiene canales de umbral de voltaje de calcio que están normalmente cerrados, lo que evita que el calcio de dentro del RS se fugue. Sin embargo, cuando un potencial de acción se desplaza a través de los túbulos T, provoca que estos canales se abran brevemente, lo que permite que el calcio fluya hacia el citosol. El resultado final es un aumento de la concentración de calcio en el citosol. Aunque los canales de calcio que permiten que el Ca2+ salga del RS son de umbral de voltaje, se trata de un tipo inusual de regulación por voltaje, porque la señal eléctrica que desencadena el umbral se produce en la membrana del túbulo T, no en la membrana del propio RS. Un potencial de acción del túbulo T puede provocar la liberación de Ca 2+ del RS, porque los túbulos T adyacentes y las membranas del RS se encuentran unidas físicamente por proteínas denominadas receptores de dihidropiridina, o receptores de DHP, y receptores de rianodina (fig. 12.10). Los receptores DHP se encuentran en la membrana del túbulo T y funcionan como sensores de voltaje. Cuando un potencial de acción se desplaza hacia el túbulo T,
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Fisiología muscular
1 La acetilcolina (ACh) se libera desde el axón terminal de una motoneurona y se une a los receptores de la placa motora terminal. Esta unión provoca un potencial de placa terminal, que desencadena un potencial de acción en la célula muscular.
Axón terminal
Unión neuromuscular
Hendidura sináptica
Sarcolema
ACh 2 El potencial de acción se propaga a lo largo del sarcolema y hacia abajo en los túbulos T
Placa motora terminal 6 El Ca2+ se transporta de forma activa de vuelta a la luz del RS siguiendo el potencial de acción
Túbulo T Retículo sarcoplásmico (RS)
Receptores ACh Ca2+
Ca2+ 7 La tropomiosina bloquea las zonas de unión a la miosina (la fibra muscular se relaja)
3 El potencial de acción desencadena la liberación de Ca2+ desde el RS Ca2+
4 El Ca2+ se une a la troponina, mostrando las zonas de unión a la miosina
5 Comienza el ciclo del puente transverso (la fibra muscular se contrae)
FIGURA 12.8 Acontecimientos en el acoplamiento excitación-contracción. La contracción de una fibra muscular esquelética se inicia y mantiene por la llegada de potenciales de acción al axón terminal de una motoneurona. Cuando los potenciales de acción cesan y el calcio se transporta de vuelta al retículo sarcoplásmico, la contracción se detiene y la fibra muscular se relaja.
P ¿Qué enzima degrada la acetilcolina cuando se libera? los receptores DHP sufren un cambio de forma. Los receptores de rianodina se localizan en la membrana del retículo sarcoplásmico y están conectados a los receptores DHP. Asimismo, los receptores de rianodina son canales de calcio regulados por receptores de DHP. Cuando un potencial de acción se desplaza hacia los túbulos T, los receptores de DHP sufren un cambio, de forma que transmiten una señal a los receptores de rianodina, lo que hace que los canales de calcio se abran. Después, el calcio sale del retículo sarcoplásmico hacia el citosol.
Parte del calcio se une a sitios específicos de los otros canales de calcio del RS y hace que se abran. De esta forma, la liberación inicial de calcio provoca la liberación incluso de más calcio desde el RS, un fenómeno denominado liberación de calcio inducida por calcio. A media que aumenta la concentración de calcio del citosol, parte de este se une a una de las tres proteínas que componen cada complejo de troponina (v. paso 4, figs. 12.8 y 12.9b), que sufre después un cambio de forma que hace que la tropomiosina
C A P Í T U LO 1 2 Tropomiosina
Sarcolema
Troponina compleja
Fisiología muscular
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Túbulo T
Actina
Receptores de rianodina
Receptores DHP
(a) Relajado Ca2+ Retículo sarcoplásmico
El Ca2+ se une a la troponina (b) En contracción
Se muestra la zona de unión a la miosina
FIGURA 12.9 Comportamiento de la troponina y la tropomiosina en
Receptores de rianodina
el acoplamiento excitación-contracción. (a) En un músculo relajado, la tropomiosina cubre las zonas de unión a la miosina de la actina, lo que evita que se produzca el ciclo del puente transverso. (b) Después de liberarse desde el retículo sarcoplásmico, los iones de calcio se unen a la troponina, lo que causa un cambio en la conformación del complejo troponina, que cambia la posición de la tropomiosina en el filamento de actina y expone las zonas de unión a la miosina.
Receptores DHP
Potencial de acción
Ca2+
varíe su posición de reposo normal, exponiendo así los sitios de unión a la miosina en los monómeros de actina. Ahora, las cabezas de miosina del filamento grueso pueden unirse a la actina y puede comentar el ciclo de los puentes transversos (v. paso 5, fig. 12.8), y el sarcómero se contrae. El diseño de la red del RS y el túbulo T que rodea a las miofibrillas permite una entrega casi simultánea de calcio a todos los sarcómeros de una fibra muscular, de forma que los sarcómeros se contraen al unísono, tal como hace toda la fibra muscular. Una célula muscular deja de contraerse cuando ya no recibe información de su motoneurona y los potenciales de acción ya no se producen en el sarcolema. Cuando un potencial de acción desencadena la liberación de calcio desde el RS, esta liberación no se produce de forma indefinida. Por el contrario, cuando aumenta la concentración de calcio del citosol, los iones de calcio comienzan a unirse a determinados sitios de los canales de calcio del RS, haciendo que se cierren. (Estos sitios son distintos de los que hacen que los canales de calcio se abran y presentan una menor afinidad por el calcio, de forma que no entran en acción hasta que el calcio citosólico alcanza un nivel suficientemente alto.) El cierre de estos canales desactiva la liberación de calcio y permite la vuelta mediante transporte activo del calcio al RS (un proceso continuado) para quitar calcio del citosol (v. paso 6, fig. 12.8), lo que hace que la concentración de calcio se reduzca. Dado que la unión de calcio con troponina es reversible, este cambio en la concentración hace que el calcio se disocie de la troponina, lo que permite que la troponina y la tropomiosina vuelvan a sus posiciones originales (v. paso 7, fig. 12.8). Por tanto, el número de sitios expuestos del filamento de actina disminuye, lo que conduce a un descenso del número de enlaces transversos activos. Finalmente, cuando la concentración de calcio vuelve a su estado normal, la contracción muscular termina.
Ca2+ Membrana del RS
Membrana del túbulo T
FIGURA 12.10 Umbral de los canales de calcio del retículo sarcoplásmico. Los receptores DHP sensibles al voltaje, localizados en los túbulos T, se acoplan a los receptores de rianodina en la membrana del RS. Cuando un potencial de acción se propaga por los túbulos T y los receptores de DHP lo detectan, los canales de calcio asociados a los receptores de rianodina se abren.
Comprueba tus conocimientos Las agujetas a menudo son el resultado de la contracción espástica de los músculos esqueléticos. Basándote en lo que sabes sobre la contracción muscular, nombra algunas posibles causas de las agujetas.
Metabolismo de la célula muscular: cómo proporcionan ATP las células musculares para dirigir el ciclo del puente transverso Los músculos son capaces de comenzar a contraerse una fracción de segundo después de recibir la información neural, y son capaces de mantener la actividad contráctil durante un tiempo. Por ejemplo, piensa en un velocista cuyos músculos comienzan a trabajar próximos a su capacidad máxima inmediatamente después del pistoletazo de salida y continúan haciéndolo hasta el final de la carrera. Para que los músculos trabajen de esta forma, resulta necesario que las células musculares siempre tengan disponible un suministro de ATP, incluso cuando la demanda de
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Fisiología muscular
ATP aumente de repente. Las fuentes de energía necesarias para contraer un músculo se muestran en la figura 12.11 y se describen a continuación.
O2
Capilar
Glucosa Ácidos grasos
Papel del sistema creatina/creatina fosfato Cuando una fibra muscular está en reposo, su demanda de ATP es pequeña. Sin embargo, cuando tiene que contraerse, la demanda de ATP aumenta. En reposo, una célula muscular contiene un pequeño almacén de ATP, pero no puede mantener este nivel de ATP por mucho tiempo una vez que se inicia la contracción. Para evitar que se acabe su suministro de ATP, debe incrementar su producción de ATP para hacer frente a un mayor consumo. El ATP que impulsa la contracción muscular se produce en las células musculares, al igual que en otras células mediante fosforilación en el sustrato y fosforilación oxidativa. Cuando la tasa de utilización de ATP de una célula aumenta, la concentración de ATP dentro de la célula disminuye y la concentración de ADP aumenta. Después, estos y otros cambios estimulan las enzimas que controlan las reacciones productoras de ATP, de forma que el ATP se genera a un ritmo más alto. Aunque esto se produce una vez que una célula muscular comienza a contraerse, estas reacciones necesitan unos pocos segundos para elevar su velocidad. Para garantizar un suministro continuado de ATP entre tanto, los músculos se nutren de un almacén inmediatamente disponible de fosfato de alta energía, que se encuentra presente en forma de un compuesto denominado creatina fosfato, que dona su fosfato al ADP (que siempre está presente) para formar ATP. Una célula en reposo contiene suficiente creatina fosfato para suministrar cuatro o cinco veces la cantidad de ATP preformado, que resulta suficiente para alimentar la célula hasta que se produzcan otras reacciones de producción de ATP. La reacción de la creatina fosfato con ADP está catalizada por la enzima creatina cinasa y es reversible:
Glucógeno
Glucosa
Glucólisis ATP
Lactato
Piruvato CO2 Acetil-CoA
Ciclo de Krebs
CO2 ATP
Coenzima 2H
creatina cinasa
creatina fosfato + ADP
creatina + ATP
Por tanto, esta reacción genera ATP y creatina como productos finales cuando se produce hacia la derecha, y genera ADP y creatina fosfato cuando se produce hacia la izquierda. Cuando una célula muscular se encuentra en reposo, la reacción se encuentra en equilibrio y por cada molécula de creatina fosfato que se forma, otra se descompone en creatina. Sin embargo, cuando la actividad muscular comienza, los niveles de ATP disminuyen y los de ADP aumentan, lo que conduce la reacción hacia la derecha por la acción de masa. Por consiguiente, parte del ADP se convierte en ATP, que se puede usar en el ciclo de los puentes transversos, pero también se consume la creatina fosfato. Dado que el suministro de creatina fosfato es limitado, esta reacción puede producir ATP solo durante un corto período de tiempo, pero esto resulta suficiente para acelerar las reacciones metabólicas productoras de ATP. (Para saber si los suplementos de creatina pueden mejorar el rendimiento muscular, v. «Descubrimientos: Suplementos de creatina»). Cuando la célula muscular se relaja, el suministro de creatina fosfato se repone, porque la demanda reducida de ATP hace que la concentración de ATP aumente y que la concentración de ADP caiga, lo que impulsa la reacción a la izquierda, de tal forma que la creatina se vuelve a convertir en creatina fosfato. Por tanto, la creatina fosfato permanece «disponible» para el siguiente estallido de actividad contráctil.
O2
Creatina fosfato + ADP
Fosforilación oxidativa
H 2O
ATP + creatina
Célula muscular
FIGURA 12.11 Vía metabólica en el músculo esquelético. La fuente inicial de las reservas de ATP en los músculos esqueléticos es la creatina fosfato. Los músculos, a su vez, son reservas de glucógeno. Si el oxígeno es abundante, los músculos pueden usar glucosa y ácidos grasos, que se liberan desde ellos al torrente sanguíneo.
Cómo cambia el metabolismo de la célula muscular con la intensidad del ejercicio Cuando un músculo se ejercita de forma continuada a un ritmo moderado (tal que el suministro de oxígeno resulta suficiente para abastecer la demanda), la mayoría del ATP necesario se suministra mediante fosforilación oxidativa. Durante los primeros segundos de ejercicio, los músculos se nutren del propio glucógeno almacenado para suministrar glucosa como
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Fisiología muscular
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DESCUBRIMIENTOS
Suplementos de creatina El uso de suplementos de creatina por parte de atletas olímpicos y profesionales se disparó en la década de los noventa. A esto le siguió un aumento del consumo por parte de los atletas aficionados. Los atletas creían que los complementos les hacían más grandes, más fuertes y más rápidos, con efectos secundarios mínimos. Es discutible si la investigación científica apoya estas creencias. Normalmente, el organismo sintetiza toda la creatina que necesita por sí mismo. El hígado, el páncreas y los riñones sintetizan creatina, que se transporta en el torrente sanguíneo hasta las células musculares (el 95% de toda la creatina del organismo se localiza en las células musculares esqueléticas). La síntesis de creatina está sujeta a una inhibición por retroalimentación cuando los niveles de creatina son elevados. Por tanto, el consumo de creatina adicional disminuye la síntesis endógena de creatina, lo que niega algunos de los efectos de los suplementos de creatina. La mayoría de los estudios indican que los niveles de creatina de las células musculares realmente aumentan (aproximadamente entre un 15 y un 20%) con los suplementos, pero el aumento alcanza el máximo en 2 días. Asimismo, los estudios
indican que el grado de aumento varía de forma considerable entre los individuos, posiblemente debido a las diferencias en los perfiles musculares de los sujetos antes de consumir la creatina. Las pruebas relativas a si un aumento en los niveles de creatina del organismo se traduce en una mejora de la actividad muscular no son concluyentes. La mayoría de los estudios sugieren que los suplementos mejoran el rendimiento en determinadas actividades de alta intensidad y cortas (menos de 30 s). Sin embargo, la mayoría de los estudios están de acuerdo en que los suplementos de creatina no mejoran el rendimiento en actividades de intensidad baja o moderada. Además de amortiguar los niveles de ATP, la creatina estimula la síntesis de proteínas, incluidas la actina y la miosina. Los estudios normalmente indican que la combinación de suplementos de creatina con ejercicio aumenta la masa muscular más que solo el ejercicio, aunque los aumentos iniciales del peso corporal se deben a la retención de líquidos. Asimismo, hay que investigar más para determinar si los suplementos de creatina son seguros. Los estudios sobre el consumo
combustible para la producción de ATP. A medida que continúa el ejercicio, comienzan a nutrirse de la glucosa y los ácidos grasos que les suministra el torrente sanguíneo. Después de cerca de 30 min, la utilización de glucosa disminuye y los ácidos grasos se convierten en la fuente de energía dominante. Con el ejercicio intenso, la fosforilación oxidativa se vuelve menos importante como fuente de ATP y la fosforilación en el sustrato (especialmente la glucólisis) se vuelve más importante por motivos que se explicarán más adelante en el capítulo. Aunque la glucólisis es capaz de producir ATP por sí misma, uno de los resultados es el ácido láctico, que se acumula en el tejido muscular y se puede extender por el torrente sanguíneo. (Recuerda que en la glucólisis, la glucosa se convierte en piruvato, que normalmente se oxida más en el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa; cuando el piruvato se produce a un ritmo que excede el ritmo al que se oxida, forma y se convierte en ácido láctico.) Se cree que esta formación de ácido láctico es la causa de la sensación de quemazón que se siente en los músculos tras practicar ejercicio intenso.
de creatina a corto plazo (menos de 8 semanas) no indican efectos secundarios importantes. Entre los efectos secundarios menores se encuentran el aumento de peso, las agujetas, las dificultades digestivas, la deshidratación y la intolerancia al calor. Sin embargo, no se han completado estudios sobre los «ciclos» a largo plazo (8 semanas consumiendo creatina, 8 sin ella).
El ejercicio aumenta la masa muscular.
Hasta ahora, hemos visto cómo las células musculares responden a señales neurales, cómo utilizan ATP para impulsar las contracciones y cómo garantizan un suministro adecuado de ATP. Sin embargo, ¿qué hace a un músculo más fuerte que otro? ¿Cómo es posible que podamos usar un grupo dado de músculos, como los del brazo o la mano, para levantar una silla un momento y después un clip de papel? Trataremos estos y otros asuntos relacionados en la siguiente sección, que se centra en la mecánica de la contracción de los músculos esqueléticos.
Test rápido 12.3 1. ¿Cuál es la función del retículo sarcoplásmico del músculo esquelético? 2. ¿En qué medida un aumento o una disminución del nivel de calcio citosólico hace que el ciclo de los puentes transversos se active o desactive? 3. ¿Cómo ayuda la creatina fosfato a mantener un suministro adecuado de ATP al inicio de una contracción muscular?
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Fisiología muscular
Mecanismo de contracción de los músculos esqueléticos Cuando utilizas un grupo de músculos determinados en distintas actividades, las contracciones de estos músculos varían en fuerza y duración. Por ejemplo, cuando levantas una silla, los músculos de su brazo deben ejercer más fuerza que cuando levantas un clip. Cuando lanzas una pelota de beisbol, las contracciones musculares son breves y explosivas, pero cuando llevas una maleta, las contracciones son suaves y sostenidas. A la vista de esta gran variabilidad, es posible que te sorprendas al saber que cuando una célula muscular se contrae como respuesta a un potencial de acción, el resultado siempre es el mismo: en una fracción de segundo, la fuerza aumenta hasta un máximo y después se reduce hasta cero con prácticamente la misma rapidez. Este acontecimiento, denominado contracción, es como un potencial de acción, porque se trata de un acontecimiento reproducible todo o nada; si la célula se estimula de nuevo, se genera una respuesta idéntica. Tan sorprendente como puede parecer, todas las contracciones de los músculos esqueléticos (sean fuertes, débiles, cortas o largas) se basan en la sencilla contracción muscular que trataremos a continuación.
Contracción Vimos en el capítulo 11 que los axones de las motoneuronas normalmente se ramifican antes de alcanzar sus células diana, de forma que una neurona inerva varias fibras musculares. Por tanto, un potencial de acción de una motoneurona provoca la contracción de todas las células musculares conectadas a esa neurona y no resulta posible estimular una célula sin estimular las otras. Como también vimos, una motoneurona y todas las fibras musculares que inerva se denominan de forma colectiva unidad motora. Una contracción es la respuesta mecánica de una célula muscular, una unidad motora o todo un músculo a un potencial de acción.
Fases de la contracción Con la posible excepción de un guiño de un ojo, solo existe una contracción aislada en condiciones artificiales producidas en el laboratorio. Para observar contracciones, un investigador puede extirpar de forma quirúrgica un músculo de un animal y unirlo a un aparato que permite medir la fuerza contráctil y mostrarla en un osciloscopio, un sistema gráfico de registro en tira de papel u otro dispositivo. Entonces, el músculo se estimula de forma eléctrica, lo que hace que las células musculares tengan potenciales de acción al mismo tiempo y se contraigan juntas. Cuando cada extremo de un músculo se engancha en su sitio, un estímulo aislado breve hace que la fuerza contráctil aumente primero y después caiga. En el trazado de la fuerza se observa un período latente, seguido de una fase de contracción y una de relajación (fig. 12.12). El período latente es el retraso de un par de milisegundos que se produce entre el potencial de acción de una célula muscular y el comienzo de la contracción, cuando la célula empieza a generar fuerza. Este espacio de tiempo existe porque los acontecimientos de acoplamiento excitación-contracción deben ocurrir antes de que comience el ciclo de los puentes transversos y, por tanto, la generación de fuerza. La fase de contracción, que puede oscilar
Tensión (fuerza de contracción) (g)
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Período latente
Estímulo
Fase de contracción
Fase de relajación
Tiempo (ms)
FIGURA 12.12 Fases de la contracción. Se representa la tensión que genera un músculo en respuesta a un único estímulo como una función de tiempo.
entre 10 ms y más de 100 ms en músculos diferentes, comienza al final del período latente y termina cuando la tensión muscular alcanza su punto máximo. (Tensión es sinónimo de fuerza y se suele expresar en unidades de masa, como los gramos; la tensión muscular de 1 g es equivalente a la fuerza generada por un peso de 1 g que pende de una cuerda.) Durante este tiempo, los niveles de calcio citosólico aumentan a media que la liberación supera a la recaptación. La fase de relajación, normalmente la más larga de las tres fases, es el tiempo entre la tensión máxima y el final de la contracción, cuando la tensión vuelve a cero. Durante este tiempo, los niveles de calcio citosólico disminuyen a medida que la recaptación excede a la liberación y el número de enlaces transversos activos disminuye. Como ya mencionamos, una característica típica de una contracción muscular es la reproducibilidad, es decir, la estimulación repetitiva de un músculo produce varias contracciones seguidas, cada una de ellas con la misma magnitud y forma. (Después veremos que esto no es cierto cuando la frecuencia de estimulación es lo suficientemente alta para que las contracciones se sigan unas a otras de forma próxima.) El motivo de esta reproducibilidad está relacionado con el carácter de todo o nada de los potenciales de acción de las células musculares: dando por sentado que a lo largo del tiempo no se producen cambios en las propiedades de la célula (como ocurre con la fatiga, que trataremos después), un potencial de acción siempre desencadena el mismo grado de liberación de calcio desde el RS, lo que provoca el mismo aumento en los niveles de calcio citosólico, activa el mismo número de enlaces transversos y produce la misma fuerza. Aunque las contracciones son reproducibles para cualquier músculo o fibra muscular, las contracciones varían de forma considerable desde un músculo o célula muscular a otro. Uno de los motivos es que determinadas fibras musculares son inherentemente más fuertes que las otras, es decir, capaces de generar más fuerza; las fibras de mayor diámetro pueden ejercer más fuerza que las de menor diámetro (se tratará más adelante en este capítulo). Otro motivo es que las fibras musculares se diferencian en la velocidad con la que alcanzan la fuerza máxima; las diferencias en estas denominadas fibras de contracción rápida y fibras de contracción lenta también se tratan más adelante en este capítulo.
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Contracciones isométricas e isotónicas
Músculo relajado
Fisiología muscular
335
Músculo relajado
Tensión (g)
Grado de acortamiento (mm)
Tensión (g)
Existen dos variaciones de las contracciones, conocidas como contracciones isométricas e isotónicas, que se diferencian no solo en el mecanismo básico de geneSoporte ración de fuerza, sino también en si el rígido músculo se puede acortar cuando se contrae. Cuando un músculo se contrae de Tiempo (ms) forma isotónica, genera una tensión al Transductor menos igual a las fuerzas que se oponen de fuerza (denominadas cargas; un ejemplo es el peso de una mancuerna), y así se acorta el Estimulador Registro en tira de papel músculo. Cuando un músculo se contrae de forma isométrica crea tensión, pero no (a) Contracción isométrica del músculo se acorta, porque la carga es mayor que la fuerza generada por el músculo. Por ejemplo, esto se produce cuando intentamos levantar un objeto muy pesado o cuando Músculo relajado Músculo relajado permanecemos quietos y los músculos posturales de nuestro organismo mantienen nuestro cuerpo erguido. En el último Transductor caso, los músculos no se acortan, porque de longitud Palanca los huesos son estacionarios en estas conmóvil diciones. La figura 12.13 muestra cómo se Carga miden las contracciones isométricas e Carga isotónicas en un laboratorio. En ambos casos, las contracciones se miden como la Tiempo (ms) respuesta de todo el músculo a un único Transductor estímulo; un extremo del músculo está de fuerza anclado, mientras que el otro está sujeto a un dispositivo (un transductor de fuerza) Estimulador Registro en tira de papel que detecta la fuerza mecánica y la muestra en un registrador gráfico de tira de (b) Contracción isotónica del músculo papel. Para medir una contracción isométrica, los dos extremos del músculo se FIGURA 12.13 Contracciones musculares isométricas e isotónicas. (a) Una contracción isométrica inmovilizan. Cuando el músculo se esties aquella en la que un músculo se monta con los extremos firmemente anclados y, por tanto, no se puede mula eléctricamente, desarrolla tensión, acortar durante la contracción. El resultado de la estimulación es una contracción isométrica, en la que la pero no se puede acortar (v. fig. 12.13a). El tensión (fuerza) se eleva a un máximo y luego disminuye. (b) Una contracción isotónica es aquella en la trazado de la fuerza muestra que la tenque la contracción de un músculo levanta una carga. El resultado de la estimulación es una contracción sión aumenta a un nivel máximo y desisotónica, en la que la tensión se incrementa y llega a una meseta cuando el músculo comienza a pués baja al nivel de reposo. Para medir acortarse. Fíjate en que la fase de la meseta de la curva de tensión corresponde al período durante el una contracción isotónica, el extremo que ocurre el acortamiento del músculo. inferior del músculo no se inmoviliza en su sitio, sino que se engancha a una carga lo). Por ejemplo, cuando la carga aumenta, se necesita una móvil, de forma que el músculo es capaz de acortarse cuando se mayor tensión para superarlo y, por este motivo, los trazados de contrae (v. fig. 12.13b). Ten en cuenta que la curva de la contracfuerza muestran mesetas a niveles de tensión más altos ción isotónica muestra una meseta distinta, lo que indica que la (fig. 12.14). Al mismo tiempo, el espacio de tiempo (período fuerza es constante durante un período de tiempo (de ahí el nombre de isotónico, que significa «misma tensión»). Es durante latente) entre el estímulo y el comienzo del acortamiento de un esta fase de meseta cuando el músculo se acorta y la carga se músculo (el inicio de la meseta) también aumenta, porque el mueve. Antes de la fase de meseta, la fuerza aumenta, pero el músculo necesita más tiempo para desarrollar la fuerza necesamúsculo no se acorta, porque aún no está generando fuerza ria para mover la carga. Cuando la carga excede la cantidad de suficiente para levantar la carga. Solo cuando la fuerza se iguala fuerza que el músculo puede generar, el músculo no puede a la carga, el músculo comienza a acortarse. Esta fuerza permamoverla y, por tanto, se contrae de forma isométrica. Con estas nece constante mientras que la carga está en movimiento, auncondiciones, el trazado de la fuerza tiene la característica del que, finalmente, el músculo comienza a relajarse y la carga pico redondo de una contracción isométrica (v. fig. 12.14, extrecomienza a caer, correspondiendo al final de la fase de meseta y mo derecho). a una disminución en la fuerza. Cuando un músculo se contrae de forma isométrica, sus A diferencia de una contracción isométrica, una contracción sarcómeros se acortan, aunque el músculo en su conjunto no isotónica no es un acontecimiento todo o nada (su tamaño y forlo haga. Esto se debe posiblemente a que los sarcómeros (denoma dependen del tamaño de la carga que se coloca en el múscuminados colectivamente componente contráctil [CC] del mús-
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Fisiología muscular Contracción isotónica
Contracción isotónica
Contracción isotónica
Contracción isométrica
10 g
15 g
20 g
Músculo
Carga 5g
Contracción isométrica 20
Período latente para comenzar el acortamiento
17 g
Tensión (g)
15 10
Comienza el acortamiento Finaliza
5 0 Estímulo Tiempo (ms)
FIGURA 12.14 Efecto de la carga sobre la tensión máxima de una contracción isotónica. Se muestran las respuestas a una estimulación de un músculo expuesto a cuatro cargas diferentes. El músculo se contrae de forma isotónica cuando las cargas son de 5, 10 o 15 g, y en cada uno de esos casos la tensión llega a una meseta a un nivel equivalente a la carga. Sin embargo, cuando la carga es de 20 g, el músculo es incapaz de acortarse, porque la carga supera el máximo de tensión y puede generar una única contracción (17 g) y, por
tanto, el músculo se contrae isométricamente. Fíjate en que cuando la carga se incrementa, la duración de acortamiento del músculo se acorta, y el período de latencia después del comienzo del acortamiento del músculo se incrementa.
culo) no se extienden por toda la longitud de cada fibra muscular y, por tanto, no transmiten fuerza directamente a los extremos de las células. Por el contrario, la fuerza se transmite por medio de determinados componentes celulares que conectan las miofibrillas a los extremos de las células y después por medio del tejido conjuntivo, que se sujeta a los extremos de las células en su sitio y se extiende a través de los tendones. Las partes de un músculo (o célula muscular) que no generan fuerza de forma activa que solo sirven para transmitir de forma pasiva fuerza a los extremos de ese músculo se conocen de forma colectiva como componente elástico en series (CES) del músculo. Cuando un músculo se contrae de forma isométrica, el CC se acorta y estira el CES, lo que provoca que tire de los extremos del músculo. Al hacer esto, el CES se alarga, mientras que el CC se acorta, lo que genera un cambio de longitud general de cero. Ten en cuenta que, aunque los músculos se contraen de forma isométrica en el cuerpo, raramente (si acaso) se contraen de una forma estrictamente isotónica, es decir, con una fuerza constante cuando se acortan. Cuando caminamos, corremos, levantamos objetos o nos movemos, de tal forma que los múscu-
los en contracción se acortan, el sistema nervioso ajusta continuamente su información a los músculos para garantizar que la fuerza muscular resulta apropiada para la actividad pretendida. Esto resulta bastante distinto de la situación de laboratorio descrita en las figuras 12.13 y 12.14, en las cuales un estímulo invariable se aplica a un músculo. Además, cuando un músculo se contrae en el organismo, la carga situada en el músculo rara vez es constante (como en las figs. 12.13 y 12.14), incluso cuando levantamos un peso constante. Esto es así porque las posiciones de las articulaciones cambian a medida que nos movemos, lo que modifica las cargas situadas en los músculos. Se puede demostrar esto fácilmente intentando sujetar un peso de 4,5 kg de forma continuada en la mano con dos condiciones: con el codo cerca del cuerpo y doblado a un ángulo de 90°, y con el brazo extendido hacia delante. Sin duda, encontrará más difícil sostener el peso de forma continua en el segundo caso, porque la posición extendida del brazo imprime un gran estrés (es decir, carga) en determinados músculos del brazo y el hombro. (Para conocer más acerca de la física de la actividad muscular, v. «Caja de herramientas: Física de la contracción de los músculos esqueléticos».)
Si se sitúa una carga de 16 g en el músculo, ¿la contracción será isotónica P o isométrica?
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Potencial de acción Tensión (g)
Tensión (g)
Meseta
Fisiología muscular
Estímulo
0
20
Tiempo (ms)
FIGURA 12.15 Fenómeno de la escalera. Como respuesta a un estímulo (flechas) de una frecuencia lo suficientemente repetitivo, el pico de tensión de una contracción isométrica de un músculo se alcanza en las primeras contracciones, pero finalmente alcanza una meseta.
40
60 80 Tiempo (ms)
100
120
140
FIGURA 12.16 Duración de una contracción isométrica. La contracción de una fibra muscular tiene una duración significativamente mayor que el potencial de acción que la origina. ¿Qué término se emplea para describir la serie de acontecimientos que P ocurren en el período de intervalo entre el potencial de acción y el aumento
Factores que afectan a la fuerza generada por fibras musculares individuales La fuerza generada en un músculo depende de dos factores: 1) la fuerza generada en fibras musculares individuales, y 2) el número de fibras musculares que se contraen. La fuerza generada en fibras musculares individuales depende del número de enlaces transversos activos que se unen a la actina. Un mayor número de enlaces transversos activos genera más fuerza, como la fuerza ejercida sobre la cuerda en la soga-tira aumenta cuando se añaden más participantes. En esta sección examinaremos los factores que afectan al número de enlaces transversos activos y, por tanto, la fuerza que se genera por la contracción de fibras musculares individuales: la frecuencia de estimulación, el diámetro de la fibra y los cambios en la longitud de la fibra.
Frecuencia de estimulación Las contracciones musculares isométricas son realmente reproducibles, acontecimientos todo o nada solo si un músculo se estimula a una frecuencia lo suficientemente baja como para garantizar que las contracciones estén bien separadas unas de otras. A frecuencias más altas, el ritmo de liberación de calcio desde el RS al citosol supera el ritmo de transporte activo de calcio desde el citosol al RS, lo que da como resultado un aumento de la tensión máxima. Cuanto más calcio hay en el citosol, más calcio se une a la troponina, que mueve la tropomiosina para exponerse a más sitios de unión a miosina en la actina. Cuantos más sitios de unión a miosina hay expuestos, pueden participar más enlaces transversos en el ciclo de los puentes transversos y mayor es el desarrollo de tensión. A medida que aumenta la frecuencia de estimulación, el movimiento de los músculos va desde las contracciones al fenómeno de la escalera, a la suma y finalmente al tétanos. El fenómeno de la escalera se produce a una frecuencia de estimulación muscular en la que las contracciones independientes se suceden unas a otras de una forma tan seguida que el pico de tensión aumenta en forma de escalón con cada contracción, hasta que finalmente alcanza un nivel constante (fig. 12.15). Se desconoce la causa del fenómeno de la escalera, pero es posible que sea el resultado de un aumento del calcio citosólico entre las contracciones o de un «calentamiento» de la fibra muscular que se produce al realizar un trabajo.
de la tensión muscular?
La suma y la tetania se producen a mayores frecuencias de estimulación, a medida que las contracciones se solapan en el tiempo. Comparado con un potencial de acción, que tarda como mucho unos pocos milisegundos, una contracción muscular resulta bastante lenta, ya que tarda desde decenas a cientos de milisegundos en producirse (fig. 12.16). Por este motivo, una fibra muscular puede tener diversos potenciales de acción en el tiempo en el que se completa una contracción. Cuando se estimula un músculo de forma repetitiva tal que los potenciales de acción adicionales llegan antes de que se puedan completar las contracciones, las contracciones se superponen, lo que produce una fuerza mayor que la de una contracción; este proceso se denomina suma (fig. 12.17). La suma ocurre siempre que se producen contracciones a una frecuencia tal que el calcio no se puede eliminar del citosol tan rápidamente como se libera del RS. La eliminación del calcio resulta necesaria para la relajación. Por consiguiente, la fibra muscular no se puede relajar completamente entre las contracciones. A frecuencias más grandes de estimulación, la suma alcanza un pico denominado tetania. (Asimismo, el término tétanos hace referencia a una enfermedad en la que las toxinas producidas en una infección bacteriana hacen que las motoneuronas estimulen la contracción muscular de forma inapropiada, v. «Conexiones clínicas: Tétanos»). En el tétanos no fusionado (o incompleto), la fuerza tiene pequeñas oscilaciones con breves períodos de relajación entre picos (v. fig. 12.17). Los picos se alcanzan cuando los niveles de calcio son lo suficientemente grandes para saturar la troponina, exponiendo todos los sitios de unión a miosina de la actina. A frecuencias incluso mayores, los niveles de calcio resultan lo suficientemente grandes como para saturar de forma continua la troponina, de tal forma que todos los sitios de unión a la miosina de la actina están expuestos de forma continua, lo que da como resultado una meseta denominada tétanos fusionado (o completo) (v. fig. 12.17). Si la intensidad del estímulo aumenta aún más, la tensión tetánica (es decir, la tensión generada durante el tétanos) aumenta, pero solo hasta un punto; otros aumentos en la frecuencia más allá de este punto no producen aumentos en la fuerza. Bajo estas condiciones, el músculo genera toda la fuerza que puede, lo que se conoce como tensión tetánica máxima.
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Fisiología muscular
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C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Física de la contracción de los músculos esqueléticos Los huesos funcionan como palancas. Cuando usamos los músculos para levantar un peso o mover una parte del organismo, la fuerza que los músculos generan resulta realmente mucho mayor de lo que podamos pensar. Por ejemplo, para sostener un peso de 15 kg en la palma de nuestra mano, el bíceps del brazo genera una impresionante fuerza de 105 kg. El motivo está relacionado con el hecho de que la inserción del bíceps se encuentra cerca de la articulación del codo (a unos 5 cm), mientras que la mano se encuentra situada más alejada de la articulación (a unos 35 cm); véase la figura (a). Para levantar el peso, el bíceps tira hacia arriba de los huesos del antebrazo, haciendo que la mano realice una fuerza hacia arriba contra el peso. (Cuando el peso se sostiene de forma continuada o se levanta a una velocidad constante, la magnitud de esta fuerza equivale a la fuerza de la gravedad hacia abajo que actúa sobre el peso.) Dado que la inserción del bíceps se encuentra situada cerca de la articulación del codo, que actúa de pivote, el músculo debe ejercer una fuerza bastante superior A la fuerza que ejerce la mano; véase la figura (b). Para ver por qué el bíceps debe ejercer más fuerza, debemos considerar qué ocurre cuando se está levando el peso, como se muestra en la figura (c). Siempre que una fuerza se aplica sobre un objeto haciendo que se mueva una determinada distancia, se realiza una cantidad de trabajo:
trabajo = fuerza distancia En este caso, el bíceps desarrolla una determinada cantidad de trabajo para mover el brazo, y la mano desarrolla una cantidad de trabajo similar para mover el peso. A medida que el antebrazo pivota en el codo, la mano y la inserción del bíceps se mueven a través de un arco y se desplazan una determinada distancia, si bien la mano se desplaza más, porque su arco tiene un radio mayor, como se muestra en la figura. Dado que la mano y el bíceps desarrollan la misma cantidad de trabajo, el producto de la fuerza ejercida y la distancia recorrida son los mismos para ambos. Dado que la inserción del bíceps se desplaza una distancia más corta que la mano, y según la ecuación anterior, el bíceps debe ejercer una fuerza mayor que la mano. Según estos principios, podemos determinar la fuerza que el bíceps debe generar para levantar un peso determinado. Puesto que la longitud de un arco es proporcional a su radio, la distancia que la mano o la inserción del bíceps recorren resulta proporcional a la distancia desde la articulación del codo. Por consiguiente, si la mano ejerce una fuerza F1 y se encuentra a una distancia R1 desde el codo, desarrolla una cantidad de fuerza proporcional al producto F1 R1; véase la figura (d). De igual manera, si el bíceps ejerce una fuerza F2 y su inserción se encuentra a una distancia R2, el trabajo que realiza resulta proporcional al producto
Articulación del hombro
Bíceps Tríceps 15 kg
Articulación del codo Más grande 0 5 cm
Más pequeña
35 cm (b) Fuerza ejercida
Tensión (g)
(a) Distancia desde el codo
Tensión media (constante)
Estímulo 1
Contracción
2 Suma
3 Tétanos incompleto (no fusionado)
4 Tétanos completo (fusionado)
Tiempo (ms)
FIGURA 12.17 Efectos de estímulos de alta frecuencia: suma y tétanos. En respuesta a los estímulos repetitivos (flechas) que se producen cercanos en el tiempo, las contracciones musculares se superponen, produciéndose su suma. Una secuencia de estímulos frecuentes provoca un aumento de la tensión en cada contracción hasta que el músculo alcanza
un tétanos incompleto, caracterizado por una meseta que se compone de contracciones individuales indistinguibles. Una frecuencia de estímulo aún mayor produce el tétanos completo, en el cual la fuerza se incrementa de manera rápida y sin problemas hasta alcanzar una meseta en la que las contracciones individuales dejan de ser distinguibles.
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Fisiología muscular
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C A J A D E H E R R A M I E N TA S (Cont.) F2 R2. Dado que la mano y el bíceps desarrollan cantidades similares de trabajo, la fuerza de la mano y el bíceps se relacionan por la siguiente expresión: F1 R1 = F2 R2 o F2 = F1 (R1/R2) Utilizando los valores utilizados anteriormente, encontramos que, cuando la mano está levantando un peso de 15 kg, el bíceps ejerce la siguiente fuerza: F2 = 15 kg (35 cm/5 cm) = 105 kg Esto también sucede cuando la mano sostiene un peso de forma continua. En el ejemplo anterior, los huesos del antebrazo actúan como una palanca que pivota en el codo. El bíceps tira hacia arriba de esta palanca, mientras que el peso en la mano empuja hacia abajo. Para mantener el peso de forma constante (o levantarlo a una velocidad constante), el bíceps debe ejercer una fuerza superior a la fuerza hacia abajo del peso, porque su brazo palanca (la distancia entre el punto de
pivote de la palanca y el punto al que se aplica la fuerza) resulta más corta que la del peso. Como reflejo de esto, se dice que el brazo palanca más corto deja al bíceps en desventaja mecánica. Es posible que las consecuencias de un efecto de brazo palanca le resulten familiares: si alguna vez ha tenido que cambiar una rueda de su coche sabrá que resulta fácil aflojar las tuercas con una llave más larga que con una más corta. La llave más corta le deja en desventaja mecánica, de forma que tenemos que ejercer más fuerza para aflojar las tuercas. Aunque el efecto del brazo palanca deja los músculos en desventaja mecánica con respecto a la fuerza que deben generar, la situación realmente resulta ventajosa en otro sentido: cuando un músculo se contrae, se acorta con una determinada velocidad, pero la extremidad (u otra parte corporal) a la que está unido se mueve de forma significantemente más rápida. Por ejemplo, si el bíceps se acorta a un ritmo de 2 cm/s, la mano se mueve a un ritmo siete veces más rápido (14 cm/s). Por tanto, el efecto del brazo palanca posibilita que el bíceps y otros músculos muevan partes corporales más rápidamente de lo que los propios músculos se pueden acortar. Esto resulta importante, porque no solo posibilita la realización de actividades como correr o lanzar objetos, sino que nos permite huir de un peligro más rápidamente en momentos de emergencia.
F2 (105 kg)
F1 (15 kg)
R2 (5 cm) (c) Radio del arco (distancia desde el codo)
Diámetro de la fibra Aceptamos como un hecho cotidiano que algunos músculos tienen una capacidad inherente para generar más fuerza que otros. ¿Por qué, si no, identificamos los abultados músculos de un levantador de pesas con una fuerza superior? La habilidad inherente de un músculo para generar fuerza se conoce como capacidad de generar fuerza del músculo, que normalmente se mide mediante la tensión tetánica máxima o la tensión máxima en una contracción isométrica. La capacidad de generación de fuerza de una fibra muscular depende del número de enlaces transversos de cada sarcómero y de la disposición geométrica de los sarcómeros. Siendo iguales otras cosas, un músculo cuyos sarcómeros contienen más enlaces
R1 (35 cm)
(d) Radio del arco y fuerzas ejercidas
transversos puede generar más fuerza, al igual que la fuerza ejercida en la cuerda de la soga-tira aumenta cuando se añaden más participantes. Además, un músculo que tiene más sarcómeros (y, por tanto, más filamentos finos y gruesos) dispuestos en paralelo, puede generar más fuerza que un músculo con menos sarcómeros dispuestos en paralelo. Dado que el número de filamentos gruesos por unidad de superficie transversa no varía de forma significativa de un músculo a otro, el diámetro de una fibra es la variable fundamental que determina su capacidad de generación de fuerza. Cuanto mayor es el diámetro de la fibra, mayor es su zona de superficie transversa y mayor es la fuerza que puede generar. Por este motivo, los abultados músculos de un levantador de pesas son más fuertes que los finos músculos de una persona normal.
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Fisiología muscular
CONEXIONES CLÍNICAS
Tétanos El tétanos es el resultado de la infección por Clostridium tetani, bacteria anaerobia cuyas esporas se localizan en la tierra y en las heces de los animales. La enfermedad normalmente se debe a la contaminación de heridas causadas por pinchazos profundos o quemaduras, aunque también puede ocurrir en heridas relativamente menores. Las heridas profundas suelen ser más comunes, puesto que las bacterias anaerobias crecen bien en las condiciones de poco oxígeno que existen en dichas heridas. Los síntomas de la enfermedad aparecen tras un período de incubación de entre 2 y 50 días, aunque un período de entre 5 y 10 días es lo más común. Los síntomas de la enfermedad son el resultado de la acción de la neurotoxina del tétanos segregada por las bacterias en el lugar de la herida. La toxina ejerce sus efectos tras alcanzar el SNC, donde se une a las terminales sinápticas y bloquea la transmisión de señales que normalmente inhibe la actividad de las motoneuronas. Por consiguiente, las motoneuronas se vuelven hiperexcitables, lo que conduce a una estimulación inadecuada de los músculos esqueléticos. En función del
alcance de la toxina, los efectos pueden limitarse a los músculos cercanos a la herida, o involucrar a los músculos de todo el organismo. Entre los efectos locales encontramos dolor muscular y un aumento del tono muscular en la zona afectada, mientras que entre los efectos sistémicos encontramos movimientos espásticos y convulsiones intermitentes. El síntoma sistémico temprano más frecuente del tétanos es la rigidez de la mandíbula. Normalmente, la rigidez se extiende a otras zonas, entre las que se incluyen el cuello, los brazos o las piernas, y puede estar acompañada por dolor de garganta, dolor de cabeza, fiebre, inquietud, irritabilidad o dificultad para tragar. A medida que progresa la enfermedad, los espasmos musculares pueden hacer que el paciente experimente dificultad para abrir la mandíbula (trismo), lo que da el nombre común de esta enfermedad: mandíbula bloqueada. Es posible que otros músculos faciales también se vean afectados, haciendo que el paciente adopte una expresión facial rara caracterizada por una sonrisa fija y las cejas levantadas (risa sardónica). La muerte, si se produce, normalmente es el resultado de
la asfixia debida a espasmos de los músculos de la laringe o torácicos. Sin embargo, y gracias sobre todo a los programas de inmunización masiva, el tétanos afecta a muy pocas personas actualmente.
La rigidez de la mandíbula es un síntoma sistémico temprano del tétanos.
Asimismo, la longitud de una fibra muscular cuando se inicia la contracción afecta a la cantidad de tensión que se puede desarrollar. Sin embargo, lo importante es la longitud de los sarcómeros y no el número de sarcómeros en serie. Para cada fibra muscular, existe una longitud óptima a la que puede generar la mayor fuerza, debido a la máxima participación de los enlaces transversos de miosina en la generación de fuerza. Cuando una fibra se contrae o se estira más allá de esa longitud óptima, su capacidad de generación de fuerza disminuye, debido a que los cambios en su longitud alteran la longitud de cada uno de los sarcómeros y reducen su potencial de generación de fuerza. La figura 12.18 muestra cómo varía la fuerza de contracción, medida como porcentaje de tensión tetánica máxima o tensión máxima en una contracción isométrica, con la longitud muscular. El gráfico es un ejemplo de una curva tensión-longitud y su forma es la consecuencia del modelo de deslizamiento de filamentos y la naturaleza del ciclo de los puentes transversos. Hemos visto que la fuerza de la contracción muscular está relacionada con el número de enlaces transversos activos (cuanto mayor es el número, mayor es la fuerza) y que la actividad de los enlaces transversos precisa que los enlaces transversos de miosina sean capaces de
Tensión (% del máximo)
Cambios en la longitud de la fibra 100
(b) (a)
50
(c) 60
80
100
120
Disminución Normal de la longitud
140
160
Incremento de la longitud
Longitud de reposo del músculo (%)
FIGURA 12.18 Curva de longitud-tensión. La curva representa la tensión generada en un músculo en función de su longitud en reposo. El centro de la figura indica un rango normal de la longitud del músculo in situ. Los dibujos de los sarcómeros indican cambios en las posiciones relativas de filamentos gruesos y finos como cambios en la longitud muscular.
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unirse a la actina. Si comenzamos con una fibra muscular a longitud óptima y después la estiramos, la tensión generada por la fibra disminuye de forma lineal a medida que aumenta su longitud (segmento b-c, v. fig. 12.18). El motivo es que el grado de solapamiento entre los filamentos finos y gruesos disminuye a medida que los sarcómeros se alargan, y los enlaces transversos que no están solapados por filamentos finos no pueden unirse a la actina y, por tanto, no pueden contribuir a la generación de fuerza. Si el músculo es significantemente más corto que su longitud óptima, la tensión disminuye en dos fases a medida que la longitud decrece. Al principio, la tensión decrece de forma relativamente lenta. Una vez que la longitud disminuye más allá de un determinado punto (a la izquierda del punto [a] en la figura 12.18), la tensión decrece más rápidamente. Cuando los sarcómeros se acortan más allá de su longitud óptima, los filamentos finos de de los extremos opuestos del sarcómero comienzan a solaparse, con interferencias con su movimiento. Entonces, cuando los sarcómeros se acortan más allá del punto (a) de la figura 12.18, las líneas Z finalmente entran en contacto con los filamentos gruesos, de forma que la mayoría de la fuerza generada por los enlaces transversos se ejerce en el propio sarcómero, en lugar de transmitirse a los extremos de la fibra muscular. La capacidad de generación de fuerza constante de una fibra muscular en el pico de la curva longitud-tensión de la figura 12.18 se produce por dos motivos: todos los enlaces transversos están solapados por filamentos finos y son capaces de generar fuerza, y los sarcómeros no son lo suficientemente cortos para permitir que los filamentos finos entren en contacto, de forma que no se producen interferencias entre ellos. El hecho de que los músculos se acorten cuando se contraen no significa que los músculos del organismo comprometan su capacidad de generación de fuerza cuando se contraen. Fíjate en el corchete de la figura 12.18, que indica el rango operativo normal de los músculos in situ (en el organismo), que muestra que los músculos in situ siempre están cerca de sus longitudes óptimas, incluso cuando se acortan o estiran al máximo. El motivo radica en que el movimiento de un músculo está limitado por los huesos a los que está anclado; los músculos pueden alargarse o acortarse una longitud determinada, porque el rango posible de ángulos articulares está limitado por la arquitectura del esqueleto. Por consiguiente, los músculos normalmente operan dentro del rango de longitudes en el que pueden generar su máxima fuerza.
Fisiología muscular
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que un músculo puede generar. A continuación veremos que la fuerza generada depende también del número de fibras musculares que se contraen.
Regulación de la fuerza generada por músculos enteros Cuando un músculo se contrae, en raras ocasiones todas sus fibras generan fuerza de forma activa. Algunas unidades motoras son activas, pero las fibras de otras unidades motoras simplemente «se dejan llevar», acortándose de forma pasiva como respuesta a las fuerzas generadas por las fibras en contracción activa. Cuando se necesitan fuerzas más grandes, el sistema nervioso puede activar algunas de estas fibras «extra», aumentando así el número total de fibras activas. De hecho, el sistema nervioso ejerce la mayor parte del control sobre la fuerza muscular mediante la variación del número de unidades motoras activas; la variación en la frecuencia de estimulación de las fibras individuales desempeña un papel secundario. El aumento en el número de unidades motoras activas se denomina reclutamiento.
Reclutamiento Hemos visto que, dentro de un músculo, las fibras que pertenecen a una unidad motora dada están entremezcladas con fibras de otras unidades motoras. Sin embargo, no todas las unidades motoras están creadas de la misma manera. A menudo difieren en tamaño, algunas tienen bastantes más fibras y otras bastantes pocas. La figura 12.19a muestra dos unidades motoras (X e Y) en
Unidad motora X
Unidad motora Y (a)
Comprueba tus conocimientos Los atletas utilizan la longitud muscular óptima para generar una fuerza máxima al inicio de la actividad. ¿Se te ocurre alguna actividad atlética en la que el atleta se coloque para realizar una salida rápida?
Tensión (g)
En función de lo que hemos visto en relación con la suma de contracciones, sabemos que la frecuencia del potencial de acción en las unidades motoras de un músculo tiene relación directa con la fuerza que genera el músculo. La mayor fuerza que puede desarrollar una única fibra muscular mediante contracción isométrica es la tensión tetánica máxima, que, para la mayoría de las fibras musculares, solo es unas cinco veces mayor que la tensión máxima de una única contracción. Dado que la tensión muscular puede variar varios órdenes de magnitud (por ejemplo, las fuerzas necesarias para sujetar un clip de papel en comparación con la necesaria para sostener una silla), resulta claro que la variación en la frecuencia del potencial de acción puede explicar solo una pequeña fracción del rango de fuerzas
12 fibras
7 fibras 5 fibras
Estímulo X
Y
X+Y
(b)
FIGURA 12.19 Incrementos en la generación de fuerza con el reclutamiento de unidades motoras. (a) Unidades motoras X e Y, que se componen de cinco y siete fibras, respectivamente. (b) Tensión desarrollada por una unidad motora X, unidad motora Y y por ambas unidades motoras unidas.
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un músculo cuyas fibras tienen propiedades de generación de fuerza idénticas y se han estimulado para obtener la tensión tetánica máxima. La unidad motora X contiene cinco fibras, mientras que la unidad motora Y contiene siete. Cuando se estimula la unidad motora X para que se contraiga, genera cinco veces la fuerza de una fibra aislada, porque sus fibras trabajan juntas en paralelo; de igual manera, la estimulación de la unidad motora Y da como resultado una fuerza siete veces mayor que la de una fibra única, y la estimulación de las dos unidades motoras produce una fuerza 12 veces mayor que la de una única fibra (fig. 12.19b). Dado que es posible que un músculo contenga cientos de unidades motoras, la tensión muscular se puede variar sobre una amplia gama, simplemente mediante la variación del número de unidades motoras activas. Los músculos difieren en relación con el número de unidades motoras que contienen, desde unas pocas en los músculos que controlan los movimientos de los ojos hasta cientos en los músculos más grandes, como el bíceps. Dentro de un músculo determinado, las distintas unidades motoras difieren tanto en el número de fibras que poseen como en el diámetro y la fuerza de estas fibras. Las fibras dentro de cualquier unidad motora tienden a clasificarse en un estrecho rango de tamaños, con algunas compuestas principalmente por fibras pequeñas y otras principalmente por fibras grandes. Además, las unidades motoras que tienen fibras más grandes también suelen tener más fibras.
Cerebro W
X
Y
Z Médula espinal
(a)
Principio del tamaño
Z Tensión (g)
Cuando un músculo debe producir fuerzas pequeñas, normalmente solo intervienen las unidades motoras más pequeñas. Si son necesarias fuerzas más grandes, se reclutan unidades motoras más grandes. Esta correspondencia entre el tamaño de las unidades motoras y el orden del reclutamiento se conoce como principio del tamaño. Además, cuando las contracciones se mantienen durante un largo tiempo, las unidades motoras se activan de forma asincrónica: cuando una se activa, la otra cesa su actividad. De esta forma, la fuerza total del músculo se mantiene a un nivel constante sin sobrecargar ninguna de las unidades motoras individuales. El hecho de que las unidades motoras difieran en tamaño tiene implicaciones prácticas para el control preciso de la fuerza muscular. Como regla general, el control preciso resulta más fácil cuando las fuerzas musculares son pequeñas, porque solo se reclutan unidades motoras más pequeñas. Las variaciones más pequeñas resultan posibles con estas condiciones, porque el reclutamiento de unidades motoras adicionales solo provoca pequeños aumentos en el número total de fibras activas. Por el contrario, cuando intervienen fuerzas más grandes, solo son posibles incrementos más grandes de la fuerza, porque se reclutan unidades motoras más grandes. La base del principio de tamaño no es solo que las unidades motoras varían en tamaño, sino que las motoneuronas que las controlan varían en tamaño. Las unidades motoras más grandes están controladas por motoneuronas con cuerpos celulares y diámetros de axones mayores que la media, mientras que las unidades motoras más pequeñas están controladas por neuronas con cuerpos celulares y diámetros de axones menores que la media. Esta distribución de tamaños de las neuronas tiene importantes consecuencias para el control muscular. Debido a motivos complicados, las células más grandes resultan más difíciles de despolarizar hasta el umbral. Se precisa una mayor excitación sináptica (una frecuencia de potencial de acción más elevada en la célula presináptica) para inducir la activación de una neurona
Y X Entrada excitatoria (frecuencia del potencial de acción en W) (b)
FIGURA 12.20 Principio del tamaño. (a) La relación anatómica de tres unidades motoras (X, Y y Z) cuyo tamaño se incrementa respecto de una neurona excitadora W dentro del SNC. (b) Conforme aumenta la frecuencia de los potenciales de acción de una neurona W, el orden de las unidades motoras activadas va desde la menor (X) a la más grande (Z).
más grande. Por tanto, cuando se aplica una excitación sináptica gradualmente más intensa a un grupo de motoneuronas, las neuronas pequeñas se activarán primero y las grandes después. La idea se ilustra de forma esquemática en la figura 12.20, donde las unidades motoras pequeñas, medianas y grandes (X, Y y Z) están controladas por la excitación de una neurona (W) situada en el SNC. Fíjate en que, a medida que la frecuencia del potencial de acción en la neurona W aumenta, la unidad motora se vuelve activa, siguiendo el orden del tamaño creciente. Así como se recluta cada unidad motora, la fuerza aumenta en forma de escalón, reflejando tanto el aumento del número de fibras en las unidades más grandes como el tamaño más grande de aquellas fibras.
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Ahora vemos que la fuerza generada por músculos completos se ve afectada por una combinación de los factores que actúan sobre las fibras individuales y el número de fibras activas. Sin embargo, no solo la fuerza de la contracción muscular resulta importante en el movimiento: la velocidad con la que los músculos se contraen también resulta importante.
Velocidad de acortamiento Para determinar la velocidad de acortamiento de un músculo, el músculo se estimula para que se contraiga de forma isotónica y, mientras lo hace, se representa la distancia que se acorta respecto al tiempo, normalmente mientras se somete a diferentes cargas. El resultado de estas medidas, que se muestra en la figura 12.21, revela tres efectos: 1) el período latente de acortamiento (el tiempo entre el estímulo y el comienzo del acortamiento) aumenta con el aumento de la carga (v. fig. 12.14); 2) la duración del acortamiento (el tiempo durante el cual el músculo es más corto que la longitud en reposo) disminuye con un aumento de la carga, y 3) la velocidad de acortamiento se reduce al aumentar la carga. La velocidad del acortamiento se define como el ritmo de cambio de la distancia acortada, que es la pendiente de cada curva en la figura 12.21. (Dado que la pendiente cambia de forma continuada a través del período de acortamiento, resulta habi-
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tual utilizar las pendientes iniciales de las curvas como medida de la velocidad de acortamiento.) Cuando se traza la velocidad de acortamiento como una función de la carga, el resultado es una curva de carga-velocidad como la de la figura 12.22. Fíjate en que, a medida que aumenta la carga, la velocidad de acortamiento disminuye de forma gradual, llegando finalmente a 0 cuando la carga es igual o mayor que la tensión máxima que puede generar el músculo, y la velocidad de acortamiento es mayor cuando no se coloca ninguna carga en el músculo. Estas observaciones están en consonancia con nuestra experiencia diaria: sabemos que no podemos levantar una caja llena de libros a la misma velocidad que una caja vacía. Las medidas de la velocidad de acortamiento han resultado informativas, porque han revelado que los músculos difieren en otros aspectos distintos de la capacidad de generación de fuerzas. Por ejemplo, los investigadores han descubierto que determinados tipos de fibras musculares se pueden acortar más rápidamente que otros. Las bases de estas diferencias se tratarán en la siguiente sección.
Test rápido 12.4 1. ¿Qué es una contracción? ¿En qué se diferencia una contracción isométrica de una isotónica? 2. ¿Qué es el principio del tamaño? 3. ¿Cuál es el significado del término velocidad de acortamiento?
Distancia acortada
Pendiente = velocidad de acortamiento
Tipos de fibras de los músculos esqueléticos
Carga cero
Carga intermedia
Aunque todas las fibras de los músculos esqueléticos son similares en lo fundamental respecto a los mecanismos de acoplamiento excitación-contracción y de generación de fuerza, exis-
Carga pesada Período latente 0
20
40
60
80
100
Músculo extraocular (7-8 ms)
120
Tiempo (ms)
Gastrocnemio (40 ms)
Velocidad máxima (carga cero)
Sóleo (90 ms)
Tensión (% del máximo)
Velocidad de acortamiento
FIGURA 12.21 Efecto de la carga en el acortamiento de un músculo. Se muestra la distancia de acortamiento de un músculo mientras se contrae de forma isotónica en el tiempo para tres tipos de cargas diferentes. Las líneas discontinuas representan la pendiente inicial de las curvas, una medida de la velocidad de acortamiento del músculo.
0
0
Carga
La carga es mayor o igual al máximo de la tensión (fuerza) del músculo
FIGURA 12.22 Curva carga-velocidad. La curva representa las velocidades de acortamiento (como se determinan en la fig. 12.21) en función de un rango de cargas.
40
80
120 Tiempo (ms)
160
200
Estímulo único
FIGURA 12.23 Diferencias en la velocidad de contracción de tres músculos seleccionados. Las curvas representan contracciones isométricas; el tiempo en paréntesis es el necesario para que cada músculo desarrolle un máximo de tensión después de un estímulo único (flecha). Para facilitar la comparación, se han ajustado las curvas para que sus picos tengan la misma altura, aunque estos músculos desarrollen diferentes tensiones máximas.
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ten diferencias importantes entre ellas en cuanto a la rapidez de la contracción y la forma de producción de la mayoría de su ATP. En esta sección examinaremos estas diferencias y sus efectos en el rendimiento muscular de la vida diaria.
Diferencias en la velocidad de contracción: fibras de contracción rápida y de contracción lenta Cuando se estimulan músculos diferentes para que se contraigan de forma isométrica, a algunos les lleva más tiempo alcanzar la tensión máxima que a otros (fig. 12.23). El motivo es que estos músculos contienen distintas poblaciones de fibras. Algunos músculos (como el sóleo de la pierna) contienen principalmente fibras de contracción lenta, que se contraen de forma relativamente lenta. En otros músculos (como los músculos extraoculares que controlan los movimientos oculares), las fibras predominantes son fibras de contracción rápida, que se contraen de forma relativamente rápida. Sin embargo, en otros músculos (como el gastrocnemio de la pierna), la proporción de las fibras de contracción rápida y lenta es intermedia. Las diferencias entre los dos tipos de fibra no solo se ven en las contracciones isométricas, sino también en las isotónicas. Las fibras de contracción rápida alcanzan el pico de tensión isométrica antes que las fibras de contracción lenta, y también tienen velocidades de acortamiento máximas más altas cuando se contraen de forma isotónica (en comparación con las fibras de contracción lenta de longitud similar). La diferencia entre las fibras de contracción rápida y de contracción lenta no se basa en su tamaño o forma, sino en el tipo de miosina presente en sus filamentos gruesos. La velocidad de la contracción muscular depende del ritmo del ciclo de los puentes transversos, que está limitado por el paso limitador del ritmo (hidrólisis ATP). La denominada miosina rápida tiene la capacidad inherente de hidrolizar ATP a un ritmo más rápido que la miosina lenta, y este ritmo de la ATPasa se correlaciona fuertemente con la velocidad de contracción de una fibra. El ritmo ATPasa más alto de la miosina rápida implica que esta forma de miosina puede completar más ciclos de puentes transversos por segundo, lo que significa que los sarcómeros se acortan más rápidamente, siendo todo lo demás igual.
Diferencias en el método principal de producción de ATP: fibras glucolíticas y fibras oxidativas Aunque todas las fibras musculares tienen la capacidad de producir ATP mediante fosforilación oxidativa y en el sustrato, difieren en la capacidad de hacerlo y se agrupan en dos categorías según este principio. Las fibras glucolíticas tienen altas concentraciones citosólicas de enzimas glucolíticas, de forma que pueden generar ATP rápidamente por medio de la glucólisis (fosforilación en el sustrato); estas fibras tienen una capacidad relativamente baja de generar ATP mediante fosforilación oxidativa, porque contienen relativamente pocas mitocondrias, donde se produce la fosforilación oxidativa. Por el contrario, las fibras oxidativas tienen abundantes mitocondrias y presentan una gran capacidad de producir ATP por fosforilación oxidativa. Sin embargo, estas fibras contienen concentraciones relativamente bajas de enzimas glucolíticas y, por tanto, tienen una baja capacidad glucolítica. Los dos tipos de fibras están en todos los músculos del organismo, si bien sus proporciones varían entre los músculos.
FIGURA 12.24 Fibras musculares oxidativas y glucolíticas. En esta microfotografía de un corte transversal de un músculo esquelético se muestran numerosas fibras musculares. Se ha preparado el músculo con un colorante que hace que las mitocondrias aparezcan moradas y los capilares negros. Cuanto más pequeñas son las fibras, más se tiñen, lo que indica una mayor densidad de mitocondrias, típica de las fibras oxidativas. Fíjate en que la densidad del capilar es máxima alrededor de estas fibras.
La distinción entre las fibras glucolíticas y oxidativas va más allá de las diferencias en el contenido de enzimas glucolíticas o el número de mitocondrias. Las fibras oxidativas normalmente tienen un diámetro pequeño y están bien irrigadas por los vasos capilares, mientras que las fibras glucolíticas tienen un diámetro más grande y están rodeadas por menos vasos capilares (fig. 12.24). Esto tiene sentido, puesto que las fibras oxidativas tienen una mayor capacidad de utilizar oxígeno y dependen más del suministro rápido de oxígeno para el funcionamiento correcto. Un rico suministro de vasos capilares garantiza un suministro rápido de oxígeno al líquido intersticial que rodea las fibras, y el pequeño diámetro de las fibras minimiza la distancia a través de la cual se debe difundir el oxígeno para alcanzar la mitocondria. Otra diferencia entre los tipos de fibra reside en que las fibras oxidativas contienen una proteína transportadora de oxígeno conocida como mioglobina, mientras que las fibras glucolíticas carecen de ella. La mioglobina, al igual que la hemoglobina (la proteína que transporta oxígeno en los glóbulos rojos), es una molécula rojiza que se une al oxígeno de forma reversible. Su función consiste en servir de almacén de oxígeno, para almacenar una cantidad de oxígeno que se puede liberar siempre que la concentración de oxígeno dentro de las células disminuya (como puede ocurrir cuando un músculo se contrae con fuerza y comprime los vasos sanguíneos cercanos, interrumpiendo así el suministro de sangre). No obstante, dado que esta cantidad de oxígeno resulta limitada, puede suministrar cantidades adecuadas de oxígeno durante un breve período de tiempo antes de que se pueda reponer, lo que ocurre cuando el flujo sanguíneo se restablece y aumenta la concentración de oxígeno. Dado que la mioglobina confiere un color marrón rojizo a las fibras oxidativas, a menudo estas fibras se denominan músculo rojo. Por el contrario, las fibras glucolíticas, que carecen de mioglobina y de este color rojizo, se conocen como músculo blanco. Algunos ejemplos conocidos de músculos blancos y rojos son la carne «oscura» y «blanca» del pollo.
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TABLA 12.1 Propiedades de los tipos de fibra muscular esquelética Oxidativa lenta (roja)
Oxidativa rápida (roja)
Glucolítica rápida (blanca)
Capacidad oxidativa
Alta
Alta
Baja
Capacidad glucolítica
Baja
Intermedia
Alta
Velocidad de contracción
Lenta
Intermedia
Rápida
Actividad miosina ATPasa
Baja
Intermedia
Alta
Densidad mitocondrial
Alta
Alta
Baja
Densidad capilar
Alta
Alta
Baja
Contenido de mioglobina
Alto
Alto
Bajo
Resistencia a la fatiga
Alta
Intermedia
Baja
Diámetro de la fibra
Pequeño
Intermedio
Grande
Tamaño de la unidad motora
Pequeño
Intermedio
Grande
Capacidad de generación de fuerza
Baja
Intermedia
Alta
Las fibras glucolíticas producen ATP de una forma menos eficiente que las fibras oxidativas, porque se sintetizan menos moléculas de ATP por unidad de combustible consumido. Sin embargo, las fibras glucolíticas son más capaces de producir ATP cuando el oxígeno disponible es bajo debido a que la glucólisis no precisa oxígeno. Cuando las fibras glucolíticas están activas y producen ATP a un ritmo rápido, el ácido láctico se produce como un producto secundario, porque estas células tienen una baja capacidad oxidativa, además de su alta capacidad glucolítica. Una de las consecuencias de estas capacidades diferenciadoras reside en que el piruvato, el producto final de la glucólisis, se genera más rápido de lo que se consume, de forma que se acumula en estas células. Al acumularse, se convierte en ácido láctico, que es una de las causas de la fatiga muscular (se discutirá en breve). Por este motivo, las fibras glucolíticas se fatigan más rápido que las fibras oxidativas. Por el contrario, las fibras oxidativas producen ácido láctico mientras que reciben el suministro adecuado de oxígeno y, por tanto, resisten mejor a la fatiga. El ácido láctico normalmente no se acumula en estas células, porque su alta capacidad oxidativa le permite convertir piruvato en acetil-CoA tan rápido como se produce.
Fibras de oxidación lenta, glucolíticas rápidas y de oxidación rápida Hemos visto que las fibras de los músculos esqueléticos se pueden clasificar como fibras de contracción rápida o fibras de contracción lenta en función de su velocidad de contracción, y como fibras glucolíticas u oxidativas en función de sus capacidades metabólicas. No es de extrañar que sean posibles varias combinaciones de velocidades contráctiles y de capacidades oxidativas o glucolíticas. De hecho, se han identificado tres clases principales de fibras de los músculos esqueléticos: fibras de oxidación lenta, fibras glucolíticas rápidas y las relativamente raras fibras de oxidación rápida. Los músculos normalmente contienen los tres tipos de fibras, aunque en proporciones diferentes. Como indica su nombre, las fibras de oxidación lenta contienen miosina lenta y tienen una alta capacidad oxidativa, lo que produce la mayoría de su ATP mediante fosforilación oxidativa. Las fibras glucolíticas rápidas contienen miosina rápida y tienen una alta capacidad glucolítica, por lo que producen la mayoría del ATP mediante glucólisis. Las fibras de oxidación rápida tienen una alta capacidad oxidativa y contienen miosina rápida. (En
realidad, la actividad de la miosina ATPasa de estas fibras es intermedia entre la miosina más rápida y la más lenta.) Aunque no existe una conexión directa entre un tipo de fibra muscular y su capacidad de generar fuerza, existe una conexión indirecta, porque los tres tipos de fibras también difieren en el diámetro. Las fibras de oxidación lenta son las de diámetro más pequeño y solo son capaces de generar fuerzas pequeñas. Las fibras glucolíticas rápidas tienen el diámetro más grande y generan fuerzas más altas, mientras que las fibras de oxidación rápida son intermedias en términos de diámetro y capacidad de generación de fuerza. Las propiedades de los tres tipos de fibras se resumen en la tabla 12.1.
Respuesta al ejercicio de los tres tipos de fibras Aunque los distintos tipos de fibras se entremezclan en los músculos esqueléticos, los tres tipos no se utilizan cada vez que se contrae un músculo. Por un lado, los tipos de fibras se segregan en diferentes unidades motoras, de forma que una unidad motora dada normalmente contiene fibras de un solo tipo. Además, dado que existe una correlación entre el tamaño de una unidad motora y el tipo de fibra que contiene, los distintos tipos de fibras se reclutan en un orden específico (de conformidad con el principio del tamaño) a medida que aumenta la tensión muscular. Las fibras de oxidación lenta se reclutan primero, porque estas fibras están ubicadas en las unidades motoras más pequeñas. Las fibras de oxidación rápida se reclutan después, porque estas fibras se localizan en unidades motoras intermedias. Las fibras glucolíticas rápidas son las últimas en reclutarse, porque se localizan en las unidades motoras más grandes. Estas fibras no se reclutan normalmente a menos que un músculo esté generando una gran cantidad de fuerza, como ocurre en ejercicios de alta intensidad, como el levantamiento de pesas o realizar un sprint.
Resistencia a la fatiga No es algo raro que los ciclistas profesionales rueden todo el día, cubriendo cerca de 200 km en la carrera. En comparación, incluso los levantadores de pesas olímpicos no pueden levantar a su máxima capacidad un peso más que durante unos pocos segundos. Esta diferencia se debe al hecho de que los músculos difieren en su capacidad de resistir a la fatiga, una disminución de la capacidad de un músculo para mantener una fuerza constante de contracción frente a la estimulación repetitiva, a largo plazo.
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Tensión isométrica (g)
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Estímulo
Estímulo
Tensión isométrica (g)
(a)
Fatiga
Tensión isométrica (g)
(b)
Tétanos
Fatiga
Fatiga
Estímulo Período de descanso (c)
Tiempo (ms)
FIGURA 12.25 Fatiga muscular. En estos registros de tensión desarrollada por un músculo como respuesta a un estímulo repetitivo (flechas), la escala del tiempo está comprimida, de forma que las contracciones individuales aparecen como picos. (a) La estimulación a frecuencias relativamente bajas produce poca o ninguna fatiga. Fíjate en que el pico de tensión es constante en el tiempo. (b) La estimulación a altas frecuencias produce fatiga, lo que se hace evidente en la disminución de la tensión máxima hacia el final de la gráfica. (c) Un músculo estimulado a una frecuencia lo suficientemente alta como para alcanzar la tensión tetánica máxima se fatiga incluso más rápido. Tras un período de recuperación, la tensión vuelve a los niveles anteriores cuando se reinicia la estimulación, pero la fatiga aparece con mayor rapidez que antes.
Aunque finalmente la fatiga aparece tras cualquier tipo de actividad muscular, normalmente se produce más rápidamente cuando un músculo se estimula a frecuencias más altas y cuando se generan fuerzas más grandes (fig. 12.25). Aunque no se entienden las causas precisas de la fatiga muscular completamente, se conocen distintos tipos de ejercicio que inducen fatiga por motivos diversos. En el ejercicio de alta intensidad, las fibras de los músculos glucolíticos se reclutan y, como mencionamos anteriormente, tienen una tendencia a generar ácido láctico debido a su baja capacidad oxidativa. Como consecuencia, es común una rápida generación de ácido láctico en los músculos en el ejercicio de alta intensidad. Cuando las contracciones son fuertes y sostenidas, puede intervenir un factor adicional: las contracciones fuertes pueden comprimir los vasos que suministran sangre a los músculos, lo que interrumpe o reduce la irrigación de los músculos; la disminución resultante en el aporte de oxígeno hace que las células musculares produzcan cantidades mayores de ácido láctico, lo que puede modificar las actividades de las enzimas, reduciendo el pH intracelular, e interferir en diversos procesos metabólicos. Por el contrario, en el ejercicio
de baja intensidad, la acumulación de ácido láctico no resulta generalmente un problema, porque se reclutan pocas fibras glucolíticas; las fibras activas son principalmente fibras oxidativas, que tienen poca tendencia a producir ácido láctico. La causa de la fatiga en el ejercicio de baja intensidad, en el que tarda más en aparecer, se cree que está vinculada a la reducción de las reservas de energía, glucógeno en especial. La recuperación total de este tipo de fatiga tarda 24 h, mientras que la recuperación del tipo de fatiga más rápida solo lleva minutos o un par de horas. El ejercicio de muy alta intensidad puede inducir fatiga neuromuscular, que se produce cuando las unidades motoras se estimulan para que se contraigan a frecuencias más altas, como ocurre cuando se generan fuerzas más grandes. Cuando se estimulan las células para que se contraigan con fuerza durante largos períodos, los impulsos repetitivos de las motoneuronas pueden agotar la acetilcolina en las terminales sinápticas, lo que, finalmente, provoca el fallo de la transmisión neuromuscular. Además de estos mecanismos de fatiga, que afectan tanto a la capacidad de una célula muscular de generar fuerza como a la capacidad del sistema nervioso para desencadenar contracciones musculares, la fatiga tiene un componente psicológico que carece de cualquier explicación puramente fisiológica. Entre los atletas, es una creencia común que el rendimiento está influido por el estado mental, así como por la condición física. A menudo, los atletas que corren más rápido o durante más tiempo son los que tienen el mayor «deseo de ganar». Es probable que los competidores menos motivados sucumban al desánimo cuando la fatiga aparezca y los músculos comiencen a doler; por consiguiente, es posible que se esfuercen menos.
Respuesta al ejercicio de los músculos a largo plazo Los atletas se entrenan no solo para desarrollar las habilidades necesarias en su deporte determinado, sino también para cambiar la condición física de su cuerpo, de forma que esté más en forma para ejecutarlas. Estos cambios comprenden, entre otras cosas, cambios en la arquitectura celular de los músculos como resultado del ejercicio regular durante un período de tiempo. Como resultado de estos cambios, la capacidad de los músculos para generar fuerza y resistir a la fatiga se ve alterada. Como todo atleta sabe, los distintos tipos de ejercicio afectan a los músculos de formas distintas, lo que explica por qué resulta importante elegir un régimen de ejercicio que pueda lograr los resultados deseados. Por ejemplo, un aspirante a corredor de maratón, quien requiere gran resistencia para su deporte, debería entrenar usando ejercicios de larga duración y de baja intensidad (ejercicio «aeróbico»), como el jogging. Por el contrario, un aspirante a boxeador, que desea músculos más grandes y fuertes, haría bien en incluir ejercicios de corta duración y alta intensidad en este régimen. El ejercicio aeróbico aumenta la capacidad oxidativa de las fibras musculares, aumentando así la resistencia a la fatiga. Como resultado de este entrenamiento, algunas fibras glucolíticas rápidas se convierten de forma efectiva en fibras de oxidación rápida. (Sin embargo, dado que el ejercicio no altera el tipo de miosina presente en las fibras musculares, las fibras de contracción lenta siguen siendo lentas, y las de contracción rápida, rápidas). Entre los cambios se incluyen un aumento en el tamaño y el número de mitocondrias dentro de las fibras, y un aumento en el número de capilares que rodean las fibras. Además, el diámetro medio de las fibras disminuye, lo que facilita la entrada de oxígeno a las células, aunque también disminuye su capacidad para generar fuerza. Asimismo, el ejercicio aeróbico ayuda a
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Diabetes mellitus La diabetes mellitus de tipo 2 hace que una persona sea propensa a muchos problemas de salud graves, aunque el estilo de vida puede reducir los riesgos. Los factores del estilo de vida más importantes para controlar la diabetes son la nutrición y el ejercicio. Una nutrición apropiada y el ejercicio ayudan a regular el peso corporal y los niveles de glucosa en sangre. Aquí describiremos algunos de los beneficios del ejercicio. El ejercicio afecta directamente a los niveles de glucosa en sangre, pero el efecto varía en función de si el ejercicio es de leve a moderado (aeróbico) o intenso (anaeróbico). Normalmente, un aumento en los niveles de glucosa en sangre (que normalmente se produce después de una comida) desencadena la liberación de insulina por las células beta del páncreas. La insulina viaja en la sangre hasta las células de todo el organismo, lo que mejora la absorción de glucosa en la mayoría de estas células. El hígado y las células musculares se estimulan para absorber el exceso de glucosa, ya que estas células pueden convertir la glucosa en glucógeno para almacenarla, o, en el caso del hígado, la glucosa se puede convertir en grasa para almacenarla. Por tanto, mediante la estimulación de la absorción celular de la glucosa, la insulina provoca una reducción de la glucosa en sangre. Cuando nos ejercitamos,
la demanda de glucosa de las células del organismo aumenta, especialmente en las células musculares. Con niveles moderados de ejercicio, los músculos absorben glucosa a un ritmo más rápido, disminuyendo así los niveles de glucosa en sangre. Sin embargo, con niveles de ejercicio intenso, a menudo el organismo responde con la «respuesta de estrés», una serie de respuestas hormonales y neurológicas que provocan la movilización de almacenes de energía. Por consiguiente, el ejercicio intenso aumenta los niveles de glucosa en sangre. El ejercicio mejora de forma indirecta la salud de los diabéticos mediante la reducción de la grasa corporal. La obesidad es uno de los factores de predisposición a la diabetes mellitus de tipo 2; así, la reducción de la grasa corporal disminuye las posibilidades de desarrollar diabetes y la gravedad de la diabetes una vez que se ha producido. El ejercicio aeróbico aumenta el catabolismo de los triglicéridos, lo que promueve la pérdida de peso. Asimismo, el ejercicio construye músculo, y el tejido muscular quema más calorías que la grasa en condiciones de reposo. Por tanto, el ejercicio aumenta el metabolismo basal (ritmo del metabolismo de todo el organismo cuando una persona está despierta, tumbada y ha ayunado durante 12 h), lo que también favorece la pérdida de peso.
mejorar la salud en determinadas enfermedades, como la diabetes (v. «Comprender el ejercicio: Diabetes mellitus»). Por el contrario, el ejercicio de alta intensidad disminuye la capacidad oxidativa de las fibras musculares y aumenta su capacidad glucolítica, convirtiendo así una parte de las fibras de oxidación rápida en fibras glucolíticas rápidas. Entre los cambios se incluyen la disminución del tamaño y el número de mitocondrias, un aumento en la concentración de enzimas glucolíticas y un aumento del diámetro medio de las fibras. Sin embargo, la disminución de la capacidad oxidativa de estas fibras reduce su resistencia a la fatiga. A medida que las fibras crecen, se sintetizan nuevas miofibrillas, lo que permite que las fibras generen más fuerza; como consecuencia del aumento en el diámetro medio de las fibras, todos los músculos también adquieren más masa y volumen. Fíjate en que el crecimiento muscular no se debe a la adición de nuevas fibras, porque las fibras musculares son posmitóticas, es decir, no se pueden dividir para formar nuevas células. Aunque se pueden generar nuevas fibras a partir de precursores inmaduros
Asimismo, el ejercicio aeróbico puede favorecer un corazón y unos vasos más sanos. El músculo cardíaco, al igual que los músculos esqueléticos, puede entrenarse en función del uso, y el corazón se puede hacer más eficiente. Asimismo, el ejercicio reduce el colesterol «malo» (lipoproteínas de baja densidad, LDL), que favorece las enfermedades cardiovasculares, y aumenta el colesterol «bueno» (lipoproteínas de alta densidad, HDL), que protege contra las enfermedades cardiovasculares. Por tanto, el ejercicio puede contrarrestar algunos de los efectos nocivos de la diabetes sobre el aparato cardiovascular. Especialmente importante resulta que se puede mejorar el flujo sanguíneo al sistema nervioso, y esto puede proteger contra el desarrollo de varias formas de neuropatía diabética. Entonces, ¿qué tipo de ejercicio debería realizar una persona con diabetes? La mayoría de los médicos recomiendan el ejercicio de intensidad leve a moderada, como marcha rápida, jogging, montar en bicicleta, nadar, jugar al baloncesto u otras actividades que se pueden practicar durante 20-30 min con un incremento de la frecuencia cardíaca entre un 30 y un 60%. Resulta mejor ejercitarse durante períodos cortos varios días de la semana que realizar ejercicio una vez a la semana durante largo tiempo.
denominados células satélite, esto normalmente ocurre solo cuando las fibras mueren y se deben sustituir. Si un músculo no se utiliza, se atrofia. Asimismo, la atrofia aparece en algunas enfermedades (v. «Conexiones clínicas: Distrofia muscular»).
Test rápido 12.5 1. ¿Cuál es la principal diferencia entre las fibras de contracción lenta y las de contracción rápida? 2. ¿En qué se diferencian las fibras glucolíticas y las oxidativas en relación con el modo primario de producción de ATP? ¿Qué otras diferencias hay entre estos tipos de fibras? 3. ¿Cuáles son los tres tipos de fibras que se localizan en los músculos esqueléticos? 4. ¿En qué sentido afecta el ejercicio aeróbico a la resistencia a la fatiga de los músculos? ¿Cómo se ve afectada la resistencia a la fatiga por el ejercicio de alta intensidad? ¿Por qué?
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Fisiología muscular
CONEXIONES CLÍNICAS
Distrofia muscular La distrofia muscular (DM) es un grupo de más de 30 enfermedades hereditarias que causan un debilitamiento progresivo de los músculos. Las distintas formas se clasifican en función del modo de herencia, edad de la aparición, patrón de distribución de la debilidad muscular y ritmo de progresión. La mayoría de las formas solo atacan a los músculos esqueléticos, pero otras afectan a los músculos lisos o al cardíaco. En la actualidad, no existe cura y determinadas formas progresan hasta provocar una muerte prematura. La forma más común de DM en los niños es la DM de Duchenne, que afecta principalmente a los varones. La DM de Duchenne progresa rápidamente desde la aparición, que tiende a producirse entre los 2 y los 6 años de edad; la mayoría de los pacientes dependen de un respirador cuando llegan a los 20 años y mueren pocos años más tarde. La DM de Becker es una forma más leve. A menudo, la aparición se produce entre el final de la adolescencia y los 20 años. Tanto la DM de Duchenne como la de Becker están provocadas por una mutación genética del gen de la distrofina vinculado al cromosoma X, una proteína asociada estrechamente al sarcolema y al citoesqueleto de las células musculares esquelé-
ticas y cardíacas. Es posible que la distrofina intervenga en el mantenimiento de la integridad del tejido muscular durante la contracción. La mutación que provoca la DM de Becker es una deleción. Algunos nucleótidos del gen se han omitido, pero el marco de lectura está intacto, lo que da como resultado una molécula de distrofina modificada. La distrofina mantiene algo de actividad, por lo que la DM de Becker es relativamente leve. La mutación que provoca la DM de Duchenne es también una deleción, pero en este caso el marco de lectura se modifica, lo que afecta a una zona mayor del código de los aminoácidos. Con poca o ninguna actividad de la distrofina, la DM de Duchenne progresa rápidamente. Entre los primeros síntomas de las DM de Duchenne y Becker se incluyen las caídas, la dificultad para permanecer de pie y la debilidad en los músculos de los antebrazos y las piernas y de los músculos pélvicos. La debilidad muscular progresa con la edad y lleva a una incapacidad de caminar, dificultades respiratorias y complicaciones cardíacas. El tratamiento incluye fisioterapia para retrasar el avance de la contractura (retracción) del tejido muscular y, en fases más
Control de la actividad de los músculos esqueléticos En el capítulo 9 aprendimos acerca de las vías neurales que controlan la contracción de los músculos esqueléticos. Ahora veremos cómo la activación selectiva de los músculos permite un movimiento suave y coordinado.
Actividad de los músculos a través de las articulaciones Casi todos los músculos esqueléticos están conectados al menos a dos huesos por medio de tendones. Cuando un músculo se contrae, uno de estos huesos normalmente se mueve, mientras que el otro permanece relativamente quieto. El punto de unión de un músculo al hueso estacionario se denomina origen, mientras que su punto de unión al hueso móvil es la inserción (fig. 12.26). En función de la función y ubicación de un músculo, sus tendones pueden ser cortos o largos. Por ejemplo, el bíceps está conectado a los huesos del brazo por medio de ten-
avanzadas, terapia respiratoria. Entre los medicamentos empleados se encuentran los corticoesteroides, cuyas acciones antiinflamatorias pueden disminuir el avance de la DM.
Biopsia muscular de un paciente con distrofia muscular.
dones cortos, pero el gastrocnemio de la pantorrilla está conectado al hueso del talón por un tendón largo (tendón de Aquiles), una disposición que libera al tobillo de carga y peso. De igual manera, los tendones largos permiten que los músculos que controlan los dedos se encuentren en el antebrazo, lo cual es útil, porque una mano limitada por los músculos dificultaría la destreza de los dedos. Un músculo puede ejercer fuerza de forma activa solo mediante contracción, lo que, en el caso de los músculos esqueléticos, significa tirar de un hueso, no empujarlo. No obstante, está claro que, por ejemplo, se puede usar fuerza muscular para mover la articulación del codo en direcciones opuestas: podemos flexionar el antebrazo (es decir, reducir el ángulo de la articulación del codo) mediante la contracción del bíceps, y podemos extender el antebrazo (aumentar el ángulo de la articulación del codo) mediante la contracción del tríceps, localizado de forma opuesta al bíceps en el brazo (fig. 12.27). El bíceps y el tríceps son ejemplos de músculos antagonistas: cada músculo ejerce fuerza en una dirección que se opone a la acción del otro. (La mayoría de los músculos esqueléticos que atraviesan articulaciones están dispuestos en grupos antagonistas.) Para flexionar el antebrazo, el bíceps genera fuerza de forma activa, mientras
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Fisiología muscular
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Origen del gastrocnemio
Origen del bíceps
Gastrocnemio
Tendón (corto)
Tendón (largo)
Inserción del bíceps
Inserción del gastrocnemio
FIGURA 12.26 Unión del músculo con el hueso. El bíceps tiene tendones relativamente cortos tanto en el origen como en la inserción. El músculo gastrocnemio tiene un tendón corto en el origen y un tendón largo en la inserción.
Bíceps contraído
Tríceps relajado
Tríceps contraído
Bíceps relajado
Flexión
Extensión
FIGURA 12.27 Músculos antagonistas en el codo. El bíceps provoca la flexión del codo, mientras que el tríceps causa su extensión.
que el tríceps se relaja y estira de forma pasiva, es decir, en respuesta a las fuerzas ejercidas en él por la acción del bíceps. Para extender el antebrazo, el tríceps se contrae de forma activa y el bíceps se estira de forma pasiva. Por tanto, la mayoría de los movimientos a través de las articulaciones comprenden la activación simultánea de las motoneuronas de un grupo de fibras musculares y la inhibición de las motoneuronas de las fibras antagonistas. Sin embargo, en ocasiones, la contracción simultánea de grupos musculares antagonistas resulta útil. Por ejemplo, cuando nos «abrazamos a nosotros mismos» para recibir un paquete de cuyo peso no estamos seguros, el bíceps y el tríceps se estimulan para contraerse de forma simultánea para endure-
cer la articulación del codo. Por supuesto, la tensión necesaria para soportar el paquete dependerá de su peso, que no conoceremos hasta tener el paquete en nuestras manos. La siguiente sección trata acerca de la información sobre el control motor.
Receptores musculares para la actividad coordinada Dentro de los músculos esqueléticos se encuentran los receptores sensoriales y los aferentes asociados que detectan el movimiento del músculo y comunican esta información al sistema
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Fisiología muscular
nervioso central. Existen dos tipos de receptores principales: husos musculares, que detectan la longitud de los músculos, y órganos tendinosos de Golgi, que detectan la tensión muscular. Motoneurona alfa
Husos musculares
Aferente tipo Ia
Motoneurona gamma
Fibra intrafusal Fibra extrafusal Aferente tipo II
Terminación anuloespiral Terminación en ramo de flores
FIGURA 12.28 Huso muscular. Las terminaciones sensoriales del huso muscular están asociadas a las terminaciones aferentes de tipo Ia y II. Las fibras intrafusales de este músculo están inervadas por motoneuronas gamma, mientras que las fibras intrafusales que producen la contracción muscular están inervadas por motoneuronas alfa.
En el capítulo 9, aprendimos acerca del reflejo de estiramiento, durante el cual el estiramiento de un músculo provoca la contracción refleja del mismo grupo muscular. Los receptores de este reflejo son los husos musculares o receptores del estiramiento. Los husos musculares se componen de 2 a 12 fibras musculares modificadas, denominadas fibras intrafusales, enfundadas en tejido conjuntivo (fig. 12.28). Las fibras intrafusales se extienden en paralelo a las fibras musculares de la contracción, denominadas fibras extrafusales. Un huso muscular tiene una región de bolsa central que detecta cambios en la longitud muscular. Dos tipos de terminaciones sensoriales se localizan alrededor de la región central: 1) una terminación anuloespiral, envuelta alrededor de la zona de la bolsa central y conectada a las fibras aferentes del tipo Ia, y 2) terminaciones en ramo de flores situadas al lado de la bolsa central de determinados husos musculares y conectadas a las fibras aferentes de tipo II. En cada lado de la bolsa central se encuentran unos componentes contráctiles estriados que reciben la inervación de las motoneuronas gamma (las motoneuronas que inervan las fibras extrafusales son motoneuronas alfa). Como se describe a continuación, la contracción de las fibras intrafusales ajusta la sensibilidad del receptor. Cuando un músculo se estira, las fibras intrafusales se estiran. Esto activa los receptores, haciendo que la frecuencia de los potenciales de acción aumente en proporción al grado de estiramiento (fig. 12.29). De la misma forma, una disminución en la longitud del músculo, como ocurre durante la contracción muscular, disminuye la frecuencia de los potenciales de acción de las neuronas aferentes. En este caso, la contracción de las fibras musculares hace que los husos musculares queden laxos, lo que los convertiría en detectores ineficaces de otros cambios en la longitud del músculo (fig. 12.30a). Para mantener su efectividad, las motoneuronas gamma estimulan la contracción de las fibras intrafusales. Durante la contracción voluntaria de los músculos, las motoneuronas alfa y gamma se coactivan mediante la acción de las
Estirado Relajado Contraído Fibras intrafusales Fibras extrafusales Fibras sensoriales
FIGURA 12.29 Respuesta de un huso muscular aferente a los cambios en la longitud muscular. El estiramiento de un músculo incrementa la frecuencia de los potenciales de acción, mientras que la contracción de un músculo disminuye la frecuencia de los potenciales de acción.
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Fisiología muscular
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Músculos Activación de una única motoneurona alfa
Aferente tipo Ib Fibras extrafusales Fibras intrafusales Órgano tendinoso de Golgi Hueso (a) Sin actividad gamma
Colágeno Tendón
Activación de motoneuronas alfa y gamma
FIGURA 12.31 Órgano tendinoso de Golgi.
(b) Coactivación de motoneuronas gamma y alfa
FIGURA 12.30 Coactivación de las motoneuronas alfa y gamma. (a) Respuesta teórica de un huso muscular de las motoneuronas alfa a fibras extrafusales sin activación de la motoneurona gamma. (b) Cómo la coactivación de las motoneuronas alfa y gama inicializa el huso muscular para detectar más cambios en la longitud del músculo. motoneuronas superiores de la vía piramidal para provocar la contracción de las fibras musculares extrafusales e intrafusales casi de forma simultánea. Dado que los axones de las motoneuronas alfa tienen un diámetro más grande que las motoneuronas gamma, los potenciales de acción se dirigirán a las fibras extrafusales más rápidamente que a las fibras intrafusales. Las fibras extrafusales se contraerán, aflojando el huso muscular, que responderá con una disminución de la frecuencia de potenciales de acción de la neurona aferente. Sin embargo, en cuestión de milisegundos, las fibras intrafusales se contraen, eliminando la laxitud del huso muscular. De esta manera, el huso muscular queda de nuevo preparado para detectar otros cambios en la longitud muscular (fig. 12.30b).
Órganos tendinosos de Golgi Los órganos tendinosos de Golgi (OTG) son cápsulas de tejido conjuntivo entrelazado con fibras de colágeno de los tendones. Se localizan en serie con las fibras musculares y detectan la tensión muscular (fig. 12.31). La contracción muscular estira los tendones, lo que activa los OTG y aumenta la frecuencia de los potenciales de acción en las fibras aferentes Ib asociadas. Asimismo, el estiramiento pasivo de los tendones activa los OTG. La información desde los OTG al sistema nervioso central pro-
porciona la inhibición refleja de la motoneurona que controla el músculo que contiene el OTG. Este reflejo tendinoso protege al músculo del exceso de actividad.
Músculos liso y cardíaco Cuando oímos la palabra músculo, la mayoría pensamos de forma automática en músculo esquelético, que ha sido nuestro único enfoque hasta ahora en este capítulo. Sin embargo, otros dos tipos de músculo en el organismo (los músculos lisos y el músculo cardíaco) desempeñan sus funciones sin llamar mucho la atención. Ahora cambiaremos nuestro enfoque hacia estos músculos y las propiedades especiales que los diferencian de los músculos esqueléticos. Para compararlos fácilmente, en la figura 12.32 se muestran los tres tipos de músculos. Las características específicas de los músculos lisos y el músculo cardíaco que aparecen en este diagrama se tratarán en las dos secciones siguientes.
Músculos lisos Los músculos lisos, que obtienen su nombre por el hecho de que carecen de las estriaciones características de los músculos esqueléticos y cardíaco, y, por tanto, tienen un brillo uniforme a la luz del microscopio (fig. 12.32), son el tipo de músculo que se encuentra en los órganos internos, los vasos sanguíneos y otras estructuras que escapan al control voluntario. Las funciones desarrolladas por estos músculos son numerosas y variadas, y dependen del órgano en el que estén situados. Por ejemplo, en el aparato digestivo, las contracciones de los músculos lisos mezclan la comida ingerida con las secreciones digestivas y la impulsan desde una ubicación a la otra. En los vasos sanguíneos,
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Fisiología muscular Banda A
Motoneurona
Banda I
Núcleo
Uniones neuromusculares (a) Músculo esquelético
Varicosidades a lo largo de la neurona
Núcleo
Uniones comunicantes (b) Músculo liso
Núcleo
Discos intercalados
(c) Músculo cardíaco
FIGURA 12.32 Microfotografías (izquierda) y diagramas esquemáticos (derecha) de los tres tipos de músculos en el cuerpo. Las neuronas que controlan los músculos esqueléticos y las que controlan los músculos lisos pertenecen P a diferentes ramas del sistema nervioso eferente. ¿Cómo se denominan esas ramas?
los músculos lisos regulan el flujo sanguíneo a los órganos y tejidos, haciendo que los vasos se contraigan o dilaten. Al igual que los músculos esqueléticos, los músculos lisos tienen filamentos gruesos y finos y generan fuerza a través del ciclo de los puentes transversos. Sin embargo, los filamentos no se disponen en sarcómeros, lo que explica la falta de estrías. Aunque los filamentos gruesos y finos están dispuestos en paralelo entre sí, como en los músculos esqueléticos, tienden a extenderse de forma oblicua en varias direcciones, lo que significa que la contracción se produce a lo largo de
varios ejes (fig. 12.33). Los cuerpos densos, puntos de adhesión entre estos filamentos y el tejido conjuntivo dentro de las células, sirven para transmitir la fuerza contráctil al exterior de la célula.
Mecanismo de acoplamiento excitación-contracción Las contracciones de los músculos lisos están reguladas por el calcio intracelular, pero el retículo sarcoplásmico no resulta tan extenso como en los músculos esqueléticos. Además, gran parte
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Filamento fino Contracción
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Ca2+
Filamento grueso
Cuerpos densos
Fisiología muscular
Retículo endoplásmico Ca2+
Ca2+
Calmodulina
Ca-calmodulina
FIGURA 12.33 Disposición oblicua de los filamentos gruesos y finos en las células musculares lisas. Se muestran las posiciones relativas de los filamentos en una célula relajada (arriba) y una célula contraída (abajo).
del calcio que desencadena las contracciones viene de fuera de las células, porque, cuando la célula se despolariza, los canales de umbral de voltaje de calcio de la membrana plasmática se abren y permiten que el calcio fluya hacia el interior. (Asimismo, la despolarización desencadena la liberación de calcio desde el retículo sarcoplásmico.) El calcio citosólico activa el ciclo de los puentes transversos en los músculos lisos, pero lo hace de forma muy diferente a los músculos esqueléticos, porque las contracciones no están reguladas por el sistema troponina-tropomiosina. En cambio, las contracciones en los músculos lisos se desencadenan cuando el calcio se une de forma reversible a la calmodulina (fig. 12.34). Esta unión provoca un cambio en la conformación que permite al complejo calcio-calmodulina unirse y activar una enzima denominada cinasa de la cadena ligera de miosina (MLCK). La MLCK activada cataliza entonces la fosforilación de enlaces transversos de miosina, lo que los activa e inicia las actividades de los enlaces transversos. Después, el ciclo de los puentes transversos se produce principalmente como se muestra en la figura 12.7. Fíjate que en los músculos lisos, la señal de calcio que desencadena la actividad de los enlaces transversos va dirigida a los filamentos de miosina, mientras que, en los músculos esqueléticos, va dirigida a los filamentos de actina, porque aquí es donde se ubican la troponina y la tropomiosina. La finalización del ciclo de los puentes transversos en los músculos lisos precisa algo más que la mera eliminación del calcio del citosol, porque los grupos de fosfato adheridos a la miosina presentan una unión covalente y, por tanto, no se disocian fácilmente. Por este motivo, la finalización del ciclo de los puentes transversos en los músculos lisos requiere la acción de las enzimas fosfatasas, que inactivan la miosina mediante la eliminación de los grupos fosfato. Dado que estas fosfatasas (que están siempre activas) compiten con la MLCK, la activación de la miosina se produce solo cuando hay suficiente calcio presente para activar la MLCK a un grado suficiente para superar la acción de las fosfatasas. Dado que el mecanismo de acoplamiento excitación-contracción es totalmente diferente del de los músculos esqueléticos, lleva mucho más tiempo iniciar y terminar las contracciones de los músculos lisos. En realidad, esto no es un contratiempo, porque los músculos lisos no precisan la velocidad en cualquier caso; la actividad de la miosina ATPasa de los músculos lisos es entre 10 y 100 veces inferior que en los músculos esqueléticos, lo que significa que la contracción de los músculos lisos es un proceso inherentemente lento.
Cadena ligera de miosina desfosforilada
MLCK
Cadena ligera de miosina fosforilada
Actividad ATPasa sin miosina
Actividad miosina ATPasa
Sin actividad del puente transverso
Ciclo del puente transverso
Célula de músculo liso
Contracción
FIGURA 12.34 Acoplamiento excitación-contracción en el músculo liso.
Regulación neural de la contracción A diferencia de los músculos esqueléticos, que están regulados por motoneuronas, los músculos lisos están regulados por neuronas autónomas. Es posible que una célula de un músculo liso esté regulada por neuronas simpáticas, neuronas parasimpáticas o, frecuentemente, por ambas. Mientras que las motoneuronas siempre ejercen efectos excitatorios sobre las células de los músculos esqueléticos, el efecto de la actividad autónoma sobre las células de los músculos lisos puede resultar excitatorio o inhibidor, en función de si la neurona en cuestión es simpática o parasimpática; estos dos tipos de neurona casi siempre afectan a una determinada célula de un músculo liso de formas opuestas. Por ejemplo, el músculo liso intestinal se contrae como respuesta a la actividad parasimpática y se relaja como respuesta a la actividad simpática. Además, que una célula muscular se contraiga o relaje depende de dónde esté ubicada. Así, por ejemplo, la estimulación simpática induce la relajación de los músculos lisos del intestino, pero la contracción de los músculos lisos de la mayoría de los vasos sanguíneos. Estas respuestas opuestas se deben a las diferencias en el tipo de receptores de neurotransmisor localizados en las células musculares en lugar de las diferencias en el tipo de neurotransmisor liberado, ya que las neuronas simpáticas o parasimpáticas liberan los mismos neurotransmisores (noradrenalina y acetilcolina, respectivamente) en prácticamente todos los tejidos diana. Otra diferencia entre los músculos esqueléticos y lisos afecta a la especificidad de las conexiones neurales. En los músculos esqueléticos, las aferencias neurales llegan a cada célula de forma individual, porque las motoneuronas están conectadas a determinadas células mediante uniones neuromusculares. Por el contrario, las células de los músculos lisos no reciben conexiones sinápticas directas para las células específicas. En cambio, el neurotransmisor se libera desde las varicosidades (tumefacciones) situadas en intervalos a lo largo del axón y
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Fisiología muscular
difunde por una distancia relativamente larga hasta grandes grupos de células (v. fig. 12.32b). Por consiguiente, las células de los músculos vecinos tienden a contraerse o relajarse juntas. Esta actividad sincronizada también se promueve mediante la presencia en la mayoría de los tejidos de los músculos lisos de uniones comunicantes, que permiten a los iones (y otras pequeñas moléculas) moverse de una célula a otra, de forma que una señal eléctrica iniciada en una célula se extienda a las células vecinas. Asimismo, los músculos esqueléticos y lisos difieren en relación con la señal eléctrica generada como respuesta a una aferencia neural. Mientras que las células de los músculos esqueléticos siempre responden a la aferencia neural con un potencial de acción que desencadena una contracción reproducible, en las células de los músculos lisos se pueden provocar contracciones lentas como respuesta a los potenciales de acción, aunque esto no es necesariamente así. El potencial de la membrana de la mayoría de las células de los músculos lisos varía de modo gradual como respuesta a la entrada neural, despolarizadora si la entrada es excitatoria e hiperpolarizadora si es inhibidora, lo que provoca que la fuerza contráctil aumente o disminuya de modo gradual. Así, las contracciones de los músculos lisos no necesitan estar provocadas por los potenciales de acción. De hecho, algunas células musculares lisas carecen de potenciales de acción. Cuando los potenciales de acción se producen, normalmente no vienen seguidos de contracciones reales (es decir, contracciones individuales, una como respuesta a cada potencial de acción), sino de una mayor tensión. Algunos tipos de células de los músculos lisos son capaces de ejercer tensión activa incluso en ausencia de estimulación externa, porque los niveles de calcio en reposo son lo suficientemente altos para mantener un nivel bajo constante de la actividad de los enlaces transversos. Esta tensión en reposo se conoce como tono. (Los músculos esqueléticos también tienen algún grado de tono basal, pero, en su caso, se debe a un nivel bajo constante de estimulación neural.) Muchas células musculares lisas tienen la capacidad de contraerse como respuesta a las hormonas y otros agentes químicos independientes de las aferencias neurales. Además, algunas células musculares lisas ejercen una tensión activa como respuesta al estiramiento mecánico. Músculos lisos multiunitarios y unitarios El tejido muscular liso varía tanto en el grado en que las células de los músculos se conectan mediante uniones comunicantes, como en el patrón de inervación. En algunos lugares, la mayoría de las células de los músculos lisos no están conectadas mediante uniones comunicantes, sino que están separadas y reciben un rico suministro de las neuronas; los músculos lisos de este tipo se conocen como músculos lisos multiunitarios (fig. 12.35a). Los músculos lisos multiunitarios se encuentran en las grandes vías respiratorias y las grandes arterias, donde el número de células musculares lisas activas puede ser grande o pequeño en función de las circunstancias. En otras ubicaciones, las células de los músculos lisos están unidas de forma extensa mediante uniones comunicantes, de forma que las señales eléctricas que se originan en unas pocas células se transmiten al resto de las células; dichos músculos lisos se inervan mediante relativamente pocas neuronas y se conocen como músculos lisos unitarios (fig. 12.35b). Algunos ejemplos de órganos que contienen músculos lisos unitarios son el tubo digestivo y el útero, en los cuales grandes grupos de células se contraen de forma sincronizada.
Varicosidad de la neurona autónoma
(a) Músculo liso multiunitario Varicosidad de la neurona autónoma
Unión comunicante (b) Músculo liso unitario
FIGURA 12.35 Músculo liso multiunitario y unitario.
Actividad marcapasos En algunos casos, las células musculares lisas presentan despolarizaciones espontáneas que se producen de forma regular y que pueden ir acompañadas o no de potenciales de acción. Dos tipos de despolarizaciones espontáneas ocurren en algunos tipos de células musculares lisas: potenciales de marcapasos y potenciales de ondas lentas (fig. 12.36). Los potenciales de marcapasos son despolarizaciones lentas originadas por uno o más de los siguientes cambios de permeabilidad: aumento de la permeabilidad al sodio, aumento de la permeabilidad al calcio o disminución de la permeabilidad al potasio. Los potenciales de onda lenta son despolarizaciones y repolarizaciones cíclicas provocadas por fluctuaciones en la permeabilidad al sodio. Aunque la frecuencia o amplitud de las señales eléctricas de los marcapasos pueda estar influida por la actividad neural, las señales de los marcapasos se producen incluso en ausencia de cualquier influencia neural.
Músculo cardíaco El músculo cardíaco es similar al músculo esquelético, porque es estriado (v. fig. 12.32c), presenta la misma estructura en sarcómeros y tiene contracciones reguladas por el sistema troponinatropomiosina. Las células musculares cardíacas son similares a las células musculares lisas, ya que se encuentran ampliamente conectadas por uniones comunicantes, de tal forma que un potencial de acción, una vez iniciado, viaja a través de toda la red celular.
Comprueba tus conocimientos El músculo cardíaco es muy parecido al músculo esquelético de oxidación lenta. ¿Qué tipo de ejercicio beneficia más a la función cardíaca? ¿Aumentará mucho el tamaño del corazón? Los potenciales de acción cardíacos son amplios y tienen una duración de cientos de milisegundos, lo que les hace bas-
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–50
Tiempo (ms)
Potencial de membrana (mV)
Potencial de membrana (mV)
Período refractario
0
–80
(a) Potencial de marcapasos
Potencial de membrana (mV)
0
150 Tiempo (ms)
300
Tiempo (ms) (b) Potencial de ondas lentas
FIGURA 12.36 Despolarizaciones espontáneas. (a) Los potenciales de marcapasos se despolarizan lentamente hasta un umbral, lo que da como resultado un potencial de acción. (b) Los potenciales de onda lenta son fluctuaciones cíclicas en los potenciales de membrana.
tante diferentes de los potenciales de acción con puntas de 1 a 2 ms, que se producen en los músculos esqueléticos y la mayoría de las neuronas. La relativamente larga duración de los potenciales de acción cardíacos resulta importante: dado que duran casi todo el tiempo que tarda la célula muscular cardíaca en contraerse y relajarse (fig. 12.37), la suma de las contracciones del músculo cardíaco no puede producirse, incluso cuando la frecuencia de los potenciales de acción es alta y el corazón está latiendo rápidamente. Esto es bueno, porque la suma resultaría en un detrimento de la acción de bombeo del corazón, en el sentido de que el corazón no sería capaz de relajarse por completo ni de llenarse con sangre entre las contracciones. Determinadas células del músculo cardíaco concentradas en dos regiones conocidas como los nódulos sinoauricular y auriculoventricular tienen actividad de marcapasos. El latido está desencadenado por los potenciales de acción que se originan en las células marcapasos y no dependen de la entrada neural. Dado que las señales que provocan los latidos se originan dentro del propio músculo cardíaco, se dice que la actividad contráctil del corazón es miogénica, mientras que la actividad contráctil de los músculos esqueléticos es neurogénica. El sistema nervioso autónomo regula el músculo cardíaco mediante la modulación de la frecuencia y la fuerza de las contracciones del músculo cardíaco. En el capítulo 13 se discutirán más en detalle las propiedades del músculo cardíaco y su
Tensión (g)
Período refractario
0 Tiempo (ms)
FIGURA 12.37 Duraciones relativas de las contracciones y de los potenciales de acción en el músculo cardíaco. La escala de tiempo común para dos gráficos permite la comparación de un potencial de acción (arriba) con la tensión desarrollada como respuesta a él mismo (abajo) en una célula muscular cardíaca.
importancia respecto al funcionamiento del corazón. La tabla 12.2 compara las propiedades de los músculos esqueléticos, lisos y cardíaco.
Test rápido 12.6 1. ¿En qué se diferencia un músculo liso de uno esquelético en relación con la disposición de los filamentos gruesos y finos? ¿Y con respecto al mecanismo de acoplamiento excitación-contracción? 2. ¿Cuál es la diferencia entre los músculos lisos multiunitarios y los unitarios? 3. ¿Qué hace una célula marcapasos y en qué tipos de músculos se encuentran estas células? 4. ¿Qué evita la suma de las contracciones del músculo cardíaco y qué importancia tiene este fenómeno?
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Fisiología muscular
TABLA 12.2 Comparación de los músculos esqueléticos liso y cardíaco Propiedad
Esquelético
Liso (unitario)
Liso (multiunitario)
Cardíaco
Estriaciones (sarcómeros)
Sí
No
No
Sí
Actina y miosina
Sí
Sí
Sí
Sí
Nivel de control
Voluntario
Involuntario
Involuntario
Involuntario
Entrada neural
Somática
Autónoma
Autónoma
Autónoma
Unión neuroefector
Unión neuromuscularespecífica
Varicosidades-difusa
Varicosidades-difusa
Varicosidadesdifusas
Control hormonal
Ninguno
Varios, depende de la localización
Varios, depende de la localización
Adrenalina
Fuente de calcio
RS
RS y LEC
RS y LEC
RS y LEC
Proteína reguladora que se une al calcio
Troponina
Calmodulina
Calmodulina
Troponina
Uniones comunicantes
No
Sí
No (o pocas)
Sí
Actividad marcapasos
No
Sí
No
Sí
Actividad miosina ATPasa
La más rápida
La más lenta
La más lenta
Intermedia
Reclutamiento
Sí
No
Sí
No
LEC, líquido extracelular; RS, retículo sarcoplásmico.
Integración de sistemas La actividad de los músculos tiene muchos efectos diversos en los distintos sistemas corporales. Incluso los músculos esqueléticos desempeñan un importante papel en la homeostasis. Los músculos esqueléticos, entre los que se encuentran los músculos respiratorios, son responsables de los temblores durante la termorregulación, lo que contribuye de forma directa al mantenimiento de la homeostasis. Asimismo, los músculos esqueléticos permiten que las respuestas de comportamiento del organismo mantengan la homeostasis, como ponerse ropas cálidas cuando hace frío u obtener y consumir alimentos como respuesta al hambre. Además, este tipo de músculo forma los esfínteres
en el tubo digestivo y el aparato urinario para regular el flujo de deshechos del organismo. Por supuesto, el músculo cardíaco es fundamental en la homeostasis por el bombeo de sangre a varios órganos. Los músculos lisos tienen diversos papeles en la homeostasis, como se aprecia en numerosos órganos que tienen distintas funciones. Por ejemplo: los músculos lisos de los vasos sanguíneos regulan el flujo sanguíneo a los órganos y la presión arterial; los músculos lisos de las vías respiratorias regulan el flujo de entrada y salida de aire a los pulmones; los músculos lisos de las paredes del tubo digestivo mezclan los alimentos con las enzimas digestivas y los líquidos para realizar una ingestión y absorción adecuadas, y después mueven los alimentos a través del tubo digestivo desde la boca hasta el ano.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Estructura de los músculos esqueléticos, pág. 323 La mayoría de los músculos esqueléticos están conectados a los huesos mediante tendones y contienen numerosas células alargadas (fibras musculares) que generan fuerza contráctil utilizando energía de la hidrólisis de ATP. Dentro de las fibras musculares se encuentran las miofibrillas que contienen la maquinaria contráctil. El retículo sarcoplásmico rodea las miofibrillas, almacena iones de calcio y está asociado estrechamente a los túbulos transversales (T), que penetran en el interior de la célula desde el sarcolema. Los músculos esqueléticos y cardíaco son estriados, lo que refleja la disposición ordenada de los filamentos grueso y delgado de las miofibrillas,
que están compuestas de unidades fundamentales de generación de fuerza (sarcómeros) unidos de extremo a extremo. Los filamentos gruesos y finos contienen las proteínas contráctiles miosina y actina, respectivamente. Las cabezas (enlaces transversos) de las moléculas de miosina son responsables de generar el movimiento que provoca la contracción y poseen dos importantes sitios: un sitio de unión a actina y un sitio ATPasa. Dos proteínas reguladoras (troponina y tropomiosina) presentes en los filamentos finos sirven para iniciar y terminar las contracciones.
Muscular, Anatomy Review: Skeletal Muscle Tissue, págs. 4–11 Muscular, Sliding Filament Theory, págs. 3–15
Mecanismo de generación de fuerza en el músculo, pág. 327 Cuando un músculo se contrae, los filamentos gruesos y finos se deslizan uno sobre otro. Este deslizamiento es dirigido por el ciclo de los puentes transversos, en el cual el movimiento de los enlaces transversos se acopla a la unión y desunión cíclica a moléculas de actina de los filamentos finos adyacentes. En los músculos esqueléticos, cada fibra recibe entradas desde una motoneurona, que se ramifica e inerva más de una fibra. Un potencial de acción de una motoneurona desencadena la liberación de acetilcolina, que se une a los receptores en la placa terminal motora de la fibra muscular. El resultado es una señal eléctrica (potencial de placa terminal) que desencadena un potencial de
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acción en el sarcolema. A esto le sigue la propagación del potencial de acción por los túbulos T, la liberación de Ca2+ desde el retículo sarcoplásmico, la unión de Ca2+ a troponina, el movimiento de tropomiosina alejándose de los sitios de unión a miosina de la actina, y la iniciación del ciclo de los puentes transversos.
Mecanismo de contracción de los músculos esqueléticos, pág. 334 Una motoneurona y las fibras musculares que inerva constituyen una unidad motora. Cuando una motoneurona desencadena un potencial de acción, todas las fibras de la unidad motora se contraen a la vez. La respuesta mecánica de una unidad motora a un único potencial de acción es una contracción, que es reproducible en tamaño. Las contracciones pueden ser isométricas, en cuyo caso el músculo genera fuerza, pero no se acorta, o isotónicas, en cuyo caso el músculo se acorta. La fuerza generada por todo un músculo está determinada por la fuerza generada por las fibras individuales (que depende de la frecuencia de estimulación, el diámetro de la fibra y los cambios en la longitud de la fibra) y por el número de fibras activas. La estimulación a mayores frecuencias provoca la suma de contracciones, de tal forma que la fuerza finalmente alcanza una meseta (tétanos). El sistema nervioso central regula la fuerza muscular mediante la variación de la frecuencia de los potenciales de acción
de las motoneuronas y el número de unidades motoras activas (reclutamiento). A medida que aumenta la fuerza muscular, las unidades motoras se reclutan en orden de tamaño creciente, fenómeno conocido como principio del tamaño.
Muscular, Sliding Filament Theory, págs.17–19 Muscular, Contraction of Whole Muscle, págs. 1–16
Fisiología muscular
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las articulaciones. El movimiento de una articulación normalmente comprende la contracción de un grupo muscular y la relajación del antagonista. El control de la actividad muscular depende de la información de los husos musculares y los órganos tendinosos de Golgi al sistema nervioso central. Los husos musculares detectan la longitud celular y los órganos tendinosos de Golgi detectan la tensión.
Muscular, The Neuromuscular Junction, págs. 1–16
Tipos de fibras de los músculos esqueléticos, pág. 343 Los músculos esqueléticos contienen distintos tipos de fibras en varias proporciones. Las fibras de contracción rápida y de contracción lenta difieren en su velocidad de contracción, al estar relacionada con el tipo de miosina que contienen. Las fibras glucolíticas sintetizan la mayoría de su ATP mediante glucólisis y generan ácido láctico, lo que las hace fatigarse rápidamente. Las fibras oxidativas sintetizan ATP principalmente mediante fosforilación oxidativa y son más resistentes a la fatiga.
Muscular, Muscle Metabolism, págs. 3–23
Control de la actividad de los músculos esqueléticos, pág. 348
Músculos lisos y cardíaco, pág. 351 Los músculos lisos se localizan en los órganos internos y otras estructuras que no están bajo el control voluntario, y están regulados por neuronas autónomas. Las contracciones están desencadenadas por la unión de Ca2+ a calmodulina, que activa la miosina cinasa, lo que determina la fosforilación de enlaces transversos de miosina. En el músculo cardíaco, las contracciones están desencadenadas por potenciales de acción iniciados en las células marcapasos. Los potenciales de acción viajan de célula a célula a través de uniones comunicantes, de forma que toda la red de células se contrae como una unidad.
Muscular, Anatomy Review: Skeletal Muscle Tissue, pág. 3 Cardiovascular, Anatomy Review: The Heart, págs. 6–7
Los músculos esqueléticos normalmente se disponen en parejas antagonistas a través de
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. Cuando una célula muscular está relajada y los niveles de ATP intracelular son normales, ¿en cuál de los siguientes estados permanecerá un enlace transverso? a) unido a actina y en la forma de baja energía b) unido a actina y en la forma de alta de energía c) en la forma de alta energía, con ADP y Pi unidas a él d) en la forma de alta energía, con ATP unido a él e) en la forma de baja energía, con nada unido a él 2. Durante una contracción muscular, ¿cuál de los siguientes elementos no cambia de longitud? a) la distancia entre líneas Z b) la anchura de las bandas I c) la anchura de las bandas A d) ninguna respuesta es correcta 3. ¿Cuál de los siguientes supuestos tendería a reducir la concentración de ácido
láctico que se acumula en una célula muscular como resultado de la actividad contráctil? a) el aumento de la concentración de enzimas glucolíticas b) la disminución del suministro de oxígeno a la célula c) el aumento del diámetro de la célula d) el aumento del número de mitocondrias de la célula e) todas las respuestas son correctas 4. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es una generalización válida, considerando las propiedades de los músculos lisos? a) Los neurotransmisores pueden excitar o inhibir las contracciones de los músculos lisos, pero cualquier neurotransmisor dado siempre es excitatorio o inhibidor, independientemente de donde esté ubicado el músculo. b) Una célula de un músculo liso dada puede responder a más de un tipo de neurotransmisor.
c) Las células de los músculos lisos normalmente no responden a los neurotransmisores de ningún tipo. d) Las células de los músculos lisos pueden responder a la aferencia neural de los sistemas nerviosos somático o autónomo. e) ninguna respuesta es correcta 5. ¿Cuál de los supuestos presentados a continuación no determina toda la tensión del músculo? a) el número de fibras musculares que se contraen b) la tensión producida por cada fibra en contracción c) la proporción de cada unidad motora que se contrae en un momento dado d) el alcance de la fatiga e) la frecuencia de los potenciales de acción de las motoneuronas 6. En una contracción isotónica, a) la longitud del músculo se acorta. b) la tensión del músculo supera la fuerza de la carga.
C A P Í T U LO 1 2
Fisiología muscular
c) la carga se mueve. d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 7. ¿Cuál de los siguientes supuestos es verdadero para el acoplamiento excitacióncontracción de todos los tipos de músculos (esquelético, cardíaco y liso)? a) Un potencial de acción hace que los niveles de calcio del citosol aumenten. b) El calcio se une a la troponina. c) Los filamentos gruesos y finos se deslizan uno sobre otro. d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 8. Durante la contracción de una fibra de un músculo esquelético, a) los filamentos gruesos se contraen. b) los filamentos finos se contraen. c) la banda A se acorta. d) la banda I se acorta. e) todas las respuestas son correctas 9. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones relativas a las características de los distintos tipos de fibras musculares es falsa? a) Cuanto más alta es la actividad de la miosina ATPasa, más rápida es la velocidad de contracción. b) Los músculos que tienen una alta capacidad glucolítica y grandes almacenes de glucógeno son más resistentes a la fatiga. c) Los tipos oxidativos de fibras musculares contienen mioglobina. d) Las fibras oxidativas tienen un suministro de sangre más rico. e) Las fibras de diámetros más grandes pueden producir una mayor tensión. 10. ¿Cuál de los siguientes tipos de músculos contienen uniones comunicantes? a) esquelético b) liso c) cardíaco d) a y b son correctas e) b y c son correctas
Preguntas objetivas 1. En los músculos esqueléticos, cuando se libera calcio del retículo sarcoplásmico, este se une a (troponina/tropomiosina) para iniciar el ciclo de los puentes transversos. 2. Cuando una fibra muscular se contrae, las bandas I se acortan. (verdadero/falso) 3. Las fibras glucolíticas generan más fuerza que las fibras oxidativas, porque tienen un diámetro más grande. (verdadero/falso) 4. Las fibras (glucolíticas/oxidativas) contienen altas concentraciones de la proteína de unión a oxígeno mioglobina.
5. La membrana plasmática de una célula muscular también se conoce como ————. 6. Durante la contracción muscular, la hidrólisis de ATP se cataliza mediante (grupos de cabeza de miosina/monómeros de actina).
con cargas diferentes. Si la tensión máxima se traza como una función de carga, los resultados deberían ser parecidos a:
Tensión máxima
358
7. Durante una contracción muscular (isométrica/isotónica), un músculo desarrolla fuerza contráctil, pero no cambia de longitud. 8. La velocidad de contracción de una fibra muscular está directamente relacionada con su (diámetro/actividad de miosina ATPasa). 9. Una reducción del número de enlaces transversos activos es responsable de una disminución en la capacidad de generar fuerza de una fibra muscular que resulta significantemente más (larga/corta) que su longitud óptima. 10. Las fibras musculares (oxidativas/glucolíticas) son más resistentes a la fatiga.
a)
Carga
(aumenta indefinidamen b)
11. Según el principio del tamaño, la capacidad de generación de fuerza de una fibra muscular aumenta de forma directamente proporcional a su longitud. (verdadero/falso)
Preguntas abiertas
c)
1. Compara y contrasta los mecanismos de acoplamiento excitación-contracción en los músculos estriados y lisos. Asegúrate de incluir una descripción de los mecanismos responsables de la terminación de las contracciones musculares. 2. Compara y contrasta los músculos esqueléticos y los lisos en relación con la regulación de la actividad contráctil por parte del sistema nervioso. 3. Describe la relación entre la fuerza contráctil y la frecuencia de los potenciales de acción en los músculos esqueléticos y explica en qué sentido difiere la situación en los músculos cardíacos. 4. Explica el principio del tamaño, incluyendo cómo hace referencia a la cantidad de tensión desarrollada por un músculo esquelético. 5. Discute en qué difieren las fibras de los músculos oxidativos de las fibras glucolíticas, y explica cómo cada uno de estos factores se relaciona con la capacidad de una fibra para resistir a la fatiga. 6. Describe el papel de la creatina cinasa en el metabolismo de la célula muscular.
Pensamiento crítico 1. Un fisiólogo mide el máximo de tensión de contracción en una serie de contracciones musculares desarrolladas
d)
2. Después de la fase de contracción de una contracción muscular, la concentración del calcio citoplásmico disminuye y los iones de calcio se disocian de la troponina. Cuando la concentración de calcio vuelve a su nivel de reposo, la hidrólisis de ATP cesa porque a) la concentración de ATP disminuye hasta 0. b) los bajos niveles de calcio hacen que la energía de la hidrólisis de ATP sea positiva, lo que favorece la síntesis de ATP. c) los sitios de unión a ATP de las moléculas de miosina pierden la capacidad de catalizar la hidrólisis de ATP. d) el número de sitios disponibles (desocupados) de miosina ATPasa disminuye prácticamente hasta 0. 3. Dos fibras musculares (X e Y) generan la misma tensión de contracción isométrica máxima, pero la fibra X contiene mio-
C A P Í T U LO 1 2
a)
Velocidad de acortamiento
sina que hidroliza ATP a un ritmo alto, mientras que la fibra Y tiene miosina que hidroliza ATP más lentamente. ¿Con cuál de los siguientes conjuntos de curvas coinciden las propiedades de estas fibras?
X
Y
c) X
Y
Carga
Y
X
d) Y
X
b)
4. Supón que tenemos un vaso de precipitados que contiene una suspensión de moléculas de miosina purificadas y ATP en una solución salina. En función de tu conocimiento sobre los acontecimientos que se producen durante el ciclo de los puentes transversos,
Fisiología muscular
359
a) debería producirse la hidrólisis de ATP. b) se producirá la hidrólisis de ATP si se añade actina a la solución. c) se producirá la hidrólisis de ATP si se añade calcio a la solución. d) se producirá la hidrólisis de ATP si se añaden calcio y troponina a la solución. 5. Durante las actividades aeróbicas, el torrente sanguíneo hace llegar glucosa y ácidos grasos a las células de los músculos esqueléticos. Según lo que aprendió en el capítulo 3, explica las fuentes de glucosa y ácidos grasos para la contracción de los músculos y describe las rutas metabólicas mediante las cuales proporcionan energía. 6. La glucólisis en condiciones anaerobias proporciona aproximadamente un 5% de la energía que se podría producir en condiciones aerobias. Por tanto, cabría asumir que el ejercicio anaeróbico (como el levantamiento de pesas) sería una mejor forma de perder peso que el ejercicio aeróbico. Explica por qué esto no es cierto.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
13
Aparato cardiovascular: función cardíaca La imagen de esta página muestra una angiografía coronaria de un corazón sano. La angiografía mide el flujo sanguíneo de las arterias coronarias, que proporcionan sangre al corazón. El corazón late aproximadamente 70 veces por minuto cuando una persona está en reposo, por lo que es imprescindible un flujo sanguíneo adecuado para proporcionarle el oxígeno y los nutrientes necesarios. El electroencefalograma (ECG) es el registro de la actividad eléctrica del corazón, responsable de los latidos. Seguramente hayas visto un ECG en películas o en series de televisión sobre hospitales, y habrás observado cómo fluctúa de forma violenta cuando un paciente está teniendo una crisis o se queda plano cuando el corazón para de latir. En este capítulo se estudiarán el significado de las ondas de este registro y cómo la actividad eléctrica del corazón es responsable de la contracción rítmica del corazón que impulsa la sangre a través del cuerpo de forma eficiente. Se explicará por qué la circulación de la sangre es tan importante y por qué cualquier interrupción de este flujo sanguíneo puede afectar seriamente la vida de una persona. Si el flujo sanguíneo se parase de repente, una persona perdería la conciencia en unos segundos y tardaría minutos en morir. En cualquier caso, el corazón debe llevar a cabo sus funciones continuamente y casi sin esfuerzo durante cada minuto de cada día de la vida de una persona. Este capítulo se centra en las funciones internas del corazón, un músculo que late unos 3.000 millones de veces a lo largo de una vida normal.
CONTENIDOS Sinopsis del aparato cardiovascular Angiografía coronaria.
361
Trayecto del flujo sanguíneo a través del corazón y la vasculatura 363 Anatomía del corazón
366
Actividad eléctrica del corazón Ciclo cardíaco 378 Gasto cardíaco y su control 382
368
C A P Í T U LO 1 3
OBJETIVOS
Identificar los componentes principales del aparato cardiovascular y describir brevemente sus funciones.
Identificar las estructuras principales del corazón y describir el trayecto del flujo sanguíneo a través del corazón y la vasculatura.
Explicar los siguientes pasos del ciclo cardíaco: cambios en la presión ventricular, aórtica y atrial; cambios en el volumen ventricular, y sonidos del corazón.
Trazar el camino de potenciales de acción a través del aparato de conducción del corazón y relacionar su actividad eléctrica con su acción bombeadora.
Describir cómo las fases del electrocardiograma están relacionadas con los pasos del ciclo cardíaco.
Explicar la diferencias entre control extrínseco e intrínseco, y explicar cómo están relacionados estos términos con la regulación del corazón.
Explicar cómo cada una de las siguientes variables afecta al gasto cardíaco: actividad nerviosa parasimpática y simpática, adrenalina circulante, poscarga, precarga, volumen telediastólico, contractilidad ventricular y tiempo de llenado.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Potencial de membrana, pág. 97 2. Mecanismos de la contracción muscular, pág. 327 3. Uniones comunicantes, pág. 39 4. Músculos estriados, pág. 323 5. Acoplamiento contracción-excitación, pág. 329
E
n los capítulos 1 y 2, estudiamos las células y cómo estas sobreviven en el interior del cuerpo. Ese entorno debe mantenerse a través de los procesos homeostáticos que integran los aparatos orgánicos. En el capítulo 3, estudiamos cómo las células generan energía en forma de ATP a partir de las moléculas de los nutrientes y oxígeno, y cómo durante el proceso se generan productos de desecho y dióxido de carbono. Estos nutrientes, deshechos y gases deben ser intercambiados entre las células y el medio externo a través de los mecanismos de intercambio explicados en el capítulo 4. El aparato cardiovascular ayuda a mantener el medio interno escogiendo los nutrientes digeridos y el oxígeno inspirado, y transportándolos a las células a través del cuerpo. El proceso de transporte y eliminación de moléculas para satisfacer las demandas del cuerpo está asegurado por la regulación del aparato cardiovascular. La regulación se lleva a cabo por las glándulas paracrinas, el sistema nervioso y el sistema endocrino. En los capítulos 13 a 15 se explican todos los componentes del aparato cardiovascular. El capítulo 13 comienza con una introducción sobre la función del corazón , un órgano que está formado principalmente de músculo, cuya función es impulsar sangre a los órganos, proporcionar nutrientes y eliminar desechos en los pulmones, así como permitir el intercambio de gases. La mayor parte de lo que hemos aprendido en el capítulo 12
Aparato cardiovascular: función cardíaca
361
sobre la contracción muscular podrá ser aplicado en este capítulo. El músculo del corazón está bajo el control del sistema nervioso autónomo (descrito en el capítulo 11), y se explorarán los detalles sobre cómo las ramificaciones parasimpáticas y simpáticas del sistema nervioso autónomo controlan el corazón y la fuerza con la que se contrae.
Sinopsis del aparato cardiovascular La habilidad de las células para intercambiar sustancias con su medio inmediato es un requisito imprescindible para la vida. Cuando se intercambian sustancias con el líquido intersticial, cada célula depende de la difusión para conseguir las sustancias necesarias, como el oxígeno y los nutrientes, así como para transportar las sustancias innecesarias, como el dióxido de carbono y otros desechos. Dado que todas estas sustancias proceden o se dirigen hacia el medio externo, que se encuentra a una distancia considerable de la mayor parte de nuestras células, la difusión por sí sola no puede proporcionar a las células lo que necesitan tan pronto como lo necesitan: como mecanismo de transporte es demasiado lento. El propósito del aparato cardiovascular es proporcionar un medio de transporte mucho más eficiente, y este tema se tratará en este capítulo y los dos siguientes. El aparato cardiovascular está formado por tres componentes: 1) el corazón, un músculo impulsor que conduce el flujo sanguíneo a través de los vasos sanguíneos; 2) los vasos sanguíneos, por los que fluye la sangre, y 3) la sangre, un líquido que circula a través del cuerpo, transportando las sustancias desde las células y hasta ellas. A primera vista, la función del aparato cardiovascular es sencilla: el corazón impulsa la sangre a través de los vasos sanguíneos a los diferentes órganos, y la sangre transporta el oxígeno y los nutrientes a los tejidos y elimina el dióxido de carbono y otros desechos. Sin embargo, el corazón es algo más que un impulsor, ya que lleva a cabo funciones endocrinas y sensoriales que ayudan a regular las variables cardiovasculares, como el volumen sanguíneo y la presión arterial. Los vasos sanguíneos no solo sirven para conducir la sangre, sino que también son órganos efectores y sensoriales que regulan la presión arterial y la distribución de la sangre a las diferentes partes del cuerpo. La sangre no solo transporta nutrientes y desechos, sino que también transporta hormonas de una parte del cuerpo a otra, sirviendo, por tanto, de enlace de comunicación, actuando conjuntamente con el sistema nervioso. Como veremos más adelante, no es posible entender por completo cómo funciona la primera parte del aparato (p. ej., el corazón) sin entender cómo lo hace el resto. Además, la regulación del aparato cardiovascular conlleva interacciones con otros aparatos orgánicos, como el sistema nervioso, el sistema endocrino y los riñones. Antes de examinar las funciones del corazón, que es el principal objetivo de este capítulo, vamos a examinar los componentes principales del aparato cardiovascular y sus funciones.
Corazón El corazón es un órgano muscular cuya función es generar la fuerza que impulsa la sangre a través de todos los vasos sanguíneos. El corazón está formado por cuatro cámaras: dos cámaras
362
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
superiores, llamadas aurículas, que reciben la sangre que vuelve al corazón del resto de cuerpo, y dos cámaras inferiores, llamadas ventrículos, que reciben la sangre de las aurículas y generan la fuerza que la impulsa de nuevo del corazón a los vasos sanguíneos (fig. 13.1). El corazón se puede dividir desde una perspectiva funcional en dos mitades, las partes derecha e izquierda: la aurícula y el ventrículo de la parte izquierda del corazón constituyen el corazón izquierdo; y el ventrículo y la aurícula derechos constituyen el corazón derecho. La aurícula y el ventrículo de cada parte del corazón están separados por una pared llamada tabique, que evita que la sangre del corazón izquierdo se mezcle con la sangre del corazón derecho. La porción que separa las aurículas derecha e izquierda se llama tabique interauricular, y la porción que separa los ventrículos derecho e izquierdo es el tabique interventricular, por lo que, igual que partes derecha e izquierda, el corazón también tiene partes superior e inferior. El extremo superior más amplio del corazón se denomina base; la parte más pequeña inferior se denomina vértice. El corazón funciona de forma eficiente como dos bombas que suministran los nutrientes y oxígeno que los órganos necesitan.
Vasos sanguíneos Cuando la sangre se desplaza por el cuerpo, viaja siguiendo un circuito circular a través de un sistema de vasos sanguíneos que la transportan del corazón a los órganos y de vuelta al corazón. Este sistema de vasos sanguíneos se denomina generalmente vasculatura. A medida que la sangre se aleja del corazón, los vasos sanguíneos se ramifican repetidamente, llegando a ser más numerosos y pequeños de diámetro, como las ramas de un árbol se hacen más pequeñas y numerosas a medida que se separan del tronco. A medida que la sangre vuelve al corazón, los vasos sanguíneos convergen y se hacen menos numerosos y más grandes de diámetro. A medida que la sangre se aparta del corazón, se transporta a los órganos y tejidos del cuerpo en unos vasos sanguíneos relativamente grandes llamados arterias, que se ramifican repetidamente con órganos y tejidos. Las arterias más pequeñas se ramifican en vasos más pequeños, llamados arteriolas, que transportan la sangre a los vasos más pequeños, llamados capilares. Desde los capilares, la sangre se transporta a vasos más grandes, llamados vénulas, las cuales convergen en vasos aún
Vena cava superior (parte superior del cuerpo)
Aorta (a los órganos)
Arteria pulmonar derecha (al pulmón derecho)
Arteria pulmonar izquierda (al pulmón izquierdo)
Venas pulmonares derechas (procedentes del pulmón derecho)
Tronco pulmonar Venas pulmonares izquierdas (del pulmón izquierdo) Aurícula izquierda
Válvula pulmonar semilunar
Válvula aórtica semilunar Aurícula derecha Válvula AV izquierda (bicúspide) Cuerda tendinosa Válvula AV derecha (tricúspide) Ventrículo derecho
Tabique interventricular Músculo papilar
Ventrículo izquierdo Vértice del corazón
Vena cava Inferior (parte inferior del cuerpo)
FIGURA 13.1 Corte transversal del corazón donde se pueden advertir las aurículas, ventrículos, válvulas auriculoventriculares y conexiones a los vasos sanguíneos.
Aorta descendente (parte inferior del cuerpo)
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mayores vasos llamados venas, que transportan la sangre de vuelta al corazón. Como la sangre se desplaza del corazón a la vasculatura y de nuevo de vuelta al corazón, el aparato cardiovascular es un sistema cerrado. La estructura y función de los vasos sanguíneos se analizarán en mayor detalle en el capítulo 14.
Aparato cardiovascular: función cardíaca
363
En los lechos capilares pulmonares, el O2 entra a la sangre y el CO2 sale Arterias pulmonares
O2
CO2
Venas pulmonares
Sangre Aunque la sangre es un líquido, cerca de la mitad de su volumen está compuesta por células. Las células más numerosas son los eritrocitos, también conocidos como glóbulos rojos. Estas células contienen hemoglobina, una proteína que transporta el oxígeno. La presencia de la hemoglobina en estas células les proporciona el color rojizo. Las células restantes son leucocitos, o glóbulos blancos, que son de diferentes tipos y ayudan al organismo a defenderse frente a los microorganismos invasores. También aparecen las plaquetas, que no son células, sino fragmentos de células que desempeñan un papel importante en la coagulación sanguínea. La parte líquida de la sangre, llamada plasma, está constituida por proteínas, electrólitos y otros solutos diluidos en agua. La composición de la sangre se detalla en el capítulo 15.
Test rápido 13.1
Circuito pulmonar Aorta
Venas cavas
Aurícula derecha Ventrículo derecho
1. ¿Cómo se llaman las «cámaras receptoras» del corazón? ¿Y las «cámaras bombeadoras»? 2. ¿Cuáles son los cinco tipos de vasos sanguíneos en el aparato vascular? 3. ¿Cómo se llama la parte líquida de la sangre? ¿Qué dos tipos de células se encuentran en la sangre?
Trayecto del flujo sanguíneo a través del corazón y la vasculatura La sangre sigue un circuito circular a medida que se desplaza por el cuerpo. Aunque el enorme número de vasos sanguíneos hace la estructura del aparato cardiovascular compleja, la disposición del aparato es muy simple. En esta sección vamos a estudiar el trayecto del flujo sanguíneo a través del aparato cardiovascular.
Flujo en serie a través del aparato cardiovascular La pauta general que sigue el flujo sanguíneo a través del aparato cardiovascular se muestra en la figura 13.2. En el diagrama se puede ver que el aparato circulatorio está formado por dos secciones: el circuito pulmonar, que está formado por todos los vasos sanguíneos dentro de los pulmones, así como los que conectan los pulmones y el corazón, y el circuito sistémico, que está compuesto por el resto de vasos sanguíneos del organismo. Es importante remarcar que estas dos secciones reciben la sangre de las dos diferentes partes del corazón. El corazón derecho suministra la sangre al circuito pulmonar, mientras que el corazón izquierdo suministra la sangre al circuito sistémico. La sangre de una parte del corazón nunca se mezcla con la sangre de la otra parte. Por tanto, el corazón, en realidad, corresponde a dos bombas separadas en un mismo órgano.
Aurícula izquierda Ventrículo izquierdo Circuito sistémico
O2 Sangre oxigenada Sangre desoxigenada
CO2
En los lechos capilares sistémicos, el O2 deja la sangre y el CO2 entra Células de los tejidos de todo el organismo
FIGURA 13.2 Trayecto del flujo sanguíneo a través del aparato cardiovascular. Se muestran el circuito pulmonar y el sistémico juntos con los principales vasos sanguíneos conectados con el corazón. Las flechas indican la dirección del flujo sanguíneo.
Tanto el circuito pulmonar como el sistémico cuentan con una densa red de capilares, llamados lechos de capilares, donde se realiza el intercambio de nutrientes y gases (oxígeno y dióxido de carbono). En los capilares pulmonares, el oxígeno (O2) se desplaza a la sangre desde el aire en los pulmones, mientras que el dióxido de carbono (CO2) deja la sangre. Cuando abandona los capilares pulmonares, la sangre es relativamente rica en oxígeno y se denomina sangre oxigenada. Los lechos de capilares del circuito sistémico se sitúan en todos los órganos y tejidos, exceptuando los pulmones. En estos órganos y tejidos, las células consumen oxígeno y generan dióxido de carbono, por lo que, a medida que la sangre se desplaza por los capilares sistémicos, el oxígeno deja la sangre y el dióxido de carbono entra. La sangre que deja estos capilares es denominada sangre desoxigenada, ya que es relativamente pobre en oxígeno.
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
Cuando, la sangre oxigenada se convierte en desoxigenada, o al revés, su color cambia. La sangre oxigenada es de color rojo vivo, mientras que la sangre desoxigenada es roja oscura. A pesar de que ambas formas de sangre son rojas, frecuentemente se usan los términos sangre roja y sangre azul para denominar la sangre oxigenada y desoxigenada, respectivamente. La sangre desoxigenada se considera azul por el color azulado de las venas, que es perceptible a través de la piel. Las sangres oxigenada y desoxigenada se muestran en rojo y azul en la figura 13.2. A medida que la sangre fluye por el aparato cardiovascular, viaja a través de los circuitos pulmonar y sistémico de forma alternativa, volviendo siempre al corazón cada vez (v. fig. 13.2). Sigamos el trayecto de la sangre paso a paso, comenzando en el ventrículo izquierdo: 1. El ventrículo izquierdo impulsa la sangre oxigenada a la aorta, la arteria más importante, cuyas ramas transportan la sangre a los lechos capilares y a los tejidos del circuito sistémico. 2. La sangre se vuelve desoxigenada en los tejidos sistémicos y luego vuelve al corazón por las venas cavas, dos grandes venas que transportan toda la sangre a la aurícula derecha. La vena cava superior transporta la sangre de las partes del cuerpo situadas por encima del diafragma, mientras que la vena cava inferior transporta la sangre de las partes del cuerpo localizadas por debajo del diafragma. 3. De la aurícula derecha, la sangre pasa a través de la válvula tricúspide al ventrículo derecho. 4. El ventrículo derecho impulsa la sangre al tronco pulmonar, que casi de inmediato se ramifica en las arterias pulmonares, que transportan la sangre desoxigenada a los pulmones. Es importante observar que las arterias pulmonares son las únicas arterias del organismo que transportan sangre desoxigenada. Se llaman arterias porque sacan la sangre del corazón. 5. La sangre se oxigena en los pulmones y luego se desplaza a la aurícula izquierda por las venas pulmonares. Estas son las únicas venas del organismo que transportan sangre oxigenada y se llaman venas porque transportan la sangre oxigenada hacia el corazón. 6. Desde la aurícula izquierda, la sangre pasa a través de la válvula bicúspide al ventrículo izquierdo, donde empezó el ciclo, y todo vuelve a repetirse. El trayecto anterior describe cómo la sangre fluye a través de los circuitos pulmonar y sistémico alternativamente. Es decir, que para que la sangre pase por el aparato cardiovascular completo, debe atravesar dos circuitos antes de volver al punto de partida. Sin embargo, es importante observar que la sangre fluye a través de ambos circuitos simultáneamente, es decir, que el corazón derecho bombea sangre a los pulmones al mismo tiempo que el corazón izquierdo bombea sangre a los órganos. Si miramos el flujo sanguíneo en el circuito pulmonar o sistémico, podemos observar que siguen diferentes vías de flujos paralelos.
Flujos paralelos dentro del circuito pulmonar o sistémico La figura 13.3 muestra por qué el flujo del circuito sistémico se llama flujo paralelo (y por qué se dice que los órganos sistémicos están dispuestos en paralelo). En el circuito sistémico, la sangre no fluye de un órgano directamente al otro. Por el contrario, la sangre viaja a través de la aorta y las arterias que se ramifican
Pulmones
Corazón izquierdo
Corazón derecho
Cerebro
Corazón
Tubo digestivo
Hígado
Flujo en serie Riñones Flujo paralelo Músculo esquelético
Piel
Esqueleto, grasa y otros tejidos
Sangre oxigenada Sangre desoxigenada
FIGURA 13.3 Los patrones de flujo de la sangre en el aparato cardiovascular. El flujo sanguíneo de los órganos en el circuito sistémico se denomina flujo paralelo.
para llegar a un solo órgano cada vez antes de pasar a las venas que convergen en la vena cava superior o inferior. Además, la vía del flujo de sangre dentro de los órganos, incluyendo a los pulmones dentro del circuito pulmonar, están también en paralelo, ya que las arterias se ramifican en arteriolas, que se ramifican en capilares, y así sucesivamente. Si observamos la figura 13.3, podemos ver que el corazón está en paralelo con otros órganos en el circuito sistémico. Aunque el corazón impulse un gran volumen de sangre, la sangre dentro de las cámaras del corazón no suministra suficiente cantidad de oxígeno y nutrientes al corazón. Por el contrario, el corazón obtiene la mayor parte de su alimento a través de la sangre por las arterias coronarias, que se ramifican de la aorta cerca de su base y atraviesan el músculo cardíaco (fig. 13.4). La reducción del flujo de sangre a través de las arterias coronarias puede provocar un ataque al corazón (v. «Conexiones clínicas: Isquemia miocárdica»). El ataque al corazón a menudo provoca dolor en la parte izquierda del pecho, hombro y brazo (v. la sección sobre
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
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CONEXIONES CLÍNICAS
Isquemia miocárdica El corazón requiere grandes cantidades de oxígeno, incluso en estado de reposo, porque el músculo cardíaco tiene capacidad limitada de realizar la glucólisis anaerobia. De hecho, el flujo sanguíneo por masa de tejido a través de la circulación coronaria es mayor para el corazón que para la mayoría de los órganos. Un descenso del flujo sanguíneo cardíaco a niveles insuficientes para proporcionar el oxígeno requerido y eliminar los desechos se denomina isquemia miocárdica. Puede provocar un dolor en el pecho, llamado angina de pecho. En algunos casos, la isquemia es temporal o aguda, y se debe a espasmos musculares de las arterias coronarias o una actividad intensa del corazón. En casos más graves, la isquemia se prolonga (isquemia crónica), a menudo debido a una aterosclerosis, esto es,
Arteria coronaria derecha
un estrechamiento de las arterias debido a la acumulación de placas. La isquemia miocárdica crónica puede provocar un infarto de miocardio, también conocido como ataque al corazón. Un infarto está causado por un coágulo de sangre que ocluye el flujo por una arteria coronaria estenosada. Un infarto causa daños irreversibles al corazón, las células contráctiles mueren y se reemplazan por tejido cicatrizal. El cateterismo cardíaco se realiza a menudo para determinar si existe o no bloqueo en una arteria coronaria y, si así fuese, intentar eliminarlo utilizando la angioplastia. Durante el cateterismo, se inyecta contraste en las arterias coronarias y, mediante rayos X, se observa el flujo de dicho contraste a través de las arterias. Para eliminar el bloqueo, se inserta un pequeño globo desinflado en la arteria y, una vez dentro,
Arteria coronaria izquierda Arterias circunflejas
Arteria descendente anterior izquierda
FIGURA 13.4 Arterias coronarias.
se infla para expandir la arteria y empujar la placa contra las paredes de la arteria. A las personas con riesgo de tener un infarto a menudo se les receta una dieta baja en grasas y colesterol (para reducir el riesgo de aterosclerosis) y tomar un comprimido de ácido acetilsalicílico al día (para disminuir el riesgo de que se forme un coágulo en la sangre). A las personas que ya han sufrido un infarto se les recomienda nitroglicerina (un vasodilatador) para que la tomen en caso de sufrir otro ataque. Existen otros medicamentos que sirven para prevenir los infartos, como los digitálicos (disminuyen la frecuencia cardíaca para que el corazón necesite menos energía), los bloqueantes de los canales de calcio (disminuyen los espasmos vasculares coronarios) y los beta-bloqueantes (disminuyen la frecuencia y la contractibilidad cardíaca).
el dolor referida en el capítulo 10). Las personas con diabetes tienen más posibilidades de tener un ataque al corazón. Sin embargo, los diabéticos no sienten el dolor asociado al ataque al corazón por la neuropatía de los nervios que trasmiten señales del corazón al sistema nervioso central. Por ello, los diabéticos pueden sufrir una isquemia miocárdica silenciosa y no ser conscientes de estar sufriendo un ataque al corazón. La disposición paralela de los órganos en el circuito sistémico comporta dos ventajas diferenciadas. En primer lugar, cada órgano se nutre de arterias diferentes, por lo que cada una recibe sangre totalmente oxigenada, es decir, que no ha perdido cantidad de oxígeno como consecuencia de haber pasado ya a través de otro órgano. Por ejemplo, cuando un músculo se contrae y extrae oxígeno de la sangre, el mayor metabolismo muscular no priva a otros órganos de estar completamente oxigenados. Esto se debe a que la sangre que pasa por los músculos vuelve al corazón y se reoxigena en los pulmones antes de regresar al circuito sistémico. En segundo lugar, la sangre llega a los órganos a través de circuitos paralelos, por lo que el flujo sanguíneo a los diferentes órganos puede ser regulado de forma independiente. El flujo puede ajustarse para coincidir con las constantes necesidades metabólicas de los órganos. En cualquier momento, el flujo sanguíneo puede aumentar en órganos más activos y disminuir en órganos menos activos. A pesar de que el flujo sanguíneo en paralelo es la pauta del circuito sistémico, en algunas excepciones, la sangre se desplaza en serie entre dos lechos capilares (v. fig. 13.3). Ya hemos visto una de las excepciones en el capítulo 6, con el recorrido del flujo
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sanguíneo entre el hipotálamo y la adenohipófisis. Los lechos capilares del hipotálamo están comunicados en serie con los de la adenohipófisis, conectados por las venas portales. Una circulación portal es aquella por la que fluye la sangre de un lecho capilar a otro antes de volver al corazón. Existe otra circulación portal entre los intestinos y el hígado (v. capítulo 20). Los riñones tienen un aparato circulatorio especial, con dos capilares en serie, conectados por una arteriola y no por una vena portal. La función especial de la circulación renal se describe en el capítulo 18.
Test rápido 13.2 1. ¿Qué órganos reciben sangre a través del circuito pulmonar? ¿Y a través del circuito sistémico? 2. Compara la situación y función de los flujos sanguíneos paralelos y comunicados. 3. ¿Qué vasos sanguíneos transportan sangre oxigenada? ¿Y sangre desoxigenada?
Anatomía del corazón El corazón está situado en el centro de la cavidad torácica (en el pecho) justo encima del diafragma, una porción muscular que separa la cavidad torácica de la cavidad abdominal (fig. 13.5). El corazón tiene el tamaño aproximado de un puño, y pesa aproxi-
madamente 300-350 g en los hombres y 250-300 g en las mujeres. Está rodeado por un saco membranoso llamado pericardio, que contiene líquido pericárdico, que lubrica el corazón mientras late. La inflamación del pericardio, conocida como pericarditis, produce dolor debido a la fricción del corazón al latir. El corazón genera la fuerza que impulsa el flujo sanguíneo a través de los vasos sanguíneos. Para desempeñar su función, las paredes del corazón están formadas principalmente por músculo cardíaco. Para asegurar que la sangre fluya en la dirección correcta a través del corazón, existen cuatro válvulas que evitan el retroceso de la sangre. En la próxima sección, estudiaremos la anatomía de la pared del corazón y las válvulas en que está dividido.
Miocardio y pared cardíaca La pared cardíaca está formada por tres capas: una capa externa de tejido conjuntivo llamada epicardio, una capa media de músculo cardíaco llamada miocardio, y una capa interna de células epiteliales llamada endotelio. (La capa endotelial se extiende por todo el aparato cardiovascular.) La acción bombeadora del corazón se debe a la contracción y relajación rítmicas del miocardio. Cuando un músculo en la pared de una aurícula o ventrículo se contrae, la pared se mueve hacia dentro y expulsa la sangre de la cámara. Este movimiento aumenta la tensión dentro de la cámara y provoca que la sangre salga. Cuando el músculo se relaja, la cámara se expande y se llena de sangre.
Derecha
Izquierda
Vena cava superior (de la parte superior del cuerpo)
Aorta (a los órganos sistémicos)
Pulmón derecho
Tronco pulmonar (a los pulmones)
Pulmón izquierdo Corazón Pericardio
Costilla Diafragma
Cavidad abdominal
FIGURA 13.5 Situación del corazón en la cavidad torácica. La posición relativa del corazón, las costillas y el diafragma. También se muestran los pulmones y los vasos sanguíneos principales conectados al corazón.
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Pared del ventrículo izquierdo Pared del ventrículo derecho
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sión, ya que este impulsa la sangre a todos los órganos del cuerpo excepto los pulmones, mientras que el ventrículo derecho impulsa la sangre solo a los pulmones. La presión requerida para bombear la sangre a una velocidad determinada a través de todo el cuerpo es mayor que la requerida para impulsar la sangre a la misma velocidad a través de los pulmones. Lo que llamamos latido del corazón es realmente una onda de contracción que se transmite a través de las fibras musculares (células) de forma ordenada y coordinada. La aurícula se contrae primero, conduciendo la sangre a los ventrículos; entonces los ventrículos se contraen, conduciendo la sangre a los órganos. A pesar de que el corazón entero funciona como una unidad, el músculo de la aurícula (miocardio de la aurícula) y el músculo ventricular (miocardio del ventrículo) están físicamente separados por una capa de tejido conjuntivo fibroso llamado esqueleto fibroso del corazón.
Válvulas y flujo sanguíneo unidireccional
FIGURA 13.6 Grosor del músculo de los ventrículos derecho e izquierdo. El gran grosor del músculo del ventrículo izquierdo permite que se genere la fuerza necesaria para bombear la sangre a través del cuerpo.
En la figura 13.1 se puede observar que el músculo ventricular es notablemente más grueso que el músculo de la aurícula. Esto refleja el hecho de que los ventrículos bombean sangre a largas distancias relativamente a través de los vasos sanguíneos (y no solo a la próxima cámara, como hacen las aurículas), por lo que deben efectuar un mayor esfuerzo para bombear un determinado volumen de sangre. También se puede observar que el músculo ventricular es mucho más grueso en la parte izquierda que en la parte derecha (fig. 13.6). El músculo más grueso permite que el ventrículo izquierdo ejerza mayor presión que el ventrículo derecho. Es importante que el ventrículo izquierdo ejerza mayor pre-
Las cámaras del corazón se contraen en una serie de pasos llamados ciclo cardíaco, en los que primero se contraen las aurículas y luego los ventrículos. Este ciclo provoca fluctuaciones en la presión en las cámaras y, sobre todo, cambios en la dirección de los gradientes de presión para que la sangre pueda fluir. Es importante que el flujo sanguíneo tenga un sentido único. Por ello, cuando los gradientes de presión favorecen el movimiento en sentido contrario, el flujo debe interrumpirse. El corazón tiene cuatro válvulas que mantienen el flujo sanguíneo en el sentido correcto dentro del corazón, y entre el corazón y las arterias conectadas directamente con él (la aorta y el tronco pulmonar) (v. fig. 13.1). La aurícula y el ventrículo de cada lado están separados por las válvulas auriculoventriculares (válvulas AV), que permiten que la sangre fluya de la aurícula al ventrículo, pero no en sentido contrario. Las válvulas AV se abren y cierran en respuesta a los cambios cíclicos de presión que se suceden con cada latido (fig. 13.7). Cuando la presión de la aurícula es mayor que la presión del ventrículo, las válvulas se abren; cuando la presión ventricular es mayor que la presión auricular, las válvulas se cierran. La válvula AV izquierda está
Aurícula derecha Dirección del flujo sanguíneo Cúspide de la válvula auriculoventricular Cuerdas tendinosas
Músculo papilar (contraído)
Ventrículo derecho Músculo papilar (relajado)
La válvula auriculoventricular se abre (ventrículo relajado)
Válvula auriculoventricular cerrada (ventrículo contraído)
(a) Cuando los ventrículos están relajados, la sangre entra en la aurícula, provocando que la válvula auriculoventricular se abra hacia los ventrículos.
(b) Cuando los ventrículos se contraen, la sangre presiona contra las cúspides auriculoventriculares, forzando el cierre valvular. La contracción de los músculos papilares tensa las cuerdas tendinosas, evitando que las cúspides valvulares sean empujadas hacia las aurículas.
FIGURA 13.7 Acción de las válvulas auriculoventriculares.
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Aorta
Dirección de la sangre Cúspide de la válvula aórtica Ventrículo izquierdo Válvula semilunar aórtica abierta (ventrículo contraído)
Válvula aórtica semilunar cerrada (ventrículo relajado)
(a) Cuando los ventrículos se contraen, la sangre es empujada contra las cúspides de la válvula semilunar, forzando que las válvulas se abran y permitiendo que la sangre fluya por la aorta y las arterias pulmonares.
(b) Cuando los ventrículos se relajan, la sangre de la aorta y de la arteria pulmonar presiona las cúspides de la válvula, forzándolas a cerrarse.
FIGURA 13.8 Acción de las válvulas semilunares.
formada por dos partes o cúspides de tejido conjuntivo y se llama, por tanto, válvula bicúspide, o más comúnmente válvula mitral, ya que se parece al gorro de un obispo (llamado mitra). La válvula AV derecha tiene tres cúspides y se llama válvula tricúspide. Cuando un ventrículo se contrae, la presión ventricular aumentada ejerce una fuerza ascendente contra la válvula AV. Debido a esta fuerza, hay un peligro potencial de que una o más cúspides valvulares sean empujadas hacia la aurícula, lo que ocasiona un cuadro denominado prolapso. Si esto ocurre, los bordes de las cúspides ya no encajarían adecuadamente cuando la válvula se cierra, y esta sería incapaz de cerrarse completamente. Normalmente, el prolapso de las válvulas AV se evita, ya que las cúspides se mantienen en su lugar gracias a las fibras de tejido conjuntivo (conocidas como cuerdas tendinosas) que se extienden desde los bordes de las cúspides hasta los músculos papilares, que sobresalen de la pared ventricular. Durante la contracción ventricular, los músculos papilares también se contraen, lo que ejerce tensión sobre las cuerdas tendinosas. Las cuerdas tendinosas empujan hacia abajo las cúspides valvulares, permitiendo, por tanto, que las válvulas AV se cierren adecuadamente mientras resisten la fuerza ascendente de la presión ventricular. Las cúspides de estas válvulas (así como las de las válvulas semilunares, que se explicarán a continuación) se anclan en la base sobre unos anillos de tejido conjuntivo formados por un esqueleto fibroso. Además de las válvulas AV, también hay otras válvulas situadas entre los ventrículos y las arterias, llamadas válvulas semilunares. La válvula aórtica está situada entre el ventrículo izquierdo y la aorta, y la válvula pulmonar está situada entre el ventrículo derecho y el tronco pulmonar. La función de estás válvulas es similar a la de las válvulas AV (permitir que la sangre avance y evitar que retroceda) (fig. 13.8). Las válvulas aórticas y pulmonares se abren cuando la presión ventricular es mayor que la presión arterial (cuando se contraen los ventrículos). Esto permite que la sangre pase de los ventrículos a las arterias. Cuando el ventrículo se relaja y la presión ventricular es menor que la presión arterial, las válvulas se cierran, por lo que se evita que la sangre retroceda a los ventrículos desde las arterias.
Test rápido 13.3 1. ¿Cuáles son las tres capas de la pared del corazón? ¿Qué capas se extienden a través de todo el aparato cardiovascular? 2. ¿Qué cámara del corazón tiene las paredes más gruesas? ¿Por qué? 3. ¿Dónde están situadas las válvulas AV? ¿Cuál es su función? ¿Dónde están situadas las válvulas semilunares y qué función tienen? 4. ¿Qué es el prolapso de la válvula mitral?
Actividad eléctrica del corazón Para que el corazón impulse adecuadamente la sangre por todo el aparato circulatorio, el músculo cardíaco debe contraerse de una manera altamente sincronizada: primero, la contracción de las aurículas, seguida de la contracción de los ventrículos. Las contracciones cardíacas se coordinan mediante un sistema de conducción complejo, que determina la secuencia de la excitación de las células musculares cardíacas.
Sistema de conducción del corazón En el capítulo 12 se explicó cómo, a diferencia del músculo esquelético, el corazón no requiere señales del sistema nervioso central para realizar las contracciones. Por el contrario, las contracciones del corazón están desencadenadas por señales originadas en el propio músculo cardíaco. Por esta razón, la actividad contráctil del músculo cardíaco se denomina miogénica. (La actividad contráctil del músculo esquelético se denomina neurogénica, ya que la señal inicial se origina en las neuronas.) La capacidad del corazón para generar señales que desencadenan sus contracciones periódicamente, es decir, que generan su propio ritmo, se llama autorritmicidad. La autorritmicidad del corazón se debe a la acción de un pequeño porcentaje de células musculares, llamadas células autorrítmicas, que generan una fuerza contráctil débil o nula, pero son esenciales para la acción bombeadora del corazón, ya que coordinan y proporcionan el ritmo de los latidos. Existen dos tipos de células autorrítmicas: las células marcapasos, que inician los potenciales de acción y
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capasos de un lugar a otro a través del miocardio, y, por tanto, desencadenar las contracciones del corazón. A pesar de que todas las fibras cardíacas son capaces de transmitir los potenciales de acción, las fibras conductoras se diferencian en que son mayores en diámetro y pueden, por tanto, conducir los potenciales de acción más rápidamente que las fibras «normales» (v. págs. 188-189). Los potenciales de acción pueden viajar a una velocidad de 4 m/s en algunas partes del sistema de conducción, al contrario que la mayoría de fibras cardíacas, que alcanzan una velocidad de 0,3 a 0,5 m/s.
establecen el ritmo de los latidos, y las fibras de conducción, que transmiten los potenciales de acción por el corazón de una manera altamente coordinada. En conjunto, estas células conforman el sistema de conducción del corazón. Las células que generan la fuerza contráctil se llaman células contráctiles.
Células marcapasos del miocardio Las contracciones del corazón se inician mediante las células marcapasos, que de forma espontánea generan potenciales de acción (v. págs. 354-355). Como su propio nombre sugiere, las células marcapasos determinan la velocidad o el ritmo del latido, dado que generan potenciales de acción de forma regular. A pesar de que las células marcapasos están en casi todas las partes del corazón, se encuentran en mayor concentración en dos regiones específicas del miocardio: el nódulo sinoauricular (nódulo SA), situado en la pared de la aurícula superior derecha, donde se une con la vena cava superior, y el nódulo auriculoventricular (nódulo AV), que está situado cerca de la válvula tricúspide, en el tabique interventricular. El ritmo con el que las células del nódulo SA y del nódulo AV generan potenciales de acción de forma espontánea es diferente. Las células del nódulo SA tienen un ritmo inherente más rápido, y ambos nódulos están conectados por fibras conductoras (descritas a continuación), por lo que el nódulo SA dirige la despolarización de las células en el nódulo AV y de todo el corazón, estableciendo, por tanto, el ritmo cardíaco.
Propagación de la excitación entre células Una vez que un potencial de acción se genera en las células marcapasos, los potenciales de acción se mueven rápidamente a través de las fibras conductoras para coordinar la propagación de la excitación. El sistema de conducción provoca una onda de excitación que se extiende, en primer lugar, por las aurículas, provocando que se despolaricen y contraigan como una unidad. A continuación, la onda de excitación se expande por los ventrículos, causando una contracción también como unidad. La rápida transmisión de los potenciales de acción de las células marcapasos por las fibras conductoras a las células contráctiles es posible gracias a que las células cardíacas están conectadas a sus vecinas por uniones comunicantes, que permiten que la corriente eléctrica pase en forma de iones de una célula a otra. En el corazón, las uniones comunicantes están concentradas en unas estructuras llamadas discos intercalados, que forman las uniones entre fibras musculares adyacentes (fig. 13.9). Los discos intercalados también contienen un gran número de desmosomas, que son áreas en las cuales las fibras proteicas unen las
Fibras conductoras del miocardio Las fibras conductoras están especializadas en conducir rápidamente los potenciales de acción generados por las células mar-
Desmosoma Disco intercalado Células musculares Sarcómero
Membrana plasmática Nódulo SA
Disco intercalado Corriente eléctrica
Canales de la unión comunicante Corriente eléctrica Membrana plasmática
(a)
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(b)
FIGURA 13.9 Conexiones eléctricas entre las células cardíacas. (a) Un potencial de acción se genera espontáneamente en células del nódulo SA y se expande a las células musculares adyacentes a través de la corriente eléctrica que pasa a través de las uniones comunicantes en los discos intercalados. (b) Vista esquemática de las uniones entre dos células musculares adyacentes, que muestra una unión comunicante y una desmosoma.
P Aparte del corazón, ¿qué otro tipo de músculo contiene uniones comunicantes?
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células adyacentes, formando un enlace físico entre ellas que resiste el estrés mecánico. Esto es importante, porque permite que el miocardio resista el estiramiento que se produce cada vez que el corazón se llena de sangre, y también porque permite que el miocardio aguante la tensión generada cada vez que las células musculares se contraen.
Iniciación y conducción de un impulso durante un latido La secuencia de señales eléctricas que normalmente desencadenan el latido sucede como se explica a continuación (fig. 13.10):
Aorta
Vía interauricular 1 Nódulo sinoauricular (SA) (marcapasos) Vía internodular
Vena cava superior Aurícula izquierda
2 Nódulo auriculoventricular (AV)
3 Haz auriculoventricular ➀ Un potencial de acción se inicia en Aurícula (AV) (haz de His) el nódulo SA. Desde ahí, el impulso derecha se desplaza al nódulo AV a través de 4 Ramas derecha Ventrículo las vías internodulares (sistemas de e izquierda del haz izquierdo fibras de conducción que se desplieVentrículo gan por la pared de las aurículas). 5 Fibras de Purkinje derecho A medida que estas señales avanzan por las vías internodulares, también se extienden a través del músculo de la aurícula por las vías interauriculares. FIGURA 13.10 Sistema de conducción del corazón. El trayecto de la conducción del impulso a través ➁ El impulso se conduce a las células del corazón está indicado en esta sección longitudinal. del nódulo AV, que transmite los potenciales de acción de forma menos rápida que otras células del sistema de conducción. Como resultado, el impulso se retrasa camino hacia los ventrículos. Cuando esto ocurre, las células del momentáneamente durante 0,1 s aproximadamente (lo que se nódulo AV entran en un período refractario, durante el cual no denomina retraso en el nódulo AV) antes de seguir avanpueden originar sus propios potenciales de acción. El segundo zando. motivo es que el nódulo SA tiene una mayor «frecuencia de lati➂ Desde el nódulo AV, el impulso avanza a través del haz auricudo» que el nódulo AV. Esto significa que, si medimos la frecuenloventricular, también llamado haz de His, un compacto haz cia de potenciales de acción en células aisladas de ambos nódude fibras musculares situadas en el tabique interventricular. El los en condiciones normales de reposo, se podría advertir que nódulo AV y el haz de His son las únicas conexiones eléctricas las células del nódulo SA disparan con más frecuencia que las entre las aurículas y los ventrículos, que están separados entre células del nódulo AV (alrededor de 70 impulsos por minuto en sí por el esqueleto fibroso. el nódulo SA, en contraposición a los 50 impulsos por minuto ➃ La señal circula una distancia corta a través del haz auriculoaproximadamente del nódulo AV). Por tanto, el nódulo AV tiene ventricular antes de separarse en las ramas del haz derecha e pocas ocasiones de producir un potencial de acción a causa de izquierda, que conducen los impulsos a ambos ventrículos, que el nódulo SA siempre «se adelanta». respectivamente. Sin embargo, si el nódulo SA falla o si la producción de ➄ Desde las ramas del haz, el impulso se desplaza a través de una potenciales de acción se reduce drásticamente, es decir, «se red extensa de ramificaciones, denominada fibras de Purkinpierde un latido», el nódulo AV iniciará el potencial de acción, je, que se expanden a través del miocardio ventricular desde que se desplazará por el sistema de conducción y desencadenael vértice de forma ascendente hacia las válvulas. Desde estas rá las contracciones ventriculares normalmente. El nódulo AV fibras, los impulsos viajan por el resto de las células miocártambién puede tomar el control de los latidos en caso de que la dicas. conducción entre los nódulos esté bloqueada o se retrase por alguna razón. En estas circunstancias, el nódulo AV funciona como aparato de emergencia, que permite que los ventrículos Control de los latidos por las células marcapasos sigan latiendo. Si, por algún motivo, el nódulo AV es incapaz de producir la contracción ventricular, el corazón cuenta aún con A pesar de que el nódulo SA y el nódulo AV son capaces, ambos, otro mecanismo de emergencia: algunas células del las fibras de de generar potenciales de acción espontáneamente, el latido se Purkinje (también conocidas como marcapasos idioventriculadesencadena casi siempre por los impulsos originados desde el res) pueden tomar el control. Sin embargo, la frecuencia de disnódulo SA. El nódulo AV rara vez inicia las contracciones, por paro de estas células solo alcanza los 30-40 impulsos por dos motivos. El primero es que los potenciales de acción que se minuto. originan en el nódulo SA viajan a través del nódulo AV en su
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Comprueba tus conocimientos A veces las contracciones se inician fuera de la vía de conducción normal, en un lugar llamado foco ectópico. Si este lugar se sitúa en la aurícula, puede provocar una extrasístole auricular (ESA); la corriente se propagará a través de las uniones comunicantes, seguida por la contracción ventricular. Si el foco ectópico se sitúa en el ventrículo, puede causar una extrasístole ventricular (ESV), sin que haya habido una contracción previa de la aurícula. Después de este latido extra llamado extrasístole, falta un latido, dejando una pausa entre las contracciones ventriculares. ¿Por qué el corazón se salta su latido regular después de una extrasístole?
Propagación de la excitación a través del corazón A medida que los impulsos se propagan por el corazón, se desplazan de forma continuada como si de una onda se tratase («una onda de excitación»). A medida que esta onda de excita-
Nódulo SA
Aparato cardiovascular: función cardíaca
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ción se propaga, así lo hace la contracción del músculo. Esta conducta de excitación se explica en la figura 13.11. La onda de excitación comienza en el nódulo SA y se propaga al exterior a través de la aurícula. Entonces, la onda se concentra en el haz auriculoventricular tras atravesar el nódulo AV, que actúa como una especie de cuello de botella debido a la lentitud relativa de la conducción del impulso en esta región. Este retraso es esencial para una función cardíaca eficiente: permite que la onda de excitación se extienda completamente por la aurícula antes de que alcance los ventrículos, asegurando que la contracción de la aurícula se complete antes de que empiece la contracción ventricular. Como la función de la contracción auricular es dirigir la sangre a los ventrículos, la contracción ventricular se opondría a la acción de bombeo de la aurícula si no se produjera el mencionado retraso. Una vez que los impulsos alcanzan las ramas del haz y las fibras de Purkinje, se transportan relativamente rápido a la parte inferior de los ventrículos. Desde ahí, la onda de excitación se expande a través de todo el músculo ventricular. Por tanto, la contracción ventricular comienza en el vértice y se expande
Un potencial de acción (amarillo) se inicia en el nódulo SA
Nódulo AV Haz de His
Al final, el corazón entero vuelve al estado de reposo, quedando así hasta que otro potencial de acción se genere en el nódulo SA
Sistema de Purkinje
(a)
Los potenciales de acción se conducen del nódulo SA al músculo auricular
(f)
(b)
Los potenciales de acción se propagan por la aurícula hasta el nódulo AV, donde la conducción disminuye
Los potenciales de acción se extienden hacia arriba a través del músculo ventricular
(e)
(c)
(d)
Los potenciales de acción se desplazan rápidamente a través del sistema de conducción hacia el vértice del corazón
FIGURA 13.11 Propagación de los potenciales de acción a través del corazón. La secuencia de excitación eléctrica durante un latido empieza con la (a) despolarización del nódulo SA y termina con el (f) regreso del corazón a estado de reposo.
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hacia arriba. Esto tiene sentido si se considera que la sangre sale de los ventrículos por arriba (v. fig. 13.1). En este sentido, la contracción ventricular es parecida a la acción de apretar el tubo de pasta de dientes (desde abajo hacia arriba).
Base iónica de la actividad eléctrica cardíaca Ahora sabemos que el latido cardíaco se estimula por los potenciales de acción que se originan en las células marcapasos y que se propaga a través del músculo cardíaco de una forma ordenada y predecible. A continuación, vamos a analizar los mecanismos celulares responsables de la generación de estas señales eléctricas, comenzando por los acontecimientos que se producen en la membrana de las células marcapasos.
Potencial de acción Potencial de membrana (mV)
372
0 Despolarización rápida
Repolarización
Umbral
–50 –70
Potencial marcapasos (despolarización lenta) 0,5
1 1,5 Tiempo (s)
2
0,5
1 1,5 Tiempo (s)
2
(a)
Una célula cardíaca contráctil produce un potencial de acción únicamente cuando está despolarizada como consecuencia de un estímulo. Normalmente, este estímulo es una corriente eléctrica que se origina en células vecinas, que están disparando potenciales de acción. Ya se ha mostrado que esta corriente penetra en la célula a través de las uniones comunicantes que conectan con las células adyacentes. Una vez dentro, la corriente abandona la célula, atravesando la membrana plasmática, y es esto lo que desencadena la despolarización. Es importante recordar que las células marcapasos son diferentes, ya que pueden producir potenciales de acción sin necesidad de estímulo alguno, de forma periódica y regular. Una célula marcapasos es capaz de producir potenciales de acción espontáneamente, porque no tiene un potencial de reposo estacionario. Después de un potencial de acción, la célula marcapasos comienza inmediatamente a despolarizarse lentamente, y continúa haciéndolo hasta que el potencial de su membrana alcanza el umbral, lo que desencadena otro potencial de acción (fig. 13.12). A continuación, el potencial de la membrana vuelve a aproximadamente –60 o –70 mV, y entonces comienza de nuevo otra ronda de despolarización lenta hasta que se desencadena otro potencial de acción. Las despolarizaciones lentas que culminan en un potencial de acción se conocen como potenciales marcapasos. En las células marcapasos y otras células cardíacas, las señales eléctricas se provocan por cambios en la permeabilidad iónica de la membrana plasmática producidos por la apertura o cierre de determinados tipos de canales iónicos, como en cualquier otro tipo de célula. Para comprender cómo estos cambios en la permeabilidad afectan al potencial de la membrana, es importante recordar lo explicado en el capítulo 7: a medida que la permeabilidad de una membrana a un ion en concreto aumenta en comparación con otros iones, el potencial de la membrana se desplaza para aproximarse al potencial de equilibrio de ese ion. En las células cardíacas, los cambios de permeabilidad más importantes afectan a los iones de sodio, potasio y calcio (Na+, K+ y Ca+, respectivamente). Las concentraciones de iones en las células cardíacas son similares a las de las otras células (el líquido intracelular es rico en potasio, pero pobre en sodio y calcio, comparado con el líquido extracelular). Por tanto, el potencial de equilibrio del potasio es negativo, mientras que es positivo para el calcio y el sodio. (Valores aproximados: EK = –94 mV, ENa = +60 mV, y ECa = +130 mV.) De este modo, el aumento de la permeabilidad para el sodio o el calcio (PNa o PCa) tiende a hacer que el poten-
Potencial de membrana (mV)
Actividad eléctrica de las células marcapasos 0
–50 –70
(b)
FIGURA 13.12 Actividad eléctrica en una célula marcapasos. (a) Muestra del potencial de la membrana que indica los potenciales de acción y los potenciales marcapasos. (b) Cambios en la permeabilidad de membrana responsable de las variaciones de potencial en las células marcapasos. Durante la despolarización espontánea inicial (naranja), el PK disminuye y el PNa aumenta. Durante la parte final de la despolarización espontánea (amarillo), el PCa aumenta y el PNa disminuye. Durante la despolarización rápida (verde), el PCa aumenta en mayor medida y, por último, durante la fase de repolarización (rosa) el PCa disminuye y el PK aumenta.
cial de la membrana sea más positivo, mientras que el aumento de la permeabilidad para el potasio (PK) tiende a hacer que sea más negativo. En las células marcapasos, las señales eléctricas se desencadenan por los cambios en PK, PNa y PCa, tal y como se muestra en la figura 13.12. La despolarización lenta que se produce en las primeras etapas del potencial marcapasos es debida al cierre del canal de potasio y la apertura de los denominados canales «curiosos». Los canales de potasio se abren durante la repolarización del potencial de acción y se cierran cuando la membrana vuelve a su estado polarizado. Los canales «curiosos», llamados así porque los investigadores identificaron que tenían algunas características inusuales, se abren una vez que la célula se repolariza y permiten a los iones de sodio y potasio atravesar la membrana plasmática. Cuando los canales de potasio se cierran y los canales curiosos se abren en las primeras etapas del potencial marcapasos, la salida de potasio de la célula disminuye, mientras que la entrada de sodio en la célula aumenta, provocando la despolarización inicial.
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TABLA 13.1 Bases iónicas del potencial de acción celular autorrítmico Cambio de potencial celular autorrítmico
Regulación por canales iónicos
Desplazamiento de iones
Período inicial de despolarización espontánea al subumbral
Los canales curiosos se abren
El sodio entra y el potasio sale
Período posterior de despolarización espontánea al umbral
Los canales de calcio tipo T se abren
El calcio entra
Fase de despolarización rápida del potencial de acción
Los canales de calcio de tipo L se abren
El calcio entra
Fase de repolarización del potencial de acción
Los canales de potasio se abren
El potasio sale
Potencial marcapasos
Actividad eléctrica en las células contráctiles cardíacas Las uniones comunicantes conectan las células marcapasos y las células conductoras del corazón con las células contráctiles, por lo que proporcionan una vía para la propagación de los potenciales de acción entre las células. Sin embargo, los potenciales de acción de las células contráctiles cardíacas se diferencian de los descritos para las células marcapasos. Además, los potenciales de acción de las células contráctiles cardíacas de las diferentes regiones del corazón varían teniendo en cuenta la forma (tiempo y nivel de despolarización) y la velocidad de propagación. Estas diferencias se producen como consecuencia de que las células contráctiles varían según el tipo y la cantidad de los canales iónicos que posean, así como según las dimensiones físicas. A pesar de estas diferencias, dos acontecimientos
importantes caracterizan la mayor parte de los potenciales de acción del corazón: 1) durante un potencial de acción cardíaco típico, el PK disminuye como resultado de la acción de un cierto tipo de canal de umbral de voltaje de potasio, que se cierra en respuesta a la despolarización. (Es importante recordar que en las células marcapasos y la mayor parte de los tejidos excitables, el PK aumenta durante el potencial de acción, ya que los tejidos contienen canales de potasio que se abren en respuesta a la despolarización.) 2) Durante un potencial de acción cardíaco, la despolarización provoca la apertura de los canales de umbral de voltaje de calcio, que afectan únicamente al potencial de la membrana, pero también es fundamental para el inicio de las contracciones de las células musculares. Estos dos pasos prolongan el potencial de acción de la célula contráctil cardíaca tal y como se describe a continuación para la célula contráctil ventricular. La mayor parte de las células musculares ventriculares que conforman el miocardio no son como las células marcapasos, porque tienen un potencial en reposo estable. También tienen potenciales de acción de larga duración, con una forma distinta que puede dividirse en cinco fases (de 0 a 4), como se muestra en la figura 13.13. Los cambios en la permeabilidad que se producen en cada una de estas fases se describen a continuación: 0
Fase 0. La fase 0 del potencial de acción es similar a la pendiente ascendente de un potencial de acción neuronal y está provocada de forma similar: la despolarización de la membrana desencadena la apertura de los canales de umbral de voltaje
Potencial de membrana (mV)
Los canales curiosos se abren durante un breve instante y se cierran cuando el potencial de la membrana alcanza –55 mV, unos 5 mV menos que el umbral necesario para generar un potencial de acción. Sin embargo, la despolarización inicial desencadena la apertura de los canales de calcio llamados canales tipo T (T de transitorios). Esto aumenta el PCa, lo que despolariza aún más la célula. Aunque los canales tipo T permanecen abiertos durante un breve instante antes de inactivarse, la despolarización resultante desencadena la apertura de una segunda población de canales de umbral de voltaje de calcio, llamados canales tipo L (L de larga duración), que permanecen abiertos más tiempo y se inactivan solo lentamente. El resultado es un gran aumento de PCa, que produce una rápida despolarización característica del potencial de acción. (A medida que estos canales de calcio se abren, también permiten el paso de algo de sodio dentro de la célula, lo que aumenta el PNa y se añade al efecto despolarizante). Esta despolarización desencadena la apertura de los canales de potasio y, por tanto, provoca un aumento del PK, que se produce justo después del aumento del PCa y determina que el potencial de la membrana recupere su estado inicial. La caída resultante del potencial elimina los estímulos para la apertura del canal de calcio, permitiendo que estos canales comiencen a cerrarse. Esto disminuye el PCa y reduce la entrada de calcio en la célula, lo que provoca un aumento de PK para repolarizar la membrana y terminar el potencial de acción. La tabla 13.1 resume la función de los canales de iones de las células autorrítmicas. El corazón inicia sus propios potenciales de acción, por lo que no requiere ningún tipo de actividad neural para desencadenar las contracciones. Sin embargo, como se explicará más adelante en este capítulo, las neuronas autónomas tienen control sobre el ritmo de estas contracciones, alterando la actividad de los canales iónicos tal y como se ha descrito.
Despolarización 1
Breve repolarización 2
Meseta
0 0
3
Repolarización
4
4
–90 0
100
200 300 Tiempo (ms)
400
FIGURA 13.13 Potencial de acción cardíaco. Potencial de acción registrado desde una célula muscular del ventrículo. El PNa aumenta durante la fase 0 (verde) y disminuye durante la fase 1 (amarillo). El PCa aumenta y el PK disminuye durante la fase 3 (morado). Durante la fase 4 (azul), todos los canales iónicos están en su estado de reposo (PK alto y PCa y PNa bajos).
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
TABLA 13.2 Bases iónicas del potencial de acción de las células contráctiles Fase contráctil del potencial de acción
Regulación por canales iónicos
Desplazamiento de iones
0 Despolarización rápida
Los canales de sodio se abren
El sodio entra
1 Repolarización pequeña
Los canales de sodio se inactivan
El movimiento de sodio disminuye
2 Etapa media
Los canales rectificadores de entrada para el potasio se cierran y los canales de calcio tipo L se abren
La salida de potasio disminuye y el calcio entra
3 Repolarización
Los canales rectificadores tardíos de potasio se abren y los canales de calcio tipo L se cierran
El potasio sale y la entrada de calcio disminuye
4 Potencial en reposo
Los canales de potasio (ambos tipos) se abren y los canales de sodio y calcio aún están cerrados
El potasio sale y poca entrada de sodio o calcio
de sodio, lo que aumenta el PNa y el flujo de iones de sodio hacia el interior de la célula. Como consecuencia, el potencial de la membrana se hace más positivo, lo que desencadena la apertura de más canales de sodio, aumentos adicionales del PNa, más despolarización, etc. El resultado es un rápido aumento del potencial de la membrana, que alcanza entre los +30 y +40 mV. ➀ Fase 1. Los canales de sodio que se abrieron en la fase 0 empiezan a inactivarse, lo que reduce el PNa. Esto provoca una disminución del flujo de sodio al interior de la célula y que el potencial de la membrana produzca valores más negativos a causa de los movimientos continuados de salida de los iones de potasio. El potencial de la membrana solo disminuye una pequeña cantidad, ya que la despolarización de la membrana que empieza en la fase 0 activa otros dos acontecimientos que se llevan a cabo al mismo tiempo: 1) el cierre de los canales de umbral de voltaje de potasio (conocidos como canales rectificadores de entrada), que reducen el PK y la salida de potasio de la célula, y 2) la apertura de los canales de calcio tipo L, que aumenta el PCa y el flujo de entrada de calcio. Estos dos cambios producen la despolarización de la membrana, por lo que contrarrestan el efecto de la inactivación de los canales de sodio. ➁ Fase 2. Durante esta fase, que también se conoce como fase de meseta, la mayor parte de los canales de potasio que estaban cerrados en la fase 1 permanecen cerrados, por lo que el PK permanece más bajo que su valor en reposo. Al mismo tiempo, la mayor parte de los canales de calcio que se abren en la fase 1 permanecen abiertos, y el PCa permanece elevado. El bajo PK y el elevado PCa actúan para mantener la membrana en su estado despolarizado. ➂ Fase 3. Durante esta fase, el PK aumenta, en parte por la acción de una segunda población de canales de potasio similares a los de las neuronas (llamados canales rectificadores tardíos), que se abren en respuesta a la despolarización. Estos canales empiezan a abrirse en las fases 1 y 2, pero no ejercen una influencia significativa en el potencial de la membrana hasta la fase 3, porque se abren lentamente. A medida que el PK aumenta, el flujo de potasio al exterior de la célula aumenta, lo que devuelve al potencial de la membrana sus valores negativos. Además, este descenso en el potencial elimina el estímulo que mantiene los canales rectificadores de entrada cerrados en la fase 2, y, en consecuencia, empiezan a abrirse, lo que aumenta el PK aún más. El descenso del potencial también elimina el estímulo que mantiene los canales de calcio abiertos durante la fase 2 y permite que empiecen a cerrarse, lo que reduce el PCa y el flujo de calcio al interior de la célula. Este descenso está directamente relacionado con el aumento del PK para repo-
larizar la membrana, lo que determina el final del potencial de acción. ➃ Fase 4. Durante esta fase, que se corresponde con el potencial en reposo, los valores de PK, PNa y PCa están en su estado de reposo. El PK es mucho mayor que el PNa o el PCa bajo estas condiciones, por lo que el potencial de la membrana está alrededor de –90 mV, lo que está cerca del potencial en equilibrio del potasio. La tabla 13.2 resume la función de los canales iónicos en el potencial de acción de las células contráctiles.
Comprueba tus conocimientos El verapamilo es un tipo de bloqueante del canal de calcio de tipo L utilizado para tratar las arritmias y la hipertensión (tensión alta, descrita en el capítulo 14). ¿Qué efectos tiene el verapamilo sobre los potenciales marcapasos y los potenciales de acción de las células contráctiles?
Acoplamiento contracción-excitación en las células contráctiles cardíacas El mecanismo por el cual el potencial de acción cardíaco estimula la contracción es similar al del músculo esquelético en muchos aspectos, pero también tiene semejanzas con el músculo liso (fig. 13.14). El estímulo que desencadena un potencial de acción en la célula cardíaca es la corriente que se traspasa a través de las uniones comunicantes ➀. Un potencial de acción se propaga a través de la membrana plasmática y por los túbulos T ➁, provocando que los canales de calcio sensibles al voltaje del retículo sarcoplásmico se abran y liberen calcio al citosol (los receptores de dihidropiridina [DHP] de los túbulos T están emparejados con los receptores de rianodina en el retículo sarcoplásmico, tal y como se describe para el músculo esquelético en el capítulo 12) ➂. El potencial de acción también desencadena la apertura de los canales de umbral de voltaje de calcio de la membrana plasmática, permitiendo que el calcio entre en la célula. (Este aumento de la permeabilidad al calcio también es responsable de la fase de meseta del potencial de acción.) El calcio que entra en la fase de meseta actúa sobre los canales sensibles a voltaje, lo que desencadena la liberación de calcio del retículo sarcoplásmico y estimula que permanezcan abiertos durante más tiempo ➃. Como resultado, el retículo sarcoplásmico libera más calcio en cada potencial de acción. Este fenómeno se llama liberación de calcio inducida por el calcio.
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
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Líquido extracelular (LEC) Célula autorrítmica o contráctil
Célula contráctil
Membrana plasmática 3
Ca2+
Ca2+
Túbulo T
1 Ca2+
ATP 4
2
3 Na+
2
1 Corriente despolarizadora Unión comunicante 1 La corriente se propaga por las uniones comunicantes a las células contráctiles 2 Los potenciales de acción se desplazan por la membrana plasmática y los túbulos T
Retículo sarcoplásmico (RS) ATP
3
Ca2+ Ca2+ 5
3 Los canales de Ca2+ se abren en la membrana plasmática y el retículo sarcoplásmico 4 El Ca2+ induce la liberación de Ca2+ desde el retículo sarcoplásmico 5 El Ca2+ se une a la troponina, exponiendo sitios de unión de miosina 7
6
6 Los ciclos de ciclo transverso comienzan (la fibra muscular se contrae) 7 El Ca2+ se transporta activamente de vuelta al RS y el LEC 8 La tropomiosina bloquea los sitios de enlace de miosina (las fibras musculares se relajan)
8
Ca2+ Líquido intracelular (LIC)
FIGURA 13.14 Acoplamiento contracción-excitación en el músculo cardíaco. El músculo cardíaco se excita por la propagación de la corriente despolarizadora a través de las uniones comunicantes. La despolarización desencadena la apertura de los canales de calcio en la membrana plasmática y el retículo sarcoplásmico. El calcio se une a la troponina, permitiendo que se produzca el ciclo de los enlaces transversos. Para concluir la contracción, se impulsa el calcio del citosol al retículo sarcoplásmico y el líquido intersticial. En el músculo cardíaco, ¿qué mecanismo se utiliza para transportar el calcio de forma pasiva? P ¿Y para el transporte activo primario? ¿Y para el transporte activo secundario?
El calcio citosólico desencadena la contracción del músculo cardíaco de la misma forma que se desencadena la contracción del músculo esquelético: el calcio se une a la troponina, desplazando a la tropomiosina de los sitios de unión para la miosina en la actina ➄, y se produce el ciclo de los puentes transversos ➅. La mayor parte del calcio que se une a la troponina (95%) proviene del retículo sarcoplásmico, con solo un 5% procedente del líquido extracelular. La relajación del músculo cardíaco requiere la eliminación del calcio del citosol ➆, lo que se lleva a cabo mediante tres mecanismos: 1) de la misma forma que en el músculo esquelético,
una Ca2+-ATPasa localizada en la membrana del retículo sarcoplásmico transporta activamente el calcio del citosol hacia la luz del retículo sarcoplásmico; 2) el músculo cardíaco tiene también una Ca2+-ATPasa en la membrana plasmática, que transporta calcio de forma activa desde el citosol al líquido intersticial, y 3) el músculo cardíaco cuenta también con un intercambiador Na+Ca2+ en la membrana plasmática que saca de forma activa el calcio de la célula en un contratransporte con el sodio. Sin la unión de calcio a la troponina, la tropomiosina se vuelve a los sitios de enlace con miosina en la actina, y la fibra muscular se relaja ➇.
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Registro de la actividad eléctrica del corazón con un electrocardiograma El electrocardiograma (ECG) es un medio no invasivo para controlar la actividad eléctrica del corazón. Para comprender la interpretación de los ECG, es importante recordar que los acontecimientos eléctricos registrados provocan la contracción del corazón. Los médicos utilizan los ECG para determinar si existen problemas en la actividad eléctrica del corazón. El ECG es un informe de la propagación total de la corriente eléctrica a través del corazón en función del tiempo durante el ciclo cardíaco. El ECG se registra normalmente a través de los electrodos puestos en la piel. La forma de registrar los ECG es similar a los electroencefalogramas (EEG) explicados en el capítulo 9. La actividad eléctrica generada en los tejidos musculares o nerviosos se propaga por el cuerpo, ya que los líquidos corporales actúan como conductores. Cuanto más sincronizada es la actividad, más grande es la amplitud de las señales registradas a una distancia de la fuente. Como la actividad eléctrica del corazón está altamente sincronizada, los potenciales eléctricos de amplitud relativamente grande que corresponden con las diferentes fases eléctricas del corazón se pueden detectar en la superficie de la piel. El fisiólogo holandés Willem Einthoven desarrolló la técnica de los electrocardiogramas. El procedimiento de un registro de ECG normal se basa en un triángulo equilátero imaginario que rodea al corazón. El triángulo se expande hasta que sus vértices llegan al brazo derecho, brazo izquierdo y pierna izquierda, lo que se denomina el triángulo de Einthoven (fig. 13.15). Los electrodos situados en la piel en los vértices del triángulo están conectados de dos en dos a un aparato medidor del voltaje: un osciloscopio o un registrador de gráficos. Algunos pares de electrodos se denominan derivaciones y se designan con números
Derivación I: brazo izquierdo-brazo derecho Brazo derecho –
Brazo izquierdo +
I
–
–
II
Derivación II: pierna izquierdabrazo derecho
III
+
+
Derivación III: pierna izquierdabrazo izquierdo Pierna izquierda
FIGURA 13.15 Triángulo de Einthoven. Se colocan tres electrodos en el tórax para formar un triángulo equilátero alrededor del corazón.
romanos. Un electrodo de cada derivación se considera el electrodo positivo, y el otro es el negativo. Cada derivación específica detecta la diferencia en el potencial eléctrico de la superficie entre los electrodos positivos y negativos. La derivación I detecta el potencial en el brazo izquierdo menos el del brazo derecho; la derivación II detecta el potencial de la pierna izquierda menos el del brazo derecho, y la III detecta el potencial de la pierna izquierda menos el del brazo izquierdo. La dirección de las ondas recogidas (hacia arriba o hacia abajo) depende de si la diferencia de potencial entre los dos electrodos es positiva (que genera una onda hacia arriba) o negativa (que genera una onda hacia abajo). Por ejemplo, una onda despolarizadora que se desplaza hacia el electrodo positivo provoca una deflexión hacia arriba, mientras que una onda despolarizadora que se desplaza hacia el electrodo negativo provoca una deflexión hacia abajo. Los ECG clínicos utilizan electrodos en el tórax y los miembros, proporcionando 12 derivaciones diferentes. Cada derivación proporciona una imagen eléctrica del corazón. Por ello, a pesar de que cada derivación muestre las mismas ondas básicas (ondas P, QRS y T, descritas a continuación), las formas de las ondas son diferentes. Las ondas registradas con la derivación II de un ECG normal y el potencial de acción de una célula contráctil ventricular se muestran en la figura 13.16. Los ECG se registran en gráfico a 25 mm/s, con una amplitud de 1 mV/cm. El ECG normalmente muestra tres ondas características: 1) la onda P es una deflexión hacia arriba debida a la despolarización en la aurícula; 2) el complejo QRS es una serie de deflexiones hacia arriba y hacia abajo debidas a la despolarización ventricular; está correlacionado con la fase 0 del potencial de acción de la célula contráctil ventricular; y 3) la onda T es una deflexión hacia arriba causada por la repolarización ventricular; se correlaciona con la fase 3 del potencial de acción de la célula contráctil ventricular. La repolarización de la aurícula no se detecta por lo general en los ECG, ya que se produce al mismo tiempo que el complejo QRS. Entre las ondas, un electrocardiograma normal está formado por una línea horizontal, llamada línea isoeléctrica, que indica la ausencia de cambios en la actividad eléctrica. A pesar de que las fases del electrocardiograma se deben al desplazamiento de los potenciales de acción por el corazón, el ECG no solo es un registro del potencial de acción. Durante el latido, las células producen potenciales de acción en diferentes momentos, y el ECG refleja los patrones de aparición de los potenciales de acción que producen todas las células musculares cardíacas. Además de las ondas, algunos intervalos y segmentos pueden proporcionar una información muy importante sobre la función del corazón. Los intervalos P-Q o P-R se producen entre el comienzo de la onda P y el comienzo del complejo QRS, y reflejan una estimación del tiempo de conducción a través del nódulo AV. El intervalo Q-T refleja el tiempo desde el comienzo del complejo QRS al final de la onda T, lo que estima el tiempo en el que se contraen los ventrículos, conocido como sístole ventricular. El segmento T-Q es el tiempo desde el final de la onda T al comienzo del complejo QRS, y estima el tiempo en el que se relajan los ventrículos, llamado diástole ventricular. El intervalo R-R es el tiempo entre dos picos de dos complejos QRS sucesivos. Esto representa el tiempo entre dos latidos. El ritmo cardíaco se puede determinar dividiendo 60 s entre el intervalo R-R. Si el intervalo R-R es 1 s, por ejemplo, entonces el ritmo cardíaco es de 60 latidos por minuto. Si el intervalo R-R es de 0,5 s, entonces el ritmo cardíaco es de 120 latidos por minuto.
Potencial de membrana (mV)
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
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Normal 1s
1 mV 0
–90
Electrocardiograma (mV)
(a) Taquicardia sinusal (con la onda T invertida) R–R T–Q
P–Q
Q–T
R
1 P
T T
0 Q S Tiempo (s) Componente Onda P Complejo QRS Onda T Intervalo P-Q
Amplitud (mV)
Bradicardia sinusal Duración (s)
0,2
0,10
1
0,08–0,12
0,2–0,3
0,16–0,27
N/A
0,12–0,21
Bloqueo cardíaco de tercer grado P
Intervalo Q-T
N/A
0,30–0,43
Segmento T-Q
N/A
0,55–0,70
Intervalo R-R
N/A
0,85–1
(b)
FIGURA 13.16 Actividad eléctrica del corazón. (a) Registro del potencial de la membrana en una célula contráctil ventricular. (b) Registro de la derivación de un ECG. La tabla muestra valores normales de las ondas, intervalos y segmentos de un ECG.
La figura 13.17 compara los ECG normales con los registrados durante actividades anormales del corazón, llamadas arritmias cardíacas. Los disparos anormales del nódulo SA pueden provocar una taquicardia sinusal, que consiste en un ritmo cardíaco más rápido de lo normal (mayor de 100 latidos por minuto), o una bradicardia sinusal, que es un ritmo cardíaco más lento de lo normal (menos de 50 latidos por minuto). Una conducción alterada en el nódulo AV puede provocar diferentes grados de bloqueo en el corazón. En el bloqueo de primer grado, la conducción a través del nódulo AV se ralentiza, provocando un mayor retraso en la conducción del nódulo AV (aumento del intervalo P-Q). En el bloqueo de segundo grado, la conducción a través del nódulo AV no siempre se produce. En este caso, los ventrículos no se despolarizan (lo que provoca la ausencia de las ondas T y el complejo QRS) y, por tanto, no se contraen.
P
P
Extrasístole auricular (ESA) ESA
ESA
Fibrilación ventricular
FIGURA 13.17 Derivación II del ECG, que muestra los diferentes tipos de arritmia. 25 mm en la línea horizontal equivalen a 1 s; 1 cm en la línea vertical equivale a 1 mV. Algunos datos por cortesía de C.V. Massey, University of South Alabama.
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
De este modo se pierde la relación 1:1 entre las contracciones de las aurículas y los ventrículos. En el bloqueo de tercer grado, la conducción por el nódulo AV no se produce nunca, provocando una disociación completa de las contracciones de las aurículas y ventrículos. La aurícula se contrae por la descarga del nódulo SA, pero los ventrículos se contraen por la descarga del haz de His, algo que sucede solo de 30 a 40 veces por min. Este ritmo tan bajo de contracción ventricular es normalmente insuficiente para proporcionar al organismo el oxígeno y los nutrientes necesarios, por lo que un bloqueo de tercer grado puede causar la muerte. A veces el corazón se despolariza por un estímulo eléctrico generado fuera de la vía de conducción normal. Las células musculares cardíacas están conectadas por uniones comunicantes, por lo que una despolarización anormal se propagará a través del corazón, provocando una contracción extra llamada extrasístole. Si la despolarización se produce en una aurícula, se produce una extrasístole auricular (ESA), y la conducción se propaga por el nódulo AV, provocando una contracción en el ventrículo. Si la despolarización se produce en un ventrículo, se produce una extrasístole ventricular (ESV), y no está precedida por ninguna contracción de la aurícula. Las ESA y ESV no tienen, por lo general, mucha importancia clínica, a menos que se produzcan con alta frecuencia. Las arritmias y fibrilaciones más graves se producen cuando el corazón deja de tener una despolarización sincronizada. En la fibrilación auricular, las fibras musculares de la aurícula se despolarizan de forma independiente, por lo que la contracción de la aurícula es insuficiente para bombear la sangre al ventrículo. La fibrilación auricular cursa con debilidad y sensación de mareo por la disminución del flujo sanguíneo, pero, mientras que los ventrículos se contraigan a un ritmo suficiente, la fibrilación auricular no tiene, por lo general, riesgo de muerte, porque la contracción de la aurícula contribuye poco al llenado del ventrículo (la mayor parte del llenado ventricular es pasivo). Durante la fibrilación auricular, sin embargo, la sangre se estanca en la aurícula, favoreciendo la probabilidad de que se forme un coágulo. Este coágulo puede desplazarse y enclavarse en los vasos sanguíneos, bloqueándolos. Por tanto, la fibrilación auricular puede provocar una embolia pulmonar, infarto cerebral o ataque al corazón, dependiendo del lugar donde se enclave el coágulo. La fibrilación ventricular, por el contrario, puede provocar la muerte en cuestión de minutos. Cuando las células musculares del ventrículo se despolarizan de forma independiente, los ventrículos ya no pueden bombear la sangre eficientemente a los tejidos, incluyendo el cerebro. Los médicos deben desfibrilar rápidamente el músculo ventricular para mantener con vida a una persona. La desfibrilación se consigue a menudo pasando una gran corriente a través de la pared torácica al corazón, de tal manera que la corriente aplicada externamente despolarice todas las células musculares al mismo tiempo, devolviendo la actividad eléctrica sincrónica al corazón.
Test rápido 13.4 1. En condiciones normales, ¿qué mecanismo controla los latidos, el nódulo SA o el nódulo AV? Explica por qué. 2. Ordena los siguientes términos de manera que describan el trayecto normal de los impulsos eléctricos a través del corazón: fibras de Purkinje, haz auriculoventricular, nódulo AV, ramificaciones del haz, nódulo SA, músculo ventricular, músculo auricular.
3. La entrada de calcio en la célula muscular ventricular ayuda a mantener la despolarización de la membrana durante la fase de meseta del potencial de acción, pero ¿qué otra función importante lleva a cabo? 4. Empareja los términos onda P, complejo QRS y onda T con los siguientes pasos: despolarización ventricular, repolarización ventricular y despolarización auricular.
Ciclo cardíaco El ciclo cardíaco incluye todos los acontecimientos asociados con el flujo sanguíneo a través del corazón durante un latido completo. A continuación centraremos el tema en los siguientes aspectos del ciclo cardíaco: 1) las diferentes fases de la acción bombeadora del corazón; 2) períodos de apertura y cierre de las válvulas; 3) cambios en la presión auricular, ventricular y aórtica, que reflejan la contracción y relajación del corazón; 4) cambios en el volumen ventricular, que reflejan la cantidad de sangre que entra y sale del ventrículo durante cada latido, y 5) los dos principales sonidos del corazón. Las relaciones entre los diferentes aspectos del ciclo cardíaco se explican en la figura 13.18. (Los gráficos de presión pertenecen solo al corazón izquierdo; los gráficos de presión del corazón derecho son similares, excepto por los picos de presión, que son más bajos.)
Fases del ciclo cardíaco El ciclo cardíaco está implicado en los pasos de un latido, por lo que un ciclo completo está formado tanto por la contracción como por la relajación ventricular. Como resultado, el ciclo se puede dividir en dos etapas principales: sístole, el período de la contracción ventricular, y diástole, el período de relajación ventricular. (Aunque la aurícula también sufre períodos de contracción y relajación, llamados sístole y diástole auricular, respectivamente, utilizamos los términos de sístole y diástole para referirnos a los pasos ventriculares.) Empecemos el análisis del ciclo cardíaco por la mitad de la diástole, cuando las aurículas y los ventrículos están completamente relajados: 1. Llenado ventricular. Durante la mitad hasta el final de la diástole (fase 1, v. fig. 13.18), la sangre que vuelve al corazón mediante las venas sistémicas y pulmonares entra en la aurícula relajada y pasa a través de las válvulas AV a los ventrículos a favor de presión, es decir, la presión en la venas es lo suficientemente alta para dirigir el flujo sanguíneo al interior del corazón (llamado retorno venoso). A medida que los ventrículos se llenan, las válvulas pulmonar y aórtica (semilunares) se cierran, porque la presión ventricular es más baja que la de la aorta y las arterias pulmonares. Más tarde, durante la diástole (al final de la fase 1), la aurícula se contrae, dirigiendo más sangre a los ventrículos. Poco después, la aurícula se relaja y empieza la sístole. Esta fase completa de la sangre que entra en el ventrículo se llama llenado ventricular. 2. Contracción isovolumétrica. Al principio de la sístole (fase 2), los ventrículos se contraen, lo que aumenta la presión en su interior. Cuando la presión ventricular sobrepasa la presión auricular (lo que se produce al principio de la sístole), las válvulas AV se cierran; las válvulas semilunares permanecen cerradas, ya que la presión ventricular no es aún lo suficien-
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Contracción isovolumétrica
Aparato cardiovascular: función cardíaca
Eyección ventricular
Relajación isovolumétrica
Contracción auricular
Llenado ventricular Aurícula izquierda Aurícula derecha Ventrículo derecho Ventrículo izquierdo
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Llenado ventricular Sístole
Diástole media
Fase Válvulas auriculoventriculares Válvulas aórtica y pulmonar (semilunares)
Diástole temprana
1
2
3
4
1
Abiertas
Cerradas
Abiertas
Cerradas
Abiertas
Cerradas
110
Presión (mmHg)
Presión aórtica
70 Presión ventricular 40
Presión auricular
Volumen (ml)
0 130
100 Volumen ventricular 60
Sonidos del corazón
Electrocardiograma
FIGURA 13.18 Ciclo cardíaco. Todos los valores conciernen al corazón izquierdo. La diástole corresponde a las fases 4 y 1, mientras que la sístole corresponde a la fase 2 a 3. Recuerda las correlaciones entre los cambios en los gradientes de presión a través de las válvulas y la apertura/cierre de estas, y los cambios del volumen ventricular. Los sonidos del
corazón están correlacionados con el cierre de las válvulas. Las ondas del ECG están correlacionadas con los acontecimientos mecánicos del corazón: la onda P precede a la contracción auricular (evidente por el aumento de la presión auricular), el complejo QRS precede a la contracción ventricular.
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
temente alta para forzarlas a que se abran. En este momento, la sangre no entra o sale de los ventrículos, ya que las válvulas están cerradas. Por ello, aunque los ventrículos se contraigan, el volumen de la sangre en su interior permanece constante, así que la fase 2 se denomina contracción isovolumétrica (iso-, «igual»). La fase 2 termina cuando la presión ventricular es lo suficientemente grande como para forzar que las válvulas semilunares se abran para que la sangre pueda abandonar los ventrículos. 3. Eyección ventricular. En lo que queda de sístole (fase 3), la sangre se expulsa de la aorta y las arterias pulmonares a través de las válvulas semilunares, y el volumen ventricular se reduce. Durante la salida de la sangre de los ventrículos, llamada eyección ventricular, la presión ventricular aumenta hasta un máximo y luego comienza a descender. Cuando la presión aórtica desciende, las válvulas semilunares se cierran, terminando la eyección (y la sístole) y comenzando la diástole. 4. Relajación isovolumétrica. Al principio de la diástole (fase 4), el miocardio ventricular se relaja. Hay un poco de sangre en los ventrículos y aún está sometida a presión, puesto que la tensión tarda un poco en desaparecer. La presión ventricular está simultáneamente demasiado baja para mantener las válvulas semilunares abiertas, y demasiado alta para permitir que las válvulas AV se abran. Todas las válvulas están cerradas y el volumen de la sangre permanece constante dentro de los ventrículos relajados, por lo que la fase 4 es conocida como relajación isovolumétrica. Una vez que la presión ventricular se hace lo suficientemente baja como para permitir que las válvulas AV se abran de nuevo, la sangre entra en los ventrículos desde las aurículas. Esto marca el comienzo de la fase 1 y el ciclo de bombeo empieza de nuevo. La duración de la diástole y la sístole no es igual. Para que un corazón lata a un ritmo de reposo normal de 72 latidos por minuto (una vez cada 0,8 s), la mayor parte del ciclo cardíaco (alrededor del 65%, o 0,5 s) se emplea en la diástole; la sístole dura solo alrededor de 0,3 s. Que la diástole sea más larga sirve para que el corazón se llene adecuadamente de sangre, lo que es esencial para que la sangre se bombee eficientemente; también sirve para que el corazón tenga más tiempo para relajarse, lo que ayuda a evitar la fatiga muscular. Tras este repaso general, a continuación se explicarán los cambios de presión y volumen en el ciclo cardíaco.
Presión auricular y ventricular Normalmente, la presión cardiovascular (la presión arterial en las cámaras del corazón o de la vasculatura) se mide en milímetros de mercurio (mmHg). La presión atmosférica también se mide en milímetros de mercurio, y la presión atmosférica normal a nivel del mar es de 760 mmHg. En la fisiología cardiovascular, todas las presiones se expresan en relación con la presión atmosférica, que se toma como valor cero. Por ello, cuando los médicos dicen que la sangre tiene una presión de 100 mmHg, quieren decir que es de 100 mmHg por encima de la presión atmosférica. La figura 13.19 muestra los cambios en la presión ventricular que se producen en el ciclo cardíaco. En la mitad de la diástole (fase 1), la presión ventricular se mantiene muy baja hasta el final de la fase, cuando se produce una pequeña subida repentina. Esta subida se debe a la contracción auricular, que añade un poco de volumen a la sangre del ventrículo; el aumento del volumen determina un incremento de la presión ventricular. Poco después, se
Fase
1
2
3
4
1
Válvulas auriculoventriculares Abiertas
Cerradas
Abiertas
Válvulas pulmonar y aórtica
Abiertas
Cerradas
Cerradas
110
Presión (mmHg)
380
70
40
Presión ventricular
Presión auricular
0 Comienzo de la contracción auricular
Comienzo de la contracción ventricular
FIGURA 13.19 Presión ventricular durante un ciclo cardíaco. Es importante recordar que las válvulas AV se cierran cuando la presión ventricular es mayor que la presión auricular, lo que se produce inmediatamente después de que los ventrículos comiencen a contraerse. observa un aumento mucho mayor de la presión, que se corresponde con el inicio de la sístole ventricular. Al principio de la diástole ventricular, la presión desciende casi hasta cero, reflejando la relajación del miocardio. Durante el resto de la diástole, la presión ventricular aumenta lentamente hasta que el ventrículo se llena pasivamente con la sangre que vuelve de la circulación pulmonar. El aumento de la presión auricular observado en la parte final de la diástole indica el comienzo de la contracción auricular (v. fig. 13.18). Sin embargo, este aumento de la presión es pequeño y de corta duración, y se sigue de pequeños aumentos similares en diferentes momentos del ciclo cardíaco. Estos cambios en la presión tienen poca importancia en el conjunto de la función cardíaca, por lo que no se explicarán en mayor detalle.
Presión aórtica Durante la diástole, no entra sangre en la aorta porque la válvula aórtica permanece cerrada. Sin embargo, la sangre es capaz de dejar la aorta a través de los vasos sanguíneos por el circuito sistémico. Esta salida continua de la sangre provoca que su volumen en la aorta disminuya durante la diástole, lo que conlleva un descenso lento en la presión aórtica (fig. 13.20). (Imagina que la presión desciende conforme se escapa el aire de una rueda pinchada.) Al final de este descenso, la presión aórtica alcanza un mínimo llamado presión arterial diastólica (PAD). A medida que el próximo período sistólico comienza (fase 2), la presión aórtica continua descendiendo, porque la válvula aórtica solo se abre cuando la presión ventricular se hace lo suficientemente alta para forzar que se abra. Cuando la válvula aórtica se abre y comienza la fase de eyección (fase 3), la presión aórtica aumenta rápidamente. Esta presión aumentada refleja el aumento del volumen de la sangre que contiene la aorta, lo que ocurre solo porque la sangre está pasando a la aorta más rápido de lo normal. (Imagina que la presión aumenta a
C A P Í T U LO 1 3 Fase Válvula aórtica
1 Cerrada
2
3 Abierta
4
1 Cerrada PAS
110
Presión (mmHg)
Escotadura dícrota PAM PAD
70 Presión aórtica
Presión ventricular
40
Aparato cardiovascular: función cardíaca
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paredes se estiran. Al estirarse, la aorta reserva un poco de energía generada por el corazón. Esta energía se hace evidente como un aumento en la presión. (La aorta y otras arterias tienen esta capacidad de reservar presión, por lo que se conocen como reservorios de presión, tal y como se explica en el capítulo 14.) Durante la diástole, el corazón ya no genera presión activamente, pero la presión en la aorta permanece elevada debido a la fuerza ejercida sobre la sangre por el tejido elástico que se estira en la pared. A medida que la sangre sale de la aorta, la presión desciende y la pared se retrae. Por esto, la aorta libera la energía que reserva durante la sístole. La energía dirige el flujo sanguíneo a todos los vasos sanguíneos durante la diástole. De este modo, la sangre avanza por la vasculatura durante la diástole a pesar de que no se eyecte sangre del corazón en este momento. Como consecuencia, el flujo sanguíneo se desplaza por la vasculatura de un modo más o menos continuado mediante el ciclo cardíaco, aunque la salida del corazón se produzca a borbotones.
0
FIGURA 13.20 Presión aórtica durante el ciclo cardíaco. Es importante saber que la válvula aórtica se abre cando la presión ventricular es mayor que la presión aórtica, y que se cierra cuando la presión aórtica es mayor que la presión ventricular. La presión máxima de la aorta durante el ciclo cardíaco es la presión sistólica (PAS), mientras que la presión mínima durante el ciclo cardíaco es la presión arterial diastólica (PAD). La presión media durante el ciclo cardíaco se llama presión arterial media (PAM). ¿Por qué la presión arterial media está más cerca de la presión diastólica P que de la presión sistólica?
medida que metes aire en una rueda pinchada, aunque el aire continúa saliéndose.) En poco tiempo, sin embargo, la sangre del corazón empieza a ralentizarse. Como consecuencia de esto, la presión aórtica no continúa aumentando y alcanza su máximo, llamado presión arterial sistólica (PAS), y empieza a descender. Al final de la sístole, la válvula aórtica se cierra, interrumpiéndose el flujo sanguíneo a la aorta desde el corazón (comienzo de la fase 4). Este paso viene caracterizado por una «incisura» en la curva de presión aórtica llamada escotadura dícrota. La presión aórtica media que se produce durante el ciclo cardíaco se conoce como presión arterial media (PAM). La presión arterial media es una variable extremadamente importante en la fisiología vascular, porque, como veremos en el capítulo 14, representa la fuerza que dirige y empuja la sangre a través del circuito sistémico. Es visible en la figura 13.20 que la variación total de la presión aórtica que se produce durante el ciclo cardíaco es mucho menor que la variación de la presión ventricular izquierda. Durante la fase de eyección (fase 3), las presiones aórtica y ventricular son idénticas, porque la aorta y el ventrículo están conectados por la válvula aórtica. Sin embargo, durante el resto del ciclo, la diferencia entre la presión aórtica y ventricular es significativa (la presión ventricular disminuye de forma abrupta, mientras que la presión aórtica permanece elevada y solo disminuye ligeramente). Esta diferencia de la presión refleja el hecho de que la aorta y el ventrículo ya no están comunicados a causa del cierre de la válvula aórtica. La presión aórtica es mayor que la presión ventricular durante la diástole, porque la aorta es capaz de almacenar presión durante la sístole (la presión que se libera posteriormente durante la diástole). Cuando el volumen de la sangre que contiene la aorta aumenta durante la eyección, los vasos se expanden y sus
Volumen ventricular La figura 13.21 muestra una curva que sigue los cambios en el volumen ventricular, en este caso el volumen de la sangre en el ventrículo izquierdo, durante el ciclo cardíaco. A partir de la mitad de la diástole (fase 1), el volumen de la sangre que contiene el ventrículo aumenta durante el llenado ventricular. El volumen aumenta rápidamente al principio y luego aumenta menos rápidamente a medida que el tiempo avanza. Hacia el final de la diástole, un pequeño aumento repentino del volumen refleja que la sangre está siendo bombeada al ventrículo como resultado de la contracción auricular. El volumen de sangre en un ventrículo al final de la diástole, denominado volumen telediastólico (VTD), representa el volumen ventricular máximo alcanzado durante el ciclo cardíaco, lo que se alcanza justo antes del comienzo de la eyección. El volumen no cambia durante el período de contracción isovolumétrica (fase 2), pero empieza a descender tan pronto como la válvula aórtica se abre al principio de la eyección (principio de la fase 3). Continúa descendiendo hasta que la válvula aórtica se cierra al final del período de eyección, en el momento en que se mantiene estable hasta que la válvula AV se abre al principio del llenado ventricular (inicio de la fase 1). El volumen de la sangre de un ventrículo al final de la sístole, llamado volumen telesistólico (VTS), representa el volumen mínimo ventricular, que se alcanza justo después de la eyección. La diferencia entre el volumen telediastólico y el volumen telesistólico representa el volumen de sangre del corazón durante un latido, lo que se llama volumen sistólico (VS): VS = VTD – VTS Un volumen telediastólico normal en estado de reposo es de 130 ml. Es importante notar que, en la figura 13.21, cuando el ventrículo se contrae (fase 3), no eyecta toda la sangre contenida, sino que alrededor de 60 ml de sangre permanecen en el ventrículo al final de la sístole en condiciones de reposo normales. De este modo, un volumen sistólico medio en condiciones de reposo podría calcularse de la siguiente manera: VS = VTD – VTS = 130 ml – 60 ml = 70 ml El volumen telesistólico está determinado por varios factores, entre los cuales se encuentra la fuerza ejercida por la contracción ventricular, que puede alterarse por las neuronas autó-
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Aparato cardiovascular: función cardíaca Fase
Válvulas auriculoventriculares Válvulas pulmonar y aórtica
1
2
3
4
1
Abiertas
Cerradas
Abiertas
Cerradas
Abiertas
Cerradas Volumen telediastólico (VTD)
Volumen (ml)
130
100 Inicio de la contracción auricular
Volumen sistólico (VS) = VTD - VTS
Inicio de la contracción auricular
60
Volumen telesistólico (VTS)
FIGURA 13.21 Los cambios del volumen ventricular durante el ciclo cardíaco. El volumen sistólico (VS) es el volumen de la sangre eyectada desde el ventrículo en un latido, y es igual al volumen de sangre en el ventrículo al final de la diástole (VTD) menos la cantidad de sangre que queda en el ventrículo después de la sístole (VTS). Esta figura muestra el volumen sistólico del ventrículo izquierdo. El volumen sistólico P del ventrículo derecho, ¿será mayor, menor o igual?
nomas y las hormonas. Un aumento en la fuerza de contracción, como podría ocurrir durante una respuesta de huida o lucha, aumenta el volumen sistólico, de forma que se eyecta un porcentaje mayor del volumen telediastólico. Una disminución del volumen telediastólico tiene el efecto contrario. La fracción de volumen telediastólico eyectado durante un latido se conoce como fracción de eyección (FE): FE = VS/VTD Utilizando los niveles normales anteriores, podemos obtener la fracción de eyección de alrededor del 54% en reposo: FE = 70 ml/130 ml = 0,54
Comprueba tus conocimientos Si el volumen telediastólico es de 150 ml y el volumen telesistólico es de 50 ml, calcula el volumen sistólico y la fracción de eyección.
Sonidos del corazón Los sonidos de un corazón latente pueden oírse con un estetoscopio y se llaman sonidos del corazón. En la mayoría de las personas, cada latido conforma dos sonidos diferentes: uno leve, llamado «primer sonido», y uno más sonoro y agudo, llamado «segundo sonido». Si se comparan los tiempos de los sonidos del corazón con los pasos del ciclo cardíaco, se puede advertir que los sonidos del corazón se producen al principio de la sístole (fase 2), cuando se cierran las válvulas AV, y al inicio de la diástole (fase 4), cuando las válvulas semilunares se cierran (fig. 13.22). Pero, contrariamente a lo que parece obvio, los sonidos del corazón no se provocan por las cúspides de las válvulas al contactar a medida que se cierran. Por el contrario, los sonidos se provocan por el flujo rápido y turbulento a través de las válvulas a medida que se estrechan y están a punto de cerrarse.
1
Fase
2
3
4
1
Válvulas auriculoventriculares
Abiertas
Cerradas
Abiertas
Válvulas pulmonar y aórtica
Cerradas
Abiertas
Cerradas
Sonidos del corazón
FIGURA 13.22 Sonidos del corazón. El primer y segundo sonidos del corazón están provocados por el flujo sanguíneo turbulento, que se produce a medida que las válvulas auriculoventriculares (primero) y las válvulas aórtica y pulmonar (segundo) se cierran.
Test rápido 13.5 1. ¿Qué acontecimiento está asociado con el primer sonido del corazón? ¿Y con el segundo? 2. Describe la relación entre las diferentes ondas de un ECG y los acontecimientos mecánicos de un corazón. ¿Qué se produce antes, los acontecimientos eléctricos o los mecánicos?
Gasto cardíaco y su control La capacidad del aparato cardiovascular de proporcionar sangre a los órganos depende en gran medida de la velocidad a la que los ventrículos del corazón pueden bombear la sangre. Cuando una persona está en estado de reposo, los ventrículos derecho e izquierdo bombean cada uno un poco más de 5 l por toda la vasculatura cada minuto. El volumen total de sangre en el cuerpo es de alrededor de 5 l, por lo que solo se tarda un minuto para que un ventrículo bombee la cantidad equivalente al volumen total de sangre en el cuerpo. Esto se traduce en más de 2,6 millones de litros por año, y es importante recordar que esto es solo para un ventrículo. El nivel
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al cual el ventrículo bombea sangre se llama gasto cardíaco (GC), y se expresa normalmente en litros por minuto. Con cada latido, los ventrículos izquierdo y derecho se contraen al mismo tiempo. De este modo, el número de contracciones por minuto (llamado frecuencia cardíaca, FC) es el mismo para los dos ventrículos. El gasto cardíaco está determinado por la frecuencia cardíaca y el volumen de la sangre que bombea cada ventrículo con cada latido, que ya conocemos como volumen sistólico: Gasto cardíaco = frecuencia cardíaca volumen sistólico GC
=
FC
VS
Para un adulto en estado de reposo, la frecuencia cardíaca normal está alrededor de los 72 latidos por minuto, y el volumen sistólico es de 70 ml (0,07 l), por lo que un gasto cardíaco normal en estado de reposo es: GC = 72 latidos/min 0,07 l/latido = 5 l/min
Comprueba tus conocimientos Con los siguientes datos, calcula el gasto cardíaco: intervalo R-R = 0,6 s; volumen telediastólico = 160 ml, y volumen telesistólico = 30 ml. El gasto cardíaco del ventrículo izquierdo es igual a la velocidad de la sangre que fluye por el circuito sistémico; el gasto cardíaco del ventrículo derecho es igual al nivel de la sangre que fluye por el circuito pulmonar. Al final, las dos partes del corazón deben tener el mismo gasto cardíaco, o un mayor volumen de sangre pasaría del circuito pulmonar al circuito sistémico, o viceversa. El ritmo cardíaco y el gasto cardíaco son iguales para las dos partes del corazón, ambos ventrículos deben tener el mismo volumen sistólico medio. Se sabe que el gasto cardíaco está determinado completamente por dos variantes, la frecuencia cardíaca y el volumen sistólico, por lo que el objetivo de esta sección es examinar los diferentes factores que pueden incidir en estas dos variables para comprender mejor cómo estos factores interactúan para determinar el gasto cardíaco. Aunque las contracciones del corazón no están desencadenadas por el sistema nervioso central, el sistema nervioso regula diferentes aspectos de la función cardíaca, incluyendo la velocidad y la fuerza de la contracción cardíaca. Por este motivo, la actividad neural ejerce una influencia significativa en el gasto cardíaco. Además, el gasto cardíaco viene condicionado por las hormonas que circulan por el corriente sanguíneo. La regulación del corazón (o cualquier otro órgano o tejido) mediante actividad neuronal, hormonas circulantes o cualquier otro factor originados desde el exterior del órgano se conoce como control extrínseco. Cuando la función de un órgano o tejido es regulada por factores originados dentro del mismo órgano o tejido, se dice que la función está bajo control intrínseco (también llamado autorregulación o regulación local). Como la mayoría de los órganos, el corazón está regulado tanto por control intrínseco como extrínseco, y se podrán conocer algunos ejemplos de ambos casos en las siguientes secciones.
Actividad autónoma del corazón El control neural del corazón se lleva a cabo por el sistema nervioso autónomo. Las fibras del sistema nervioso autónomo se
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proyectan a casi todas las regiones del corazón, incluyendo el sistema de conducción y el miocardio, y regulan tanto la frecuencia cardíaca como el volumen sistólico. Estas fibras incluyen algunas que pertenecen al sistema nervioso simpático y otras que pertenecen al sistema nervioso parasimpático. En los distintos lugares de acción del corazón, las neuronas parasimpáticas y simpáticas ejercen efectos contrarios (como suele ocurrir en todo el cuerpo). Sin embargo, la distribución de las fibras parasimpáticas es relativamente espaciada en los ventrículos. Como consecuencia, el miocardio ventricular se regula principalmente por el sistema nervioso simpático. La actividad autónoma más importante se muestra en la figura 13.23.
Factores que afectan al gasto cardíaco: cambios en el ritmo cardíaco La frecuencia cardíaca de una persona no es necesariamente la misma que la de otra persona, y no es necesariamente la misma de un día para otro, o incluso de un minuto para otro. Esto se debe a que el ritmo cardíaco de una persona depende de muchos factores, incluyendo la edad, la salud general, el nivel de actividad muscular, el estado emocional, etc. Cuando una persona hace ejercicio o cuando está ansioso o asustado, el ritmo cardíaco puede aumentar de un estado de reposo normal con aproximadamente unos 70 latidos por minuto, a más de 100 latidos por minuto, llegando incluso hasta alcanzar 180 latidos por minuto. En los atletas entrenados, el ritmo cardíaco en estado de reposo es más bajo que la media, alrededor de 50 latidos por minuto. En niños, el ritmo cardíaco es mayor que en los adultos. Esta sección se centra en los diferentes factores implicados en la regulación minuto a minuto del ritmo cardíaco, que está completamente bajo control extrínseco.
Control neural del ritmo cardíaco Las células marcapasos del nódulo SA reciben aferencias directas del sistema nervioso autónomo. Esto es importante, porque la actividad de las neuronas altera la frecuencia de los potenciales de acción generados por estas células, lo que normalmente determina el ritmo cardíaco. Una actividad mayor en las neuronas simpáticas del nódulo SA aumenta la frecuencia de los potenciales de acción de las células marcapasos por los mecanismos mostrados en la figura 13.24a. Las neuronas simpáticas liberan noradrenalina, que se une a los receptores adrenérgicos B1 de las células del nódulo SA y activan el segundo mensajero cAMP. El cAMP aumenta la apertura de los canales curiosos y los canales de calcio de tipo T. El resultado neto es el aumento en la pendiente de la despolarización espontánea y el descenso del nivel de repolarización, de forma que el umbral del potencial de acción se alcance más rápidamente (fig. 13.25). Esto provoca un incremento de la frecuencia de los potenciales de acción, con el consiguiente aumento del ritmo cardíaco, lo que tiende a aumentar el gasto cardíaco. Las neuronas simpáticas también se proyectan al nódulo AV y otras partes del sistema de conducción, donde influyen sobre la velocidad con la cual se conducen los potenciales de acción. A medida que aumenta la actividad simpática, los potenciales de acción se desplazan más rápido, lo que disminuye el retraso de la conducción del impulso entre la aurícula y el ventrículo y acorta el tiempo que tarda el potencial de acción en desplazarse
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
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Nervio vago (parasimpático) Médula Al nódulo SA
Al nódulo AV Cervical Al nódulo SA
Torácico
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 L1 L2
Al nódulo AV
Nervio cardíaco simpático
Al miocardio ventricular
Lumbar
Sacro
Coccígeo
Médula Cadena espinal simpáticas
FIGURA 13.23 Actividad autónoma principal del corazón. Los nervios simpáticos viajan a los nódulos SA y AV, así como al miocardio ventricular: los nervios parasimpáticos se dirigen principalmente a los nódulos.
P ¿Qué neurotransmisor se secreta desde los axones terminales a la cadena simpática? a través de los ventrículos. Como resultado, la contracción ventricular empieza más pronto después de la contracción de la aurícula y se produce más rápidamente, lo que disminuye la duración de la sístole. Un aumento de la actividad en las neuronas parasimpáticas del nódulo SA disminuye la frecuencia de los potenciales de acción en las células marcapasos por los mecanismos mostrados en la figura 13.24b. Las neuronas parasimpáticas liberan acetilcolina, que se une a los receptores colinérgicos muscarínicos de
las células del nódulo SA, aumenta la apertura de los canales de potasio, y suprime la apertura de los canales curiosos y los canales de calcio tipo T. El resultado neto es un descenso de la pendiente de la despolarización espontánea y la hiperpolarización del potencial de membrana, de forma que el umbral de un potencial de acción se alcance mucho más lentamente (v. fig. 13.25) La frecuencia de los potenciales de acción se reduce, por tanto, al reducir el ritmo cardíaco, lo que tiende a reducir el gasto cardíaco.
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FIGURA 13.24 Efectos del sistema nervioso autónomo sobre las células del nódulo SA. (a) El sistema nervioso simpático permite el grado de despolarización espontánea a través de un mecanismo dependiente del cAMP que permite la entrada de sodio y calcio a las células marcapasos. (b) El sistema nervioso parasimpático disminuye el nivel de despolarización espontánea a través de receptores muscarínicos al disminuir la entrada de sodio y calcio (no se muestra) en la célula y aumentar la salida de potasio.
Aparato cardiovascular: función cardíaca
Líquido extracelular Noradrenalina o adrenalina
Adenilato ciclasa
Canal curioso
Canal de calcio tipo T
Na+
Ca2+
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+
1
ATP
Gs
cAMP
Proteína cinasa Citosol
Despolarización
(a) Simpático
Líquido extracelular
Ca2+
Acetilcolina Canal de calcio tipo T
Canal de potasio
Receptor colinérgico muscarínico
–
+ K+ Proteína G Proteína G Hiperpolarización
Citosol (b) Parasimpático
Las neuronas parasimpáticas también influyen sobre la conducción de los impulsos a través del nódulo AV y el resto del sistema de conducción. A medida que la actividad de estas neuronas aumenta, la velocidad de los impulsos conductores disminuye, lo que aumenta el retraso de la conducción entre la aurícula y el ventrículo, y prolonga el tiempo requerido para desplazarse por los ventrículos. Como resultado, la duración de la sístole aumenta.
Potencial de membrana (mV)
0,8 s Reposo
Simpático
0
–50
Control hormonal del ritmo cardíaco –70 Parasimpático 0,2
0,4
0,6
0,8 Tiempo (s)
1
1,2
1,4
FIGURA 13.25 Efectos del sistema nervioso autónomo sobre los potenciales de las células del nódulo SA. La activación del sistema nervioso simpático aumenta el grado de despolarización espontánea, mientras que la activación del sistema nervioso parasimpático disminuye el grado de despolarización espontánea.
A pesar de que la función del corazón pueda estar afectada por varias hormonas, solo una (adrenalina) es importante en la regulación de la función cardíaca minuto a minuto. Los efectos de la adrenalina, secretada por la médula adrenal en respuesta al aumento de la actividad simpática, son parecidos a los efectos de la actividad nerviosa simpática. La adrenalina aumenta la frecuencia del potencial de acción en el nódulo SA; por tanto, aumenta el ritmo cardíaco. Además, la adrenalina aumenta la velocidad de la conducción del potencial de acción a través de las fibras musculares del corazón. El aumento de la actividad
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
nerviosa simpática está normalmente ligado a un incremento de la secreción de adrenalina, cuyas acciones, por lo general, refuerzan los efectos de la actividad neural simpática. Otras hormonas que afectan directamente en la función cardíaca son las hormonas tiroideas, que son secretadas por la glándula tiroidea, y la insulina y el glucagón, secretadas por el páncreas. Estas hormonas aumentan principalmente la fuerza de la contracción miocárdica, pero el glucagón también aumenta el ritmo cardíaco. La importancia de estas hormonas, si la tienen, en la regulación cardíaca a corto plazo no queda clara.
Integración del control del ritmo cardíaco Se ha explicado ya que el ritmo cardíaco está determinado completamente por la frecuencia de disparos de potenciales de acción producidos por el nódulo SA, que, a su vez, está regulado principalmente por: 1) la actividad de las neuronas simpáticas proyectadas por el nódulo SA, que tiende a aumentar el ritmo cardíaco; 2) la actividad de las neuronas parasimpáticas proyectadas por el nódulo SA, que tiende a reducir el ritmo cardíaco, y 3) las concentraciones circulantes de adrenalina, que aumentan el ritmo cardíaco. Ambas divisiones del sistema nervioso autónomo están activas todo el tiempo. Como resultado, el corazón recibe simultáneamente señales de los sistemas nerviosos parasimpático y simpático que actúan en sentidos contrarios. Si el ritmo cardíaco aumenta o desciende, depende de los niveles relativos de actividad en las dos ramificaciones. La actividad varía en forma de «tira y afloja», por lo que el aumento de la actividad simpática está acompañado normalmente por un descenso de la actividad parasimpática, y viceversa. Las dos divisiones ejercen efectos contrarios, por lo que este arreglo de «tira y afloja» asegura que los cambios en los sistemas simpático y parasimpático se refuerzan el uno al otro. Por ejemplo, tanto el aumento de la actividad simpática como el descenso de la actividad parasimpática actúan para aumentar el ritmo cardíaco. Experimentos de laboratorio han mostrado que el nódulo SA produce potenciales de acción en una frecuencia «natural» de alrededor de 100 latidos/min en ausencia de influencias hormonales o neurales. El hecho es que el ritmo cardíaco de una persona en estado de reposo es notablemente más bajo (alrededor de 70 latidos por minuto), lo que indica que, en condiciones normales de reposo, la influencia de la actividad parasimpática en el nódulo SA predomina sobre la influencia combinada de las neuronas simpáticas y la adrenalina, con un efecto neto supresor en la frecuencia de disparo. Cualquier aumento en la frecuencia se desencadena normalmente por un aumento de la actividad simpática (y el incremento de las concentraciones de adrenalina) junto con el descenso de la actividad parasimpática. Cualquier descenso de la frecuencia está normalmente causado por cambios hormonales y neurales en sentido opuesto. Según el ritmo cardíaco aumente o descienda, el gasto cardíaco tiende a aumentar o disminuir, respectivamente.
Test rápido 13.6 1. Escribe la ecuación que muestra la relación entre ritmo cardíaco, volumen sistólico y gasto cardíaco. 2. ¿Qué partes del corazón reciben más aferencias por parte de las neuronas autónomas? ¿Qué efecto tiene la actividad autónoma en cada una de estas partes? (Incluye las influencias tanto simpáticas como parasimpáticas.) 3. ¿Qué hormona refuerza los efectos del sistema nervioso simpático en el corazón?
Factores que afectan a la actividad cardíaca: cambios del volumen sistólico El segundo determinante importante del gasto cardíaco es el volumen sistólico. Como el ritmo cardíaco, el volumen sistólico puede variar según el momento dependiendo de varios factores. En las siguientes secciones se examinarán los principales factores que afectan al volumen sistólico: 1) contractilidad ventricular, una medida de la capacidad de los ventrículos de generar fuerza; 2) volumen telediastólico, y 3) poscarga, la presión que tienen que vencer los ventrículos para bombear la sangre al exterior. Como se puede ver a continuación, estas variables también están influenciadas por otra serie de factores, como la actividad neural sobre el corazón, las hormonas, y otras variables físicas que afectan al flujo sanguíneo que entra y sale del corazón.
Influencia de la contractilidad ventricular sobre el volumen sistólico Los dos primeros factores que se acaban de mencionar, la contractilidad ventricular y el volumen telediastólico, afectan ambos al volumen sistólico, porque afectan a la contracción ventricular. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre contractilidad y fuerza contráctil? La respuesta es que un cambio en la contractilidad ventricular significa un cambio en la fuerza de contracción ventricular para cualquier volumen telediastólico. (El término contractilidad puede usarse para describir la capacidad de un músculo para generar fuerza.) Por lo general, cualquier factor que provoque que los ventrículos se contraigan con más fuerza ayudará a que el volumen sistólico sea mayor, lo que aumenta, asimismo, el gasto cardíaco. Esto es cierto independientemente de que el cambio de la fuerza contráctil se deba a un cambio en la contractilidad o a un cambio en el volumen telediastólico. Control nervioso simpático de la contractilidad ventricular La contractilidad ventricular, como el ritmo cardíaco, está regulada por el sistema nervioso autónomo, pero el control autónomo del volumen sistólico se ejerce casi por completo por el sistema nervioso simpático. Las fibras parasimpáticas ejercen muy poca o ninguna influencia sobre la contractilidad ventricular por su escasez en el miocardio ventricular. Como se ha mencionado anteriormente, las neuronas simpáticas se proyectan no solo hacia el sistema de conducción del corazón, sino también a las células musculares que componen el miocardio. Algunas de estas neuronas se proyectan a la aurícula e influyen en la fuerza de contracción auricular. Un aumento de la actividad simpática provoca que la aurícula se contraiga con más fuerza, lo que aumenta la presión auricular y aumenta el volumen de sangre que la aurícula impulsa a los ventrículos. Con mayor importancia, las neuronas simpáticas se proyectan al miocardio ventricular (v. fig. 13.23), donde ejercen una influencia directa sobre la contractilidad ventricular, lo que tiende a aumentar el gasto cardíaco. Las neuronas simpáticas ejercen su influencia sobre la contractilidad ventricular de la siguiente manera: los potenciales de acción de estas neuronas desencadenan la liberación de noradrenalina, que se une a los receptores adrenérgicos B1 de las células contráctiles. La unión de los neurotransmisores de estos receptores activa el sistema de segundos mensajeros cAMP. El cAMP activa las proteínas cinasas, que tienen cuatro efectos diferentes en estas células que aumentan la
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contractilidad (fig. 13.26): 1) aumentan la apertura de los canales de calcio en la membrana plasmática, por lo que aumentan el flujo de calcio al interior de la célula durante el potencial de acción; 2) permiten que se libere calcio desde el retículo sarcoplásmico; 3) aumentan la velocidad de la miosina ATPasa, por lo que aumentan la velocidad del ciclo de los enlaces transversos, y 4) estimulan la velocidad de la actividad de ATPasa-Ca2+ en el retículo sarcoplásmico, que aumenta la recaptación y, a su vez, el nivel de relajación de la célula contráctil. El resultado neto es que, bajo la influencia simpática, las células contráctiles se contraen más rápidamente y con mayor fuerza (fig. 13.27). Para saber más sobre las actividades del sistema nervioso simpático de la función cardíaca, v. «Comprender el ejercicio: Actividad simpática».
Líquido extracelular Noradrenalina o adrenalina
Influencia del volumen telediastólico en el volumen sistólico: ley de Starling
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Canal de calcio tipo L
Adenilato ciclasa
1
Ca2+
cAMP
ATP
Gs
1
Proteína cinasa 3
Actina
Control hormonal de la contractilidad ventricular La contractilidad ventricular está afectada por varias hormonas, entre las cuales se encuentran la insulina, el glucagón y las hormonas tiroideas. Pero, sobre todo, está regulada por la adrenalina. Al igual que la noradrenalina, la adrenalina se une a los receptores beta de las células musculares cardíacas y afecta a los niveles de cAMP intracelulares de la misma forma. Por tanto, la adrenalina aumenta la contractilidad del miocardio, por lo que favorece el aumento del volumen sistólico y el gasto cardíaco.
Aparato cardiovascular: función cardíaca
Canal Ca2+
Retículo sarcoplásmico
2
4 Ca2+
Miosina Ciclo de los enlaces transversos ATPasa Ca2+
Citosol
FIGURA 13.26 Efectos de la actividad simpática sobre la contractilidad ventricular. El sistema nervioso simpático aumenta la fuerza y la velocidad de las contracciones de las células contráctiles ventriculares por: 1) el aumento del desplazamiento de calcio desde el líquido extracelular al citosol; 2) el aumento del desplazamiento de calcio desde el retículo sarcoplásmico al citosol; 3) el aumento del nivel de actividad de la miosina ATPasa, y 4) el aumento de la recaptación de calcio por los retículos sarcoplásmicos.
P
Tensión (g)
Hemos visto que la fuerza de la contracción ¿Cuál es el paso limitante de la velocidad para el ciclo de los enlaces transversos? ventricular está sometida a un control extrínseco. En esta sección se explicará que la fuerza que actúa sobre la contracción ventricular también está bajo control intrínseco. En concreto, la fuerza de contracción ventricular varía en respuesta a la cantidad de miocardio ventricular que se distiende y se llena de sangre. Este efecto se debe a actividad un mecanismo que opera completamente dentro del corazón y simpática no depende de las acciones de factores extrínsecos, como los nervios y las hormonas, lo que es un ejemplo de control intrínseco. El control intrínseco de la función cardíaca está ejemplificado por la ley de Starling del corazón, explicada a continuación: Reposo cuando la velocidad con la que la sangre fluye hacia el corazón desde las venas (es decir, el retorno venoso) cambia, el corazón ajusta automáticamente el gasto cardíaco para que coincida con el aflujo. La base de la ley de Starling se puede advertir en la siguiente observación, llamada el efecto Starling: si se produce un aumento del volumen telediastólico, la fuerza de la contracción ventricular aumenta, produciendo un incremento del voluTiempo men sistólico y del gasto cardíaco; si se produce un descenso del volumen telediastólico, la fuerza de la contracción ventricular FIGURA 13.27 Cambios en la contractilidad ventricular inducidos disminuye produciendo un descenso del volumen sistólico y el por la actividad simpática. La actividad simpática provoca que las células ventriculares se contraigan más rápido y más fuerte. gasto cardíaco.
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Actividad simpática bear la sangre al exterior del corazón, la diástole es esencial para permitir que la sangre vuelva al corazón (si no hay sangre en el corazón, no importa la fuerza con la que este se contraiga). Por tanto, el cuerpo se encuentra con un dilema. En condiciones ideales, la actividad simpática (y la disminución de la actividad parasimpática) aumentaría el gasto cardíaco, condicionando que el corazón lata más deprisa, mientras que mantiene el tiempo de la diástole lo máximo posible. El sistema nervioso
La base fisiológica del efecto Starling está relacionada con el hecho de que el aumento del volumen telediastólico provoca que las fibras musculares del miocardio ventricular se alarguen. Tal estiramiento de las fibras musculares provoca un aumento de la fuerza de contracción mediante dos mecanismos. En primer lugar, a diferencia del músculo esquelético, el corazón tiene una longitud óptima muy superior a la de reposo y nunca se alcanza en un corazón sano. Por tanto, al aumentar la longitud del músculo mediante el aumento del volumen telediastólico, se estiran las fibras musculares, aproximándose a la longitud óptima para la contracción, de forma que se contraerán con más fuerza. En segundo lugar, el estiramiento de las fibras musculares induce un aumento de la afinidad de la troponina por el calcio. Como consecuencia, los enlaces entre la troponina y el calcio aumentan, lo que aumenta el número de enlaces transversos que se activan con cada contracción. Curva de Starling El efecto Starling está ilustrado en la figura 13.28, que muestra un gráfico llamado curva de Starling o curva de la función cardíaca. La curva de Starling es básicamente la curva de tensión-duración tal y como se muestra en la figura 12.18 para el músculo esquelético (pág. 380). El volumen telediastólico es la medida de la longitud de las fibras musculares (a medida que el volumen telediastólico aumenta, las fibras musculares se estiran más). El volumen sistólico es la medida de la tensión muscular cardíaca (a medida que la fuerza de contracción aumenta, también lo hace el volumen sistólico). La principal diferencia entre la curva duración-tensión para el músculo cardíaco y el músculo esquelético es que el músculo cardíaco está siempre funcionando por debajo de su longitud óptima (por ello, la pendiente es positiva de forma continuada). Al interpretar este gráfico y otros parecidos, es importante saber que el volumen sistólico depende de otros factores aparte
autónomo lo hace mediante dos mecanismos: 1) la actividad simpática aumenta no solo el ritmo cardíaco, sino también el tiempo de conducción a través del corazón, por lo que casi no hay retraso entre las contracciones ventricular y auricular, y 2) la contractilidad simpática provoca que el músculo ventricular se contraiga no solo más fuerte, sino también más rápidamente. Por ello, tanto el tiempo de contracción como el de relajación se disminuyen para que el tiempo de la sístole se reduzca.
del volumen telediastólico. Antes en este capítulo vimos que el volumen sistólico estaba influido por la actividad simpática sobre el miocardio ventricular. La curva de la figura 13.28 está trazada asumiendo que el grado de actividad simpática, y todos los demás factores que puedan afectar al volumen sistólico se mantienen constantes. Además, es importante también que esta curva solo corresponde a casos normales de corazones sanos. Normalmente, un aumento en el retorno venoso aumenta el volumen telediastólico, lo que desencadena un aumento del volumen sistólico por el efecto Starling. En una persona cuyo
Volumen sistólico (ml)
Durante el ejercicio, la actividad nerviosa simpática en el corazón comienza a aumentar. El resultado es un incremento tanto en el ritmo cardíaco como en el volumen sistólico. Estos cambios principales se dan al mismo tiempo que otros cambios menos conocidos que son igual de importantes para mantener el buen funcionamiento del corazón. A medida que el ritmo cardíaco aumenta, el tiempo del ciclo cardíaco se abrevia. Recuerda que el ciclo cardíaco está formado por la sístole y la diástole. A pesar de que la sístole es esencial para bom-
2 1 Un aumento en el VTD…
2 … provoca el aumento del volumen sistólico 1
Volumen telediastólico (ml)
FIGURA 13.28 Curva de Starling, que muestra cómo el volumen sistólico cambia en respuesta a los cambios del volumen telediastólico. La curva de Starling muestra el efecto de la longitud muscular (volumen telediastólico) en la tensión producida (volumen sistólico). Es importante saber que la longitud óptima del corazón nunca se alcanza en una persona sana, por lo que el aumento del volumen telediastólico siempre aumenta el volumen sistólico.
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corazón se expande de forma crónica, el estiramiento prolongado del músculo cardíaco puede provocar debilitamiento del tejido conjuntivo, lo que causa que el VTD aumente gradualmente. En un momento dado, el volumen se hace demasiado grande y la curva de la función cardíaca se vuelve negativa (el volumen sistólico disminuye a medida que el volumen telesistólico aumenta). En estas condiciones, el corazón es capaz de generar solo contracciones débiles y, por tanto, no tiene capacidad de modificar su volumen, puesto que no puede expulsar el exceso de sangre acumulada. Los cambios en la actividad simpática o en el volumen telediastólico afectan a la fuerza de contracción, pero mediante diferentes mecanismos, por lo que es posible alterar el volumen sistólico cambiando la actividad simpática sin cambiar el volumen telediastólico o cambiar el volumen telediastólico sin cambiar la actividad simpática. La función cardíaca no se describe con una única curva de Starling, sino con una familia de curvas, resultando cada una de ellas en un valor concreto de la actividad simpática (fig. 13.29). Un aumento de la actividad simpática provoca un desplazamiento de la curva hacia arriba. Como resultado, el volumen sistólico para cualquier volumen telediastólico refleja el hecho de que ha habido un aumento en la contractilidad ventricular. Un descenso en la contractilidad significa que la curva Starling desciende, por lo que el volumen sistólico para cualquier volumen telediastólico dado disminuye. En realidad, el volumen telediastólico y la contractilidad pueden cambiar al mismo tiempo.
Volumen sistólico (ml)
Importancia de la ley de Starling La ley de Starling puede parecer una mera curiosidad sin ninguna importancia especial. Después de todo, si entra más sangre en el corazón, cabe esperar que también salga más, incluso si no existiese el efecto Starling. Pero es importante considerar lo que pasaría si el retorno venoso
Aumento de la actividad simpática Curva inicial Disminución de la actividad simpática
Volumen telediastólico (ml)
FIGURA 13.29 Familia de curvas Starling, que muestran la influencia de la actividad simpática en la contractilidad ventricular. Para cualquier valor de volumen telediastólico, un aumento de la actividad simpática induce un aumento del volumen sistólico, que se refleja como un cambio de dirección hacia arriba en la curva Starling. En las mismas condiciones, un descenso de la actividad simpática condiciona una reducción del volumen sistólico, lo que se traduce en un desplazamiento hacia abajo en la curva. Los cambios hacia arriba o abajo, respectivamente, reflejan aumentos o disminuciones de la contractilidad ventricular. ¿Los cambios de una curva de Starling a otra reflejan el control extrínseco P o intrínseco en la función cardíaca?
Aparato cardiovascular: función cardíaca
389
de repente aumentase mientras que el volumen sistólico no lo hiciera (para simplificar, asumamos que el ritmo cardíaco es constante). Si el gasto cardíaco y el retorno venoso estuvieran al mismo nivel al empezar, si el retorno venoso aumentara sin que lo hiciera el volumen sistólico, el volumen sanguíneo restante en el corazón aumentaría, ya que la cantidad de sangre que saldría del corazón sería menor que la que entra. Con cada latido, el corazón acumularía más sangre, lo que provocaría que, en algún momento, el corazón se ensanchase más de lo normal. Desde este punto de vista, la ley de Starling toma un nuevo significado: al ajustar el volumen sistólico de manera que el gasto cardíaco concuerde con el retorno venoso, el corazón puede regular su tamaño. Algunas enfermedades patológicas pueden llevar a un ensanchamiento crónico del corazón, lo que puede ser nefasto para la función cardíaca por las siguientes razones: a medida que la pared de un ventrículo se estira, el músculo soporta más tensión y, por tanto, le cuesta más mantener la misma presión que la sangre contenida en él (v. «Caja de herramientas: Ley de Laplace»). Si los ventrículos se hacen demasiado grandes, se vuelven incapaces de generar la presión suficiente para mantener el gasto cardíaco adecuado: esta incapacidad se llama insuficiencia cardíaca. Factores que afectan al volumen telediastólico Conforme con la ley de Starling, la fuerza de contracción ventricular (y, por tanto, del volumen sistólico) aumenta o disminuye a medida que lo hace el volumen telediastólico, respectivamente. En cambio, el volumen telediastólico está determinado por varios factores, los cuales influyen indirectamente sobre el volumen sistólico mediante su efecto en el volumen telediastólico. A continuación vamos a analizar los distintos factores que condicionan el volumen telediastólico. El volumen telediastólico viene principalmente determinado por la presión telediastólica, a veces conocida como precarga. La presión telediastólica ventricular se llama precarga, porque proporciona tensión (o carga) al miocardio antes de que empiece a contraerse. Cuando un ventrículo se llena con sangre durante la diástole, el proceso es similar a lo que pasa cuando soplas un globo: a medida que la presión aumenta, el globo se expande. Por tanto, el volumen final de un globo viene determinado por la presión final del aire que está dentro. De forma similar, el volumen telediastólico de un ventrículo está determinado por la presión arterial en el interior del corazón al final de la diástole. A medida que la precarga (presión telediastólica) aumenta, el volumen telediastólico aumenta y el volumen sistólico también, conforme a la Ley de Starling. La precarga viene determinada por varios factores: 1) tiempo de llenado, que depende del ritmo cardíaco, y 2) presión auricular, que está determinada por el retorno venoso y la fuerza de contracción auricular. Cuando el ritmo cardíaco disminuye, el tiempo de llenado aumenta, porque aumenta la duración de la diástole. A un ritmo cardíaco de 60 latidos por minuto, la diástole dura aproximadamente 0,6 s; cuando el ritmo cardíaco aumenta a 180 latidos por minuto, la diástole disminuye a 0,1 s. Como consecuencia de que hay más tiempo para permitir la entrada de sangre en los ventrículos cuando el ritmo cardíaco es bajo, se produce un descenso en el ritmo cardíaco (aumento en el tiempo de llenado) que tiende a aumentar la precarga y el volumen telediastólico. La precarga y el volumen telediastólico también tienden a aumentar cuando la presión auricular aumenta, porque la presión auricular es idéntica a la presión ventricular cuando las válvulas AV están abiertas (es decir, durante la diástole). La pre-
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Ley de Laplace El efecto negativo del aumento de la acción bombeadora del corazón tiene su base en los principios físicos fundamentales: en un vaso que contiene gas o líquido bajo presión constante, como un globo o vaso sanguíneo, la fuerza resultante ejercida por la presión estira las paredes del vaso, creando tensión. Esta tensión ejerce una fuerza hacia dentro que equilibra la fuerza hacia fuera generada por la presión, por lo que el sistema se equilibra y el vaso ni se expande ni se contrae. En vasos esféricos, la tensión de la pared es proporcional a la presión interna (P) y al radio del vaso (R): Tensión =
Por tanto, un vaso esférico tendrá la mitad de tensión en la pared que un vaso cilíndrico del mismo radio. T
P
PR 2
Esta relación es conocida como ley de Laplace. Una consecuencia de la ley de Laplace es que si dos vasos de diferente tamaño contienen gas o líquido con la misma presión, la tensión de la pared es mayor en el vaso más grande. Por tanto, si hay dos pompas de jabón diferentes, la mayor ejerce más presión a causa de su diámetro. Esto explica por qué una pompa más grande explota antes que las pompas pequeñas, si todas las demás condiciones son iguales. El corazón no es esférico, y la relación entre la tensión de la pared, la presión y el tamaño es mucho más compleja, pero se aplica la misma idea: si el ventrículo contiene un mayor volumen de sangre, el músculo de la pared tiene que ejercer una mayor tensión para generar una presión determinada. En los vasos cilíndricos, la tensión de la pared también es proporcional a la presión interna y el radio: Tensión = PR
Vaso esférico PR T = ––– 2
T
P R
Vaso cilíndrico T = PR
sión auricular, a su vez, aumenta en respuesta al aumento del retorno venoso o de la fuerza de la contracción auricular. Como se explicará en el capítulo 14, la influencia más importante sobre el retorno venoso es la presión venosa central, la presión arterial contenida en las principales venas del corazón. Como se explicará más adelante, la presión venosa central está afectada por numerosas variables, como la presión arterial, la actividad muscular, e incluso los cambios de postura (cuando una persona está de pie o tumbada). Si la presión venosa central aumenta, el retorno venoso lo hace también, porque un aumento de la presión condiciona la entrada de más sangre en la aurícula. Esto aumenta la presión auricular, lo que provoca un aumento de la precarga. Consecuentemente, el volumen telediastólico aumenta, lo que aumenta el volumen sistólico mediante el efecto Starling.
sona trata de empujar un vagón para que suba una cuesta: la velocidad del vagón no solo depende de cuánta fuerza ejerce la persona, sino también del peso del propio vagón.) Cuando el corazón expulsa sangre, el músculo trabaja en contra de la presión arterial, de la misma manera que los músculos del aparato respiratorio trabajan en contra de la presión interna del globo que quiere llenarse. Por esta razón, el aumento en la presión arterial tiende a provocar un descenso en el volumen sistólico. Como la presión arterial genera una carga sobre el corazón después de que la contracción empieza, se le llama poscarga. Para el ventrículo izquierdo, la poscarga está determinada por la presión en la aorta durante la eyección. En general, la poscarga aumenta al hacerlo la presión arterial media.
Influencia de la poscarga en el volumen sistólico
Hemos explicado que el volumen sistólico está influenciado por tres factores principales: 1) contractilidad ventricular, que se regula por la adrenalina circulante; 2) volumen telediastólico, que está influenciado básicamente por la presión telediastólica (precarga), y 3) poscarga, que depende de la presión arterial. Es importante recordar que un cambio en el volumen sistólico (y,
Los factores mencionados anteriormente influyen en el volumen sistólico alterando la fuerza de la contracción ventricular. Sin embargo, el volumen sistólico no solo depende de cuánta fuerza ventricular desarrollen los músculos, sino también de la magnitud de la fuerza que se debe vencer. (Imagina que una per-
Resumen de los factores que influyen en el volumen sistólico
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retorno venoso
actividad simpática o adrenalina
Aparato cardiovascular: función cardíaca
actividad de los nervios simpáticos en el corazón
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actividad de los nervios parasimpáticos en el corazón
Ventrículo Miocardio ventricular volumen telediastólico
contractilidad
presión arterial (poscarga)
volumen sistólico
Nódulo SA ritmo cardíaco
volumen sistólico gasto cardíaco Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 13.30 Factores que influyen en el volumen sistólico. FIGURA 13.31 Regulación autónoma del gasto cardíaco. El aumento de la actividad simpática está acompañado normalmente por un descenso de la actividad parasimpática. Como resultado, el ritmo cardíaco y el volumen sistólico tienden a aumentar, lo que incrementa el gasto cardíaco.
por tanto, en el gasto cardíaco) puede ser provocado por cambios en una sola variable (p. ej., por la actividad simpática) o un cambio simultáneo en varias variables (p. ej., un aumento en la actividad simpática con un aumento del volumen telediastólico). Estas variables interactúan también entre ellas y, a su vez, están influenciadas por otras variables, por lo que no siempre es posible determinar la causa del comportamiento del volumen sistólico en cada situación. Sin embargo, ahora debería estar claro que cada variable tiende a influir en el volumen sistólico. Estos factores están resumidos en la figura 13.30.
Integración de los factores que influyen en el gasto cardíaco Hasta ahora hemos centrado la atención en los factores que afectan el ritmo cardíaco y el volumen sistólico individualmente, pero el ritmo cardíaco y el volumen sistólico pueden cambiar simultáneamente, y es el cambio de la combinación de estas dos variables lo que determina si el gasto cardíaco aumenta, disminuye o permanece igual. En cuanto al control extrínseco, el sistema nervioso autónomo afecta tanto al ritmo cardíaco como al volumen sistólico (fig. 13.31). Un aumento en la actividad simpática, por ejemplo, se suele asociar con una reducción de la actividad parasimpática, por lo que ambos determinan un incremento del ritmo cardíaco; el aumento de la actividad simpática también puede provocar que el volumen sistólico aumente. El resultado neto es un aumento del gasto cardíaco. Por el contrario, un descenso de la actividad simpática y el aumento de la actividad parasimpática se combinan para producir el descenso del ritmo cardíaco, el volumen sistólico y el gasto cardíaco. En
cuanto al control intrínseco, el volumen sistólico está afectado por el volumen telediastólico.
Test rápido 13.7 1. ¿Qué es el efecto Starling? ¿Por qué es un ejemplo de control intrínseco? 2. Asumiendo que todas las demás variables permanezcan constantes, explica si el volumen sistólico aumenta o disminuye después de un aumento de las siguientes variables: actividad simpática, volumen telediastólico, poscarga, precarga y tiempo de llenado. 3. ¿Qué es la precarga? ¿Y la poscarga? ¿Cómo afectan cada una de ellas al volumen sistólico?
Integración de sistemas En este capítulo hemos estudiado el corazón, incluyendo cómo bombea sangre por la vasculatura para proporcionar a los tejidos los nutrientes necesarios y para desechar los productos innecesarios. El corazón no puede realizar su función solo: depende de la vasculatura como vía de transporte y de la sangre como sistema transportador por todo el cuerpo. Además, el aparato cardiovascular depende del aparato respiratorio para proporcionar oxígeno a la sangre y eliminar el dióxido de carbono; del tubo digestivo, que proporciona los nutrientes para la sangre, y del hígado y los riñones, que eliminan los productos de desecho de la sangre. En los dos próximos capítulos dedicados al aparato cardiovascular, se explicará en mayor detalle la interdependencia de estos sistemas orgánicos.
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
RESUMEN DEL CAPÍTULO Sinopsis del aparato cardiovascular, pág. 361 El aparato cardiovascular está formado por el corazón, la sangre y los vasos sanguíneos. El corazón es un órgano muscular que posee cuatro cámaras: las aurículas derecha e izquierda, que reciben la sangre cuando regresa al corazón desde la vasculatura, y los ventrículos izquierdo y derecho, que bombean la sangre a toda la vasculatura. Los vasos sanguíneos (arterias, arteriolas, capilares, vénulas y venas) tienen la función de transportar el flujo sanguíneo. La sangre está formada por líquido (plasma), en el que se suspenden los otros componentes (eritrocitos, leucocitos y plaquetas), y tiene la función de medio de transporte que proporciona el oxígeno y los nutrientes necesarios para todas las células del cuerpo, al mismo tiempo que se lleva el dióxido de carbono y otros productos de desecho.
Cardiovascular, Anatomy Review: Blood Vessels, pág. 6 Cardiovascular, Anatomy Review: The Heart, pág. 4 Cardiovascular, Cardiac Action Potential, págs. 4–5 Cardiovascular, Cardiac Cycle, pág. 3
Trayecto del flujo sanguíneo a través del corazón y la vasculatura, pág. 363 La vasculatura está dividida en un circuito pulmonar, que proporciona sangre a los pulmones, y un circuito sistémico, que proporciona sangre a todos los órganos y tejidos del cuerpo. En el circuito pulmonar, la sangre se oxigena y expulsa el dióxido de carbono; en el circuito sistémico, se desoxigena y recoge el dióxido de carbono. La sangre se expulsa del ventrículo derecho a través de la válvula semilunar pulmonar hasta el tronco pulmonar, que se divide en las arterias pulmonares derecha e izquierda, que transportan la sangre a los pulmones. Las venas pulmonares transportan la sangre de los pulmones a la aurícula izquierda. Desde ahí, se desplaza al ventrículo izquierdo. El ventrículo izquierdo bombea la sangre a la aorta, que transporta la sangre a los órganos y tejidos. La sangre vuelve al corazón a través de la vena cava, que la transporta a la aurícula derecha. Desde ahí, la sangre entra en el ventrículo derecho. A diferencia del flujo en serie de la sangre a través de las partes derecha e izquierda del corazón, el flujo sanguíneo se desplaza por el circuito sistémico en forma de flujo paralelo, con diferentes arterias proporcionando sangre oxigenada a los diferentes órganos. Además, la ramificación de los dife-
rentes vasos sanguíneos garantiza que cada lecho de capilares reciba sangre oxigenada.
Anatomía del corazón, pág. 366 El corazón está situado en la cavidad torácica y está rodeada por un saco pericárdico. La mayor parte del corazón está formada por el miocardio. Las válvulas del corazón garantizan un flujo sanguíneo unidireccional: las válvulas auriculoventriculares permiten que la sangre pase de la aurícula al ventrículo, y las válvulas semilunares permiten que la sangre pase del ventrículo a la arteria (ventrículo izquierdo a la aorta y ventrículo derecho al tronco pulmonar).
Cardiovascular, Anatomy Review: The Heart, págs. 6–7
Actividad eléctrica del corazón, pág. 368 Las fibras musculares que componen el sistema de conducción del corazón están especializadas en iniciar potenciales de acción y dirigirlos rápidamente por el miocardio. Las contracciones del corazón están desencadenadas normalmente por los potenciales de acción iniciados por las células marcapasos concentradas en algunas regiones del miocardio. Normalmente, el latido está dirigido por las células marcapasos en el nódulo sinoauricular (SA), situado en la parte superior de la aurícula derecha. Después de cada potencial de acción, las células marcapasos se ralentizan, y se produce una despolarización espontánea (potenciales marcapasos) que consigue despolarizar la membrana hasta el umbral y desencadena el siguiente potencial de acción. En la mayoría de las células contráctiles cardíacas, los potenciales de acción se caracterizan por una amplia fase de meseta, que es resultado de un aumento de la permeabilidad al calcio de la membrana; el flujo de calcio al interior de las células es importante para desencadenar las contracciones musculares del corazón. La actividad eléctrica del corazón puede registrarse mediante la colocación de electrodos en la superficie de la piel, obteniendo un electrocardiograma (ECG), que está formado por tres fases: una onda P, que corresponde a la despolarización auricular; un complejo QRS, que se corresponde con la despolarización ventricular, y una onda T, que se corresponde con la repolarización ventricular
Cardiovascular, Intrinsic Conduction System, págs. 3–4 Cardiovascular, Cardiac Action Potential, pág. 3
Ciclo cardíaco, pág. 378 El ciclo cardíaco está dividido en dos períodos: la diástole (relajación ventricular), durante la cual se produce el llenado ventricular, y la sístole (contracción ventricular), durante la cual se produce la salida de la sangre de los ventrículos (eyección). La presión aórtica varía durante el ciclo cardíaco: aumenta al máximo (presión sistólica, PAS) durante la sístole y disminuye al mínimo (presión diastólica, PAD) durante la diástole. La presión media a través del ciclo, lo que representa la fuerza con la que el flujo sanguíneo se desplaza por el circuito sistémico, es la presión arterial media (PAM). El volumen ventricular desciende al mínimo al final de la sístole (volumen telesistólico, VTS), y aumenta al máximo al final de la diástole (el volumen telediastólico, VTD). La diferencia entre estos volúmenes es el volumen sistólico (VS), el volumen bombeado por cada ventrículo en un latido único.
Cardiovascular, Cardiac Cycle, págs. 4–19 Cardiovascular, Factors That Affect Blood Pressure, pág. 14 Cardiovascular, Cardiac Output, pág. 6 Cardiovascular, Intrinsic Conduction System, págs. 5–6
Gasto cardíaco y su control, pág. 382 El volumen de la sangre bombeada por cada ventrículo por minuto es el gasto cardíaco (GC), que depende del ritmo cardíaco (FC) y el volumen sistólico: GC = FC VS. El corazón está regulado por neuronas y hormonas simpáticas y parasimpáticas (control extrínseco), y por factores que dependen únicamente del corazón (control intrínseco). El ritmo cardíaco, determinado por la frecuencia de disparo del nódulo SA, está completamente bajo control extrínseco. El volumen sistólico está bajo control extrínseco e intrínseco y está influenciado por tres factores principales: la contractilidad ventricular, que está regulada por las neuronas simpáticas y la adrenalina; el volumen telediastólico, que depende de la precarga, y la poscarga, que depende de la presión arterial. La influencia del volumen telediastólico en el volumen sistólico es la base de la ley de Starling, un ejemplo del control intrínseco de la función cardíaca.
Cardiovascular, Cardiac Output, págs. 4–9 Cardiovascular, Blood Pressure Regulation, págs. 4–9
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
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EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. La presión aórtica mínima durante el ciclo cardíaco se alcanza a) inmediatamente después del cierre de la válvula semilunar aórtica. b) inmediatamente antes de la apertura de la válvula semilunar aórtica. c) inmediatamente antes de la apertura de las válvulas auriculoventriculares. d) hacia la mitad de la diástole. e) al final de la sístole. 2. El primer sonido del corazón se produce cuando las válvulas auriculoventriculares se cierran y esto marca el a) final del período de eyección. b) inicio del período de eyección. c) inicio de la sístole. d) inicio de la contracción isovolumétrica. e) c y d son correctas 3. Si se conoce el valor del volumen telediastólico, la única otra cosa que se necesita saber para determinar el volumen sistólico es a) la poscarga. b) la contractilidad ventricular. c) el volumen telesistólico. d) el ritmo cardíaco. e) el gasto cardíaco. 4. Como resultado del efecto Starling, el volumen sistólico debería aumentar después del aumento en a) la presión arterial media. b) el ritmo cardíaco. c) la actividad simpática. d) la poscarga. e) la precarga. 5. Las actividades simpática y parasimpática del nódulo SA influyen sobre a) el tiempo de llenado ventricular. b) la contractilidad ventricular. c) la poscarga. d) la contractilidad auricular. e) todo lo anterior 6. ¿Cuál de los siguientes contiene sangre desoxigenada? a) ventrículo derecho b) ventrículo izquierdo c) venas pulmonares d) aorta e) a y c son correctas 7. ¿Cuál de los siguientes no aparece normalmente en un ECG? a) despolarización auricular b) repolarización auricular c) despolarización ventricular d) repolarización ventricular e) ninguna de las anteriores
8. El segundo sonido del corazón se produce cuando las válvulas semilunares se cierran, lo que marca el a) final del período de eyección. b) inicio del período de eyección. c) inicio de la sístole. d) inicio de la contracción isovolumétrica. e) c y d son correctas 9. El complejo QRS del ECG se debe a la a) despolarización auricular. b) repolarización auricular. c) despolarización ventricular. d) repolarización ventricular. e) apertura de las válvulas AV. 10. Cuando una onda del potencial de acción se desplaza por los ventrículos, hay un retraso momentáneo de alrededor de 0,1 s como resultado de la lenta conducción por a) el nódulo SA. b) el nódulo AV. c) el haz auriculoventricular. d) las ramas derechas e izquierdas del haz. e) las fibras de Purkinje. 11. ¿Cuál de los siguientes tiene más probabilidad de disminuir el volumen sistólico del ventrículo izquierdo? a) aumento en la presión arterial media b) aumento en la presión telediastólica c) aumento en el volumen telediastólico d) aumento de la actividad de los nervios simpáticos en el corazón e) aumento de la presión nerviosa central 12. La presión del ventrículo izquierdo y la presión aórtica son prácticamente idénticas durante a) la contracción isovolumétrica. b) la relajación isovolumétrica. c) la diástole. d) la sístole. e) el período de eyección.
Preguntas objetivas 1. El ritmo cardíaco se determina normalmente por la frecuencia de potenciales de acción en los nódulos (SA/AV). 2. Según el efecto Starling, el volumen sistólico aumentaría si el volumen telediastólico (aumenta/disminuye). 3. El ritmo cardíaco está determinado completamente por la frecuencia inherente de potenciales de acción en las células del nódulo SA sin ninguna influencia externa. (verdadero/falso)
4. El flujo sanguíneo del circuito sistémico está dirigido por las contracciones del ventrículo (derecho/izquierdo). 5. La válvula situada en la unión entre el ventrículo izquierdo y la aorta es un ejemplo de una válvula (semilunar/auriculoventricular). 6. La (contracción isovolumétrica/eyección) se produce inmediatamente después de la diástole. 7. La presión aórtica máxima durante el ciclo cardíaco se llama presión (sistólica/ diastólica). 8. En condiciones normales, la presión de los ventrículos derecho e izquierdo es igual durante la sístole. (verdadero/falso) 9. El volumen sistólico y ———— determinan completamente el gasto cardíaco. 10. Si el volumen telediastólico no cambia, pero el volumen telesistólico disminuye, el volumen sistólico (aumenta/disminuye). 11. Si el volumen telediastólico no cambia, pero el volumen telesistólico disminuye, la fracción de eyección (aumenta/disminuye). 12. Si las actividades simpática y parasimpática son constantes y el volumen telediastólico aumenta, la contractilidad del miocardio ventricular aumenta. (verdadero/falso) 13. El período de relajación del corazón se conoce como ————. 14. La onda (P/T) del ECG corresponde con la repolarización ventricular. 15. Los potenciales de acción generados por las células marcapasos se llaman potenciales marcapasos. (verdadero/falso)
Preguntas abiertas 1. Explica la regulación autónoma de la función cardíaca. Incluye una descripción de los efectos de la actividad autonómica en el nivel y fuerza de la contracción ventricular. Se pueden utilizar las curvas de Starling para aclarar las explicaciones. 2. Describe el proceso de propagación de los potenciales de acción por el corazón. Incluye una descripción de la función de las células marcapasos y las uniones comunicantes en la actividad eléctrica cardíaca. 3. Explica la interacción de las diferentes influencias en el volumen sistólico. Asegúrate de incluir una explicación sobre el
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Aparato cardiovascular: función cardíaca
efecto Starling y la influencia de las neuronas autónomas. Se pueden utilizar gráficos y esquemas en la explicación. 4. Aclara la diferencia entre la contractilidad ventricular y la fuerza de contracción. Se pueden utilizar gráficos o esquemas.
Pensamiento crítico 1. Ana se ha entrenado para el maratón durante 6 meses. Su ritmo cardíaco en reposo es de 50 latidos por minuto y su presión arterial es de 105/75. Su compañera de piso, Susana, ve la televisión durante mucho tiempo y su ritmo cardíaco en reposo es de 85 latidos por minuto y la presión arterial es de 135/85. Ambas chicas tienen el mismo gasto cardíaco de 5 l/min. Determina el volumen sistólico y la presión arterial media. Según el resultado, ¿qué corazón funciona más eficientemente?
2. Las arritmias cardíacas se tratan a menudo con verapamilo, un tipo de bloqueador del canal de calcio de tipo L. Explica los efectos de dichos bloqueadores de calcio en el corazón. Incluye los efectos en la conducción y contracción. ¿Qué tipo de arritmias podrían tratarse con este medicamento?
sangre retroceda. ¿Dónde está la válvula mitral? ¿Con qué sonido del corazón podría asociarse el ruido provocado por el prolapso de la válvula mitral? Describe los cambios en la función cardíaca que pueden resultar en casos graves de prolapso de la válvula mitral.
3. El daño de una válvula se puede detectar a menudo mediante la auscultación con un estetoscopio, ya que los daños en las válvulas producen soplos. El prolapso de la válvula mitral es el resultado de un defecto en la válvula y provoca que la
4. En el ECG siguiente, señala todas las ondas P, QRS y T. ¿Qué anomalía se puede advertir inmediatamente? Según los conocimientos adquiridos sobre la conducción del corazón, determina qué anomalía se puede encontrar en este caso.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial ¿Alguna vez te has levantado demasiado rápido y te has mareado? La mayoría de la gente ha experimentado esta sensación, llamada hipotensión ortostá-
14
tica. Cuando una persona se levanta, la fuerza gravitatoria empuja la sangre desde la parte superior del cuerpo hacia las piernas. Esto disminuye la cantidad de sangre que vuelve al corazón, lo que (como aprendimos en el capítulo anterior) disminuye el volumen sistólico y, por tanto, el gasto cardíaco. Con menos cantidad de sangre en la vasculatura, la presión arterial disminuye, lo que se llama hipotensión. La presión es la fuerza motora del flujo sanguíneo, por lo que la cantidad de sangre que llega al cerebro puede verse disminuida, causando los síntomas del mareo. Como se explicará en este capítulo, la presión arterial y el flujo sanguíneo en los órganos están regulados, en la mayoría de los casos, por el adecuado suministro de oxígeno y nutrientes a los órganos y tejidos. Por tanto, aunque a veces se puedan producir mareos al levantarse, normalmente el aparato cardiovascular se adapta rápidamente y mantiene el flujo sanguíneo adecuado en el cerebro para que el cuerpo pueda cambiar de posición sin problema.
CONTENIDOS Leyes físicas que regulan el flujo sanguíneo y la presión arterial 396 Sinopsis de la vasculatura Arterias
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Arteriolas
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Capilares y vénulas Venas
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Microfotografía electrónica en color de una arteriola.
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Sistema linfático
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Presión arterial media y su regulación
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Otros procesos reguladores cardiovasculares 429
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
OBJETIVOS
Describir la física del flujo sanguíneo por los vasos sanguíneos. Explicar el concepto de gradientes de presión y resistencia.
Describir la anatomía de la vasculatura y explicar las propiedades funcionales básicas de los diferentes tipos de vasos sanguíneos.
Explicar la función de las arteriolas en el cambio de resistencia. Describir cómo el control intrínseco de la resistencia vascular regula el flujo sanguíneo de los órganos. Explicar la función del control extrínseco del radio de la arteriola para determinar la presión arterial media.
Explicar cómo se intercambian sustancias entre la sangre y el intersticio. Describir las fuerzas que provocan el flujo en masa de líquidos a través de las paredes capilares.
Explicar cómo la presión arterial media influye en el flujo sanguíneo a órganos individuales y al circuito sistémico completo, e identificar los factores que determinan la presión arterial media.
Describir qué es el reflejo barorreceptor arterial y explicar cómo se regula la presión arterial media.
Describir cómo el cambio en los niveles de dióxido de carbono en las arterias, el calor corporal y el ejercicio afectan a la función cardiovascular y la presión arterial media.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Difusión a través de las membranas, pág. 102
Leyes físicas que regulan el flujo sanguíneo y la presión arterial La vasculatura es muy parecida a un complejo sistema de tuberías que se despliega por el cuerpo, por lo que las leyes físicas fundamentales que describen el flujo de cualquier líquido a través de un sistema de tuberías también se aplica al flujo sanguíneo del aparato cardiovascular. La regla más relevante en este sentido que nos ocupa afirma que la velocidad de flujo de un líquido (volumen de líquido que fluye por unidad de tiempo) a través de una tubería es directamente proporcional a la diferencia de presión entre los dos extremos de la tubería (gradiente de presión) e inversamente proporcional a la resistencia de la tubería: Flujo = gradiente de presión/resistencia = $P/R El valor de $P, la magnitud del gradiente de presión, representa la fuerza de gradiente que empuja al flujo de líquidos a través de la tubería; el valor de R, la resistencia, es la medida de los diversos factores que dificultan el flujo de un líquido por una tubería. Esta regla es tan esencial para la comprensión del flujo sanguíneo que constituye el punto de partida para todas las explicaciones sobre el flujo, la presión y la resistencia en el aparato cardiovascular. Es tan universal, que se puede aplicar a líquidos que fluyen por un vaso sanguíneo único o una tubería, así como a un sistema de tuberías o de vasos sanguíneos, independientemente de su complejidad. Como veremos en el capítulo 16, también se aplica al flujo de aire que entra y sale de los pulmones. A continuación se examinarán los principios básicos que afectan el modo en que los gradientes de presión y la resistencia intervienen en el flujo sanguíneo en vasos individuales, así como en redes de vasos. Primero se examinarán los gradientes de presión.
2. Ósmosis, pág. 112 3. Sistema nervioso autónomo, pág. 304 4. Músculo liso, pág. 353 5. Factores que afectan al gasto cardíaco, pág. 383
E
n el capítulo 13 se explicó que el gasto cardíaco, la velocidad a la que el corazón bombea sangre a la vasculatura, está regulado por el control del ritmo cardíaco y el volumen sistólico. El sistema nervioso autónomo regula el ritmo cardíaco mediante la actividad neuronal en el nódulo sinoauricular (SA) y el volumen sistólico a través de la actividad neuronal en el miocardio. También se produce una regulación intrínseca del volumen sistólico. Ahora nos centraremos en la vasculatura. El flujo sanguíneo de los órganos y la presión arterial están regulados por control extrínseco e intrínseco. En el capítulo 12 se explicó que el músculo liso puede estar regulado por factores intrínsecos, el sistema nervioso autónomo y algunas hormonas. En este capítulo se explicará cómo el músculo liso de las arteriolas se adapta por los controles intrínsecos, para regular el flujo sanguíneo de los órganos y por los controles extrínsecos, para regular la presión arterial. Empezaremos por un repaso de las leyes físicas que afectan al flujo sanguíneo a través de la vasculatura. Más tarde se explicarán los tipos de vasos sanguíneos que conforman la vasculatura y sus papeles en la función cardiovascular. En la última parte de este capítulo se describirá la presión arterial, incluyendo cómo se regula mediante el control autónomo de la vasculatura y el corazón.
Gradientes de presión en el aparato cardiovascular Cuando se sopla un globo, se expande a causa de que la presión que ejerce el aire en el interior del globo es mayor que la presión que el aire ejerce en el exterior. Si se apartan los dedos de la boquilla del globo, el aire se escapa por la misma razón (la presión del aire es mayor dentro del globo que en el exterior). Si existe una diferencia de presión entre dos lugares, el gradiente de presión conduce el flujo de la región con mayor presión a la de menor presión, o a favor del gradiente de presión. El aire que se escapa del globo, al igual que el flujo sanguíneo a través del aparato cardiovascular, es un ejemplo del flujo en masa. Independientemente de si el medio que fluye es gas o líquido, la fuerza de gradiente para el flujo en masa es siempre un gradiente de presión, y la dirección del flujo es siempre a favor del gradiente, desde la región con mayor presión a la de menor presión. Esta regla se aplica al flujo sanguíneo y a todos los ejemplos de flujo en masa que se producen en el cuerpo, como el flujo de aire que entra y sale de los pulmones.
Función de los gradientes de presión en el flujo sanguíneo Como se explicó en el capítulo 13, la función primaria del corazón es generar la presión que conduce el flujo sanguíneo a través de la vasculatura. Estrictamente, sin embargo, no es una presión absoluta la que conduce el flujo sanguíneo, sino más bien un gradiente
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
de presión. Al impulsar la sangre en las arterias, el corazón aumenta la presión arterial media, lo que crea una diferencia en la presión entre las arterias y las venas, que empuja el flujo sanguíneo. La figura 14.1 muestra un modelo útil para explicar la relación entre la presión y el flujo en los vasos sanguíneos. En este diagrama, un tubo o «vaso sanguíneo» conecta con dos grandes reservorios que contienen líquido. La distancia vertical del vaso a la superficie del líquido, la llamada columna hidrostática, determina la presión en ambos extremos del vaso. La presión también depende de la densidad del líquido (su masa por unidad de volumen), que se asume que permanece constante. Una columna hidrostática mayor corresponde con una presión mayor. (Se puede advertir el efecto
100 mmHg P = 40 mmHg 60 mmHg Flujo Flujo = 20 ml/min (a)
P = 0 mmHg
Flujo = 0
397
de una columna hidrostática al bucear bajo el agua. Cuanto más profundo se bucea, más presión ejerce el agua sobre el cuerpo.) Cuando el nivel del líquido es diferente en las dos partes (v. fig. 14.1a), se produce un gradiente de presión y el líquido fluye a una velocidad de 20 ml/min desde la zona con mayor presión del tubo (100 mmHg) a la de menor presión (60 mmHg), o a favor de gradiente de presión ($P = 40 mmHg). Como resultado, el nivel de una parte desciende y el otro aumenta hasta que el nivel se equilibra (v. fig. 14.1b), y el flujo se detiene, puesto que ya no existe un gradiente de presión. La figura 14.1c ilustra que la velocidad de flujo a través del tubo depende solo de la diferencia entre las presiones en ambos extremos, no de la presión absoluta. Cuando el nivel del líquido aumenta en ambos extremos, la presión en ambas partes también lo hace. Sin embargo, si la diferencia entre los niveles permanece constante (cuando la $P es todavía igual a 40 mmHg), el flujo no cambia (el flujo todavía es igual a 20 ml/min).
Gradientes de presión a través de los circuitos pulmonar y sistémico En el circuito sistémico, la presión arterial media (PAM, la media de presión en la aorta durante el ciclo cardíaco) es aproximadamente de 85 mmHg. En el otro extremo del circuito, en las grandes venas de la cavidad torácica que llevan a la aurícula derecha, la presión (conocida como presión venosa central, PVC) es aproximadamente de 2 a 8 mmHg, y la presión en la vena cava justo al salir de la aurícula derecha es de aproximadamente 0 mmHg. La diferencia entre la presión arterial media y la presión venosa central constituye el gradiente de presión que conduce el flujo sanguíneo a través del circuito sistémico. La presión venosa central es tan pequeña, que se puede simplificar la descripción del flujo a través del circuito sistémico ignorando la PVC (esta omisión disminuye la exactitud al determinar el gradiente de presión, pero simplifica altamente la descripción de los gradientes de presión). Por tanto, el gradiente de presión ($P) que conduce el flujo sanguíneo a través del circuito sistémico se equipara a la presión arterial media (fig. 14.2).
(b)
200 mmHg P = 40 mmHg 160 mmHg
Flujo Flujo = 20 ml/min (c)
FIGURA 14.1 Modelo que relaciona el flujo sanguíneo con el gradiente de presión. Un único vaso sanguíneo se representa por un tubo que contiene dos reservorios, en los cuales la profundidad del líquido determina la presión. (a) La diferencia en las presiones de los dos reservorios produce un gradiente de presión ($P) de 40 mmHg, creando un flujo de 20 ml/min como indica la flecha. (b) Cuando el nivel del líquido es igual en ambas partes, el gradiente de presión es cero y, por tanto, el flujo es cero también. (c) Cuando los niveles de ambas reservas aumentan de manera que el $P permanece a 40 mmHg, el flujo permanece a 20 ml/min, indicando que el gradiente de presión determina el flujo, no la presión absoluta.
Presión de la vena cava = 0 mmHg Órganos sistémicos
Aurícula derecha
Aurícula izquierda
Corazón
Ventrículo Ventrículo derecho izquierdo P = 85 – 0 = 85 mmHg
Presión aórtica = 85 mmHg (PAM)
FIGURA 14.2 Un gradiente de presión es la fuerza que regula el flujo sanguíneo. La presión aórtica media es de alrededor 85 mmHg, mientras que la presión en la vena cava es casi cero cuando desemboca en el corazón. Esto crea un gradiente de presión de 85 mmHg, lo que representa la fuerza general que impulsa el flujo sanguíneo a través del circuito sistémico. Es importante saber que el gradiente de presión es casi idéntico a la presión arterial media (PAM).
Presión media (mmHg)
100
75
Venas
Vénulas
Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial Capilares
Arterias
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Arteriolas
398
P = 40 mmHg Descenso de presión:
Circuito sistémico
Baja resistencia
A
Flujo = 20 ml/min
Alta resistencia
B
Flujo = 10 ml/min
FIGURA 14.4 Efecto de la resistencia sobre el flujo. En este modelo, 50
25
Circuito sistémico Circuito pulmonar Circuito pulmonar
dos vasos sanguíneos están representados en forma de dos tubos (A y B) que conectan los reservorios. Aunque el gradiente de presión es el mismo (40 mmHg) para ambos vasos, la sangre fluye por el vaso B a menor velocidad que por el vaso A. El vaso B tiene menos diámetro, por lo que tiene mayor resistencia que el vaso A. Si la diferencia de presión disminuye a 20 mmHg, ¿cuál será la velocidad P de flujo en el tubo A? ¿Y en el tubo B?
FIGURA 14.3 Presiones y descensos de presión en los circuitos sistémico y pulmonar. El descenso de presión representa el gradiente de presión del flujo sanguíneo a través del circuito.
El flujo sanguíneo a través del circuito pulmonar también está dirigido por el gradiente de presión (la diferencia entre la presión en las arterias pulmonares y la presión en las venas pulmonares). Sin embargo, el gradiente de presión es menor que el que conduce la sangre por el circuito sistémico, ya que la presión arterial pulmonar es menor que la presión aórtica (fig. 14.3). Durante el ciclo cardíaco, la presión arterial pulmonar media es de alrededor de 15 mmHg, a diferencia de la aorta, con unos valores aproximados de 85 mmHg. La presión venosa pulmonar, al igual que la presión venosa central, es cercana al 0. Ambos circuitos pulmonares y sistémicos deben transportar el mismo volumen de sangre. Según la regla de flujo, si el gradiente de presión que conduce el flujo sanguíneo a través del circuito pulmonar es relativamente bajo, entonces la resistencia también debe ser baja, tal y como se describe a continuación.
Resistencia en el aparato cardiovascular En el capítulo 13 se explicó con gran detalle que el flujo sanguíneo a través del circuito pulmonar es idéntico al del circuito sistémico (alrededor de 5 l/min en estado de reposo). Sin embargo, si el gradiente de presión en el circuito pulmonar es más bajo que en el circuito sistémico, ¿cómo es posible tener el mismo flujo sanguíneo en los dos circuitos? La respuesta se puede deducir de la regla de flujo, flujo = $P/R: el circuito pulmonar ofrece menos resistencia (debido a sus características físicas), por lo que un gradiente de presión menor puede conseguir el mismo flujo. Ahora se examinarán los factores que determinan la resistencia de los vasos sanguíneos individuales y la de las redes de vasos, como los circuitos pulmonar y sistémico.
Resistencia de los vasos sanguíneos individuales La resistencia de cualquier tubo (incluyendo los vasos sanguíneos) es la medida del grado por el cual el tubo determina o resiste el flujo de líquido que pasa por su interior. Según la norma del flujo, es evidente que, para un gradiente de presión determinado, un vaso con gran resistencia aceptará un flujo menor
(fig. 14.4). Dicho de otra manera, para un gradiente de presión determinado, el flujo será mayor cuando haya menos resistencia, puesto que es más fácil que el flujo pase.
Comprueba tus conocimientos En el capítulo 7 se explicó la resistencia a los flujos de corriente y hay muchos puntos en común con la resistencia del flujo sanguíneo. Compara la ley de Ohm con la regla del flujo, describiendo los puntos en común y las diferencias. Si alguna vez has bebido líquido a través de una pajita, has sido testigo de los efectos de la resistencia. Es fácil darse cuenta de que es más fácil beber por una pajita ancha que por una estrecha, y que es más fácil beber a través de una pajita corta que por una larga. También es más difícil beber un batido con una pajita que un refresco. La resistencia, por tanto, depende de las dimensiones físicas del tubo y de las propiedades del líquido que lo atraviesa. Influyen, sobre todo, el radio y la longitud del tubo, así como la viscosidad del líquido («grosor» o «densidad»). El efecto de estos factores del flujo sanguíneo se describe a continuación de forma matemática en la «Caja de herramientas: Ley de Poiseuille». 1. Radio del vaso. Los cambios en la resistencia del flujo sanguíneo en el aparato cardiovascular casi siempre son resultado de cambios en los radios de los vasos sanguíneos: cuando el radio disminuye, la resistencia aumenta. Una disminución del radio de un vaso sanguíneo se llama vasoconstricción; un aumento del radio de un vaso se llama vasodilatación. 2. Longitud del vaso. Aunque los vasos más largos tienen mayor resistencia que los cortos (mientras que todo lo demás permanezca igual), los cambios en la resistencia vascular casi nunca se deben a cambios en la longitud del vaso; los vasos no cambian de longitud a menos que una persona esté en crecimiento. 3. Viscosidad de la sangre. La resistencia vascular aumenta a medida que la viscosidad aumenta, pero la viscosidad de la sangre no fluctúa en gran medida bajo condiciones normales. El principal determinante de la viscosidad de la sangre
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
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C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Ley de Poiseuille Un líquido que se desplaza por un tubo o vaso sanguíneo soporta una resistencia, de la cual una parte se debe a las fuerzas de fricción entre el líquido y las paredes del tubo o vaso. La fricción dentro del propio líquido también contribuye a dicha resistencia, por lo que algunos fluidos, como las molasas, fluyen más despacio que otros líquidos, como el agua. La velocidad a la que un líquido se mueve varía de un lugar a otro a medida que el líquido se desplaza. Por tanto, las capas de líquidos que se mueven a diferentes velocidades también sufren rozamiento entre ellas, lo que crea una fricción y disipa energía. Para un líquido que se mueve suavemente a través de un tubo cilíndrico, la
resistencia (R) se calcula según la siguiente ecuación, que se llama ley de Poiseuille:
es la concentración de células y proteínas en la sangre; cuando estas aumentan, la viscosidad de la sangre también lo hace. Ni la concentración de proteínas ni la de células en la sangre cambian a corto plazo, pero pueden cambiar durante las adaptaciones. Por ejemplo, la concentración de glóbulos rojos aumenta cuando una persona se expone a grandes altitudes (porque el aire contiene menos oxígeno).
ye desde el corazón atraviesa el circuito sistémico, el flujo es igual al volumen de sangre que fluye por el circuito cada segundo, o gasto cardíaco (GC). Además, ya se ha mostrado que el flujo de sangre viene regulado por el gradiente de presión representado por la diferencia entre la presión arterial media (PAM) y la presión venosa central, y que este gradiente de presión es prácticamente idéntico a la PAM. Finalmente, la resistencia del circuito sistémico es la resistencia periférica total (RPT). Por tanto, sustituyendo estas variables en la regla del flujo:
Resistencia de las redes de vasos sanguíneos: resistencia periférica total A pesar de que hasta ahora se ha limitado este estudio a los vasos sanguíneos individuales, una red de vasos sanguíneos (como los circuitos pulmonar o sistémico, la vasculatura interna de un órgano, o incluso un simple lecho capilar) también tiene una resistencia. Para las redes de vasos sanguíneos, las normas que afectan al flujo, la presión y la resistencia son fundamentalmente iguales que para vasos individuales: para cualquier red, el flujo total aumenta en proporción al gradiente de presión a lo largo de la red y disminuye a medida que la resistencia de la red aumenta. Como podemos esperar, la resistencia de una red vascular depende de la resistencia de todos los vasos sanguíneos que contiene. Cualquier factor que provoca un aumento o reducción de la resistencia de los vasos individuales de una red también tiende a provocar el respectivo aumento o disminución de resistencia en la red entera. Por tanto, la vasoconstricción en cualquier punto de una red de vasos sanguíneos tiende a aumentar la resistencia de la red, mientras que la vasodilatación en cualquier punto de la red tiende a disminuir la resistencia de la red. En el circuito sistémico, las resistencias combinadas de todos los vasos sanguíneos dentro del circuito se conocen, en total, como resistencia periférica total (RPT).
Relación entre los gradientes de presión y la resistencia en la circulación sistémica Se puede expresar la relación entre la presión, resistencia y flujo en el circuito sistémico al sustituir algunos valores en la regla del flujo, F = $P/R. Primero, como toda la sangre que flu-
R =
8LH Pr4
donde L es la longitud, H es la viscosidad del líquido y r es el radio interno del tubo. Es importante saber que la resistencia está fuertemente afectada por el diámetro interno del tubo, porque depende de la cuarta potencia del radio. Por tanto, si un tubo es la mitad de ancho que otro de la misma longitud, su resistencia es 16 veces mayor.
GC = PAM/RPT Ahora que se entiende la física que afecta al flujo sanguíneo, se describirán los diferentes componentes de la vasculatura, y su papel en el flujo sanguíneo y el intercambio de sustancias entre la sangre y el intersticio.
Test rápido 14.1 1. ¿Qué es un gradiente de presión? ¿Dónde están los gradientes de presión en la vasculatura? 2. ¿Cuáles son algunos de los factores que afectan a la resistencia de la vasculatura? ¿Qué efectos tiene la resistencia en el flujo sanguíneo?
Sinopsis de la vasculatura Los vasos sanguíneos se clasifican según transporten sangre desde o hasta el corazón y según su tamaño. Las arterias y las arteriolas transportan sangre del corazón a los capilares, que están drenados por vénulas y luego venas, que devuelven la sangre al corazón (fig. 14.5). Las arteriolas, capilares y vénulas se pueden ver solo con la ayuda de un microscopio y, por tanto, se denominan microcirculación. Todos los vasos sanguíneos poseen una cavidad interior hueca llamada luz, por la cual fluye la sangre; la luz de todos los vasos sanguíneos está recubierta por una capa de epitelio llamada endotelio. Alrededor de la luz existe una pared que varía en grosor y composición en cada tipo de vaso.
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial Sangre oxigenada del corazón
Sangre desoxigenada de vuelta al corazón
Válvula
Tejido conjuntivo
Músculo liso
Endotelio
Luz Microcirculación Arteriola
Vénula
Red de capilares Arteria
Vena
Membrana basal
Endotelio
Capilar
FIGURA 14.5 Relaciones del flujo sanguíneo según el tamaño y la dirección del flujo sanguíneo en el circuito sistémico. La flecha del margen superior izquierdo representa la sangre oxigenada (rojo) que llega del corazón, mientras que la flecha en el margen superior derecho representa la sangre desoxigenada (azul) que vuelve al corazón. Es importante ver la diferencia en el diámetro de la luz y el grosor de la pared entre las arterias y venas, y la presencia de las válvulas unidireccionales de las venas.
Los más pequeños de todos los vasos sanguíneos, los capilares, están formados por una capa de células endoteliales y una membrana basal; las paredes de todos los vasos sanguíneos contienen diferentes cantidades de músculo liso y tejido conjuntivo fibroso y/o elástico (fig. 14.6). Dentro del tejido conjuntivo se encuentran fibras extracelulares formadas por una proteína llamada colágeno, que proporciona fuerza de tracción a las paredes de los vasos, permitiendo que soporten la presión arterial sin romperse. El tejido conjuntivo elástico contiene fibras de una proteína altamente elástica llamada elastina, que permite que los vasos sanguíneos se expandan o se contraigan a medida que la presión arterial cambie. A continuación se examinarán la estructura y función de los diferentes tipos de vasos sanguíneos, empezando por las arterias.
Arterias Las arterias conducen la sangre desde el corazón por todos los tejidos del organismo. La arteria más grande, la aorta, tiene un diámetro interno de alrededor de 12,5 mm y una pared de alrededor de 2 mm de grosor. Las arterias más pequeñas que se ramifican desde la aorta tienen un diámetro interno que varía de 2 a 6 mm y una pared de alrededor 1 mm de grosor, y estas se siguen ramificando en arterias de menor diámetro. Las mayores arterias tienen menos resistencia al flujo sanguíneo, por lo que sirven como un conductor rápido a través del cual la sangre viaja. Las paredes de las grandes arterias contienen grandes cantidades de tejido fibroso y elástico, permitiendo que soporten las relativamente grandes presiones de la sangre, que son mayores en estos vasos que en ningún otro lugar de la vasculatura.
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
Diámetro interno Grosor medio medio (mm) de la pared (mm)
4
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Características especiales
1
Muscular, altamente elástica
Arteria
0,03
0,006
Muscular, bien inervada Arteriola
0,008
0,0005
Pared delgada, muy permeable Capilar
0,02
0,001
Pared delgada, algo de músculo liso Vénula
5
0,5
Pared delgada (en comparación con las arterias), bastante muscular, muy elástica
Vena = Endotelio = Músculo liso = Tejido conjuntivo
Grosor de la pared Diámetro interno
FIGURA 14.6 Características estructurales de los cinco tipos de vasos sanguíneos.
A medida que las arterias se ramifican en arterias más pequeñas, la cantidad de tejido elástico de las paredes disminuye, mientras que la cantidad de músculo liso aumenta. Las arterias de menos de 0,1 mm (100 micras) de diámetro pierden la mayor parte de sus propiedades elásticas y son llamadas algunas veces arterias musculares. El músculo liso permite la regulación del radio de las pequeñas arterias de una manera similar a la descrita para las arteriolas.
Arterias: un reservorio de presión El grosor de las paredes arteriales, junto con la abundancia relativa de tejido elástico, da a la arteria tanto rigidez como la capacidad de expandirse y contraerse según la presión arterial aumenta o disminuye con los latidos. Esta combinación de rigidez y flexibilidad permite que las arterias desempeñen una de sus funciones principales: actuar como un reservorio de presión
(almacén de presión) para asegurar un flujo continuo y suave de sangre por toda la vasculatura incluso cuando el corazón no bombea sangre (diástole). La figura 14.7 ilustra el concepto de reservorio de presión. A medida que las paredes arteriales se expanden debido al aumento del volumen durante la sístole, las fibras de elastina actúan como un muelle que se estira. Esta fuerza elástica se almacena tanto que, durante la diástole, cuando ya no entra más sangre en las arterias, las paredes se pliegan hacia el interior, impulsando la sangre hacia adelante. Por tanto, la sangre se mueve continuamente por la vasculatura, impulsada durante la sístole por la eyección de sangre desde el corazón y durante la diástole por la retracción elástica de las paredes arteriales. Aunque la sangre fluye continuamente, la palpitación de las arterias, como la de la arteria radial de la muñeca, muestra un pulso. El pulso está provocado por una onda de presión que viaja por las arterias en respuesta a la sangre que es impulsada a las
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial Presión de expansión por el aumento de volumen
Válvula aórtica
Flujo
Flujo
Ventrículo izquierdo
Arterias (a) Sístole
Válvula aórtica
A los órganos sistémicos
ción de la presión arterial, que alcanza el mínimo justo antes de la siguiente sístole. La presión de la aorta se llama presión arterial. En el capítulo 13 se explicó que la presión ventricular disminuye a 0 mmHg, mientras que la presión arterial permanece elevada. La presión en las arterias durante la diástole se debe a la propiedad de retracción elástica descrita anteriormente. A medida que las paredes arteriales se pliegan hacia el interior, ejercen una fuerza en la sangre, aumentando la presión. La presión arterial varía a lo largo del ciclo cardíaco, por lo que la presión máxima se produce durante la sístole y se llama presión sistólica, mientras que la mínima se observa en la diástole y se llama presión diastólica. La presión arterial media durante el ciclo cardíaco es la presión arterial media (PAM).
Pliegue elástico
Medida de la presión arterial
Cuando se toma la tensión, lo que se está midiendo exactamente es una estimación de la presión arterial. Flujo No hay una manera práctica de medir la presión aórtica directamente, por lo que normalmente se mide en la arteria braquial, que pasa por el antebrazo. La Ventrículo presión que se mide de esta manera es similar a la preizquierdo sión aórtica, porque la arteria braquial no está lejos del corazón y también tiene la misma longitud que la Arterias aorta. (La presión arterial tiende a ser más baja en la parte inferior del cuerpo y más alta en la parte supe(b) Diástole rior, debido a la fuerza de gravedad.) FIGURA 14.7 Función de las arteriolas como reservorio de presión. Las flechas Cuando los médicos toman la presión arterial, utide flujo indican el movimiento de entrada y salida de la sangre en las arterias. Las flechas de lizan un aparato llamado esfigmomanómetro, que presión indican la expansión y pliegue de las paredes arteriales. (a) Durante la sístole, consiste en un manguito inflable y un aparato que mide la presión arterial en el ventrículo izquierdo es mayor que en las arterias, lo que determina la presión, que introduce aire dentro del manguito, y que la sangre pase a través de la válvula aórtica hacia las arterias. La sangre que entra en las utilizan el estetoscopio sobre la arteria braquial para arterias provoca que el volumen aumente, estirando las paredes. (b) Durante la diástole, escuchar los sonidos del corazón producidos por el las paredes arteriales se pliegan hacia el interior, impulsando la sangre a través de la flujo turbulento de la sangre (fig. 14.8). vasculatura. La sangre no puede retroceder al ventrículo porque la válvula aórtica se cierra. Para medir la presión arterial, los médicos colocan el manguito alrededor del antebrazo y lo inflan para aumentar la presión en él. La presión se transmite a través del tejido del brazo a la arteria braquial, que se arterias durante la sístole, provocando que las paredes arteriales dirige hacia la parte inferior del brazo. La presión se aumenta se expandan. hasta que se alcanza la presión arterial sistólica, que provoca Para servir de reservorio de presión, las arterias deben tener un colapso de la arteria, parando el flujo sanguíneo. Sin flujo una baja distensibilidad, que es una medida de la relación entre sanguíneo en la arteria, no se puede escuchar ningún sonido la presión y los cambios de volumen (v. «Caja de herramientas: por el estetoscopio. Distensibilidad»). En los vasos con baja distensibilidad, como A continuación, el médico abre la válvula lentamente dejanlas arterias, un pequeño aumento del volumen sanguíneo prodo salir el aire del manguito, permitiendo que la presión baje. voca un gran aumento de la presión arterial (o un gran aumento Cuando la presión disminuye hasta que está un poco por debade la presión solo causa una pequeña expansión de las parejo de la presión arterial sistólica, la arteria se abre momentádes de los vasos). Por tanto, cuando el corazón eyecta sangre a neamente con cada latido cuando la presión del interior de la las arterias durante la sístole y provoca que se expandan, el arteria es mayor que la del exterior, lo que fuerza a que el vaso aumento resultante de la presión es mayor del que sería si la disse abra. Cuando esto pasa, la sangre fluye por la arteria de tensibilidad de las arterias fuese mayor. La distensibilidad baja manera turbulenta como consecuencia de la pequeña apertude las arterias es una función de la elasticidad de las paredes de ra. Esta turbulencia crea un sonido, llamado sonido de Korotlos vasos. koff, que se puede oír a través del estetoscopio. Cuando los sonidos de Korotkoff aparecen por primera vez, el médico anota Presión arterial la presión del manguito y la registra como presión arterial sistólica. A medida que la sangre se eyecta del ventrículo a la aorta, la preEl médico continúa liberando aire del manguito mientras sión en la aorta aumenta hasta ser casi la misma del ventrículo. escucha los sonidos a medida que la sangre se desplaza por la Sin embargo, la presión en la aorta no permanece elevada, porarteria braquial. Al final, la presión del manguito llega a ser infeque, durante la diástole, la sangre deja de entrar en la aorta, pero rior a la presión arterial diastólica, momento en el cual la arteria continúa saliendo de ella, lo que provoca una pequeña disminu-
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
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Tiempo Presión en el manguito Presión (mmHg)
130 110 90 70 50 Flujo sanguíneo: Sonido:
Presión sistólica (comienzo de los sonidos) Sin flujo Sin sonido
Presión diastólica (fin de los sonidos) Flujo turbulento Sonidos de Korotkoff
Presión del manguito por encima de 110 mmHg
Flujo laminar Sin sonido
Presión del manguito entre 70 y 110 mmHg
Presión del manguito por debajo de 70 mmHg
Estetoscopio Manguito
Ausencia de flujo sanguíneo
El flujo turbulento en la arteria comprimida hace que la vibraciones se oigan (sonidos de Korotkoff)
Flujo laminar en la arteria sin comprimir. No hay sonidos
FIGURA 14.8 Pasos para la determinación de la presión arterial. La línea recta representa la presión del manguito y la línea curva representa la presión arterial.
permanece abierta durante el ciclo cardíaco completo, porque la presión del interior de la arteria es siempre mayor que en el exterior. Bajo estas condiciones, la sangre vuelve a su pauta laminar y los sonidos de Korotkoff desaparecen. El médico anota la presión del manguito cuando desaparece el sonido como registro de la presión arterial diastólica. La presión arterial se registra como presión arterial sistólica (PAS) sobre presión arterial diastólica (PAD), PAS/PAD. Los valores normales de una persona sana son de 110/70. A partir de los valores de la presión arterial, se puede determinar la presión diferencial y la presión arterial media. La presión diferencial (PD) es la diferencia entre la presión sistólica y la presión diastólica: PD = PAS – PAD Utilizando valores medios para un adulto sano, la presión diferencial es PD = 110 mmHg – 70 mmHg = 40 mmHg En personas mayores, una presión diferencial que está anormalmente alta puede indicar un endurecimiento de las arterias, una enfermedad por la cual las arterias se hacen más gruesas y rígidas, lo que disminuye la capacidad de distenderse.
La presión arterial media (PAM), la presión media que se produce en las arterias durante un ciclo cardíaco se estima por la siguiente ecuación: PAM =
PAS + (2 PAD) 3
Para un adulto sano, los valores son
PAM =
110 + (2 70) = 83,3 mmHg 3
Es importante saber que la presión arterial media no se obtiene simplemente haciendo la media de las presiones sistólica y diastólica, que es 90 mmHg. Por el contrario, la PAM corresponde a dos veces el valor de la presión diastólica por una vez el valor de la presión sistólica. La razón tiene que ver con los cambios de la presión aórtica, como se ve en los cambios de la forma de la onda de presión: durante un ciclo cardíaco, la presión aórtica está cerca de su máximo durante un período relativamente corto y está cerca de su mínimo durante el doble de tiempo. Cualquier cambio sobre esta pauta afecta a la presión arterial media, incluso si las presiones sistólica y diastólica no cambian. Por esta razón, la ecuación de la presión arterial media debería considerarse únicamente como una aproximación.
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Distensibilidad Un vaso sanguíneo (de hecho, cualquier estructura hueca) tiende a expandirse a medida que la presión interna aumenta, y a contraerse cuando la presión desciende. Estrictamente hablando, no es únicamente la presión interna lo que determina si un vaso se expande o se contrae, sino la diferencia entre la presión en el interior y en el exterior. Esta diferencia de presión se llama presión de apertura (o presión transmural). Cuando la presión del interior de un vaso es mayor que la presión en el exterior, la presión de apertura es positiva, y una fuerza neta hacia el exterior actúa en la pared del vaso, haciendo que se expanda. A medida que la presión de apertura aumenta, el volumen del vaso aumenta también. Si la presión del interior del vaso es menor que la presión en el exterior, la presión de apertura es negativa, y una fuerza neta hacia el interior actúa en la pared y hace que el vaso se comprima. La distensibilidad de un vaso se define estrictamente como el cambio en el volumen por unidad de cambio en la presión de apertura. Esto se expresa matemáticamente de la siguiente manera
dad se expande fácilmente, mientras que un globo con baja distensibilidad requiere más esfuerzo. Ese esfuerzo se utiliza para crear una diferencia de presión entre el interior y el exterior de la pared del globo. El siguiente diagrama, que es una curva presión-volumen, muestra gráficamente el concepto de distensibilidad:
Distensibilidad = $V/$(Pinterior – Pexterior)
Un aumento en la presión de apertura en un vaso, como cuando uno va del punto A al punto B en el diagrama, produce un cierto aumento en el volumen del vaso. Este aumento de volumen se expresa por la distancia vertical entre los dos puntos. La distensibilidad es el cambio en la distancia vertical (volumen) dividido por el cambio en la distancia horizontal (presión de apertura). En otras palabras, la distensibilidad de un vaso sobre el intervalo entre A y B es la curva de la línea que une ambos puntos.
donde $V es el cambio en el volumen, y Pinterior y Pexterior son las presiones del interior y el exterior, respectivamente. El término entre paréntesis es la presión de apertura. Dicho de forma más sencilla, la distensibilidad es la facilidad con la que el interior del vaso se expande. Un globo con una alta distensibili-
Test rápido 14.2 1. Nombra los tres tipos de tejido encontrados normalmente en las paredes de los vasos sanguíneos. Compara el grosor de la pared de los diferentes vasos sanguíneos. 2. Define distensibilidad. ¿Cómo contribuye la distensibilidad de las arterias a su función como reservorio de presión?
Arteriolas Las pequeñas arterias se ramifican en arteriolas más pequeñas, que se ramifican aún en lechos capilares o metaarteriolas, que a su vez se ramifican también en lechos capilares. Las arteriolas son las vías para que la sangre llegue a los capilares, donde se produce el intercambio entre la sangre y el tejido. Las paredes de las arteriolas contienen poco material elástico, pero tienen abundancia de músculo liso circular que forma anillos a su alrededor. El músculo liso se puede contraer o relajar cambiando el diámetro de las arteriolas, por lo que estas se conocen principalmente como el lugar donde la resistencia al flujo sanguíneo puede regularse.
Arteriolas y resistencia al flujo sanguíneo Hemos aprendido que el flujo sanguíneo depende del gradiente de presión y la resistencia al flujo (flujo = $P/R). Las arteriolas son vasos sanguíneos que proporcionan la mayor resistencia al
Volumen
B V
0
A
PA Presión de apertura, PA
flujo sanguíneo: de hecho, más del 60% de la resistencia periférica total se atribuye a las arteriolas. (Aunque los capilares individuales tienen menor radio que las arteriolas, hay tantos capilares que su área transversal total es mayor que la de las arteriolas, por lo que todos los capilares juntos tienen menos resistencia.) Esto se refleja en la figura 14.9, que muestra que, a medida que la sangre fluye de las arterias a las venas, la presión disminuye progresivamente. Una diferencia de la presión en una porción determinada de la vasculatura se llama caída de presión en esa región. La mayor caída de presión se produce en las arteriolas: en el circuito sistémico, la sangre se introduce en ellas con una presión media de 75-80 mmHg y las deja a una presión de 35-40 mmHg. La causa de esta gran caída de presión está relacionada con la alta resistencia de las arteriolas. Además, la presión se hace menos pulsátil a medida que avanza por la vasculatura. Por el contrario, las caídas de presión en vasos mayores (arterias y venas) son muy pequeñas, tanto que la presión en estos vasos es casi uniforme. No solo las arteriolas proporcionan la mayor resistencia al flujo sanguíneo, sino que su resistencia también puede ser regulada. De hecho, la función más importante de las arteriolas es servir como puntos de control para regular la resistencia al flujo sanguíneo, lo que tiene principalmente dos funciones: 1) controlar el flujo sanguíneo en lechos capilares individuales, y 2) regular la presión arterial media. La resistencia está regulada por la contracción y relajación del músculo liso circular. El músculo liso arteriolar es un músculo liso unitario, que se contrae parcialmente sin la necesidad de
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Venas
Vénulas
100
Capilares
Arterias
Arteriolas
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Presión media (mmHg)
Caída de presión: Arterias
75 Circuito sistémico
Arteriolas
50 Circuito sistémico
25
Reposo, tono arteriolar
Capilares Vénulas Venas
FIGURA 14.9 Presiones en la vasculatura. Las distancias en el eje horizontal representan las distancias relativas que recorre la sangre en las diferentes porciones de la vasculatura. Las presiones sanguíneas representativas y las caídas de presión se muestran en los distintos tipos de vasos en la circulación sistémica. Es importante saber que el mayor descenso de presión se produce cuando la sangre se desplaza por las arteriolas.
factores externos, gracias al denominado tono arteriolar (v. capítulo 12). Los factores externos pueden aumentar o disminuir el estado contráctil. Cuando la contracción del músculo liso arteriolar aumenta, el radio de las arteriolas disminuye (vasoconstricción) y la resistencia aumenta. Cuando el músculo liso arteriolar se relaja, el radio de la arteriolas aumenta (vasodilatación) y la resistencia disminuye (fig. 14.10). Tanto los mecanismos de control extrínseco como intrínseco alteran el estado contráctil del músculo liso arteriolar, pero por diferentes causas. El control intrínseco está formado por varios metabolitos locales que regulan el flujo sanguíneo que se necesita en las células en esa región. Los controles extrínsecos están formados por el sistema nervioso autónomo y las hormonas. Los controles extrínsecos regulan la presión arterial media.
Control intrínseco de la distribución del flujo sanguíneo a los órganos La sangre no fluye de la misma manera a todos los órganos, sino que se distribuye según las necesidades de cada órgano. La distribución del flujo sanguíneo se puede comparar al problema de regular el uso de agua en una comunidad de vecinos: mientras que es el trabajo de la compañía de servicios proporcionar la presión de agua apta para todas las casas en la comunidad, la regulación del flujo de agua a cada casa individual solo la puede llevar a cabo cada persona que vive ahí, ya que son los únicos que saben en cada momento la necesidad de agua. De forma similar, los mecanismos de control extrínseco proporcionan una presión arterial adecuada a los órganos en el circuito sistémico, pero solo cada órgano individual o tejido sabe realmente cuánta sangre necesita en un momento determinado. Por tanto, el órgano o tejido regula su propio flujo sanguíneo a través de controles locales. Los factores que determinan el flujo sanguíneo a los órganos se ilustran en la figura 14.11. En la figura 14.11a, se pueden ver tres órganos dispuestos en paralelo, de modo que el flujo sanguíneo de cada órgano está
La contracción del músculo liso causa la vasoconstricción
La relajación del músculo liso causa la vasodilatación
FIGURA 14.10 Cambios en el radio de las arteriolas.
dirigido por el mismo gradiente de presión: la diferencia entre la presión arterial y la presión venosa. Se supone que los flujos de los órganos A, B y V son de 1,5 l/min, 1 l/min y 0,5 l/min, respectivamente (v. fig. 14.11b). Teniendo en cuenta que todos estos flujos están regulados por el mismo gradiente de presión, las diferencias del flujo deben resultar de la diferencia en la resistencia, según la siguiente regla: Flujo sanguíneo de un órgano = $P/resistencia del órgano De acuerdo con esta relación, los flujos mostrados en la figura 14.11b indican que la resistencia es menor en el órgano A, intermedia en el órgano B y más alta en el órgano C. El efecto de la resistencia del órgano en la distribución del flujo sanguíneo se muestra al comparar las partes (b) y (c) de la figura 14.11. En ambas situaciones, se asume que la presión arterial y la presión venosa son iguales en ambos órganos, ya que el gradiente de presión es constante. Las resistencias y, por tanto, los flujos sanguíneos de los órganos A y C no cambian. Sin embargo, la resistencia del órgano B es mayor en la figura 14.11c, lo que provoca un descenso en el flujo sanguíneo comparado con el de la figura 14.11b. El flujo del órgano B disminuye, mientras que los flujos
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
a los órganos A y C permanecen iguales, por lo que el flujo total disminuye y la participación del órgano B en el gasto cardíaco disminuye, mientras que aumenta para los órganos A y C. Estos datos tienen una implicación importante: los cambios en la distribución del flujo sanguíneo a los órganos (es decir, los cambios del porcentaje de gasto cardíaco que se proporciona a cada órgano) se deben principalmente a los cambios en la resistencia vascular de los órganos individuales. La resistencia vascular de un órgano (o tejido) se altera por la contracción o relajación del músculo liso de las arteriolas (o pequeñas arterias). Las arteriolas pueden producir vasoconstricción o vasodilatación en respuesta a factores intrínsecos, por lo que pueden cambiar la resistencia al flujo sanguíneo. Los mecanismos de control intrínseco regulan no solo la distribución del flujo sanguíneo entre los órganos, sino, también, la distribución del flujo sanguíneo dentro de ellos. Estos mecanismos son responsables de la repartición de flujo entre los lechos capilares. Los mecanismos de control intrínseco se encuentran en todos los órganos, pero son especialmente importantes en la regulación del flujo en el corazón, cerebro y músculo esquelético. Por ejemplo, la actividad metabólica en el músculo esquelético y el corazón aumenta considerablemente durante el ejercicio, por lo que aumenta la demanda de oxígeno y nutrientes de los músculos. Por el contrario, la actividad metabólica del cerebro en total no cambia mucho con cada actividad, y tampoco cambia el flujo. Sin embargo, la actividad metabólica de las diferentes regiones del cerebro varía considerablemente de una actividad a otra, de forma que son necesarios los controles intrínsecos del flujo sanguíneo de esas regiones. Teniendo en cuenta que el control intrínseco del flujo sanguíneo de un órgano se alcanza mediante la relajación o contracción del músculo liso de las arteriolas, ¿qué controla al flujo por los lechos capilares individuales dentro de un órgano o un tejido? ¿Qué determina si el flujo sanguíneo es el adecuado? La respuesta es el propio músculo liso vascular. En las siguientes secciones, se examinarán las respuestas del músculo liso vascular a cuatro factores: cambios en la actividad metabólica, cambios en el flujo sanguíneo, estiramiento del músculo liso arteriolar y mensajeros químicos locales.
Regulación en respuesta a los cambios en la actividad metabólica: hiperemia activa
Corazón
PA
Órgano A
PV
PA
Órgano B
PV
PA
Órgano C
Arterias
PV Venas
(a)
PA
P = PA – PV
PV
Flujo
Porcentaje del gasto cardíaco (flujo total)
A
A
1,5 l/min
50%
B
B
1 l/min
33%
C
0,5 l/min
17%
C
Flujo total: 3 l/min (b)
PA
P = PA – PV
PV
Flujo
Porcentaje del gasto cardíaco (flujo total)
A
A
1,5 l/min
60%
B
B
0,5 l/min
20%
C
0,5 l/min
20%
C
Flujo total: 2,5 l/min (c)
FIGURA 14.11 Efectos de los gradientes de presión y resistencia en los flujos sanguíneos de los órganos. (a) Flujo sanguíneo en tres órganos paralelos. El gradiente de presión que conduce el flujo es la diferencia entre la presión arterial (PA) y la presión venosa (PV). (b) Las diferencias entre los flujos sanguíneos en los órganos se deben a la diferencia en la resistencia de los órganos. (c) Cuando la PA y la PV son constantes, un aumento de la resistencia en un órgano (órgano B) reduce el flujo a ese órgano únicamente. Esto provoca una reducción del flujo total y un cambio de la distribución del flujo sanguíneo.
P En la parte (c) ¿cómo se comparan las resistencias de los tubos B y C?
Las células del músculo liso vascular de las arteriolas son sensibles a las condiciones del líquido extracelular y responden a los cambios en las concentraciones de una gran cantidad de sustancias químicas, incluyendo oxígeno, dióxido de carbono, iones de potasio e iones de hidrógeno, entre otros. Estos cambios en la
concentración se producen como resultado de la actividad metabólica. El músculo liso arteriolar se contrae o se relaja dependiendo de si las concentraciones de determinadas sustancias aumentan o disminuyen. La regla general es: los cambios asociados con el aumento de la actividad metabólica generalmente provocan
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Células Dióxido de carbono
Líquido extracelular
Oxígeno
Flujo sanguíneo
Arteriola
Capilares
(a) En condiciones de reposo normales, el oxígeno (puntos morados) se proporciona a los tejidos por la sangre a medida que se consume por las células, y el dióxido de carbono (puntos verdes) se elimina de los tejidos por la sangre a medida que las células lo producen.
(b) Un aumento en el metabolismo provoca que el oxígeno se consuma más rápido de lo que se proporciona y que el dióxido de carbono se produzca más rápido de lo que se elimina. La concentración de oxígeno en el líquido extracelular disminuye, mientras que la concentración de dióxido de carbono aumenta.
(c) La disminución en la concentración de oxígeno y el aumento de la concentración de dióxido de carbono actúa sobre el músculo liso arteriolar para provocar la vasodilatación
(d) La vasodilatación provoca el aumento del flujo sanguíneo, lo que aumenta el aporte de oxígeno a las células y la eliminación de dióxido de carbono.
FIGURA 14.12 Hiperemia activa, respuesta a un aumento de la actividad metabólica. (a) Proporción y consumo de oxígeno y producción y eliminación del dióxido de carbono durante el estado de reposo. (b-d) Cambios en las condiciones locales en respuesta al metabolismo.
vasodilatación, mientras que los cambios asociados con un descenso de la actividad metabólica inducen vasoconstricción. (Una excepción importante a esta norma se produce en la vasculatura pulmonar, como se explicará en el capítulo 17.) Se puede demostrar cómo funciona la norma considerando las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono en el tejido como un ejemplo (fig. 14.12). Cuando el flujo sanguíneo se ajusta a la necesidad metabólica del tejido, las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono en el tejido están en estado de reposo: la velocidad con la que el oxígeno entra en el tejido desde la sangre es igual a la velocidad con la que es consumido por las células, y la velocidad con la que el dióxido de carbono entra en la sangre es igual a la velocidad a la que se produce por las células. Supongamos ahora que aumenta el metabolismo, de tal manera que aumentan el consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono, provocando una disminución del oxígeno en el tejido (llamado hipoxia) y un aumento en el tejido de dióxido de carbono. Inicialmente, el flujo sanguíneo es insuficiente para satisfacer la demanda metabólica, una enfermedad llamada isquemia. La disminución del oxígeno y el aumento de dióxido de carbono
actúan ambos en el músculo liso arteriolar, provocando su relajación. Cuando el músculo se relaja, las arteriolas se dilatan, la resistencia vascular del tejido disminuye y el flujo sanguíneo de esa región aumenta. Este aumento del flujo sanguíneo tras el aumento de la actividad metabólica se llama hiperemia activa (la hiperemia es un término general para designar un flujo sanguíneo superior al normal). Como resultado de este aumento en el flujo sanguíneo, aumentan la proporción de oxígeno al tejido y la eliminación de dióxido de carbono del tejido, hasta que se consiga de nuevo el estado de reposo. Los cambios en el flujo sanguíneo son el resultado directo del descenso de oxígeno y el aumento de dióxido de carbono en las propias arteriolas, y no están involucradas ningún tipo de hormona o nervio. Por tanto, la hiperemia activa es un ejemplo de control intrínseco. El mismo mecanismo disminuye el flujo sanguíneo si el metabolismo local disminuye. Cuando la actividad metabólica disminuye, los niveles de oxígeno tienden a aumentar y los niveles de dióxido de carbono tienden a disminuir, lo que provoca la vasoconstricción de las arteriolas, por lo que se aumenta la resistencia al flujo sanguíneo. Un ejemplo común de hiperemia activa se
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
observa a menudo durante el ejercicio (v. «Comprender el ejercicio: Regulación independiente del flujo sanguíneo»).
Regulación en respuesta a los cambios en el flujo sanguíneo: hiperemia reactiva
Hiperemia activa
Hiperemia reactiva
Tejido
Tejido
metabolismo
flujo sanguíneo
consumo de O2 producción de CO2
En los ejemplos anteriores, las concentraciones del oxígeno y el dióxido de carconcentración de O2 concentración de O2 bono en el tejido cambiaban en respuesconcentración de CO2 concentración de CO2 ta a cambios en la actividad metabólica; las concentraciones de metabolitos y oxígeno en el tejido también pueden cambiar como consecuencia de los camMúsculo liso Músculo liso bios en el flujo sanguíneo. Por ejemplo, arteriolar local arteriolar local si el flujo sanguíneo está bloqueado o se reduce por debajo de los niveles adecuavasodilatación vasodilatación dos por alguna razón (como por la oclusión de un vaso sanguíneo), la concentración de oxígeno disminuye y el nivel resistencia resistencia Retroalimentación Retroalimentación de dióxido de carbono aumenta, porque negativa negativa la tasa de consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono exceden flujo sanguíneo flujo sanguíneo las tasas de producción y eliminación, respectivamente. Ambos cambios inducen la vasodilatación y una reducción de la resistencia vascular, que tienden a proporción de O2 proporción de O2 aumentar el flujo. Una vez que el bloeliminación de CO2 eliminación de CO2 queo se elimina, la velocidad de flujo será mayor de lo normal y permanecerá elevada hasta que el exceso de metaboliconcentración de O2 concentración de O2 tos se elimine y la concentración de oxíconcentración de CO2 concentración de CO2 geno en el tejido se normalice. Tal aumento en el flujo sanguíneo en res(a) (b) puesta a las reducciones previas del flujo Estímulo inicial sanguíneo se denomina hiperemia Respuesta fisiológica reactiva. Resultado La figura 14.13 compara la hiperemia reactiva con la hiperemia activa. El FIGURA 14.13 Comparación de la hiperemia reactiva y activa. (a) Pasos de la hiperemia activa en mecanismo básico subyacente de la respuesta al aumento del consumo de oxígeno y producción de dióxido de carbono. (b) Pasos de la hiperemia hiperemia reactiva es el mismo que el de reactiva en respuesta a la disminución del flujo sanguíneo. Los cambios provocados por la disminución del la hiperemia activa (la disminución flujo son los mismos que se producen tras el aumento del metabolismo. de oxígeno en el tejido y el aumento de las concentraciones de metabolitos hormonas sanguíneas u otros agentes químicos, se describe inducen la vasodilatación y al aumento del flujo sanguíneo). La únicomo respuesta miogénica. ca diferencia es la causa de los cambios de concentración. La secuenEl gradiente de presión que conduce el flujo sanguíneo a tracia de pasos que se producen en la hiperemia reactiva también funvés de un órgano o tejido se llama presión de perfusión. (En el cionan al contrario: si el flujo sanguíneo aumenta por encima de las caso de un órgano sistémico, la presión de perfusión es prácticanecesidades metabólicas, los mecanismos de control intrínseco mente equivalente a la presión arterial media.) Si la presión de inducirán la vasoconstricción y la reducción del flujo sanguíneo. perfusión aumenta en un órgano o tejido, el flujo sanguíneo aumenta junto con la presión arteriolar, que estira las paredes Regulación en respuesta al estiramiento del músculo arteriolares porque aumentan las presiones de apertura. En liso arteriolar: respuesta miogénica las arteriolas que contienen músculo liso sensible al estiramiento, las fibras musculares se contraen, lo que aumenta la resistenAlgunos tejidos contienen un músculo liso arteriolar llamado cia de la arteriola y disminuye el flujo sanguíneo (fig. 14.14). Una fibras sensibles al estiramiento, porque son las responsables del estiramiento que se produce cuando la presión arterial en las disminución de la presión de perfusión (que provoca que el flujo arteriolas aumenta. Cuando estas fibras están estiradas, responsanguíneo disminuya) provoca una respuesta contraria (la vasoden mediante contracciones. Un cambio en la resistencia vascudilatación y el aumento del flujo sanguíneo). lar que se produce en respuesta al estiramiento de los vasos sanEl control miogénico de la resistencia vascular en respuesta guíneos, y que no requiere la acción de los nervios simpáticos, a los cambios en la presión de perfusión es similar a otros meca-
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
Arteriola presión de perfusión
flujo
estiramiento del músculo liso arteriolar
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lica), porque el aumento de presión condiciona un aumento del flujo sanguíneo. Por ellos mismos, estos cambios en la concentración provocan vasoconstricción, que reduce el flujo sanguíneo. Sin embargo, el aumento en la presión de perfusión también aumenta el estiramiento de las paredes arteriolares, que, a su vez, induce la vasoconstricción y la reducción del flujo sanguíneo.
Regulación por mensajeros químicos segregados localmente constricción Retroalimentación negativa resistencia
flujo Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 14.14 Respuesta miogénica a los cambios en la presión de perfusión. Cambios producidos en respuesta al aumento de la presión de perfusión. nismos de control intrínseco que ya se han explicado anteriormente en los que interviene la retroalimentación negativa. Sin embargo, al contrario de la hiperemia activa o reactiva, la variable que permanece constante en el control miogénico es el flujo sanguíneo. La regulación local que tiende a mantener el flujo sanguíneo constante se llama autorregulación del flujo. Puede ser difícil asegurar si la autorregulación del flujo se debe a la respuesta miogénica o a los cambios en la concentración de metabolitos, ya que los dos procesos están interconectados y tienden a ir en la misma dirección. Por ejemplo, un aumento en la presión de perfusión provoca un aumento en los niveles de oxígeno del tejido y un descenso de la concentración de metabolitos (asumiendo que no hay cambios en la actividad metabó-
La actividad contráctil del músculo liso vascular también está afectada por varias sustancias químicas, la mayoría de las cuales son segregadas por las células endoteliales de los vasos sanguíneos o por las células que rodean los tejidos (tabla 14.1). Una de dichas sustancias es el óxido nítrico, que se libera continuamente por las células endoteliales de las arteriolas y actúa en el músculo liso para favorecer la vasodilatación. Las sustancias producidas por los tejidos inflamados, como la bradicinina y la histamina, estimulan la síntesis de óxido nítrico. El aumento resultante del flujo sanguíneo es responsable del enrojecimiento de las áreas inflamadas. Otro vasodilatador potente es la prostaciclina, un eicosanoide que evita los coágulos de sangre (v. capítulo 15). La adenosina es un vasodilatador importante de las arterias coronarias. Entre las sustancias que favorecen la vasoconstricción está la endotelina-1, que es producida por las células endoteliales. Estos mecanismos intrínsecos regulan el flujo sanguíneo local y los mecanismos extrínsecos regulan la presión arterial media, manteniendo un gradiente de presión que conduce el flujo sanguíneo.
Control extrínseco del radio arteriolar y la presión arterial media Se ha explicado en secciones anteriores que los controles intrínsecos pueden alterar la resistencia al flujo sanguíneo de órganos individuales o lechos de capilares, redistribuyendo el flujo sanguíneo a los órganos según las necesidades específicas. Sin embargo, la redistribución funciona solo cuando los controles extrínsecos mantienen una adecuada presión de perfusión, sobre todo regulando la presión arterial media.
TABLA 14.1 Sustancias vasoactivas locales y sus acciones en el músculo liso vascular Sustancia
Fuente
Efecto en el músculo liso vascular
Oxígeno
Proporcionado a los tejidos por la sangre; se consume en el metabolismo aerobio
Vasoconstricción
Dióxido de carbono
Generado en el metabolismo aerobio
Vasodilatación
Iones de potasio
Liberados por las células (en particular en el músculo) como resultado de la despolarización repetida que se produce durante la actividad
Vasodilatación (vasoconstricción con altas concentraciones)
Ácidos (iones de hidrógeno)
Generados durante el metabolismo anaerobio (ácido láctico) y por la reacción del dióxido de carbono con el agua (ácido carbónico)
Vasodilatación
Adenosina
Liberada por las células en ciertos tejidos en respuesta a la hipoxia
Vasodilatación
Óxido nítrico
Liberado por las células endoteliales de forma continuada y en respuesta a varias señales químicas
Vasodilatación
Bradicinina
Generada por un precursor proteico (cininógeno) por la acción de una enzima (calicreína) segregada por las células de ciertos tejidos en respuesta a varias señales químicas
Vasodilatación
Endotelina-1
Liberada por las células endoteliales en respuesta a varias señales químicas y estímulos mecánicos
Vasoconstricción
Prostaciclina
Liberada por las células endoteliales en respuesta a varias señales químicas y estímulos mecánicos
Vasodilatación
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Regulación independiente del flujo sanguíneo La regulación independiente del flujo sanguíneo a un órgano está ilustrada en el gráfico, que muestra el gasto cardíaco y el flujo sanguíneo de varios órganos en estado de reposo y durante un ejercicio intenso. En estado de reposo, el gasto cardíaco (GC) es de 5 l/min; durante el ejercicio, el GC aumenta considerablemente a 25 l/min, es decir, se quintuplica. Podemos ver que el flujo sanguíneo a los órganos se regula independientemente al comparar la proporción del flujo sanguíneo total que cada órgano recibe en estado de reposo y durante el ejercicio. (Una compara-
ción de estas proporciones o particiones relativas del gasto cardíaco nos permite identificar la distribución del flujo sanguíneo a los órganos.) Si el flujo sanguíneo a los órganos no estuviese regulado de forma independiente, la proporción de GC que cada órgano recibe permanecería constante, y el flujo sanguíneo a cada órgano aumentaría a medida que lo hiciera el gasto cardíaco durante el ejercicio. Mientras que, en estado de reposo, el músculo esquelético recibe del 20-25% del GC, durante el ejercicio puede recibir hasta el 80-85%. Al mismo tiempo, el flujo sanguíneo en el hígado y
Flujo sanguíneo en estado de reposo Gasto cardíaco (GC) = 5 l/min
el tubo digestivo disminuye de un 20-25% del GC al 3-5% durante el ejercicio. Por supuesto, cuando el cuerpo pasa del estado de reposo al ejercicio, los controles intrínsecos envían sangre del hígado y el tubo digestivo (donde la demanda metabólica es baja) hacia los músculos, que tienen una demanda metabólica alta durante el ejercicio. El aumento de suministro de sangre proporciona el oxígeno y nutrientes necesarios para generar la fuerza contráctil. El flujo sanguíneo se distribuye conforme a la necesidad debido a los controles locales del radio arteriolar descritos anteriormente.
Flujo sanguíneo durante el ejercicio Gasto cardíaco (GC) = 25 l/min Riñones 0,85 l/min
Piel 0,25 l/min
Tubo digestivo 1,05 l/min
Músculo esquelético 1 l/min
Corazón 1,15 l/min
Riñones 1 l/min
Otros 0,6 l/min
Cerebro 0,8 l/min Otros 0,5 l/min
Cerebro 0,7 l/min
Tubo digestivo 1,25 l/min
Músculo esquelético 20 l/min
Piel 0,65 l/min
Corazón 0,2 l/min
Al describir los flujos sanguíneos a los órganos individuales, se introdujo la regla del flujo, en la que el propio flujo es una variable dependiente y la presión y la resistencia variables independientes, es decir, que el flujo es dependiente del gradiente de presión y la resistencia: F = $P/R Recuerda que, cuando se aplica esta regla al circuito sistémico completo, F = gasto cardíaco (GC), $P = PAM y R = RPT, por lo que la regla se transforma en GC = PAM/RPT Cuando miramos al circuito sistémico completo, sin embargo, los gradientes de presión se hacen variables dependientes, y la regla se transforma en PAM = GC RPT
En el capítulo 13 se explicó que GC = VS FC, por lo que se puede sustituir en nuestra ecuación: PAM = VS FC RPT Como se puede ver en esta ecuación, un cambio en VS, GC o RPT afecta a la PAM. En esta sección, se describirán los controles extrínsecos del radio de las arteriolas como un factor que cambia la PAM. Una sección posterior explicará en mayor profundidad la regulación de la PAM.
Control simpático del radio arteriolar El sistema nervioso simpático inerva al músculo liso de la mayoría de las arteriolas. Durante los períodos de actividad nerviosa simpática, la noradrenalina se une a receptores adrenérgicos A en el músculo liso arteriolar y activa el sistema de segundos mensajeros bisfosfato fosfatidilinositol. El resultado final es la vasoconstricción, que aumenta la RPT y, por tanto, aumenta la PAM.
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TABLA 14.2 Controles extrínsecos del radio arteriolar Factor extrínseco
Cambio en el radio
Efecto en la presión arterial media (PAM)
Nervios simpáticos
Vasoconstricción
Aumento
Adrenalina
Depende del tipo de receptor adrenérgico; A adrenérgico: vasoconstricción; B2 adrenérgico: vasodilatación
Aumento (efecto dominante sobre los receptores A)
Vasopresina
Vasoconstricción
Aumento
Angiotensina II
Vasoconstricción
Aumento
Además de tener receptores A, algunos músculos lisos arteriolares (particularmente los músculos cardíacos y esquelético) tienen receptores adrenérgicos B2. La noradrenalina liberada de las fibras posganglionares no se une normalmente a estos receptores. Sin embargo, la adrenalina segregada por la médula suprarrenal en respuesta a la actividad simpática puede unirlos a los receptores A y B2. La unión con los receptores A, ya sean con noradrenalina o adrenalina, provoca vasoconstricción, como se ha descrito anteriormente. Sin embargo, la unión de la adrenalina a los receptores B2 activa el sistema de segundo mensajero cAMP, provocando la vasodilatación y el descenso de la resistencia al flujo sanguíneo. La adrenalina se une tanto a los receptores A o B2, por lo que sus efectos en la vasculatura no son tan aparentes. Cuando la adrenalina se presenta en bajas concentraciones, se une principalmente a los receptores β2 y favorece la vasodilatación, ya que tiene mayor afinidad por los receptores B2 que por los A. En concentraciones mayores, la adrenalina se une a ambos tipos de receptores, y por esta razón el efecto de la hormona en la resistencia vascular depende de qué tipo de receptor predomine. Solo los receptores A están presentes en la mayoría de músculo liso arteriolar, por lo que grandes concentraciones de adrenalina normalmente favorecen la vasoconstricción (el mismo efecto que la actividad neuronal simpática). Sin embargo, como consecuencia de que los receptores B2 predominan en el músculo liso arteriolar de los músculos cardíaco y esquelético, en estos tejidos se produce vasodilatación en respuesta a la adrenalina. Al mismo tiempo que esta vasodilatación favorece el aumento del flujo sanguíneo a estos tejidos, la vasoconstricción disminuye el flujo sanguíneo en el resto de lugares. La importancia de este aumento del flujo sanguíneo está clara, teniendo en cuenta que se liberan grandes cantidades de adrenalina en las respuestas de lucha o huida, que adaptan el cuerpo al ejercicio físico intenso. Durante tal ejercicio, la carga de trabajo del corazón y los músculos esqueléticos aumenta y se requiere un mayor flujo sanguíneo para satisfacer la demanda metabólica. La vasoconstricción en otros lechos vasculares también es muy significativa. Además de la disminución del flujo sanguíneo en los tejidos menos esenciales, una vasoconstricción generalizada favorece el aumento de la resistencia periférica total, que tiende a aumentar la presión arterial media, que es la fuerza de gradiente del flujo sanguíneo. El sistema nervioso parasimpático no inerva el músculo liso arteriolar excepto en los genitales externos, donde provoca vasodilatación (v. capítulo 22).
Control hormonal de la resistencia arteriolar Además de la adrenalina, existen otras dos hormonas que regulan la resistencia arteriolar. Estas hormonas provocan vasoconstricción y aumentan la PAM. Vasopresina (ADH) La vasopresina es una hormona segregada por la neurohipófisis (v. capítulo 6). Actúa en los riñones para
limitar la producción de orina, por lo que también se conoce como la hormona antidiurética. (El aumento en la producción de orina se llama diuresis.) Junto con este efecto, y de forma más importante de cara a este tema, también favorece la vasoconstricción en la mayoría de los tejidos, de ahí el nombre vasopresina. (Los efectos que tienden a aumentar la presión arterial se conocen como efectos vasopresores.) Angiotensina II La angiotensina II es una proteína derivada de un precursor denominado angiotensinógeno que siempre está presente en el plasma. La generación de la angiotensina II a partir del angiotensinógeno es un proceso en dos pasos: el angiotensinógeno se convierte primero en angiotensina I por la renina, una enzima segregada por los riñones (v. capítulo 19). La angiotensina I se convierte entonces en la angiotensina II por la enzima convertidora de la angiotensina, que está presente en la superficie interna de algunos vasos. Uno de los muchos efectos de la angiotensina II es que favorece la vasoconstricción, por lo que aumenta la RPT y la PAM. La tabla 14.2 resume los factores extrínsecos que regulan el radio arteriolar.
Test rápido 14.3 1. Define vasodilatación y vasoconstricción. ¿Qué efectos tienen en la resistencia al flujo sanguíneo? 2. Explica las diferentes funciones de los controles extrínsecos e intrínsecos del radio arteriolar. Nombra algunos factores intrínsecos e intrínsecos que afectan al radio.
Capilares y vénulas Los capilares son la principal localización en la que tiene lugar el intercambio de nutrientes y productos de desecho entre la sangre y los tejidos. En la presente sección describimos la anatomía funcional de los capilares, la forma en la que el flujo de sangre a los lechos capilares es controlado localmente y los mecanismos de intercambio entre la sangre y los tejidos.
Anatomía capilar Los capilares son los vasos sanguíneos más pequeños, que miden solo 1 mm de largo y 5-10 Mm de diámetro, alrededor del tamaño de un glóbulo rojo. Las paredes capilares son delgadas (0,5 Mm), formadas por una única capa de células endoteliales rodeadas por una membrana basal. El pequeño diámetro y la fina pared proporcionan una pequeña distancia de difusión entre la sangre y el líquido intersticial adyacente. Aunque los capilares son pequeños, su gran ramificación provoca que haya entre 10.000 y 40.000 millones de capilares en
el cuerpo humano, proporcionando un área de superficie de intercambio entre la sangre y el tejido de aproximadamente 600 m2. De hecho, casi todas las células del organismo están a menos de 1 mm de un capilar. Además, los capilares no están aislados, sino que forman redes llamadas lechos capilares. Por su extensa ramificación, el área transversal total de los capilares es considerablemente mayor que la de cualquier otro vaso sanguíneo. De este modo, cuando la sangre entra en un lecho capilar, la aceleración del flujo sanguíneo desciende (fig. 14.15). Este fenómeno es comparable a un río (pequeña superficie transversal) que vacía su contenido a un lago (gran superficie transversal). La corriente del río es rápida, pero cuando el agua llega al lago, la aceleración del flujo se reduce a medida que el agua se mueve por un área grande. La aceleración del flujo sanguíneo por los capilares es de alrededor de 0,1 mm/s, permitiendo aproximadamente 1 s de intercambio entre la sangre y el tejido, lo que es tiempo suficiente para una difusión simple. El tamaño y el área de la superficie de los capilares son aptos para su función primaria: intercambio entre la sangre y el tejido. Este intercambio se facilita gracias a la permeabilidad de la pared capilar, que varía en los diferentes tejidos. En el capítulo 7 se explicó, por ejemplo, que las uniones estrechas entre las células endoteliales y las paredes de los capilares en sistema nervioso central provocan una barrera funcional entre la sangre y el líquido cefalorraquídeo, la barrera hematoencefálica. La mayoría de los capilares, sin embargo, son bastante «permeables» y se clasifican como continuos o fenestrados, según su grado de goteo.
Venas
Vénulas
Capilares
Arteriolas
Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial Arterias
C A P Í T U LO 1 4 Aorta
412
Área total (cm2)
3.000
2.000
1.000
0
Aceleración lineal media (cm/s)
30
20
10
0 Distancia de la vasculatura
Capilares continuos
FIGURA 14.15 Área transversal total y aceleración del flujo sanguíneo a través de la vasculatura. Los capilares tienen la mayor área transversal y la aceleración de flujo más lenta.
FIGURA 14.16 Dos tipos de capilares. (a) Capilar continuo, caracterizado por la existencia de hendiduras estrechas y llenas de agua entre las células endoteliales. (b) Capilar poroso, que contiene poros que penetran a través de las células endoteliales, además de las hendiduras intercelulares entre las células endoteliales. En algunos capilares porosos, las hendiduras entre las células endoteliales son lo suficientemente grandes para permitir que las células sanguíneas pasen por ellas.
En los capilares continuos (fig. 14.16a), que son los más comunes, las células endoteliales se unen de forma que los espacios entre ellas son relativamente estrechos. Estos capilares son alta-
Plasma
Células endoteliales Hendidura intercelular estrecha Membrana basal eliminada para mostrar las células endoteliales
Membrana basal
(a) Capilar continuo
Plasma
Hendidura intercelular ancha
Fenestraciones (poros) (b) Capilar poroso
Glóbulo blanco Poros
C A P Í T U LO 1 4
Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
mente permeables a las sustancias de tamaños moleculares pequeños y con una alta liposolubilidad (como el oxígeno, el dióxido de carbono y las hormonas esteroideas), y son de alguna manera menos permeables a las pequeñas sustancias hidrosolubles (como el sodio, el potasio o los aminoácidos). La permeabilidad de los capilares continuos a las proteínas y otras macromoléculas es muy baja, porque estas sustancias no pueden atravesar las membranas de las células endoteliales o penetrar fácilmente en los huecos intercelulares.
Flujo sanguíneo (desde el corazón)
413
Flujo sanguíneo (al corazón)
Arteriola
Vénula
Esfínter precapilar
Capilares porosos En los capilares porosos (fig. 14.16b), las células endoteliales poseen poros relativamente grandes que permiten la rápida difusión de las sustancias hidrosolubles. El tamaño de los poros varía en los diferentes tejidos y algunos poros son lo suficientemente grandes para las proteínas, y en algunos casos para que puedan pasar células completas. Los capilares porosos se encuentran principalmente en los órganos cuya función depende del rápido movimiento de sustancias a través de la pared capilar, como los riñones, el hígado, los intestinos y la médula ósea. En el hígado, la presencia de capilares porosos permite el paso de las proteínas recién sintetizadas, como la albúmina o factores de la coagulación. En la médula ósea, los capilares porosos permiten que células sanguíneas recién formadas entren en la circulación.
Metaarteriola
Anillos de músculo liso
Capilar
Control local del flujo sanguíneo a través de los lechos capilares La forma más simple de regular el intercambio de sustancias entre las paredes capilares es regulando la cantidad de sangre que contiene un lecho capilar determinado. Esto se lleva a cabo por el control local del músculo liso situado en varias zonas de la microcirculación (fig. 14.17). Ya hemos aprendido cómo se regula el flujo mediante las arteriolas. A continuación, se describirán las metaarteriolas y los esfínteres precapilares que regulan el flujo sanguíneo a través de algunos capilares. La mayoría de los tejidos contienen metaarteriolas, que estructuralmente se encuentran entre las arteriolas y los capilares; en vez de las capas continuas de músculo liso que rodean a las arteriolas, las metaarteriolas poseen anillos aislados de músculo liso que sirven de guardianes en puntos estratégicos. Al contrario que las arteriolas, que dirigen la sangre directamente a los vasos interramificados de los lechos capilares, las metaarteriolas sirven de canales de derivación o desviación que permiten que la sangre pase directamente de la metaarteriola a la vénula, sin pasar por los capilares. Al igual que las arteriolas, el músculo liso de las metaarteriolas puede contraerse y relajarse para aumentar o disminuir, respectivamente, la resistencia al flujo sanguíneo. Las metaarteriolas son un sistema de derivación, por lo que, cuando la resistencia al flujo sanguíneo es alta, el flujo sanguíneo por los capilares aumenta, mientras que, cuando la resistencia es baja, el flujo sanguíneo por los capilares disminuye. El músculo liso de las metaarteriolas está bajo control de los metabolitos, de forma similar al de las arteriolas. Aún no se sabe si las metaarteriolas reciben inervación simpática, al igual que las arteriolas. El flujo sanguíneo a través de los capilares también está regulado por el músculo liso que rodea los capilares en el extremo de la arteriola, llamados esfínteres precapilares (v. fig. 14.17). La contracción de los esfínteres precapilares comprime los capila-
FIGURA 14.17 Microcirculación. La microcirculación está formada por arteriolas, metaarteriolas, capilares y vénulas. La dirección del flujo sanguíneo está indicada por las flechas de los vasos. El músculo liso está situado en las paredes de las arteriolas y las metaarteriolas, así como en los esfínteres precapilares. La contracción o relajación del músculo liso aumenta o disminuye, respectivamente, la resistencia al flujo sanguíneo.
res, aumentando su resistencia al flujo sanguíneo. Los esfínteres precapilares solo están regulados por controles locales (es decir, que los metabolitos se producen según la actividad metabólica del tejido que rodea al esfínter). Un aumento de metabolitos, como dióxido de carbono, provoca la relajación de los esfínteres y aumenta el flujo sanguíneo a través de los capilares, mientras que un descenso del dióxido de carbono provoca la contracción de los esfínteres y aumenta el flujo sanguíneo. La sangre que entra en los capilares puede participar en el intercambio con el líquido intersticial a través de los mecanismos descritos a continuación.
Movimiento de sustancias a través de las paredes capilares El movimiento de sustancias a través de las paredes capilares tiene dos objetivos: 1) intercambio de sustancias entre la sangre y las células, y 2) distribución normal del líquido extracelular.
Intercambio a través de las paredes capilares Las sustancias se intercambian a través de las paredes capilares mediante diferentes mecanismos, dependiendo del tamaño
414
C A P Í T U LO 1 4
Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial Célula endotelial
Poros
Plasma Luz
Líquido intersticial
O2, CO2, ácidos grasos, hormonas esteroideas
Difusión a través de las células (sustancias liposolubles) Difusión a través de los poros (sustancias hidrosolubles)
Na+, K+, glucosa Capilar
Poro lleno de agua
do
continuo. Las sustancias liposolubles pueden difundir a través de las células endoteliales, mientras que las sustancias hidrosolubles solo pueden pasar por poros llenos de agua. Aunque la mayoría de las proteínas plasmáticas son incapaces de traspasar la pared, algunas proteínas lo consiguen por transcitosis.
Proteínas
tel ial
FIGURA 14.18 Intercambio de sustancias a través de un capilar
Movimiento restringido a la mayoría de proteínas plasmáticas (no pueden atravesar la pared capilar) Transcitosis de proteínas intercambiables a través de las células
¿El movimiento de la glucosa a través de las paredes capilares es un P proceso activo o pasivo?
molecular y la solubilidad en lípidos de la sustancia y de la situación del capilar. Los mecanismos de intercambio incluyen la difusión simple, la transcitosis y el transporte mediado (fig. 14.18). La mayoría de los pequeños solutos, sean liposolubles o hidrosolubles, se mueven a través de las paredes capilares por difusión simple. Los pequeños solutos liposolubles pasan por difusión las membranas plasmáticas de las células endoteliales, mientras que los pequeños solutos hidrosolubles pasan por difusión por los poros llenos de agua entre las células endoteliales. La dirección de la difusión depende del gradiente electroquímico para una sustancia determinada (excepto las proteínas intercambiables). Los nutrientes y el oxígeno tienden a ser numerosos en la sangre y las células los necesitan, por lo que estas sustancias pasan por difusión de la sangre al tejido. Sin embargo, los productos de desecho y el dióxido de carbono se producen por las células y, por tanto, son más abundantes en los tejidos. Estas sustancias pasan por difusión del tejido a la sangre. Los grandes solutos hidrosolubles, como las proteínas, son demasiado grandes para pasar, por lo que solo lo pueden hacer por los grandes poros llenos de agua, por lo que se evita que a través de las células endoteliales o alrededor de ellas. Algunas proteínas (llamadas proteínas intercambiables) se transportan de forma selectiva a través de las células endoteliales por un proceso lento que requiere energía conocido como transcitosis. En este proceso, las células endoteliales capilares engullen las proteínas en el plasma por endocitosis. A continuación, las proteínas se desplazan por el interior de las células por transporte vesicular y se liberan por exocitosis en el líquido intersticial del otro lado. Como se explicó en el capítulo 9, las células endoteliales capilares del cerebro están unidas mediante uniones estrechas, que impiden el paso de pequeños solutos hidrosolubles entre las células. Algunos de los solutos, sin embargo, se transportan a través de las células endoteliales mediante el transporte mediado.
Flujo en masa a través de las paredes capilares Las paredes capilares son completamente permeables al agua y a los pequeños solutos, por lo que el líquido se puede mover de
a lul Cé
en
Citoplasma Membrana plasmática
la sangre al líquido intersticial (filtración) o del líquido intersticial a la sangre (absorción) según los gradientes de presión. El objetivo de este flujo en masa no es proporcionar nutrientes y eliminar los productos de desecho, sino, más bien, mantener el equilibrio entre los compartimentos extracelulares: el líquido intersticial y el plasma. Un cambio del líquido plasmático hacia el líquido intersticial provoca una tumefacción de los tejidos, llamada edema. Las fuerzas que regulan el movimiento del líquido hacia el interior y exterior de los capilares se llaman fuerzas de Starling. Estas incluyen las siguientes: 1) presión hidrostática capilar (PCAP) debida a la presión hidrostática del líquido del interior del capilar; 2) presión hidrostática del líquido intersticial (PLI) debida a la presión hidrostática del líquido en el exterior del capilar; 3) presión osmótica capilar (PCAP), debida a la presencia de solutos no permeables en el interior del capilar, y 4) presión osmótica del líquido intersticial (PLI), debida a la presencia de solutos no permeables fuera del capilar. (Las fuerzas de Starling para el movimiento a través de las paredes capilares no están relacionadas con la ley de Starling del corazón, que describe la regulación intrínseca del volumen sistólico.) Las cuatro fuerzas de Starling se ilustran en la figura 14.19a y se describen a continuación. Presiones hidrostáticas Siempre que exista una presión hidrostática a través de una barrera semipermeable, como la pared capilar, la presión tiende a empujar agua a través de la pared. La presión hidrostática capilar favorece la filtración y es igual a la presión arterial en los capilares, que varía a lo largo del capilar como consecuencia de que la presión arterial disminuye a medida que se acerca al extremo de la arteriola (PCAP = 38 mmHg) del capilar al extremo de la vénulas (PCAP = 16 mmHg) (v. fig. 14.18). La presión hidrostática del líquido intersticial favorece la absorción y se debe a la presencia de líquido en el exterior de las paredes capilares que empujan el líquido al interior del capilar. Esta presión no varía a lo largo de la longitud de los capilares y normalmente es baja (PLI = 1 mmHg).
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
FIGURA 14.19 Fuerzas de Starling a través de las paredes capilares. Muestra de una representación esquemática de una arteriola que se dirige a un lecho capilar (representado por un tubo único) que termina en una vénula. (a) De las cuatro fuerzas de Starling, la presión hidrostática capilar (PCAP) y la presión osmótica del líquido intersticial (PLI) favorecen la filtración, mientras que la presión hidrostática del líquido intersticial (PLI) y la presión osmótica capilar (PCAP) favorecen la absorción. (b) Valores medios de las fuerzas de Starling. La presión hidrostática capilar disminuye a medida que el flujo se desplaza del extremo arteriolar del capilar (PCAP = 38 mmHg) al extremo venular (PCAP = 16 mmHg). La línea diagonal representa el descenso del PCAP. (c) La presión neta de filtración a través de la pared capilar está indicada por las flechas. La filtración se produce cerca del extremo arteriolar, mientras que la absorción se produce cerca del extremo venular.
Flujo sanguíneo PLI
LI
PCAP
CAP
Vénula
Arteriola
P
Un aumento en la concentración proteica del plasma, ¿tendería a favorecer un aumento de la filtración o de la absorción?
(a)
PLI = 1 mmHg
LI
= 0 mmHg
PCAP 38 mmHg
CAP =
25 mmHg 16 mmHg
Vénula
Arteriola Extremo arteriolar
Extremo venular
Presión de filtración:
Presión de filtración:
Presión de absorción:
PCAP = 38 mmHg LI = 0 mmHg 38 mmHg
CAP =
25 mmHg PLI = 1 mmHg 26 mmHg
PCAP = 16 mmHg LI = 0 mmHg 16 mmHg
Presión de absorción: CAP =
25 mmHg PLI = 1 mmHg 26 mmHg
PNF = Presión de filtración – presión de absorción
PNF = Presión de filtración – presión de absorción
= 38 mmHg – 26 mmHg = 12 mmHg
= 16 mmHg – 26 mmHg = –10 mmHg
(b)
ción ltra Fi
Arteriola (c)
415
Abso
rció n
Presiones osmótica Recuerda que, cuando una barrera semipermeable separa dos soluciones con diferentes concentraciones de solutos no permeables, el agua tiende a fluir del lado en el que la concentración de solutos es menor, a la parte donde la concentración de solutos es mayor. La presión osmótica de una solución es la medida de la concentración de solutos y aumenta a medida que la concentración de soluto sube. En otras palabras, la presencia de un soluto no permeable ejerce una presión osmótica que tiende a atraer el agua hacia la parte donde hay más concentración. Solo los solutos no permeables ejercen una presión osmótica, porque los solutos permeables, como la glucosa, se encuentran, por lo general, al mismo nivel de concentración a través de las paredes capilares. Los solutos no permeables primarios son las proteínas, que se llaman coloides. La presión osmótica ejercida por las proteínas se denomina presión osmótica coloide. La presión osmótica capilar es la fuerza osmótica ejercida por las proteínas en el plasma. Las proteínas plasmáticas atraen agua hacia los capilares, por lo que ejercen una fuerza de absorción. En condiciones normales, la concentración de proteínas en el plasma es de 6 a 8 g por 100 ml, lo que ejerce una fuerza osmótica de 25 mmHg (fig. 14.19b). Aunque la presión osmótica capilar esté afectada por cualquier movimiento de agua al interior o al exterior de los capilares que pueda producirse con el flujo sanguíneo a través de ellos, se ignorará este dato para simplificar y se dará por sentado que la presión osmótica del plasma no cambia con el flujo sanguíneo entre los extremos de un capilar. La presión osmótica del líquido intersticial es la fuerza osmótica ejercida por las proteínas en el líquido intersticial, que tiende a traspasar líquido al exterior del capilar y hacia el líquido intersticial. Sin embargo, relativamente pocas proteínas se encuentran en el líquido intersticial, por lo que la presión osmótica del líquido intersticial es aproximadamente de 0 mmHg.
Vénula
Presión neta de filtración La dirección del líquido a través de la pared de un capilar está determinada por la presión neta de filtración en cualquier lugar, es decir, la diferencia en las presiones de filtración y las presiones de absorción. De las cuatro fuerzas de Starling, la presión hidrostática capilar y la presión osmótica del líquido intersticial favorecen la filtración, mientras que la presión hidrostática del líquido intersticial y la presión osmó-
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
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tica capilar favorecen la absorción. La presión neta de filtración (PNF) puede definirse así:
José, que es camarero, lleva horas atendiendo mesas. La presión en las venas de los pies ha aumentado a 26 mmHg, y la media de la presión hidrostática capilar ha aumentado a 32 mmHg. Si el valor medio de la presión hidrostática capilar es 32 mmHg, la presión hidrostática del líquido intersticial de 1 mmHg, la presión osmótica capilar de 25 mmHg y la presión osmótica del líquido intersticial de 1 mmHg, ¿cuál es la presión neta de filtración a través de la pared capilar de los pies de José? ¿Cuál es la consecuencia de esta presión?
PNF = presión de filtración – presión de absorción = (PCAP + PLI) – (PCAP + PLI) Cuando el signo de la presión neta de filtración es positivo, se produce la filtración; cuando es negativo, se produce la absorción. Recuerda que, mientras que tres de las fuerzas de Starling permanecen relativamente constantes en un lugar determinado, la presión hidrostática capilar varía a lo largo de la longitud del capilar. De este modo, la presión neta de filtración también varía a lo largo de la longitud del capilar, siendo más alta en el extremo arteriolar y más baja en el extremo venular. La figura 14.19b muestra las cuatro fuerzas de Starling y la presión neta de filtración en dos puntos del capilar: el extremo arteriolar y el extremo venular. En este ejemplo, la presión hidrostática es de 38 mmHg en el extremo arteriolar, y de 16 mmHg en el extremo venular. La presión hidrostática del líquido intersticial es de 1 mmHg, la presión osmótica capilar es de 25 mmHg y la presión osmótica del líquido intersticial es de 0 mmHg. Según estos datos, se puede determinar la presión neta de filtración en los extremos venular y arteriolar del capilar: Extremo arteriolar: PNF = (PCAP + PLI) – (PCAP + PLI) = (38 + 0) – (25 + 1) = 12 mmHg Extremo venular: PNF = (PCAP + PLI) – PCAP + PLI) = (16 + 0) – (25 + 1) = –10 mmHg En el extremo arteriolar, la PNF es de 12 mmHg, lo que favorece la filtración; en el extremo venular, la PNF es –10 mmHg, lo que favorece la absorción. De este modo, a medida que la sangre entre en un lecho capilar, el líquido se desplaza al exterior, pero cerca del extremo del lecho capilar, la mayoría del líquido vuelve a la sangre (fig. 14.19c). Es importante saber que no todo el líquido que sale de la sangre por el flujo en masa vuelve antes de que la sangre salga del lecho capilar. La tabla 14.3 resume las fuerzas que regulan el movimiento de líquidos a través de las paredes capilares.
Factores que afectan la filtración y la absorción a través de los capilares La tasa por la cual el líquido se filtra o se absorbe a través las paredes capilares está influenciada por cualquier factor que altera la magnitud relativa de las fuerzas de Starling y, por tanto, de la presión neta de filtración. Se favorece un aumento de la filtración mediante un aumento de la presión hidrostática o presión osmótica del líquido intersticial o presión osmótica capilar. Los cambios en el sentido opuesto, claro está, favorecen el aumento de la velocidad de absorción de líquido. El volumen del líquido que se mueve por flujo en masa a través de las paredes capilares en condiciones normales es considerablemente mayor que el volumen total de la sangre. Cada día, se filtran aproximadamente 20 l y se absorben 17, resultando un volumen neto de 3 l filtrados al día, que corresponde más o menos al volumen plasmático completo. Si este volumen de líquido es cambiado del plasma al espacio intersticial cada día, ¿por qué los tejidos no se hinchan en un edema? ¿Por qué el volumen de la sangre no disminuye? La respuesta es que estos 3 l de líquido filtrado se toman del intersticio y se devuelven al aparato cardiovascular a través del sistema linfático, que se describirá más tarde en este capítulo. El equilibrio entre la filtración y la absorción puede alterarse como resultado de algunas enfermedades patológicas, o incluso como resultado de las incidencias cotidianas. Cuando una persona se levanta, por ejemplo, la presión hidrostática capilar aumenta en las partes inferiores del cuerpo, porque la columna de sangre aumenta la presión hidrostática de las arteriolas y venas inferiores. Cualquier aumento en la presión, ya sea en el extremo arteriolar de un capilar o en el extremo venular, tiende a aumentar la presión arterial capilar, que, a su vez, aumenta la presión hidrostática capilar y provoca el aumento de la velocidad de filtración.
TABLA 14.3 Fuerzas que afectan al movimiento de los líquidos a través de la pared capilar Fuerza
Definición
Dirección de la fuerza
Valor aproximado
Presión hidrostática capilar (PCAP)
Presión hidrostática ejercida por la presencia de líquido en el interior del capilar
Filtración
16-38 mmHg
Presión hidrostática del fluido intersticial (PLI)
Presión hidrostática ejercida por la presencia de líquido en el exterior del capilar
Absorción
1 mmHg
Presión osmótica capilar (PCAP)
Fuerza osmótica debida a la presencia de proteínas en el plasma
Absorción
25 mmHg
Presión osmótica del líquido intersticial (PLI)
Fuerza osmótica debida a la presencia de proteínas en el fluido intersticial
Filtración
0 mmHg
Presión neta de filtración (PNF)
Diferencia entre las fuerzas de filtración y absorción
Si es positiva: filtración; si es negativa: absorción
2 mmHg
C A P Í T U LO 1 4
Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
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CONEXIONES CLÍNICAS
Insuficiencia cardíaca Arterias Presión
rial media y disminuiría la presión venosa, como puedes ver en el esquema (a), donde la reanudación del bombeo se produce en la flecha. Arterias Presión
El término insuficiencia cardíaca hace referencia a cualquier cambio en el corazón que reduzca la capacidad de mantener un gasto cardíaco adecuado. Algunas veces, la insuficiencia cardíaca está provocada por un ataque al corazón, o infarto de miocardio, en el cual la muerte de células musculares conlleva un debilitamiento del corazón. Las anormalidades en la conducción eléctrica también pueden provocar un debilitamiento del corazón. Una vez que el músculo está debilitado, genera una fuerza contráctil menor, que reduce el volumen sistólico y el gasto cardíaco. Si esto ocurre en el corazón izquierdo, la presión arterial media disminuye y la presión venosa aumenta. Para comprender por qué la insuficiencia cardíaca aumenta la presión venosa, hay que considerar cómo la presión venosa está afectada por la fuerza bombeadora del corazón. Imagina que el corazón deja de bombear. Solo existiría una pequeña presión (unos pocos mmHg) en el aparato cardiovascular debido al llenado de los vasos sanguíneos y al estiramiento de sus paredes. Sin embargo, la presión sería la misma en las arterias, venas y en los demás lugares, por lo que no habría flujo sanguíneo. Ahora, imagina que el corazón de repente vuelve a bombear sangre a las arterias, lo que traspasaría efectivamente el volumen total de sangre de las venas a las arterias. Este traspaso de sangre aumentaría la presión arte-
Tiempo Venas Tiempo
(a)
La presión arterial aumenta más de lo que disminuye la presión venosa, porque las arterias tienen una distensibilidad más baja que las venas. En la insuficiencia cardíaca, la capacidad del corazón para bombear sangre se reduce, lo que provoca que una parte del volumen de sangre total cambie de las arterias a las venas. Esto reduce la presión arterial y también aumenta la presión venosa, como ocurre en la flecha del esquema (b). En la insuficiencia cardíaca, la presión puede aumentar en las venas sistémicas o las venas pulmonares, dependiendo de qué parte del corazón esté afectada. La insuficiencia del corazón izquierdo (insuficiencia cardíaca izquierda) provoca que la presión aumente
También se produce un aumento en la filtración capilar, junto con la tumefacción del tejido, en respuesta a ciertos tipos de heridas. Por ejemplo, cuando se produce un corte o una herida en la piel, la parte afectada se hincha en pocos minutos. En parte esto se produce como consecuencia de las lesiones en los capilares, que permiten que el líquido rico en proteínas se filtre. Como consecuencia, la concentración de proteínas en el líquido intersticial aumenta la presión osmótica. Además, algunas células del área dañada liberan una sustancia química llamada histamina, que aumenta la permeabilidad de las paredes capilares a las proteínas y, por tanto, aumenta la filtración de proteínas al intersticio. Otras enfermedades que favorecen el aumento de la filtración capilar y el edema incluyen las enfermedades hepáticas y renales y del corazónLa mayoría de las proteínas plasmáticas se producen en el hígado, por lo que daños al hígado pueden
Venas
(b)
en las venas pulmonares, porque transportan sangre a la parte izquierda del corazón. Por el contrario, la insuficiencia del ventrículo derecho (insuficiencia cardíaca derecha) provoca que la presión aumente en la vena cava y otras venas sistémicas. El edema, una característica común de la insuficiencia cardíaca, es una consecuencia de un aumento de la presión venosa. A medida que la presión venosa aumenta, se transmite el aumento de la presión en sentido anterógrado, incluyendo los capilares. Cuando la parte izquierda del corazón falla, se produce un edema en los pulmones, porque la presión aumenta en los capilares pulmonares. Cuando la parte derecha del corazón falla, tiende a causar un edema en los tejidos sistémicos, porque la presión aumenta en los capilares sistémicos. Cuando se produce edema, la enfermedad se conoce como insuficiencia cardíaca congestiva.
producir un descenso de la concentración de proteínas en el plasma. Algunos daños del riñón interfieren con la capacidad de eliminar exceso de agua (y solutos) en la orina, lo que provoca una acumulación del exceso de líquidos en el cuerpo. Como consecuencia, el volumen sanguíneo aumenta y la presión arterial aumenta por todo el aparato cardiovascular. Este aumento en la presión aumenta la presión hidrostática capilar, lo que aumenta la filtración. Los daños en los riñones pueden provocar también la eliminación de grandes cantidades de proteínas plasmáticas en la orina. (Normalmente, solo se eliminan cantidades insignificantes de proteínas en la orina.) Esta pérdida de proteínas provoca un aumento en la filtración capilar, ya que reduce la presión osmótica del plasma. Los daños producidos en el corazón pueden provocar edema pulmonar, que es la acumulación de líquido en los pulmones (v. Conexiones clínicas: Insuficiencia cardíaca).
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
Vénulas
Test rápido 14.4 1. ¿En qué se diferencian los capilares porosos de los continuos? 2. De los siguientes cambios, ¿cuál provocaría un aumento de la velocidad a la cual el líquido se filtra desde los capilares? Elige todos los posibles: un descenso de la presión osmótica en el plasma; un descenso de la presión osmótica del líquido intersticial; un aumento de la presión venosa; un aumento de la concentración de proteínas plasmáticas.
Venas Las vénulas se reúnen para formar venas mayores. Las venas tienen casi el mismo diámetro que las arterias, pero sus paredes son más o menos la mitad de finas. Una vena típica tiene un diámetro interno de 5 mm, pero su pared mide solo 0,5 mm. Las venas más grandes, las venas cavas, son incluso más grandes en diámetro que la aorta (30 mm, en vez de 12,5 mm), pero tienen un grosor de pared de solo 1,5 mm, comparado con los 2 mm de la aorta. La estrechez relativa de las paredes de las venas refleja el hecho de que la presión arterial en las venas es mucho menor que en las arterias. Las paredes de las venas son similares a las de las arterias, ya que contienen músculo liso, elástico y tejido conjuntivo (v. fig. 14.6). A diferencia de los demás vasos sanguíneos del organismo, las venas disponen de válvulas unidireccionales que permiten que la sangre avance hacia el corazón, pero evitan que retroceda a los órganos y tejidos (v. fig. 14.5). Estas válvulas están presentes en las venas localizadas en el exterior de la cavidad torácica (venas periféricas), pero no se encuentran en las venas del interior de la cavidad torácica (venas centrales) y en el sistema nervioso central.
V2 Volumen
Los capilares se unifican para formar vasos llamados vénulas. Las vénulas son ligeramente más pequeñas que las arteriolas, midiendo alrededor de 20 Mm de diámetro, pero sus paredes son mucho más finas que la de las arteriolas y contienen poca o ninguna cantidad de músculo liso (v. fig. 14.6). De hecho, las vénulas más pequeñas se parecen más a los capilares que las arteriolas, ya que están formadas por una capa única de endotelio que es porosa, permitiendo el intercambio entre la sangre y el intersticio. De este modo, el intercambio entre la sangre y el intersticio se produce en los capilares y las pequeñas vénulas.
Venas
Arterias V1
Presión de apertura
FIGURA 14.20 Gráfico que muestra cómo el volumen de sangre contenido en las arterias y las venas varía según la presión que hay en su interior. Comparación de las dos curvas que muestran que, a una presión determinada, las venas tienen más sangre (V2) que las arterias (V1). Vasos sanguíneos pulmonares 12% Arterias sistémicas y arteriolas (15%)
Corazón 8%
Capilares 5% Venas sistémicas y vénulas 60%
FIGURA 14.21 Distribución del volumen sanguíneo de las diferentes porciones del aparato cardiovascular. Los porcentajes indican proporciones del volumen total de sangre.
condiciones de reposo, aproximadamente el 60% del total de la sangre se encuentra en las venas sistémicas. Esta sangre puede pasar a la parte arterial de la circulación en condiciones de mayor actividad; de este modo, sirve como reservorio de sangre disponible o reserva de volumen. La sangre es traspasada mediante un aumento del retorno venoso, que se describe a continuación.
Venas: reservorio de volumen A diferencia de las arterias, que funcionan como reservorio de presión, las venas tienen la función de reservorio de volumen, una propiedad que está relacionada con la distensibilidad de los vasos. Las venas tienen una pared fina y se estiran fácilmente, por lo que tienen una alta distensibilidad, es decir, un aumento relativo en la presión en el interior de las venas provoca un mayor grado relativo de expansión (aumento de volumen). En otras palabras, las venas pueden aceptar un gran aumento del volumen de sangre que contienen con un escaso cambio de presión, lo que las hace buenas como reservorio de volumen. Como consecuencia de su distensibilidad, las venas pueden albergar un mayor volumen de sangre que las arterias a una presión determinada (fig. 14.20). De hecho, las venas del cuerpo humano tienen un volumen significativamente mayor que las arterias (fig. 14.21), incluso aunque la presión en las venas sea mucho menor que la que tiene las arterias. En
Factores que influyen en la presión venosa y el retorno venoso La presión venosa tiene una influencia importante, aunque indirecta, en la presión arterial media, por lo que afecta al flujo sanguíneo de todos los órganos sistémicos. La fuerza responsable del retorno venoso es el gradiente de presión entre las venas periféricas y la aurícula derecha, un gradiente de aproximadamente 15 mmHg. El aumento de la presión venosa permite el retorno venoso, que, a su vez, aumenta el volumen telediastólico y, por tanto, el volumen sistólico, gasto cardíaco y, en definitiva, la presión arterial media. En esta sección se examinarán los factores que afectan a la presión venosa, que, por tanto, influyen en el flujo sanguíneo a los órganos: la bomba del músculo esquelético, la bomba respiratoria, el volumen de sangre y el tono vasomotor.
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
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Al corazón
Al corazón
Válvula cerrada
Válvula proximal abierta
Vena Vena Válvula abierta
Válvula distal cerrada
(a) Músculo esquelético contraído
(b) Músculo esquelético relajado
FIGURA 14.22 Bomba del músculo esquelético. (a) Cuando un músculo se contrae, ejerce una fuerza sobre las venas, conduciendo la sangre hacia el corazón (parte izquierda). (b) Cuando el músculo se relaja, se evita que el flujo retroceda mediante el cierre de las válvulas unidireccionales de las venas.
Bomba del músculo esquelético Hemos estudiado que las venas periféricas contienen válvulas unidireccionales que permiten que la sangre avance hacia el corazón sin que retroceda. Cuando los músculos esqueléticos se contraen, presionan sobre las venas que se desplazan por ellas, lo que aumenta la presión venosa de la sangre. El aumento de la presión fuerza que la mayor parte de las válvulas distales se cierren, evitando que la sangre retroceda, y fuerza que la mayor parte de válvulas proximales se abran, permitiendo que la sangre avance hacia el corazón (fig. 14.22a). Cuando los músculos se relajan y la presión desciende, la presión reducida permite que las válvulas distales se abran, de manera que la sangre puede avanzar hacia la próxima vena que ha estado comprimida anteriormente, y también provoca que la válvula proximal se cierre, para que la sangre no retroceda en dirección contraria al corazón (fig. 14.22b). Al contraer y relajar los músculos alternativamente, los músculos actúan como «bomba» que ayuda a dirigir la sangre hacia el corazón. Por esta razón, cualquier ejercicio en el que intervenga la contracción rítmica de los músculos, como andar o correr, favorece un aumento del retorno venoso, un aumento del volumen sistólico y del gasto cardíaco.
movimientos respiratorios vigorosos que acompañan al ejercicio también ayudan a que la sangre vuelva al corazón. A los efectos de los movimientos respiratorios en el retorno venoso se les denomina bomba respiratoria. La bomba respiratoria funciona de la siguiente manera: cuando se inspira, el diafragma ejerce una fuerza hacia abajo y la caja torácica se expande, lo que reduce la presión en la cavidad torácica y la aumenta en la cavidad abdominal. Esto crea una presión gradiente que estimula el movimiento de la sangre desde las venas abdominales a las venas centrales situadas en la cavidad torácica, aumentando de esta manera el flujo sanguíneo hacia el corazón. Cuando se espira, la presión torácica aumenta y la presión abdominal desciende. Esto crea un gradiente de presión que tendería a favorecer que la sangre retrocediese de las venas centrales a las venas abdominales, pero este retroceso se evita mediante el cierre de las válvulas en las venas abdominales. Por el contrario, el aumento de presión en la caja torácica dirige el movimiento anterógrado de la sangre desde las venas centrales al corazón, por lo que favorece el aumento del retorno venoso y el gasto cardíaco.
Volumen de la sangre Bomba respiratoria Al igual que el ejercicio ayuda a la sangre a avanzar hacia el corazón mediante la acción de la bomba del músculo esquelético, los
El volumen total de la sangre en el cuerpo tiene una influencia importante en la presión arterial media a través de su efecto en la presión venosa. La relación entre el volumen de sangre y la
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presión venosa es muy simple: un aumento del actividad de actividad en los actividad de la volumen volumen de sangre produce un aumento de la la bomba nervios simpáticos bomba muscular sanguíneo presión venosa y un descenso del volumen de respiratoria a las venas sangre produce un descenso de la presión venosa. Si el volumen sanguíneo desciende como resultaVenas do de una hemorragia o deshidratación o cualquier otra razón, la presión venosa disminuye, al tono vasomotor igual que el retorno venoso y el volumen telediastólico. La disminución resultante del gasto cardíaco provoca un descenso de la presión arterial distensibilidad venosa media. Por el contrario, un aumento en el volumen de sangre tiene el efecto contrario, tendiendo a aumentar la presión arterial media. Algunas formas de hipertensión (elevación de presión venosa la presión arterial media), por ejemplo, se deben a que los riñones no están eliminando las cantidades adecuadas de sales y agua, lo que provoca un exceso de retención de líquidos en el cuerpo. retorno venoso Este exceso de líquidos determina que el volumen de sangre aumente, lo que aumenta, a su vez, la presión arterial media. Corazón La presión arterial está afectada directamente presión ventricular por el volumen de sangre, por lo que es una parte importante en la regulación de la presión arterial. Una disminución del volumen de sangre activa los mecanismos reflejos que funcionan para reducir presión telediastólica (precarga) la eliminación de agua en la orina por los riñones, por lo que ayuda al organismo a conservar agua, manteniendo el volumen de sangre y la presión volumen telediastólico (VTD) venosa. Al mismo tiempo, la activación de los centros de la sed del cerebro induce a que la persona beba líquidos. La absorción de estos líquidos por volumen sistólico (VS) el tubo digestivo sirve para recuperar el volumen de sangre perdido, por lo que ayuda a mantener la presión venosa adecuada. Estos mecanismos gasto cardíaco (GC) reflejos que regulan el volumen sanguíneo implican al sistema endocrino y funcionan relativaEstímulo inicial mente de forma lenta, y regulan la presión arterial Respuesta fisiológica a largo plazo (horas o días). (La regulación a largo presión arterial media (PAM) plazo de la presión arterial por los riñones se expliResultado ca en mayor detalle en el capítulo 19.) FIGURA 14.23 Factores que afectan la presión venosa y lo que ello significa para la En algunas circunstancias, la alta distensibilipresión arterial. dad de las venas actúa en contra de la acción bombeadora del corazón provocando la acumulación venosa (acumulación de sangre en las venas). nas se desplaza hacia las venas centrales, de la misma manera en Cuando una persona se levanta, por ejemplo, la fuerza de graveque el agua de un vaso sale cuando se vuelca. Esto aumenta el dad aumenta la presión arterial en las venas de la parte inferior del retorno venoso y, por tanto, el gasto cardíaco y la presión arterial cuerpo, provocando que las venas se expandan y permitiendo que media, lo que ayuda a restablecer el flujo sanguíneo al cerebro. el volumen de sangre dentro de ellas aumente. Esta acumulación de sangre en las venas actúa en contra de la acción bombeadora del corazón, porque reduce el retorno venoso; en vez de devolverTono vasomotor la al corazón, gran parte de la sangre que entra en las venas permanece en ellas. Por tanto, la acumulación venosa reduce la preEl músculo liso de las paredes de las venas se contrae o se relaja sión arterial igual que si se redujera el volumen de sangre. en respuesta a la actividad de los nervios autónomos y algunos Una disminución de la presión arterial media por encima de agentes químicos. En particular, el músculo liso venoso contiene lo normal (denominada hipotensión ortostática) puede provocar receptores adrenérgicos A y la actividad del sistema nervioso que una persona se sienta mareada debido al descenso del flujo simpático desencadena un aumento en la actividad contráctil, sanguíneo en el cerebro, pero los mecanismos reflejos compencon un aumento resultante en la tensión denominada como san rápidamente en condiciones normales. La presencia de factono vasomotor. tores agravantes, como deshidratación o insuficiencia cardíaca, Un aumento en el tono vasomotor tiene dos efectos: 1) la pueden provocar que una persona se desmaye. En ese caso, el constricción de las venas aumenta la presión venosa, lo que desmayo es muy ventajoso, puesto que, una vez que una persona fuerza a que la sangre avance hacia el corazón, aumentando brese cae, la sangre que se había acumulado en las venas de las piervemente el volumen sistólico, y 2) el aumento en la tensión de la
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
pared reduce la distensibilidad venosa, lo que aumenta la presión venosa y produce un aumento sustancial en el volumen sistólico. Por tanto, un aumento en el tono vasomotor favorece un aumento en el gasto cardíaco y la presión arterial media. Los cambios en el tono vasomotor son componentes importantes de los reflejos que regulan la presión arterial. Cuando la presión arterial disminuye como resultado de una pérdida de sangre, por ejemplo, la actividad de las neuronas simpáticas aumenta, lo que contribuye a aumentar la presión arterial. La figura 14.23 resume la forma en que estos factores influyen en la presión venosa. Este diagrama ilustra que los aumentos en la actividad bombeadora del músculo, la actividad bombeadora respiratoria, el volumen de sangre y el tono vasomotor actúan para aumentar la presión venosa y, por tanto, tienden a aumentar la presión arterial media.
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Capilares linfáticos Flujo linfático Ganglio linfático Capilares pulmonares
Circuito pulmonar
Test rápido 14.5 1. ¿Un aumento en la presión venosa tiende a aumentar o a reducir el gasto cardíaco? Explica por qué. 2. Compara la distensibilidad de las arterias y las venas y explica la importancia funcional.
Flujo sanguíneo
Circuito sistémico
Sistema linfático A pesar de que aproximadamente 3 l de líquido se filtran desde los capilares cada día, los tejidos no se hinchan normalmente, porque este líquido entra en el sistema linfático, una red de vasos (conocida como conductos) que se extiende por todo el organismo (fig. 14.24). Una vez que el líquido se introduce en el sistema linfático, se transporta por los conductos hasta que se devuelve al aparato cardiovascular. El sistema linfático recuerda a un compañero silencioso del aparato cardiovascular, ya que, a pesar de que continuamente transporta líquido, este líquido (llamado linfa) a menudo pasa inadvertido porque es claro, con un leve tinte amarillo. (Si alguna vez te has raspado la rodilla levemente y has notado que sale un líquido claro, esto es en gran parte linfa.) El líquido entra en el sistema linfático mediante unos pequeños conductos llamados capilares linfáticos, cuyas paredes tienen grandes poros que permiten que el agua, los pequeños solutos e incluso proteínas y partículas más grandes pasen a través de ellos. Como consecuencia, cualquier líquido que se filtre a menudo de los capilares sanguíneos «normales» puede traspasar fácilmente del intersticio al sistema linfático. De los capilares linfáticos, el líquido se traspasa a través de una serie de conductos que se van haciendo cada vez más grandes llamados venas linfáticas, hasta que alcanzan uno de los dos conductos principales que van a dar al corriente sanguíneo de las venas yugulares, el conducto linfático derecho y el conducto torácico. De esta manera, el líquido filtrado regresa al aparato cardiovascular. Los capilares linfáticos y las venas tienen válvulas que permiten que el líquido entre a los capilares y que la linfa se mueva por las venas en una sola dirección, hacia los conductos linfáticos derecho y torácico. El flujo linfático a través de las venas linfáticas a los conductos es similar al del flujo sanguíneo a través de las venas «normales», como se ha descrito previamente. En ciertos puntos del sistema linfático, la linfa pasa a través de unas estructuras llamadas nódulos linfáticos. En los nódulos linfáticos, cualquier partícula que pueda estar presente en la linfa, incluyendo bacterias u otras sustancias, se filtra y se elimina
Válvula Flujo linfático
Flujo linfático
Capilares sistémicos
Capilares linfáticos
FIGURA 14.24 Sistema linfático. Esta imagen altamente esquemática muestra el líquido que sale de los capilares sanguíneos y entra en los capilares linfáticos de los pulmones y tejidos sistémicos. Este líquido, llamado linfa, fluye por los conductos linfáticos y nódulos linfáticos hasta las venas del circuito sistémico.
mediante unas células fagocíticas llamadas macrófagos. Los linfocitos y otras células del sistema inmunitario también se congregan en los nódulos linfáticos, haciendo de ellos lugares importantes para la interacción celular, que es una parte esencial de la respuesta inmunitaria (v. capítulo 23).
Presión arterial media y su regulación Se han explicado dos factores que influyen en el flujo sanguíneo de un órgano: la presión arterial media y la resistencia del órgano. Si se considera que la presión arterial media (PAM) influye en el flujo sanguíneo de todos los órganos en el circuito sistémico, se puede entender fácilmente por qué ajustar el flujo sanguíneo a la necesidad de cada órgano requiere que el aparato cardiovascular mantenga una PAM adecuada: cualquier disminución de la PAM tiende a poner en peligro todos los flujos sanguíneos de los órganos sistémicos. A continuación se explicarán los determinantes de la PAM y su regulación.
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
Determinantes de la presión arterial media: ritmo cardíaco, volumen sistólico y resistencia periférica total Anteriormente se ha explicado que una variación de la regla del flujo es PAM = GC RPT. Recordemos del capítulo 13 que el gasto cardíaco está determinado por la frecuencia cardíaca (FC) y el volumen sistólico (VS). Si sustituimos estos valores en la expresión, se puede ver que PAM = FC VS RPT
Aorta
Desde el corazón Flujo (GC)
PAM constante
Flujo
Aumento de PAM
Flujo
A los órganos sistémicos
(a)
Flujo (GC)
De este modo, la presión arterial media está completamente determinada por tres factores: 1) frecuencia cardíaca; 2) volumen sistólico, y 3) resistencia periUn aumento en el ... conlleva un aumento en el volumen ... cuando la resistencia férica total. gasto cardíaco… de sangre que contiene la aorta y un periférica total permanece La expresión anterior indica que la aumento en la presión arterial media… igual. presión arterial media debería aumentar ante un aumento de la frecuencia cardía(b) ca o el volumen sistólico (lo que tiende a aumentar el gasto cardíaco) o la resistencia periférica total. Se puede intuir por qué el aumento en el gasto cardíaco o la resistencia periférica total deberían hacer que la PAM aumente mirando la figura 14.25, en la que se muestra el flujo sanFlujo guíneo (flechas anchas) de entrada y saliAumento de PAM Flujo (GC) da de la aorta en diferentes circunstancias. La resistencia periférica total se muestra esquemáticamente como una constricción del extremo distal de la aorta, donde la sangre sale. Un gasto cardíaco ... conlleva un aumento del volumen ... cuando la resistencia Cuando la presión arterial media está constante… de la sangre que contiene la aorta y un periférica total aumenta. en estado de reposo (v. fig. 14.25a), la sanaumento en la presión arterial media… gre fluye hacia la aorta al mismo ritmo que sale, de forma que el volumen de san(c) gre contenido no cambia. El flujo que entra en la aorta es el gasto cardíaco, por FIGURA 14.25 Cómo el aumento del gasto cardíaco y la resistencia periférica total aumentan la lo que el flujo que sale de la aorta en conpresión arterial media. (a) PAM constante en condiciones de gasto cardíaco (GC) y resistencia periférica diciones normales es igual al gasto cardíatotal (RPT) constantes. (b) Aumento de la PAM en respuesta al aumento del GC. (c) Aumento de la PAM en respuesta al aumento de la RPT. Es importante saber que estos desequilibrios entre los flujos entrantes y co. (Los flujos mostrados en la fig. 14.25 salientes de la aorta son pasajeros. A medida que la PAM aumenta, el flujo saliente también lo hace, hasta representan la media de flujos sanguíneos que se hace igual al flujo entrante, de manera que la PAM se hace constante. en los ciclos cardíacos. En un ciclo cardíaco, los flujos entrantes y salientes de la aorta se diferencian en función de la presión aórtica; v. pág. 379.) jo sanguíneo saliente de la aorta. Cuando la presión arterial La figura 14.25b muestra cómo la presión arterial media media alcanza el estado de reposo, los flujos de entrada y salida cambiaría si se produjese un aumento de este tipo en el gasto de la aorta serán iguales.) cardíaco (debido a un aumento del ritmo cardíaco o del voluLa figura 14.25c muestra cómo la presión arterial media cammen sistólico), con una resistencia periférica total constante. biaría con un aumento repentino de la resistencia periférica Bajo estas condiciones, los flujos de entrada en la aorta son más total, mientras que el gasto cardíaco permanecería constante. El rápidos que los flujos salientes, por lo que el volumen de sangre aumento de la resistencia periférica total reduce el flujo sanguíen la aorta aumenta y el vaso se expande. Esta expansión estira neo saliente de la aorta, por lo que la sangre entra más rápido de la pared de la aorta, provocando una gran fuerza hacia el interior lo que sale, y la presión arterial media aumenta. en la sangre, por lo que la presión arterial aumenta. Por tanto, un Ahora se examinará cómo el cuerpo regula la presión arterial aumento en el ritmo cardíaco o el volumen sistólico provoca que media mediante el ritmo cardíaco, el volumen sistólico y el gasto la PAM aumente. (Si el gasto cardíaco permanece elevado, el cardíaco. aumento de la presión aórtica determina un incremento del flu-
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
Regulación de la presión arterial media El control de la presión arterial media se consigue por los mecanismos de regulación extrínseca, es decir, los mecanismos que implican el control de órganos y tejidos por los sistemas nervioso y endocrino. Esta sección se centrará en entender la regulación a corto plazo de la presión arterial, que se lleva a cabo en un intervalo de segundos o minutos. La regulación a largo plazo de la presión arterial, que se explica brevemente en este capítulo, pero que se profundizará en mayor grado en el capítulo 19, viene condicionada por el control del volumen de sangre por los riñones y se lleva a cabo en minutos o días. Para ver cómo se coordinan las regulaciones a corto y largo plazo, se puede pensar en este ejemplo: cuando una persona pierde sangre, la disminución del volumen de sangre resultante provoca un descenso de la presión venosa, que provoca el descenso del retorno venoso, el volumen telediastólico, el gasto cardíaco y hasta un descenso de la presión arterial media. Como se explicará más adelante, esta caída de la presión arterial normalmente desencadena varias respuestas hormonales y neuronales que se producen en segundos y determinan que la presión arterial aumente a su nivel normal. Al mismo tiempo, la caída de la presión arterial condiciona una disminución de la diuresis renal, lo que ayuda al cuerpo a mantener el volumen sanguíneo mediante la conservación de agua. Por el contrario, cuando una persona bebe líquidos en exceso, el volumen sanguíneo y la presión arterial media aumentan por encima de lo normal. Este aumento de la presión arterial desencadena respuestas hormonales y neuronales que se producen rápidamente para bajar la presión, devolviéndola a su nivel normal. Al mismo tiempo, el aumento de la presión desencadena el aumento de producción de la orina por los riñones, lo que elimina el exceso de agua del cuerpo y normaliza el volumen de sangre.
Control neuronal de la presión arterial media Cuando el cuerpo está en estado de reposo, los mecanismos reguladores extrínsecos funcionan para que la presión arterial media permanezca constante. Si, por alguna razón, la presión arterial baja, las respuestas reguladoras «actúan» para devolverla al nivel normal: si la presión arterial aumenta, las respuestas reguladoras trabajan para disminuirla. De este modo, la presión arterial media es una variable regulable que depende de un control mediante retroalimentación negativa. Como se explicó en el capítulo 1, los sensores controlan la variable regulable de cualquier mecanismo en el que intervenga el control de retroalimentación negativa; los sensores de la presión arterial media se llaman barorreceptores arteriales, que se examinan a continuación. Barorreceptores arteriales: sensores de la presión arterial media Un barorreceptor es un término general para un tipo de neurona receptora sensorial en los vasos sanguíneos y el corazón que responde a los cambios de presión en el aparato cardiovascular. (Recuerda que un barómetro es un instrumento que controla la presión atmosférica.) Los barorreceptores arteriales se encuentran en dos lugares: en el cayado aórtico, la parte curva de la aorta situada cerca de su origen en el corazón, y los senos carotídeos de las arterias carótidas, que se sitúan en el cuello (fig. 14.26). Por eso, los barorreceptores arteriales también se conocen como barorreceptores sinoaórticos. Estos barorreceptores se sitúan estratégicamente, porque la presión en la aorta afecta al flujo de sangre en cada órgano en el circuito sistémico, y porque la presión de las arterias carótidas
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Bifurcación de la carótida Seno carotídeo Arteria carótida común
Barorreceptores arteriales
Cayado aórtico
FIGURA 14.26 Barorreceptores arteriales. Los barorreceptores arteriales se sitúan en el cayado aórtico y en los senos carotídeos.
afecta al flujo sanguíneo del cerebro, que resulta extremadamente sensible a cualquier reducción en el suministro de sangre. Los barorreceptores arteriales responden específicamente al estiramiento que se produce durante los cambios de presión en las arterias. Las terminaciones sensitivas de los barorreceptores arteriales están dentro de las paredes de la aorta y los senos carotídeos. Cuando la presión arterial (o, más precisamente, la presión de apertura) aumenta, las arterias se expanden, estirando las paredes de la arteria y las terminaciones sensitivas de los barorreceptores que contienen, e inducen su despolarización. La despolarización desencadena los potenciales de acción, que se conducen entonces hacia el sistema nervioso central por los axones de los barorreceptores. El aumento de la presión induce un mayor estiramiento de los extremos sensoriales, que producen mayor despolarización y un aumento de la frecuencia de los potenciales de acción (fig. 14.27). Los barorreceptores arteriales son importantes en la regulación de la presión arterial media, porque transmiten información de la presión al sistema nervioso central, que ejerce control sobre la función cardiovascular mediante neuronas autónomas que se proyectan al corazón y los vasos sanguíneos. Cuando la presión arterial media cambia, la actividad de las neuronas autónomas cambia, lo que provoca que el corazón y los vasos sanguíneos alteren su función en respuesta. La actividad de los barorreceptores en el sistema nervioso también desencadena cambios en la secreción de varias hormonas cuyo objetivo son el corazón y los vasos sanguíneos. Centro de control cardiovascular del bulbo raquídeo El control neuronal de la presión arterial media está regulado principalmente por el bulbo raquídeo. Este posee una serie variada de redes que comprenden diferentes núcleos, llamados centro de control cardiovascular, que regulan los diferentes aspectos de la función cardiovascular (fig. 14.28). El centro de control cardio-
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
Normal
Aumento de la presión
Descenso de la presión
110 Presión arterial (mmHg)
70 Potenciales de acción
Respuesta al barorreceptor (potencial de membrana, mV) Frecuencia basal
Aumento de la Descenso de frecuencia del frecuencia del potencial de acción potencial de acción
FIGURA 14.27 Respuesta de los barorreceptores arteriales a cambios en la presión arterial. El registro superior de cada panel muestra la onda de presión arterial; las líneas verticales de las marcas de abajo representan el potencial de acción registrado en un barorreceptor del seno carotídeo. Aquí, un cambio de la intensidad de un estímulo (presión arterial) P desencadena un cambio en la frecuencia de los potenciales de acción en las
el aumento de la presión arterial que se suele producir en los estados de ansiedad) y en el ejercicio. La corteza también ejerce un control continuo sobre la función cardiovascular, modulando las respuestas del centro de control cardiovascular a su actividad sensorial. Aferencias autónomas a los efectores cardiovasculares El centro de control cardiovascular integra la información recibida de varias fuentes descritas anteriormente y determina qué ajuste, si fuese necesario, debería efectuarse. Para realizar estos ajustes, el centro se comunica con el sistema nervioso autónomo, influyendo sobre el nivel de actividad de los nervios simpáticos y parasimpáticos del corazón y los vasos sanguíneos. La inervación autónoma más importante del aparato cardiovascular incluye las siguientes (v. fig. 14.28): 1) los nervios simpáticos y parasimpáticos del nódulo sinoauricular, que controlan el ritmo cardíaco; 2) los nervios simpáticos del miocardio ventricular, que controlan la contractilidad; 3) los nervios simpáticos a las arteriolas y otros vasos de resistencia, que controlan la resistencia vascular, y 4) los nervios simpáticos a las venas, que controlan el tono vasomotor. Claramente, la influencia neuronal principal de la función cardiovascular es simpática; la actividad parasimpática solo actúa en el nódulo SA.
neuronas aferentes. ¿Cuál es el término general para este fenómeno?
Reflejo barorreceptor
vascular es capaz de examinar varios indicadores de la actividad cardiovascular (como la presión arterial) y decidir si la actividad es suficiente para satisfacer las necesidades del organismo en ese momento. De no ser así, el centro de control cardiovascular ordena al aparato cardiovascular los ajustes convenientes mediante los nervios autónomos. La información de una serie de receptores sensitivos se proyecta en el centro de control cardiovascular. Entre ellos destacan los barorreceptores arteriales, que informan al centro sobre las presiones en el cayado aórtico y los senos carotídeos. Entre los otros receptores se pueden encontrar los barorreceptores de baja presión en la aurícula derecha y las grandes venas sistémicas (también llamadas receptores de volumen), que controlan la presión venosa, y los quimiorreceptores del cerebro y las arterias carótidas, que controlan las concentraciones de oxígeno, dióxido de carbono e iones de hidrógeno de la sangre arterial. Las funciones de estos receptores se explican brevemente. Los propiorreceptores del músculo esquelético y las articulaciones, que perciben el movimiento corporal y la posición, y otros receptores de varios tipos en órganos internos a través del cuerpo también proporcionan aferencias; estos receptores son importantes en la respuesta cardiovascular al ejercicio. El centro de control cardiovascular recibe información no solo de los receptores sensoriales, sino también de las partes superiores del cerebro, incluyendo la corteza cerebral y el hipotálamo. El hipotálamo es importante a la hora de controlar las respuestas de lucha o huida del aparato cardiovascular; también regula la resistencia de los vasos sanguíneos en la piel en respuesta a los cambios de la temperatura corporal. Estos cambios en la resistencia controlan el flujo sanguíneo por la piel, lo que ayuda a regular el nivel de pérdida de calor del cuerpo. La naturaleza exacta de las influencias corticales sobre la función cardiovascular no se conoce, aunque se piensa que son muy variadas. La corteza interviene en los cambios cardiovasculares que se producen en respuesta al dolor y estados emocionales (como
La mayoría de las personas han sentido alguna vez los efectos de la acción de los barorreceptores. Ya se ha explicado que la presión arterial puede caer cuando una persona se pone de pie, provocando una sensación de mareo. En pocos segundos, sin embargo, el mareo se pasa, porque la presión ha aumentado hasta su nivel normal. Esto ocurre porque el descenso de la presión arterial se detecta por los barorreceptores, que desencadenan un aumento de la actividad simpática y un descenso de la actividad parasimpática, lo que se traduce en un aumento del ritmo cardíaco, la contractilidad del miocardio y la resistencia vascular. Esta secuencia de pasos se llama reflejo barorreceptor. La figura 14.29 ilustra el reflejo barorreceptor en respuesta al descenso de la presión arterial media. La caída de la presión se detecta por los barorreceptores arteriales, y esta información se transmite al centro de control cardiovascular, que desencadena un descenso de la actividad parasimpática y un aumento de la actividad simpática para compensar. El descenso de la actividad parasimpática y el aumento de la actividad simpática en el nódulo SA provocan que el ritmo cardíaco aumente. Un aumento en la actividad simpática del miocardio ventricular aumenta la contractilidad cardíaca, lo que provoca un aumento del volumen sistólico. El aumento de la actividad simpática de las venas también aumenta el volumen sistólico, al aumentar el retorno venoso. Un aumento de la actividad simpática en las arteriolas provoca vasoconstricción, lo que aumenta la resistencia periférica total. El aumento del ritmo cardíaco, volumen sistólico y resistencia periférica total tiende a aumenta la presión arterial media. La figura 14.30 ilustra de forma gráfica la respuesta del barorreceptor ante una disminución del volumen de sangre secundaria a una hemorragia. Cuando el volumen de sangre disminuye, el volumen telediastólico disminuye, y el volumen sistólico y el gasto cardíaco también. Al mismo tiempo que el gasto cardíaco disminuye, la presión arterial cae. La disminución de la presión arterial activa entonces el reflejo barorreceptor, que recupera el valor inicial de la presión provocando un aumento del ritmo cardíaco, la resistencia periférica total y el volumen sistólico. En la figura 14.30, el ritmo cardíaco y la resistencia
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periférica aumentan por encima de los valores de estado de reposo, pero el volumen sistólico, que había disminuido en primer lugar, vuelve a niveles normales. La presión no recupera exactamente su valor inicial, porque, si lo hiciera, los barorreceptores transmitirían señales al centro de control cardiovascular, comunicándoles que la presión es normal; en ese caso, la respuesta compensatoria a una pérdida de sangre se eliminaría, y la presión disminuiría de nuevo. Por tanto, es necesario un pequeño error de señal para mantener la respuesta activa y compensar la pérdida de sangre. Como una disminución de la presión arterial desencadena un aumento compensatorio posterior, el reflejo barorreceptor actúa mediante retroalimentación negativa para mantener la presión constante. El mismo principio se aplica cuando la presión arterial aumenta. En ese caso, el cambio en la presión arterial desencadena una respuesta en dirección opuesta, provocando una reducción de la presión. La acción del reflejo barorreceptor suscita una pregunta interesante: si los reflejos barorreceptores trabajan para mantener la presión arterial media constante a niveles normales, ¿por qué alguna gente sufre hipertensión? La razón es que la hipertensión es una enfermedad crónica que se desarrolla lentamente durante largos períodos de tiempo. El aumento gradual de la
Núcleo motor dorsal del nervio vago
presión arterial provoca que los barorreceptores pierdan su sensibilidad hasta que establecen un parámetro de control nuevo a una presión más alta, que se convierte definitivamente en «normal». En estas condiciones, los barorreceptores todavía funcionan para regular la presión arterial, pero actúan para mantenerla a un nivel por encima de lo normal. Una vez que esto sucede, los barorreceptores no pueden corregir el problema (v. «Conexiones clínicas: Hipertensión»). Cuando se considera todo esto, el peligro inmediato que se plantea por la presión arterial baja (hipotensión) es mucho mayor que el peligro de la hipertensión, porque una presión arterial baja reduce el flujo sanguíneo a todos los órganos, lo que pone en peligro sus funciones y puede dañarlos permanentemente. Esto no quiere decir que la hipertensión no es peligrosa, sino que la hipertensión normalmente puede ser causa de muerte en años, mientras que la hipotensión puede matar en cuestión de minutos. Por tanto, la función más importante del reflejo barorreceptor es contrarrestar las reducciones potenciales peligrosas en el flujo sanguíneo del órgano. Sin embargo, esto plantea un rompecabezas: si una caída de la presión arterial media desencadena un aumento de la resistencia periférica total, que tiende a reducir el flujo sanguíneo a los órganos, ¿cómo se mantiene el flujo sanguíneo?
Preganglio parasimpático (nervio vago)
Centros de control cardiovascular
Nódulo SA Bulbo raquídeo Miocardio ventricular Simpático Corazón Simpático Arteriolas Simpático
Médula espinal
Cadena simpática
FIGURA 14.28 Vías neuronales principales en el control de la función cardiovascular. La función cardiovascular está regulada principalmente por el centro de control cardiovascular del bulbo raquídeo, que transmite señales al corazón y los vasos sanguíneos mediante neuronas simpáticas y parasimpáticas.
P ¿Pertenece la cadena simpática al sistema nervioso central o periférico?
425
Venas
426
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
Cuando un reflejo barorreceptor desencadena un aumento de la actividad simpática, la resistencia de casi todos, pero no todos, los órganos aumenta. Primero, los controles locales del flujo sanguíneo que se han explicado previamente dominan, por lo general, sobre los controles extrínsecos. Por ejemplo, la actividad simpática de las arteriolas en el tejido activo no puede provocar vasoconstricción, porque los efectos dominantes de los metabolitos locales provocan vasodilatación. Además, la resistencia del cerebro y del corazón apenas se ve afectada por las influencias simpáticas, por lo que no se ven alteradas significativamente por el reflejo barorreceptor. Cuando un reflejo barorreceptor desencadena un aumento compensatorio de la presión arterial media, actúa para mantener el flujo sanguíneo al corazón y al cerebro (pero lo hace a costa de otros órganos, cuyo flujo sanguíneo disminuye realmente como consecuencia de la vasoconstricción). El resultado final es que el flujo sanguíneo se recoge desde ciertos órganos (como la piel y el tubo digestivo), y se dirige a otros órganos (como el cerebro y el corazón) que son más vitales para la supervivencia a corto plazo del organismo (fig. 14.31).
Es importante saber que, cuando un descenso de la presión arterial se debe a la pérdida del volumen sanguíneo, el reflejo barorreceptor es solo un «remedio rápido». Mientras que el descenso no sea tan grande como para que el cuerpo no pueda compensarlo, el reflejo barorreceptor mantendrá la presión arterial lo suficientemente alta para permitir la supervivencia hasta que el volumen de pérdida sea reemplazado bebiendo líquidos (o por transfusión sanguínea, si fuese necesario). La regulación a largo plazo de la presión arterial se completa por el control del volumen sanguíneo, que depende del ajuste de equilibrio entre la toma de líquidos y su excreción. (La compensación temporal del descenso del volumen sanguíneo también puede producirse por cambios en el líquido extracelular: los líquidos se mueven del líquido intersticial hacia el plasma por el descenso de la presión hidrostática capilar, que determina un descenso de la filtración a través de las paredes capilares.) Cuando una persona pierde mucha sangre, «el remedio rápido» del barorreceptor puede, a veces, convertirse en un remedio real, porque el reflejo barorreceptor reduce el flujo sanguíneo a
PAM
Barorreceptores arteriales frecuencia de potenciales de acción conducida por el SNC
Centro de control cardiovascular actividad parasimpática
Nódulo SA frecuencia de potencial de acción
actividad simpática
Miocardio ventricular
Venas tono vasomotor
contractilidad
Arteriolas vasoconstricción
distensibilidad
presión venosa Retroalimentación negativa volumen telediastólico
FC
VS
RPT
PAM
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 14.29 Acontecimientos en el reflejo barorreceptor en respuesta a la caída de la presión arterial media.
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la mayoría de los órganos. En algún momento, estos órganos deberán recuperar el flujo normal, porque, en caso contrario, sufrirían lesiones por la reducida disponibilidad de oxígeno y nutrientes o por la acumulación de subproductos tóxicos del metabolismo. Los controles locales también influyen en el músculo liso arteriolar, por lo que, cuando los tejidos no reciben un suministro de sangre durante un largo período, los cambios químicos locales provocan que el músculo liso vascular se relaje. A menos que el volumen de sangre se recupere pronto (en 1 o 2 h en el caso de una hemorragia grave), estas influencias locales sobrepasarán la influencia de los nervios vasoconstrictores simpáticos del músculo liso vascular y la resistencia vascular empezará a disminuir. Como resultado, la presión arterial disminuirá, a pesar de que los mecanismos compensatorios intenten aumentarla. Cuando esto sucede, los flujos sanguíneos al corazón y al cerebro disminuyen. Esta enfermedad, llamada shock circulatorio, puede hacerse irreversible, en cuyo caso progresa inexorablemente hasta la muerte.
Control hormonal de la presión arterial media Los barorreceptores arteriales ejercen un control sobre la función cardiovascular no solo mediante el reflejo barorreceptor, sino también mediante la secreción de las hormonas adrenalina, vasopresina y angiotensina II, cuya función es colaborar con el sistema nervioso autónomo para regular la presión arterial media.
Control
Hemorragia
Reflejo de compensación
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Recordemos que la adrenalina se libera en respuesta a la actividad nerviosa simpática en la médula suprarrenal. La presión arterial baja es un estímulo para la secreción de adrenalina, aunque hay pruebas que sugieren que esta secreción solo se permite cuando hay un descenso relativamente importante de la presión. La adrenalina afecta tanto al gasto cardíaco (v. capítulo 13) como a la resistencia periférica total. Los efectos de la adrenalina en la función cardíaca imitan las acciones de la actividad simpática: en el nódulo SA, la adrenalina aumenta la frecuencia de potencial de acción de las células marcapasos, que aumentan el ritmo cardíaco. En el miocardio, la adrenalina aumenta la contractilidad cardíaca, lo que aumenta el volumen sistólico. En ambos casos, estos efectos se producen como resultado de que la adrenalina se une a los receptores B1 en el tejido cardíaco. Estos son los mismos receptores que se unen a la noradrenalina, lo que explica las similitudes entre las acciones de la adrenalina y las del sistema nervioso simpático. En la vasculatura, la adrenalina tiene unos efectos mixtos, de forma que, aunque induce vasoconstricción en la mayoría de los lechos vasculares, puede provocar vasodilatación en el músculo esquelético y cardíaco. En la mayoría de circunstancias, la adrenalina provoca un aumento de la resistencia periférica total y aumenta la presión arterial. De este modo, la adrenalina tiende a aumentar la presión arterial media mediante el incremento del ritmo cardíaco, el volumen sistólico y la resistencia periférica total. La vasopresina y la angiotensina II provocan vasoconstricción, al aumentar la resistencia periférica total y la presión arterial media. La secreción de vasopresina está regulada por varios factores, como el nivel de actividad en los barorreceptores arteriales. Cuando la presión arterial desciende, se estimula la liberación de vasopresina, que favorece el aumento de la presión arte-
Ritmo cardíaco
Gasto cardíaco
Resistencia periférica total
Control
Hemorragia
Reflejo de compensación
Resistencia Presión arterial media
Volumen sistólico
Cerebro
FIGURA 14.30 Respuestas mediadas por barorreceptores frente a la hemorragia. Los cambios en las variables cardiovasculares se indican en relación con los valores normales antes de la hemorragia (la condición de «control» del gráfico). Este retraso entre la hemorragia y el comienzo de la compensación de reflejo está exagerado para su mejor comprensión. Es importante saber que el reflejo de compensación aumenta la presión arterial media solo cerca de los niveles normales. En este ejemplo, ¿cuál de las siguientes desciende tras la hemorragia: la P precarga, la poscarga o ambas?
Flujo sanguíneo
TD Presión arterial media
Cerebro TD
FIGURA 14.31 Efectos de un reflejo barorreceptor inducido por una hemorragia en la presión arterial media, la resistencia vascular y el flujo sanguíneo del cerebro y el tubo digestivo (TD). El aumento de la resistencia vascular en el tubo digestivo determina que el flujo sanguíneo a estos órganos sea inferior al normal. Por el contrario, no se produce apenas ningún cambio en la resistencia vascular en el cerebro; como resultado, el flujo sanguíneo de este órgano vital vuelve cerca de su valor normal a medida que el reflejo prácticamente normaliza la PAM.
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CONEXIONES CLÍNICAS
Hipertensión La hipertensión (alta presión arterial) es una presión arterial elevada en estado de reposo 120/80 mmHg. Hay dos formas principales de hipertensión: hipertensión primaria y secundaria. La hipertensión primaria (o hipertensión esencial) representa el 90 o 95% de todos los casos de hipertensión. La causa precisa de la hipertensión primaria en una persona no puede determinarse. Sin embargo, esta enfermedad se conoce por estar asociada con algunos factores de riesgo, como la obesidad, altos niveles de colesterol, fumar y la predisposición genética. En la hipertensión secundaria, la presión arterial elevada se produce como respuesta a otra enfermedad. La hipertensión secundaria incluye hipertensión renal, asociada con enfermedades renales, e hipertensión endocrina, asociada a la secreción inapropiada de una hormona. En la hipertensión renal, la causa primaria es un trastorno de la función renal. Las enfermedades renales pueden condicionar que no se excrete la cantidad adecuada de agua y sales, lo que produce una retención de líquidos y la expansión del volumen sanguíneo. A veces, el problema se debe a una oclusión del flujo sanguíneo a un riñón o dentro del él, lo que puede desencadenar altos niveles inapropiados de liberación de renina. Los altos niveles de renina provocan una sobreproducción de angiotensina II en el plasma, que estimula la vasoconstricción y aumenta la resistencia periférica, y estimula que los riñones retengan sal y agua.
En la hipertensión endocrina, una hormona se secreta de forma inapropiada por una glándula endocrina. Por ejemplo, un tumor de la médula suprarrenal (llamado feocromocitoma) puede secretar más adrenalina de la adecuada, lo que estimula el aumento del gasto cardíaco y de la resistencia periférica total, elevando ambos la presión arterial. La hipertensión se asocia también a otra enfermedad, la aterosclerosis, o endurecimiento de las arterias. En la aterosclerosis, aparece una placa grasa en las paredes de la arteria, disminuyendo la elasticidad de las paredes arteriales y estrechando la luz, como se muestra en la fotografía. El estrechamiento de la luz aumenta la resistencia, por lo que contribuye a la hipertensión. Sin embargo, la hipertensión también daña las paredes de las arterias, favoreciendo la aterosclerosis. Empieza así un ciclo vicioso, en el que la hipertensión y la aterosclerosis facilitan el desarrollo el uno del otro. Además de producir aterosclerosis, la hipertensión tiene varios efectos secundarios en el aparato cardiovascular. Como el aumento de la presión arterial aumenta la carga de trabajo del corazón, puede aumentar las posibilidades de un infarto de miocardio. También puede llevar a un fallo cardíaco, ya que aumenta la poscarga e incrementa el volumen telediastólico de forma crónica. El daño de los vasos sanguíneos por la hipertensión también puede provocar fallo renal o pérdida de visión. Los tratamientos para la hipertensión incluyen diuréticos, que favorecen el aumento
rial media. La vasopresina también reduce la producción de orina por los riñones para mantener el volumen de plasma. Recuerda que la angiotensina II se produce en respuesta a la secreción de renina en los riñones. Cuando la presión arterial desciende, se libera renina por el estímulo directo de la reducción de la presión arterial y la actividad de los nervios simpáticos en los riñones. Como resultado del aumento de la secreción de renina, la concentración de la angiotensina I plasmática aumenta, y, a continuación, se produce un aumento de la concentración de angiotensina II. La angiotensina II aumenta la presión arterial media de diferentes formas, como mediante la vasoconstricción, la reducción de la diuresis y la estimulación de la sed. Los factores intrínsecos que intervienen en la presión arterial media se resumen en la tabla 14.4.
de excreción de sal y agua por los riñones, y medicamentos específicos, como los betabloqueantes y los antagonistas de los canales de calcio. Los beta-bloqueantes reducen el gasto cardíaco, interfiriendo en la capacidad de la adrenalina o la noradrenalina de unirse a los receptores beta, y, por tanto, reduciendo la influencia estimuladora de estos agentes en el corazón. Los antagonistas de los canales de calcio reducen el flujo de calcio a las células del músculo liso vascular a través de la membrana plasmática, lo que reduce el tono vasomotor y reduce la resistencia periférica. Otros medicamentos son los inhibidores de la enzima convertidora de la angiotensina (IECA), que reducen los niveles plasmáticos de la angiotensina II, bloqueando la enzima que cataliza la formación de la angiotensina I.
Placa en la pared de una arteria.
Control de la presión arterial mediante barorreceptores de baja presión (receptores de volumen) Además de los barorreceptores arteriales, que controlan la presión arterial sistémica, otros barorreceptores controlan la presión del resto del aparato cardiovascular, específicamente de la parte de baja presión de la circulación. Tienen especial importancia los barorreceptores en la pared de las venas sistémicas y de la aurícula derecha. Estos receptores funcionan igual que los barorreceptores arteriales, porque tienen extremos que responden al estiramiento, pero, a causa de su situación, controlan la presión de la parte venosa de la circulación sistémica y, por tanto, actúan
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TABLA 14.4 Factores que intervienen en el control extrínseco de la presión arterial media Órgano o tejido
Factor neuronal/hormonal
Efector del factor en el objetivo
Influencia en la PAM
Corazón Nódulo SA
Miocardio ventricular Músculo liso arteriolar (mayoría de tejidos)
Músculo liso venoso
Nervios simpáticos
F FC
F PAM
Nervios parasimpáticos
f FC
f PAM
Adrenalina
F FC
F PAM
Nervios simpáticos
F contractilidad (F VS)
F PAM
Adrenalina
F contractilidad (F VS)
F PAM
Nervios simpáticos
Vasoconstricción (F RPT)
F PAM
Adrenalina
Vasoconstricción o vasodilatación, según la concentración y la situación
Variable
Vasopresina
Vasoconstricción (F RPT)
F PAM
Angiotensina II
Vasoconstricción (F RPT)
F PAM
Nervios simpáticos
F tono vasomotor
F PAM
Adrenalina
F tono vasomotor
F PAM
directamente en la detección de cambios en el volumen sanguíneo. La parte venosa de la circulación actúa como reservorio de volumen, por lo que los barorreceptores de baja presión se llaman frecuentemente receptores de volumen. Además, hay barorreceptores situados en la vasculatura pulmonar que actúan indirectamente para controlar la presión venosa sistémica. La presión arterial está influida por la presión venosa, por lo que las funciones de los barorreceptores arteriales y de baja presión se combinan; los niveles de actividad de estos receptores varían frecuentemente en la misma dirección, porque, cuando la presión venosa aumenta o disminuye, la presión arterial tiende a aumentar o disminuir, respectivamente. Además, los barorreceptores de baja presión ejercen muchas de las mismas acciones de los barorreceptores arteriales. Cuando la presión venosa disminuye, por ejemplo, los barorreceptores de baja presión desencadenan un aumento de la actividad nerviosa simpática y la secreción de vasopresina.
Test rápido 14.6 1. ¿Qué es un barorreceptor? ¿Dónde se sitúan los barorreceptores arteriales? ¿Dónde se sitúan los barorreceptores de baja presión? ¿Qué es el reflejo barorreceptor? 2. Indica si cada una de las siguientes actividades nerviosas autónomas aumenta o disminuye cuando la presión arterial desciende: actividad nerviosa simpática, actividad nerviosa parasimpática, ritmo cardíaco, contractilidad miocárdica, resistencia vascular (en la mayoría de los tejidos) y tono vaso motor. 3. Nombra dos órganos cuya resistencia cardiovascular no esté afectada generalmente por los reflejos barorreceptores. ¿Por qué es esto beneficioso?
Otros procesos reguladores cardiovasculares Además del control barorreceptor de la presión arterial media, otros procesos también controlan la función cardiovascular. Algunos de estos, como las respuestas termorreguladoras, actúan
para alterar la pauta del flujo de manera que el cuerpo se pueda adaptar a una serie de circunstancias. Otros procesos, como la arritmia sinusal respiratoria, no tienen importancia funcional conocida. A continuación, se pueden ver algunos ejemplos de estos procesos reguladores.
Arritmia sinusal respiratoria La arritmia sinusal respiratoria es una variación rítmica del ritmo cardíaco de forma que la inspiración se acompaña de un aumento de la actividad simpática y el ritmo cardíaco, mientras que la espiración se acompaña de un aumento de la actividad parasimpática y un descenso del ritmo cardíaco. Aunque no se entienda del todo, los cambios en la actividad simpática y parasimpática influyen en el nódulo sinoauricular. Este tipo de arritmia se produce en muy pocas personas y es más pronunciada en los niños. La arritmia sinusal respiratoria tiene, al menos, una consecuencia práctica: los arqueros de competición y los disparadores de tiro al blanco lo utilizan para mejorar su precisión. Si se respira profundamente y se espira mientras se apunta, la arritmia sinusal respiratoria disminuye el ritmo cardíaco, permitiendo que el tirador dispare entre los latidos, para evitar el más mínimo movimiento del cuerpo.
Reflejos quimiorreceptores Como se explicará en el capítulo 17, el control de la respiración está determinado por los quimiorreceptores situados en los senos carotídeos y el cerebro. Estos quimiorreceptores son neuronas especializadas para controlar las concentraciones de dióxido de carbono (y oxígeno cuando disminuye a niveles extremamente bajos) en la sangre. Cuando el dióxido de carbono aumenta, los quimiorreceptores estimulan la respiración, de manera que se elimina más dióxido de carbono. Estos receptores también influyen en la función cardiovascular, pero el sentido y la magnitud de estas respuestas son difíciles de predecir, porque algunos efectos cardiovasculares son primarios (es decir, que se deben a la propia estimulación de los quimiorreceptores), mientras que otros son secundarios (es decir, que se deben a cambios en la respiración desencadenados por la estimulación de los quimiorreceptores).
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Uno de los efectos cardiovasculares primarios de la estimulación de los quimiorreceptores cuando los niveles de dióxido de carbono aumentan es desencadenar una reducción del ritmo cardíaco y un aumento de la resistencia periférica. Estas respuestas parecen contraproducentes, porque, cuando la concentración de dióxido de carbono en la sangre aumenta, el flujo sanguíneo de los tejidos debería aumentar para mantener el mismo nivel de eliminación de dióxido de carbono. Sin embargo, visto desde otra perspectiva, estas respuestas son totalmente apropiadas. Como consecuencia del descenso del ritmo cardíaco, el consumo de oxígeno por el propio corazón disminuye, lo que tiende a conservar oxígeno. Aunque el descenso del ritmo cardíaco también tiende a reducir la presión arterial media, el aumento de la resistencia periférica contrarresta este efecto. Como resultado, el flujo sanguíneo del cerebro se mantiene en niveles normales o casi normales. El aumento debido a los quimiorreceptores en la resistencia periférica también puede adaptarse de otra forma: cuando el nivel de dióxido de carbono en las arterias aumenta, la concentración de dióxido de carbono se incrementa en todos los tejidos corporales. Como el músculo liso es sensible a las concentraciones de dióxido de carbono locales, un incremento del dióxido de carbono arterial debería desencadenar la vasodilatación de muchos tejidos, conllevando una reducción potencialmente peligrosa en la resistencia periférica y la presión arterial media. Al estimular un aumento de la resistencia periférica, los reflejos quimiorreceptores ayudan a protegerse de esta posibilidad.
Respuestas termorreguladoras La capacidad de controlar la pérdida de calor de la piel es un componente esencial de la capacidad del cuerpo para regular su propia temperatura. Como se explicará en el capítulo 21, la respuesta del cuerpo a los cambios de temperatura está mediada por el centro termorregulador del hipotálamo, que recibe la información de los termorreceptores, que son neuronas sensibles al calor. El centro termorregulador recibe de estos termorreceptores la información relevante sobre las temperaturas internas y de la piel. En condiciones normales, hay un nivel importante de la actividad de los nervios simpáticos que proyectan los vasos sanguíneos en la piel. Cuando el calor del cuerpo aumenta, el aumento resultante de temperatura disminuye el nivel de la actividad simpática en los nervios que llegan a la piel, lo que induce la relajación del músculo liso vascular. Como resultado, los vasos sanguíneos se dilatan, la resistencia vascular de la piel disminuye y el flujo sanguíneo a la piel aumenta. Además, en condiciones de estrés, las glándulas sudoríparas producen bradicinina, cuyos efectos vasodilatadores tienden a disminuir la resistencia vascular de la piel. Como resultado del aumento del flujo sanguíneo, el nivel de pérdida de calor a través de la piel aumenta, lo que ayuda a contrarrestar el aumento de la temperatura corporal. Una disminución de la carga de calor tiene el efecto contrario: el aumento de la actividad de los nervios simpáticos de la piel estimula la contracción del músculo liso de los vasos sanguíneos, que aumenta la resistencia de los vasos sanguíneos de la piel y disminuye el flujo sanguíneo a través de esta. Como consecuencia, la sangre se desvía de la piel hacia estructuras más profundas del organismo, por lo que se pierde menos calor a través de la piel. Dado que la influencia de la temperatura del cuerpo sobre los vasos sanguíneos de la piel tiene preferencia sobre otros controles reflejos en la mayoría de las circunstancias, los cam-
bios en la resistencia de la piel pueden ser a veces peligrosamente poco adaptables. Por ejemplo, cuando una persona se ejercita demasiado en un día caluroso, el volumen de sangre disminuye debido a una sudoración excesiva, lo que, a su vez, disminuye la presión arterial. El reflejo barorreceptor desencadena la constricción de los vasos sanguíneos a través del organismo, incluyendo la piel. Si esta persona se acalora, el centro termorregulador se pone en acción, induciendo la dilatación de los vasos sanguíneos de la piel para aumentar la pérdida de calor. El descenso resultante en la resistencia vascular en los vasos de la piel tiende a provocar un descenso de la resistencia periférica total. Como consecuencia, la presión arterial puede caer, contrarrestando el reflejo barorreceptor, lo que debería actuar para aumentar la resistencia periférica total para mantener la presión arterial.
Test rápido 14.7 1. ¿Qué es una arritmia sinusal respiratoria? 2. ¿Qué es un quimiorreceptor? ¿Qué cambios cardiovasculares se desencadenan cuando los quimiorreceptores detectan una reducción de los niveles de oxígeno en las arterias? 3. Cuando la temperatura aumenta, ¿la resistencia vascular en la piel aumenta o desciende? ¿Cómo ayuda este cambio a regular la temperatura? Como se ha explicado en los capítulos 13 y 14, las funciones cardiovasculares fluctúan considerablemente basándose en la demanda específica de cada tejido. Esto se hace aún más relevante durante el ejercicio (v. «Comprender el ejercicio: Respuestas cardiovasculares al ejercicio suave»).
Integración de sistemas En este capítulo se han explicado los vasos sanguíneos, incluyendo cómo el cuerpo regula el flujo sanguíneo a los diferentes órganos. Claramente, todos los órganos dependen del flujo sanguíneo, pero no siempre necesitan la misma cantidad de sangre en cada momento. Por tanto, el flujo sanguíneo está regulado por la vasoconstricción o la vasodilatación de las arteriolas, de manera que se suministre sangre al tejido que más lo necesite en cada momento. No todas las arteriolas son iguales, sin embargo. Los vasos sanguíneos en el cerebro están desprovistos de receptores de control extrínseco y, como consecuencia, el cerebro nunca se pone en peligro durante los intentos de mantener la presión arterial media. Los vasos sanguíneos de la piel tienen una inervación especial por la que la actividad simpática puede provocar vasodilatación a través de mecanismos desconocidos. El propósito de la vasodilatación es liberar calor al entorno cuando la temperatura del cuerpo aumenta. El flujo sanguíneo de los genitales está bajo control simpático y parasimpático, siendo la actividad parasimpática la que provoca la vasodilatación que es necesaria para producir y mantener una erección. También se ha estudiado el flujo paralelo de la sangre en el capítulo 13, por el cual cada órgano recibe sangre oxigenada. Sin embargo, existen algunas excepciones a esta regla. Ya se ha explicado una de estas excepciones (la vena porta que conecta lechos capilares del hipotálamo a los lechos capilares de la adenohipófisis. Esta disposición permite una mayor concentración de las hormonas trópicas hipotalámicas que afectan a la adeno-
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Respuestas cardiovasculares al ejercicio suave la actividad nerviosa simpática y un aumento de los niveles de adrenalina circulante. ¿Qué es lo que desencadena estas respuestas al ejercicio? En el sistema nervioso autónomo, las regiones corticales y límbicas del cerebro ejercen una influencia directa sobre la actividad de las neuronas simpáticas y parasimpáticas, provocando un aumento de la actividad simpática y un descenso de la actividad parasimpática al corazón, que explica el aumento del ritmo cardíaco y la contractilidad ventricular. Además, existe un aumento de la actividad simpática en el aparato digestivo y otros órganos (provocando vasoconstricción), y un descenso de la actividad simpática de la piel (que favorece la vasodilatación). Este cambio en la actividad simpática en la piel es una respuesta termorreguladora desencadenada por el aumento en la temperatura del cuerpo que acompaña el ejercicio. La vasodilatación de la piel también está favorecida por la liberación de bradicinina por las glándulas sudoríparas, cuya actividad aumenta con el
ejercicio. Los cambios en la actividad simpática están facilitados por el centro de control cardiovascular, que recibe información de varios tipos de receptores en los músculos, incluyendo los quimiorreceptores sensibles a los factores químicos locales, y los mecanorreceptores y los propiorreceptores responsables de la actividad física muscular. El aumento del flujo sanguíneo de los músculos cardíaco y esquelético son, en gran parte, el resultado de la acción local de los factores químicos sobre el músculo liso vascular. Otros mecanismos también favorecen el aumento del retorno venoso durante el ejercicio, facilitando, asimismo, el aumento del gasto cardíaco. Uno de tales mecanismos es la bomba muscular esquelética; otra es la bomba respiratoria, cuya actividad aumenta durante el ejercicio porque se respira más rápido y profundamente. El tercer mecanismo consiste en el aumento del tono venomotor. Secundario a un incremento de la actividad simpática sobre las venas.
200
Aumento
150
Gasto cardíaco
100 Volumen sistólico
50
0 Disminución
Cambios durante el ejercicio (porcentaje del valor en estado de reposo)
El ejercicio suave está acompañado de alteraciones profundas de la función cardíaca. El gráfico muestra que el jogging aumenta el gasto cardíaco del valor en estado de reposo de 5 l/min a más de 11 l/min; en atletas muy entrenados, el gasto cardíaco puede alcanzar 35 l/min. El ritmo cardíaco también aumenta desde el estado de reposo de unos 72 latidos por minuto hasta alrededor de 135 latidos por minuto. El ejercicio provoca también cambios importantes en el flujo sanguíneo: el flujo a los músculos esqueléticos (y al músculo cardíaco y la piel) aumentan, mientras que el flujo al hígado y al tubo digestivo disminuye. Claramente, estos cambios son beneficiosos en diferentes formas: 1) se aumenta el suministro del oxígeno y nutrientes al músculo cardíaco y los músculos activos esqueléticos, lo que es apropiado teniendo en cuenta el aumento de la actividad metabólica de estos órganos; 2) el oxígeno y los nutrientes se conservan recortando el suministro a los tejidos cuya necesidad de nutrientes no es tan urgente, y 3) el aumento del flujo sanguíneo y la piel ayuda al cuerpo a deshacerse del exceso de temperatura generada por el ejercicio. Durante el ejercicio, la disminución de la resistencia cardiovascular en la piel y el músculo no es compensada por el aumento en la resistencia de otros órganos, por lo que la resistencia periférica total disminuye. Sin embargo, la presión arterial aumenta levemente debido al aumento de gasto cardíaco. Es importante observar en la figura que el volumen sistólico aumenta rápidamente a pesar de que solo se produce un modesto aumento del volumen telediastólico (en el ejercicio suave). Esto indica que el aumento del volumen sistólico no se debe al efecto Starling, sino a un aumento de la contractilidad ventricular resultante de un aumento en
hipófisis. Otra vena porta une los lechos capilares del tubo digestivo con los lechos capilares del hígado. Las moléculas absorbidas transportadas al hígado son procesadas antes de que entren en la circulación general. Aún hay otra excepción, que es la conexión de dos lechos capilares en los riñones, pero no por una vena porta, sino por una segunda arteriola. Por tanto, el flujo
–50 –100
Flujo sanguíneo muscular
Ritmo cardíaco
Volumen telediastólico
Presión arterial media Resistencia periférica total
sanguíneo pasa de la arteriola (aferente) a los capilares (glomerulares) a la arteriola (eferente) y a los capilares (peritubulares). Esta disposición permite un mejor control sobre la filtración de la sangre por los riñones, y representa un paso para el intercambio entre la sangre y los riñones después de que se haya producido la filtración.
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
RESUMEN DEL CAPÍTULO Leyes físicas que regulan el flujo sanguíneo y la presión arterial, pág. 396 El flujo de sangre a través de cualquier vaso o red de vasos depende del gradiente de presión ($DP) y la resistencia (R) del vaso o red: flujo = $P/R. El gradiente total de presión a través del circuito sistémico es la diferencia entre la presión arterial media (PAM) y la presión venosa central (PVC), que es casi idéntica a la presión arterial media. La mayor influencia en la resistencia vascular es el radio del vaso. Las resistencias combinadas de todos los vasos sanguíneos en el circuito sistémico son la resistencia periférica total (RPT). Al describir el flujo del circuito sistémico, la regla de flujo se puede expresar como GC = PAM/RPT.
Cardiovascular, Factors That Affect Blood Pressure, págs. 3–8
Sinopsis de la vasculatura, pág. 399 Todos los vasos poseen una luz y están recubiertos por una capa de células endoteliales. Sus paredes contienen cantidades diferentes de músculo liso y tejido conjuntivo, que son esenciales para sus funciones específicas.
Cardiovascular, Anatomy Review: Blood Vessel Structure and Function, págs. 3–19
Arterias, pág. 400 Las arterias, que tienen paredes gruesas que les permiten soportar las presiones relativamente altas de la sangre que contienen, tienen una distensibilidad relativamente baja. Las paredes arteriales son elásticas, permitiendo que se expandan durante la sístole y se plieguen hacia el interior durante la diástole. Por este pliegue elástico, las arterias funcionan como un reservorio de presión que mantiene la circulación del flujo durante el ciclo cardíaco.
Arteriolas, pág. 404 Las arteriolas contienen relativamente grandes cantidades de músculo liso que les permiten expandirse o contraerse, por lo que regulan el flujo sanguíneo mediante los lechos capilares. Las arteriolas son importantes en la regulación de la distribución del gasto cardíaco a los órganos y en el control de la presión arterial media. La regulación de la distribución del flujo sanguíneo entre los diferentes órganos sistémicos se consigue mediante el control intrínseco de la resistencia vascular del órgano. El flujo sanguíneo de cualquier órgano sistémico está determinado por la presión arterial media y la resistencia vascular de ese órgano: el flujo sanguíneo de un órgano = PAM/resistencia del órgano. La resistencia de un órgano o tejido puede cambiar en respuesta a las variaciones en la actividad metabólica de ese órgano o tejido en cuestión, porque el músculo liso
arteriolar es sensible a las concentraciones de químicos producidos o consumidos en el metabolismo, incluyendo el oxígeno y el dióxido de carbono. Los cambios químicos asociados al aumento en la actividad metabólica conllevan la vasodilatación, el descenso de la resistencia y un aumento del flujo sanguíneo (hiperemia activa). La resistencia de un órgano también puede cambiar en respuesta a las variaciones locales del flujo sanguíneo. Si el flujo sanguíneo es insuficiente para satisfacer la demanda metabólica (isquemia), los mecanismos locales inducen la vasodilatación y un aumento resultante del flujo sanguíneo (hiperemia reactiva). En aquellos tejidos cuyo músculo liso vascular es responsable del estiramiento, un aumento de la presión de perfusión provoca que la arteriolas se estiren, lo que estimula la vasoconstricción y una reducción del flujo sanguíneo. Una respuesta de este tipo se llama respuesta miogénica. El control extrínseco del radio arteriolar (y, por tanto, de la resistencia periférica) regula la presión arterial media: PAM = GC RPT. Los factores extrínsecos incluyen el sistema nervioso autónomo y las hormonas (adrenalina, vasopresina y angiotensina II).
Capilares y vénulas, pág. 411 Los capilares tienen las paredes más finas de todos los vasos sanguíneos y son altamente permeables al agua y los solutos. Su función primaria es permitir el intercambio de las sustancias entre la sangre y los tejidos. El movimiento del líquido a través de las paredes capilares está dirigido por una presión neta de filtración, que depende de las fuerzas de Starling. La mayoría del líquido que se filtra desde los capilares se devuelve al aparato cardiovascular por absorción. El líquido excedente es devuelto al aparato cardiovascular a través del sistema linfático. Las vénulas tienen la pared fina y participan en el intercambio de sustancias.
Venas, pág. 418 Las venas son unos grandes vasos de paredes finas. La mayoría de las venas tienen válvulas que les permiten dirigir la sangre hacia el corazón sin retroceder. Las venas tienen una distensibilidad alta y funcionan como reservorio de volumen. La presión venosa influye en la presión arterial, porque afecta al retorno venoso, el volumen telediastólico, el volumen sistólico y el gasto cardíaco. A medida que la presión aumenta o desciende, el gasto cardíaco y la PAM también tienden a aumentar o descender, respectivamente. Los factores que afectan a la presión venosa incluyen la actividad de la bomba muscular esquelética, la actividad de la bomba respiratoria, el volumen de sangre y el tono vasomotor (que está regulado por la actividad simpática en las venas).
Sistema linfático, pág. 421 El sistema linfático es un sistema abierto de vasos que empieza con capilares en las extremidades. Los capilares recogen el exceso de filtrado y forman la linfa. La linfa viaja a través de un sistema de venas linfáticas al conducto torácico, que devuelve la linfa a la sangre en la aurícula derecha.
Presión arterial media y su regulación, pág. 421 Para suministrar a los órganos y tejidos con un flujo sanguíneo adecuado, la fuerza motora del flujo (PAM) debe mantenerse. La PAM se controla por mecanismos reguladores extrínsecos e intrínsecos. Mientras que las regulaciones a corto plazo se consiguen mediante el control hormonal y neuronal de la función cardiovascular, la regulación a largo plazo se consigue mediante el control del volumen sistólico, en el que interviene el riñón. La regulación a corto plazo incluye el reflejo barorreceptor, el sistema de retroalimentación negativa por el que los barorreceptores detectan los cambios en la PAM y la transmisión de la información al centro de control cardiovascular, que actúa como sistema nervioso autónomo para ejercer control apropiado sobre la función cardiovascular. El control autónomo de la PAM se consigue mediante: 1) la actividad simpática y parasimpática en el nódulo SA, que controla el ritmo cardíaco; 2) la actividad simpática en el miocardio, que controla la contractilidad ventricular y el volumen sistólico, y 3) la actividad simpática en el músculo liso arteriolar de la mayoría de los tejidos, que regula la resistencia periférica total.
Cardiovascular, Factors That Affect Blood Pressure, págs. 3–8
Otros procesos reguladores cardiovasculares, pág. 429 El aparato cardiovascular está sujeto a varios procesos reguladores que se llevan a cabo en cada situación. Por ejemplo, la función cardiovascular está influenciada por la actividad de los quimiorreceptores arteriales, que controlan la concentración de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre arterial. La regulación del flujo sanguíneo de la piel, que está controlado por los nervios simpáticos a los vasos sanguíneos de la piel, es importante en la regulación de la temperatura corporal. Las respuestas cardiovasculares al ejercicio se consiguen sobre todo mediante los cambios en la actividad de los nervios autónomos del corazón y los vasos sanguíneos, que se organizan en las regiones límbicas y corticales del cerebro. El flujo sanguíneo del corazón y el músculo esquelético también están regulados por los factores locales que operan en estos tejidos.
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
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EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. La resistencia periférica total es la resistencia a) combinada de todos los órganos del organismo. b) de los capilares situados en las partes distales del cuerpo. c) combinada de todos los órganos del circuito sistémico. d) combinada de todos los vasos sanguíneos dentro de un órgano o tejido. e) del flujo sanguíneo a través del corazón. 2. La presión venosa aumenta a) cuando el volumen de sangre disminuye. b) como resultado de una acumulación venosa. c) como resultado de un aumento del tono vasomotor d) cuando una persona se pone de pie. e) todo lo anterior 3. Si la resistencia periférica total es constante, un aumento en la presión arterial media podría ser el resultado de a) la vasoconstricción del circuito sistémico. b) un aumento de la actividad simpática en el miocardio ventricular. c) un descenso del volumen de sangre. d) a y b son correctas e) ninguna respuesta es correcta 4. ¿Cuál de los siguientes tiende a favorece el edema en los tejidos sistémicos? a) descenso de la concentración de proteínas en el plasma b) aumento de la presión en la vena cava c) aumento de la presión arterial d) filtración de proteínas de los capilares al líquido intersticial e) todas las respuestas son correctas 5. ¿Cuál de los siguientes tiende a provocar un descenso del volumen telediastólico? a) aumento de la presión venosa b) aumento de la actividad de la bomba de músculo esquelético c) descenso del tiempo de llenado d) aumento del volumen de sangre e) aumento del tono vasomotor 6. Conociendo el volumen sistólico, el ritmo cardíaco y la presión arterial media, se tiene la suficiente información para determinar a) la resistencia periférica total. b) el gasto cardíaco. c) los flujos sanguíneos combinados a todos los órganos sistémicos. d) a y b son correctas e) todas las respuestas son correctas
7. ¿Cuál de los siguientes vasos sanguíneos tiene válvulas que evitan que la sangre retroceda? a) las arterias b) las arteriolas c) los capilares d) las vénulas e) las venas 8. El intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre la sangre y los tejidos respiratorios se produce a través de las paredes de a) las arterias. b) las arteriolas. c) los capilares. d) las venas. e) todas las respuestas son correctas 9. ¿Dónde está la mayor proporción de volumen de sangre total en estado de reposo? a) en el corazón b) en las arterias c) en las arteriolas d) en los capilares e) en las venas 10. ¿Cuál de los siguientes tiende a provocar una reducción de la presión arterial media? a) descenso de la resistencia periférica total b) aumento del volumen sistólico del ventrículo izquierdo c) aumento del ritmo cardíaco d) aumento del retorno venoso e) aumento de la actividad simpática 11. Los capilares linfáticos se diferencian de los sanguíneos en que a) los capilares linfáticos tienen una permeabilidad menor al agua. b) los capilares linfáticos tienen una permeabilidad menor a los pequeños solutos. c) los capilares linfáticos tienen un extremo ciego. d) los capilares linfáticos no están conectados con cualquier otro vaso. e) todas las anteriores 12. ¿Cuál de los siguientes tiende a provocar un aumento de la acumulación venosa? a) un descenso del tono vasomotor b) un descenso de la presión osmótica de las proteínas plasmáticas c) un descenso de la presión arterial media d) el ejercicio e) la deshidratación 13. Los cambios bruscos en la resistencia periférica total se deben normalmente a cambios en a) la longitud de los vasos sanguíneos en el circuito sistémico. b) el radio de ciertos vasos sanguíneos en el circuito sistémico.
c) la viscosidad de la sangre. d) la presión arterial media. e) el gasto cardíaco. 14. ¿Cuál de los siguientes no tiende a aumentar como resultado de la acción de la bomba muscular esquelética? a) acumulación venosa b) retorno venoso c) volumen telediastólico d) volumen sistólico e) gasto cardíaco 15. Si la presión arterial está elevada, ¿cuál respuesta de las siguientes desencadenan las señales barorreceptoras? a) aumento de la secreción de vasopresina b) descenso de la angiotensina II en el plasma c) aumento de la actividad de los nervios vasoconstrictores simpáticos d) aumento de la secreción de adrenalina e) aumento de la resistencia periférica total 16. El reflejo barorreceptor a) es un ejemplo de control intrínseco de la resistencia vascular. b) sirve para mantener el flujo sanguíneo a todos los órganos a los mismos niveles más o menos constantes. c) sirve para mantener la presión arterial media a un nivel casi constante. d) desencadena un aumento de la presión arterial seguido de un aumento repentino del gasto cardíaco. e) todas las anteriores 17. Durante el ejercicio, el dióxido de carbono producido por las células musculares provoca la vasodilatación del músculo esquelético. Esto es un ejemplo de a) hiperemia activa. b) hiperemia reactiva. c) autorregulación de flujo. d) control extrínseco de la resistencia vascular. e) fuerzas de Starling.
Preguntas objetivas 1. Un aumento de la resistencia periférica total tiende a reducir la presión arterial media. (verdadero/falso) 2. La resistencia periférica (aumenta/disminuye) cuando se produce la vasodilatación general de las pequeñas arterias y arteriolas en los tejidos sistémicos. 3. Los cambios en la distribución del flujo sanguíneo entre los órganos se determinan mediante los cambios en la presión arterial media. (verdadero/falso)
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Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo sanguíneo y presión arterial
4. Las venas tienen una (mayor/menor) distensibilidad que las arterias. 5. El flujo sanguíneo de un órgano viene determinado por su resistencia vascular y el ————. 6. Un (aumento/descenso) del radio de un vaso sanguíneo aumenta su resistencia. 7. Durante el transcurso de un día, la filtración capilar y la absorción se producen al mismo nivel, por lo que el volumen neto de líquido filtrado desde los capilares es de cero. (verdadero/falso) 8. Un aumento en la presión hidrostática de la sangre en los capilares tiende a aumentar el nivel al cual el líquido se filtra a través de las paredes capilares. (verdadero/falso) 9. Un descenso de la presión arterial sanguínea desencadena un (aumento/descenso) de la actividad nerviosa simpática. 10. Cuando los barorreceptores venosos detectan un descenso de presión, los barorreceptores arteriales tienden a detectar el cambio en la dirección contraria. (verdadero/falso) 11. Un aumento del flujo sanguíneo en respuesta a la actividad metabólica se llama hiperemia activa. (verdadero/falso)
Preguntas abiertas 1. Utilizando lo aprendido sobre los principios relativos al flujo sanguíneo, la pre-
sión y la resistencia, explica por qué la presión arterial media depende solo del ritmo cardíaco, el volumen sistólico y la resistencia periférica total. 2. Explica los diferentes factores que afectan al retorno venoso del corazón. 3. Explica cómo el flujo sanguíneo de un órgano puede cambiar, aunque la presión arterial media no lo haga. 4. Explica el concepto de autorregulación de flujo, incluyendo cómo se diferencia de otras formas de control intrínseco de la resistencia vascular. Explica cómo tanto la respuesta miogénica y los factores químicos metabólicos pueden producir el fenómeno de la autorregulación de flujo. Utiliza el ejemplo del descenso compensatorio del flujo tras un aumento en la presión de perfusión. 5. Explica cómo la resistencia vascular está influida por las acciones de los receptores alfa y beta adrenérgicos. Según las diferencias entre estos receptores, explica cómo es posible que la actividad nerviosa simpática y la adrenalina circulante afecten a la resistencia vascular de formas opuestas. 6. Describe los cambios en la función cardiovascular que se producen en respuesta al ejercicio. Explica cómo estos cambios ayudan a adaptar el organismo a los cambios particulares que se producen durante el ejercicio.
Pensamiento crítico 1. Después de trabajar en el campo durante todo el día sin beber líquido, un hombre se siente mareado cuando se levanta. Utilizando lo aprendido sobre los factores que afectan a la presión arterial media, explica por qué. 2. Cuando la parte izquierda del corazón comienza a fallar, la presión arterial tiende a aumentar en las venas pulmonares y los vasos proximales al circuito pulmonar. Utilizando lo aprendido sobre los factores que afectan la filtración capilar, explica por qué el edema pulmonar es frecuente en la insuficiencia cardíaca izquierda. 3. La hipertensión es peligrosa, porque la presión arterial elevada estresa el corazón y los vasos sanguíneos más allá de su integridad estructural. Basándose en lo aprendido sobre los receptores agonistas y antagonistas del capítulo 5, ¿cuáles son los posibles tipos de medicamentos para tratar la hipertensión? 4. A una herida normalmente se le aplica calor o frío. Explica la teoría por la que se aplica calor o frío, y en qué momento se debería aplicar cada una de ellas.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Aparato cardiovascular: sangre Todos sabemos lo que pasa cuando nos tropezamos con la mesa después de haber estado estudiando hasta tarde: un moratón. Un moratón, o contusión, está provocado por un daño de los vasos sanguíneos que permite que la sangre traspase a los tejidos. Cuanta más sangre se filtre en los tejidos, más grande es el moratón; y cuanto más cerca se encuentra el vaso lesionado de la piel, más vivo será el color del moratón. El color se debe a la presencia de hemoglobina, una proteína de los glóbulos rojos que proporciona el color a la sangre. El metabolismo de la hemoglobina en los pigmentos biliares es responsable de que el color del moratón cambie con el paso del tiempo. En los primeros días, el lugar de la herida está rojo, con posible tumefacción y dolor. A medida que se forma el moratón, el área se vuelve color púrpura o azul rojizo. Cuando se va curando, el moratón se vuelve de color verdoso y, por último, de color amarillento antes de volver a la normalidad. Estos cambios en el color corresponden al color de los productos de degradación de la hemoglobina. La hemoglobina se descompone en biliverdina, que es una molécula verde. La biliverdina se convierte más tarde en bilirrubina, que es una molécula amarilla. El área afectada vuelve al color normal a medida que la biliverdina y la bilirrubina son absorbidas por el torrente sanguíneo. En este capítulo se exponen los diferentes componentes de la sangre, incluyendo la hemoglobina. También se explica la formación de los coágulos de sangre para minimizar la pérdida de sangre cuando se produce un daño en un vaso sanguíneo.
CONTENIDOS Sinopsis de la composición de la sangre: el hematocrito Plasma
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Eritrocitos
437
Leucocitos 443 Plaquetas y hemostasia
444
Diabetes y enfermedad cardiovascular
449
436
15
436
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Aparato cardiovascular: sangre
OBJETIVOS
Identificar los principales componentes de la sangre y describir sus funciones.
Describir el ciclo de vida de los glóbulos rojos.
Identificar los diferentes tipos de leucocitos y explicar sus funciones en la defensa contra los patógenos.
Describir las plaquetas y el mecanismo de la formación de coágulos.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Líquidos del cuerpo, pág. 7 2. Fagocitosis, pág. 117 3. Paracrinas, pág. 128
E
n el capítulo 13 se han descrito los mecanismos por los cuales el corazón bombea sangre a los tejidos a un ritmo adecuado, el gasto cardíaco, para proporcionar el suministro de sangre renovada a las células. El capítulo 14 describía cómo podía regularse este flujo de sangre para distribuir más sangre a aquellos tejidos que lo necesitaran, variando la resistencia de los vasos sanguíneos. Ese capítulo también describía cómo se regula la fuerza potencial de la sangre (presión arterial media). En este capítulo se explicará la sangre por sí misma y se observará por qué es tan importante que nuestras células reciban la cantidad suficiente de sangre. Se explicarán los diferentes componentes de la sangre y se describirá cómo participan en la función general de la sangre. Comenzaremos por describir la porción líquida de la sangre, llamada plasma, y su función en el transporte de proteínas, hormonas, electrólitos, nutrientes orgánicos y productos de desecho. A continuación, se describen los componentes celulares de la sangre, incluyendo los eritrocitos (los glóbulos rojos), que transportan el oxígeno y el dióxido de carbono; los leucocitos (los glóbulos blancos), que defienden al cuerpo de los patógenos; y las plaquetas (fragmentos celulares), que son esenciales en la formación de los coágulos de sangre para evitar la pérdida de sangre.
Sinopsis de la composición de la sangre: el hematocrito El volumen total de la sangre en un adulto sano normal es alrededor de 5,5 l. Está formado en su mayor parte (aproximadamente 3 l) por plasma y eritrocitos (aproximadamente 2,5 l), pero también contiene leucocitos y plaquetas (fig. 15.1). La contribución fraccional de los eritrocitos a la sangre se llama hematocrito (htco., de forma abreviada), que se determina al centrifugar una muestra de sangre en un tubo y normalmente se expresa en porcentaje (fig. 15.2). Al centrifugar la sangre, los elementos de la sangre se separan en función de su densidad. Los eritrocitos son más densos que los otros elementos de la sangre, por lo que son empujados hacia el fondo del tubo. El plasma, el componente menos denso, permanece en la parte superior. Entre
FIGURA 15.1 Componentes celulares de la sangre. (Microfotografía electrónica 3.000 aproximadamente.)
estas dos capas queda una capa fina de leucocitos y plaquetas (menos del 1% del total del volumen sanguíneo) llamada capa leucocitaria. Para determinar el hematocrito, se mide la altura de la columna de eritrocitos y la columna total de la sangre, y entonces se calcula el hematocrito determinando el porcentaje de
Plasma (55% del total de la sangre) 100% del total de la sangre
Capa leucocitaria (leucocitos y plaquetas; menos de 1% del total del volumen de la sangre) Eritrocitos (45% del total de la sangre)
FIGURA 15.2 Determinación del hematocrito. Cuando se centrifuga una muestra de sangre, los eritrocitos se empujan hacia el fondo del tubo porque son más densos que los otros elementos de la sangre.
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sangre que está formado por eritrocitos, tal y como se muestra a continuación: altura de la columna de eritrocitos Hematocrito = 100 altura de la columna de sangre total El hematocrito es una medida clínica útil, ya que indica si una persona tiene un complemento normal de eritrocitos. En los hombres, el nivel normal de hematocrito es de 42-52, lo que significa que los eritrocitos ocupan entre el 42 y el 52% del volumen de la sangre. En las mujeres, el nivel normal de hematocrito es de 37-47. Un hematocrito bajo significa que hay una concentración de eritrocitos menor de lo normal en la sangre. Un hematocrito alto indica una concentración de eritrocitos más alta de lo normal, lo que se conoce como policitemia. La policitemia es una respuesta normal a entornos bajos en oxígeno, como ocurre a grandes altitudes. Por ejemplo, un hombre que vive a una altitud de aproximadamente 4.000 m en los Andes a menudo presenta hematocritos de hasta 60. Además, el hematocrito aumenta en 2 semanas en las personas que viajan a los Andes.
Aparato cardiovascular: sangre
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TABLA 15.1 Componentes del plasma Componente
Descripción e importancia
Agua
Conforma el 90% del volumen del plasma; proporciona un medio de disolución y suspensión para los solutos y los elementos formes
Solutos Proteínas
Conforma el 8% del plasma (según el peso); la mayoría se sintetiza en el hígado
Albúmina
El 60% de las proteínas del plasma; responsable principal de la presión osmótica del plasma
Globulinas
El 36% de las proteínas del plasma; incluye las proteínas de la coagulación, anticuerpos secretados por algunos leucocitos durante la respuesta inmunológica, y las proteínas que se unen a los lípidos, hormonas liposolubles e iones metálicos para transportar estas sustancias a la sangre
Fibrinógeno
Importante en la formación de los coágulos de sangre
Otros
Enzimas, hormonas y proteínas antibacterianas
Productos de desechos de nitrógeno
Productos derivados del metabolismo, como la urea, el ácido úrico y la creatinina
¿Qué efecto tiene la policitemia sobre la resistencia al flujo sanguíneo y, por tanto, sobre la presión arterial media?
Nutrientes orgánicos
Sustancias absorbidas por los intestinos y utilizadas por las células de todo el organismo; incluyen la glucosa y otros azúcares simples, aminoácidos, glicerol, triglicéridos, colesterol y vitaminas
Ahora que conocemos los componentes principales de la sangre, describiremos cada componente con mayor detalle. Empezaremos con el plasma y luego pasaremos a los eritrocitos, leucocitos y, por último, las plaquetas.
Electrólitos Cationes
Sodio, potasio, calcio, magnesio (importante para las señales neuromusculares), bicarbonato y fosfato (importante para el mantenimiento del pH normal del plasma)
Plasma
Aniones
Cloruro (importante para la señales musculares), bicarbonato y fosfato (importante para el mantenimiento normal de pH plasmático)
Gases respiratorios
Oxígeno y dióxido de carbono; la mayoría del oxígeno y parte del dióxido de carbono está unido a la hemoglobina en los eritrocitos; una fracción importante del dióxido de carbono se encuentra en el plasma en forma de bicarbonato
Comprueba tus conocimientos
El plasma es una solución acuosa en la que se disuelven una gran cantidad de solutos. Estos solutos incluyen proteínas, pequeños nutrientes (como glucosa, lípidos y aminoácidos), productos de desecho metabólico (como urea y ácido láctico), gases (oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno y otros) y electrólitos (como sodio, potasio y cloro). Aunque las proteínas son los solutos más abundantes en el plasma en cuanto al peso, los solutos pequeños normalmente están presentes en altas concentraciones. Con respecto a los pequeños solutos (es decir, solutos distintos de las proteínas), la composición del plasma es muy similar a la del líquido intersticial. Esta semejanza se produce porque las paredes de los capilares (que separan el plasma del líquido intersticial) son muy permeables a los pequeños solutos, lo que permite que estos solutos se muevan libremente entre el plasma y el líquido intersticial. Con respecto a las proteínas, sin embargo, el plasma y el líquido intersticial se diferencian en gran medida en la composición; la concentración de proteínas en el plasma es notablemente mayor que en el líquido intersticial. Esta diferencia en la concentración se mantiene por la baja permeabilidad de las paredes de los capilares, lo que limita la capacidad de las proteínas de salir del plasma. Las proteínas del plasma se categorizan en tres grupos principales: albúminas, globulinas y fibrinógeno. Las albúminas, que se sintetizan en el hígado, son las proteínas más abundantes en el plasma y contribuyen en gran medida a la presión osmótica del plasma, que afecta al movimiento del líquido a través de los capilares. Las globulinas son una amplia variedad de proteínas
que transportan lípidos, hormonas esteroideas y otras sustancias en la sangre; desempeñan una función importante en la capacidad de la sangre de formar coágulos, y son importantes para defender al cuerpo frente a las sustancias externas. El fibrinógeno se sintetiza en el hígado y es una sustancia clave en la formación de coágulos. El suero es plasma del que se elimina el fibrinógeno y otras proteínas coagulantes. Los componentes principales del plasma están enumerados en la tabla 15.1.
Eritrocitos Los eritrocitos (glóbulos rojos) son las células más abundantes en la sangre, con alrededor de 5 millones por mm3 de la sangre. Entre las células del cuerpo, los eritrocitos son especiales, porque no contienen núcleo, mitocondrias y otros orgánulos, como los ribosomas, que son necesarios para fabricar proteínas. Los eritrocitos tienen forma de discos de unos 7 Mm de diámetro y un poco menos de 2 Mm de grosor (v. fig. 15.1). A menudo se describen como discos bicóncavos, porque están abombados por ambos lados.
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Aparato cardiovascular: sangre
La forma de los eritrocitos se debe a la presencia de una proteína citosólica llamada espectrina. La espectrina es una proteína fibrosa que forma una red que está unida con la membrana plasmática. Esta red de espectrina proporciona a los eritrocitos la capacidad de plegarse y flexionarse tanto como sea necesario para moverse por los capilares, que a veces tienen un diámetro inferior al de los eritrocitos. Además de su flexibilidad, la forma bicóncava proporciona al eritrocito una gran área superficial, lo que les hace aptos para el intercambio. Esta propiedad es esencial, ya que, como veremos a continuación, los eritrocitos transportan oxígeno y dióxido de carbono en la sangre para intercambiarlos con las células del organismo y el tejido pulmonar.
una estructura en forma de anillo que contiene hierro conocido como grupo hemo (fig. 15.3). El hierro de la hemoglobina está presente en forma ferrosa (Fe2+), que proporciona el color rojo a los eritrocitos y, por tanto, a la sangre. Este hierro es el lugar por el cual la molécula de oxígeno se une. Existen cuatro grupos hemo en una molécula de hemoglobina, por lo que cada hemoglobina se puede unir a cuatro moléculas de oxígeno. El dióxido de carbono se une de forma reversible a los aminoácidos de las cadenas de polipéptidos; sin embargo, la hemoglobina transporta considerablemente menos dióxido de carbono que oxígeno. Véase cómo los atletas aumentan sus niveles de hemoglobina en «Comprender el ejercicio: Efectos de las grandes alturas».
Transporte de oxígeno y de dióxido de carbono
Anhidrasa carbónica y la reacción del dióxido de carbono con el bicarbonato
La función principal del eritrocito es transportar oxígeno y dióxido de carbono en la sangre. Dicho transporte es esencial para llevar el oxígeno desde los pulmones hasta las células que necesitan oxígeno, y para llevar el dióxido de carbono de las células a los pulmones, donde se eliminan del cuerpo. Los eritrocitos tienen una gran capacidad de transportar estos gases porque contienen en su citoplasma dos proteínas: hemoglobina y anhidrasa carbónica. La hemoglobina se une y, por tanto, transporta oxígeno y dióxido de carbono, mientras que la anhidrasa carbónica es esencial para el transporte de dióxido de carbono únicamente. El transporte de estos gases se explica en mayor detalle en el capítulo 17, pero aquí se da una descripción general de estas proteínas por su importancia en los eritrocitos.
Aunque en menor proporción, la anhidrasa carbónica es otra proteína de los eritrocitos que es esencial en el transporte de gases. La anhidrasa carbónica es una enzima que cataliza la conversión reversible del dióxido de carbono y el agua en ácido carbónico: CO2 + H2O
anhidrasa carbónica
H2CO3
El siguiente paso es la disociación reversible del ácido carbónico en un ion de hidrógeno y un ion de bicarbonato: H+ + HCO3–
H2CO3
Toda la vía puede describirse de la siguiente forma:
Unión reversible de la hemoglobina con el oxígeno y el dióxido de carbono
CO2 + H2O
La hemoglobina es la proteína más abundante en los eritrocitos, con más de 250 millones de moléculas de hemoglobina por eritrocito. La hemoglobina está compuesta por cuatro cadenas de polipéptidos de dos tipos (dos alfa y dos beta), que tienen cada
anhidrasa carbónica
H+ + HCO3–
H2CO3
Por tanto, el dióxido de carbono puede convertirse en tres iones de hidrógeno libres, lo que afecta al pH de la sangre. En el capítulo 17 se explicará cómo esta reacción es esencial para el trans-
Grupo hemo
Subunidad
CH
CH3
CH
HC N
CH3 N –OOC
CH2 CH2
Fe
CH3 N CH
N CH
HC
–OOC
Subunidad
CH2
Subunidad
CH2 CH2
CH3
Subunidad
(a) Molécula de hemoglobina
FIGURA 15.3 Hemoglobina. (a) La molécula de hemoglobina está formada por cuatro subunidades de polipéptidos designados A o B, unidos de forma covalente a un grupo hemo que contiene hierro. (b) Estructura química de un grupo hemo.
(b) Grupo hemo que contiene hierro (Fe)
CH2
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porte de dióxido de carbono en la sangre y la función principal en el equilibrio ácido-base de la sangre.
Ciclo vital de los eritrocitos Una vez que los eritrocitos se liberan hacia el torrente sanguíneo, permanecen en él durante solo unos 120 días. No tienen núcleo (ni ADN) ni ningún orgánulo, por lo que no pueden realizar la división celular. Por tanto, se producen nuevos eritrocitos regularmente, a un nivel de aproximadamente 2 a 3 millones por segundo o 200.000 millones por día. La médula ósea tiene la enorme tarea de producir estos eritrocitos mediante un proceso llamado eritropoyesis, mientras que el bazo elimina los eritrocitos viejos de la sangre. La figura 15.4 muestra los órganos que intervienen en la síntesis y degradación de los eritrocitos, que se describen a continuación.
Aparato cardiovascular: sangre
Producción de eritrocitos Todas las células de la sangre se desarrollan a partir de células precursoras llamadas células madre hematopoyéticas (formadoras de sangre), situadas en la médula ósea (fig. 15.5). Mientras que los eritrocitos y la mayor parte de los leucocitos llegan a la plena madurez en la médula ósea, los linfocitos T deben emigrar al timo (situado en la cavidad torácica por encima del corazón) antes de que maduren totalmente. El desarrollo de un tipo particular de células sanguíneas depende de las citocinas, llamadas factores de crecimiento hematopoyético (HGF). El HGF que estimula la producción de eritrocitos es la eritropoyetina. Los HGF que intervienen en la producción de leucocitos incluyen los factores estimulantes de colonias y las interleucinas. La eritropoyetina se libera de algunas células en el riñón en respuesta a los bajos niveles de oxígeno en la sangre. La eritropoyetina viaja por el torrente sanguíneo a la médula ósea, don-
Médula ósea Eritrocitos Eritropoyesis
Bazo
Eritrocitos
Hemo + globina Hierro + bilirrubina
+ T-hierro EPO
Aminoácidos
T-hierro Bilirrubina
Riñones
Bilis Bilirrubina
Bilis
F-hierro Hígado Bilis
Hierro mediante la alimentación
T-hierro La bilis se excreta en la orina
Bilis
T-hierro Intestino delgado Intestino grueso
Ano Circulación La bilis se excreta en las heces
FIGURA 15.4 Ciclo vital de los eritrocitos. La producción y degradación de los eritrocitos implica diferentes órganos. EPO, eritropoyetina; F-hierro, ferritina; T-hierro, transferrina.
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Aparato cardiovascular: sangre Célula madre hematopoyética
Célula madre mieloide
Célula madre linfoide
Megacariocito
Monocito Reticulocito
(Tejido) Eritrocito Plaquetas
Eosinófilo
Basófilo
Neutrófilo
Macrófago
FIGURA 15.5 Producción de células de la sangre y plaquetas. Todas las células de la sangre se forman a partir de células madre hematopoyéticas. Durante la primera fase de diferenciación, se generan dos líneas de células: células madre mieloides, que son precursoras de la mayoría de las células de la sangre, y las células linfoides, que son las precursoras de los linfocitos.
Linfocito
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Aparato cardiovascular: sangre
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Efectos de las grandes alturas La demanda de oxígeno aumenta durante el ejercicio, por lo que algunos atletas intentan aumentar su contenido de hemoglobina para aumentar la capacidad transportadora de su sangre. Muchos atletas se entrenan a grandes alturas, donde la cantidad de oxígeno en el aire es menor que a nivel del mar. Cuando los niveles de oxígeno en la sangre son bajos, se producen más glóbulos rojos, que, a su vez, transportan más oxígeno a los tejidos de lo que necesitan. Esto es una adaptación importante a las grandes altitudes. Cuando, después del entrenamiento, los atletas vuelven a nivel del mar y a las actividades diarias, su capacidad
transportadora de oxígeno es mayor de la necesaria. Sin embargo, el aumento de número de glóbulos rojos en la sangre puede ayudar a la resistencia durante la competición. Algunos atletas intentan aumentar su capacidad transportadora de oxígeno a través del dopaje con sangre. Pueden aumentar el número de glóbulos rojos mediante la inyección directa de células sanguíneas en su sistema o mediante la inyección de eritropoyetina, sustancia química que estimula la síntesis de glóbulos rojos. El dopaje con sangre es ilegal en la mayoría de los deportes profesionales.
de desencadena la diferenciación de las células pluripotenciales en eritrocitos. Se necesitan varios niveles de diferenciación para producir los eritrocitos. Durante la diferenciación, los eritrocitos producen hemoglobina y pierden sus núcleos y orgánulos. La última fase celular antes del desarrollo del eritrocito maduro es el reticulocito, un glóbulo rojo con presencia de algunos ribosomas en el citoplasma, que dan a la célula una apariencia reticulada. Normalmente, solo se liberan los eritrocitos al corriente sanguíneo. Sin embargo, en condiciones de síntesis rápida de eritrocitos, como ocurriría en caso de una hemorragia grave, algunos reticulocitos también entran en el torrente sanguíneo. Los requisitos alimenticios para la producción de eritrocitos son el hierro, el ácido fólico y la vitamina B12. El hierro es necesario para la síntesis de hemoglobina. Aunque el hígado almacena hierro y una pequeña cantidad del hierro liberado a partir de los eritrocitos viejos se recicla, para mantener un nivel adecuado de hemoglobina en la sangre (13-18 g por 100 ml en hombres y 12-16 g por 100 ml en mujeres) es necesario ingerir hierro a través de la dieta. El ácido fólico y la vitamina B12 son necesarios para la síntesis de ADN. Aunque la falta de ácido fólico o vitamina B12 afecta a la división celular de todas las células, sus efectos en la eritropoyesis son los más notables por la rápida producción de los eritrocitos. Una escasez de los elementos dietéticos para la eritropoyesis puede producir una reducción de la cantidad de hemoglobina por célula o una reducción del número de eritrocitos en la sangre, reduciendo ambos la capacidad transportadora de la sangre, una enfermedad llamada anemia. Si la enfermedad se debe a la falta de hierro en la dieta, se denomina anemia por deficiencia de hierro, y los eritrocitos son característicamente más pequeños de lo normal debido al aumento de la cantidad de hemoglobina por eritrocito. Si la enfermedad se
Existe una desventaja del aumento de la concentración de glóbulos rojos, un notable aumento de la resistencia al flujo sanguíneo. Un hematocrito mayor de 60 indica que la resistencia al flujo de sangre es más perjudicial que lo beneficioso que pueda resultar el aumento de la capacidad transportadora de oxígeno. El aumento del hematocrito también puede aumentar el rozamiento entre la sangre y las paredes de los vasos sanguíneos, debilitando las paredes y haciéndolas más susceptibles a la aterosclerosis, lo que puede conllevar una serie de problemas para la salud.
debe a la falta de vitamina B12, se denomina anemia perniciosa, y se caracteriza por los eritrocitos con un tamaño mayor del normal, pero en menor cantidad. La anemia también puede ser el resultado de una hemorragia (hemólisis). Los síntomas de la anemia incluyen fatiga crónica y disnea de esfuerzo. Para más detalles sobre la anemia, véase «Conexiones clínicas: Anemia».
Filtrado y destrucción de los eritrocitos por el bazo El bazo es un órgano linfoide que almacena células sanguíneas y elimina los eritrocitos viejos de la circulación (v. fig. 15.4). Como se ha explicado anteriormente, los eritrocitos tienen una semivida de aproximadamente 120 días. Algunos eritrocitos viejos se hemolizan en el torrente sanguíneo, pero la mayoría son engullidos por los macrófagos en el bazo y, en menor medida, en el hígado. Cuando los macrófagos destruyen los eritrocitos, la hemoglobina también se cataboliza. Después de que el hierro se haya eliminado, el hemo resultante se convierte en bilirrubina, un componente amarillento. La bilirrubina se libera al torrente sanguíneo, donde proporciona al plasma su color amarillento. La bilirrubina se transporta al hígado, donde se cataboliza. La mayoría de los productos del metabolismo de la bilirrubina se secretan por la bilis al intestino delgado y, por último, se eliminan a través de las heces, dándoles un color marrón. Otros metabolitos de la bilirrubina se liberan hacia el torrente sanguíneo, por el que viajan a los riñones y se eliminan por la orina, dándole su color amarillento. En algunas enfermedades (enfermedades hepáticas, obstrucción de la vía biliar o hemólisis excesiva de los eritrocitos en la sangre), los niveles de bilirrubina del plasma se elevan, una enfermedad llamada ictericia, que provoca que la piel y el blanco de los ojos se vuelvan de color amarillento.
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Aparato cardiovascular: sangre
CONEXIONES CLÍNICAS
Anemia La anemia, definida como la reducción de la capacidad transportadora de oxígeno de la sangre, se asocia generalmente con un nivel bajo de hematocrito, que puede ser el resultado de un descenso del número de eritrocitos o una disminución del tamaño de estos. Sin embargo, una persona también puede tener anemia si el hematocrito es normal, pero cada glóbulo rojo contiene menos concentración de hemoglobina de la normal. La mayoría del oxígeno transportado por la sangre está unida a la hemoglobina de los eritrocitos, por lo que un descenso en la cantidad de eritrocitos o una disminución de su tamaño se asocia a unos niveles de hemoglobina bajos. Existen seis categorías generales de anemia: 1. Las anemias nutricionales están provocadas por una deficiencia alimentaria, lo más común es que sea una deficiencia de hierro. El hierro es un componente de la hemoglobina, por lo que una deficiencia de hierro reduce la síntesis de hemoglobina. El número de eritrocitos es normal, pero cada uno contiene menos hemoglobina. Con menos hemoglobina, los eritrocitos son más pequeños y la capacidad transportadora de oxígeno de la sangre disminuye. Otro nutriente esencial para el transporte normal de oxígeno es el ácido fólico, que es necesario para la síntesis de la timina, una de las bases del ADN. La falta de ácido fólico afecta a las células del organismo que sufren una división celular rápida, ya que la replicación del ADN es necesaria para la división celular. Sabiendo que cada segundo el organismo produce entre 2 y 3 millones de eritrocitos por la división
2.
3.
4.
5.
celular rápida de ciertas células precursoras, la presencia insuficiente de ácido fólico en la dieta condiciona que haya menos eritrocitos, que serán mayores de lo normal. Los eritrocitos grandes, sin embargo, tienden a ser más frágiles y tienen una vida menor. La anemia perniciosa está provocada por la deficiencia de factor intrínseco, que es necesario para la absorción de vitamina B12 en el tubo intestinal. La vitamina B12, al igual que el ácido fólico, es necesaria para la síntesis de la timina; esta anemia tiene las mismas características que la anemia provocada por una deficiencia de ácido fólico. La anemia aplásica está provocada por un defecto de la médula ósea, el lugar principal de producción de eritrocitos y leucocitos; el resultado es una deficiencia de ambas clases de células sanguíneas. Un menor número de eritrocitos provoca la anemia, y un menor número de leucocitos impide que el organismo se defienda de los patógenos, como las bacterias y virus. La anemia renal está asociada con un descenso de la producción de la hormona eritropoyetina debido a un estado patológico en los riñones. La eritropoyetina estimula la síntesis de los eritrocitos en la médula ósea, por lo que un descenso de la producción de eritrocitos provoca que haya menos eritrocitos en la sangre. La anemia hemorrágica está provocada por una pérdida rápida de sangre. En unos pocos días, tras una hemorragia grave, la ingesta de líquido y el intercambio de líquidos entre los compartimentos del cuerpo aumenta el volumen de sangre
El hierro que se libera por el catabolismo de la hemoglobina se recicla para formar nueva hemoglobina. El hierro se transporta unido a una proteína llamada transferrina. La transferrina recoge el hierro en el tubo intestinal o el bazo y lo transporta a la médula ósea roja para la síntesis de eritrocitos, o al hígado, donde se almacena cierta cantidad de hierro ligada a una proteína llamada ferritina. También se puede almacenar cierta cantidad de hierro unida a la ferritina en el bazo y en células del revestimiento del intestino delgado.
hasta normalizarlo. Sin embargo, la producción de eritrocitos necesita varias semanas, por lo que, aunque el volumen de sangre vuelva a la normalidad, el hematocrito permanece bajo hasta que se produzcan nuevos eritrocitos. 6. La anemia hemolítica está provocada por la rotura, o hemólisis, de un gran número de eritrocitos. Un aumento de la hemólisis puede deberse a infecciones como el paludismo, o por defectos de los eritrocitos, como se producen en la drepanocitosis. La drepanocitosis es una enfermedad hereditaria provocada por un defecto en el gen que codifica la hemoglobina. Existe un error en una única base en el código genético de la cadena beta, que determina que se codifiquen los aminoácidos equivocados. Esta única sustitución del aminoácido condiciona que las moléculas de hemoglobina en un eritrocito se polimericen (se unan las unas a las otras) cuando los niveles de oxígeno son bajos, condicionando que los eritrocitos estén mal formados y sean frágiles (v. foto).
Un glóbulo rojo con forma de hoz (izquierda) y uno normal (derecha).
Test rápido 15.1 1. ¿Qué es el hematocrito y cómo se determina? 2. ¿Qué relación existe entre la concentración de pequeños solutos en el plasma y el líquido intersticial? ¿En qué se parecen estos dos líquidos según su concentración de proteínas? 3. ¿Qué es la hemoglobina? ¿Por qué es tan importante en la función de los glóbulos rojos? 4. ¿Qué reacción cataliza la enzima anhidrasa carbónica?
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Leucocitos Comparados con los eritrocitos, los leucocitos (glóbulos blancos) son mucho menos numerosos en la sangre, contando solo entre 4.000 y 10.000 por mm3 (en la tabla 15.2 se muestra la distribución de eritrocitos y leucocitos en la sangre). Los leucocitos tienen núcleo y poseen toda la maquinaria celular normal y, por tanto, son las únicas células de la sangre con una capacidad funcional normal. A diferencia de los eritrocitos, los leucocitos se encuentran normalmente no solo en el torrente sanguíneo, sino también en otros tejidos del cuerpo. La presencia de los leucocitos fuera de los vasos sanguíneos se debe a su movilidad, lo que permite que atraviesen los poros de los capilares y emigren a través de los tejidos. Esta capacidad de transportarse es importante para su función, que es defender al cuerpo de microorganismos invasores y otras sustancias externas. Hay cinco tipos principales de leucocitos, y cada uno tiene su función particular en la inmunidad (tabla 15.3). Tres de estos tipos, los neutrófilos, eosinófilos y basófilos, se denominan granulocitos, porque tienen unas vesículas que contienen proteínas en su citoplasma llamados gránulos citoplásmicos. Los otros dos, monocitos y linfocitos, no tienen estos gránulos y, por tanto, se denominan agranulocitos. Cada tipo de leucocito se identifica tradicionalmente por su reacción con la tinción de Wright, que muestra sus formas nucleares y color citoplásmico característicos.
Neutrófilos Los neutrófilos constituyen alrededor de un 50-80% de todos los leucocitos y son capaces de una de las actividades de defensa más importante en el organismo: la fagocitosis. Como fagocito («célula que come»), un neutrófilo engulle y digiere microorganismos, células anormales y partículas externas presentes en los tejidos y la sangre. Solo unos pocos tipos de células (eosinófilos, monocitos y macrófagos) son capaces
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de llevar a cabo la fagocitosis. Los neutrófilos recién producidos circulan en la sangre durante 7 o 10 h y, entonces, se dirigen a los tejidos, donde viven solo durante unos días. Durante una infección, el número de neutrófilos circulante aumenta notablemente, ya que los neutrófilos que se almacenan en la médula ósea quedan inmovilizados. Este estado de aumento de neutrófilos, llamado neutrofilia, proporciona no solo asistencia en la defensa, sino que también es una indicación clínica de que existe una infección.
Eosinófilos Alrededor del 1 al 4% de los leucocitos son eosinófilos. Al igual que los neutrófilos, los eosinófilos son fagocíticos, pero su contribución principal en la defensa es atacar a los invasores parasitarios que son demasiado grandes para ser engullidos. Los eosinófilos preparan un ataque en contra de estos parásitos uniéndose a sus cuerpos y descargando moléculas tóxicas desde sus gránulos citoplásmicos. Desafortunadamente, la defensa eosinófila (y la respuesta inmunológica general frente a dichos parásitos) es débil. La respuesta de los eosinófilos puede a veces ser perjudicial, porque las moléculas tóxicas que liberan también pueden dañar los tejidos normales y desencadenar reacciones alérgicas.
Basófilos Los basófilos son células no fagocíticas que están provistas para defender al organismo de parásitos más grandes; pueden actuar como los eosinófilos al liberar moléculas tóxicas que dañan a los invasores. Sin embargo, los basófilos también liberan histamina, heparina y otras sustancias químicas que contribuyen notablemente a las reacciones alérgicas, como la fiebre del heno. A pesar de que los basófilos constituyen menos del 1% de todos los leucocitos, tienen un efecto importante en personas que sufren alergias.
TABLA 15.2 Composición celular de la sangre Cantidad por microlitro (mm3)
Diámetro (Mm)
Eritrocitos
5.000.000
7-8
Leucocitos
4.000-10.000
Componente
Características anatómicas
Función principal
Sin núcleo; sin orgánulos; discos bicóncavos
Transporte de O2 y CO2 Defienden al cuerpo de los patógenos
Neutrófilos
3.000-7.000
10-14
Núcleo multilobulado; gránulos rojizos y azulados
Fagocitosis de sustancias externas
Eosinófilos
100-400
10-14
Núcleo bilobulado; gránulos rojizos
Mata parásitos
20-50
10-12
Núcleo multilobulado; gránulos azulados
Secretan mediadores químicos en inflamaciones y reacciones alérgicas
Monocitos
100-700
14-24
Núcleos grandes en forma de riñón; sin gránulos
Fagocitosis; maduran a macrófagos en los tejidos
Linfocitos
1.500-3.000
5-17
Núcleos grandes y redondeados; pequeño citoplasma; sin gránulos
Células B (secretan anticuerpos); Células T (secretan citocinas que apoyan la respuesta inmunológica por otras células); secretan factores que matan a células infectadas o cancerígenas
250.000
2-4
Fragmentos citoplásmicos; gránulos
Hemostasia
Basófilos
Plaquetas
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Aparato cardiovascular: sangre
TABLA 15.3 Leucocitos y sus funciones inmunológicas* Morfología del leucocito
Funciones inmunológicas
Engulle microorganismos, células anormales y partículas externas por fagocitosis Neutrófilo
Secreta enzimas que matan parásitos; contribuye al daño del tejido en reacciones alérgicas Eosinófilo
Secreta mediadores químicos de inflamación y reacciones alérgicas Basófilo
Monocitos Los monocitos, que constituyen alrededor del 2 al 8% de los leucocitos, son importantes en la defensa fagocítica. Los monocitos nuevos circulan por la sangre solo durante unas horas antes de desplazarse a los tejidos, donde se hacen 5 a 10 veces mayores y se transforman en grandes fagocitos activos conocidos como macrófagos («grandes comedores»). Algunos macrófagos, llamados «macrófagos migratorios», se desplazan por los tejidos del organismo, mientras que otros, llamados «macrófagos fijos», permanecen en determinados lugares. Los macrófagos son especialmente abundantes en el tejido conjuntivo, en la pared del tubo digestivo, en los alvéolos pulmonares, en las paredes de algunos vasos sanguíneos del hígado (donde son conocidos como células de Kupffer) y en el bazo. En los dos últimos lugares, los macrófagos fagocitan los eritrocitos viejos, muertos o anormales. Los macrófagos también son numerosos en partes del bazo y los ganglios linfáticos donde hay más posibilidades de contactar con los agentes infecciosos que circulan por la sangre y el líquido linfático.
Linfocitos Los linfocitos constituyen alrededor del 20-40% de todos los leucocitos en la sangre, y alrededor del 99% de todas las células encontradas en el líquido intersticial. Los linfocitos son principalmente de tres tipos: linfocitos B (células B), linfocitos T (células T) y células nulas, llamadas así porque carecen de componentes de la membrana celular que son característicos de las células B y T. La mayoría de las células nulas son grandes linfocitos granulares conocidos como células citológicas naturales (NK). Las diferentes funciones de los linfocitos en el sistema inmunitario se describen en el capítulo 23.
Monocito
Secreta citocinas; engulle microorganismos por fagocitosis
Test rápido 15.2 1. Enumera los cinco tipos principales de leucocitos y describe una función de cada uno. 2. ¿Qué tipo de células pueden llevar a cabo la fagocitosis? 3. Nombra los tres tipos principales de linfocitos.
Macrófago
Plaquetas y hemostasia Las células plasmáticas secretan anticuerpos (forma madura de células B)
Linfocito
Las células T colaboradoras secretan citocinas, que activan a múltiples tipos celulares; las células T citotóxicas secretan factores que conllevan la muerte de células infectadas o cancerígenas Las células nulas, llamadas células citológicas naturales, secretan factores que conllevan a la muerte de células infectadas o cancerígenas.
*Las características morfológicas son características de la preparación teñida con técnica de Wright.
Las plaquetas son fragmentos celulares sin color que se producen por la separación de una porción de unas células grandes de la médula ósea llamadas megacariocitos. Son más pequeñas que los eritrocitos y contienen mitocondrias, retículo endoplásmico y gránulos citoplásmicos, pero no tienen núcleo. El número normal de plaquetas oscila entre 100.000 y 500.000 por mm3 y son importantes para desencadenar la secuencia de acontecimientos que culminan con la formación de los coágulos sanguíneos. Los vasos sanguíneos se dañan frecuentemente, provocando una hemorragia externa o interna. Aunque este sangrado es normalmente de poca importancia, la falta de hemostasia (mecanismo para detener el sangrado) condicionaría que incluso un corte superficial pudiera ser causa de la muerte. El proceso de hemostasia se produce en tres pasos: espasmo vascular, formación de un tapón plaquetario y formación de un coágulo sanguíneo o trombo. Cada uno de estos pasos se describe a continuación.
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Comprueba tus conocimientos Un émbolo es un coágulo sanguíneo que se ha soltado y viaja por la circulación. Si un émbolo se atasca en una arteria y obstruye el flujo sanguíneo, se forma una embolia. Explica algunos de los peligros de las embolias.
Espasmos vasculares Cuando un vaso sanguíneo está dañado, los mecanismos intrínsecos desencadenan una constricción llamada espasmo vascular, que aumenta la resistencia al flujo sanguíneo. El daño también tiende a activar el sistema nervioso simpático, lo que provoca una mayor vasoconstricción. Con menos flujo de sangre por el área dañada, la pérdida de sangre se minimiza. Sin embargo, la disminución de la pérdida de sangre no es suficiente; la pérdida de sangre debe pararse por completo.
Tapón plaquetario Las plaquetas, también llamadas trombocitos, son fragmentos sin núcleo de los megacariocitos. Las plaquetas poseen gránulos que contienen diferentes sustancias que pueden secretarse en el plasma, incluyendo la ADP, serotonina, adrenalina y otras sustancias químicas que participan en la formación del coágulo sanguíneo. Las plaquetas también son «pegajosas» en ciertas circunstancias, permitiendo que se adhieran a las superficies, especialmente de los vasos sanguíneos dañados. Tanto la formación de tapones plaquetarios como el consiguiente coágulo sanguíneo requieren la presencia de plaquetas y una gran cantidad de proteínas plasmáticas específicas. En la formación del tapón plaquetario, la proteína principal es el factor
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de von von Willebrand (vWF), secretado por los megacariocitos, las plaquetas y las células endoteliales que se disponen a lo largo de los vasos sanguíneos. Aunque el vWF está presente en el plasma todo el tiempo, se acumula en el foco de lesión vascular. El primer paso para la formación del tapón plaquetario es la adhesión plaquetaria, que se produce cuando la lesión del vaso sanguíneo expone el tejido subyacente al endotelio (la capa de células endoteliales que se disponen a lo largo del vaso), llamado tejido subendotelial. Cuando la sangre llega al tejido subendotelial, el vWF se une a las fibras de colágeno subendoteliales, desencadenando la unión de las plaquetas al vWF. El contacto con el vWF también activa las plaquetas, cambiando su metabolismo y las propiedades de la superficie (haciéndolas «pegajosas»), y estimulando la secreción de algunos productos. Dos de los productos secretorios de las plaquetas activadas (la serotonina y la adrenalina) provocan vasoconstricción, lo que aumenta la resistencia al flujo sanguíneo y minimiza la pérdida de sangre. Un tercer producto secretor de las plaquetas activadas, la ADP, provoca la agregación de las plaquetas, el segundo paso en la formación del tapón plaquetario. La ADP también estimula cambios morfológicos en las plaquetas que provocan que se adhieran las unas a las otras, de manera que forman una masa o cúmulo. Las plaquetas agregadas secretan más ADP, que estimulan una mayor agregación de plaquetas, que proporciona una retroalimentación positiva, que aumenta la velocidad de la formación de tapones plaquetarios (fig. 15.6a). La ADP también estimula la producción del tromboxano A2 (TXA2), que también contribuye a la agregación plaquetaria. El TXA2 se forma a partir de un fosfolípido, el ácido araquidónico, situado en la membrana de las plaquetas. El TXA2 tiene muchas funciones en la hemostasia, incluyendo la estimulación de la agregación de plaquetas, la estimulación de la secreción de ADP (proporcionando más retroalimentación positiva para la
Luz del vaso sanguíneo Plaquetas no agregadas
TXA2
+ ADP
Prostaciclina Óxido nitroso
+ Adhesión plaquetaria
Plaquetas agregadas Endotelio Subendotelio Músculo liso
Fibras de colágeno expuestas (a) Endotelio de un vaso sanguíneo dañado
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Líquido intersticial
Fibras de colágeno (b) Endotelio de un vaso sanguíneo normal
FIGURA 15.6 Formación del tapón plaquetario. (a) Las plaquetas se adhieren a las fibras de colágeno en el lugar del vaso sanguíneo dañado. Las plaquetas adheridas secretan ADP para estimular la agregación de las plaquetas en el lugar de la adhesión, provocando que más plaquetas secreten ADP. Las plaquetas agregadas también liberan tromboxano A2 (TXA2) en la luz del vaso sanguíneo, lo que estimula una mayor agregación de plaquetas. (b) Las células endoteliales sanas secretan óxido nitroso (NO) y liberan prostaciclina, que inhiben la agregación plaquetaria.
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formación del tapón plaquetario) y la vasoconstricción (reduciendo el flujo sanguíneo en el área). La formación del tapón plaquetario está limitada al área del vaso sanguíneo dañado para evitar que se produzcan coágulos innecesarios que, al obstruir el flujo sanguíneo, pueden privar de nutrientes a los tejidos y permitir que se acumulen los productos de desechos. Los tapones plaquetarios no se forman en el endotelio normal, porque las células endoteliales sanas liberan continuamente prostaciclina (también llamada prostaglandina I2) y óxido nitroso, que inhiben la formación del tapón plaquetario (fig. 15.6b). Mientras que las plaquetas agregadas convierten el ácido araquidónico en TXA2 para facilitar la formación del tapón plaquetario, las células endoteliales sanas convierten el ácido araquidónico en prostaciclina para evitar la formación del tapón plaquetario. Las plaquetas contienen altas concentraciones de proteínas contráctiles actina y miosina. A medida que las plaquetas se acumulan y forman el tapón, se contraen para aumentar la «consistencia» del tapón.
Formación del coágulo Para la formación del coágulo sanguíneo es esencial una proteína plasmática llamada fibrina, que es necesaria para que la sangre se coagule o se convierta en una especie de pasta que atrapa los eritrocitos y tapona el daño del vaso y, por tanto, evita la pérdida de sangre. Por esta razón, los coágulos de sangre también se denominan coágulos de fibrina (fig. 15.7). El coágulo de fibrina es secundario a la formación del tapón plaquetario, porque requiere que se sucedan una serie de pasos en los fosfolípidos situados en la superficie de las plaquetas activadas, y porque los productos secretorios de las plaquetas agregadas son necesarios para la formación de coágulos. La formación de un coágulo de fibrina requiere una secuencia de reacciones llamada cascada de la coagulación. Durante esta cascada, las proteínas plasmáticas llamadas factores de coagula-
ción, que siempre están presentes en el plasma en su forma inactiva, sufren una serie de activaciones proteolíticas provocadas por la hidrólisis de ciertos enlaces peptídicos. La mayoría de los factores de la coagulación se llaman mediante números romanos; el número de los factores no proporciona información sobre su función o localización en la cascada de la coagulación, puesto que estos factores de coagulación fueron enumerados en función de su descubrimiento. Una «a» pequeña tras el número romano indica que el factor está activado. La mayoría de los factores de la coagulación activados funcionan como enzimas proteolíticas para el siguiente paso de la cascada, aunque algunos sirvan de cofactores. El último paso de la formación de un coágulo es la conversión de una proteína plasmática filamentosa, el fibrinógeno, a su forma activa, la fibrina. La conversión del fibrinógeno en fibrina es una reacción proteolítica catalizada por la trombina, la forma activa de otro factor de coagulación, la protrombina. Una vez formadas, las moléculas de fibrina se adhieren las unas a las otras, formando un entramado de hebras. El entramado se estabiliza por la formación de enlaces covalentes entre las hebras, una reacción catalizada por otro factor de la coagulación, el factor XIII (también llamado factor estabilizante de la fibrina). Al igual que la fibrina y la trombina, el factor XIII está presente en el plasma en su forma no activa y debe ser activado a factor XIIIa antes de participar en la formación del coágulo. En la formación del entramado estable de fibrina es esencial la activación de la trombina (fig. 15.8). El factor Xa forma un complejo activador de protrombina con factor V, Ca2+ y PF3. (El factor plaquetario 3 es un fosfolípido localizado en la superficie de las plaquetas activadas.) Este complejo convierte la protrombina (factor II) en trombina. La trombina tiene varias funciones en la
Vía intrínseca Vía extrínseca
X inactivo Xa Retroalimentación positiva
V Ca2+ PF3 Protrombina (II)
Trombina IIa
XIII inactivo XIIIa
Fibrinógeno
Fibrina (malla laxa)
Fibrina (malla estabilizada)
FIGURA 15.8 Función de la trombina en la formación del coágulo de
FIGURA 15.7 Coágulo de fibrina.
fibrina. La trombina se activa por la acción del factor Xa en la protrombina y proporciona una retroalimentación positiva para su propia síntesis. Una vez activa, la trombina convierte el fibrinógeno en fibrina y activa el factor XIII.
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ción del coágulo de fibrina. La vía extrínseca empieza cuando el daño al tejido permite que el factor tisular (factor III) contacte con el plasma y reaccione con el factor VII inactivo para formar un complejo, que activa el factor VII. El complejo del factor VIIa y el factor tisular activa entonces el factor X, que conlleva la activación de la trombina. Aunque las vías extrínseca e intrínseca empiecen en diferentes lugares, en un punto determinado convergen en la activación del factor X para formar una vía común. Solo algunas de las sustancias químicas de la sangre que participan en la formación de los coágulos se muestran en la figura 15.9. En varios pasos se necesita el Ca2+ (factor IV) y el factor plaquetario 3 (PF3).
formación de coágulos, incluyendo la conversión de fibrinógeno en fibrina, que activa el factor XIII, y proporciona una retroalimentación positiva para su propia activación. Aunque no se muestre en la figura, la trombina contribuye a la agregación de las plaquetas y las estimula para que secreten varios productos. Hay dos vías que llevan a la activación de la trombina: una vía intrínseca, en la que intervienen los factores de la coagulación y otras sustancias químicas necesarias que ya están presentes en el plasma, y una vía extrínseca, en la que intervienen algunos factores de la coagulación que están presentes en los tejidos dañados adyacentes al vaso sanguíneo dañado. Ambas vías para la coagulación se activan de forma simultánea, porque rara vez se daña un vaso sanguíneo sin dañar otros tejidos. Sin embargo, el estímulo que inicia ambas vías es diferente. La vía intrínseca empieza cuando el factor XII circulante (también llamado factor Hageman) se activa por el contacto con sustancias localizadas a nivel subendotelial, incluyendo el colágeno y los fosfolípidos (fig. 15.9). La activación del factor XII empieza una cascada de reacciones que conllevan la activación del factor X, la activación de la trombina y, por último, la forma-
Factores que limitan la formación de coágulos Al igual que la agregación de las plaquetas, la formación de coágulos de fibrina está limitada a la vecindad inmediata del área dañada, ya que algunas proteínas presentes en el plasma y en la superficie de las células endoteliales actúan como anticoagulantes, sustancias químicas que inhiben el coágulo sanguíneo o la coagulación (v. «Descubrimientos: Sanguijuelas y sangrías). Durante la fase inicial de la coagulación, el inhibidor de la vía del factor tisular es secretado por las células endoteliales sanas e inhibe la vía extrínseca. Además, las células endoteliales sanas secretan una molécula llamada trombomodulina, que se une a la trombina, formando un complejo. Cuando es parte del complejo trombomodulina-trombina, la trombina no puede convertir el fibrinógeno en fibrina; por el contrario, activa la proteína C, otra proteína plasmática que circula siempre en el plasma. La proteína C es un anticoagulante que inhibe tanto la vía
Vía intrínseca Contacto con el colágeno XII inactivo XIIa
XI inactivo XIa Ca2+
Vía extrínseca IX inactivo Factor tisular inactivo (III)
IXa Ca2+
VIII Ca2+ PF3
Factor tisular/ complejo VIIa
Inactivo VII X inactivo
Xa V Ca2+ PF3 Protrombina (II)
Trombina IIa
XIII inactivo XIIIa
FIGURA 15.9 Vías de coagulación extrínseca e intrínseca. La formación de un coágulo de fibrina es una secuencia de reacciones en la que interviene el factor de coagulación, factores de plaquetas (como el PF3) y el calcio. Todos los componentes de la vía intrínseca están localizados en la sangre. La vía extrínseca necesita un factor que no está disponible en la sangre: el factor tisular (factor III).
Fibrinógeno
Fibrina (malla laxa)
Fibrina (malla estabilizada)
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Aparato cardiovascular: sangre
DESCUBRIMIENTOS
Sanguijuelas y sangrías Las sanguijuelas son invertebrados conocidos por su capacidad de chupar la sangre. Desde la antigüedad hasta principios del siglo XX, las sanguijuelas se utilizaban para las sangrías, un procedimiento por el que se procedía a la eliminación de sangre de un paciente para tratar una enfermedad. En 1094, algunos barberos tomaron la costumbre de realizar «sangrías» y se les comenzó a conocer como «barberos cirujanos». Los barberos cirujanos se preparaban no solo para cortar el pelo, sino también para realizar cirugías, extraer dientes y practicar sangrías. Durante esas sangrías, el paciente se agarraba a un palo para hacer que las venas fueran más visibles. Tras el procedimiento, los vendajes se amarraban al palo y se exponían fuera del establecimiento para anunciarse. La imagen de un palo rayado es normalmente conocida como el «símbolo de los barberos».
En el siglo XIX, la sangría se utilizaba para la cirugía antes del invento de la anestesia. Si se eliminaba la sangre suficiente, el paciente se desmayaba debido a su baja presión arterial media. En el siglo XX, la práctica de la sangría se consideró un acto primitivo y prácticamente dejó de realizarse. Hoy, sin embargo, de nuevo se emplean cada vez más las sanguijuelas. Las sanguijuelas se usan actualmente para aumentar el flujo sanguíneo en regiones específicas del cuerpo en tratamientos de isquemia, dolor e inflamación. El valor médico de las sanguijuelas se encuentra en su saliva, que contiene anestésicos, vasodilatadores y anticoagulantes: 1) el anestésico evita que la persona sienta la presencia de la sanguijuela; 2) el vasodilatador aumenta el flujo de sangre en el lugar donde se encuentra pegada la sanguijuela, y 3) el anticoagulante evita la formación de coágulos de sangre.
extrínseca como la intrínseca. De este modo, la trombina no solo favorece la coagulación en los lugares dañados, sino que también evita la coagulación indirectamente en los tejidos sanos. Una vez formados, los coágulos de fibrina se disuelven en un determinado momento por la plasmina, una proteína derivada de la proteína plasmática llamada plasminógeno. La plasmina disuelve los coágulos mediante la degradación enzimática de la fibrina. El plasminógeno se convierte en plasmina por los activadores del plasminógeno secretados por diferentes tipos de células. Un ejemplo de activador de plasminógeno es el activador del plasminógeno tisular (TPA), secretado por células endoteliales durante la formación del coágulo. La fibrina activa el TPA, que, a su vez, convierte el plasminógeno en plasmina.
Función de los factores de la coagulación en los trastornos de coagulación La mayor parte de los factores de la coagulación se sintetizan en el hígado, el cual los libera al plasma en forma inactiva. El suero es el plasma sin factores de la coagulación. Varios factores de la coagulación son esenciales para la formación de coágulos de fibrina. La falta de cualquier factor esencial impide la formación de coágulos y provoca una hemorragia excesiva. La hemofilia, un trastorno genético provocado por la deficiencia del gen para un factor específico de la coagulación, se debe principalmente a la falta de factor VIII en la sangre. Otro trastorno hemorrágico genético es la enfermedad de Willebrand,
Sanguijuelas medicinales extrayendo sangre e inyectando vasodilatadores y anticoagulantes.
que se caracteriza por niveles bajos de vWf, que intervienen en la formación del tapón plaquetario. Sin embargo, el vWf también sirve como un transportador del factor VIII en el plasma, por lo que la ausencia de vWf condiciona que el factor VIII sea menos estable y se descomponga más rápidamente, lo que reduce las concentraciones de factor VIII en el torrente sanguíneo. Puede producirse una hemorragia excesiva si hay una deficiencia de vitamina K en la dieta, ya que el hígado necesita vitamina K para la síntesis de muchas proteínas necesarias para la coagulación sanguínea.
Ácido acetilsalicílico como anticoagulante El ácido acetilsalicílico, uno de los analgésicos más utilizados, ha recibido mucha atención últimamente por otra de sus acciones: evita la coagulación sanguínea. El ácido acetilsalicílico es uno de los medicamentos anticoagulantes que se administran a las personas que son susceptibles de embolias o enfermedades arteriales coronarias. La formación de coágulos en la sangre en las arterias cerebrales (en el cerebro) o las arterias coronarias (en el corazón) puede tener efectos nocivos graves, incluyendo la muerte. En pequeñas dosis, el ácido acetilsalicílico actúa como anticoagulante, por la inhibición de la formación del TXA2, disminuyendo la agregación plaquetaria y la formación del tapón plaquetario. Sin embargo, en altas dosis, el ácido acetilsalicílico disminuye la formación de prostaciclina, con lo que aumenta la probabilidad de la formación de un coágulo. Estudios médicos han mostrado que dosis bajas de ácido acetilsalicílico reducen la
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incidencia de ataques al corazón y disminuyen la gravedad del daño después de un ataque al corazón.
Test rápido 15.3 1. ¿Qué son las plaquetas? ¿Cuáles son algunos de los productos que secretan? Explica la función de las plaquetas en la coagulación. 2. Nombra dos sustancias químicas que evitan la formación del tapón plaquetario en los vasos sanguíneos sanos. 3. Describe la función de la trombina en la hemostasia. 4. Define sangre completa, plasma y suero.
Diabetes y enfermedad cardiovascular En los tres capítulos sobre el aparato cardiovascular, hemos visto que el aparato incluye muchos procesos intrincados que deben desarrollarse a la perfección para que podamos relajarnos, hacer ejercicio, salir en días fríos o calurosos, o levantarnos cuando estamos sentados. En este aparato tan importante y tan complejo, algunas cosas pueden (y van) mal. Millones y millones de personas sufren algún tipo de enfermedad cardiovascular, como la enfermedad arterial coronaria, la hipertensión, la embolia y el ataque al corazón. La hipertensión es la más común de estas enfermedades con diferencia. Las enfermedades cardiovasculares son dos veces más comunes en pacientes con diabetes que en personas no diabéticas, y tienen tendencia a afectar más a pacientes que sufrieron una diabetes en una edad temprana. La diabetes, a menudo, aumenta el nivel de colesterol en sangre, predisponiendo al paciente a la aterosclerosis. La aterosclerosis puede, a su vez, provocar un ataque al corazón, embolia y muchos otros síntomas, dependiendo de los vasos sanguíneos que estén afectados. Por ejem-
Aparato cardiovascular: sangre
449
plo, una falta del flujo sanguíneo puede conllevar una enfermedad grave en los pies, hasta el punto de que haya que realizar una amputación. Una reducción del flujo sanguíneo en los riñones puede provocar una enfermedad renal terminal, una situación en la cual el paciente requiere una diálisis continua para mantenerse con vida. La diabetes puede debilitar también los vasos sanguíneos, haciéndolos frágiles. Así se observa en la retinopatía diabética, que puede provocar la ceguera de un adulto.
Integración de sistemas El aparato cardiovascular es obviamente esencial para que todos los demás órganos funcionen correctamente, ya que proporciona los nutrientes y el oxígeno que cada órgano necesita, al tiempo que elimina los productos de desecho y el dióxido de carbono generados. El aparato cardiovascular también es un compañero integral del sistema endocrino: el movimiento de la sangre transporta las hormonas a determinadas células. Además, para completar su función, el corazón es una glándula endocrina, que secreta la hormona péptido natriurético auricular. De la misma manera, los vasos sanguíneos contienen la enzima convertidora de la angiotensina (ECA), una enzima requerida para la activación de la hormona angiotensina II. El aparato cardiovascular también forma parte del sistema inmunitario; sus leucocitos son transportados a los tejidos que luchan contra las infecciones y las eliminan. El aparato cardiovascular depende de otros órganos para su función. Los pulmones suministran y eliminan oxígeno en los vasos sanguíneos. El tubo digestivo proporciona los nutrientes para que la sangre los suministre a los tejidos. El aparato urinario filtra la sangre, eliminando las sustancias químicas innecesarias. El bazo filtra la sangre y elimina los glóbulos rojos viejos, que son reemplazados por nuevos glóbulos rojos en la médula ósea. Los dos sistemas de comunicación, el nervioso y el endocrino, regulan la función cardiovascular para mantener la presión arterial media, la fuerza motora del flujo sanguíneo a los tejidos.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Sinopsis de la composición de la sangre: el hematocrito, pág. 436 El hematocrito se determina mediante centrifugación de la sangre para separar sus componentes: el plasma, los eritrocitos, los leucocitos y las plaquetas. El hematocrito es el porcentaje de volumen de sangre compuesto de eritrocitos (aproximadamente 42-45). El plasma es el componente más abundante, constituyendo aproximadamente el 55% del volumen de la sangre. Los leucocitos y las plaquetas juntos constituyen menos del 1% del volumen de sangre total.
Plasma, pág. 437 El plasma es el componente líquido de la sangre, formado por agua y solutos disueltos, como proteínas y electrólitos. Las proteínas del plasma incluyen la albúmina, las globulinas y el fibrinógeno. Los electrólitos principales del plasma son el sodio, el calcio y el cloro. El potasio y el bicarbonato también están presentes en el plasma, pero en menor medida. El plasma es importante para
el transporte de hormonas, nutrientes, productos de desecho, proteínas coagulantes y proteínas antibacterianas.
Eritrocitos, pág. 437 Los eritrocitos, o glóbulos rojos, son pequeñas células que no contienen ni núcleo ni orgánulos. Los eritrocitos intervienen en el transporte de oxígeno y dióxido de carbono entre los pulmones y los tejidos. Estos contienen hemoglobina, una proteína que se une y, por tanto, transporta oxígeno y dióxido carbono en la sangre, y la anhidrasa carbónica, una enzima que convierte el dióxido carbónico en bicarbonato e iones de hidrógeno. Los eritrocitos se producen en la médula ósea en respuesta a la eritropoyetina secretada en los riñones. La producción de los eritrocitos requiere hierro, elemento necesario de la hemoglobina. Los eritrocitos sobreviven en la sangre aproximadamente 120 días, y entonces son eliminados por el bazo y descompuestos. Cuando la hemoglobina se cataboliza, la mayoría del hierro se
recicla para la síntesis de nueva hemoglobina. Una reducción de la capacidad transportadora de oxígeno de la sangre se llama anemia y puede estar provocada por un descenso de la cantidad de hemoglobina por eritrocito o un descenso del número de eritrocitos circulantes.
Leucocitos, pág. 443 Los leucocitos, o glóbulos blancos, son mayores que los eritrocitos, pero menos numerosos. La función de los leucocitos en el sistema inmunitario es proteger el cuerpo contra sustancias externas. Hay cinco tipos de leucocitos: neutrófilos, eosinófilos, basófilos, monocitos y linfocitos. Aunque los leucocitos viajan en la sangre, se trasladan a los tejidos para realizar su función de defensa. En los tejidos, los monocitos se convierten en macrófagos. Los neutrófilos, los monocitos y los macrófagos (y, en menor medida, los eosinófilos) son fagocitos, células que engullen las sustancias externas para eliminarlas del cuerpo.
450
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Aparato cardiovascular: sangre
Plaquetas y hemostasia, pág. 444 Los mecanismos para detener la hemorragia (hemostasia) incluyen el espasmo vascular (constricción del vaso sanguíneo), la formación del tapón plaquetario y la coagulación, que se produce en respuesta a un daño en el vaso sanguíneo. En el tapón plaquetario, las plaquetas se acumulan en el lugar del daño, formando una barrera física frente a la filtración de sangre. Durante este proceso, las plaquetas también se activan, lo que prepara el terreno para la coagulación. En la formación de coágulos, el fibrinógeno (proteína soluble plasmática) se transforma en fibrina, que forma una red alrededor del
tapón plaquetario. Esta transformación es el comienzo de una cascada de reacciones (cascada de la coagulación) en la que intervienen plaquetas activadas y diferentes factores de coagulación en el plasma. La cascada de la coagulación puede iniciarse por la vía intrínseca, en la que participan solo componentes presentes en el plasma, o por la vía extrínseca, en la que participan factores presentes en los tejidos del exterior de los vasos sanguíneos. Para evitar que los coágulos se formen fuera del lugar dañado, hay sustancias que evitan su formación y que son secretadas por los tejidos sanos y por otros mecanismos.
Diabetes y enfermedad cardiovascular, pág. 449 Las enfermedades cardiovasculares afectan a millones y millones de personas, siendo más probables en aquellos que padecen diabetes. La diabetes aumenta el colesterol en la sangre, contribuyendo a la aterosclerosis, que altera el flujo sanguíneo a los diferentes órganos, incluyendo el corazón, el cerebro y cualquier otro órgano del cuerpo. También debilita los vasos sanguíneos, provocando retinopatía.
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Cuál de los siguientes no se encuentra en el plasma? a) albúmina b) sodio c) glucosa d) hemoglobina e) potasio 2. ¿Qué componente de la sangre forma la mayoría del volumen sanguíneo? a) plasma b) eritrocitos c) leucocitos d) plaquetas 3. 3. ¿Qué órgano sintetiza los nuevos eritrocitos? a) hígado b) bazo c) riñones d) médula ósea e) corazón 4. ¿Cuál de los siguientes tipos de leucocitos interviene en la fagocitosis? a) solo los neutrófilos b) solo los basófilos c) solo los linfocitos d) solo los neutrófilos y basófilos e) los basófilos y linfocitos 5. ¿Qué clase de leucocitos se convierten en macrófagos en el tejido? a) neutrófilos b) eosinófilos c) basófilos d) monocitos e) linfocitos 6. ¿Qué clase de leucocitos tienen gránulos afines por el colorante rojo? a) neutrófilos b) eosinófilos c) basófilos
d) monocitos e) linfocitos 7. ¿Qué citocina estimula la producción de los eritrocitos? a) ADH b) eritropoyetina c) factor de von Willebrand d) adrenalina e) renina 8. ¿Qué clase de células sanguíneas es la más abundante? a) eritrocitos b) neutrófilos c) basófilos d) monocitos e) linfocitos 9. El contacto de la sangre con el colágeno desencadena a) la agregación de las plaquetas. b) la activación intrínseca de la cascada de la coagulación. c) la activación extrínseca de la cascada de la coagulación. d) a y b son correctas e) todas las respuestas son correctas 10. ¿Cuál es la función de la plasmina? a) Estimula la vasoconstricción de los vasos sanguíneos dañados. b) Inhibe la acumulación de plaquetas en los vasos sanguíneos sanos. c) Disuelve los coágulos. d) Activa la trombina. e) Activa la vía de coagulación extrínseca.
Preguntas objetivas 1. El plasma sin factor de coagulación se llama ————. 2. El hierro puede almacenarse en el hígado unido a ————.
3. Durante la cascada de la coagulación, ———— convierte el fibrinógeno en fibrina. 4. Los linfocitos (B/T) se convierten en células secretoras de anticuerpos. 5. El catabolismo de la hemoglobina por el bazo produce (bilirrubina/bilis). 6. ———— es una enzima que convierte el dióxido de carbono en ácido carbónico. 7. En bajas dosis, el ácido acetilsalicílico evita la producción de ————, mediante la disminución de la agregación de plaquetas.
Preguntas abiertas 1. Describe los componentes de los eritrocitos y explica cómo son necesarios para que los eritrocitos desempeñen sus funciones. 2. Describe el ciclo de vida de un eritrocito. Incluye una descripción de las funciones de los diferentes órganos necesarios para su síntesis y descomposición. 3. Describe los mecanismos del organismo para evitar la pérdida de sangre tras un daño en un vaso sanguíneo.
Pensamiento crítico 1. El porcentaje de sangre que está compuesta por eritrocitos afecta a la viscosidad de la sangre (v. capítulo 14). Explica cómo un aumento del hematocrito a grandes altitudes puede afectar el flujo sanguíneo y la presión arterial. 2. El ácido acetilsalicílico se receta a menudo en bajas dosis a las personas que tienen riesgo de un ataque al corazón o de embolia. Explica el motivo de esta prescripción.
Las respuestas a las preguntas de «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Aparato respiratorio: ventilación pulmonar Existen muchos remedios caseros para el singultus, como aguantar la respiración, respirar en una bolsa de papel, beber agua con la cabeza del revés o darle
16
un susto a la persona afectada. Sí, singultus es el término médico para el hipo. El hipo son contracciones espásticas del diafragma, el músculo de la inspiración. Durante el hipo, el aire entra rápidamente en el pulmón y, después, para rápidamente cuando la glotis (una bandeleta que cierra las vías respiratorias durante la deglución para evitar que la comida entre en los pulmones) se cierra, produciendo el característico sonido del hipo. Muchas personas consideran que el hipo es un incordio. Pero mucha gente padece hipo intratable: ataques de hipo que duran más de 48 h y pueden indicar una enfermedad subyacente. En mujeres embarazadas, el hipo puede ser más frecuente debido a la presión que ejerce el feto sobre el diafragma. Algunos remedios caseros se basan en la fisiología del aparato respiratorio. Por ejemplo, aguantar la respiración o respirar en una bolsa aumenta la cantidad de dióxido de carbono en sangre, lo que puede inhibir la vía neural del hipo (similar a las vías que controlan la respiración). Asustar a la persona altera su ritmo respiratorio, lo que también puede afectar a la vía neural del hipo. Cuando se bebe agua con la cabeza del revés podría provocarse un atragantamiento, lo que alteraría la respiración y, quizá, el hipo.
CONTENIDOS Sinopsis de la función respiratoria 452 Anatomía del aparato respiratorio 452 Fuerzas de la ventilación pulmonar
457
Factores que afectan a la ventilación pulmonar 466 Importancia clínica de los volúmenes respiratorios y de los flujos de aire 469
Microfotografía electrónica de los alvéolos.
452
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
OBJETIVOS
Comparar la respiración interna con la respiración externa y describir los procesos que ocurren en cada una de ellas.
Describir las principales estructuras del aparato respiratorio y enumerar las funciones de cada una de ellas.
Describir la anatomía de la membrana respiratoria y explicar cómo facilita la difusión de gases.
Describir la anatomía de los alvéolos. Explicar las funciones de las células de tipo I, las células de tipo II y los macrófagos alveolares en la función respiratoria.
Explicar la función del surfactante pulmonar.
Describir el mecanismo de la respiración. Nombrar los músculos de la respiración. Enumerar las diferentes presiones pulmonares y explicar sus funciones en la ventilación.
Describir las funciones de la distensibilidad pulmonar y la resistencia de las vías respiratorias durante la ventilación.
Enumerar los diferentes volúmenes y capacidades pulmonares. Explicar las aplicaciones clínicas de los volúmenes pulmonares, la capacidad vital forzada y el volumen espiratorio forzado.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Difusión, pág. 102 2. Circulación pulmonar, pág. 363 3. Anatomía capilar, pág. 411 4. Flujo, gradiente de presión y resistencia, pág. 396 5. Distensibilidad, pág. 402
E
n el capítulo 3 vimos que nuestras células producen la mayoría de la adenosina trifosfato (ATP) que necesitan mediante la fosforilación oxidativa, que requiere oxígeno. Durante el metabolismo energético también se produce dióxido de carbono. En los capítulos 13, 14 y 15 vimos cómo el flujo sanguíneo que llega hasta los tejidos suministra a nuestras células los nutrientes que necesitan, incluyendo el oxígeno, y elimina los productos de desecho, como el dióxido de carbono. Ahora analizaremos el aparato respiratorio, cuya función es el suministro de oxígeno a la sangre y la expulsión de dióxido de carbono de ella. Todos sabemos que la profundidad de la respiración cambia según las circunstancias. Por ejemplo, cuando practicas deporte, respiras más profundamente que cuando estás descansando, y cuando algo te asusta, probablemente aguantes la respiración un momento antes de soltar «un suspiro de alivio». En cualquier caso, hay una respiración profunda que lleva más aire a los pulmones, donde el oxígeno inhalado se mueve a la sangre y el dióxido de carbono sale de la sangre y abandona el cuerpo en la espiración. En este capítulo analizaremos la ventilación pulmonar, es decir, el movimiento de entrada y salida de aire de los pulmones. Después de un breve repaso de la función respiratoria, estudiaremos la anatomía funcional del aparato respiratorio. Luego analizaremos cómo los músculos respiratorios producen diver-
sas presiones pulmonares y las funciones de esas presiones en la ventilación pulmonar. Después veremos los factores que afectan a la velocidad del flujo de aire durante la ventilación pulmonar. Por último, concluiremos considerando las bases de la importancia clínica de diferentes volúmenes y capacidades pulmonares.
Sinopsis de la función respiratoria El aparato respiratorio se llama así porque su función es la respiración, el proceso del intercambio gaseoso. Este intercambio de gases sucede en dos niveles, denominados respiración interna y respiración externa (fig. 16.1). Mientras que la respiración interna (o respiración celular) se refiere al uso de oxígeno dentro de la mitocondria para generar ATP mediante la fosforilación oxidativa y la producción de dióxido de carbono como producto de desecho, la respiración externa se refiere al intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre la atmósfera y los tejidos del organismo, que implica tanto al aparato respiratorio como al circulatorio. La respiración externa engloba cuatro procesos: ➀ Ventilación pulmonar, el movimiento de entrada (inspiración) y salida (espiración) de aire de los pulmones. ➁ Intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre los espacios aéreos pulmonares y la sangre mediante la difusión. ➂ Transporte de oxígeno y dióxido de carbono entre los pulmones y los tejidos del organismo gracias a la sangre. ➃ Intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre la sangre y los tejidos mediante la difusión. Este capítulo se centra en el primer proceso, la ventilación pulmonar. El siguiente capítulo se extenderá a los otros tres aspectos de la respiración externa. Además de su función principal, la respiración, el aparato respiratorio realiza otras funciones, como 1) contribuir a la regulación del equilibrio ácido-base en la sangre; 2) permitir la vocalización; 3) participar en la defensa contra patógenos y partículas exógenas en las vías respiratorias; 4) facilitar un camino para la pérdida de agua y calor (a través de la espiración de aire que se ha humedecido y calentado durante la inspiración); 5) mejorar el retorno venoso (mediante el bombeo respiratorio), y 6) activar ciertas proteínas plasmáticas a medida que pasan por la circulación pulmonar.
Anatomía del aparato respiratorio Los principales órganos del aparato respiratorio son los pulmones, situados en la cavidad torácica. Cada pulmón se divide en lóbulos, el pulmón derecho tiene tres lóbulos y el pulmón izquierdo tiene dos. El aire entra y sale de los pulmones por medio de las vías respiratorias superiores y una red de tubos que forman un sistema llamado tubo respiratorio (fig. 16.2). Las siguientes secciones describen cómo estos diferentes componentes del aparato respiratorio están especializados para llevar a cabo sus funciones específicas.
Vías respiratorias superiores El término vías respiratorias superiores se refiere a los conductos de aire de la cabeza y el cuello. El aire entra a la cavidad
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interna. En la respiración externa: ➀ el aire se mueve entre las atmósfera y los pulmones; ➁ el oxígeno y el dióxido de carbono se intercambian entre el tejido pulmonar y la sangre; ➂ la sangre transporta el oxígeno y el dióxido de carbono, y ➃ se intercambia el oxígeno y el dióxido de carbono entre los tejidos sistémicos y la sangre. La respiración interna es el uso del oxígeno y la producción de dióxido de carbono de las células, principalmente dentro de la mitocondria.
1
Pulmones CO2 CO2 O2
O2
P ¿Qué vía metabólica de la mitocondria utiliza oxígeno?
2
O2
Capilares pulmonares Venas pulmonares
CO2
453
FIGURA 16.1 Relación entre la respiración externa y la respiración
CO2
O2
Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
Arterias pulmonares Respiración externa
3
nasal o la cavidad oral, y ambas llevan a la faringe, un tubo muscular que sirve de conducto común para el aire y la comida. Tras la faringe se bifurcan los conductos para el aire y la comida; la comida entra en el esófago, un tubo muscular que va al estómago, mientras que el aire entra en la primera estructura del tubo respiratorio, la laringe. La oclusión de las vías respiratorias superiores puede darse de forma aguda cuando alguien se atraganta o por motivos crónicos derivados de alguna enfermedad, como la apnea del sueño (v. «Conexiones clínicas: Apnea del sueño»).
Tubo respiratorio El tubo respiratorio está formado por todos los conductos de aire que van de la faringe a los pulmones (incluidos los que se encuentran dentro de los propios pulmones). El tubo respiratorio puede dividirse según las funciones en dos componentes: una zona conductora y una zona respiratoria (fig. 16.3). La zona conductora es la parte superior del tubo respiratorio, y su función es la conducción del aire desde la laringe a los pulmones, mientras que la zona respiratoria, la parte más inferior del tubo respiratorio, se corresponde con el lugar del intercambio gaseoso dentro de los pulmones. La principal diferencia anatómica entre estas zonas, que determina dónde tiene lugar el intercambio de gases, es el grosor de las paredes que rodean los espacios de aire, ya que solo los espacios con paredes suficientemente finas pueden participar en este intercambio.
O2
CO2 Corazón Arterias sistémicas Venas sistémicas Capilares sistémicos
Zona conductora CO2
O2 O2 CO2 O2 CO2
4
Células de los tejidos de todo el organismo
Capilar CO2 O 2
O2
CO2 Respiración interna
Mitocondria Célula
ATP ATP
Sangre oxigenada Sangre desoxigenada
La zona conductora comienza en la laringe, un tubo que se mantiene abierto por un cartílago (un tejido conjuntivo denso) de sus paredes. Para evitar que entre comida al tubo respiratorio, la abertura de la laringe, llamada glotis, está cubierta por una bandeleta de tejido llamado epiglotis, que, durante la deglución, ejerce fuerza sobre la glotis y evita que entre agua o comida en la laringe. En la laringe se encuentran las cuerdas vocales (o pliegues vocales), que generan sonidos al vibrar cuando pasa el aire por ellas. Después de la laringe, la parte del tubo respiratorio es la tráquea, un tubo de unos 2,5 cm de diámetro y 10 cm de largo en paralelo al esófago por su lado anterior. A diferencia del esófago, que se colapsa salvo durante la deglución, la tráquea permanece abierta, ya que tanto su parte frontal como las partes laterales de la pared contienen 15-20 bandas de cartílago en forma de C que facilitan rigidez estructural. Esta rigidez es importante, porque sin ella, el descenso de la presión del aire que tiene lugar en la tráquea durante la inspiración la colapsaría e interrumpiría el flujo de aire. La ausencia de cartílago en la pared posterior de la
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
Cavidad nasal Faringe
Vías respiratorias superiores
Cavidad oral Epiglotis
Laringe
Glotis
Esófago
Tráquea Anillos de cartílago Pulmón derecho
Pulmón izquierdo
Bronquios primarios
Tubo respiratorio
Bronquios secundarios Bronquios terciarios
Bronquíolos terminales
Diafragma
Bronquíolo terminal Saco alveolar Bronquíolos respiratorios Alvéolos
FIGURA 16.2 Anatomía de las vías respiratorias superiores y el tubo respiratorio.
tráquea permite que el esófago se expanda con el paso de la comida. Después de entrar en la cavidad torácica, la tráquea se bifurca y se convierte en los bronquios derecho e izquierdo, que conducen el aire a los pulmones. Al igual que la tráquea, los bronquios contienen cartílago; sin embargo, el cartílago forma anillos alrededor la circunferencia completa del bronquio. Dentro de cada pulmón, los bronquios se dividen en tubos más pequeños llamados bronquios secundarios; tres
bronquios secundarios conducen aire a los lóbulos del pulmón derecho, y dos bronquios secundarios al pulmón izquierdo. El cartílago de los bronquios secundarios es menos abundante que el de los bronquios primarios, y aparece como láminas. Cada bronquio secundario se divide en bronquios terciarios más pequeños, que, a su vez, se dividen sucesivamente en bronquios más pequeños, de forma que se ramifican en 20-23 órdenes. Por último, la extensa ramificación resulta en ocho millones
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
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Diámetro interno (mm)
Células ciliadas
Células caliciformes
Cartílago
Músculo liso
Laringe
35–45
+++
+++
+++
0
Tráquea
20–25
+++
+++
+++ (forma de C)
+
Bronquios primarios
12–16
+++
++
+++ (anillos)
++
Bronquios secundarios
10–12
+++
++
+++ (láminas)
++
Bronquios terciarios
8–10
+++
++
++ (láminas)
++
Bronquios más pequeños
1–8
+++
+
+ (láminas)
++
Bronquíolos
0,5–1
++
+
0
+++
Bronquíolos terminales
<0,5
++
0
0
+++
Bronquíolos respiratorios
<0,5
+
0
0
+
Sacos alveolares
0,3
0
0
0
0
Estructura
Zona conductora
Zona respiratoria
FIGURA 16.3 Características anatómicas de las zonas conductora y respiratoria del tubo respiratorio. 0, ausencia; +, escasez; ++, presencia; +++, abundancia.
de túbulos, de los cuales los más pequeños tienen un diámetro inferior a 0,5 mm. Cuando los túbulos tienen un diámetro inferior a 1 mm, se llaman bronquíolos («pequeños bronquios»). A diferencia de los bronquios más grandes, los bronquíolos no tienen cartílago y podrían colapsarse. Para poder evitar el colapso, las paredes de los bronquíolos contienen fibras elásticas. Los bronquíolos se dividen, además, en bronquíolos terminales, los elementos finales y más pequeños de la zona conductora. La principal función de la zona conductora es facilitar un camino por el que pueda entrar y salir el aire de la zona respiratoria, donde tiene lugar el intercambio gaseoso. La zona con-
ductora contiene aproximadamente 150 ml de aire y se considera un «espacio muerto», porque el aire no participa en el intercambio gaseoso con la sangre. La importancia funcional del espacio muerto se describe más tarde. Cuando el aire viaja por la zona conductora, su temperatura se ajusta a la temperatura del cuerpo y se humidifica para mantener el tubo respiratorio húmedo. La zona conductora está revestida por un epitelio que cambia de composición a medida que disminuye el diámetro de los túbulos. El epitelio que reviste la laringe y la tráquea (y, en menor grado, los bronquios) contiene numerosas células caliciformes, así como abundancia de células ciliadas (fig. 16.4).
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
CONEXIONES CLÍNICAS
Apnea del sueño La apnea es el cese de respiración y la apnea del sueño es un cese periódico de la respiración que ocurre mientras se duerme. Durante la apnea del sueño, la respiración puede parar entre 10-20 s con una frecuencia de 30 veces por hora. Aunque la persona no suele ser consciente de que esto ocurre, durante el sueño se manifiestan varios síntomas, como los ronquidos, los resoplidos o los jadeos, así como despertarse frecuentemente. Cuando una persona que sufre apnea del sueño está despierta, suele sentirse fatigada, somnolienta e irritable; padece dolores de cabeza por la mañana, tiene la boca seca y tiene dificultad para concentrarse. Existen dos tipos de apnea del sueño: la obstructiva y la central. La apnea del sueño obstructiva suele ser común y está causada por una relajación excesiva de los músculos en las vías respiratorias superiores, haciendo que se colapsen. Otras posibles causas son la obstrucción del conducto nasal o el bloqueo de los conductos de aire por la lengua, las amígdalas o las vegetaciones. Las personas con sobrepeso son más susceptibles de sufrir apnea del sueño obstructiva, y suele ser familiar. Es más frecuente que los hombres sufran
apnea del sueño en comparación con las mujeres. La apnea del sueño central, una enfermedad mucho más rara, está provocada por problemas neurológicos en los centros respiratorios del encéfalo. Como la persona no intenta respirar, en este tipo de apnea no se producen ronquidos. El diagnóstico de la apnea del sueño suele requerir una polisomnografía: el registro de encefalogramas (EEG), tensión muscular, movimiento ocular, respiración, niveles de oxígeno en la sangre y ruidos durante el sueño. Los tratamientos para la apnea del sueño van desde modificaciones del comportamiento hasta intervenciones quirúrgicas en los casos más graves. Las modificaciones del comportamiento pueden ser dormir de lado en lugar de sobre la espalda, perder peso y evitar medicamentos que mejoren el sueño (como el alcohol o depresores). Para casos moderados de apnea del sueño, los pacientes pueden emplear máquinas de presión positiva continua en las vías respiratorias (CPAP). Estas máquinas consisten en una mascarilla que se coloca sobre la nariz y una bomba que suministra aire a una presión que mantiene abiertas las vías respiratorias durante todo el
Las células caliciformes secretan un líquido viscoso llamado moco, que recubre las vías respiratorias y atrapa partículas exógenas inhaladas con el aire; los cilios (proyecciones en forma de pelo) de las células ciliadas se mueven como a latigazos para propulsar el moco, que contiene las partículas atrapadas, hacia la glotis y después a la faringe, donde es deglutido. Este proceso evita que se acumule el moco en las vías respiratorias y limpia las sustancias exógenas. La acumulación de moco en las vías respiratorias aumenta la probabilidad de infecciones como la bronquitis o la neumonía, porque facilita la retención y crecimiento de bacterias. Como el humo del tabaco paraliza con facilidad los cilios, fumar inutiliza este aparato, de forma que el moco y los restos se acumulan en las vías respiratorias y solo pueden limpiarse tosiendo; este es uno de los motivos de la conocida «tos del fumador». A niveles inferiores a los bronquíolos, los fagocitos llamados macrófagos engullen sustancias exógenas del espacio intersticial y de la superficie del epitelio.
ciclo respiratorio. La intervención quirúrgica implica la extracción de la obstrucción, que puede ser amigdalectomía, uvulopalatoplastia (extracción de la úvula y parte del paladar blando) y, en los casos graves, traqueostomía (inserción de un tubo en la tráquea).
Paciente con apnea del sueño y máquina de presión positiva continua en las vías respiratorias.
Comprueba tus conocimientos La producción de moco en la zona conductora es fundamental para atrapar partículas extrañas y evitar que entren en los pulmones. La producción mucosa aumenta cuando se tiene un resfriado u otro tipo de infección del tubo respiratorio. ¿Qué beneficio supone el aumento de producción de moco durante estas infecciones? Sabemos que es más difícil respirar cuando estamos resfriados. ¿Sabes explicar por qué? (Pista: la regla de flujo sanguíneo se aplica al flujo del aire.) Además de los cambios del epitelio, hay otros cambios de tejido cuando las vías respiratorias se vuelven más pequeñas. Como ya hemos comentado, el cartílago es abundante en las paredes de la tráquea y los bronquios, pero se hace más escaso a medida que disminuye el diámetro de los bronquios, hasta que está completamente ausente en los bronquíolos. El músculo liso es escaso en la tráquea y los bronquios, pero aumenta su
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Luz de la tráquea Células ciliadas
Tejido conjuntivo
Glándulas Cartílago
FIGURA 16.4 Epitelios respiratorios. Microfotografía del epitelio de la tráquea, situado en la zona conductora.
presencia en las vías respiratorias más pequeñas. La falta de cartílago en los bronquíolos permite que estas vías cambien su diámetro, y este cambio altera la resistencia al flujo de aire, al igual que la acción del músculo liso circular en las arteriolas les permite alterar la resistencia al flujo sanguíneo.
Zona respiratoria En el capítulo 4 vimos que el ritmo al que difunden las sustancias a través de una membrana aumenta a medida que el área de la superficie de la membrana incrementa y el grosor de la membrana disminuye. La disposición de las estructuras de la zona respiratoria, el lugar del intercambio gaseoso, maximiza el área de la superficie y minimiza el grosor, de forma que se facilita la difusión de oxígeno y dióxido de carbono entre el aire y la sangre. La zona respiratoria comienza después de la ramificación de los bronquíolos terminales de la zona conductora (fig. 16.5). Las primeras estructuras de la zona respiratoria, los bronquíolos respiratorios, terminan en los conductos alveolares, que llevan a los alvéolos, las principales estructuras donde sucede el intercambio gaseoso (v. fig. 16.5a). La mayoría de los alvéolos aparecen en racimos llamados sacos alveolares, que parecen racimos de uvas; algunos alvéolos surgen de los bronquíolos respiratorios. Los alvéolos adyacentes no son estructuras completamente independientes, ya que están conectados por los poros alveolares (v. fig. 16.5b), de forma que el flujo de aire entre los alvéolos permite el equilibrio de presión dentro de los pulmones. La estructura alveolar facilita la difusión de gases entre la sangre y el aire. La pared de un alvéolo se compone principalmente de una sola capa de células epiteliales llamadas células alveolares tipo I, que recubren una membrana basal (v. fig. 16.5c). Recordemos del capítulo 14 que una pared capilar está constituida por una sola capa de células endoteliales y una membrana basal subyacente. En muchos sitios de los pulmones, las células epiteliales alveolares y las células endoteliales de los capilares cercanos están tan cerca entre ellas que sus membranas basales están fusionadas (v. fig. 16.5d). Juntas, las paredes capilares y alveolares forman una barrera, llamada membrana respiratoria, que separa el aire de la sangre. La delgadez de la membrana respiratoria (0,2 Mm aproximadamente) es fundamental para un intercambio de gases eficaz.
Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
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Además de la delgadez de la membrana respiratoria, la abundancia de alvéolos y capilares facilita la difusión de gases. Los 300 millones de alvéolos de los pulmones tienen una superficie total de unos 100 m2, que es aproximadamente el tamaño de una pista de tenis. El suministro capilar a los alvéolos es tan rico que muchos fisiólogos no piensan en la vasculatura pulmonar en términos de arteriolas y capilares, sino como una «sábana de sangre» que rodea al alvéolo (fig. 16.6). En los alvéolos también se encuentran las células alveolares tipo II, que describiremos más tarde, y los macrófagos alveolares, que en los pulmones engullen partículas exógenas y patógenos inhalados. Estos macrófagos son células que circulan libremente alrededor de los alvéolos mediante movimientos ameboides. Los macrófagos muertos se desplazan de los alvéolos a la zona conductora, donde el ascensor para el moco los atrapa para llevarlos a la faringe y tragarlos.
Estructuras de la cavidad torácica Los pulmones se ubican en el interior de la cavidad torácica. La pared torácica se compone de estructuras que protegen los pulmones (fig. 16.7): la caja torácica, compuesta por doce pares de costillas, el esternón (el hueso del pecho), las vértebras torácicas, músculos asociados y tejido conjuntivo (sobre todo cartílago hialino). Los músculos de la pared torácica, que son responsables de la respiración, son los intercostales internos y los intercostales externos, situados entre las costillas, y el diafragma, en forma de cúpula, que cierra la terminación inferior de la pared torácica y separa la cavidad torácica de la abdominal. Los músculos y el tejido conjuntivo del cuello cierran el extremo superior de la pared torácica. Como la pared torácica forma una barrera continua alrededor de los pulmones, el compartimento que encierra los pulmones es hermético. La superficie interna de la pared torácica y la superficie externa de los pulmones están revestidas por una membrana llamada pleura, que está compuesta de una capa de células epiteliales y tejido conjuntivo; cada pulmón está rodeado de un saco pleural separado (v. fig. 16.7). La vertiente del saco pleural adherida al tejido pulmonar se llama pleura visceral, mientras que la adherida a la pared torácica se llama pleura parietal. Entre las dos pleuras hay un compartimento muy fino llamado espacio intrapleural, que está lleno de un pequeño volumen (aproximadamente 15 ml) de líquido intrapleural.
Test rápido 16.1 1. ¿Cuáles son las diferencias anatómicas funcionales entre la zona conductora y la zona respiratoria del tubo respiratorio? 2. ¿Qué estructuras componen la membrana respiratoria? 3. Nombra las estructuras de la pared torácica.
Fuerzas de la ventilación pulmonar El flujo de entrada y salida de aire de los pulmones (respiración o ventilación) se parece al flujo sanguíneo a través de la vasculatura en que ambos son ejemplos de flujos conducidos por gradientes de presión. La ventilación ocurre gracias a los gradientes de presión ente los alvéolos y el aire exterior (atmósfera). El aire se desplaza a favor de un gradiente de presión, desde un área de presión alta a otra de presión baja. La inspiración ocurre cuando la presión de los alvéolos es menor que la presión de la
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
Bronquíolo terminal
Bronquíolo respiratorio
Conducto alveolar Red capilar
Alvéolo Poros alveolares
Saco alveolar (a)
(b) Capilar Célula tipo I
Célula tipo II Poros alveolares
Eritrocitos
Capilar
Endotelio capilar Epitelio alveolar
Membrana basal fusionada Capilar
Espacio de aire alveolar Membrana respiratoria (0,2 mm)
Macrófago capilar (c)
(d)
Bronquíolo
FIGURA 16.5 Anatomía de la zona respiratoria. (a) Estructuras de la zona respiratoria, que comienza donde se ramifican los bronquíolos terminales en los bronquíolos respiratorios. Los alvéolos se muestran tanto en racimos llamados sacos alveolares al final de los conductos alveolares, como asociados a conductos alveolares y bronquíolos respiratorios. (b) La densa red capilar que rodea los alvéolos. (c) Pared de un alvéolo en un corte transversal. La pared alveolar contiene células de tipo I, que conforman la estructura de la pared, y células de tipo II, que secretan surfactante. En los alvéolos también se encuentran macrófagos. (d) Detalle de la membrana respiratoria que muestra la estrecha asociación entre la pared capilar y alveolar. (e) Microfotografía electrónica de un pulmón humano que muestra un bronquíolo y alvéolos.
P ¿De qué tipo de glóbulo blanco derivan los macrófagos?
Alvéolos
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
Tráquea Bronquio primario Arteria pulmonar
FIGURA 16.6 Irrigación de los pulmones. Molde de resina de las arterias pulmonares y los bronquios. Los vasos sanguíneos se muestran en rojo y las vías respiratorias, en blanco.
Pulmón
Músculo intercostal
Costilla
Pulmón Músculos intercostales
Saco pleural
Pleura visceral
Pleura parietal Espacio intrapleural
Diafragma Saco pleural
Pared torácica (caja torácica, esternón, tejido conjuntivo, músculos intercostales)
FIGURA 16.7 Pared torácica y saco pleural. La pared torácica incluye las costillas, el esternón, las vértebras torácicas, el tejido conjuntivo y los músculos intercostales. La parte lateral del saco pleural adherida al pulmón se llama pleura visceral, y la zona adherida a la pared torácica se llama pleura parietal. El espacio intrapleural, relleno de líquido, es mucho más fino de lo que se muestra aquí, con un volumen total de unos 15 ml.
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atmósfera, creando un gradiente de presión para que el aire entre en los alvéolos; la espiración ocurre cuando la presión de los alvéolos excede la presión de la atmósfera, creando un gradiente de presión para que el aire salga de los alvéolos. Primero analizaremos los gradientes de presión y luego veremos cómo se crean.
Presiones pulmonares Existen cuatro presiones principales relacionadas con la ventilación: presión atmosférica, presión intraalveolar, presión intrapleural y presión transpulmonar. La figura 16.8a ejemplifica estas presiones en un pulmón en reposo (entre respiraciones, al final de una espiración calmada). El volumen de aire en los pulmones entre respiraciones se llama capacidad residual funcional (CRF). Cuando los pulmones están en CRF, todas las fuerzas que actúan sobre el pulmón y la pared torácica están equilibradas, y el aparato está en reposo. La presión atmosférica (Patm) es la presión del aire exterior. A nivel del mar, la presión atmosférica suele ser de 760 mmHg, aunque varía ligeramente con el clima. En altitudes por encima del nivel del mar, la presión atmosférica disminuye. Para simplificar, consideramos solo el nivel del mar y asumimos que la presión atmosférica es constante. El resto de presiones pulmonares se expresan en relación con la presión atmosférica.
La presión intraalveolar (Palv) es la presión del aire dentro de los alvéolos. En reposo es igual a la presión atmosférica, de forma que es 0 mmHg. Sin embargo, la presión alveolar varía durante las fases de la ventilación; de hecho, la diferencia entre la presión alveolar y la presión atmosférica es el gradiente de presión que permite la ventilación. Cuando la presión atmosférica excede la presión intraalveolar (cuando la presión intraalveolar es negativa), sucede la inspiración, cuando la presión intraalveolar excede la presión atmosférica (cuando la presión intraalveolar es positiva) ocurre la espiración. La presión intrapleural (Pip) es la presión dentro del espacio pleural. Recordemos que el espacio intrapleural contiene líquido intrapleural, y no aire. En reposo, la presión intrapleural es –4 mmHg. Sin embargo, la presión intrapleural, al igual que la presión intraalveolar, varía con la fase de la ventilación. La presión intrapleural es siempre menor que la presión intraalveolar, y es siempre negativa durante la respiración normal, porque las fuerzas opuestas ejercidas por la pared torácica y los pulmones tienden a separar la pleura parietal y la visceral, como se describe a continuación. La presión transpulmonar es la diferencia entre la presión intrapleural y la presión intraalveolar (Palv – Pip). La presión transpulmonar es una medida de la fuerza de distensión a través de los pulmones, de forma que un aumento de la presión transpulmonar crea una mayor presión de distensión en los pulmones, y estos se expanden (por los alvéolos).
Presión atmosférica (Patm) 760 mmHg (se usa 0 mmHg como referencia) Pared torácica Saco pleural Presión intrapleural (Pip) 756 mmHg (–4 mmHg en relación con la atmósfera) Presión intraalveolar (Palv) 760 mmHg (0 mmHg en relación con la atmósfera) Pulmón
Presión transpulmonar = Palv – Pip = 4 mmHg
Saco pleural Pared torácica
Retracción elástica del pulmón Volumen de aire en los pulmones en la capacidad residual funcional
Retracción elástica de la pared torácica Fuerza debida a la presión intrapleural negativa
Diafragma Palv = 0 mmHg (a)
FIGURA 16.8 Presiones pleurales en reposo. (a) Presiones pulmonares en un pulmón en reposo. La presión intraalveolar es la presión interior del alvéolo, la presión intrapleural es la presión del saco pleural. La presión transpulmonar es la diferencia entre la presión intraalveolar y la presión intrapleural. Todas las presiones se expresan como presiones absolutas y como presiones relativas a la presión atmosférica. (b) Presiones y fuerzas elásticas cuando los pulmones están en capacidad residual funcional (entre respiraciones). En la capacidad residual funcional, la presión
Pip = –4 mmHg
(b)
intraalveolar (Palv) = presión atmosférica = 0 mmHg. El pulmón está distendido y una fuerza de retracción elástica tiende a colapsarlo hacia dentro; la pared torácica está comprimida y una fuerza de retracción elástica tiende a expandirla hacia fuera. La fuerza neta de estas dos fuerzas opuestas ejercidas en ambos lados del saco pleural crea una presión intrapleural negativa (Pip). El sistema entero es estable en cuanto a que las fuerzas de retracción elástica de los pulmones y la pared torácica están en equilibrio, y no hay cambio neto de tamaño del pulmón o la pared torácica.
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Los pulmones y la pared torácica son elásticos, es decir, que si se estiran o comprimen respecto a su disposición natural, tienden a retraerse o retroceder a su posición natural. En reposo, la pared torácica se comprime y tiende a retraerse hacia fuera (como un muelle comprimido), mientras que los pulmones se estiran y tienden a retraerse hacia dentro, como un globo inflado (fig. 16.8b). Estas fuerzas tienden a separar los pulmones de la pared torácica, pero no lo hacen, porque la tensión de superficie del líquido intrapleural evita que la pleura parietal y la pleura visceral se separen. (Este fenómeno es similar a lo que ocurre cuando se pegan dos placas de microscopio mojadas: la tensión superficial del agua mantiene las dos placas bien juntas y para separarlas hay que aplicar mucha fuerza.) Por tanto, la pared torácica tira hacia fuera del espacio intrapleural, mientras que los pulmones tiran hacia dentro (lo que tiende a separar la pleura parietal y visceral), pero, en cambio, esto crea una presión intrapleural negativa que se opone a la separación y, por tanto, contrarresta las fuerzas de retracción contrarias de la pared torácica y los pulmones, respectivamente. Cuando los pulmones están en reposo (entre respiraciones), todos los músculos respiratorios están relajados, y el volumen de aire en los pulmones en estas condiciones se llama capacidad funcional residual. Cuando el aparato respiratorio está en reposo, no entra ni sale aire de los pulmones, porque no hay gradiente de presión para ello. Para conseguir que entre o salga aire de los pulmones, se necesita que una fuerza muscular cree un gradiente de presión. La generación de esa fuerza muscular se analiza en la siguiente sección, que trata sobre el mecanismo de la respiración, es decir, cómo entra y sale aire de los pulmones. Para mantener la presión intrapleural negativa, el saco pleural debe ser hermético. Si se rompe el saco pleural, como por una herida perforante en el pecho, se pierde la presión intrapleural negativa, porque se equilibra con la presión atmosférica. Sin la presión negativa intrapleural, los pulmones se retraerían y colapsarían, mientras que la pared torácica se retraería y se expandiría (fig. 16.9). Así se produce un cuadro llamado neumotórax (aire en el espacio intrapleural), que es bastante peligroso. Por suerte, cada pulmón está aislado en su propio saco pleural, de forma que si un pulmón se colapsa, el otro puede seguir funcionando. Un traumatismo no es la única causa de neumotórax. El neumotórax espontáneo sucede cuando una enfermedad daña la pared de la pleura adyacente a un bronquio o alvéolo, de forma que el aire dentro de los pulmones entra en el espacio intrapleural. Entre las enfermedades más frecuentes que provocan neumotórax se incluyen la neumonía y el enfisema.
Mecanismo de la respiración El flujo de entrada y salida de aire de los pulmones está dirigido por los gradientes de presión creados por los músculos respiratorios cambiando el volumen de los pulmones. La relación entre presión y volumen sigue la ley de Boyle, que argumenta que para una cantidad dada de cualquier gas (como el aire) en un recipiente hermético, la presión es inversamente proporcional al volumen del recipiente. En otras palabras, si el volumen del recipiente aumenta, la presión ejercida por el gas disminuye, y si el volumen se reduce, la presión sube (v. «Caja de herramientas: Ley de Boyle y ley de los gases ideales»). Aunque los pulmones no son un recipiente hermético y, por tanto, la ley de Boyle no se cumple de forma estricta, en los pulmones se pro-
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Neumotórax Pared torácica Aire
Saco pleural Pulmón
Palv = 0 mmHg
Pip = –4 mmHg (a)
Palv = 0 mmHg
Pip = 0 mmHg
(b)
FIGURA 16.9 Neumotórax. (a) La presión intrapleural normal en reposo es –4 mmHg. El aire que entra en el espacio intrapleural a través de un orificio en la pared torácica crea un neumotórax. (b) A consecuencia del neumotórax, la presión intrapleural se equilibra con la presión atmosférica. Sin la fuerza negativa de la presión intrapleural que empuja el pulmón hacia fuera, el pulmón se colapsaría, debido a las fuerzas de retracción elástica.
ducen cambios de presión en respuesta a los cambios de volumen. En el capítulo 14 vimos que el flujo sanguíneo viene determinado por un gradiente de presión y una resistencia, como expresa la siguiente norma: el flujo equivale al gradiente de presión dividido por la resistencia. El flujo de entrada y salida de aire de los pulmones también se rige de forma parecida, y la velocidad de flujo viene determinada por el gradiente de presión (Patm – Palv) y la resistencia de la siguiente forma: Flujo =
Patm – Palv R
Por tanto, la fuerza conductora para el movimiento del aire es la diferencia entre la presión atmosférica y la presión intraalveolar. Como la presión atmosférica es constante, los cambios de la presión alveolar determinan la dirección del movimiento del aire. (La función de la resistencia se describe más tarde.)
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Ley de Boyle y ley de los gases ideales La ley de los gases ideales es una relación esencial por la que se rige el comportamiento de los gases, y se expresa de la siguiente forma: PV = nRT donde P es la presión del gas (en unidades de atmósferas; 1 atm = 760 mmHg), V es el volumen en el que se contiene el gas (l), n es la cantidad de gas (moles), R es la constante universal de gases (0,083 l · atm/mol · K), y T es la temperatura absoluta (kelvin, K). Esta ecuación puede despejarse de forma que se calcule la presión en función de otras variables:
recipiente chocan con la pared y rebotan. Cada colisión ejerce cierta cantidad de fuerza en la pared. La presión es la fuerza total ejercida por todas esas colisiones dividida por el área de la superficie de la pared (fuerza por unidad de área). Si el número de moléculas se mantiene constante, pero el volumen del recipiente disminuye, la densidad de moléculas aumenta, así que una superficie dada de la pared experimenta más colisiones por segundo, y la presión es mayor. Si se añaden más moléculas al recipiente con un volumen fijo, ocurre lo mismo: las moléculas se disponen más condensadas, lo que aumenta el número de colisiones por unidad de área en la pared, y la presión sube.
P = nRT/V Dada una cantidad fija de gas en un contenedor a una temperatura dada, n y T son constantes, y la presión es inversamente proporcional al volumen del contenedor: P ^ 1/V. Esta es la ley de Boyle, representada en la figura. Si en lugar de ello, el volumen del contenedor se fijara, pero la cantidad de gas variara, la cantidad RT/V se volvería constante. En estas condiciones, la presión es proporcional al número de moléculas del contenedor: P ^ n. Cuando consideramos por qué los gases ejercen presión, podemos ver por qué las presiones varían con el número de moléculas de gas en un recipiente. Las moléculas de gas suelen estar en un estado de movimiento térmico constante. Las moléculas de gas dentro del
Comprueba tus conocimientos La regla del flujo puede aplicarse a cualquier sección del tubo respiratorio. Utiliza esta información para explicar por qué la maniobra de Heimlich (una compresión súbita de la cavidad abdominal justo por debajo del diafragma) puede sacar la comida u otro objeto alojado en la tráquea de una persona que se ha atragantado.
Factores que determinan la presión intraalveolar La presión intraalveolar está determinada por dos factores: la cantidad (moles) de moléculas de aire en los alvéolos y el propio volumen de los alvéolos. En reposo, los alvéolos contienen un volumen de aire a presión atmosférica que es igual a la capacidad funcional residual descrita anteriormente. Al principio de la inspiración, los pulmones se expanden como resultado de la contracción de los músculos inspiratorios (descritos anteriormente), y la expansión aumenta el volumen de los alvéolos, disminuyendo, por tanto, la presión intraalveolar de acuerdo con la ley de Boyle. La reducción de la presión intraalveolar crea un gradiente de presión que lleva aire a los pulmones. Durante la espiración, ocurre lo contrario: los pulmones se retraen, reduciendo el volumen de los alvéolos y aumentando la presión intraalveolar. Esto crea un gradiente de presión que hace que salga aire de los pulmones.
nyT son constantes
V1 Recipiente 1: V1 = 2
P1 P1 = 1
V2 Recipiente 2: V2 = 1
P2 P2 = 2
Los cambios de presión que ocurren durante la inspiración y la espiración se muestran en la figura 16.10. Cabe destacar que, durante la inspiración, disminuye la presión intraalveolar al principio, pero finalmente sube hasta cero, ya que la presión intraalveolar depende tanto de la cantidad de aire alveolar (número de moléculas) como de su volumen. Inicialmente, los pulmones se expanden y la presión alveolar disminuye. Sin embargo, a medida que el aire fluye a los alvéolos durante la inspiración, el número de moléculas de aire en los alvéolos aumenta, de forma que la presión alveolar se incrementa (se vuelve menos negativa). El aire deja de fluir hacia dentro cuando la presión alveolar alcanza cero (que es la presión atmosférica), es decir, el aire deja de llegar cuando ya no existe un gradiente de presión para conducir el flujo. El mismo razonamiento explica por qué la presión alveolar aumenta y luego cae durante la espiración. Cuando el volumen de los pulmones disminuye, la presión alveolar aumenta, haciendo que el aire salga de los pulmones. Sin embargo, cuando el aire sale, la cantidad de aire en los alvéolos disminuye, lo que baja la presión hacia cero. El flujo de aire se interrumpe cuando la presión alveolar y la presión atmosférica se igualan. Los cambios en el volumen de los alvéolos están producidos por cambios en el volumen de la cavidad torácica, en los que participan los músculos respiratorios (fig. 16.11a). El diafragma y los músculos intercostales externos son los músculos inspiratorios primarios, mientras que los intercostales internos y los
C A P Í T U LO 1 6 Inspiración
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Espiración
Aire
Aire
Vía respiratoria Alvéolos Molécula de aire
Volumen respiratorio (l)
Presión intraalveolar (mmHg)
Palv = 0 mmHg
Palv = –1 mmHg
Palv = 0 mmHg
Palv = +1 mmHg
Palv = 0 mmHg
1
0
–1
0,5
0
FIGURA 16.10 Cambios en la presión alveolar y en el volumen respiratorio durante la inspiración y la espiración. Antes de la inspiración, la presión intraalveolar es 0 mmHg. Durante la inspiración, la expansión de los pulmones hace que la presión intraalveolar disminuya. El flujo de aire aumenta la cantidad de gas en los pulmones, lo que incrementa la presión intraalveolar. Al final de la inspiración, la presión intraalveolar es igual a la presión atmosférica. Durante la espiración, los pulmones se colapsan hacia dentro, haciendo que aumente la presión intraalveolar. El aire sale de los pulmones
bajo un gradiente de presión. Al final de la espiración, la presión intraalveolar es igual a la presión atmosférica, y el flujo de aire es cero.
músculos abdominales son los músculos espiratorios primarios, aunque la espiración sea principalmente un proceso pasivo que no requiere contracción muscular.
disminuya. Esta disminución de la presión intrapleural hace que aumente la presión transpulmonar, la diferencia entre la presión intrapleural y la presión intraalveolar (P alv – Pip; fig. 16.13). Un aumento de la presión intraalveolar debido a un descenso de la Pip crea una presión de distensión mayor en los pulmones, así que los pulmones (alvéolos) se expanden con la pared torácica. Cuando los pulmones se expanden, la presión de los alvéolos disminuye por debajo de la presión atmosférica, así que el aire fluye a los alvéolos y continúa haciéndolo hasta que la presión en los alvéolos aumenta hasta la presión atmosférica. Las contracciones más fuertes de los músculos inspiratorios producen una mayor expansión de la cavidad torácica, haciendo que la presión intrapleural sea incluso más negativa y creando una presión transpulmonar mayor. El resultado es una mayor expansión y una inspiración más profunda, es decir, permite la entrada de un mayor volumen de aire a los pulmones.
Inspiración El proceso de inspiración representado en la figura 16.11b se inicia por la estimulación neural de los músculos inspiratorios (fig. 16.12). La contracción de estos músculos esqueléticos se estimula mediante la liberación de acetilcolina en la unión neuromuscular, como se describió en el capítulo 11. La contracción del diafragma hace que se aplane y se mueva hacia abajo, mientras que la contracción de los intercostales externos oblicuos hace que las costillas pivoten hacia arriba y hacia fuera, expandiendo la pared torácica. La combinación de estas acciones aumenta el volumen de la cavidad torácica. Hay otros músculos del cuello (escalenos y esternocleidomastoideos) y del pecho (pectorales menores) que desempeñan funciones secundarias durante la inspiración, especialmente durante la inspiración forzada. Cuando se expande la pared torácica, empuja hacia fuera el líquido intrapleural, haciendo que la presión intrapleural
Si una persona inhala más de 0,5 l de aire en el mismo lapso de tiempo P que se muestra arriba, ¿incrementaría (se volvería menos negativa o positiva) o disminuiría (se volvería más negativa) la presión intraalveolar durante la inspiración?
Espiración Durante la respiración calmada, la espiración es un proceso pasivo en el que no es necesaria la contracción muscular. Al
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
Músculos intercostales internos
Músculos intercostales externos Músculos inspiratorios
Músculos espiratorios
Diafragma Músculos abdominales
(a)
Inspiración
Espiración
Los intercostales externos se relajan Los intercostales externos se contraen
Los intercostales y los abdominales se contraen para activar solo la espiración
El diafragma se contrae
La pared torácica y los pulmones se expanden
La expansión de las costillas mueve el esternón hacia arriba y hacia fuera
El diafragma se relaja
La cavidad torácica y los pulmones se contraen
Depresión de las costillas y el esternón
(b)
FIGURA 16.11 Músculos respiratorios. (a) Ubicación de los músculos inspiratorios y espiratorios. Cabe destacar la orientación opuesta de los músculos intercostales internos y externos. (b) Acciones de los músculos respiratorios. Cuando los músculos inspiratorios se contraen (izquierda), la pared torácica se expande, haciendo que se expandan lo pulmones.
La espiración calmada (derecha) ocurre de forma pasiva por la relajación de los músculos inspiratorios, que permite que los pulmones y la pared torácica se retraigan a sus posiciones originales. La espiración activa requiere la contracción de los músculos espiratorios, mientras que los músculos inspiratorios se relajan.
final de una inspiración, la pared torácica y los pulmones se expanden por las contracciones musculares. Simplemente relajando estos músculos, algo que ocurre cuando las motoneuronas dejan de mandar señales a los músculos inspiratorios, la pared torácica elástica y los pulmones se retraen a sus posiciones de descanso. A medida que la pared torácica y los pulmones se retraen, el volumen de los pulmones disminuye, haciendo que aumente la presión alveolar hasta valores supe-
riores a la presión atmosférica. El aire sale (espiración) debido al gradiente de presión hasta que el volumen de los pulmones equivale a la CRF. Una espiración más forzada puede producirse por la contracción de los músculos espiratorios en un proceso que se llama espiración activa. La contracción de los músculos espiratorios produce un descenso mayor y más rápido del volumen de la cavidad torácica, que aumenta la presión intraalveolar y cau-
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Patm
Motoneuronas señales neurales
Gradiente de presión para la ventilación (Patm – Palv) Pared torácica
Músculos inspiratorios (diafragma e intercostales externos)
Palv
Los músculos se contraen Pip
Presión transpulmonar (Palv – Pip)
Pared torácica (a)
Expansión
Espacio intrapleural
2
Inspiración
Espiración Palv
Presión relativa a la presión atmosférica (mmHg)
«empuje» del líquido intrapleural
Pip presión transpulmonar
Alvéolos volumen
Palv (Patm – Palv) Retroalimentación negativa flujo de aire a los alvéolos
1 0 –1 Presión transpulmonar –2 –3 –4 –5
Pip
–6 (b)
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 16.12 Acontecimientos en la inspiración.
Volumen respiratorio (l)
Palv 1
0,5
0
(c)
sa un gradiente de presión mayor para que el aire salga de los alvéolos.
Test rápido 16.2 1. Durante la inspiración, ¿cuál es mayor, la presión intraalveolar o la presión atmosférica? 2. Nombra los músculos inspiratorios. Nombra los músculos que participan en la espiración activa. 3. Al final de una inspiración, ¿en qué dirección se retraen los pulmones de forma natural? ¿Y la pared torácica?
FIGURA 16.13 Cambios de presión y volumen durante la inspiración y la espiración. (a) La diferencia entre la presión atmosférica y la intraalveolar (el gradiente de presión para la ventilación) proporciona la fuerza para mover la entrada y salida de aire de los pulmones, y la presión transpulmonar proporciona fuerza para la expansión de los pulmones. (b) Los cambios en la presión intraalveolar y la presión intrapleural que ocurren durante la respiración son el incremento de la presión transpulmonar durante la inspiración y durante el comienzo de la espiración, y luego su descenso a medida que sucede la espiración. (c) Los cambios en el volumen respiratorio indican que la Pip sigue la ley de Boyle (el espacio intrapleural es un sistema cerrado), pero la Palv no lo hace (los alvéolos son un sistema abierto, dado el movimiento de moléculas a través de ellos).
Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
Factores que afectan a la ventilación pulmonar La velocidad de flujo del aire por los pulmones viene determinada por dos factores: el gradiente de presión entre la atmósfera y los alvéolos, y la resistencia de las vías respiratorias. En la sección anterior, vimos cómo los gradientes de presión producidos por los cambios de volumen pulmonar conducían a la inspiración y la espiración. En esta sección, consideramos los diversos factores que afectan al desarrollo de esos gradientes de presión y los factores que afectan a la resistencia de las vías respiratorias.
Distensibilidad pulmonar Ya hemos visto que los pulmones son elásticos y se retraen después de estirarse. Una medida de esta facilidad con la que pueden estirarse se llama distensibilidad. La distensibilidad pulmonar se define como el cambio del volumen pulmonar ($V) que resulta de un cambio dado en la presión transpulmonar $(Palv – Pip) (v. «Caja de herramientas: Distensibilidad»): Distensibilidad pulmonar =
$V $(Palv – Pip)
Una gran distensibilidad pulmonar es una ventaja, ya que se necesita un cambio más pequeño en la presión transpulmonar para traer un volumen dado de aire, de forma que se requiere menor trabajo o contracción muscular. La distensibilidad pulmonar depende de la elasticidad de los pulmones y de la tensión de la superficie del líquido que reviste los alvéolos. Los pulmones son elásticos gracias a la presencia de fibras elásticas del tejido conjuntivo. Las fuerzas ejercidas por estas fibras elásticas suelen oponerse a la expansión pulmonar, porque, cuando los pulmones se estiran, las fibras tienden a retraerse. La tensión de superficie de un líquido es una medida del trabajo necesario para incrementar su área de superficie en cierta cantidad. Cuanto mayor sea la tensión de superficie, más trabajo será necesario para extender el líquido. La tensión de superficie de los pulmones está causada por la superficie de contacto entre el aire y el líquido formada en la fina capa de líquido que reviste la superficie interna de los alvéolos (v. «Caja de herramientas: Surfactante pulmonar y ley de Laplace»). Cuando el tejido pulmonar se expande, también lo hace la capa líquida de los alvéolos. Por tanto, cuando los pulmones se expanden, se necesita trabajo no solo para estirar el tejido elástico, sino también para aumentar el área de superficie de la capa líquida. Por consiguiente, la tensión de superficie del líquido actúa para disminuir la distensibilidad pulmonar. La presencia de una sustancia de propiedades detergentes llamada surfactante pulmonar disminuye la tensión de superficie en los alvéolos. El surfactante pulmonar lo secretan las células alveolares tipo II ubicadas en las paredes alveolares. La tensión de superficie del líquido que reviste los alvéolos se reduce (pero no se elimina) por la acción del surfactante pulmonar, porque el surfactante interfiere con la formación de enlaces de hidrógenos entre las moléculas de agua. Por tanto, el surfactante aumenta la distensibilidad pulmonar y disminuye el trabajo de la respiración. La distensibilidad se ve disminuida si el tejido pulmonar se engruesa, como cuando ocurre la formación de una cicatriz en la tuberculosis, o si la producción de surfactante disminuye, como ocurre en el síndrome de dificultad respiratoria del lactante (en el que los bebés prematuros no producen suficiente surfactante). Cuando la distensibilidad pulmonar disminuye, los músculos respiratorios deben hacer un mayor esfuerzo para expandir los pulmones a un volumen dado.
Resistencia de las vías respiratorias En el contexto de este análisis, el término resistencia de las vías respiratorias se refiere a la resistencia del sistema de vías respiratorias entero del tubo respiratorio; es análoga a la resistencia periférica total en la fisiología cardiovascular (v. capítulo 14). La resistencia de las vías respiratorias está determinada principalmente por las resistencias de las vías respiratorias individuales y se ve muy afectada por los cambios del radio de la vía respiratoria: si el radio disminuye, la resistencia aumenta. En los pulmones sanos, la resistencia al flujo de aire en los pulmones es baja, porque los radios de los tubos de la zona conductora son relativamente grandes. Aunque el radio de los tubos disminuye cuando el aire se adentra en la zona conductora hacia los alvéolos, el área transversal total de los túbulos más pequeños se incrementa debido a la ramificación extensa. Por tanto, la resistencia general de la zona conductora es baja. (Esta situación es similar a la resistencia baja combinada de los capilares del aparato circulatorio.) Esta baja resistencia implica que no es precisa mucha diferencia entre la presión alveolar y la presión atmosférica para conseguir una velocidad normal de flujo de aire en condiciones normales. Durante la respiración calmada (eupnea), la diferencia entre la presión alveolar y la atmosférica suele ser menos de 2 mmHg. El efecto de la resistencia de las vías respiratorias en la respiración se ilustra en la figura 16.14, que muestra la presión intraalveolar en condiciones normales y cuando aumenta la resistencia. (Para fines ilustrativos, asumimos que las velocidades del flujo de aire son las mismas en ambas condiciones.) Cabe destacar que cuando aumenta la resistencia, se requiere un gradiente de presión mayor para producir una velocidad de flujo de aire determinada. La resistencia del flujo de aire se ve afectada por numerosos factores, como las fuerzas pasivas ejercidas en las vías respirato-
Inspiración
Presión intraalveolar (mmHg)
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Volumen respiratorio (I)
466
2
Espiración Aumento de la resistencia
1 0 Resistencia normal –1 –2 1 Volumen de aire que se mueve por los pulmones 0,5
0
FIGURA 16.14 Efectos del aumento de la resistencia de las vías respiratorias sobre los cambios de presión necesarios para mover un volumen fijo de aire. Cuando la resistencia de las vías respiratorias aumenta por encima de lo normal, se requiere una presión intraalveolar mayor para introducir o sacar un volumen dado de aire (en este caso, 0,5 ml) de los pulmones en un tiempo determinado.
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Surfactante pulmonar y ley de Laplace La fina capa de agua que reviste los alvéolos aumenta el trabajo muscular necesario para insuflar los pulmones, porque la tensión de la superficie del agua disminuye la distensibilidad de los pulmones, haciendo más difícil su estiramiento. Esta tensión de superficie también supone otro problema, los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua adyacentes tienden a convertirlas en una gota redondeada, lo que conlleva el empuje de la pared de un alvéolo hacia dentro, haciendo que se colapse. Entonces, ¿qué evita que los alvéolos se colapsen en una gran «burbuja de aire»? Para comprender por qué los alvéolos no se colapsan, consideremos lo que ocurre con una pompa de jabón: la pared de una pompa de jabón contiene agua, que ejerce tensión de superficie y así tiende a empujar la pared hacia el interior. Sin embargo, cuando la pompa se retrae, aumenta la presión del aire que contiene, creando una presión de distensión que se opone a la tendencia de la pompa de colapso. La pompa permanece con un volumen estable, sin colapsarse ni expandirse, siempre y cuando la presión de distensión sea lo suficientemente grande para equilibrar las fuerzas dirigidas al interior creadas por la tensión de superficie. Cuando los pulmones no se están expandiendo o contrayendo, el volumen de un alvéolo permanece estable por la misma razón: la presión del aire interior equilibra las fuerzas hacia el interior, que, de otro modo, podrían hacer que se colapsara. Según la ley de Laplace, la presión del aire (P) necesaria para evitar que un alvéolo se colapse (asumiendo que es esférico) es directamente proporcional a la tensión de superficie (T) e inversamente proporcional al radio del alvéolo (r): 2T P = r
Ausencia de surfactante en los alvéolos
Vías respiratorias
Alvéolo 1
Aquí P es la presión del aire interior en relación con la presión exterior, que se considera igual a cero. De esta forma, si dos alvéolos, uno grande y otro más pequeño, están sujetos a la misma tensión de superficie, el más pequeño de los dos necesitará una mayor presión interna para evitar colapsarse. Al final de una inspiración o espiración, la presión del aire es la misma en todos los alvéolos. (Si el aire no fluye, la presión del aire debe ser la misma en todas partes.) Sin embargo, los alvéolos no tienen todos el mismo tamaño. Esta situación tiene un interés especial y, por ello, se ilustran en la figura dos alvéolos adyacentes de distinto tamaño. Asumamos de momento la ausencia de surfactante. Si la presión del aire es lo suficientemente alta como para evitar que el alvéolo grande se colapse, según la ley de Laplace, no puede ser lo suficientemente grande como para evitar que el alvéolo más pequeño se colapse. Así, si los dos alvéolos estuvieran a la misma presión inicial, el alvéolo pequeño debería colapsarse, lo que elevaría la presión del aire interior (P1), haciendo que fuese más alta que la presión en el alvéolo grande (P2). Entonces, el aire debería fluir a favor de su gradiente de presión (de P1 a P2) desde el alvéolo pequeño al grande, como se muestra en la parte izquierda del diagrama. No obstante, en los pulmones reales hay surfactante que se concentra de forma más intensa en los alvéolos más pequeños. En consecuencia, la tensión de superficie en un alvéolo pequeño es menor de lo que es en un alvéolo grande, lo que reduce la cantidad de presión que debe existir dentro del alvéolo pequeño para evitar que se colapse. De esta forma, tanto los alvéolos grandes como los pequeños tienen volúmenes estables bajo la misma presión, como se muestra en la parte derecha del diagrama.
Presencia de surfactante en los alvéolos
Alvéolo 2
Aire
P1
P1
P2
P2 Moléculas de surfactante
r1 < r2, P1 > P2 El alvéolo pequeño se colapsa en el grande
r1 < r2, P1 = P2 Los alvéolos no se colapsan
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
CONEXIONES CLÍNICAS
Enfermedad pulmonar obstructiva crónica El término enfermedad pulmonar obstructiva es un término que engloba numerosos trastornos, caracterizados todos por un aumento de la resistencia de las vías respiratorias. Dentro de esta clasificación se incluyen tres trastornos: enfisema, bronquitis crónica y asma. Mientras que el asma es agudo, los otros son crónicos. Con frecuencia se usa el acrónimo EPOC para referirse a la enfermedad pulmonar obstructiva crónica. En la actualidad, el asma y las EPOC afectan a millones de personas en el mundo. El enfisema es un agrandamiento permanente de los espacios de aire de la zona respiratoria acompañado de la destrucción de las paredes de las vías respiratorias. Según una teoría ampliamente aceptada, la destrucción tisular es resultado de la acción de las proteasas, unas enzimas que secretan los macrófagos y otros glóbulos blancos cuando existe una inflamación crónica. Estas proteasas destruyen el tejido, descomponiendo las proteínas, como, por ejemplo, las fibras elásticas del tejido conjuntivo. En consecuencia, los pulmones pierden elasticidad y aumenta la distensibilidad. La pérdida de estas fibras también reduce las fuerzas de tracción sobre las vías respiratorias, lo que disminuye su diámetro y hace que
aumente la probabilidad de que se colapsen, especialmente durante la espiración, cuando las presiones de distensión de las vías respiratorias son menores. El aumento de la distensibilidad aumenta la capacidad funcional residual (es decir, reduce el volumen que podría espirarse) y reduce el esfuerzo requerido para inhalar. Sin embargo, la pérdida de tracción de las vías respiratorias hace más difícil la espiración. Consecuentemente, las personas que padecen enfisema suelen respirar con un mayor volumen pulmonar (es decir, aumenta el volumen residual), lo que determina una reducción de la capacidad vital. La destrucción de tejido también reduce la superficie combinada de las paredes alveolares, lo que disminuye la capacidad de intercambio gaseoso. La bronquitis crónica es una inflamación de las vías respiratorias que se produce durante al menos 3 meses cada año durante 2 años consecutivos. Se caracteriza por la inflamación y engrosamiento del revestimiento de las vías respiratorias, lo que reduce el diámetro de éstas y también puede llevar a la destrucción del tejido normal y fibrosis (engrosamiento y cicatriz por la formación de tejido conjuntivo). Junto con estos síntomas, aparece una secreción de moco excesiva, que exacerba el pro-
rias, la actividad contráctil del músculo liso de los bronquíolos y la secreción de mucosa a las vías respiratorias. Las fuerzas pasivas son responsables de los cambios en la resistencia de las vías respiratorias que ocurren en una sola respiración, mientras que los cambios en la actividad contráctil del músculo liso son responsables de las variaciones a largo plazo en la resistencia. Las fuerzas pasivas incluyen cambios en la presión transpulmonar que ocurren durante la inspiración y la espiración, y las fuerzas de tracción ejercidas en las vías respiratorias por la acción de empuje de los tejidos que las rodean. Durante la inspiración, la presión transpulmonar aumenta, porque la presión intrapleural disminuye más que la presión intraalveolar (v. fig. 16.13). Este aumento de la presión transpulmonar durante la inspiración empuja las vías respiratorias hacia fuera, haciendo que se distiendan, lo que disminuye la resistencia a medida que progresa la inspiración. Sin embargo, durante la espiración, la presión transpulmonar decrece, lo que reduce la fuerza de distensión sobre las vías respiratorias, permitiendo que se contraigan, incrementando así la resistencia. Cuando el tejido de alrededor se aleja de las vías respiratorias durante la
blema de la obstrucción de las vías y predispone la infección pulmonar. Los tratamientos para la EPOC consisten en broncodilatadores (como el agonista receptor B2 adrenérgico) y medicamentos antiinflamatorios (como corticoesteroides). La administración de oxígeno también ayuda a combatir la hipoxemia cuando es un problema.
inspiración, las fuerzas de tracción ejercidas por el tejido aumentan, lo que obliga a las vías respiratorias a abrirse y reduce la resistencia. Durante la espiración, la eliminación de estas fuerzas de tracción reduce el diámetro de las vías respiratorias e incrementa la resistencia. La resistencia al flujo de aire en los bronquíolos tambié puede cambiar como consecuencia de la contracción o relajación del músculo liso de las paredes de los bronquíolos. Cuando este músculo liso se contrae, disminuye el radio de los bronquíolos (broncoconstricción), lo que incrementa la resistencia. La contracción y relajación de este músculo liso está sujeta tanto a un control extrínseco (señales neurales y hormonales) como a un control intrínseco (mediadores químicos locales). El músculo liso de los bronquíolos está bajo la influencia del sistema nervioso autónomo: la estimulación simpática hace que el músculo liso se relaje, aumentando el radio de los bronquíolos (broncodilatación), mientras que la estimulación parasimpática hace que el músculo liso se contraiga (broncoconstricción). La adrenalina que libera la médula suprarrenal durante la estimulación simpática también provoca broncodilatación.
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
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La histamina, una sustancia química liberada localmente durante las reacciones alérgicas (v. capítulo 5), provoca la contracción del músculo Aire liso, causando broncoconstricción. Sin embargo, este efecto solo contribuye parcialmente a la dificultad respiratoria durante las reacciones alérgicas, ya Agua Bolígrafo que la histamina también estimula la secreción de moco, que se acumula en las vías respiratorias y 6 aumenta la resistencia al flujo de aire. 5 Otra sustancia química importante que afecta 4 localmente al radio de los bronquíolos es el dióxido de Volumen 3 carbono. Cuando la cantidad de dióxido de carbono es de aire (l) 2 alta, los bronquíolos se dilatan, mientras que, cuando 1 es baja, los bronquíolos se contraen. El nivel de dióxi0 do de carbono es un regulador importante del radio de los bronquíolos en el proceso de ajustar el flujo de aire (ventilación) con el flujo de sangre (perfusión), un Rotación del tambor tema que se analiza en el capítulo 17. a un ritmo determinado La resistencia de las vías respiratorias puede aumentar con muchas patologías. Una de ellas es el asma, que se asocia con un incremento de la resistencia de las vías FIGURA 16.15 Espirómetro. Mientras que el paciente respira aire, un bolígrafo unido respiratorias provocado por las contracciones espástia través de un sistema de poleas registra los cambios en el volumen de aire de la campana cas del músculo liso de los bronquíolos, junto con la invertida. secreción de moco y la inflamación de las paredes de los bronquíolos. Entre los síntomas encontramos tos, disnea (respiración dificultosa) y sibilancias. El asma suele ser resultado los pulmones. El personal clínico mide el volumen de los pulmode la hipersensibilidad a ciertos alérgenos (sustancias que estimulan nes, calcula las capacidades pulmonares (que son las sumas de respuestas alérgicas), como hongos, ácaros o caspa animal, pero dos o más volúmenes pulmonares medidos) y miden las velocitambién puede estar inducido por el estrés, deporte, ingesta de algudades de flujo de aire, de forma que obtienen información relanos alimentos o respiración de aire frío. Debido al aumento de la tiva a la función pulmonar. Estos valores pueden medirse resistencia de las vías respiratorias, se necesitan gradientes de mediante una técnica llamada espirometría. presión notablemente mayores para conseguir unas velocidades La espirometría es una técnica para medir los volúmenes de similares de flujo de aire, lo que aumenta en gran medida el trabajo aire inspirado y espirado usando un dispositivo llamado de la respiración. El tratamiento del asma varía entre individuos, espirómetro (fig. 16.15). Un tipo de espirómetro consiste en una pero suele consistir en broncodilatadores, que inducen la relajación campana invertida llena de aire en un recipiente con agua, del músculo liso de las vías respiratorias, y corticoesteroides, que además de una conexión mediante un tubo desde la campana reducen la inflamación. Otras patologías que aumentan la resistenhasta una boquilla que se coloca el paciente. El paciente respira cia de las vías respiratorias son las enfermedades pulmonares aire hacia y desde la campana. Cuando el paciente inspira, el obstructivas crónicas (EPOC). Mientras que el asma supone un volumen de aire en la campana disminuye, y la campana se aumento de la resistencia agudo (y temporal), las EPOC se asocian a hunde más en el agua. Cuando el paciente espira, el volumen de un aumento crónico de la resistencia (de larga duración) (v. «Coneaire en la campana aumenta, y esta se eleva en el agua. La camxiones clínicas: Enfermedad pulmonar obstructiva crónica»). pana está conectada a través de un sistema de poleas a un Además, en algunos pacientes, la resistencia de las vías respiratorias bolígrafo que se desplaza hacia arriba y abajo cuando lo hace la puede aumentar cuando duermen, provocando apnea. campana. El bolígrafo está colocado para escribir en un papel adherido a un tambor, que rota a una velocidad preestablecida. El movimiento del bolígrafo deja marcas en el papel que están calibradas según el volumen de aire que entra y sale de los pulTest rápido 16.3 mones. Los espirómetros actuales están informatizados y el paciente 1. Si los pulmones cicatrizan a consecuencia de alguna enfermedad, simplemente respira según se le indica en un tubo conectado a ¿qué le sucede a la distensibilidad pulmonar? un transductor, que convierte el volumen de aire en una señal 2. Si disminuye la secreción de surfactante, ¿qué pasa con la distensibieléctrica proporcional al volumen. El ordenador traduce la lidad pulmonar? señal eléctrica y proporciona una lectura de varios volúmenes y 3. La contracción del músculo liso de los bronquíolos, ¿aumenta o discapacidades pulmonares. minuye la resistencia de las vías respiratorias?
Importancia clínica de los volúmenes respiratorios y de los flujos de aire Algunas patologías afectan al volumen de aire contenido en los pulmones o la velocidad del flujo de entrada o salida de aire a
Volúmenes y capacidades pulmonares Gracias a los espirómetros, el personal clínico puede medir tres de los cuatro volúmenes pulmonares que no se solapan y que, en conjunto, conforman la capacidad pulmonar total. Los datos de la figura 16.16 se obtuvieron de un paciente hombre sano, de unos 70 kg de peso, sentado en reposo. (En principio, los valores serían inferiores para una mujer y cambiarían con
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
Volúmenes pulmonares Final de la inspiración máxima
Capacidades pulmonares
5.700 CI = VC + VRI
Volumen (ml)
Final de la inspiración normal 2.700
CPT = VC + VRE + VRI + VR
VRI
VC
2.200 VRE
Final de la espiración normal
VC = VC + VRI + VRE
CRF = VRE + VR
1.200
VR*
Final de la espiración máxima
0 Tiempo Volúmenes y capacidades pulmonares normales para un hombre sano de 70 kg Volúmenes pulmonares VC = volumen corriente = 500 ml VRI = volumen de reserva inspiratorio = 3.000 ml VRE = volumen de reserva espiratorio = 1.000 ml VR = volumen residual* = 1.200 ml
Capacidades pulmonares CI = capacidad inspiratoria = VC + VRI = 3.500 ml CV = capacidad vital = VC + VRI + VRE = 4.500 ml CRF = capacidad residual funcional = VRE + VR = 2.200 ml CPT = capacidad pulmonar total = VC + VRE +VRI + VR = 5.700 ml
*El espirómetro no lo puede medir
FIGURA 16.16 Volúmenes y capacidades pulmonares medidas con un espirómetro. Las curvas que aquí se muestran las produjo un espirómetro (v. fig. 16.15) y representan valores medios para un hombre de 70 kg.
una variación postural.) El volumen de aire que entra y sale de los pulmones durante una respiración aislada y sin forzar se llama volumen corriente (VC); el volumen corriente medio es 500 ml. El volumen de aire máximo que se puede inspirar desde el final de una inspiración normal se llama volumen de reserva inspiratorio (VRI) y ronda los 3.000 ml. El volumen de aire máximo que se puede espirar desde el final de una espiración normal se llama volumen de reserva espiratorio (VRE) y ronda los 1.000 ml. Sin embargo, incluso tras una espiración máxima, queda algo de aire en los pulmones y las vías respiratorias, ya que la presión intrapleural negativa evita el colapso total de los pulmones. El volumen de aire que queda en los pulmones tras una espiración máxima se llama volumen residual (VR) y ronda los 1.200 ml. El espirómetro no puede medir el volumen residual, porque solo mide el aire que realmente entra y sale de los pulmones. Un método para calcular el volumen residual es el método de dilución de helio, en el cual el paciente respira una mezcla de gases con una concentración determinada de helio, que no se intercambia con la sangre de forma importante. Durante la inspiración, el helio del aire inspirado se mezcla con todo el aire que está presente en los pulmones, lo que diluye el helio. Cuando el paciente espira, se mide la concentración de helio en el aire espirado y se compara con la concentración original.
Con unos simples cálculos, se puede determinar el volumen residual. Las capacidades pulmonares son sumas de dos o más volúmenes pulmonares. La capacidad inspiratoria (CI) es al volumen máximo de aire que puede inspirarse al final de una espiración en reposo; es la suma del volumen corriente y el volumen de reserva inspiratorio (CI = VC + VRI) y ronda los 3.500 ml. La capacidad vital (CV) es el volumen máximo de aire que puede espirarse tras una inspiración máxima; es la suma del volumen corriente, el volumen de reserva inspiratorio y el volumen de reserva espiratorio (CV = VC + VRI + VRE) y ronda los 4.500 ml. La capacidad residual funcional (CRF) es el volumen de aire que queda en los pulmones al final de una espiración corriente; equivale al volumen de reserva espiratorio más el volumen residual (CRF = VRE + VR) y ronda los 2.200 ml. Recordemos que la capacidad residual funcional es el volumen de aire en los pulmones cuando estos están entre respiraciones y los músculos respiratorios están relajados. En estas condiciones, la retracción elástica de los pulmones se equilibra con la retracción elástica de la pared torácica. La capacidad pulmonar total (CPT) es el volumen de aire en los pulmones al final de una inspiración máxima; es la suma del volumen corriente y el volumen residual (CPT = VC + VRI + VRE + VR) y ronda los 5.700 ml.
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Evaluación de la función pulmonar La espirometría es un método simple de evaluación de trastornos respiratorios. Una medida simple de los volúmenes pulmonares y el cálculo de las capacidades pulmonares pueden ayudar a distinguir entre enfermedades pulmonares obstructivas, que suponen un incremento de la resistencia de las vías respiratorias, y enfermedades pulmonares restrictivas, que suponen una disminución de la distensibilidad pulmonar. En las enfermedades obstructivas, por ejemplo, el volumen residual suele aumentar, porque el aumento de la resistencia dificulta no solo la inspiración, sino también la espiración. Los pulmones se hiperinsuflan y la capacidad funcional residual y la capacidad pulmonar total suelen aumentar. Por el contrario, en las enfermedades restrictivas, suele existir un daño estructural de los pulmones, la pleura o la pared torácica que disminuye la capacidad pulmonar total y la capacidad vital. Se puede obtener información útil adicional evaluando tanto la capacidad vital forzada como el volumen espiratorio forzado. Para evaluar la capacidad vital forzada (CVF), el paciente realiza una inspiración máxima y luego espira de forma forzada lo más rápido posible. Una CVF baja indica enfermedad pulmonar restrictiva. El volumen espiratorio forzado (VEF) es una medida del porcentaje de CVF que puede espirarse durante un lapso de tiempo determinado, normalmente 1 s (VEF1). Un VEF1 normal es del 80%, lo que significa que una persona debería ser capaz de espirar el 80% de la capacidad vital forzada en 1 s. Si una persona tiene una capacidad vital forzada de 4.000 ml, por ejemplo, tras una inspiración máxima debería ser capaz de exhalar 3.200 ml en 1 s. Una VEF1 de menos del 80% indica un aumento de la resistencia, que es característico de enfermedad pulmonar obstructiva.
Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
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Aire fresco
Zona conductora (espacio muerto anatómico)
«Aire viejo»
Alvéolo
Espiración
(c)
Inspiración
(a)
CO2
O2
(b)
Intercambio con la sangre
FIGURA 16.17 Efectos del espacio muerto anatómico en la ventilación alveolar. (a) Al final de la espiración, todo el aire de la zona conductora y respiratoria es aire viciado. (b) Durante la inspiración, el aire viciado de la zona conductora (espacio anatómico muerto) entra primero en la zona respiratoria, seguido del aire atmosférico. (c) Durante la espiración, el aire atmosférico en la zona conductora se espira en primer lugar, seguido del aire viciado.
Comprueba tus conocimientos Según la siguiente información para un hombre de 70 kg, determina si padece una enfermedad pulmonar obstructiva o restrictiva: capacidad vital = 4.800 ml, capacidad vital forzada = 5.000 ml, volumen de aire espirado en 1 s de la capacidad vital forzada = 3.500 ml. Explica en qué te basas para tu diagnóstico.
Ventilación alveolar La ventilación-minuto (VM) es la cantidad total de aire que entra o sale del aparato respiratorio en 1 min. La ventilación-minuto puede calcularse como el volumen corriente por el número de respiraciones por minuto, o la frecuencia respiratoria (FR). En reposo, la frecuencia respiratoria media es 12 respiraciones por minuto. Por tanto, la ventilación-minuto en reposo es VM = VC FR = (500 ml/respiración) (12 respiraciones/min) = 6.000 ml/min La cantidad de aire fresco que llega a los alvéolos es más importante que la ventilación-minuto. Solo una parte del aire respirado participa realmente en el intercambio gaseoso, ya que una importante proporción de aire simplemente rellena un volumen de las vías respiratorias en la zona conductora. Por ejemplo, de una respiración normal de 500 ml de aire, solo 350 ml acaban llegando a los alvéolos; los 150 ml restantes (el 30% del volumen corriente de los 500 ml en este ejemplo)
llena la tráquea, los bronquios y los bronquíolos. El volumen combinado de estas vías respiratorias en las que no hay intercambio se denomina espacio muerto anatómico. Los efectos del espacio muerto anatómico en la cantidad de «aire fresco» que llega a los pulmones se ilustran en la figura 16.17. Al final de una espiración (v. fig. 16.17a), la zona conductora está llena de aire «viejo», es decir, aire con menos oxígeno y más dióxido de carbono que el aire atmosférico, ya que previamente ha ocupado los alvéolos, donde el oxígeno y el dióxido de carbono se intercambiaron con la sangre. En la siguiente inspiración (v. fig. 16.17b), los 150 ml de aire viejo se mueven a los alvéolos junto con 350 ml de aire fresco (asumiendo un volumen corriente de 500 ml). Por consiguiente, desde un punto de vista funcional, solo 350 ml de aire fresco entran en los alvéolos con cada respiración. La ventilación alveolar (VA o ventilaciónminuto alveolar) es una medida del volumen de aire fresco que llega a los alvéolos cada minuto. Es parecida a la ventilaciónminuto, salvo que la ventilación corriente se ha corregido con el volumen del espacio muerto (VEM): VA = (VC FR) – (VEM FR) = (500 ml/respiración 12 respiraciones/min) – (150 ml/respiración 12 respiración/min) = 4.200 ml/min En momentos en los que la demanda de oxígeno por parte de los tejidos aumenta, como durante el deporte, la ventilación alveolar debe incrementarse para satisfacer esa demanda, bien
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
COMPRENDER EL E JERCICIO
Efectos del ejercicio sobre la ventilación Cuando hacemos deporte, el organismo demanda más oxígeno y se tiene que eliminar más dióxido de carbono del cuerpo. Para alcanzar esa demanda, el aparato respiratorio tiene que incrementar la ventilaciónminuto alveolar. La ventilación aumenta durante el ejercicio físico como consecuencia del aumento de la velocidad de respiración o el volumen corriente. Para un ejercicio de intensidad media-baja, el ajuste que predo-
mina es el aumento del volumen corriente. Parece lógico, ya que aumentar el volumen corriente es más eficaz que incrementar la velocidad de respiración (recordemos que el volumen del espacio anatómico muerto se elimina con cada respiración). A medida que aumenta la intensidad del ejercicio físico, el volumen corriente se estabiliza aproximadamente en el 65% de la capacidad vital; cualquier aumento adicional de la ventilación se
incrementando el volumen corriente o la frecuencia respiratoria, o ambas (v. «Comprender el ejercicio: Efectos del ejercicio sobre la ventilación»). Como se ilustra en la tabla 16.1, es más eficiente aumentar la ventilación mediante el incremento del volumen corriente que mediante el incremento de la frecuencia respiratoria. La lógica es la siguiente: cuando aumenta la frecuencia respiratoria, el volumen del espacio muerto se elimina de forma efectiva en cada respiración adicional. Sin embargo, cuando el volumen corriente aumenta, el incremento total del volumen por encima del volumen del espacio muerto se añade al aire fresco, alcanzando los alvéolos.
Test rápido 16.4 1. Define los siguientes términos: volumen corriente, ventilación-minuto, presión intraalveolar, espacio muerto anatómico, ventilación alveolar. 2. Tras una inspiración máxima, una persona hace una espiración máxima. ¿Qué capacidad pulmonar corresponde al volumen de aire que se ha espirado? ¿Cómo se llama el volumen de aire que queda en los pulmones?
atribuye al incremento de la frecuencia respiratoria. Si se practica deporte a largo plazo (entrenamiento), hay muchos órganos, como el corazón o los músculos esqueléticos, que se hipertrofian y se vuelven más eficientes, aunque esto no les sucede a los pulmones. Sin embargo, al entrenar la respiración, puede convertirse en un proceso más eficiente, necesitando menos gasto energético para los músculos respiratorios.
3. Dado un volumen corriente de 450 ml, un volumen de espacio muerto de 150 ml y una frecuencia respiratoria de 15 respiraciones por minuto, ¿cuál es la ventilación-minuto? ¿Cuál es la ventilación-minuto alveolar?
Integración de sistemas En este capítulo hemos aprendido cómo la contracción de los músculos esqueléticos crea gradientes de presión que mueven el aire por los pulmones. Estos músculos esqueléticos están bajo el control de la parte somática del sistema nervioso somático. El aire inhalado contiene el tan necesario oxígeno, que difunde a los capilares pulmonares como se describirá en el capítulo 17. Al mismo tiempo, el dióxido de carbono de los capilares pulmonares difunde a los alvéolos para espirarse. Así, los pulmones son vitales para el suministro de oxígeno y la eliminación del dióxido de carbono, dos funciones que son fundamentales para cualquier sistema orgánico. En el siguiente capítulo, aprenderemos más sobre el proceso de intercambio entre la sangre y el aire, incluyendo el transporte de oxígeno por la sangre.
TABLA 16.1 Efectos de la frecuencia respiratoria y el volumen corriente en la ventilación-minuto alveolar Volumen corriente (ml)
Frecuencia respiratoria (respiraciones/min)
Ventilación-minuto (ml/min)
Ventilación-minuto alveolar (ml/min)*
300
20
6.000
3.000
500
12
6.000
4.200
1.000
6
6.000
5.100
500
24
12.000
8.400
1.000
12
12.000
10.200
*Se asume el volumen del espacio muerto = 150 ml.
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
473
RESUMEN DEL CAPÍTULO Sinopsis de la función respiratoria, pág. 452 La respiración es el proceso del intercambio de gases e incluye la respiración externa e interna. Los cuatro procesos de la respiración externa son: 1) ventilación pulmonar; 2) intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre los espacios de aire de los pulmones y la sangre; 3) transporte de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre, e 4) intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre la sangre y los tejidos sistémicos. Las funciones del aparato respiratorio son el suministro de oxígeno a los tejidos y la eliminación de dióxido de carbono, el equilibrio ácido-base de la sangre, la vocalización y la protección contra patógenos e irritantes que se encuentran en el aire.
Anatomía del aparato respiratorio, pág. 452 Las vías respiratorias superiores son la cavidad nasal, la cavidad oral y la faringe. Tras la faringe, hay un conducto común para alimentos y aire que luego se bifurca. El tubo respiratorio es la vía para el aire, y se puede dividir en dos zonas según la funcionalidad: zona conductora y zona respiratoria. La zona conductora (laringe, tráquea, bronquios y bronquíolos) conduce el aire desde la laringe hasta los pulmones. Esta zona está revestida por un epitelio que contiene células caliciformes y células ciliadas. La zona respiratoria (bronquíolos respiratorios, conductos alveolares, alvéolos y sacos alveolares) es el lugar del intercambio gaseoso dentro de los pulmones; los alvéolos son el principal sitio de intercambio. La pared de un alvéolo contiene células de tipo I y células de tipo II. Las células de tipo I y las células endoteliales de los capilares forman la membrana respiratoria en la que ocurre el intercambio de gases. Las células de tipo II secretan el surfactante pulmonar. Los macrófagos alveolares también se encuentran en los alvéolos. Las pleuras son membranas que revisten la pared torácica y los pulmones, formando un saco pleural alrededor de cada pulmón. El espacio entre las dos membranas, llamado espacio intrapleural, está lleno de una
capa fina de líquido intrapleural. La pared torácica está formada por la cavidad torácica, el esternón, las vértebras torácicas, los músculos asociados y el tejido conjuntivo. Los músculos de la pared torácica son los intercostales, externos e internos, y el diafragma.
Respiratory, Anatomy Review: Respiratory Structures, págs. 4–12 Respiratory, Pulmonary Ventilation, págs. 4–6
Fuerzas de la ventilación pulmonar, pág. 457 La presión atmosférica es la presión del aire fuera del cuerpo. La presión intraalveolar es la presión del aire que está dentro de los alvéolos. La presión intrapleural es la presión del líquido intrapleural. La presión transpulmonar es la diferencia entre la presión intrapleural y la presión intraalveolar. Como los pulmones y la pared torácica son elásticos, entre respiraciones, la pared torácica tiende a retraerse hacia fuera y los pulmones hacia dentro. Estas fuerzas tienden a separar la pared torácica de los pulmones, creando una presión intrapleural negativa. La inspiración y la espiración se producen por las diferencias entre la presión atmosférica y la presión intraalveolar. Estos gradientes de presión se crean cuando cambia el volumen de los pulmones. La inspiración se debe a la contracción del diafragma y los músculos intercostales externos; cuando estos músculos se contraen, el volumen de la cavidad torácica aumenta. Cuando la cavidad torácica se expande, la presión intrapleural disminuye, creando una fuerza que expande los pulmones cuando lo hace la cavidad torácica. La presión intraalveolar disminuye por debajo de la presión atmosférica y tiene lugar la inspiración. Durante la respiración calmada, la espiración ocurre cuando la pared torácica y los pulmones vuelven a su posición original de forma pasiva. La espiración activa implica la contracción de los músculos abdominales e intercostales internos.
Respiratory, Pulmonary Ventilation, págs. 3–13
Factores que afectan a la ventilación pulmonar, pág. 466 La velocidad de entrada o salida del aire de los pulmones está determinada por la magnitud del gradiente de presión que provoca el flujo y la resistencia de las vías respiratorias. Los pulmones tienen una gran distensibilidad, es decir, se estiran fácilmente para incrementar el volumen pulmonar para la inspiración. La resistencia de las vías respiratorias depende, principalmente, del radio de los túbulos del tubo respiratorio. La resistencia de las vías respiratorias suele ser baja, pero puede verse afectada por la mecánica respiratoria, el sistema nervioso autónomo, los factores químicos y las patologías.
Respiratory, Pulmonary Ventilation, págs. 4–18
Importancia clínica de los volúmenes respiratorios y de los flujos de aire, pág. 469 Los volúmenes y capacidades pulmonares pueden medirse usando un espirómetro. Los volúmenes pulmonares son el volumen corriente, el volumen de reserva inspiratorio, el volumen de reserva espiratorio y el volumen residual. Las capacidades pulmonares son la capacidad inspiratoria, la capacidad vital, la capacidad residual funcional y la capacidad pulmonar total. Otras medidas de la función pulmonar tienen en cuenta la velocidad de flujo de aire. La capacidad vital forzada es la cantidad de aire que una persona puede espirar tras una inspiración máxima, espirando lo más rápido posible y con la mayor fuerza posible. El volumen espiratorio forzado es una medida del porcentaje de la capacidad vital forzada que puede espirarse en un lapso de tiempo. La ventilación-minuto es la cantidad total de aire que entra o sale del aparato respiratorio en 1 min. La ventilación-minuto alveolar es una medida del volumen de aire fresco que alcanza los alvéolos cada minuto, que es la ventilación-minuto corregida con el volumen del espacio muerto. Para aumentar la ventilación-minuto alveolar, es más eficiente incrementar el volumen corriente que la tasa de respiración.
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Cuál de los siguientes es un elemento de la respiración interna? a) ventilación b) transporte de oxígeno en la sangre c) difusión del dióxido de carbono de los tejidos a la sangre d) difusión del oxígeno de la sangre a los tejidos e) fosforilación oxidativa
2. ¿Cuál de los siguientes no es una función de la zona conductora del aparato respiratorio? a) humidificar el aire b) ajustar el aire a la temperatura corporal c) intercambio de gases entre el aparato respiratorio y la sangre d) secreción de moco e) proteger los pulmones de partículas inhaladas
3. Las vías respiratorias más pequeñas de la zona conductora son a) bronquíolos terminales. b) bronquíolos respiratorios. c) conductos alveolares. d) sacos alveolares. e) bronquios. 4. El surfactante lo secretan a) las células caliciformes. b) los macrófagos alveolares.
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Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
c) las células tipo I. d) las células tipo II. e) las células ciliadas. 5. El producto del volumen corriente por la frecuencia respiratoria es igual a a) la velocidad de respiración. b) la capacidad pulmonar total. c) la ventilación alveolar. d) la ventilación-minuto. e) el volumen del espacio muerto. 6. Cuando todos los músculos respiratorios están relajados y la presión alveolar es cero, el volumen pulmonar es igual que a) el volumen residual. b) la capacidad vital. c) la capacidad residual funcional. d) el volumen corriente. e) la capacidad pulmonar total. 7. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones describe la capacidad residual funcional de los pulmones? a) La presión atmosférica, intraalveolar e intrapleural son todas iguales. b) Los pulmones tienden a colapsarse debido a sus propiedades elásticas. c) La pared torácica tiende a colapsarse debido a sus propiedades elásticas. d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 8. ¿Cuál de los siguientes factores disminuye la resistencia de las vías respiratorias? a) activación del sistema nervioso parasimpático b) adrenalina c) histamina 9. El surfactante pulmonar a) evita que se colapsen los alvéolos. b) evita que los alvéolos pequeños se junten con los alvéolos grandes. c) aumenta la distensibilidad pulmonar. d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 10. ¿Cuál de los siguientes músculos se contrae durante la espiración calmada? a) diafragma b) intercostales internos c) intercostales externos d) ninguna respuesta es correcta e) todas las respuestas son correctas
Preguntas objetivas 1. La contracción del diafragma aumenta la velocidad del flujo de aire durante la espiración forzada. (verdadero/falso) 2. Durante la inspiración, la presión transpulmonar (aumenta/disminuye). 3. Durante la inspiración, la presión intrapleural se vuelve (más/menos) negativa. 4. Si la resistencia de las vías respiratorias aumenta, se necesita una presión intraalveolar (mayor/menor) para producir una velocidad de flujo de aire determinada durante la espiración. 5. El surfactante pulmonar (aumenta/disminuye) la tensión de superficie del agua. 6. El surfactante pulmonar (aumenta/disminuye) la distensibilidad pulmonar. 7. El volumen del espacio muerto es el volumen de aire de la zona (conductora/respiratoria). 8. Las enfermedades pulmonares (obstructivas/restrictivas) se caracterizan por el aumento de la resistencia de las vías respiratorias. 9. Las células ———— secretan moco. 10. Los intercostales (internos/externos) son músculos inspiratorios.
Preguntas abiertas 1. Describe las diferentes formas en las que la estructura del aparato respiratorio se adapta para facilitar el intercambio gaseoso. 2. Describe el equilibrio entre las presiones de distensión y las fuerzas de retracción que actúan en los pulmones y la pared torácica en la CRF. Incluye en tu análisis una explicación de por qué la presión intrapleural es subatmosférica.
5. Describe el mecanismo de la ventilación. ¿Qué músculos se contraen para la inspiración? ¿Qué músculos se contraen para la espiración? ¿Cómo afecta la elasticidad de los pulmones y la pared torácica a la ventilación?
Pensamiento crítico 1. ¿Cuál de las curvas del gráfico representa un estado de mayor distensibilidad A o B? A Volumen
474
0
B
Presión de distensión, PD
2. Determina tu velocidad de respiración en reposo contando las veces que respiras en 1 min. Asume un volumen corriente de 500 ml y estima tu volumen de espacio muerto en 1 ml por 0,5 kg de masa corporal (es decir, si pesaras 75 kg, tu espacio anatómico muerto serían 150 ml). Calcula tu ventilación-minuto y tu ventilación-minuto alveolar. Durante el ejercicio, aumenta la demanda de oxígeno. Tu aparato respiratorio compensa esta demanda incrementado la ventilación-minuto alveolar. Calcula tu ventilación-minuto alveolar con tu tasa de respiración en reposo, pero con un aumento del volumen corriente del 50% (de 500 ml a 750 ml). ¿El aumento de la tasa de respiración o del volumen corriente incrementa de forma más eficiente la ventilación-minuto alveolar? ¿Por qué?
3. Explica la diferencia entre la ventilaciónminuto y la ventilación-minuto alveolar. Incluye un análisis de los efectos del volumen corriente en la ventilación alveolar.
3. Según la ley de Boyle, la presión es inversamente proporcional al volumen. En la figura 16.13, el volumen de la respiración parece aumentar hasta el final de la inspiración. ¿Qué presión, intraalveolar o intrapleural, sigue la ley de Boyle? ¿Por qué?
4. Describe la función del surfactante en la disminución de la tensión de superficie en los alvéolos. ¿Cuáles son algunas de las consecuencias de la disminución de la tensión de superficie?
4. Las arañas viuda negra liberan un veneno llamado latrotoxina, que mejora la liberación de la acetilcolina. El veneno es mortal, porque interfiere en la respiración. Explica cómo.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración Todos hemos aguantado la respiración alguna vez, puede que compitiendo por ver quién aguantaba más buceando o preparándonos para zambullirnos en la pis-
17
cina. Tras una inhalación máxima en condiciones normales, muchas personas pueden aguantar la respiración durante aproximadamente 1 min, pero, siguiendo un entrenamiento, algunas pueden llegar a aguantar más de 6 min. Antes de la llegada del submarinismo, los «buceadores a pulmón libre» eran quienes recogían perlas y esponjas, ya que se sumergían bajo el agua sin ningún tipo de ayuda ni de suministro de aire. Para poder permanecer bajo el agua, los buceadores solían disminuir la cantidad de dióxido de carbono de su sangre mediante la hiperventilación, es decir, respirando por encima de las necesidades del organismo en ese momento. En Japón, las amas (buceadoras que recogen perlas) siguen practicando el arte del buceo libre. Las amas son capaces de sumergirse a más de 30 m de profundidad y permanecer en el fondo recogiendo ostras durante más de 2 min antes de volver a la superficie. En este capítulo aprenderás cosas sobre el control de la respiración y el efecto del dióxido de carbono en ella. También aprenderás que la hiperventilación para aguantar la respiración bajo el agua es una práctica muy peligrosa. Mucha gente se ahoga por los mareos y la confusión que provoca la hiperventilación.
CONTENIDOS Sinopsis de la circulación pulmonar Difusión de gases
476
478
Intercambio de oxígeno y dióxido de carbono 480 Ilustración basada en la microfotografía electrónica de una membrana respiratoria.
Transporte de gases en la sangre 485 Regulación central de la ventilación
491
Control de la ventilación por parte de los quimiorreceptores Regulación local de la ventilación y la perfusión
495
498
Papel del aparato respiratorio en la homeostasis ácido-base 500
476
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
OBJETIVOS
Describir la vía circulatoria de la sangre oxigenada y sin oxigenar. Describir el intercambio de gases de los pulmones y de los tejidos sistémicos.
Enumerar las presiones parciales normales de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre arterial y en la sangre venosa mixta, además de explicar cómo contribuyen al intercambio gaseoso.
Describir el mecanismo de transporte de oxígeno y dióxido de carbono de la sangre.
Explicar la relación entre el PCO y el pH de la sangre. Describir las acciones de la anhidrasa carbónica en los eritrocitos a medida que la sangre pasa por la circulación sistémica y la circulación pulmonar.
Describir el mecanismo neural que establece el ritmo respiratorio. Distinguir entre los centros respiratorios que establecen el ritmo y los centros respiratorios que lo regulan.
Explicar la función de los quimiorreceptores centrales y periféricos en el control de la ventilación.
Describir cómo los cambios en la PO y la PCO de los tejidos pulmonares pueden alterar la ventilación. Explicar la relación ventilación-perfusión.
Explicar cómo el aparato respiratorio regula el equilibrio ácido-base de la sangre, variando la velocidad de espiración de dióxido de carbono.
2
2
2
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Difusión, pág. 102 2. Afinidad, pág. 69 3. Estructuras del tronco encefálico, pág. 230 4. Control de las contracciones del músculo esquelético, pág. 316 5. Vía del flujo sanguíneo, pág. 363 6. Componentes de la sangre, pág. 436 7. Hemoglobina, pág. 438
E
n el capítulo 16 vimos cómo entra y sale el aire de los pulmones. Pero ese solo es el primer paso de la respiración. Una vez en los pulmones, el oxígeno tiene que difundirse a la corriente sanguínea, y el dióxido de carbono tiene que difundirse desde la sangre a los pulmones. La difusión de oxígeno y dióxido de carbono se rige por la ley de Fick de la difusión, que ya presentamos en el capítulo 4. En este capítulo examinaremos cómo pueden viajar en la sangre los gases enlazados a una proteína, la hemoglobina, y cómo pueden convertirse en otra molécula gracias a una enzima. Ambos procesos siguen la ley de acción de masas, que se vio en el capítulo 3. El sistema nervioso autónomo y el sistema nervioso somático (descritos en el capítulo 11) controlan de forma exhaustiva las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono de la sangre. En este capítulo aprenderemos cómo se intercambian de forma eficiente el oxígeno y el dióxido de carbono entre los alvéolos y la sangre, y cómo transporta la sangre oxígeno y
dióxido de carbono hacia y desde los tejidos, respectivamente. También veremos cómo se regula la ventilación para mantener el suministro de oxígeno apropiado para los tejidos, incluso cuando cambia la demanda.
Sinopsis de la circulación pulmonar El organismo puede tener hambre o sed, pero cuando necesita oxígeno es totalmente voraz. En reposo, las células del organismo consumen unos 250 ml de oxígeno y producen unos 200 ml de dióxido de carbono cada minuto. Para mantener la homeostasis, el organismo debe obtener el oxígeno de la atmósfera y expulsar a ella el dióxido de carbono. Para suministrar a las células el oxígeno que necesitan, un hombre adulto medio inhala 6.000 ml de aire por minuto, de los cuales 4.200 ml llegan a los alvéolos. Alrededor de 882 ml de este aire (21%) es oxígeno, del cual unos 250 ml difunden desde los alvéolos a la sangre para el posterior consumo en las células del organismo; los 632 ml restantes se espiran. El organismo consume 360.000 ml de oxígeno al día, a una media de 250 ml/min. En la mayoría de circunstancias, las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre arterial sistémica se mantienen relativamente constantes por dos razones: 1) el oxígeno se mueve desde el aire alveolar a la sangre al mismo ritmo con el que lo consumen los tejidos, y 2) el dióxido de carbono se mueve al aire alveolar desde la sangre al mismo ritmo que lo producen los tejidos (fig. 17.1). La relación entre la cantidad de dióxido de carbono que produce el organismo y la cantidad de oxígeno que consume se llama cociente respiratorio. De media, las células consumen 250 ml/min, mientras que producen 200 ml de dióxido de carbono en estado de reposo, así que la media de cociente respiratorio en reposo es de 0,8 (200/250 = 0,8). El cociente respiratorio varía con la dieta, ya que esta afecta al metabolismo. Por ejemplo, una dieta rica en grasas conlleva un cociente respiratorio relativamente bajo (cerca del 0,7), porque durante el catabolismo lipídico el oxígeno se consume de forma independiente de la producción de dióxido de carbono. El catabolismo lipídico también varía con el ejercicio, y durante la hipoventilación y la hiperventilación. La figura 17.1 muestra el movimiento de oxígeno y dióxido de carbono hacia y desde los pulmones y tejidos en estado de reposo. El oxígeno entra en los alvéolos y el dióxido de carbono los abandona por el flujo masivo de aire durante la ventilación. La sangre sin oxigenar vuelve a través de las venas sistémicas a la aurícula derecha del corazón. Entonces, la sangre entra en el ventrículo derecho, que bombea sangre hacia los pulmones a través de las arterias pulmonares. Cada minuto, la sangre sin oxigenar de las arterias pulmonares transporta unos 750 ml de oxígeno y 2.700 ml de dióxido de carbono a los pulmones. En los capilares pulmonares, el oxígeno difunde desde los alvéolos a la sangre a un ritmo de 250 ml/min, y el dióxido de carbono difunde desde la sangre a los alvéolos a un ritmo de 200 ml/min. Por tanto, la sangre oxigenada de las venas pulmonares transporta unos 1.000 ml de oxígeno por minuto (750 ml/min en la sangre sin oxigenar más 250 ml/min que añaden los alvéolos) y 2.500 ml de dióxido de carbono por minuto (2.700 ml/min en la sangre sin oxigenar menos 200 ml/min que se pierden en los alvéolos). La sangre oxigenada abandona los pulmones y vuelve a la aurícula izquierda a través de las venas pulmonares. Entonces, la sangre entra al ventrículo izquierdo, que la bombea a las células del organismo a través de las arterias sistémicas. En los capilares sis-
C A P Í T U LO 1 7 882 ml/min O2
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
477
200 ml/min CO2 632 ml/min O2 Alvéolo de los pulmones
250 ml/min 200 ml/min O2 CO2 1000 ml/min O2 2.500 ml/min CO2
750 ml/min O2 2.700 ml/min CO2
Alvéolos
Capilares pulmonares Arterias pulmonares
Venas pulmonares
Membrana respiratoria
Espacio de aire alveolar
Aurícula derecha
Aurícula izquierda
Ventrículo derecho
Ventrículo izquierdo
Venas sistémicas
Arterias sistémicas Capilares sistémicos
Célula tipo I (célula epitelial de la pared alveolar)
Sangre oxigenada
CO2 O2
Membrana basal alveolar Membrana basal capilar Célula endotelial de la pared capilar
Sangre no oxigenada Capilar
FIGURA 17.2 Membrana respiratoria. El intercambio de oxígeno y 750 ml/min O2 2.700 ml/min CO2
1.000 ml/min O2 2.500 ml/min CO2 200 ml/min CO2
Sangre oxigenada Sangre no oxigenada
250 ml/min O2
dióxido de carbono entre los alvéolos y la sangre ocurre por difusión simple a través de la membrana respiratoria, que está compuesta de una sola capa de células epiteliales de tipo I que revisten el alvéolo, una sola capa de células endoteliales que revisten el capilar, y las membranas basales alveolares y capilares.
Células en los tejidos por todo el organismo
FIGURA 17.1 Movimiento de oxígeno y dióxido de carbono en los tejidos pulmonares y sistémicos en reposo. En los lechos de capilares pulmonares, el oxígeno difunde desde los alvéolos a la sangre y el dióxido de carbono, desde la sangre a los alvéolos. En los lechos de capilares sistémicos, el oxígeno difunde desde la sangre a las células, y el dióxido de carbono desde las células a la sangre. En condiciones de reposo, ¿cuánta sangre por minuto es bombeada P a los pulmones?
témicos, difunden 250 ml de oxígeno por minuto desde la sangre a las células y difunden 200 ml de dióxido de carbono desde las células a la sangre. Ahora, la sangre sin oxigenar vuelve a la aurícula derecha y el ciclo comienza de nuevo. El oxígeno y el dióxido de carbono se mueven entre el aire alveolar y la sangre por difusión a favor de su gradiente de con-
centración. El oxígeno se encuentra en los alvéolos en una concentración mayor y difunde a la sangre, mientras que el dióxido de carbono se encuentra en la sangre en una concentración mayor y difunde a los alvéolos. En el capítulo 4 vimos que el oxígeno y el dióxido de carbono son capaces de atravesar las membranas celulares por difusión simple; también vimos que la velocidad de transporte en la difusión simple es proporcional a la magnitud del gradiente de concentración, el área de la superficie de la membrana a través de la que se mueve y la permeabilidad de la membrana a esa sustancia en particular. La figura 17.2 muestra la estructura de una membrana respiratoria, que se compone de tres capas: células epiteliales de tipo I en la pared alveolar y células endoteliales en la pared capilar intercaladas rodeadas por sus membranas basales fusionadas. La membrana respiratoria supone una gran área de superficie de membrana muy fina, lo que favorece la alta tasa de difusión de oxígeno y dióxido de carbono entre el aire alveolar y la sangre.
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
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Presiones parciales y ley de Dalton Según la ley de gases ideales, para cualquier gas puro, PV = nRT, donde P = presión, V = volumen, n = número de moles, R = constante universal de gases y T = temperatura. Si V y T son constantes, entonces la presión que ejerce un gas es directamente proporcional al número de moles del gas. Si 1 mol de helio produce una presión de 100 mmHg, por ejemplo, entonces 2 moles de helio del mismo volumen y temperatura ejercerán una presión de 200 mmHg. ¿Y una mezcla de dos gases? Si empezamos con 1 mol de helio a 100 mmHg y luego añadimos un mol de oxígeno, ¿qué pasará con la presión? Ten en cuenta que la ley de gases ideales no depende del tipo de gas, todos los gases se comportan de forma idéntica en lo que se refiere a la presión. Por tanto, la presión de la mezcla sería de 200 mmHg, igual que si hubiéramos añadido otro mol de helio.
En 1801, el químico inglés John Dalton formuló una ley relativa a la mezcla de gases. La ley de Dalton argumenta que la presión que ejerce una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones ejercidas por los gases individuales que ocupen el mismo volumen por separado. La presión que ejerce un gas individual en una mezcla se llama presión parcial de dicho gas. Por consiguiente, la presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales ejercidas por cada gas de la mezcla:
Test rápido 17.1
sión del gas entero debida a la presencia del gas individual (v. «Caja de herramientas: Presiones parciales y ley de Dalton»). Por ejemplo, si se mezclan helio y nitrógeno a proporciones iguales y la presión de la mezcla es de 500 mmHg, entonces la mitad de la presión (250 mmHg) la ejerce el helio y la otra mitad el nitrógeno. En este ejemplo, 500 mmHg es la presión total de la mezcla y 250 mmHg es la presión parcial del helio o del nitrógeno. La presión parcial de una mezcla gaseosa viene determinada por dos factores: 1) la concentración fraccional del gas, que es la cantidad de dicho gas (moles) en relación con la cantidad total de gas de la mezcla, y 2) la presión total ejercida por la mezcla gaseosa. Para calcular la presión parcial de un gas, se multiplican estos dos factores. El aire está compuesto en su mayor parte de dos gases: nitrógeno y oxígeno. (También hay otros gases, como dióxido de carbono, argón, neón, helio y metano, pero solo se encuentran en pequeñas cantidades.) La cantidad de vapor de agua del aire depende de la humedad. La presión total del aire puede describirse como la suma de las presiones parciales de los gases que en él se encuentran más la presión del vapor de agua:
1. En condiciones normales, si los tejidos en respiración consumen oxígeno a un ritmo de 250 ml/min, ¿a qué ritmo difunde el oxígeno desde los alvéolos a la sangre? 2. Si las células del organismo consumen 300 ml de oxígeno por minuto y producen 270 ml de dióxido de carbono por minuto, ¿cuál es el cociente respiratorio? 3. ¿Qué vasos sanguíneos contienen sangre con una mayor concentración de oxígeno, las arterias pulmonares o las venas pulmonares?
Difusión de gases Hemos visto que los movimientos generales de oxígeno y dióxido de carbono entre los pulmones y los tejidos sistémicos ocurren por difusión a favor de los gradientes de concentración. En esta sección analizaremos con más detalle cómo se establecen estos gradientes, y comprobaremos que estos se ven afectados por las presiones parciales y las solubilidades del oxígeno y el dióxido de carbono.
Ptotal = P1 + P2 + P3 + … + Pn donde n es el número total de gases de la mezcla.
Paire = PN + PO + PH O
Presión parcial de los gases En el capítulo 16 vimos que la presión de un gas depende de su temperatura y el número de moléculas gaseosas contenidas en un volumen dado. (La relación exacta se describió en el capítulo 16, «Caja de herramientas: Ley de Boyle y ley de los gases ideales», pág. 462). Un gas, por ejemplo aire, suele ser una mezcla de más de un tipo de moléculas. La presión total de dicho gas es la suma de las presiones de los gases individuales que componen la mezcla: Ptotal = P1 + P2 + P3 + … + Pn
2
2
2
Según la molaridad, el nitrógeno es el gas más abundante en el aire, ya que supone el 79% de sus moléculas. El oxígeno es el siguiente gas más abundante, con un 21%. Dependiendo de la humedad, el agua puede ser un componente crítico del aire, disminuyendo la contribución de otros dos gases a la presión total del aire. A nivel del mar, la presión del aire es de 760 mmHg. Suponiendo que la humedad es igual a cero, la presión parcial de los gases primarios del aire es: PN = 0,79 760 mmHg = 600 mmHg 2
donde n es el número de gases. En cualquier mezcla de gases, la presión parcial de un gas individual es la proporción de pre-
PO = 0,21 760 mmHg = 160 mmHg 2
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
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C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Ley de Henry y solubilidad de los gases Los gases se pueden disolver en líquidos. La solubilidad de un gas en un líquido depende de la temperatura, la presión parcial del gas respecto al líquido, las propiedades químicas del gas y las propiedades químicas del líquido. Si hay un gas sobre un líquido, entonces el gas se disolverá en el líquido hasta que se alcance un equilibrio. En equilibrio, el número de moléculas de gas disueltas en el líquido es igual al número de moléculas de gas que abandonan el líquido. Sin embargo, las concentraciones de gas (moles/l) en el aire y en el líquido no son iguales en equilibrio. La concentración de gas en el líquido depende la solubilidad específica de ese gas en ese líquido determinado: cuanto más soluble, mayor concentración de gas en el líquido. En 1803, William Henry desarrolló una ley para describir la solubilidad de los gases en líquidos. Básicamente, la ley de Henry argumenta que cuando la temperatura es constante, la concentración de un gas en un líquido es proporcional a su presión parcial. En términos matemáticos: c = kP donde c es la concentración molar del gas disuelto (moles/l), P es la presión parcial del gas y k es la constante de la ley de Henry a una temperatura específica (determinada de forma experimental; las constantes se pueden consultar en las tablas). La relación entre la concentración y la presión se puede formular así:
Ya que k es una constante, si la presión cambia, la relación entre la concentración de gas disuelto a una presión inicial (P1) y a una presión subsiguiente (P2) se describe así: c1/P1 = c2/P2 Por tanto, si la presión se dobla, la concentración de gas disuelto en el líquido también se dobla. Según la ley de Henry, en el cuerpo humano, los gases como el nitrógeno, el oxígeno y el dióxido de carbono se disuelven en el plasma y otros líquidos del organismo. La presión parcial del gas disuelto es igual a la presión parcial del gas que rodea al líquido. A cualquier presión parcial dada, la concentración de dióxido de carbono disuelto en el plasma es mayor que la concentración de oxígeno en el plasma, porque el dióxido de carbono es más soluble. Para cada gas, a medida que aumenta la presión parcial, la concentración también aumenta. Ya que la concentración de un gas en el plasma está directamente relacionada con la presión parcial del gas, el movimiento de un gas por difusión ocurre desde zonas de presión parcial alta (o concentración alta) hacia zonas de presión parcial baja (o concentración baja).
k = c/P
El dióxido de carbono supone solo el 0,03% de las moléculas del aire, de forma que la presión parcial del dióxido de carbono del aire es PCO = 0,0003 760 mmHg = 0,23 mmHg 2
Recuerda del capítulo 16 que, a medida que el aire se mueve a través de la zona de conducción, se humidifica hasta saturarse (humedad del 100%). A una humedad del 100% y 37 °C, la presión parcial del agua es de 47 mmHg. Dado que el agua contribuye de forma significativa a la presión del aire que entra en los pulmones, la presión parcial de los otros gases del aire disminuye a los siguientes valores: PN = 563 mmHg, PO = 150 mmHg y PCO = 0,21 mmHg. 2
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Solubilidad de gases en líquidos Las moléculas de gases pueden existir en forma gaseosa o estar disueltas en líquidos. La capacidad de un gas para disolverse en agua tiene una importancia fisiológica, porque el oxígeno y el dióxido de carbono se intercambian entre el aire de los alvéolos y la sangre (que es básicamente agua), que posteriormente transporta los gases. Incluso cuando las moléculas de gas se disuelven en un líquido siguen teniendo cierta presión parcial. Cuando una mezcla gaseosa y un líquido entran en contacto, las moléculas de gas se disuelven en el líquido hasta que el sistema alcanza un equilibrio, punto en el que las moléculas de gas se
disuelven en el líquido al mismo ritmo que las moléculas de gas pasan de líquido a estado gaseoso. En equilibrio, se dice que las moléculas de gas disuelto y las moléculas en estado gaseoso tienen la misma presión parcial y la concentración de las moléculas de gas en el líquido es proporcional a la presión parcial del gas. A una presión parcial dada, la concentración relativa de diferentes moléculas de gas disueltas difiere de un gas a otro, ya que algunos gases son más solubles en un líquido determinado que otros gases, es decir, algunos gases se mezclan más fácilmente con el líquido. Por ejemplo, el dióxido de carbono es 20 veces más soluble en la sangre que el oxígeno. Por tanto, la concentración de gas disuelto no solo depende de la presión parcial, sino también de la solubilidad del gas en un líquido concreto. La relación entre concentración, presión parcial y solubilidad de un gas se describe en la ley de Henry, expresada matemáticamente así: c = kP donde c es la concentración molar del gas disuelto (moles/litro), P es la presión parcial del gas en atmósferas (1 atmósfera = 760 mmHg) y k es la constante de la ley de Henry que varía según la temperatura del gas (v. «Caja de herramientas: Ley de Henry y solubilidad de los gases»). Vamos a ver primero un ejemplo común de la ley de Henry. Piensa en la última vez que abriste una botella de bebida gaseo-
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
Molécula de O2 sa. La bebida se embotelló bajo alta presión para forzar la disolución de más gas, principalmente dióxido de carbono, en el Aire Aire líquido. Cuando se destapó la botella, la presión del gas de la botella disminuyó [O2]Aire = 5,2 mmoles/l según se equilibraba con la presión atmosférica; la presión del dióxido de carPO2 = 100 mmHg PO2 = 100 mmHg Equilibrado bono de la botella disminuyó hasta unos 0,23 mmHg. Cuando la presión parcial del dióxido de carbono del gas de la botella disminuyó, el dióxido de carbono ya no [O2]Agua= 0,15 mmoles/l estaba en equilibrio en el gas ni en el PO2 = 0 PO2 = 100 mmHg líquido, así que las burbujas subían del Agua Agua líquido a medida que salían de la solución, lo que disminuyó la presión parcial del dióxido de carbono en el líquido hasta (a) que se estableció un nuevo equilibrio. De esta forma, la bebida se quedó sin burbuMolécula de CO2 jas. Puede ocurrir un fenómeno similar en los líquidos del organismo, como se describe en «Conexiones clínicas: AeroemAire Aire bolismo». La figura 17.3a nos muestra la solubi[CO2]Aire = 5,2 mmoles/l lidad del oxígeno en el agua. El sistema comienza exponiendo agua al aire que PCO2 = 100 mmHg PCO2 = 100 mmHg Equilibrado tiene una presión parcial de 100 mmHg de oxígeno. Al principio, no se disuelve oxígeno en el agua. Con el tiempo, el oxígeno se disuelve en el agua y aumenta la [CO2]Agua= 3 mmoles/l concentración de oxígeno en el agua hasPCO2 = 0 PCO2 = 100 mmHg ta que se alcanza un equilibrio, que es Agua Agua hasta que el número de moléculas de oxígeno disueltas en agua por unidad de tiempo sea equivalente al número de (b) moléculas de oxígeno que salen del agua. Cuando un gas está en equilibrio con FIGURA 17.3 Solubilidad del oxígeno y del dióxido de carbono en el agua. Los vasos de un líquido, la presión parcial del gas en precipitados de la izquierda representan las condiciones iniciales en las que el agua se acaba de exponer el líquido equivale a la presión parcial del al aire que tiene una presión parcial de gas de 100 mmHg; los vasos de precipitados de la derecha gas en el aire; en equilibrio, la presión muestran las condiciones tras el equilibrio, cuando el gas se ha disuelto en el agua hasta que las presiones parcial de oxígeno en el agua es de parciales del gas en ambos medios son iguales. (a) Tras el equilibrio, la concentración de oxígeno en el 100 mmHg. (Este análisis asume que el agua es mucho menor que su concentración en el aire, lo que indica que la solubilidad del oxígeno en volumen de aire es considerablemente el agua es baja. (b) Tras el equilibrio, la concentración de dióxido de carbono en el agua es mayor que la mayor que el volumen de agua, de forma del oxígeno en el agua a la misma presión parcial, lo que indica que el dióxido de carbono es más soluble que la cantidad de oxígeno que se disuelen agua que el oxígeno. ve en el agua es suficientemente pequeña como para no cambiar la presión parcial del oxígeno en el aire.) misma presión parcial. De esta forma, podemos ver que el dióxiQue la presión parcial de oxígeno en el aire y el agua en equido de carbono es mucho más soluble en el agua que el oxígeno. librio sean iguales no significa que las concentraciones de oxígeno en el aire y en el agua también lo sean. De hecho, las concenComprueba tus conocimientos traciones están lejos de ser iguales, porque el oxígeno tiene una baja solubilidad en el agua. La concentración de oxígeno en el A nivel del mar, la presión atmosférica es de 760 mmHg. Sin embargo, aire a 100 mmHg y 37 °C (como establece la ley de Boyle) es de en la cima del Everest, la presión atmosférica es de solo 250 mmHg. Si 5,2 mmoles/l, mientras que la concentración de oxígeno en agua sabemos que el 21% del aire es oxígeno en ambos sitios, ¿cuál es la a 100 mmHg y 37 °C (como establece la ley de Henry) es de presión parcial del oxígeno en la cima del Everest? 0,15 mmoles/l. Podemos realizar el mismo análisis con dióxido de carbono, empezando de nuevo con una presión parcial de 100 mmHg (fig. 17.3b). Cuando está en equilibrio con el agua, la concentración de dióxido de carbono en el aire es de 5,2 mmoles/l, la misma que la del oxígeno a 100 mmHg. Sin embargo, la concentración de dióxido de carbono en el agua es de 3 mmoles/l, lo que En mezclas gaseosas, un gas concreto difundirá a favor de es mucho más que la concentración de oxígeno en el agua con la su gradiente de presión parcial. El oxígeno y el dióxido de car-
Intercambio de oxígeno y dióxido de carbono
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CONEXIONES CLÍNICAS
Aeroembolismo En 1943, Jaques Cousteau diseñó el primer aparato unitario de respiración subacuática (SCUBA, por sus siglas en inglés) para su uso en estudios de biología marina y oceanografía. Desde entonces, el buceo asistido ha crecido como actividad de ocio y millones de personas están registradas como buceadores. La mayoría de los buceadores no profesionales respiran aire normal de tanques que les permiten sumergirse durante 30-60 min. Cuando bucean, controlan la profundidad a la que se encuentran, porque la presión aumenta con la profundidad: por cada 10 m de profundidad, la presión aumenta en 760 mmHg (o 1 atm). A medida que un buceador profundiza, el incremento de presión provoca una aumen-
to en la concentración de gases, especialmente de nitrógeno, disueltos en la sangre (según la ley de Henry, c = kP, así que si P aumenta, c aumenta). Si un buceador sube demasiado rápido a la superficie, las burbujas de nitrógeno salen de la sangre a medida que la presión disminuye (igual que el dióxido de carbono sale de un líquido carbonatado cuando la presión disminuye abriendo la botella), provocando el síndrome de descompresión. Las burbujas de nitrógeno suelen alojarse en articulaciones y en el sistema nervioso, así que provocan desde dolores en las articulaciones a parálisis o, incluso, muerte. Las burbujas de gas obstruyen los vasos sanguíneos, produciendo aeroembolismo
bono se intercambian entre los alvéolos y la sangre, y entre la sangre y los tejidos sistémicos por el mismo mecanismo: cada gas difunde a favor de su propio gradiente de presión parcial. En esta sección se describen las presiones parciales que hay en los alvéolos y la sangre, y el intercambio gaseoso que sucede.
Intercambio gaseoso en los pulmones
(embolismo arterial por gas). Al salir a la superficie de forma lenta, aproximadamente 30 cm/s, y permitiendo que el nitrógeno salga de la solución lentamente, los buceadores pueden protegerse a sí mismos del aeroembolismo. A un buceador que padezca aeroembolismo debe trasladarse inmediatamente a una cámara hiperbárica para la recompresión. La recompresión hace que las burbujas de nitrógeno vuelvan a estar en solución; entonces, se disminuye la presión lentamente hasta la presión atmosférica, permitiendo que el exceso de nitrógeno salga lentamente de la disolución y se elimine del organismo durante la respiración normal.
Las presiones gaseosas alveolares difieren de las presiones atmosféricas por tres motivos: 1) el intercambio gaseoso ocurre continuamente entre el aire alveolar y la sangre capilar; 2) durante la inspiración, el aire fresco de la atmósfera se mezcla con aire rico en dióxido de carbono y relativamente pobre en oxígeno en el espacio muerto de la zona conductora, y 3) el aire de los alvéolos está saturado de vapor de agua. La sangre que entra en los capilares pulmonares es sangre sin oxigenar, con una PO de 40 mmHg y una PCO de 46 mmHg. A medida que esta sangre pasa por los alvéolos, el oxígeno y el dióxido de carbono difunden a favor de sus gradientes de presión parcial: el oxígeno difunde desde los alvéolos a la sangre (PO alveolar = 100 mmHg; PO sanguínea = 40 mmHg), mientras que el dióxido de carbono difunde desde la sangre a los alvéolos (PCO sanguínea = 46 mmHg; PCO alveolar = 40 mmHg). Finalmente, la difusión consigue el equilibrio entre el aire alveolar y la sangre capilar, de forma que la sangre que sale de los capilares pulmonares y entra en las venas pulmonares tiene una PO de 100 mmHg y una PCO de 40 mmHg (las mismas presiones parciales que las de los alvéolos). La difusión es un proceso rápido (la sangre tarda unos 0,25 s en equilibrarse con el aire alveolar) que está casi completo para cuando la sangre ha recorrido solo un tercio de la longitud de los capilares (fig. 17.5). La rapidez del intercambio gaseoso asegura un margen de seguridad en aquellos gases que siguen equilibrándose entre la sangre capilar y el aire alveolar incluso si la sangre está fluyendo a un ritmo tres veces más rápido de la velocidad de reposo, como puede ocurrir durante el ejercicio físico. La velocidad de difusión es rápida por la delgadez de la membrana respiratoria. 2
Las presiones parciales representativas de oxígeno y dióxido de carbono en el aire alveolar, la sangre y los tejidos respiratorios se enumeran en la tabla 17.1 y se muestran en la figura 17.4. Recuerda que, en el aire atmosférico, la PO es 160 mmHg, y la PCO es 0,23 mmHg. No obstante, hay que destacar que, en la figura 17.4, la PO es 100 mmHg, mientras que la PCO es 40 mmHg. 2
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TABLA 17.1 Presiones parciales típicas del oxígeno y el dióxido de carbono en el aire atmosférico y en varios sitios del organismo Oxígeno
Dióxido de carbono
Aire atmosférico
160 mmHg
0,3 mmHg
Aire alveolar
100 mmHg
40 mmHg
Venas pulmonares
100 mmHg
40 mmHg
Arterias sistémicas
100 mmHg
40 mmHg
40 mmHg
46 mmHg
Venas sistémicas
40 mmHg
46 mmHg
Arterias pulmonares
40 mmHg
46 mmHg
Células
2
2
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2
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración Aire atmosférico (mmHg) PO2 160 Aire alveolar (mmHg)
PCO2 0.3
PO2 100
O2 CO2 O2
PCO2 40
CO2 Venas pulmonares (mmHg)
Arterias pulmonares (mmHg)
PO2 40
Venas sistémicas (mmHg) PO2 40
PCO2 46
PO2 100
Capilares pulmonares Arterias pulmonares
Venas pulmonares
Venas sistémicas
Arterias sistémicas Capilares sistémicos
PCO2 46
Células (mmHg) CO2
O2 PO2 40
Sangre oxigenada Sangre no oxigenada
Células en los tejidos por todo el organismo
FIGURA 17.4 Presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono en el aire atmosférico, en el aire alveolar y en varios sitios del organismo. El oxígeno y el dióxido de carbono difunden bajo sus gradientes de concentración desde presiones parciales altas a presiones parciales bajas. En los lechos de capilares pulmonares, el oxígeno difunde desde los alvéolos a la sangre, y el dióxido de carbono difunde desde la sangre a los alvéolos. En las células, el oxígeno difunde desde la sangre a las células, y el dióxido de carbono difunde desde las células a la sangre. ¿En qué lugar del organismo la presión parcial del dióxido de carbono excede a la presión parcial P del oxígeno?
PCO2 46
PCO2 40
Arterias sistémicas (mmHg) PO2 100 PCO2 40
PO2 alveolar
Intercambio gaseoso en el tejido respiratorio
100 Presión parcial del O2 (mmHg)
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La sangre oxigenada en los capilares pulmonares regresa a la aurícula izquierda a través de las venas pulmonares. Entonces la sangre fluye al ventrículo izquierdo, que la bombea hacia los capilares sistémicos, donde se intercambian los gases entre las células tisulares y la sangre. La sangre que entra en los capilares sistémicos tiene una PO de 100 mmHg y una PCO de 40 mmHg (v. fig. 17.4). En el líquido intersticial que rodea los capilares, la PO es más baja, porque las células respiratorias consumen oxígeno, y la PCO es más alta, porque las células producen dióxido de carbono. Cuando el oxígeno y el dióxido de carbono difunden a favor de sus gradientes de presión, el oxígeno se mueve desde la sangre al tejido, y el dióxido de carbono desde el tejido a la sangre. Las presiones parciales reales del oxígeno y el dióxido de carbono en la sangre venosa que abandona los capilares sistémicos varía dependiendo de la actividad metabólica del tejido y el flujo de sangre en él. Durante el ejercicio físico intenso, por ejemplo, la actividad metabólica del músculo esquelético es alta en relación con su flujo de sangre y, por tanto, la PCO del líquido intersticial alrededor del tejido muscular será más baja, y la PCO será más alta que en un tejido menos activo. Con mayores gradientes de presión entre la sangre capilar y el líquido intersticial, el intercambio gaseoso se hace más rápido y se intercambian más moléculas de gas. Difunde más oxígeno desde la sangre al líquido intersticial, y difunde más dióxido de carbono del líquido intersticial a la sangre. Por tanto, la sangre venosa que viene de los capilares que irrigan a un tejido activo tendrá una PO más baja y una PCO más alta que la sangre venosa que viene de los capilares que irrigan tejidos menos activos. Toda la sangre venosa regresa a la aurícula derecha y se mezcla, siendo bombeada por el ventrículo derecho a la arteria pulmonar. Por tanto, la sangre de la arteria pulmonar se llama sangre venosa mixta. Normalmente, la PO de la sangre venosa mixta es de 40 mmHg en una persona en reposo y la PCO es de 46 mmHg (v. fig. 71.4). No obstante, durante el ejercicio intenso, el valor de la PO disminuye y el da la PCO aumenta.
PO2
2
2
2
40
2
PO2 venosa mixta
0
33 50 75 100 Longitud del capilar (porcentaje del total)
(a)
2
Presión parcial del CO2 (mmHg)
2
PCO2 venosa mixta 46
2
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40 PCO2 alveolar
2
35 0
2
33 50 75 100 Longitud del capilar (porcentaje del total)
2
(b)
2
FIGURA 17.5 Intercambio gaseoso en función de la longitud del
Determinantes de la PO2 y la PCO2 alveolares
capilar. En el intercambio gaseoso rápido entre el aire alveolar y la sangre capilar pulmonar, el equilibrado de la presión parcial de oxígeno (a) y el dióxido de carbono (b) tiene lugar dentro del primer 33% de la longitud del capilar. La sangre venosa mixta se refiere a la sangre de la arteria pulmonar, que contiene sangre que ha regresado al corazón desde las venas sistémicas.
Ya que la PO y la PCO alveolares determinan la PO y la PCO arteriales sistémicas, es importante comprender los factores que afectan a las presiones parciales alveolares. La PO y la PCO alveolares suelen estar determinadas por tan solo tres factores: 1) la PO y la PCO del aire inspirado; 2) la ventilación-minuto alveolar (el volumen de aire fresco que alcanza los alvéolos cada minuto), y 3) las velocidades a las que los tejidos respiratorios consumen oxígeno y producen dióxido de carbono. En la mayoría de condiciones, las presiones parciales del aire espirado no cambian de forma apreciable y pueden asumirse como constantes (salvo excepciones como los cambios de altitud y el uso de mezclas de respiración artificial, como las del 95% de O2 con un 5% de CO2 que se administran con fines terapéuticos). Por tanto, las presiones parciales alveolares suelen estar determinadas por la ventilación alveolar y la velocidad de consumo de oxígeno y producción de dióxido de carbono. En concreto, el factor crucial es la ventilación alveolar en relación con la velocidad de consumo de oxígeno o de producción de dióxido de carbono. En circunstancias normales, la ventilación alveolar satisface la demanda de los tejidos, es decir, si el consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono aumentan, la ventilación 2
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Dondequiera que la membrana respiratoria se engruese, el intercambio respiratorio se dificulta. Por ejemplo, durante un edema pulmonar, el exceso de líquido se acumula en los espacios intersticiales de los pulmones y alvéolos, incrementando de forma efectiva la distancia entre alvéolos y capilares y, por tanto, aumentando el grosor de la barrera de difusión entre el aire y la sangre. Esta barrera más gruesa disminuye la velocidad de difusión de los gases, lo que reduce el intercambio gaseoso entre aire alveolar y sangre capilar, haciendo que la sangre arterial sistémica tenga una PO más baja y una PCO más alta de lo normal. El organismo intentará compensar el descenso de PO y el incremento de PCO en la sangre arterial aumentando la ventilación. (Para más detalles v. «Conexiones clínicas: Edema pulmonar»). 2
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CONEXIONES CLÍNICAS
Edema pulmonar El edema pulmonar, la acumulación de exceso de líquido en los pulmones, es una afección peligrosa bastante común. Se identifica por una insuficiencia respiratoria (incluyendo taquipnea, es decir, respiración rápida superficial) y por un nivel bajo de oxígeno en los tejidos (hipoxia), que se hace evidente por una coloración azulada (cianosis) de la piel y las membranas mucosas. El edema pulmonar sucede en dos fases: edema intersticial, en el que el exceso de líquido se acumula en los espacios intersticiales del tejido pulmonar, y edema alveolar, en el que el líquido se acumula en los alvéolos. En los casos graves, el líquido puede incluso moverse a las vías respiratorias, caso en el que la persona afectada puede toser y expulsar una sustancia espumosa. El edema pulmonar interfiere en la respiración de dos formas: 1) incrementando la distancia que los gases tienen que difundir para moverse entre el aire alveolar y la sangre capilar, lo que impide el
intercambio gaseoso, y 2) interfiriendo con la acción del surfactante pulmonar, lo que provoca una disminución de la distensibilidad pulmonar y, por tanto, un aumento del trabajo de respirar. El edema pulmonar es parecido al edema sistémico (v. capítulo 14). La causa más común del edema pulmonar es un incremento de la presión hidrostática en los capilares pulmonares. La insuficiencia cardíaca izquierda (v. capítulo 14) puede provocar un reflujo de sangre en la circulación pulmonar, lo que aumenta la presión de las venas pulmonares. A medida que la presión aumenta en los capilares pulmonares, el líquido sale de ellos hacia el espacio intersticial de los pulmones. El tratamiento del edema pulmonar es vital, porque es una afección que amenaza la vida. Los síntomas del edema pulmonar se tratan administrando oxígeno y diuréticos (medicamentos que aumentan la eliminación
alveolar también lo hará. Este aumento de la ventilación pulmonar se llama hiperpnea, y el mecanismo que la desencadena se describe posteriormente en este capítulo. En la hiperpnea, la PO y la PCO arteriales no cambian, ya que la ventilación alveolar aumenta «a la par» que el incremento de las tasas de consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono. En la hipoventilación, la ventilación alveolar es insuficiente para alcanzar la demanda de los tejidos; en tal caso, la PCO arterial sube por encima del valor normal de 40 mmHg, y la PO arterial disminuye por debajo del valor de 100 mmHg. En la hiperventilación, la ventilación alveolar excede la demanda de los tejidos. La PCO arterial disminuye a menos de 40 mmHg y la PO aumenta por encima de los 100 mmHg. Tanto la hipoventilación como la hiperventilación pueden alterar el funcionamiento normal del organismo, incluyendo el sistema nervioso. (En la tabla 17.2 encontrarás un repaso de los términos usados en fisiología respiratoria.) 2
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de líquido por los riñones). Sin embargo, la causa del edema pulmonar debe determinarse y tratarse correctamente una vez que los síntomas se han estabilizado.
Radiografía de una persona con edema pulmonar.
3. Cuando la ventilación alveolar aumenta, ¿qué pasa con la PO y PCO alveolares? 4. ¿Qué pasa con la PCO alveolar cuando una persona hiperventila? ¿Y cuando hipoventila? 2
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TABLA 17.2 Definición de algunos términos habituales en fisiología respiratoria
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Término
Definición
Apnea
Cese temporal de la respiración
Disnea
Respiración dificultada o forzada
Hipercapnia
Exceso de dióxido de carbono en la sangre
Hiperpnea
Aumento de la ventilación para alcanzar el incremento de la demanda metabólica del organismo
Hiperventilación
Estado en el que la ventilación excede la demanda metabólica del organismo
Hipocapnia
Deficiencia de dióxido de carbono en la sangre
Hipoventilación
Estado en el que la ventilación es insuficiente para alcanzar la demanda metabólica del organismo
Hipoxemia
Deficiencia de oxígeno en la sangre
Hipoxia
Deficiencia de oxígeno en los tejidos
Taquipnea
Respiración rápida superficial
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Test rápido 17.2 1. Enumera los valores normales en reposo de PO y PCO (en mmHg) del aire alveolar, la sangre arterial y la sangre venosa mixta. 2. Cuando el oxígeno difunde desde el aire alveolar a la sangre capilar pulmonar, ¿qué hace que se mueva? ¿Por qué el dióxido de carbono abandona la sangre y entra en los alvéolos? 2
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Transporte de gases en la sangre En la sección anterior se explicaba cómo se intercambia el gas entre el aire y la sangre, y entre el tejido y la sangre. En esta sección se explica cómo se transporta el gas por la sangre. Vimos que los gases no son muy solubles en la sangre. Por ejemplo, cuando la PO arterial tiene un valor normal de 100 mmHg, la sangre contiene solo unos 3 ml de oxígeno disuelto por litro. Para llevar el oxígeno disuelto a los tejidos con una velocidad normal en reposo de unos 250 ml/min, el gasto cardíaco tendría que ser de unos 83 l/min si la concentración total de oxígeno en la sangre fuera tan baja. Como el gasto cardíaco normal en reposo es de unos 5 l/min, el oxígeno debe transportarse en la sangre por un medio más eficiente que simplemente disolviéndose en el plasma. Lo mismo pasa con el dióxido de carbono. Primero examinaremos cómo transporta la sangre oxígeno y luego dióxido de carbono. 2
Transporte de oxígeno en la sangre El transporte de oxígeno en la sangre tiene una necesidad especial: el mecanismo de transporte debe ser reversible, de forma que el oxígeno entre en la sangre en los pulmones y abandone la sangre en otros tejidos del organismo. La hemoglobina posee una estructura única que permite al oxígeno hacer esto.
Hemoglobina y transporte de oxígeno Cada litro de sangre arterial contiene unos 200 ml de oxígeno. Aproximadamente 3 ml de ese oxígeno (1,5%) se disuelven en el plasma o en el citosol de los eritrocitos, y solo este oxígeno disuelto contribuye a la PO de la sangre. Los 197 ml de oxígeno restantes (98,5%) se transportan uniéndose a la hemoglobina. Aunque el oxígeno ligado no contribuye a la PO , está en equilibrio con el oxígeno disuelto, de forma que la cantidad de oxígeno unida a la hemoglobina es una función de PO . Como vimos en el capítulo 15, la hemoglobina consta de cuatro subunidades, cada una de las cuales contiene globina (cadena polipeptídica globular) y un grupo hemo que contiene hierro. Un grupo hemo es capaz de enlazarse a una molécula de oxígeno, de forma que cada molécula de hemoglobina puede transportar cuatro moléculas de oxígeno. El complejo de hemoglobina y oxígeno ligado se llama oxihemoglobina; una molécula de hemoglobina sin ningún oxígeno se llama desoxihemoglobina. En los pulmones, a medida que las moléculas de oxígeno se mueven desde el aire alveolar a la sangre capilar, se unen a la hemoglobina (fig. 17.6a); cuando la sangre alcanza los tejidos respiratorios, las moléculas de oxígeno se disocian de la hemoglobina y difunden a las células (fig. 17.6b). Para que la hemoglobina funcione en el transporte de oxígeno, es crucial que se una al oxígeno de forma reversible, es decir, lo suficientemente fuerte como para que pueda recoger una gran cantidad de oxígeno en los pulmones, pero no demasiado fuerte como para no poder liberar más tarde el oxígeno en los tejidos que respiran. El enlace y la liberación del oxígeno dependen de la PO del líquido que rodea a la hemoglobina. Una PO alta facilita la unión del oxígeno con la hemoglobina, mientras que una PO baja facilita la liberación del oxígeno de la hemoglobina. La reacción del oxígeno con la hemoglobina se escribe así: 2
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Hb + O2 s Hb · O2
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
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donde Hb es la desoxihemoglobina, O2 es el oxígeno disuelto en la sangre y Hb · O2 es la oxihemoglobina. La ley de acción de masas afirma que un incremento en la concentración de los reactantes lleva la reacción a la derecha, resultando en la generación de más producto. De esta forma, a medida que el nivel de oxígeno en los capilares pulmonares aumenta, se forma más hemoglobina. De forma contraria, a medida que el nivel de oxígeno en los capilares pulmonares disminuye, la reacción se desplaza a la izquierda para liberar oxígeno de la hemoglobina. No obstante, cabe destacar que, como la hemoglobina puede enlazarse hasta con cuatro moléculas de oxígeno, la ecuación anterior podría escribirse así: O2 O2 O2 O2 f f f f Hb s Hb · O2 s Hb · (O2)2 s Hb · (O2)3 s Hb · (O2)4 La ley de acción de masas sigue teniendo efecto, en cuanto a que a mayor oxígeno disponible, mayor formación de oxihemoglobina. Cuando todos los sitios de unión de una hemoglobina al oxígeno están ocupados, se dice que la molécula de hemoglobina está saturada al 100%. Cuando la hemoglobina está saturada al 100%, 1 g de hemoglobina transporta 1,34 ml de oxígeno. La concentración normal de hemoglobina en la sangre es de 12-17 g/dl o una media de 150 g/l. Por consiguiente, la capacidad de transportar oxígeno de la hemoglobina en la sangre es de unos 200 ml de oxígeno por litro de sangre (1,34 ml/g 150 g/l). A una PO arterial normal de 100 mmHg, la hemoglobina se encuentra aproximadamente al 98% de su capacidad de transportar oxígeno (tiene una saturación del 98%) (fig. 17.7a). Cuando el gasto cardíaco es de 5 l/min, la sangre suministra casi 1.000 ml de oxígeno a los tejidos que respiran cada minuto (5 l de sangre por minuto 200 ml de O2 en 1 l de sangre = 1.000 ml de O2 por minuto). Como los tejidos que respiran solo necesitan unos 250 ml de O2 por minuto, solo difunde el 25% del oxígeno a las células, lo que significa que el 75% de los sitios de unión a la hemoglobina siguen ocupados cuando la sangre abandona el tejido, lo que ocurre a una PO de 40 mmHg (fig. 17.7b). Por tanto, en la sangre venosa mixta en estado de reposo, la hemoglobina sigue estando saturada al 75%. La anemia es una disminución de la capacidad de transportar oxígeno de la sangre. Hay muchas causas de anemia, como insuficiencias o defectos de la hemoglobina (v. «Conexiones clínicas: Anemia», pág. 442). Con menos hemoglobina en funcionamiento en la sangre, la capacidad de transportar oxígeno disminuye y puede que no llegue a los tejidos todo el suministro que necesitan, incluso cuando la PO de la sangre es normal. De esta forma, las personas que sufren anemia se cansan más fácilmente. 2
2
2
Curva de disociación oxígeno-hemoglobina La relación entre la PO y la saturación de la hemoglobina que hemos descrito se puede resumir en la curva de disociación oxígeno-hemoglobina, una representación de la saturación porcentual de la hemoglobina en función de la PO (fig. 17.8). Aunque la saturación porcentual de la hemoglobina aumenta a medida que lo hace la PO , la unión del oxígeno a la hemoglobina no es lineal, sino que tiene forma de S (sigmoidea), porque la capacidad de la hemoglobina para unirse al oxígeno depende de cuántas moléculas de oxígeno se hayan 2
2
2
486
C A P Í T U LO 1 7
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
Capilares sistémicos Alvéolos de los pulmones PO2 = 100 mmHg PO2 = 100 mmHg
PO2 = 40 mmHg PO2 = 100 mmHg
PO2 = 40 mmHg
PO2 40 mmHg Capilares pulmonares Plasma
Plasma
Aire alveolar Eritrocitos
!O2
O2
Hb
Pared alveolar
Eritrocitos
O2 Célula del tejido
O2
Hb O2 Pared capilar Líquido intersticial
!O2 Pared capilar
Plasma
(a)
(b)
FIGURA 17.6 Hemoglobina y transporte de oxígeno. (a) Formación de oxihemoglobina. Una vez que el oxígeno difunde desde el aire alveolar a la sangre en los capilares pulmonares, difunde a los eritrocitos y se une a la hemoglobina para transportarse en la sangre. (b) Disociación de oxígeno de la hemoglobina. En los capilares sistémicos, la hemoglobina en los eritrocitos libera oxígeno, que luego difunde desde la sangre a las células de los tejidos.
P ¿Para qué se emplea el oxígeno que entra en el tejido respiratorio? unido ya. En concreto, la unión de una molécula de oxígeno aumenta la probabilidad de que otra molécula de oxígeno se una a la hemoglobina. La unión de oxígeno a una subunidad de una molécula de hemoglobina induce un cambio conformacional en la molécula que aumenta la afinidad por el oxígeno de las subunidades restantes (un proceso que se llama cooperación positiva). Una vez que ocurre este cambio conformacional, un incremento dado de PO conlleva un mayor aumento de la saturación porcentual. A presiones parciales bajas (menos de 15 mmHg, que no suelen encontrarse en la sangre), la mayoría de moléculas de hemoglobina no están unidas a ningún oxígeno. En estas condiciones, la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno es relativamente baja y un incremento dado de PO produce un pequeño aumento de la saturación porcentual. A medida que se incrementa la PO , más moléculas de hemoglobina han adquirido al menos una molécula de oxígeno, haciendo que aumente la afinidad de la hemoglobina por las moléculas de oxígeno. 2
2
2
Esta relación se ve en la parte empinada de la curva de disociación oxígeno-hemoglobina para valores de PO entre unos 15 mmHg y 60 mmHg. Con valores de PO superiores a 60 mmHg, la pendiente de la curva disminuye, porque hay pocos sitios de unión disponibles a medida que la saturación aumenta. Por encima de una PO de unos 80 mmHg, la pendiente de la curva se vuelve casi plana. Podemos relacionar la curva de disociación oxígeno-hemoglobina con los sucesos en los pulmones y tejidos respiratorios. La figura 17.8 indica los valores de PO y la saturación porcentual de la hemoglobina en las arterias sistémicas y las venas en estado de reposo. La PO de las arterias pulmonares es de unos 100 mmHg, y con dicho valor la hemoglobina se satura aproximadamente al 98%. Para alcanzar la saturación del 100% de la hemoglobina, se necesitaría una PO de unos 250 mmHg. En las venas sistémicas, la PO es de unos 40 mmHg, y la hemoglobina se satura aproximadamente al 75%. Por consiguiente, en reposo, los tejidos que respiran consumen solo el 25% del oxígeno trans2
2
2
2
2
2
2
C A P Í T U LO 1 7 Oxígeno
Porcentaje de saturación de oxígeno de la hemoglobina
Hemoglobina
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
Eritrocito
Sangre arterial PO2 = 100 mmHg Hemoglobina = 98,5% de saturación (a)
Venas sistémicas
487
Arterias sistémicas
100
Porcentaje de O2 descargado por la hemoglobina en los tejidos
80
60
40
20
0
20
40 60 80 PO2 (mm Hg)
100
FIGURA 17.8 Curva de disociación oxígeno-hemoglobina. La unión de oxígeno con la hemoglobina depende de la presión parcial del oxígeno en la sangre. A presiones parciales bajas, se une poco oxígeno a la hemoglobina. A medida que se incrementa la PO2, las uniones aumentan y a medida que la saturación se acerca al 100%, se nivelan. Según el gráfico, ¿a qué presión parcial de oxígeno se satura la P hemoglobina al 50%?
Sangre venosa mixta PO2 = 40 mmHg Hemoglobina = 75% de saturación
normales, una PO de unos 45 mmHg produce una saturación de la hemoglobina del 80%. Con un desplazamiento hacia la derecha, se necesita una PO mayor de 45 mmHg para producir la misma saturación del 80%; con un desplazamiento hacia la izquierda, una PO de menos de 45 mmHg produce una saturación del 80%. 2
(b)
2
presión parcial del oxígeno es de 100 mmHg y la hemoglobina está saturada al 98,5%, es decir, la mayoría de los sitios de unión están ocupados por oxígeno. Muy poco oxígeno está disuelto en el citosol o el eritrocito. (b) En la sangre venosa mixta, la presión parcial del oxígeno es de 40 mmHg y la hemoglobina está saturada al 75%, es decir, de entre todos los sitios de unión, tres están ocupados por oxígeno.
portado por la sangre, dejando una gran reserva de oxígeno por si la demanda de los tejidos aumentara.
Otros factores que afectan a la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno Al menos hay otros cuatro factores (temperatura, pH, PO y 2,3BPG) que afectan a la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Los cambios en esta afinidad se reflejan en desplazamientos hacia la derecha o a la izquierda en la curva de disociación oxígeno-hemoglobina (fig. 17.9). Una reducción de la afinidad hace que la curva se desplace hacia la derecha, indicando que se necesita una mayor PO para alcanzar cualquier nivel dado de saturación; este tipo de cambio también indica que el oxígeno se descarga más fácilmente de la hemoglobina, haciéndolo más disponible para los tejidos. La acentuación de afinidad provoca desplazamientos hacia la izquierda, indicando que se necesita una menor PO para alcanzar cualquier nivel dado de saturación; este tipo de cambio también indica que el oxígeno se carga más fácilmente en la hemoglobina. Por ejemplo, en condiciones 2
2
2
2
Porcentaje de saturación de oxígeno de la hemoglobina
FIGURA 17.7 Saturación de la hemoglobina. (a) En la sangre arterial, la
Desplazamiento hacia la izquierda (aumento de la afinidad)
Normal
100 Desplazamiento hacia la derecha (descenso de la afinidad)
80
60
40
20
0
20
40 60 PO2 (mmHg)
80
100
FIGURA 17.9 Efectos de los cambios en la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno en la curva de disociación oxígeno-hemoglobina. Un aumento en la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno provoca un desplazamiento hacia la izquierda en la curva, mientras que un descenso en la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno provoca un desplazamiento hacia la derecha en la curva.
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
Consideremos ahora los factores que afectan a la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Los primeros tres factores (temperatura, pH y PCO ) facilitan la descarga de oxígeno de la hemoglobina en los tejidos respiratorios y la carga de oxígeno en los pulmones, lo que aumenta la eficacia del intercambio de oxígeno y el transporte a los tejidos que lo necesitan. 2
1. Temperatura. La temperatura afecta a la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, alterando la estructura de la molécula de hemoglobina. Este factor no es específico, ya que la temperatura afecta la estructura terciaria de todas las proteínas. Sin embargo, este cambio estructural tiene consecuencias funcionales importantes. A medida que aumenta el metabolismo de los tejidos, la temperatura sube, reduciendo la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno (fig. 17.10a). Por consiguiente, se descarga más oxígeno en el tejido que esté muy activo. De forma similar, la disminución de la temperatura de la sangre a medida que se mueve hasta los pulmones aumenta la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, facilitando la carga de oxígeno. 2. pH. El efecto del pH en la curva de disociación hemoglobina-oxígeno se conoce como efecto Bohr, que se basa en el hecho de que, cuando el oxígeno se une a la hemoglobina, algunos aminoácidos de la proteína liberan iones de hidrógeno: Hb + O2 s Hb · O2 + H+ Según la ley de acción de masas, un aumento de la concentración de iones de hidrógeno (reducción del pH) empuja la reacción a la izquierda, haciendo que se disocie algo de oxígeno de la hemoglobina, aunque la PO se mantiene constante. El efecto Bohr es importante, porque cuando los iones de hidrógeno se unen a la hemoglobina, disminuyen su afinidad por el oxígeno (fig. 17.10b), y el oxígeno se descarga. La concentración de iones de hidrógeno suele aumentar en el tejido activo, lo que facilita la descarga de oxígeno. PCO . La PCO afecta a la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, porque el dióxido de carbono reacciona de forma reversible con ciertos grupos amino de la hemoglobina, formando carbaminohemoglobina (HbCO2): 2
3.
2
2
Hb + CO2 s HbCO2
4.
Por tanto, un aumento de la PCO2 en la sangre, como ocurre cuando aumenta la actividad metabólica, desplaza la reacción a la derecha, formando más carbaminohemoglobina. Cuando el dióxido de carbono se une a la hemoglobina, cambia la conformación de la hemoglobina y disminuye su afinidad con el oxígeno, lo que se conoce como efecto carbamino. La unión del dióxido de carbono con la hemoglobina también es uno de los mecanismos de transporte de dióxido de carbono en la sangre (analizado en la siguiente sección). 2,3-BPG. El cuarto factor 2,3-BPG (2,3 bisfosfoglicerato) es un compuesto químico que producen los eritrocitos a partir de un compuesto intermedio en la glucólisis, la vía anaerobia por la que los eritrocitos consiguen toda su energía. Cuando existen concentraciones altas de oxihemoglobina, se inhibe la enzima que forma el 2,3-BPG y así el nivel de 2,3-BPG es bajo, y su efecto en la afinidad de
Porcentaje de la saturación de oxígeno en la hemoglobina
C A P Í T U LO 1 7
20 ºC (aumento de la afinidad) 100
80
60
37 ºC (temperatura corporal)
40
43 ºC (descenso de la afinidad)
20
0
20
40 60 PO2 (mmHg)
80
100
(a) Efectos de la temperatura Porcentaje de la saturación de oxígeno en la hemoglobina
488
pH = 7,6 (aumento de la afinidad) 100
80
60
pH = 7,4
40
pH = 7,2 (descenso de la afinidad)
20
0
20
40
60
80
100
PO2 (mmHg) (b) Efectos del pH
FIGURA 17.10 Efectos de la temperatura y del pH en la curva de disociación hemoglobina-oxígeno. (a) El aumento o la disminución de la temperatura normal del organismo (37 °C) hace que aumente o descienda la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno. (b) El aumento o la disminución del pH respecto al pH arterial normal (7,4) hace que aumente o descienda la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno.
la hemoglobina es mínimo. Sin embargo, si el nivel de oxihemoglobina es bajo, lo que sucede cuando el suministro de oxígeno es limitado, entonces se activa la síntesis de 2,3-BPG. Esto mejora la descarga de oxígeno en los tejidos respiratorios que la necesitan. Las condiciones que mejoran la producción de 2,3-BPG incluyen la anemia y las grandes alturas. Otro factor que afecta a la unión del oxígeno con la hemoglobina es el monóxido de carbono. El monóxido de carbono es tóxico, porque cuando está presente se une a la hemoglobi-
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
na antes que el oxígeno, lo que evita que el oxígeno se pueda unir y disminuye la capacidad de la sangre de transportar oxígeno.
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Transporte de dióxido de carbono en la sangre De todo el dióxido de carbono de la sangre, el 5-6% se disuelve, el 5-8% se une a la hemoglobina en forma de carbaminohemoglobina (como se describió anteriormente), y el 86-90% se disuelve en la sangre como iones bicarbonato (HCO3–) (tabla 17.3). El bicarbonato se forma a partir del dióxido de carbono de los eritrocitos de los capilares sistémicos. Los eritrocitos son capaces de formar bicarbonato porque contienen la enzima anhidrasa carbónica.
La función de la anhidrasa carbónica en el transporte de dióxido de carbono La anhidrasa carbónica cataliza la reacción reversible que convierte el dióxido de carbono y el agua en ácido carbónico (H2CO3): anhidrasa carbónica
Intercambio y transporte de dióxido de carbono en los capilares y venas sistémicas Las células respiratorias producen dióxido de carbono a un ritmo de unos 200 ml/min en reposo, y este dióxido de carbono debe eliminarse del aparato respiratorio y cardiovascular. El dióxido de carbono producido en las células respiratorias difunde, a favor de su gradiente de presión parcial, primero al líquido intersticial y luego al plasma (fig. 17.11a). Una vez que se disuelve el CO2 en el plasma, la PCO aumenta, creando un gradiente de presión entre el plasma y los eritrocitos, de forma que la presión del plasma es mayor. Así, el dióxido de carbono difunde del plasma a los eritrocitos. Aunque parte del dióxido de carbono sigue disuelto en la sangre y parte de él se une a la hemoglobina, la mayoría del dióxido de carbono se convierte en bicarbonato e iones de hidrógeno por la acción de la anhidrasa carbónica en los eritrocitos. Esta reacción química elimina el dióxido de carbono disuelto de la sangre y disminuye la PCO . El descenso de PCO crea un gradiente mayor para la difusión de dióxido de carbono de los tejidos a la sangre. Si los iones de hidrógeno y el bicarbonato se pudiesen acumular en los eritrocitos, la reacción del dióxido de carbono con el agua se ralentizaría y, finalmente, llegaría a un equilibrio. En estas condiciones, el dióxido de carbono ya no se convertiría en iones de hidrógeno y bicarbonato; en su lugar, simplemente se acumularía en las células de forma disuelta, lo que haría que se elevara la PCO intracelular. Por consiguiente, la capacidad de la sangre para transportar dióxido de carbono en forma de bicarbonato se dificultaría. Para evitar que esto ocurra, el bicarbonato y los iones de hidrógeno tienen que eliminarse de los eritrocitos. A medida que aumenta el nivel de iones de bicarbonato en los eritrocitos, estos se transportan al plasma mediante el intercambio por iones de cloruro a través de una proteína transportadora de la membrana plasmática de los eritrocitos. El movimiento emparejado de entrada de iones de cloruro en los eritrocitos y salida del bicarbonato al plasma se llama desplazamiento de cloruros. Mientras tanto, muchos de los iones de hidrógeno producidos en la reacción se amortiguan, uniéndose a la hemoglo2
2
H2CO3 s H+ + HCO3– La vía completa puede escribirse así: anhidrasa carbónica
2
2
H2CO3
La vía continúa con la disociación reversible del ácido carbónico, que cede un ion de hidrógeno y un ion de bicarbonato
CO2 + H2O
porte e intercambio de dióxido de carbono (como se detalla en la siguiente sección), esta reacción es importante para el equilibrio ácido-base porque un aumento de la PCO provoca un aumento de la acidez de la sangre (la concentración de iones de hidrógeno aumenta), y un descenso de la PCO provoca una disminución de la acidez de la sangre (la concentración de iones de hidrógeno disminuye). De esta forma, en los sistemas biológicos, el CO2 se considera un ácido. La función del dióxido de carbono en el equilibrio ácido-base se describe más tarde en este capítulo. 2
Dibuja una curva de disociación oxígeno-hemoglobina para indicar lo que ocurre cuando existe monóxido de carbono en la sangre.
CO2 + H2O
2
H2CO3 s H+ + HCO3–
Como se ve en la ecuación final, el dióxido de carbono puede convertirse en H+ y HCO3–. Esta reacción sigue la ley de acción de masas, lo que supone que un incremento de la concentración de dióxido de carbono (o un aumento de la PCO ) lleve la reacción a la derecha, produciendo más iones de hidrógeno y de bicarbonato; un descenso en la concentración de dióxido de carbono (o un descenso de la PCO ) lleva la reacción a la izquierda, produciendo dióxido de carbono a partir de iones de hidrógeno y de bicarbonato. Además de ser importante en el trans2
2
TABLA 17.3 Transporte del dióxido de carbono en la sangre Sangre arterial sistémica Forma Disuelto en sangre Disuelto como bicarbonato Unido a hemoglobina Total
Volumen de CO2 (ml/l de sangre)
Sangre venosa sistémica
% del CO2 total sanguíneo
Volumen de CO2 (ml/l de sangre)
27
5,5
31
439
89,6
470
24 490
489
4,9 100
39 540
% del CO2 total sanguíneo 5,8 87 7,2 100
490
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
Capilares sistémicos Flujo sanguíneo PCO2 = 40 mmHg PCO2 = 40 mmHg
PCO2 = 46 mmHg
PCO2 = 46 mmHg PCO2 = 46 mmHg
PCO2 = 40 mmHg
Flujo sanguíneo Capilares pulmonares
Eritrocitos Plasma H2O
CO2
CO2
CO2
Aire alveolar
CA H2CO3 %H
CO2
Hb Hb CO2
% 2
HCO3– + H+
% 2
%H Hb H+
Hb –
+ HCO3
CA Cl–
Pared capilar Células tisulares
CO2
H2CO3
Cl–
H 2O Eritrocitos
Líquido intersticial HCO3–
Plasma (a)
(b)
FIGURA 17.11 Intercambio y transporte de dióxido de carbono en la sangre. (a) El dióxido de carbono producido en los tejidos difunde a la sangre y después a los eritrocitos. El incremento de PCO2 en el eritrocito hace que la mayoría de moléculas de dióxido de carbono se conviertan en bicarbonato, algunas se unen a la hemoglobina y otras permanecen disueltas en la sangre. El bicarbonato se transporta fuera del eritrocito al plasma. A medida que se produce el bicarbonato, los iones de hidrógeno producido
se descargan uniéndose a la hemoglobina. CA, anhidrasa carbónica. (b) En los pulmones, el dióxido de carbono difunde desde la sangre al aire alveolar, disminuyendo la PCO2 de la sangre. A medida que la PCO2 de la sangre disminuye en los eritrocitos, el bicarbonato entra en los eritrocitos y los iones de hidrógeno se liberan de la hemoglobina. El bicarbonato y los iones de hidrógeno se convierten entonces en dióxido de carbono, que difunde a los alvéolos.
bina. Dadas estas reacciones químicas e intercambios iónicos, la mayoría del dióxido de carbono de la sangre se transporta en forma de iones de bicarbonato disueltos en el plasma (aunque algunos iones de bicarbonato permanecen en los eritrocitos).
iones de bicarbonato se transportan entonces desde el plasma a los eritrocitos a cambio de iones de cloruro. La mayoría del dióxido de carbono que se forma en esta reacción difunde a los alvéolos para espirarse, lo que empuja la reacción todavía más en la dirección que favorece la formación de más dióxido de carbono.
Intercambio y transporte de dióxido de carbono en las venas y capilares pulmonares En los pulmones, el dióxido de carbono difunde a favor de su gradiente de presión desde la sangre de los capilares pulmonares a los alvéolos para ser espirado, disminuyendo así el nivel de dióxido de carbono en la sangre (fig. 17.11b). La pérdida de dióxido de carbono hace que el bicarbonato y los iones de hidrógeno de los eritrocitos se combinen y formen ácido carbónico, que la anhidrasa carbónica convierte en dióxido de carbono y agua. Entonces, el dióxido de carbono difunde a los alvéolos para espirarse. A medida que los iones de bicarbonato de los eritrocitos se usan en la reacción, los niveles intracelulares se reducen. Los
Efecto del oxígeno en el transporte del dióxido de carbono Al igual que la PCO de la sangre es uno de los muchos factores que afectan a la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno y, por tanto, a la capacidad de la sangre de transportar oxígeno, la PO de la sangre también afecta a la afinidad de la hemoglobina por el dióxido de carbono. Este efecto se ilustra en la figura 17.12, que muestra la relación entre el dióxido carbono sanguíneo total y la PCO tanto en ausencia de oxígeno (PO = 0 mmHg) como en la presencia de oxígeno (PO = 100 mmHg). Bajo ambas condicio2
2
2
2
2
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
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Sangre
PO2 = 0 mmHg CO2 total sanguíneo
491
P O2
PO2 = 40 mmHg
PCO2
PO2 = 100 mmg Efecto directo
Efecto directo
[H+]
Efecto Haldane carga de CO2 Efecto carbamino
PCO2 (mmHg)
FIGURA 17.12 Efecto de la PO2 en el transporte de dióxido de carbono. Un aumento de la PO2 en la sangre disminuye la afinidad de la hemoglobina con el dióxido de carbono, lo que hace que disminuya la capacidad de la sangre de transportar dióxido de carbono. De esta forma, para una PCO2 dada (línea vertical discontinua), se transporta más dióxido de carbono a una PO2 = 0 mmHg que a una PO2 venosa de 40 mmHg, que es mayor que la PO2 arterial (100 mmHg).
descarga de O2
Efecto Bohr
afinidad de la hemoglobina con el O2
(a) Carga de CO2 y descarga de O2 de la hemoglobina en el tejido respiratorio
Sangre P O2
nes, el dióxido de carbono sanguíneo total se eleva con el aumento de PCO , como se esperaba. Sin embargo, a una PCO dada (mostrada por la línea vertical discontinua), el contenido de dióxido de carbono en la sangre cae a medida que aumenta la PO , fenómeno que se conoce como efecto Haldane. Uno de los motivos del efecto Haldane es que la unión del oxígeno con la hemoglobina disminuye la afinidad de la hemoglobina por el dióxido de carbono. Por tanto, cuando aumenta la PO , la cantidad de dióxido de carbono que puede transportarse unida a la hemoglobina disminuye, porque la hemoglobina está transportando más oxígeno. A la inversa, un descenso de la PO facilita la unión del dióxido de carbono con la hemoglobina. En los tejidos respiratorios, cuando la PO es baja y la PCO es alta, el efecto Haldane facilita la carga de dióxido de carbono en la hemoglobina, mientras que el efecto Bohr (efecto del pH sobre la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno) y el efecto carbamino (efecto del nivel de dióxido de carbono en la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno) actúan para facilitar la descarga de oxígeno. En los pulmones, donde la PO es alta y la PCO es baja, el efecto Haldane facilita la descarga de dióxido de carbono, mientras que el efecto Bohr y el efecto carbamino facilitan la carga de oxígeno. Estas interacciones se resumen en la figura 17.13. 2
2
PCO2
Efecto directo
Efecto directo
[H+]
Efecto Haldane
2
descarga de CO2 Efecto carbamino
Efecto Bohr
2
2
2
carga de O2
afinidad de la hemoglobina con el O2
2
2
2
Test rápido 17.3 1. Nombra tres factores que afecten a la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno. 2. ¿De qué tres formas se transporta en la sangre el dióxido de carbono? ¿Cómo se transporta la mayoría del dióxido de carbono? 3. ¿Qué reacción química cataliza la enzima anhidrasa carbónica?
(b) Descarga de CO2 y carga de O2 de la hemoglobina en los pulmones Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 17.13 Efectos de la PO2 y la PCO2 en la carga y descarga de dióxido de carbono y oxígeno. (a) En los tejidos sistémicos, a medida que disminuye la PO2 y aumenta la PCO2, ocurren la carga de dióxido de carbono y la descarga de oxígeno. (b) En los pulmones, a medida que aumenta la PO2 y disminuye la PCO2, ocurren la descarga de dióxido de carbono y la carga de oxígeno.
carbono a un ritmo suficiente como para mantener la demanda metabólica. Las señales que indican si el aparato respiratorio está haciendo bien su trabajo son las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre arterial sistémica. Si el aparato respiratorio puede mantener la PO y la PCO al nivel normal, o casi normal, para la sangre arterial sistémica (100 mmHg y 40 mmHg respectivamente), estará llevando oxígeno y retirando el dióxido de carbono a un ritmo normal. Para mantener las presiones parciales arteriales normales, el organismo debe regular la ventilación alveolar-minuto (el volumen de aire que alcanza los alvéolos por minuto) de forma que 2
Regulación central de la ventilación En términos sencillos, el trabajo del aparato respiratorio consiste en llevar oxígeno a las células y recoger de estas el dióxido de
2
492
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
no sea ni muy alta ni muy baja. Recordemos del capítulo 16 que la ventilación alveolar depende de la frecuencia y volumen de las respiraciones. En esta sección veremos cómo se genera el ritmo de la respiración y cómo se regula para servir a la demanda metabólica del organismo.
Control neural de la respiración por parte de las motoneuronas
Respiración calmada Nervio frénico
Ventilación activa
–70 mV
Nervio intercostal externo
–70 mV
Nervio intercostal interno
–70 mV
La respiración es un ciclo de inspiración seguido de espiración. En el capítulo 16 vimos que la inspiración es un proceso activo que requiere la contracción de los Contracción músculos inspiratorios, incluyendo el Relajación diafragma y los intercostales externos, y Tensión del músculo que durante la respiración calmada, la inspiratorio espiración es un proceso pasivo en el que 0 0 no se requiere contracción muscular alguna. Por tanto, durante la respiración en reposo, el ciclo consiste en contraccioRelajación nes de los músculos inspiratorios durante Contracción la inspiración y después en la relajación de los mismos músculos durante la espiración. Sin embargo, durante una respiraTensión del músculo 0 0 ción más activa, la espiración se vuelve espiratorio activa y requiere la contracción de los músculos espiratorios. Así, durante la respiración activa, el ciclo respiratorio consiste en la contracción de los músculos Inspiración inspiratorios y la relajación de los múscuEspiración los espiratorios durante la inspiración, seguida de la relajación de los músculos Volumen pulmonar inspiratorios y la contracción de los músculos espiratorios durante la espiración. Como los músculos respiratorios son Tiempo Tiempo músculos esqueléticos, se estimulan para contraerse mediante una señal neural FIGURA 17.14 Comparación de la respiración calmada y la ventilación activa. La ventilación procedente de las motoneuronas somátiimplica cambios cíclicos en la estimulación neural de los músculos respiratorios, lo que causa cambios cas. El nervio frénico inerva el diafragma, cíclicos en el volumen pulmonar. Los registros del nervio indican la sucesión de los potenciales de acción a mientras que los nervios intercostales lo largo del tiempo. En la respiración calmada, la espiración es un proceso pasivo, de forma que en los externos e internos inervan los músculos músculos espiratorios no se presenta actividad muscular o neural alguna. Durante la ventilación activa, las intercostales. La figura 17.14 compara los neuronas y los músculos inspiratorios se vuelven más activos, y las neuronas y los músculos espiratorios se sucesos periféricos que ocurren durante activan. la respiración calmada con los que ocurren durante la respiración activa. Durante la respiración calmada, el potencial de acción se dispara en las voluntaria cuando hablamos, cantamos, mantenemos la respimotoneuronas inspiratorias, provocando la contracción muscuración, o miramos con asombro o desesperación. Sin embargo, lar. Durante la respiración activa, la activación del potencial de la mayor parte del tiempo nuestra respiración es automática y acción ocurre de forma asincrónica con la activación de las no necesita de ningún esfuerzo consciente. motoneuronas espiratorias. Las señales neurales que controlan El control central de la respiración no se comprende aún las contracciones cíclicas de los músculos respiratorios se genepor completo, pero los estudios indican que las zonas de conran en las zonas de control respiratorio del tronco encefálico. trol de la respiración se localizan en el bulbo raquídeo y la protuberancia del tronco cerebral (fig. 17.15). En estas zonas se encuentran dos tipos generales de neuronas, las neuronas inspiratorias y las neuronas espiratorias, que generan potenciaGeneración del ritmo respiratorio les de acción durante la inspiración y la espiración, respectivaen el tronco encefálico mente. Dentro de estas clases de neuronas se distinguen subclases que se diferencian levemente por sus patrones de La respiración está bajo control tanto voluntario como involunactividad y funciones. tario. Nosotros alteramos nuestro ritmo de respiración de forma
C A P Í T U LO 1 7
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
Frecuencia de los potenciales de acción (Hz)
Inspiración
Espiración
Inspiración
493
Espiración
0
Protuberancia
Grupo respiratorio pontino (GRP)
Grupo respiratorio dorsal (GRD) Bulbo Grupo respiratorio ventral (GRV)
Potencial de membrana (mV)
Mesencéfalo
0
–70
Tiempo
FIGURA 17.16 Actividad de las neuronas inspiratorias. Las neuronas inspiratorias muestran un incremento importante de la frecuencia de los potenciales de acción durante la inspiración, seguido de una terminación repentina de toda actividad al final de la inspiración y comienzo de la espiración.
Médula espinal
FIGURA 17.15 Centros del tronco encefálico para el control respiratorio. Las zonas que contienen principalmente neuronas inspiratorias se marcan en azul, las principales zonas de neuronas espiratorias se marcan en amarillo, y las zonas en las que hay neuronas espiratorias e inspiratorias dispersas, así como neuronas mixtas, se marcan en verde.
Centros de control de la respiración en el bulbo raquídeo A cada lado del bulbo se localizan dos centros de control de la respiración: el grupo respiratorio ventral (GRV) y el grupo respiratorio dorsal (GRD). El GRV contiene dos zonas de neuronas espiratorias y otra zona de neuronas inspiratorias (v. fig. 17.15). Las neuronas inspiratorias muestran un tremendo aumento de la actividad durante la inspiración: la frecuencia del potencial de acción es baja en el comienzo de la inspiración, pero aumenta gradualmente hasta alcanzar un máximo en el momento máximo de la inspiración, cuando termina de forma abrupta y comienza la espiración (fig. 17.16). El GRD contiene principalmente neuronas inspiratorias, aunque hay algunas neuronas espiratorias (v. fig. 17.15). Las neuronas inspiratorias del GRD poseen patrones de actividad más complejos que las neuronas inspiratorias del GRV, en cuanto que su patrón de actividad depende del grado de estiramiento de los pulmones. Las teorías actuales sugieren que las neuronas inspiratorias del GRV y el GRD controlan las motoneuronas de la médula espinal cervical, que, a su vez, controlan los músculos inspiratorios.
Dicho de otra manera, las neuronas del GRV y el GRD estimulan a las motoneuronas del nervio frénico y los nervios intercostales para que los músculos inspiratorios se contraigan. Algunas neuronas inspiratorias del GRV suministran una señal a los músculos respiratorios accesorios que no participan en la inspiración ni en la espiración directamente, pero que facilitan movimientos de apoyo, como la expansión de la abertura de la laringe durante la inspiración. Algunas neuronas del GRV estimulan a las motoneuronas de los músculos espiratorios durante la espiración activa. La función de otras neuronas espiratorias aún no se comprende igual de bien, pero una de sus funciones podría ser la supresión de la actividad de las neuronas inspiratorias durante la espiración.
Centros de control de la respiración de la protuberancia El centro respiratorio de la protuberancia, llamado grupo respiratorio pontino (GRP; antes llamado centro neumotáxico), contiene tanto neuronas inspiratorias como espiratorias, así como neuronas mixtas, cuya actividad se asocia tanto a la inspiración como a la espiración (v. fig. 17.15). El GRP podría facilitar la transición entre inspiración y espiración.
Generador central de patrones Hemos visto que las neuronas inspiratorias bulbares controlan las motoneuronas de los músculos inspiratorios y que esas neuronas generan potenciales de acción durante la inspiración, pero no durante la espiración. La fuente de este ciclo de actividad se llama generador central de patrones.
494
C A P Í T U LO 1 7
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
El generador central de patrones (GCP) es una red de neuronas que generan un patrón de repetición regular de actividad neural llamado ritmo respiratorio. La localización del GCP y su mecanismo de acción se desconocen. Lo más probable es que el GCP se sitúe en el bulbo, aunque no se ha descartado aún por completo una posible localización pontina. Incluso aunque no se conozca la localización del GCP, se han propuesto dos hipótesis principales para explicar cómo funciona. Una de las hipótesis sugiere que ciertas neuronas de GCP tienen una actividad marcapasos, es decir, que se despolarizan de forma espontánea y generan potenciales de acción cíclicamente de forma similar a las células marcapasos del corazón. Sin embargo, ningún estudio ha conseguido identificar células con actividad de marcapasos en los centros respiratorios del tronco encefálico. La segunda hipótesis sugiere que las complejas interacciones entre las redes de neuronas son responsables de generar el ritmo respiratorio.
Modelo de control respiratorio durante la respiración calmada La figura 17.17 muestra un modelo simplificado de la respiración calmada en el que el ritmo respiratorio se produce en el GCP. Este ritmo se comunica a las neuronas inspiratorias del GRD y el GRV, provocando un marcado incremento de la frecuencia de los potenciales de acción en estas células, que se comunican con las motoneuronas del nervio frénico y los nervios intercostales. Al principio de la inspiración, cuando la frecuencia de los potenciales de acción en las neuronas inspiratorias es relativamente baja, solo se reclutan unas pocas motoneuronas y la contracción de los músculos inspiratorios es débil. Según continúa la inspiración, la frecuencia mayor de los potenciales de acción en las neuronas inspiratorias hace que se recluten más motoneuronas, provocando el reclutamiento de fibras musculares respiratorias adicionales y una contracción general más fuerte, que hace que el volumen pulmonar aumente. Tras un par de segundos, la actividad de las neuronas inspiratorias termina de forma abrupta, provocando una terminación igual de abrupta de la actividad de las motoneuronas. Como resultado, los músculos inspiratorios dejan de contraerse, la inspiración se detiene y comienza la espiración. Pasado un breve período de quiescencia, se desencadenan de nuevo potenciales de acción, marcando el comienzo de la siguiente inspiración.
En este modelo, las zonas de control respiratorio bulbares son las principales responsables del control de la respiración, pero la respiración también se ve afectada por la actividad de otras zonas del encéfalo, como la protuberancia, la corteza cerebral, el cerebelo, el sistema límbico, el hipotálamo y las zonas bulbares de regulación cardiovascular. Esto explica, por ejemplo, por qué los patrones de respiración cambian cuando una persona experimenta sentimientos de furia o miedo.
Señales periféricas a los centros respiratorios Hay varios tipos de señales sensoriales que pueden alterar la respiración, se supone que a través de comunicación indirecta con el generador central de patrones (v. fig. 17.17). En este sentido, son especialmente importantes las señales de los quimiorreceptores centrales y periféricos (células receptoras sensibles a sustancias químicas) situados en el encéfalo y en las arterias sistémicas. Estos quimiorreceptores controlan las condiciones químicas del líquido cefalorraquídeo y la sangre arterial, y son los principales responsables de la regulación de la ventilación en estado de reposo (como se analiza en la siguiente sección). Otras señales sensoriales que afectan a la respiración proceden de diferentes receptores situados en el aparato respiratorio y otros sitios. Estos incluyen los receptores de estiramiento pulmonar del músculo liso de las vías respiratorias pulmonares, los receptores de la irritación del revestimiento del tubo respiratorio, los propiorreceptores de los músculos y articulaciones (que detectan el movimiento del organismo), los barorreceptores arteriales (que detectan cambios en la presión arterial), y los nocirreceptores y termorreceptores situados por todo el organismo. Los receptores de estiramiento pulmonares se excitan con la insuflación de los pulmones y no parecen desempeñar un papel importante en la regulación respiratoria en humanos. Sin embargo, en otras especies animales, la activación de estos receptores inhibe la inspiración y podría mediar para proteger a los pulmones de una hiperinsuflación. Los receptores de la irritación se estimulan por partículas inhaladas, como el humo o el polvo, y por algunos productos químicos, como el dióxido de sulfuro. La estimulación de estos receptores desencadena la broncoconstricción, hiperpnea, tos y estornudos, que, bajo ciertas circunstancias, ayudan a limpiar estas sustancias de los pulmones. La tos se inicia por los receptores de la irritación de la tráquea, mientras que los estornudos se desencadenan por los
Señales sensoriales: Quimiorreceptores centrales Quimiorreceptores periféricos Receptores de estiramiento pulmonares Receptores de la irritación Propiorreceptores Puentes
Generador central de patrones (bulbo)
Corteza (control voluntario)
FIGURA 17.17 Modelo de control respiratorio durante la respiración calmada.
Neuronas inspiratorias del GRD y el GRV (bulbo)
Ritmo respiratorio
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
C A P Í T U LO 1 7
495
COMPRENDER EL E JERCICIO
Función de los receptores sensoriales señales de prealimentación suministran los estímulos para aumentar la ventilación durante el ejercicio. El aumento de la ventilación durante el ejercicio, que se llama hiperpnea del ejercicio, se ilustra en el gráfico. Al comienzo del ejercicio, la ventilación-minuto aumenta rápidamente, debido a unas señales neurales procedentes de la orden central y debido a la
retroalimentación de los mecanorreceptores y a los quimiorreceptores, un fenómeno al que nos referimos como respuesta neurogénica. A medida que progresa el ejercicio, la ventilación-minuto tiende a continuar aumentando, pero a una tasa mucho más lenta. Las señales procedentes de la sangre desencadenan este aumento continuado, al que llamamos respuesta humoral.
Reposo
Recuperación
Ventilación-minuto (l/min)
Cuando comienza el ejercicio físico, los músculos esqueléticos activos consumen mucho más oxígeno y producen mucho más dióxido de carbono, pero las concentraciones arteriales de estos gases cambian muy poco (al menos durante el ejercicio medio o moderado). La razón es que los circuitos de control de activación por alimentación anterógrada aumentan la ventilación antes de que la concentración de la sangre arterial pueda cambiar. Uno de estos circuitos es la orden central asociada con la intención de realizar ejercicio; otra señal de activación de alimentación anterógrada se origina en los mecanorreceptores y quimiorreceptores de los músculos esqueléticos que se estén ejercitando, y estas señales estimulan la ventilación. En reposo, los cambios en las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono arteriales regulan la ventilación a través de un control de retroalimentación negativa. Durante el ejercicio, parece que este mecanismo de retroalimentación inhibe la ventilación, lo que evita la hiperventilación: Por el contrario, las
Ejercicio
25 20 15 10 5 –2
receptores de la irritación de la nariz y la faringe. Las señales que entran en los centros respiratorios desde los propiorreceptores de músculos y las articulaciones desempeñan una importante función a la hora de estimular un aumento de la ventilación durante el ejercicio (v. «Comprender el ejercicio: Función de los receptores sensoriales»).
Test rápido 17.4 1. ¿Dónde se localizan las neuronas inspiratorias? ¿Y las espiratorias? 2. ¿Cuál es la función del generador central de patrones en la respiración? 3. ¿Cuál es la función de los receptores de la irritación?
Control de la ventilación por parte de los quimiorreceptores Cualquiera que haya tenido neumonía, un ataque de asma o dificultades respiratorias similares puede dar fe de que hay pocas sensaciones tan desagradables como la falta de aire, cono-
–1
0
1
2
3
4
+1
+2
Tiempo (minutos)
cida como disnea. Puedes demostrarlo por ti mismo intentando ralentizar voluntariamente tu propia respiración mientras intentas mantener constante el volumen de cada respiración. Si lo intentas, empezarás a sentirte incómodo en pocos segundos. No mucho más tarde, serás incapaz de mantener un ritmo fijo y tu respiración será más rápida y profunda. Los que intentan hacer esta demostración fracasan inevitablemente, porque la alteración del patrón de respiración altera la composición química de la sangre arterial sistémica. La reducción de la frecuencia de respiración, junto con un volumen corriente constante, hace que la ventilación alveolar caiga. Este descenso de la ventilación alveolar provoca cambios en las presiones parciales de los gases en el aire alveolar, lo que desencadena los correspondientes cambios en la sangre arterial. Los cambios en las concentraciones químicas de la sangre los detectan los quimiorreceptores situados en las principales arterias y en el encéfalo, que transmiten señales al centro de control respiratorio a través de las neuronas aferentes. Como resultado de esta aferencia neural, el centro de control respiratorio aumenta la velocidad y profundidad de la respiración para restablecer las presiones parciales de la sangre arterial a su valor normal. Los quimiorreceptores también transmiten información a la corteza cerebral, dando origen a la sensación consciente de disnea.
496
C A P Í T U LO 1 7
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
Ventilación-minuto (l/min)
30
20
Nivel normal en reposo
10
Protuberancia 0
20
Bulbo
40
80
60
100
PO2 arterial (mmHg) (a) Efectos de la PO2 arterial en la ventilación
Bifurcación carotídea
Ventilación-minuto (l/min)
30 Quimiorreceptores aferentes (parte del nervio glosofaríngeo)
A PCO2 > 90 mmHg: coma 20
Nivel normal en reposo
A PCO2 > 180 mmHg: muerte
10
Cuerpo carotídeo 0
Seno carotídeo Barorreceptores de la pared del seno carotídeo
Arteria carótida primitiva
20
40
60
80
100
PCO2 arterial (mmHg) (b) Efectos de la PCO2 arterial en la ventilación
FIGURA 17.19 Los quimiorreceptores controlan la respiración. (a) El
Cayado aórtico
descenso de la PO2 arterial tiene un efecto mínimo en la ventilación-minuto hasta que la PO2 arterial cae por debajo de 60 mmHg. (b) El aumento de la PCO2 arterial tiene un gran efecto sobre la ventilación-minuto cuando la PCO2 sube o baja demasiado. A una PCO2 mayor de 90 mmHg, se puede entrar en coma e incluso morir.
Aorta
¿Qué quimiorreceptores son responsables del aumento de la ventilación que tiene lugar cuando el PO2 desciende por debajo de 60 mmHg?
P
Corazón
FIGURA 17.18 Ubicación de los quimiorreceptores periféricos en los cuerpos carotídeos. Los aferentes ascienden desde los quimiorreceptores hasta el bulbo, pero no directamente a los centros respiratorios.
Quimiorreceptores Los quimiorreceptores controlan las presiones parciales del oxígeno y el dióxido de carbono en la sangre arterial y transmiten esta información al centro de control respiratorio, de forma que pueda ajustar la ventilación en respuesta a los cambios de estas variables. Los quimiorreceptores que participan en el control de la respiración se clasifican en periféricos y centra-
les, dependiendo de su situación. Los quimiorreceptores periféricos se sitúan en los cuerpos carotídeos, cerca del seno carotídeo (fig. 17.18). Otros quimiorreceptores periféricos llamados cuerpos aórticos se localizan en el cayado aórtico y regulan la respiración en muchas especies animales, pero no en humanos. Los quimiorreceptores centrales se localizan en el bulbo raquídeo. Los quimiorreceptores centrales y periféricos se diferencian no solo por su localización, sino también por sus estructuras y sensibilidad química. Los quimiorreceptores periféricos son células especializadas sensibles a sustancias químicas que están en contacto directo con la sangre arterial y se comunican (mediante la secreción de un mensajero químico) con las neuronas aferentes que se proyectan a las zonas de control respiratorio bulbares. Los quimiorreceptores responden a cambios en la PO , la PCO o el pH arteriales. La disminución de la PO puede activar directamente los quimiorreceptores periféricos, pero solo cuando la PO arterial cae por debajo de 60 mmHg (fig. 17.19a). Dado que 60 mmHg representa una disminución extrema de la PO arterial, el oxígeno no suele ser un factor primordial en la acti2
2
2
2
2
C A P Í T U LO 1 7 Quimiorreceptores centrales Líquido cefalorraquídeo
Sangre arterial PO2 < 60 mmHg
Bulbo raquídeo
CO2 + H2O CA Capilar del encéfalo CO2
497
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
Líquido cefalorraquídeo PCO2
PCO2
[H+] ( pH)
[H+] ( pH)
H2CO3 HCO3– + H+
Quimiorreceptores periféricos
Quimiorreceptores centrales
Detección y respuesta
Detección y respuesta
H+
Eritrocitos Células endoteliales capilares
Barrera hematoencefálica Plasma
FIGURA 17.20 Activación de los quimiorreceptores centrales en el bulbo raquídeo. Los quimiorreceptores centrales responden mejor a los cambios de pH del líquido cefalorraquídeo. No obstante, los iones de hidrógeno no pueden traspasar la barrera hematoencefálica, así que el dióxido de carbono difunde al líquido cefalorraquídeo, donde la anhidrasa carbónica (CA) cataliza la conversión de dióxido de carbono y agua en ácido carbónico (H2CO3), que se disocia con el bicarbonato (HCO3–) e iones de hidrógeno (H+). Los iones de hidrógeno pueden activar los quimiorreceptores centrales.
P
¿Qué tipo de uniones enlazan las células endoteliales de la pared capilar para prevenir que los iones hidrógeno pasen entre el plasma y el líquido cefalorraquídeo.
Estímulo inicial
Centros de control respiratorio
Respuesta fisiológica
ventilación
Resultado
FIGURA 17.21 Reflejos quimiorreceptores: efectos de los cambios en la PO2, la PCO2 y el pH arteriales en la ventilación. Una disminución de la PO2 arterial por debajo de 60 mmHg activa los quimiorreceptores periféricos, pero no tiene ningún efecto en los quimiorreceptores centrales. Un aumento de la PCO2 arterial activa directamente los quimiorreceptores periféricos y activa los quimiorreceptores centrales y periféricos cuando el dióxido de carbono se convierte en iones de hidrógeno y bicarbonato. Un descenso en el pH sanguíneo arterial activa los quimiorreceptores periféricos. Cuando se activan, los quimiorreceptores estimulan un aumento de la ventilación, lo que suministra una retroalimentación negativa al estímulo inicial.
Reflejos quimiorreceptores vación de los quimiorreceptores periféricos. Sin embargo una PO baja también aumenta la sensibilidad de los quimiorreceptores periféricos al dióxido de carbono. Además, los quimiorreceptores periféricos pueden responder directamente a los cambios del pH sanguíneo (concentración de iones hidrógeno). De hecho, los cambios en la concentración de iones de hidrógeno son el principal estímulo para los quimiorreceptores periféricos. Los iones de hidrógeno pueden proceder de muchas fuentes, pero la principal es la reacción del dióxido de carbono con el agua. El aumento de la PCO arterial también puede activar los quimiorreceptores periféricos (fig. 17.19b), pero más bien indirectamente; primero, el dióxido de carbono tiene que convertirse en iones de hidrógeno y bicarbonato. Los quimiorreceptores centrales son neuronas bulbares que responden directamente a cambios en la concentración de iones de hidrógeno del líquido cefalorraquídeo que rodea esta zona. Como estos quimiorreceptores se ubican en el encéfalo, están protegidos por la barrera hematoencefálica, que separa el líquido cefalorraquídeo de la sangre. Los iones de hidrógeno no pueden traspasar esta barrera, pero el dióxido de carbono sí puede. Este dióxido de carbono no afecta a los quimiorreceptores directamente, sino que la anhidrasa carbónica lo convierte en iones de hidrógeno y bicarbonato en el líquido cefalorraquídeo; los quimiorreceptores se activan con los iones de hidrógeno que se generan (fig. 17.20). Estos quimiorreceptores, a diferencia de los quimiorreceptores arteriales, no son sensibles a cambios de la PO . 2
2
2
La figura 17.21 resume la función de la actividad refleja quimiorreceptora en el mantenimiento de la PO y la PCO arteriales. Los quimiorreceptores periféricos responden directa e indirectamente a los cambios en la PCO arterial, y los quimiorreceptores centrales responden indirectamente a cambios en la PO arterial. De hecho, los cambios en la PCO son el principal estímulo para cambios de la ventilación en condiciones normales. Los quimiorreceptores periféricos responden a cambios en el pH sanguíneo arterial, que pueden asociarse al dióxido de carbono u otras fuentes (como el ácido láctico producido por el metabolismo celular). Los quimiorreceptores centrales responden a cambios en la concentración de iones de hidrógeno en el líquido cefalorraquídeo, pero no responden a cambios en la concentración de iones de hidrógeno en la sangre, porque estos iones no pueden traspasar la barrera hematoencefálica. Por este motivo, los iones de hidrógeno producidos por el ácido láctico u otros ácidos de la sangre no afectan a la actividad de los quimiorreceptores centrales. Los quimiorreceptores periféricos son sensibles a la PO arterial, pero solo cuando cae a un nivel muy bajo (menos de 60 mmHg). En cualquier caso, la activación de los quimiorreceptores determina un aumento de la ventilación; la disminución de la activación de los quimiorreceptores condiciona una disminución de la ventilación. Cuando una persona respira a nivel del mar aire atmosférico con una presión parcial normal (PO = 160 mmHg y PCO = 0,2 mmHg), la presión alveolar y la presión arterial también están cercanas al nivel normal (PO = 100 mmHg y PCO = 40 mmHg), siempre y cuando la ventilación alveolar se adecue a 2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
las necesidades metabólicas del organismo. Durante la hipoventilación, la ventilación alveolar es menor de lo que debería, lo que hace que la PO arterial disminuya y la PCO aumente (fig. 17.22a). En estas condiciones, los quimiorreceptores se ven estimulados por el aumento de PCO (solo la hipoventilación aguda hará que la PO descienda a un nivel que estimule a los quimiorreceptores) y desencadenan un aumento de la velocidad y profundidad de la respiración. Durante la hiperventilación, la ventilación alveolar es mayor de lo que debería, lo que hace que la PCO arterial disminuya (fig. 17.22b). En estas condiciones, la estimulación de los quimiorreceptores disminuye debido al descenso la PCO y desencadena un descenso de la velocidad o profundidad de la respiración. En ambas condiciones, los cambios de la ventilación deberían restablecer los valores normales de la PCO y la PO . 2
Hipoventilación
Hiperventilación
Sangre arterial
Sangre arterial
2
PCO2,
[H+], ( PO2)
PCO2,
[H+], ( PO2)
2
2
Quimiorreceptores
Quimiorreceptores Retroalimentación negativa
Detección y respuesta
Retroalimentación negativa
Detección y respuesta
Centro de control respiratorio
Centro de control respiratorio
2
2
2
ventilación
ventilación
(a) Hipoventilación
(b) Hiperventilación
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
2
FIGURA 17.22 Efectos de la hipoventilación y la hiperventilación en la ventilación-minuto.
Test rápido 17.5 1. Describe la ubicación de los quimiorreceptores periféricos y los quimiorreceptores centrales. 2. ¿Qué estímulos activan los quimiorreceptores periféricos? ¿Y los quimiorreceptores centrales? 3. ¿Cómo activa el dióxido de carbono a los quimiorreceptores centrales y periféricos?
Regulación local de la ventilación y la perfusión
2
En casos de enfermedades que obstruyen los pulmones, como el enfisema o la bronquitis, no es raro que las vías respiratorias de algunas zonas de los pulmones se obstruyan completamente por moco u otras sustancias que eviten que el aire entre en los alvéolos (v. capítulo 16). Cuando esto ocurre, la sangre que fluye a estos alvéolos se «malgasta», ya que no puede participar en el intercambio gaseoso. En otros tipos de enfermedades pulmonares, los capilares pulmonares pueden verse dañados, provocando el problema opuesto. Algunos alvéolos podrían recibir aire, pero no sangre. En este caso, el flujo de aire a estos alvéolos se «malgasta», ya que no participa en el intercambio gaseoso.
Relación ventilación/perfusión En pulmones normales, la tasa de flujo de aire a los alvéolos · (ventilación, VA) se corresponde con la tasa de flujo sanguíneo · (perfusión, Q); los puntos sobre las abreviaturas indican que son tasas. La relación entre ventilación y perfusión se llama relación · · · · ventilación/perfusión o VA/Q. En pulmones normales, VA/Q es aproximadamente 1 (fig. 17.23a). En estas circunstancias, la PO y la PCO de los alvéolos se encuentran a sus niveles normales de 100 y 40 mmHg, respectivamente. La PO y la PCO de la sangre que sale de los alvéolos también son de 100 y 40 mmHg, respectiva2
2
2
2
mente, porque las presiones parciales de la sangre capilar se equilibran con las presiones del aire alveolar. Las condiciones mencionadas en el párrafo de introducción de esta sección ilustran formas extremas de desigualdad ventilación/perfusión. Por ejemplo, cuando las vías respiratorias están · obstruidas, la V A de algunos alvéolos desciende, y la sangre que viaja en los capilares a esos alvéolos no lleva a cabo un intercambio gaseoso adecuado (fig. 17.23b). El resultado es que la sangre y el aire de esos alvéolos tendrán una PO más baja y una PCO más alta de lo normal. Si se evita por completo la ventilación de los alvéolos, entonces la sangre que emerge de los capilares tendrá las mismas presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono que la sangre que entra en los capilares. Cuando los capilares pulmonares están dañados, la perfusión se obstruye, haciendo · que Q disminuya (fig. 17.23c). El resultado es que la sangre y el aire de estos alvéolos tendrán una PO más alta y una PCO más baja de lo normal; sin embargo, poca sangre fluye por estas zonas. El desequilibrio entre ventilación y perfusión ocurre por otros motivos no patológicos. En condiciones normales, la fuerza de la gravedad afecta a la relación ventilación/perfusión. Los capilares de los pulmones pueden colapsarse si la presión en ellos no es mayor que la presión del aire de los alvéolos. La gravedad provoca una mayor presión hidrostática capilar y, por tanto, un mayor flujo sanguíneo en las regiones más inferiores de los pulmones. Por ejemplo, en las regiones más superiores de los pulmones de una persona que está de pie o sentada, la presión capilar es mayor que la presión alveolar en la terminación arterial del capilar, pero en la terminación venosa, la presión alveolar es mayor que la presión capilar. El flujo sanguíneo es, por tanto, intermitente a medida que los capilares se abren y cierran de forma alterna. En las regiones inferiores de los pulmones, la presión capilar es siempre mayor que la presión alveolar, así que el capilar está siempre abierto y el flujo sanguíneo es continuo. El equilibrio entre ventilación y perfusión es especialmente importante durante el ejercicio físico, cuando la disminu2
2
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
VA
Alvéolos y líquido intersticial pulmonar PO2
PCO2 VA Alvéolo
=1
Q
Bronquíolos
PO2 = 100 mm Hg PCO2 = 40 mm Hg
Q
499
Capilar pulmonar
Arteriolas pulmonares
actividad contráctil del músculo liso
actividad contráctil del músculo liso
Broncodilatación
Vasoconstricción
Tubo respiratorio
Circuito pulmonar
resistencia
resistencia
ventilación
perfusión
(a) Normal
VA
Obstrucción de una vía respiratoria VA
, sin cambio en Q
VA Estímulo inicial
Q
Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 17.24 Control local de la ventilación y la perfusión.
PO2
Q
PCO2
ción de intercambio gaseoso entre los alvéolos y los capilares es esencial (v. «Comprender el ejercicio: Reclutamiento de capacidades respiratorias de reserva»).
(b) Descenso de la ventilación
VA
Control local de la ventilación y la perfusión Q
, sin cambio en VA
VA Q Obstrucción del vaso sanguíneo Q
PO2
VA = Tasa de ventilación
PCO2
Q = Tasa de perfusión
(c) Disminución de la perfusión
FIGURA 17.23 Relación ventilación/perfusión. Los puntos sobre VA y Q indican que estas cantidades son tasas. (a) En condiciones normales, la · · ventilación y la perfusión están equilibradas (VA/Q = 1). (b) Si la ventilación · · disminuye y la perfusión es normal VA/Q 1; la PO2 arterial disminuye y la PCO2 · · aumenta. (c) Si la perfusión disminuye y la ventilación es normal, la VA/Q 1; la PO2 arterial aumenta y la PCO2 disminuye.
Teniendo en cuenta que pueden existir diferencias en la ventilación o perfusión de ciertos alvéolos, bien por la fuerza de la gravedad o por una enfermedad, el mecanismo de control local trabaja para equilibrar la ventilación y la perfusión con el fin de asegurar un intercambio gaseoso eficaz. Para conseguir una relación ventilación/perfusión igual a 1, las zonas con poca ventilación necesitan poca perfusión, y las zonas con alta ventilación necesitan más perfusión. Los cambios en la PO y la PCO de los alvéolos y el líquido intersticial de los pulmones afectan a la actividad contráctil del músculo liso, ocasionando cambios en el diámetro de los bronquios y cambiando también el flujo de aire, y cambios en el diámetro de las arteriolas y, por tanto, en la perfusión de los alvéolos individuales (fig. 17.24). Los efectos de los cambios en las presiones parciales del oxígeno y el dióxido de carbono en los radios de los bronquíolos y las arteriolas pulmonares se resumen en la tabla 17.4. El oxígeno actúa principalmente en las arteriolas pulmonares; una PO baja provoca una vasoconstricción (disminución · de Q). El dióxido de carbono actúa principalmente en los bronquíolos; una PCO alta incita una broncodilatación (aumento · de VA). Por consiguiente, en las zonas de los pulmones con una · · VA/Q alta, el aumento de PO y la disminución de PCO hacen que la broncoconstricción y la vasodilatación disminuyan la ventilación, y aumenta la perfusión. En las zonas de los pulmones con · · una VA/Q baja, el aumento de PCO provoca una broncodilatación 2
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
COMPRENDER EL E JERCICIO
Reclutamiento de capacidades respiratorias de reserva Cuando el organismo está en reposo, el corazón bombea 5 l de sangre por minuto al circuito sistémico y la misma cantidad al circuito pulmonar. La cantidad bombeada por minuto se llama gasto cardíaco. Los 5 l solo llenan alrededor de un tercio de la capacidad capilar pulmonar. Por tanto, solo uno de cada tres capilares conduce sangre en un momento dado, y hay más capilares en la base de los pulmones que portan sangre que en el vértice. Los alvéolos cercanos a los capilares que no conducen sangre suelen llamarse espacio muerto fisiológico porque, al igual que en el espacio muerto anatómico descrito en el capí-
tulo 16, el aire de estos alvéolos no participa en el intercambio gaseoso. A medida que aumenta el gasto cardíaco durante el ejercicio físico, hay más capilares que empiezan a transportar sangre de forma continua, y la perfusión se vuelve más uniforme por todo el pulmón. Esto constituye un tipo de capacidad pulmonar de reserva. Una vez que el gasto cardíaco supera más del triple el valor en reposo, todos los capilares de reserva se reclutan, la presión pulmonar sube ligeramente, y la sangre fluye más rápido dentro de los capilares individuales. En consecuencia, la cantidad de tiempo que emplea
cada glóbulo rojo en intercambiar gas con un alvéolo se reduce. El tiempo de tránsito a lo largo de la longitud de un capilar alveolar es normalmente de 1 s, pero un glóbulo rojo puede intercambiar completamente oxígeno y dióxido de carbono en un tercio de ese tiempo. Esto constituye un segundo tipo de capacidad pulmonar de reserva. En conjunto, estos dos mecanismos de reserva aseguran que el circuito pulmonar puede acomodarse hasta un aumento por seis de la salida cardíaca durante el ejercicio, sin reducir la oxigenación de los glóbulos rojos o la liberación de dióxido de carbono.
TABLA 17.4 Controles locales de los radios de las arteriolas y los bronquíolos pulmonares Cambio en la composición gaseosa de los pulmones Aumento de PCO2 Disminución de PCO2
Respuesta de los bronquíolos · Dilatación (aumento de VA*) · Constricción (disminución de VA) · Constricción débil (disminución de VA) · Dilatación débil (aumento de VA)
Aumento de PO2 Disminución de PO2
Respuesta de las arteriolas pulmonares · Constricción débil (disminución de Q†) · Dilatación débil (aumento de Q) · Dilatación (aumento de Q) · Constricción (disminución de Q)
· * VA = ventilación. †· Q = perfusión.
y la disminución de PO induce una vasoconstricción. El efecto neto es un aumento de la ventilación y un descenso de la perfusión. Cabe destacar que el efecto del oxígeno y el dióxido de carbono en las arteriolas pulmonares es opuesto a los efectos de estos gases en las arteriolas sistémicas, donde el oxígeno provoca una vasoconstricción y el dióxido de carbono una vasodilatación (v. capítulo 14). Los radios de las arteriolas y los bronquíolos también pueden verse afectados por otros factores, como la adrenalina y el sistema nervioso autónomo (v. capítulos 14 y 16). 2
Test rápido 17.6 1. ¿En qué afecta el aumento del cociente ventilación/perfusión a la PO del aire alveolar? ¿Y a la PCO ? 2. ¿Qué efecto tiene un descenso de la PCO en el líquido intersticial alrededor de los alvéolos sobre los radios de las arteriolas y los bronquíolos de la zona? 3. Si el flujo sanguíneo a un alvéolo disminuye, ¿qué debería pasarle al radio del bronquíolo que lleva al alvéolo si se mantiene un cociente ventilación/perfusión normal? 2
Papel del aparato respiratorio en la homeostasis ácido-base Aunque la función primaria del aparato es controlar el oxígeno y el dióxido de carbono que contiene la sangre arterial, también desempeña una importante función en la regulación de la concentración de iones de hidrógeno o el pH de la sangre. En la sección anterior vimos que la hemoglobina puede cargar con iones de hidrógeno, y que el dióxido de carbono es una fuente de iones de hidrógeno. En esta sección nos centraremos en la función de la hemoglobina y, lo que es más importante, del dióxido de carbono en el equilibrio ácido-base, es decir, en el mantenimiento del pH normal de la sangre.
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Alteraciones ácido-base en la sangre El pH normal de la sangre es 7,4, que es ligeramente más alcalino que el del agua pura (pH = 7). El pH sanguíneo está bastante regulado por el aparato respiratorio y los riñones (v. capítulo 19), de forma que es raro que el pH varíe en más de unas centésimas
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arriba o abajo; el rango normal del pH está entre 7,38 y 7,42. De hecho, los cambios en el pH sanguíneo de tan solo unas décimas pueden tener consecuencias graves y peligrosas para la vida. Si el pH sanguíneo aumenta hasta 8 o disminuye hasta 6,8, aunque solo sea durante unos segundos, el resultado es la muerte. Un cambio en el pH sanguíneo arterial puede tener graves consecuencias en las funciones del organismo, porque altera el pH de los líquidos por todo el organismo. Un cambio en el pH altera la distribución de las cargas eléctricas en las moléculas proteicas, alterando, por tanto, su forma e interfiriendo con su funcionamiento normal. Como las proteínas tienen tal variedad de funciones en el organismo (como las enzimas o los receptores de moléculas mensajeras), los cambios en el pH conllevan efectos generalizados en las funciones vitales. La sangre arterial se considera excesivamente ácida si el pH es 7,35 o menor, condición que se conoce como acidosis. (Cabe destacar que la acidosis tiene lugar incluso cuando el pH de la sangre es en realidad alcalino, es decir, mayor que 7, porque la acidosis se refiere a un pH más ácido de lo normal, que sería 7,4.) Un pH mayor de 7,45 indica que la sangre es excesivamente alcalina o básica, estado llamado alcalosis. El peligro de la acidosis aguda es que deprime la actividad del sistema nervioso central. En casos graves, esta depresión de la actividad del SNC puede avanzar hasta el coma y, en última instancia, a una insuficiencia respiratoria mortal. Cuando el pH es demasiado alto (alcalosis), el sistema nervioso se vuelve demasiado excitable, lo que puede llevar a convulsiones y ataques incontrolables. Con frecuencia, la muerte sucede como consecuencia de la contracción espasmódica de los músculos respiratorios, ya que hace imposible la respiración.
Función del aparato respiratorio en el equilibrio ácido-base El aparato respiratorio y los riñones colaboran para regular el pH sanguíneo. En el capítulo 19 se presenta un análisis más pormenorizado del equilibrio ácido-base. En esta sección nos centramos en los aspectos del aparato respiratorio que participan en este equilibrio.
Hemoglobina como amortiguador La hemoglobina es un amortiguador, porque puede unirse o liberar iones de hidrógeno. La mayor afinidad por el hidrógeno de la desoxihemoglobina que de la oxihemoglobina es parte del efecto Bohr (v. pág. 488). En los tejidos, la hemoglobina descarga oxígeno y se une a iones de hidrógeno:
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
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no, un efecto contrarrestado de alguna forma por la liberación de iones hidrógeno de la hemoglobina cuando se une con el oxígeno: HbH r H+ + Hb
Hb + O2 r Hb · O2
Iones de bicarbonato como amortiguador El bicarbonato es otro sistema amortiguador principal de la sangre. Si la concentración de iones de hidrógeno aumenta, estos se unen al bicarbonato para formar dióxido de carbono. De la misma forma, si aumenta el dióxido de carbono en la sangre, puede convertirse en bicarbonato e iones de hidrógeno. La producción de iones de hidrógeno a partir del dióxido de carbono es importante en el equilibrio ácido-base: si se deja que el nivel de dióxido de carbono en la sangre aumente, conllevará una acidosis. La relación entre el dióxido de carbono y la acidez puede describirse usando la ecuación de Henderson-Hasselbalch, que puede aplicarse al equilibrio de una serie de reacciones que terminan convirtiendo el dióxido de carbono y el agua en bicarbonato e iones de hidrógeno. La ecuación de Henderson-Hasselbalch (v. «Caja de herramientas: Ecuación de Henderson-Hasselbalch») de esta reacción es: pH = 6,1 + log
[HCO3–] [CO2]
Esta ecuación nos dice que para mantener un pH sanguíneo normal de 7,4 se necesita que la proporción entre bicarbonato y dióxido de carbono sea de 20:1 de forma constante. Si esta proporción varía, el pH sanguíneo cambiará. Los pulmones regulan la concentración de dióxido de carbono, mientras que los riñones regulan la concentración de iones de bicarbonato. Las alteraciones respiratorias en el equilibrio ácido-base se deben a cambios en la concentración de dióxido de carbono. La acidosis respiratoria es un aumento de la acidez de la sangre debido a un aumento de dióxido de carbono, lo que ocurre, por ejemplo, durante la hipoventilación. La alcalosis respiratoria es una disminución de la acidez de la sangre debida a un descenso del dióxido de carbono, lo que ocurre, por ejemplo, durante la hiperventilación o en grandes alturas (v. «Descubrimientos: Efectos de las grandes alturas»). Otras alteraciones del equilibrio ácido-base se llaman acidosis metabólica y alcalosis metabólica, y se analizarán en el capítulo 19.
Test rápido 17.7 Hb · O2 r O2 + Hb
Hb + H+ r HbH
Esto es importante, porque los tejidos producen dióxido de carbono, que se convierte rápidamente en bicarbonato e iones de hidrógeno. Algunos de estos iones de hidrógeno puede cargarlos la hemoglobina, lo que ayuda a evitar que el pH se vuelva demasiado ácido: CO2 + H2O r H2CO3 r HCO3– + H+ H+ + Hb r HbH En los pulmones, la reacción es inversa: la hemoglobina libera iones de hidrógeno y carga oxígeno. La eliminación de dióxido de carbono suele reducir la concentración de iones de hidróge-
1. Escribe las ecuaciones químicas responsables de la conversión de dióxido de carbono en ácido. Muestra todos los pasos intermedios, indica las direcciones de las reacciones e indica la función de cualquier enzima. 2. ¿Qué efectos tienen la hipoventilación en la PCO , la PO y el pH sanguíneo? 2
2
Integración de sistemas En este capítulo y el anterior hemos aprendido que el aparato respiratorio suministra oxígeno a la sangre y retira el dióxido de carbono (e iones de hidrógeno) de la sangre. Todos los siste-
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
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Ecuación de Henderson-Hasselbalch La relación entre el dióxido de carbono y la acidez puede describirse con la ecuación de Henderson-Hasselbalch, que se basa en el equilibrio de la disociación de un ácido (HA) en un ion de hidrógeno libre (H+) y una base (A–): HA s H+ + A– La constante de equilibrio (K) para esta reacción viene dada por la siguiente expresión:
que puede reajustarse para incluir la concentración de iones de hidrógeno bajo condiciones de equilibrio: K[HA] [A–]
Ya que la concentración de iones de hidrógeno suele registrarse en forma de pH, podemos reformular esta ecuación tomando el logaritmo negativo de ambos lados, lo que nos lleva a la ecuación de HendersonHasselbalch: [A–] [A–] pH = –log K + log = pK + log [HA] [HA] Cabe destacar que el logaritmo negativo de la constante de equilibrio se denomina pK, que es análoga al pH, el logaritmo negativo de la concentración de iones de hidrógeno. Podemos aplicar la ecuación anterior a la disociación de ácido carbónico (H2CO3) en bicarbonato (HCO3–) e iones de hidrógeno: H2CO3 s HCO3 + H –
+
sustituyendo [HCO3–] por [A–] y [H2CO3] por [HA]: pH = pK + log
CO2 + H2O s H2CO3 que se describe en la siguiente constante de equilibrio: K =
[H+][A–] K = [HA]
[H+] =
Sin embargo, también podemos expresar la ecuación en términos de concentración de dióxido de carbono, porque el ácido carbónico se genera en la reacción del CO2 con el agua:
[H2CO3] [CO2][H2O]
Como [H2O] es prácticamente constante, esta ecuación nos dice que la proporción de [H2CO3]/[CO2] también es constante. En otras palabras, [H2CO3] siempre será proporcional al [CO2]. En consecuencia, podemos sustituir el [CO2] por [H2CO3] para llegar al a ecuación de HendersonHasselbalch de la siguiente forma (en la que se ha introducido la pK adecuada): [HCO3–] pH = 6,1 + log [CO2] Esta ecuación nos dice que el mantenimiento de un pH arterial normal de 7,4 requiere que la proporción [HCO3–]/[CO2] permanezca constante a 20:1. Si esta proporción cambia, el pH sanguíneo también debe cambiar. Los pulmones y los riñones desempeñan una función primordial en ayudar a mantener la proporción constante; los pulmones regulan el [CO2], mientras que los riñones regulan el [HCO3–]. Como el nivel de dióxido de carbono en la sangre suele expresarse en términos de presiones parciales, la ecuación anterior puede escribirse así: pH = 6,1 + log
[HCO3–] (0,03)PCO2
donde 0,03 es proporcionalmente constante que convierte la presión parcial del dióxido de carbono (mmHg) a una concentración (mmoles/l).
[HCO3–] [H2CO3]
mas del organismo dependen del oxígeno para conseguir al menos parte de su energía, y el dióxido de carbono es un producto de desecho que debe eliminarse. El aparato respiratorio trabaja en estrecha colaboración con el aparato cardiovascular para llevar a cabo su función. De hecho, la relación ventilación/ perfusión se regula para asegurar el intercambio gaseoso más eficaz entre la sangre y los tejidos. El aparato respiratorio tam-
bién ayuda en la defensa contra agentes infecciosos a través de la producción de moco y los macrófagos alveolares. Una de las funciones del aparato respiratorio que suele olvidarse es su función en el equilibrio ácido-base. Volveremos a este tema en el capítulo 19, donde aprenderemos cómo los aparatos respiratorio y urinario trabajan juntos para mantener el pH sanguíneo normal.
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
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DESCUBRIMIENTOS
Efectos de las grandes alturas La presión atmosférica disminuye a gran altura, así que las presiones parciales de los gases del aire descienden aunque la composición gaseosa del aire no cambie. Por ejemplo, en Denver (Colorado, EE. UU.), conocida como «la ciudad de una milla de altura», la presión atmosférica del aire es 630 mmHg, y en la cima del monte Everest, la presión atmosférica del aire es de 250 mmHg. La presión parcial del oxígeno en estos dos lugares sería la siguiente: Denver: PO = (0,21) (630 mmHg) = 132,3 mmHg Monte Everest: PO = (0,21) (250 mmHg) = 52,2 mmHg 2
2
De forma que, cuando la altitud aumenta, el aire que llega a los alvéolos contiene menos oxígeno. Ya que la PO alveolar disminuye a altitudes elevadas, la PO arterial también disminuye, estado llamado hipoxemia. Con un nivel menor de oxígeno en la sangre, hay menos oxígeno disponible para los tejidos que respiran, lo que provoca hipoxia (disminución del oxígeno en tejidos). En principio, la hipoxemia desencadena respuestas de compensación en un intento de elevar al PO arterial. Si la PO cae por debajo de los 60 mmHg, la activación de 2
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los quimiorreceptores periféricos hace que el centro respiratorio incremente la ventilación. Sin embargo, si la ventilación aumenta en relación con la demanda metabólica, tanto la PCO arterial como la concentración de iones de hidrógeno en la sangre disminuirán. Esto suprime la activación de los quimiorreceptores periféricos y centrales, contrarrestando el efecto de estimulación de la falta de oxígeno. Además, se dará una alcalosis respiratoria. El aumento de la acidez sanguínea se debe al desplazamiento a la izquierda de la curva de disociación oxígeno-hemoglobina cuando la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno aumenta. Un aumento de esta afinidad significa que en los tejidos se descarga menos oxígeno, pero también significa que se carga más oxígeno en los pulmones. Bajo la exposición a un nivel bajo de oxígeno, el nivel de oxihemoglobina decrece, haciendo que los eritrocitos aumenten la producción de 2,3-BPG, que reduce la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno, aumentando, por tanto, la descarga de oxígeno en los tejidos y contrarrestando los efectos de la alcalosis. Tras una exposición de varios días a altitudes pronunciadas, el organismo comienza a aclimatarse. Los riñones ayudan a mantener el equilibrio ácido-base mediante la excreción de bicarbonato, con el fin de compensar la pérdida de iones de hidrógeno que acompaña la 2
reducción de la PCO arterial. Si el organismo se expone a estas altitudes durante más tiempo, se da otro tipo de aclimatación. En respuesta a la hipoxia, los riñones secretan la hormona eritropoyetina, que estimula la síntesis de eritrocitos, elevando el hematocrito hasta el 60%, estado llamado policitemia. Un aumento de eritrocitos desencadena un incremento de la concentración de hemoglobina en la sangre y, por tanto, un aumento de la capacidad de transportar oxígeno de la misma. Sin embargo, la policitemia también aumenta la viscosidad de la sangre, aumentando también la resistencia al flujo sanguíneo. 2
Monte Everest.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Sinopsis de la circulación pulmonar, pág. 476
la sangre. La sangre desoxigenada regresa al lado derecho del corazón.
El corazón derecho bombea sangre desoxigenada a los capilares pulmonares, donde el oxígeno difunde de los alvéolos a la sangre y el dióxido de carbono difunde de la sangre a los alvéolos. La membrana respiratoria facilita una gran área de superficie y una corta distancia para la difusión, de forma que la velocidad de difusión es rápida. La sangre ya oxigenada regresa al lado izquierdo del corazón, donde se bombea a los capilares sistémicos de los tejidos del organismo. El oxígeno difunde de la sangre a los tejidos y el dióxido de carbono difunde de los tejidos a
Respiratory, Anatomy Review: Respiratory Structures, págs. 7–11 Cardiovascular, Anatomy Review: The Heart, pág. 5
Difusión de gases, pág. 478 Las presiones de los gases individuales de una mezcla se llaman presiones parciales y son iguales a la concentración fraccional del gas multiplicada por la presión total. Los gases pueden disolverse en líquidos en varios grados según su solubilidad y presiones par-
ciales. A mayor solubilidad y mayor presión parcial, más gas se disuelve en el líquido. El oxígeno y el dióxido de carbono no son muy solubles en agua, aunque el dióxido de carbono lo es 20 veces más que el oxígeno.
Respiratory, Gas Exchange, págs. 3–5
Intercambio de oxígeno y dióxido de carbono, pág. 480 El intercambio gaseoso sucede por difusión a favor de los gradientes de las presiones parciales. En los pulmones, el oxígeno difunde de los alvéolos a la sangre, y el dióxido de carbono difunde de la sangre a los
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Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
alvéolos. En los tejidos que respiran, el oxígeno difunde de la sangre a los tejidos y el dióxido de carbono difunde de los tejidos a la sangre. La cantidad de oxígeno y dióxido de carbono que difunde a través de un capilar sistémico concreto depende de la actividad del tejido, los tejidos más activos tienen mayores gradientes de presiones parciales y, por consiguiente, mayores tasas de difusión. La PO2 y la PCO2 alveolares están determinadas por: 1) la PO2 y la PCO2 del aire inspirado; 2) la ventilación alveolar, y 3) las tasas de consumo de oxígeno y producción de dióxido de carbono en los tejidos que respiran. En cambio, la PO2 y la PCO2 alveolares determinan la PO2 y la PCO2 arteriales. Normalmente, la ventilación alveolar se ajusta con el consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono. Si aumenta la actividad metabólica, aumenta la ventilación para ajustar la demanda del tejido, este estado recibe el nombre de hiperpnea.
Respiratory, Gas Exchange, págs. 6–16
Transporte de gases en la sangre, pág. 485 El oxígeno se transporta en la sangre de dos formas, disuelto (1,5%) y ligado a la hemoglobina (98,5%). La relación entre la PO2 y la cantidad de oxígeno ligada a la hemoglobina se muestra en la curva de disociación oxígeno-hemoglobina. Hay muchos factores que influyen en la unión del oxígeno con la hemoglobina, como la temperatura, el pH, la PCO2, 2,3-BPG, monóxido de carbono y la PO2. El efecto Bohr es la disminución de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno que tiene lugar cuando los iones de hidrógeno se enlazan a la hemoglobina. El efecto carbamino es la disminución de la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno que se da cuando el dióxido de carbono se une a la hemoglobina. El efecto Haldane es la disminución de la afinidad de la hemoglobina por los iones de hidrógeno y el dióxido de carbono que tiene lugar cuando el oxígeno se une a la hemoglobina. El dióxido de carbono se transporta en la sangre de tres formas: disuelto (5-6%),
enlazado a la hemoglobina (5-8%) y en forma de iones de bicarbonato disueltos en la sangre (86-90%). La conversión de dióxido de carbono desempeña un papel importante en el mantenimiento del equilibrio ácidobase de la sangre y el bicarbonato es la forma principal en la que se transporta el dióxido de carbono entre tejidos y pulmones. La anhidrasa carbónica, una enzima que se encuentra en los eritrocitos, cataliza la reacción reversible que convierte el dióxido de carbono y el agua en ácido carbónico, que luego se disocia en iones de hidrógeno y bicarbonato.
convertirse primero en iones de hidrógeno (y bicarbonato). Los quimiorreceptores periféricos situados en los cuerpos carotídeos responden directamente a los cambios del pH y la PCO2 y disminuciones de la PO2 por debajo de 60 mmHg. Los quimiorreceptores centrales se sitúan en la médula oblongada y responden a cambios del pH del líquido cefalorraquídeo.
Respiratory, Gas Transport, págs. 3–15
La proporción entre flujo de aire a los alvéolos y el flujo de sangre a los capilares que suministran los alvéolos se llama cociente ventilación/perfusión. En pulmones normales, el flujo de aire y la ventilación se ajustan, y el cociente ventilación/perfusión es 1. Si la ventilación a un alvéolo concreto disminuye, la perfusión disminuirá por vasoconstricción para mantener el cociente ventilación/perfusión normal. De igual forma, si la perfusión a un alvéolo concreto disminuye, el flujo de aire disminuirá por broncoconstricción.
Regulación central de la ventilación, pág. 491 Respirar es un proceso rítmico desencadenado por la excitación neural cíclica de los músculos respiratorios. La generación del ritmo respiratorio requiere la acción de los centros respiratorios del tronco encefálico. El centro de control respiratorio bulbar consta del grupo respiratorio dorsal y el grupo respiratorio ventral. Las neuronas inspiratorias de estas zonas activan las motoneuronas que inervan los músculos inspiratorios, causando la inspiración. El grupo respiratorio pontino podría participar en la transición entre inspiración y espiración. Las zonas del encéfalo más altas pueden influir en la respiración. Hay varios estímulos que afectan la ventilación, como los cambios en la PO2 y la PCO2 arterial, estiramiento de los pulmones, irritantes de las vías respiratorias, propiorreceptores, barorreceptores arteriales, nocirreceptores, termorreceptores, emociones y control voluntario.
Respiratory, Control of Respiration, págs. 1–5, 14–15
Control de la ventilación por parte de los quimiorreceptores, pág. 495 Los quimiorreceptores centrales y periféricos detectan cambios en la PO2, la PCO2 y el pH arteriales. La PCO2 es el principal estímulo de los quimiorreceptores centrales, pero sus efectos son siempre indirectos: el CO2 debe
Respiratory, Control of Respiration, págs. 6–10
Regulación local de la ventilación y la perfusión, pág. 498
Papel del aparato respiratorio en la homeostasis ácido-base, pág. 500 El pH sanguíneo está muy regulado para mantenerse entre 7,38 y 7,42 y así conservar el funcionamiento normal de las proteínas necesario para la homeostasis. La acidosis es un descenso del pH a 7,35 o menos, mientras que la alcalosis es un aumento del pH a 7,45 o más. Los aparatos respiratorio y urinario colaboran para mantener un pH sanguíneo normal (para regular el equilibrio ácidobase). La principal contribución del aparato respiratorio en el equilibrio ácido-base es la regulación de la PCO2 arterial. Como el dióxido de carbono puede convertirse en ácido carbónico, un cambio en la PCO2 puede causar una acidosis respiratoria o alcalosis respiratoria. El aparato respiratorio colabora con los riñones para mantener una proporción de bicarbonato con el dióxido de carbono de 20:1.
Respiratory, Control of Respiration, págs. 11–13
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. En estado de reposo, la velocidad a la que el oxígeno entra en los capilares alveolares desde el aire alveolar es igual a la velocidad a la que a) el oxígeno llega a los alvéolos en el aire inspirado. b) el oxígeno sale de los alvéolos en el aire espirado. c) el oxígeno se consume en los tejidos que respiran.
d) se produce el dióxido de carbono en los tejidos que respiran. e) el dióxido de carbono sale de los capilares pulmonares y entra en el aire alveolar. 2. A una PO2 normal en reposo de sangre venosa mixta, la hemoglobina está saturada casi al a) 100%. b) 97%. c) 75%.
d) 50%. e) 25%. 3. En los tejidos que respiran, un aumento de la PCO2 provoca todo lo siguiente salvo un aumento de la a) concentración de iones de hidrógeno. b) concentración de bicarbonato. c) concentración de carbaminohemoglobina. d) afinidad de la hemoglobina por el oxígeno.
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e) descarga de oxígeno de la hemoglobina. 4. ¿Cuál de las siguientes opciones no afecta la PO2 alveolar? a) la tasa de consumo de oxígeno de los tejidos que respiran b) la ventilación alveolar c) la PO2 del aire inspirado d) el volumen de aire contenido en los alvéolos e) la humidificación del aire cuando se mueve a través de la zona conductora 5. Durante la hiperventilación, ¿cuál de las siguientes opciones esperarías que ocurriese? a) un aumento de la PO2 de la sangre arterial b) un aumento de la PCO2 de la sangre arterial c) un aumento de la acidez de la sangre arterial d) un aumento de la concentración de bicarbonato en la sangre arterial e) una disminución del pH de la sangre arterial 6. ¿Cuál de las siguientes opciones cabe esperar que provoque una disminución de la saturación porcentual de la hemoglobina? a) un aumento de la PO2 b) una disminución del pH sanguíneo c) una disminución de la PCO2 d) una disminución de la temperatura e) todas las anteriores 7. Suponiendo que la PO2 alveolar = 100 mmHg y la PCO2 = 60 mmHg, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es cierta? a) El pH será menor de lo normal. b) La saturación porcentual de la hemoglobina por el oxígeno será menor de lo normal. c) La concentración de bicarbonato será mayor de lo normal. d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 8. Suponiendo que la PO2 y la PCO2 arterial de una persona son normales (PO2 = 100 mmHg, PO2 = 40 mmHg), ¿cuál de las siguientes opciones es más probable que estimule un aumento de la ventilación? a) un descenso de la PO2 a 90 mmHg b) un descenso de la PCO2 a 35 mmHg c) un aumento de la PO2 a 110 mmHg d) un aumento de la PCO2 a 45 mmHg 9. Un aumento de la PCO2 arterial desencadena un incremento de la ventilación, estimulando los quimiorreceptores periféricos y centrales. La respuesta de los quimiorreceptores centrales se debe a a) la difusión del dióxido de carbono en el líquido encefálico extracelular, que estimula los quimiorreceptores directamente.
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
b) la difusión de iones de hidrógeno al líquido encefálico extracelular, que estimula los quimiorreceptores directamente. c) la difusión del dióxido de carbono al líquido encefálico extracelular, que reacciona con el agua para formar iones de bicarbonato, que estimulan los quimiorreceptores directamente. d) la estimulación directa de los iones de hidrógeno en la sangre arterial. 10. Cuando una persona practica deporte, la ventilación aumenta para alcanzar la demanda de los tejidos más activos. Esto es un ejemplo de a) hiperventilación. b) hipoventilación. c) hipoxia. d) apnea. e) hiperpnea. 11. El cociente normal entre la concentración de bicarbonato y de dióxido de carbono en la sangre arterial es a) 1:5. b) 5:1. c) 10:1. d) 20:1. e) 1:20. 12. ¿A cuál de las siguientes opciones se puede unir la hemoglobina para su transporte en la sangre? a) oxígeno b) dióxido de carbono c) iones de hidrógeno d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 13. ¿Cuál de las siguientes zonas del encéfalo contiene neuronas inspiratorias? a) solo el grupo respiratorio dorsal b) solo el grupo respiratorio ventral c) tanto el grupo respiratorio dorsal como el ventral d) ni el grupo respiratorio dorsal ni el ventral
Preguntas objetivas
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5. La enzima que cataliza la conversión de dióxido de carbono en ácido carbónico es ————. 6. Cuando el pH de la sangre aumenta, la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno (aumenta/disminuye). 7. Cuando una persona hipoventila, la PCO2 de la sangre arterial (aumenta/disminuye). 8. Cabe esperar que un descenso de la ventilación alveolar cause un (aumento/disminución) de la PO2 arterial y un (aumento/disminución) de la PCO2 arterial. 9. La hemoglobina ligada a dióxido de carbono se llama ————. 10. En el intercambio gaseoso de los pulmones y tejidos respiratorios, el oxígeno y el dióxido de carbono siempre se mueven bajo sus gradientes de presiones parciales. (verdadero/falso) 11. Los quimiorreceptores (centrales/periféricos) responden directamente a los iones de hidrógeno que se producen durante el metabolismo. 12. La tos está provocada por la estimulación de los receptores pulmonares ————. 13. En la acidosis respiratoria, la PCO2 es (mayor/menor) de lo normal. 14. Cabe esperar que un aumento de la PCO2 del aire alveolar desencadene una (broncoconstricción/broncodilatación) local de las vías respiratorias. 15. Cabe esperar que un aumento de la PO2 del aire alveolar desencadene una (vasoconstricción/vasodilatación).
Preguntas abiertas 1. Explica cómo los cambios en la PCO2 sanguínea afectan a la carga y descarga de oxígeno en los pulmones y tejidos respiratorios. 2. Traza una curva de disociación oxígenohemoglobina y explica cómo se ve afectada por el pH y la PCO2. Incluye en tu explicación los cambios en la afinidad y cambios de la curva.
1. En condiciones normales, la velocidad a la que el oxígeno llega a los alvéolos en el aire inspirado es (la misma/mayor/ menor) que la velocidad a la que se consume en los tejidos respiratorios.
3. Describe lo que le ocurre al oxígeno y al dióxido de carbono cuando la sangre se desplaza a través del aparato circulatorio. Comienza en el ventrículo izquierdo y termina en la aurícula izquierda.
2. En estado de reposo, los tejidos normalmente extraen (exactamente la mitad/ más de la mitad/menos de la mitad) del oxígeno que llega hasta ellos en la sangre arterial.
4. Supongamos que la PO2 y la PCO2 alveolares son normales. Si se produce un incremento repentino de la actividad metabólica del tejido y la producción de CO2, pero no se observa un cambio de la ventilación minuto alveolar, ¿qué cabe esperar que ocurra con la PCO2 arterial, la PCO2 venosa mixta y la PCO2 alveolar?
3. La cantidad de dióxido de carbono en la sangre sistémica arterial es menos del 50% que en la sangre venosa mixta. (verdadero/falso) 4. Cuando la PCO2 de la sangre aumenta, la concentración de bicarbonato (aumenta/ disminuye) y la concentración de iones de hidrógeno (aumenta/disminuye).
5. Describe cómo trabajan los quimiorreceptores para mantener la PCO2 constante. Incluye una explicación de cómo la PCO2 arterial afecta a los quimiorreceptores centrales y periféricos.
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C A P Í T U LO 1 7
Aparato respiratorio: intercambio gaseoso y regulación de la respiración
Pensamiento crítico 1. El monóxido de carbono es tóxico porque se une a la hemoglobina al mismo tiempo que el grupo hemo, evitando que se pueda enlazar el oxígeno. Dibuja una curva de disociación oxígeno-hemoglobina para un estado normal y luego para la presencia de dióxido de carbono. 2. La exposición crónica a grandes alturas condiciona adaptaciones importantes
para mejorar la llegada de oxígeno a los tejidos, una de las cuales es un aumento de hematocrito o policitemia. Según lo que has aprendido sobre el flujo de sangre en el capítulo 14, describe el deterioro causado por la policitemia. 3. La sobredosis de barbitúricos hace que la respiración se deprima. Describe lo que ocurre con las presiones parciales del oxígeno y el dióxido de carbono de la sangre arterial tras una sobredosis. ¿Qué
le ocurre al pH? ¿Se desencadenará una acidosis o una alcalosis? ¿Qué harías para tratar a alguien que sufre una sobredosis? 4. Los bebés prematuros no suelen secretar un nivel adecuado de surfactante. Describe las consecuencias de este desajuste y los tratamientos adecuados.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Aparato urinario: función renal Hace unos años, Joaquín tuvo un accidente que le causó una lesión grave en el riñón izquierdo. Hace poco tiempo, su riñón derecho comenzó a fallar y los
18
médicos le pronosticaron una insuficiencia renal total en 6 meses. Los riñones de donantes son escasos y es poco probable que Joaquín pueda recibir un riñón, lo que hace que su vida esté en peligro. Por suerte, su hermana Elena ha accedido a donarle uno de sus riñones. A diferencia de la mayoría de los trasplantes de órganos, en los que los órganos son cedidos por personas fallecidas, los riñones pueden trasplantarse desde donantes vivos. Como los riñones suelen funcionar muy por debajo de sus posibilidades, la pérdida de un riñón apenas tiene efectos a largo plazo en la capacidad del organismo de mantener la homeostasis. Aunque pueda parecer que sugerimos que los riñones no trabajan mucho, no es cierto: los riñones filtran el volumen del plasma por completo (unos 3 litros cada 22 minutos) y son fundamentales para el mantenimiento del medio líquido extracelular que baña las células del organismo. Sin intervención médica, la pérdida de ambos riñones supondría la muerte en un par de semanas.
CONTENIDOS Microfotografía electrónica en color de un glomérulo.
Funciones del aparato urinario 508 Anatomía del aparato urinario 509 Procesos básicos de intercambio renal
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Especialización local de los túbulos renales 524 Excreción 525
508
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Aparato urinario: función renal
OBJETIVOS
Identificar y describir las funciones de las siguientes estructuras del aparato urinario: nefrona, glomérulo, túbulo renal, conducto colector, uréter, vejiga y uretra.
Describir cómo la excreción urinaria de solutos y agua influye en el volumen y composición del plasma, así como identificar otros procesos que afectan a su volumen y composición.
Explicar cómo los procesos del intercambio renal básico de filtración, secreción y reabsorción afectan a la velocidad de excreción de sustancias en la orina.
Definir los siguientes términos y describir cómo se relacionan con la función renal: carga filtrada, filtración glomerular, depuración, eliminación y umbral renal.
Describir los sucesos que ocurren durante la micción.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Movimiento de moléculas a través del epitelio, pág. 117 2. Movimiento de moléculas a través de la pared capilar, pág. 413 3. Fuerzas de Starling, pág. 414
E
n los capítulos 13-15, vimos cómo el aparato cardiovascular hace que la sangre circule, suministrando a las células nutrientes y eliminando productos de desecho de ellas. En los capítulos 16 y 17, aprendimos cómo el aparato respiratorio elimina un producto de desecho, el dióxido de carbono. En este capítulo y el siguiente, analizaremos cómo regulan los riñones la composición del plasma, eliminando el exceso de agua y solutos (incluyendo determinados productos de desecho) y reteniendo el agua y los solutos que sí son necesarios. Al regular el volumen de agua en el plasma, los riñones también regulan la presión arterial media. En el proceso de regulación de contenido de solutos del plasma (y, por tanto, del líquido extracelular), los riñones desempeñan una función esencial en el mantenimiento de la excitabilidad normal de tejidos nerviosos y musculares. Recordemos que el potencial de membrana en reposo depende de los gradientes electroquímicos de los iones de sodio y potasio a través de las membranas celulares. Los riñones son necesarios para mantener el nivel plasmático de estos iones. Si estos niveles cambian, tanto los tejidos nerviosos como musculares pueden volverse hiperexcitables, causando espasmos musculares, calambres o sensación de hormigueo; o bien hipoexcitables, provocando incluso arritmias cardíacas. Los riñones también participan el equilibrio ácido-base, regulando el nivel plasmático de bicarbonato e iones de hidrógeno. En el capítulo 17, aprendimos que el aparato respiratorio regula el equilibrio ácido-base, controlando el nivel de dióxido de carbono. Los riñones y el aparato respiratorio trabajan juntos para mantener el nivel plasmático normal del pH de 7,4 mediante el control de la proporción entre bicarbonato y dióxido de carbono, manteniéndola en 20:1. Para que los riñones lleven a cabo todas estas (e incluso más) funciones, deben utilizar mucho ATP (v. capítulo 3), para realizar un transporte activo (v. capítulo 4). Los riñones están bajo
control hormonal (v. capítulo 6) y control neural por parte del sistema nervioso simpático (v. capítulo 11). Ahora veremos los riñones y su función en el filtrado sanguíneo para eliminar desechos y otros solutos que presentan un exceso en la sangre. En este capítulo describimos los procesos renales básicos y la formación de la orina. En el capítulo 19, describiremos la regulación de estos procesos para mantener la homeostasis.
Funciones del aparato urinario De entre todos los órganos del cuerpo, los riñones son probablemente los peor entendidos y valorados. Ya que los riñones filtran la sangre y producen orina, un líquido que se elimina del organismo, muchas personas creen que la única función de los riñones es limpiar la sangre de los productos de desecho. Sin embargo, este punto de vista pasa por alto muchas otras funciones vitales que llevan a cabo estos órganos sorprendentemente versátiles. Aunque la orina contiene residuos metabólicos y otras sustancias de desecho, también contiene agua y solutos (como sodio y potasio), que deben mantenerse a determinado nivel en el plasma y otros líquidos del organismo. La importancia de esto es que la velocidad a la que los riñones eliminan, o excretan, estas sustancias del organismo tiene un impacto notable en el volumen y composición de estos líquidos y, por tanto, está muy controlado según las necesidades del organismo. Los riñones realizan las siguientes funciones: 1. Regulación de la composición iónica del plasma. Aumentando o disminuyendo la excreción de iones específicos en la orina, los riñones regulan la concentración de estos iones en el plasma. Los riñones regulan las concentraciones de los siguientes solutos: sodio (Na+), potasio (K+), calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+), cloro (Cl–), bicarbonato (HCO3–) y fosfatos (HPO42– y H2PO4–). 2. Regulación del volumen plasmático. Controlando la velocidad a la que se excreta el agua en la orina, los riñones regulan el volumen plasmático, lo que tiene un efecto directo en el volumen sanguíneo total y, por tanto, en la presión arterial. 3. Regulación de la osmolaridad plasmática. Como los riñones varían la velocidad a la que excretan agua en relación con los solutos, tienen la capacidad de regular la osmolaridad (concentración de solutos) del plasma. 4. Regulación de la concentración plasmática de iones de hidrógeno (pH). Regulando la concentración de iones de bicarbonato e hidrógeno en el plasma, los riñones colaboran con los pulmones en la regulación del pH sanguíneo. 5. Eliminación de productos de desecho metabólicos y sustancias exógenas del plasma. Como los riñones excretan residuos y otras sustancias no deseables en la orina, limpian el plasma de productos de desecho y los eliminan del organismo. Estas sustancias incluyen residuos metabólicos, como la urea y el ácido úrico, que se generan durante el catabolismo de las proteínas y los ácidos nucleicos, respectivamente, así como sustancias exógenas, como aditivos alimenticios, tóxicos o pesticidas que entran en el organismo procedentes del medio externo. Como el agua y los solutos pequeños se intercambian libremente entre el plasma y el líquido intersticial a lo largo del
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Aparato urinario: función renal
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organismo, a medida que los riñones regulan el volumen y composición del plasma, también regulan el voluVena cava inferior men y composición del líquido intersAorta abdominal ticial. Además, los cambios del líquiRiñón do intersticial afectan al líquido intracelular. De forma que, en última Glándula Hilio renal instancia, los riñones controlan el suprarrenal (parte del volumen y composición de todos los Arteria renal sistema líquidos del organismo. Como ya endocrino) veremos, la capacidad de los riñones Vena renal de producir orina y, por tanto, de realizar su función primaria, depende de Uréter su capacidad de filtrar y procesar grandes cantidades de solutos y agua. Asimismo, los riñones realizan varias funciones secundarias. Los riñones son órganos endocrinos, porque secretan la hormona eritropoyetina (que estimula la producción de eritrocitos por parte de la médula ósea) y la Vejiga enzima renina (que es necesaria para Cuello la producción de angiotensina II, una de la vejiga hormona esencial en la regulación del Uretra equilibrio del agua y la sal para el control a largo plazo de la presión arterial). Los riñones también son necesarios para la activación de la vitamina D3 FIGURA 18.1 Estructura del aparato urinario. (finalmente de la 1,25 [OH]2 vitamina D3), un factor importante en la regulación del nivel sanguíneo de calcio y fosfatos. Es más, los riñones pueLos riñones son un par de órganos ubicados en la pared posden funcionar en ayunas para mantener un suministro constanterior de la cavidad abdominal, justo encima de la cintura, te de glucosa al plasma, llevando a cabo la gluconeogenia, el aproximadamente al nivel de la 12.a costilla. Cada riñón tiene, en proceso por el que las moléculas como el glicerol y algunos aminoácidos se usan para sintetizar la glucosa (descrito en el capílíneas generales, forma de judía y es similar en tamaño a un tulo 3). Nuestro objetivo en este capítulo es lograr una comprenpuño. A pesar de que la mayoría de los órganos abdominales se sión de los procesos básicos de la formación de orina; el capítulo encuentran dentro del peritoneo, una membrana clara que revis19 describe los mecanismos básicos que controlan en contenido te la cavidad abdominal, los riñones se ubican entre el peritoneo de la orina y, por tanto, regulan el nivel plasmático de agua y y la pared de la cavidad abdominal, porque son retroperitosolutos. neales. Los riñones reciben el suministro de sangre de las arterias renales, que se ramifican desde la aorta y entran en cada riñón a una zona llamada hilio renal. Cada riñón pesa solamente 115-170 g, y el conjunto de los dos supone menos del 1% del peso total del organismo de un adulto medio. A pesar de su Aunque los riñones produzcan orina, es necesaria la participapequeña aportación de masa al organismo, los riñones reciben ción de otros órganos para su excreción. Primero revisaremos el alrededor del 20% del gasto cardíaco en condiciones normales aparato urinario, todas las estructuras que intervienen en la forde reposo. Este suministro rico en sangre es fundamental para mación y excreción de la orina. Luego describiremos las caracteel funcionamiento de los riñones, no solo porque facilita oxígerísticas macro- y microscópicas de los riñones que permiten la no y nutrientes (los riñones consumen un 16% de todo el ATP realización de sus funciones. del organismo), sino también porque permite que los riñones eliminen (o aclaren) solutos innecesarios y agua de la sangre a Estructuras del aparato urinario un ritmo rápido, y eliminarlos en forma de orina. Mientras, la sangre (salvo estas sustancias limpiadas) vuelve a la circulaEl aparato urinario consiste en dos riñones, dos uréteres, la vejición general a través de las venas renales, que son paralelas a ga urinaria y la uretra (fig. 18.1). Una vez formada en los riñones, las arterias renales y drenan en la vena cava inferior. la orina se conduce a la vejiga por los uréteres. La vejiga almacena la orina hasta que se excreta, momento en el que sale del organismo a través de la uretra. Algunas veces, hay cristales en Anatomía macroscópica del riñón los riñones que forman piedras o cálculos, que también pueden bajar por el uréter a la uretra (v. «Conexiones clínicas: Cálculos Un corte transversal de un riñón nos revela que contiene dos renales»). zonas principales: una capa exterior marrón rojiza, llamada
Anatomía del aparato urinario
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Aparato urinario: función renal
CONEXIONES CLÍNICAS
Cálculos renales Cuando se concentran minerales en los riñones y forman cristales que se adhieren al epitelio renal, se producen cálculos en el riñón (litiasis renal). Con el tiempo, los cristales crecen y se vuelven piedras o cálculos. Las piedras (normalmente de menos de 1 cm de diámetro) pueden desplazarse por el riñón y entrar en el uréter, causando un dolor debilitante en el costado, la espalda o la ingle. Para el tratamiento del dolor, suele ser necesaria la hospitalización. Son varios los factores que aumentan la probabilidad de que una persona desarrolle cálculos renales, y hay quienes son más propensos a padecerlos. Los cálculos más comunes (80%) son cristales de oxalato cálcico, pero hay muchas otras sustancias químicas, como el ácido úrico, la cisteína o la estruvita, que pueden estar relacionadas. Si la concentración de cualquiera de estas sustancias aumenta en los riñones, es más probable que se formen piedras. Los cristales de cisteína se forman en personas con una enfermedad congénita llamada
cistinuria, que aumenta la excreción de cisteína en la orina. La ingesta de líquidos puede ser un factor clave, ya que la concentración de estas sustancias en el riñón aumenta no solo cuando su nivel sanguíneo es elevado, sino también cuando la ingesta de líquidos es baja. La dieta también puede influir en la formación de cálculos renales; esto es lo que sucede con las dietas ricas en proteínas y pobres en fibra o con una ingesta rica de vitamina C o D. Algunas sustancias, como el citrato o el magnesio, y una ingesta alta de líquidos pueden ayudar a prevenir los cálculos renales. Una vez producidos, los cálculos renales suelen expulsarse sin intervención médica. Puede o no aparecer dolor, pero cuando lo hace suele ser atroz. No obstante, la intensidad del dolor no se correlaciona siempre con el grado de daño tisular. Para mejorar la eliminación natural de los cálculos, se aconseja consumir un gran volumen de agua. Si los cálculos son demasiado grandes para pasar,
corteza, y una zona interna, llamada médula, que es más oscura y tiene un aspecto estriado (fig. 18.2a). La médula se subdivide en diferentes secciones cónicas llamadas pirámides renales (fig. 18.2b). En las puntas de las pirámides renales, llamadas papilas, los conductos colectores drenan a vías comunes llamadas cálices mayores (v. fig. 18.2a), que drenan a un conducto en forma de embudo llamado pelvis renal, la parte inicial del uréter. Entre las diferentes pirámides renales hay más de un millón de subunidades microscópicas llamadas nefronas (fig. 18.2c), que son las unidades funcionales de los riñones: realizan el trabajo de filtrar la sangre y formar la orina. La característica más llamativa de una nefrona es un tubo en espiral largo (llamado túbulo renal), que forma una espiral en horquilla aproximadamente a la mitad de su recorrido. Durante la formación de orina, los líquidos fluyen a través de los túbulos renales, tiempo en el que la composición de estos se modifica mediante el intercambio con el líquido intersticial. El líquido de cada túbulo renal termina drenando a una serie de vías llamadas conductos colectores. La composición del líquido vuelve a modificarse cuando pasa por ellos. El líquido que se encuentra en los conductos colectores se llama orina.
pueden descomponerse por litotricia extracorpórea por ondas de choque (LECOC), tras la cual se eliminan de forma natural. Los cálculos muy grandes pueden necesitar extracción quirúrgica por nefrolitotomía (extracción de cálculos de los riñones) o ureteroscopia (extracción de cálculos de los uréteres).
Imagen radiográfica de cálculos renales.
Anatomía microscópica del riñón Cada nefrona es fundamentalmente un pequeño riñón completo que filtra sangre y forma orina. Una sola nefrona se compone de dos partes: un corpúsculo renal que filtra la sangre y un túbulo renal por el que pasa el filtrado y se transforma en orina (fig. 18.3).
Corpúsculo renal Un corpúsculo renal consiste en dos partes: una estructura esférica en el extremo de entrada de los túbulos renales llama cápsula de Bowman, y un penacho de capilares llamado glomérulo. El corpúsculo renal es donde se filtra la sangre y donde el líquido tubular, o filtrado, se origina. Antes de que se filtre la sangre, entra en los capilares glomerulares a través de la arteriola aferente. Cuando la sangre fluye por los capilares glomerulares, el plasma libre de proteínas se filtra a través de las paredes de los capilares a la cápsula de Bowman mediante un proceso llamado filtración glomerular. El resto de la sangre sale del glomérulo por una arteriola eferente. Esta disposición de dos arteriolas seguidas separadas por un lecho de capilares entre ellas es exclusiva del corpúsculo renal y permite una mayor regulación de la filtración glomerular. Las paredes de las arteriolas aferentes y eferentes
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Aparato urinario: función renal
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Corteza renal
Médula renal Pirámide renal
Arteria renal Papila renal
Pelvis renal Vena renal Cáliz menor Médula renal Cáliz mayor
Corteza renal
Cáliz menor (b) Cápsula de Bowman Uréter
Vasos sanguíneos
(a) Nefrona
Conducto colector
FIGURA 18.2 Anatomía del riñón. (a) Corte transversal de un riñón que muestra la corteza exterior y la médula interior. La médula consiste en segmentos llamados pirámides renales. (b) Vista ampliada de una pirámide renal, que muestra la orientación de las nefronas. (c) Vista ampliada de una nefrona y un conducto colector.
contienen músculo liso que se contrae o relaja en respuesta a una señal procedente de las glándulas paracrinas y el sistema nervioso simpático, regulando así su diámetro y, por tanto, la filtración glomerular (descrita con más detalle más adelante en este capítulo).
Túbulo renal Cuando se forma la filtración glomerular, esta fluye desde la cápsula de Bowman a la parte inicial del túbulo renal, llamado túbulo contorneado proximal por su proximidad a la cápsula y su estructura tan doblada o contorneada, y luego al túbulo recto proximal. El conjunto de los dos túbulos se llama túbulo proximal. El túbulo proximal se vacía en el asa de Henle, la parte del túbulo que conforma la curva en forma de horquilla dentro de la médula. El asa de Henle se divide en tres secciones: 1) la rama descendente; 2) la rama ascendente fina, y 3) la rama ascendente gruesa. La rama descendente es un túbulo fino que va desde el túbulo proximal y se extiende a la médula renal. Al final del asa,
(c)
el túbulo cambia de dirección, convirtiéndose en la rama ascendente fina, que se extiende hacia la corteza. Cuando el túbulo se aproxima a la corteza, se ensancha en la rama ascendente gruesa. Desde la rama ascendente del asa de Henle, el líquido fluye al túbulo contorneado distal, que se asemeja en apariencia al túbulo proximal, pero es notablemente más corto. El líquido entra en una parte terminal recta y corta de la nefrona, llamada túbulo conector, que conecta la nefrona con el conducto colector. Varios túbulos vierten su líquido en un solo conducto colector. Posteriormente, estos conductos colectores drenan en los cálices menores, como se ha descrito anteriormente.
Nefronas corticales y yuxtaglomerulares Existen dos clases de nefronas según su ubicación: nefronas corticales y nefronas yuxtamedulares (fig. 18.4). La gran mayoría de nefronas de los riñones son nefronas corticales, que se encuentran casi en su totalidad dentro de la corteza renal; tan solo el final del
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Corpúsculo renal
Cápsula de Bowman Glomérulo
Arteriola eferente
Túbulo conector Túbulo contorneado distal Corteza
Túbulo proximal
Túbulo contorneado proximal
Arteriola aferente
aferentes (y en menor grado las eferentes) que tienen un citoplasma granular, debido a la presencia de numerosos gránulos secretores que contienen una sustancia llamada renina. El aparato yuxtaglomerular desempeña un papel importante en la regulación del volumen sanguíneo y la presión arterial.
Irrigación del riñón
La irrigación del riñón se representa en la figura18.6a. Dentro del riñón, la arteria renal se ramifica en arterias segTúbulo mentarias, que abastecen a otro conrecto proximal junto de arterias llamadas arterias arciRama ascendente formes. Las arterias arciformes se gruesa del asa vuelven a ramificar en arterias interlode Henle bulares, de las que se lleva la sangre a cada nefrona mediante las arterioConducto colector las aferentes, que llevan a los lechos de capilares glomerulares. Saliendo de Rama descendente cada lecho de capilares glomerulares del asa de Henle Rama ascendente están las arteriolas eferentes, que luego del asa de Henle dan salida a uno de dos tipos de lechos capilares (fig. 18.6b): capilares peritubulares, que se ramifican desde las arteriolas eferentes de las nefronas corticales y están cerca de los túbulos renales, y vasos rectos, que se ramifican a partir de las arteriolas eferentes de las nefronas yuxtamedulares y son Cáliz menor redes de vasos sanguíneos que forman FIGURA 18.3 Anatomía de una nefrona. Una nefrona tiene dos partes: un corpúsculo renal y un túbulo curvas en forma de horquillas que renal. Cada corpúsculo renal consiste en una cápsula de Bowman y un glomérulo. Cada túbulo corresponde recorren las asas de Henle y conductos a numerosos segmentos tubulares continuos. También se muestra la irrigación del corpúsculo renal y el colectores, introduciéndose en la conducto colector asociado con la nefrona. médula renal. Cada uno de estos lechos capilares tiene una función diferente en la formación de la orina, tal y como se describe más tarde en este capítulo y en el 19. asa de Henle se adentra en la médula renal. En las nefronas yuxtaLos capilares peritubulares y los vasos rectos drenan en las medulares, que representan alrededor del 15-20% de todas las venas interlobulares. De ahí, la sangre es recogida de las nefronefronas, el corpúsculo renal se ubica cerca del borde, entre la cornas mediante las venas arciformes, y luego mediante las venas teza y la médula. El glomérulo, el túbulo contorneado proximal y interlobulares, que hacen un recorrido paralelo a las arterias del el túbulo contorneado distal se ubican en la corteza, mientras que mismo nombre, drenando finalmente en la vena renal. el asa de Henle se adentra interiormente en la médula renal. Aunque los dos tipos de nefronas son similares en esencia, hay diferencias funcionales importantes: mientras que tanto las nefronas corticales como las yuxtamedulares participan directamente en los Test rápido 18.1 procesos relacionados con la formación de la orina, las nefronas yuxtamedulares también intervienen en el mantenimiento de un 1. ¿Qué estructuras componen el aparato urinario? ¿Cuál es la función gradiente osmótico en la médula renal, que es vital para la capacide cada una? dad de los riñones de producir orina muy concentrada y así con2. ¿Qué es una nefrona? ¿Cuáles son los tipos de nefronas? ¿Cómo se servar agua en determinadas circunstancias (v. capítulo 19). diferencian según su ubicación? 3. ¿Qué estructuras componen el aparato yuxtaglomerular? ¿Dónde se ubican? Médula
Aparato yuxtaglomerular
En un lugar en el que la parte inicial del túbulo distal entra en contacto con las arteriolas aferentes y eferentes de una nefrona hay una estructura llamada aparato yuxtaglomerular (fig. 18.5). El aparato yuxtaglomerular tiene dos componentes: 1) un conjunto especializado de células epiteliales del túbulo, llamado mácula densa, y 2) células granulares (o células yuxtaglomerulares), que son células especializadas de la pared de las arteriolas
Procesos básicos de intercambio renal En los riñones, el agua y los solutos se intercambian entre el plasma y el líquido en los túbulos renales con el fin de regular la
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Cápsula de Bowman
Corteza renal
Cápsula de Bowman Túbulo proximal Túbulo proximal Túbulo distal
Túbulo distal Asa de Henle
Conducto colector Médula renal Asa de Henle Conducto colector (a) Nefrona cortical
(b) Nefrona yuxtamedular
FIGURA 18.4 Ubicación de las nefronas corticales y yuxtamedulares. (a) Nefrona cortical, que se sitúa en la corteza renal. Solo el final del asa de Henle se adentra en la médula renal. (b) Nefrona yuxtamedular, que se sitúa tanto en la corteza como en la médula. La cápsula de Bowman y los túbulos proximales y distales se ubican en la corteza renal, mientras que el asa de Henle se adentra en el interior de la médula. Cápsula de Bowman Arteriola aferente
Aparato yuxtaglomerular
Capilar glomerular Luz de la cápsula de Bowman
Túbulo proximal
Túbulo distal Arteriola eferente
Arteriola eferente
Túbulo distal Mácula densa
Asa de Henle
Dirección del flujo sanguíneo Arteriola aferente Células granulares (células yuxtaglomerulares)
FIGURA 18.5 Aparato yuxtaglomerular. Situado en la zona inicial del túbulo distal en la que este pasa a través de la horquilla entre las arteriolas aferentes y eferentes, el aparato yuxtaglomerular consiste en células granulares de las arteriolas aferentes y eferentes y la mácula densa del túbulo distal.
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Arteriola eferente
Arteria interlobular
Glomérulo Arteria arciforme
Capilares peritubulares
Arteriola aferente
Arteria interlobular Arteria interlobulillar Arteria segmentaria Corteza Arteria renal
Arteria arciforme
Médula
Vena arciforme Vena interlobulillar
Vasos rectos
(a)
(b)
FIGURA 18.6 Irrigación de los riñones. (a) Las arterias renales suministran sangre a los riñones y se ramifican en las arterias más pequeñas indicadas. (b) Una arteriola eferente lleva a uno de los dos tipos de lechos capilares: los capilares peritubulares situados alrededor de los túbulos renales y los vasos rectos situados alrededor de las asas de Henle. Ambas se muestran aquí.
Dirección del flujo sanguíneo
Capilares peritubulares
Arteriola eferente
Reabsorción
Excreción
Filtración
Glomérulo
Arteriola aferente
Cápsula de Bowman
Secreción
FIGURA 18.7 Los tres procesos de intercambio en los túbulos renales. La filtración, que ocurre en el corpúsculo renal, es el flujo en masa de plasma libre de proteínas desde el glomérulo hasta la cápsula de Bowman. La reabsorción, que ocurre a lo largo de los túbulos, es el movimiento de agua o solutos desde la luz de los túbulos a los capilares peritubulares. La secreción también ocurre en los túbulos, pero es el movimiento de solutos desde los capilares peritubulares a la luz de los túbulos. En el cuarto proceso, la excreción, el flujo en masa de orina abandona del organismo.
composición del plasma. Las sustancias que se eliminan del plasma se excretan en la orina. Son tres los procesos de intercambio que suceden en las nefronas renales (fig. 18.7): 1. La filtración glomerular es el flujo en masa de plasma libre de proteínas desde los capilares glomerulares hasta la cápsula de Bowman.
2. La reabsorción es el transporte selectivo de moléculas desde la luz de los túbulos renales al líquido intersticial fuera de los túbulos. Las moléculas reabsorbidas entran finalmente en los capilares peritubulares por difusión y luego vuelven a la circulación general. 3. La secreción es el transporte selectivo de moléculas desde el líquido peritubular hacia la luz de los túbulos renales. Estas
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moléculas secretadas vienen del plasma de los capilares peritubulares. Primero vamos a describir estos tres procesos de intercambio, luego veremos cómo están especializados los túbulos renales en la reabsorción y la secreción. La parte final de este capítulo describe un cuarto proceso renal: la excreción, la eliminación de sustancias del organismo en forma de orina.
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Cápsula de Bowman
Arteriola eferente
Túbulo proximal
Filtración glomerular
1. Presión hidrostática capilar glomerular. La presión hidrostática capilar glomerular (PCG) favorece la filtración y es igual a la presión arterial en los capilares glomerulares, unos 60 mmHg. Esta presión es sustancialmente mayor que la presión hidrostática en la mayoría de los demás capilares, dada la alta resistencia de la arteriola eferente, que se ubica después de los capilares glomerulares. Como norma general, la presencia de una alta resistencia en cualquier red de vasos tiende a elevar la presión de los vasos proximales, mientras que reduce la presión de los distales, igual que apretar una abrazadera en una manguera de agua hace que la presión por debajo caiga (y reduce el flujo del agua), pero aumenta la presión por arriba, debido al «reflujo» de agua.
Arteriola aferente
Podocito Pedicelos Hendidura de filtración Luz del capilar glomerular Espacio de Bowman
Plasma de la luz del capilar Membrana glomerular
La filtración en el corpúsculo renal está desencadenada por las fuerzas de Starling (gradientes de presión hidrostática y osmótica) que existen por las paredes de los capilares glomerulares. Estas fuerzas de Starling son las mismas que explican la filtración de líquido de los capilares en todo el organismo (v. capítulo 14). El filtrado es similar en composición al plasma, salvo porque carece de la mayoría de proteínas que existen en el plasma. La figura 18.8 muestra una vista aumentada del corpúsculo renal. La pared de la cápsula de Bowman y la pared del túbulo renal están revestidas por una capa continua de células epiteliales. En la cápsula de Bowman, este epitelio se dobla sobre sí mismo para recubrir los capilares glomerulares. Bajo el epitelio hay una membrana basal que actúa como barrera de filtración primaria para las proteínas. La filtración glomerular debe traspasar tres barreras para entrar en la cápsula de Bowman: 1) la capa de células endoteliales capilares; 2) la capa de células epiteliales que las rodea, y 3) la membrana basal entre ellas. La combinación de estas tres capas compone lo que a veces se llama membrana glomerular o barrera de filtración. Las células epiteliales que cubren los capilares glomerulares tienen extensiones especiales o pedicelos, que justifican su nombre de podocitos. A medida que el líquido sale de los capilares glomerulares, pasa a través de los espacios entre los podocitos, llamados poros de hendidura. El tamaño de estos poros lo regulan los diafragmas de hendidura. La presencia de fenestraciones (poros) en el endotelio capilar, el gran número de poros de hendidura en el epitelio que rodea la cápsula y la gran área de superficie de la barrera de filtración se combinan para hacer que el corpúsculo renal sea favorable para el flujo en masa de líquido libre de proteínas entre la sangre y la luz de la cápsula de Bowman (llamado espacio de Bowman). La suma de las fuerzas de Starling en el corpúsculo renal se llama presión de la filtración glomerular, que es análoga a la presión de la filtración neta que se analiza en el capítulo 14. Cuatro fuerzas de Starling desempeñan una función fundamental (fig. 18.9):
Fenestración
Célula endotelial capilar Membrana basal Célula epitelial (podocito)
Poro de hendidura Filtrado en la cápsula de Bowman
FIGURA 18.8 Anatomía del corpúsculo renal. La imagen más ampliada muestra la membrana glomerular, que incluye las células endoteliales capilares, la membrana basal y las células epiteliales de la cápsula de Bowman. Las fenestraciones y los poros de hendidura favorecen el flujo del plasma.
2. Presión osmótica de la cápsula de Bowman. La presión osmótica en la cápsula de Bowman (PCB) favorece la filtración. Recordemos que la presión osmótica de un líquido se debe a la presencia de solutos no permeables. Como las proteínas son, por lo general, el único soluto que no puede moverse entre el plasma y la cápsula de Bowman, las proteínas generan la fuerza osmótica. La presencia de proteínas en el líquido intersticial que rodea al glomérulo tiende a empujar el líquido fuera de los capilares al interior de la cápsula. Dado
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Aparato urinario: función renal
La presión neta que favorece la filtración en el corpúsculo renal en condiciones normales es
Arteriola eferente
PCG + PCB = 60 mmHg + 0 mmHg = 60 mmHg PCB PCG CG CB
Presión de filtración glomerular = (PCG + CB) – (PCB + CG) = (60 mmHg + 0 mmHg) – (15 mmHg + 29 mmHg) = 16 mmHg
Arteriola aferente
(a) Presión de filtración glomerular
500 ml/min plasma
Arteriola eferente
3. Presión hidrostática de la cápsula de Bowman. La presión hidrostática de la cápsula de Bowman (PCB) se opone a la filtración y suele ser de unos 15 mmHg. Esta presión es considerablemente mayor que la presión hidrostática en el líquido intersticial que rodea la mayoría de los lechos capilares, porque el relativo gran volumen de líquido que se filtra desde los capilares glomerulares se «canaliza» al espacio restringido de la cápsula de Bowman. 4. Presión osmótica glomerular. La presión osmótica capilar glomerular (PCG) se opone a la filtración, porque la presencia de proteínas en el plasma tiende a devolver el filtrado al glomérulo. La presión osmótica en el glomérulo es de unos 29 mmHg, que es mayor que los 25 mmHg típicos de la presión osmótica de la mayoría de los capilares sistémicos, ya que la sangre que fluye a través de estos capilares pierde una fracción sustancial de su agua como resultado de la filtración glomerular, y esta pérdida de agua hace que la concentración plasmática de proteínas aumente. La presión neta que se opone a la filtración en el corpúsculo renal en condiciones normales es
125 ml/min filtrado
PCB + PCG = 15 mmHg + 29 mmHg = 44 mmHg
Filtración glomerular Velocidad de flujo del plasma = 625 ml/min Filtración glomerular = 125 ml/min Fracción de filtración = 125 ml/min = 0,20 = 20% 625 ml/min
Arteriola aferente
La presión de la filtración glomerular (PFG) neta media es PFG = (PCG + PCB) – (PCB + PCG) Sustituyendo los valores de las fuerzas de Starling en esta ecuación, la presión de la filtración glomerular es, por tanto,
625 ml/min plasma (b) Filtración glomerular y fracción de filtración
(60 mmHg + 0 mmHg) – (15 mmHg + 29 mmHg) = 16 mmHg
glomerular es el resultado de cuatro fuerzas de Starling: 1) la presión hidrostática de los capilares glomerulares (PCG); 2) la presión hidrostática en la cápsula de Bowman (PCB); 3) la presión osmótica en los capilares glomerulares (PCG), y 4) la presión osmótica en la cápsula de Bowman (PCB). La presión de filtración que entra es de 16 mmHg. (b) Filtración glomerular y fracción de filtración. La filtración glomerular es el volumen de líquido que se mueve desde los capilares glomerulares al espacio de Bowman por unidad de tiempo. La fracción de filtración es la proporción de plasma renal que se filtra en la cápsula de Bowman. La fracción de filtración normal es un 20%.
En condiciones normales, fluyen unos 625 ml de plasma a través de los riñones cada minuto. El volumen de plasma filtrado por unidad de tiempo se llama filtración glomerular (FG), y es de unos 125 ml/min. De esta forma, al transcurso de 1 día, los riñones filtran 180 l de plasma. Este es un volumen enorme de líquido, considerando que el volumen total de plasma en el organismo es de tan solo unos 2,75 l en un adulto medio. De hecho, la FG es tan alta que a través de los glomérulos se filtra un volumen de líquido equivalente al volumen de plasma total cada 22 min.
Si se filtraran las proteínas de los capilares glomerulares (lo que P disminuiría la P y aumentaría la P ), ¿qué pasaría con la presión de
Fracción de filtración
FIGURA 18.9 Filtración glomerular. (a) La presión de la filtración
CG
CB
la filtración glomerular y con la filtración glomerular?
que pocas proteínas abandonan los capilares con el filtrado, la concentración de proteínas en la cápsula de Bowman es muy pequeña, de forma que la presión osmótica es insignificante en condiciones normales. (Sin embargo, en determinadas enfermedades que causan lesiones en el glomérulo, pueden filtrarse cantidades notables de proteínas en los capilares glomerulares.)
La fracción del volumen de plasma renal que se filtra se llama fracción de filtración y es igual a la filtración glomerular dividido por la velocidad de flujo de plasma renal (fig. 18.9b): Fracción de filtración = =
FG flujo de plasma renal 125 ml/min = 0,2 = 20% 625 ml/min
Así, el 20% de plasma que fluye a través de los riñones se filtra y entra en la cápsula de Bowman.
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La cantidad de un soluto concreto que se filtra por unidad de tiempo se conoce como carga filtrada. Cuando las moléculas de un soluto son lo suficientemente pequeñas para moverse a través de la membrana glomerular sin restricción notable, como lo hacen la mayoría de solutos, se dice que ese soluto es libremente filtrable. Cuando se filtra una sustancia así, su concentración en la filtración glomerular es prácticamente idéntica a su concentración plasmática. Por consiguiente, la carga filtrada suele expresarse en moles/min, o equivalente, igual al producto de la FG y la concentración de solutos en el plasma (que viene dada por el símbolo P): Carga filtrada = FG concentración de plasma de X = FG Px A modo de ejemplo, vamos a estimar la carga filtrada de glucosa. Ya sabemos que la FG normal es 125 ml/min. Como la concentración plasmática de glucosa normal es 100 mg/dl = 1 mg/ml, la carga filtrada de glucosa en condiciones normales es Carga filtrada = 125 ml/min 1 mg/ml = 125 mg/min Cabe destacar que la carga filtrada aumenta si la concentración plasmática del soluto o la FG aumentan.
Comprueba tus conocimientos Calcula la fracción de filtración y la carga filtrada del sodio con los siguientes datos: flujo sanguíneo renal = 1,25 l/min; hematocrito = 40; concentración plasmática de sodio = 140 mM; masa molecular del sodio = 23; y filtración glomerular 125 ml/min.
Regulación de la filtración glomerular Aunque se filtren 180 l de líquido en los túbulos renales todos los días, solo suele excretarse alrededor de 1,5 l de orina al día. El motivo por el que esta tasa de excreción es baja se debe a que más del 99% del líquido filtrado del plasma suele reabsorberse. Sin embargo, dado que la FG es tan alta, incluso un pequeño cambio porcentual en su valor tendrá un gran efecto en el volumen de líquido filtrado y, por tanto, en la cantidad de sustancia que debe reabsorberse para mantener la misma diuresis. Por ejemplo, un aumento del 10% en la FG se traduciría en un aumento de 18 l de líquido que entraría en los túbulos renales al día. No obstante, en la mayoría de situaciones, la FG permanece relativamente constante debido a un mecanismo intrínseco y otro extrínseco que veremos a continuación. Control intrínseco de la filtración glomerular Los cambios en la presión arterial media pueden alterar potencialmente la FG, porque la presión arterial afecta a la presión capilar glomerular, que, en consecuencia, influye en la presión de la filtración glomerular. Aunque la presión arterial media se regula para permanecer constante mediante reflejos barorreceptores y otros mecanismos, cambia en determinadas circunstancias, como durante el ejercicio físico. Cuando la presión arterial aumenta, la presión capilar glomerular también tiende a subir, lo que incrementa la presión de la FG y, por tanto, la FG en sí. De forma inversa, cuando la presión arterial media cae, la presión capilar glomerular también tiende a disminuir, lo que reduce la presión
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de la filtración glomerular y la FG en sí. Tales cambios en la FG no son nada deseables, porque suelen hacer que el flujo de orina aumente o disminuya, respectivamente, lo que interfiere con la capacidad de los riñones de regular el volumen y composición del plasma. Aunque las variaciones en la presión arterial media suponen un problema potencial, los riñones pueden tolerar un cambio en la presión arterial media dentro de un rango considerable ( 80-180 mmHg) con un cambio nimio en la FG (fig. 18.10), ya que hay tres mecanismos intrínsecos que regulan la FG ante cambios en la presión arterial. Dos de estos tres mecanismos intrínsecos, la regulación miógena del músculo liso de arteriola aferente y retroalimentación tubuloglomerular, trabajan cambiando la resistencia de la arteriola aferente; el tercer factor, contracción de las células mesangiales, actúa cambiando la permeabilidad de la barrera de filtración. La regulación miógena de la FG (fig. 18.11a) es parecida a la regulación miógena del flujo sanguíneo que tiene lugar en otras partes del organismo. El músculo liso de la arteriola aferente es sensible al estiramiento y responde a él contrayéndose. Cuando aumenta la presión arterial media, la presión en la arteriola aferente también lo hace, lo que hace que su pared se estire. La presión también aumenta en los capilares glomerulares, lo que aumenta la presión de la filtración glomerular y la FG en sí. En respuesta al estiramiento, la arteriola aferente se constriñe, lo que aumenta su resistencia al flujo sanguíneo. En consecuencia, la presión de los vasos sanguíneos distales, como los capilares glomerulares, disminuye. Este descenso de la presión contrarresta (pero no cambia) el aumento inicial de la presión que desencadenó la constricción de la arteriola aferente. De esta forma, a través de este mecanismo de retroalimentación negativa, la presión del capilar glomerular y, por consiguiente, la FG tiende a permanecer casi constante. Como es de esperar, una caída de la presión arterial media tiene el efecto contrario, desencadenando una relajación de la arteriola aferente y el consiguiente incremento de la presión capilar glomerular que contrarresta la caída inicial.
Filtración glomerular (ml/min)
Carga filtrada
Aparato urinario: función renal
250
125
0
80 180 Presión arterial media (mmHg)
FIGURA 18.10 Efecto de la presión arterial media sobre la filtración glomerular. Entre 80 y 180 mmHg, la filtración glomerular no varía con la presión arterial media gracias a la intervención de mecanismos reguladores intrínsecos. Si la presión arterial media aumentara hasta 200 mmHg, ¿qué le pasaría a P la carga filtrada de cualquier soluto dado?
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Aparato urinario: función renal PAM
PAM
Arteriola aferente
Arteriola aferente
presión
presión
Estiramiento del músculo liso de la arteriola
constricción
constricción
resistencia
resistencia
Glomérulo
Glomérulo presión capilar glomerular
Retroalimentación negativa
presión capilar glomerular
presión de filtración glomerular
FG
presión capilar glomerular
Retroalimentación negativa
presión capilar glomerular
presión de filtración glomerular
FG
(a) Regulación miógena Mácula densa Estímulo inicial
flujo
secreción paracrina
Respuesta fisiológica Resultado
(b) Retroalimentación tubuloglomerular
FIGURA 18.11 Controles intrínsecos de la filtración glomerular. (a) En respuesta a un cambio en la presión arterial media, la regulación miógena de la resistencia de la arteriola aferente evita cambios significativos en la FG por la influencia en la presión capilar glomerular. (b) La retroalimentación tubuloglomerular, desencadenada por señales químicas que liberan las células de la mácula densa en respuesta al incremento de la FG, evita cambios notables en la FG cuando la presión arterial media se ve modificada, afectando a la presión capilar glomerular.
El músculo liso de la arteriola aferente no solo es sensible al estiramiento, sino también a agentes químicos que secretan las células de la mácula densa, que se ubican cerca del túbulo distal. En la retroalimentación tubuloglomerular, un cambio en la FG hace que cambie el flujo de líquido tubular pasada la mácula densa, lo que altera la secreción de determinadas sustancias paracrinas (aún sin identificar) por parte de la mácula densa. Estas sustancias paracrinas desencadenan luego la contracción o relajación de la arteriola aferente, lo que ocasiona un cambio en la presión capilar glomerular y la FG en dirección opuesta a la del cambio original. En consecuencia de este control de retroalimentación negativa de la FG, el flujo
del líquido pasada la mácula densa hace que el flujo del líquido tubular aumente, después la arteriola aferente se constriñe y la FG disminuye, mermando, por tanto, el flujo. De esta forma, la resistencia de la arteriola aferente varía de tal forma que el flujo de líquido pasada la mácula densa tiende a mantenerse constante. La figura 18.11b muestra lo que ocurre cuando un aumento de la presión arterial hace que aumente la FG. El tercer mecanismo de la autorregulación de la FG es similar al primero, a excepción de que su objetivo son las células mesangiales en lugar de los vasos sanguíneos. Las células mesangiales son células de músculo liso modificadas que se
Aparato urinario: función renal
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ubican alrededor de los capilares glomerulares. Un aumento de la presión arterial, que incrementa la FG, estira las células mesangiales. En respuesta al estiramiento, las células mesangiales se contraen, disminuyendo el área de superficie de los capilares disponibles para la filtración, lo que disminuye la FG a un valor normal. Control extrínseco de la filtración glomerular y del flujo sanguíneo renal Acabamos de ver que la filtración glomerular está regulada por un mecanismo de control intrínseco cuando la presión arterial media varía entre 80 y 180 mmHg. Sin embargo, cuando la presión arterial media sobrepasa, al alza o baja, estos límites, la FG aumenta o disminuye, respectivamente, ya que los mecanismos intrínsecos ya no son capaces de evitar que cambie la presión capilar glomerular. La figura 18.12 muestra lo que ocurre cuando la presión arterial media cae debido a una hemorragia o sudoración excesiva. Cuando la presión arterial media (PAM) cae (por debajo de 80 mmHg), la FG disminuye directamente, debido la bajada de la presión de filtración. Además, la caída de la PAM desencadena un aumento de la actividad nerviosa simpática a través de los reflejos barorreceptores. En respuesta al aumento de señales de los nervios simpáticos, el músculo liso de las arteriolas aferentes y eferentes se contrae, contrayéndose ambas arteriolas, lo que aumenta la resistencia general de la vasculatura renal y disminuye la FG. El aumento de la resistencia vascular renal reduce el flujo sanguíneo renal y también eleva la resistencia periférica total, lo que aumenta la PAM. El descenso de la FG también disminuye la diuresis, lo que ayuda al organismo a conservar el agua. Este proceso minimiza la reducción del volumen sanguíneo, lo que contribuye a contrarrestar mayores descensos de la presión arterial.
Test rápido 18.2 1. Indica si la FG tenderá a aumentar o disminuir en respuesta a cada uno de los aumentos de los siguientes valores: presión de la filtración glomerular, presión hidrostática capilar glomerular, presión osmótica capilar glomerular, presión hidrostática en la cápsula de Bowman, presión osmótica en la cápsula de Bowman y concentración plasmática de proteínas. 2. Enumera tres mecanismos de control intrínseco que regulan la FG y explica brevemente el funcionamiento de estos mecanismos para mantener la FG constante de cara a cambios en la presión arterial media. 3. ¿El control de la resistencia de las arteriolas aferentes y eferentes por parte de las neuronas simpáticas es un ejemplo de control intrínseco o extrínseco? ¿Por qué? ¿Cómo suele afectar a la FG un aumento de la actividad simpática?
Reabsorción La reabsorción se refiere al movimiento de solutos filtrados y agua desde la luz de los túbulos al plasma. Si los solutos y el agua no se reabsorbieran, todas las sustancias filtradas se excretarían, y una persona tan solo tardaría 8 min en perder 1 l de líquido en la orina (asumiendo que la FG permanece constante en su tasa normal). Dado que 1 l de líquido equivale al 20% del volumen sanguíneo total, la capacidad de los riñones para reabsorber solutos filtrados y agua es una necesidad fundamental para la vida. De hecho, el 100% de muchas sustancias filtradas en el glomérulo se reabsorben en los túbulos renales. La reabsorción de
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Hemorragia, sudoración
volumen sanguíneo
presión venosa Retroalimentación negativa Corazón retorno venoso
gasto cardíaco
PAM Los barorreceptores detectan y responden
actividad nerviosa simpática
Retroalimentación negativa
actividad nerviosa simpática renal
Efecto directo
Riñones Vasoconstricción de arteriolas aferentes y eferentes
PAM
resistencia vascular periférica
RPT
FG
flujo de orina
pérdida de líquidos Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 18.12 Control extrínseco de la FG y la resistencia vascular renal durante la pérdida de líquidos derivada de una hemorragia o sudoración. La pérdida de líquidos disminuye la PAM, lo que disminuye directamente la presión de filtración y, por tanto, la FG. El descenso de la PAM también aumenta de forma refleja la actividad nerviosa simpática, lo que provoca la contracción de las arteriolas aferentes y eferentes, que, a su vez, disminuyen el flujo sanguíneo al glomérulo para reducir la presión de filtración y la FG. RPT, resistencia vascular periférica total. ¿Qué tipo de barorreceptores detectan la reducción de la presión venosa P y dónde se ubican?
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Aparato urinario: función renal
TABLA 18.1 Velocidades normales de filtración y reabsorción del agua y de determinados solutos Sustancia
Velocidad de filtración
Velocidad de reabsorción
Agua
180 l/día
178,5 l/día
Glucosa
800 mmol/día
800 mmol/día
% de reabsorción de carga filtrada 99,2% 100%
Urea
933 mmol/día
467 mmol/día
50%
Na+
25,20 mol/día
25,20 mol/día
99,4%
K+
720 mmol/día
620 mmol/día
86,1%
Ca
540 mmol/día
530 mmol/día
98,1%
Cl–
18,0 mol/día
17,85 mol/día
99,2%
HCO3–
4,320 mol/día
4,318 mol/día
99,9%
2+
otras sustancias está regulada para variar la tasa de excreción, que, por su parte, regula la concentración de estas sustancias en el plasma. Primero veremos las propiedades generales de la reabsorción de solutos, luego describiremos cómo se compagina la reabsorción hídrica a través del epitelio tubular con la reabsorción de solutos.
Reabsorción de agua y solutos La tabla 18.1 enumera las cantidades de varias sustancias filtradas de forma libre que se filtran y reabsorben en un solo día en condiciones normales. La totalidad de sustancias que deben transportarse desde el líquido tubular de vuelta al plasma mediante el epitelio tubular cada día pone de manifiesto la magnitud del proceso de reabsorción. Muchos solutos se reabsorben de forma activa, es decir, que se transportan contra sus gradientes electroquímicos a medida que se mueven desde la luz tubular al plasma.
La reabsorción de la mayoría de los solutos tiene lugar en los túbulos contorneados proximales y distales. Recordemos que la arteriola eferente se ramifica en lechos de capilares peritubulares adyacentes a los túbulos renales en la corteza renal (v. fig. 18.6b). El líquido intersticial entre el epitelio de los túbulos renales y los capilares peritubulares (líquido peritubular) rellena el espacio peritubular. Cuando una sustancia se reabsorbe, debe moverse a través de dos barreras: el epitelio tubular y el endotelio capilar (fig. 18.13). Los capilares son una barrera solo para el movimiento de macromoléculas, como las proteínas y las células. De esta forma, las células epiteliales que revisten los túbulos renales forman la barrera primaria de la reabsorción. Como las uniones estrechas conectan las células epiteliales que revisten los túbulos renales, el movimiento de moléculas entre células está restringido. La membrana plasmática de las células epiteliales orientada hacia la luz tubular se llama membrana apical, y tiene microvellosidades; la membrana plasmática que está en frente
Luz Microvellosidades Espacio peritubular Capilar peritubular
Túbulo renal
Reabsorción Membrana apical Unión estrecha
Luz
Espacio peritubular
Célula epitelial tubular
Membrana basolateral
FIGURA 18.13 Barreras de reabsorción. Para que tenga lugar la reabsorción, una sustancia debe cruzar las células epiteliales de los túbulos renales y las células endoteliales de los capilares. Las barreras primarias son la membrana apical y la membrana basolateral de las células epiteliales tubulares, ya que las paredes de los capilares son muy permeables.
Membrana basal
Célula endotelial capilar
Plasma
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del líquido intersticial se llama membrana basolateral. Las microvellosidades de la membrana apical abundan en las partes más proximales del túbulo, pero escasean en las partes distales. Bajo la membrana basolateral está la membrana basal, que no contribuye de forma importante como barrera y, por tanto, no se verá con mucho más detalle. Algunas moléculas se reabsorben de forma pasiva, mientras que otras necesitan energía. En la figura 18.14 se representa la reabsorción de tres solutos sin carga (X, Y y Z) y agua. (Cabe destacar que el movimiento de sustancias cargadas está
Líquido peritubular Membrana Célula epitelial Membrana apical tubular basolateral
Y
Y
X
X
Célula endotelial capilar
(a) Reabsorción activa de soluto
Soluto Y
Soluto X
(b) Reabsorción de agua (pasiva)
[Z] Baja
Z
Líquido tubular
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influenciado por fuerzas eléctricas, además de las fuerzas que a continuación se describen.) Aunque cada sustancia se mueve en la misma dirección, el mecanismo real de reabsorción difiere. Reabsorción activa de un soluto En los ejemplos de la figura 18.14a, las sustancias X e Y se transportan de forma activa, pero lo hacen mediante diferentes mecanismos. Ambas sustancias se transportan mediante mecanismos que implican un transporte activo a través de una membrana del túbulo, junto con un movimiento pasivo a través de otra membrana. Recordemos que el transporte activo requiere energía para mover una molécula contra su gradiente de concentración. La energía puede venir directamente del ATP (transporte activo primario) o de un gradiente electroquímico iónico creado a expensas del ATP (transporte activo secundario). Los transportadores activos de la sustancia X situados en la membrana apical de la célula epitelial del túbulo transportan X a la célula, generando una alta concentración intracelular de X (v. fig. 18.14a). Las proteínas transportadoras de X se ubican en la membrana basolateral. Cuando la concentración de X dentro de la célula aumenta por el transporte activo, se sale fuera de la célula al líquido peritubular mediante difusión facilitada; entonces X difunde al plasma. Los transportadores activos de la sustancia Y situados en la membrana basolateral de la célula epitelial tubular sacan Y de la célula hacia el interior del líquido peritubular; entonces Y difunde al plasma (v. fig. 18.14a). Este proceso mantiene baja la concentración de Y fuera de la célula epitelial tubular. Las proteínas transportadoras de Y se ubican en la membrana apical. Como la concentración de Y dentro de la célula es baja, Y entra en la célula mediante difusión facilitada. Por consiguiente, el movimiento neto de Y es desde el líquido tubular al plasma. Reabsorción del agua La difusión de agua se basa en las diferencias de osmolaridad. Cuando solutos como X e Y se reabsorben de forma activa, incrementan la osmolaridad del plasma, mientras que disminuyen la osmolaridad del líquido tubular. Por tanto, el agua difunde a favor de su gradiente de concentración hacia una zona de mayor osmolaridad (v. fig. 18.14b). Dicho de otra forma, la reabsorción hídrica sigue a la reabsorción activa de soluto. Para que el agua siga al soluto, el agua debe ser capaz de atravesar la mayoría de membranas plasmáticas del organismo. En el capítulo 19 veremos que algunas membranas plasmáticas de los túbulos renales son impermeables al agua.
H2O
[Z] Alta
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Plasma
(c) Reabsorción pasiva de soluto mediante difusión
FIGURA 18.14 Mecanismos de reabsorción de agua y solutos. (a) Reabsorción activa de solutos. Los solutos se pueden transportar de forma activa contra su gradiente de concentración a través de la membrana basolateral (soluto Y) o la membrana apical (soluto Z). (b) Reabsorción pasiva de agua. El transporte activo de los solutos X e Y mostrado en la parte (a) aumenta la osmolaridad del líquido peritubular y del plasma, creando unas condiciones que permiten la reabsorción del agua a través de la osmosis. (c) Reabsorción pasiva de un soluto. La reabsorción del soluto Z ocurre mediante difusión a favor de su gradiente de concentración.
Reabsorción pasiva de soluto La sustancia Z se reabsorbe de forma pasiva mediante difusión (v. fig. 18.14c). Para que esto ocurra, deben darse dos condiciones: la concentración de Z debe ser mayor en el líquido tubular que en el plasma, y Z debe ser capaz de atravesar las membranas plasmáticas del epitelio tubular y el endotelio capilar. El líquido tubular, que viene del plasma, tiene una mayor concentración de Z que el líquido de la luz capilar, ya que la mayoría del agua que se filtra se reabsorbe como ya se ha descrito. Cuando el agua abandona la luz de los túbulos y entra en el plasma, la concentración tubular de Z aumenta, mientras que la concentración plasmática de Z disminuye. Por consiguiente, Z difunde a favor de su gradiente de concentración desde el líquido tubular al plasma. Dicho de otra forma, la reabsorción de Z sigue a la reabsorción del agua. Un ejemplo de una molécula que se reabsorba de forma pasiva de este modo es la urea.
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Aparato urinario: función renal
Cuando se transportan solutos desde el filtrado al plasma a través del epitelio tubular mediante proteínas transportadoras o bombas, estas formas de transporte pueden saturarse (v. capítulo 4); es decir, cuando la concentración de soluto es lo suficientemente alta, todas las proteínas transportadoras y bombas están ocupadas, y el sistema está operando en transporte máximo (Tm). Se comprende mejor el transporte máximo de sustancias que suelen reabsorberse al 100% en los túbulos renales, como aquellas que no se excretan en la orina. Sin embargo, cuando la concentración plasmática de solutos aumenta, la cantidad de soluto filtrada en el glomérulo aumenta, haciendo que suba la concentración del soluto en el filtrado. A una determinada concentración plasmática de soluto, la concentración del filtrado resultante satura las proteínas transportadoras en los túbulos y algunas de estas sustancias aparecen en la orina. La concentración plasmática de solutos a la que «se derrama» en la orina suele llamarse umbral renal. Cuando la concentración plasmática se eleva por encima del umbral renal, la velocidad a la que el soluto se excreta en la orina aumenta paulatinamente. Un ejemplo muy conocido de transporte máximo es el de la reabsorción activa de la glucosa. La glucosa, que se filtra de forma libre desde el glomérulo, suele reabsorberse por completo mediante transporte activo en el túbulo proximal, de forma que no se secreta glucosa en la orina. La figura 18.15 muestra el mecanismo de la reabsorción de glucosa, que es semejante al del soluto X de la figura 18.14a. La glucosa se transporta de forma activa a través de la membrana apical mediante transporte activo ligado al sodio, es decir, la glucosa se cotransporta con iones de sodio desde el líquido tubular a la célula epitelial. Tal cotransporte concentra la glucosa dentro de la célula epitelial. Una proteína transportadora de glucosa se encuentra en la membrana basolateral. Como la glucosa se encuentra en alta concentración dentro de la célula epitelial, la glucosa se transporta con su transportador a favor de su gradiente de concentración al líquido peritubular, donde puede difundirse al plasma. La figura 18.16 muestra la relación entre la concentración plasmática de glucosa y el manejo de la glucosa por parte de los riñones. El transporte máximo para la reabsorción de glucosa
Membrana apical
Célula epitelial Membrana tubular basolateral
Célula endotelial capilar
Velocidad de movimiento de glucosa (mg/min)
Transporte máximo
Umbral renal
800 700
Filtración
600 500 Reabsorción Transporte máximo
400 300
Excreción
200 100
0
100 200 300 400 500 600 Concentración plasmática de glucosa (mg/dl)
FIGURA 18.16 Filtración glucolítica, reabsorción y excreción expresadas en función de la concentración plasmática de glucosa. La velocidad de excreción es la diferencia entre la velocidad de filtración y la de reabsorción. Se asume que la FG es constante (125 ml/min). Cabe destacar que el umbral renal «teórico» (300 mg/dl) no necesita alcanzarse antes de que aparezca la glucosa en la orina.
es 375 mg/min. El nivel plasmático normal de glucosa es de 80-100 mg/dl. Dado que la FG es 125 ml/min (= 1,25 dl/min), la carga filtrada de glucosa cuando su concentración plasmática es 100 mg/dl es FG Pglucosa = 1,25 dl/min 100 mg/dl = 125 mg/min lo que es bastante menos que el transporte máximo de 375 mg/min. Por consiguiente, toda la glucosa se reabsorbe y no se excreta nada en la orina. Sin embargo, si el nivel de glucosa aumenta, finalmente la cantidad de glucosa en el filtrado excederá la capacidad de reabsorción y se excretaría algo de glucosa en la orina. El umbral renal «teórico» de la glucosa, la concentración de plasma a la que la cantidad de glucosa en el filtrado excede el transporte máximo, y a la que la glucosa aparece en la orina, se puede calcular de la siguiente forma: FG umbral renal = transporte máximo
Glucosa Glucosa K+ Na+ Líquido tubular
transporte máximo FG 375mg/min umbral renal = 1,25 dl/min umbral renal =
Na+
= 300 mg/dl Plasma
FIGURA 18.15 Mecanismo de reabsorción de la glucosa. La glucosa se reabsorbe de forma activa mediante cotransporte con el sodio a través de la membrana apical, seguida de una difusión facilitada a través de la membrana basolateral.
Sin embargo, el verdadero umbral renal de la glucosa es 160-180 mg/dl (v. fig. 18.16). A este nivel plasmático de glucosa, la carga filtrada de glucosa es de unos 225 mg/min. Aunque este valor es notablemente menor que el transporte máximo de glucosa, algunas moléculas de glucosa en el filtrado evitan el contacto con las proteínas transportadoras y, por tanto, se excretan
C A P Í T U LO 1 8
Aparato urinario: función renal
523
CONEXIONES CLÍNICAS
Diálisis La insuficiencia renal crónica es una pérdida progresiva e irreversible de las estructuras renales, que puede ser consecuencia de diferentes afecciones renales o ser secundaria a otra enfermedad, como la diabetes o la hipertensión. Cuando la FG disminuye por debajo del 5% de lo normal, la consecuencia es una enfermedad renal terminal (ERT), cuya incidencia en Estados Unidos es de 180 personas por cada millón de habitantes. Una ERT es una enfermedad mortal a menos que se proceda a un trasplante de riñón o se trate con diálisis. El trasplante de riñón es el tratamiento óptimo para un paciente, pero los donantes suelen ser escasos. La diálisis consiste en el uso de una membrana semipermeable para permitir que los solutos pequeños se intercambien libremente entre dos líquidos. Aunque la diálisis no es curativa, puede prolongar la vida del paciente. La forma más común de diálisis es la hemodiálisis, en la que la sangre del paciente se bombea a través de un sistema de hemodiálisis, también llamado riñón artificial (v. fig.). La máquina de diálisis incorpora una membrana
que separa la máquina en dos compartimentos: uno que contiene el líquido de diálisis y otro que contiene sangre. Un catéter arterial extrae sangre del paciente hacia la máquina. A medida que la sangre se mueve a través de la máquina, la sangre y el líquido de diálisis se intercambian a través de la membrana. La membrana es semipermeable, permitiendo el paso de todas las moléculas, salvo de las células plasmáticas y las proteínas, para que se
difundan bajo su gradiente electroquímico. La composición del dializador puede modificarse para favorecer el movimiento de moléculas en una dirección determinada. Por ejemplo, si el paciente tiene edema, la concentración de soluto del dializador se eleva para favorecer el movimiento de agua desde la sangre al dializador. Después del intercambio, la sangre sale de la máquina y regresa al paciente a través del catéter conectado a una vena.
Sangre
Arteria Vena
en la orina, aunque las proteínas transportadoras no estén saturadas al 100%. (Observa la relación no lineal entre la velocidad de reabsorción y excreción de la glucosa y la concentración plasmática de esta a medida que la velocidad se acerca al máximo en la fig. 18.16.) Antes de que se inventaran las técnicas modernas para detectar glucosa en la orina, la prueba común para la diabetes mellitus consistía en catar la orina para ver si era dulce o no. En la diabetes mellitus sin tratar, el nivel plasmático de glucosa es alto (estado que se llama hiperglucemia), y puede ser varias veces superior al valor normal. Cuando la concentración de glucosa supera el umbral renal, aparece glucosa en la orina, de forma que tiene un sabor dulce. La eliminación de glucosa en la orina también produce diuresis (aumento de la pérdida hídrica o del volumen de la orina). Recordemos que el agua se mueve a través del epitelio por osmosis, y normalmente el movimiento del agua sigue al transporte activo de un soluto. Por lo general, la reabsorción activa de glucosa precede la reabsorción pasiva de agua. Sin embargo, cuando la glucosa no se reabsorbe, sino que más bien permanece en el líquido tubular, ejerce una fuerza osmótica que hace que el agua se quede en los túbulos renales y, finalmente, se elimine del
Membrana de diálisis
Dializador Dializador Deshecho
organismo en la orina. Algunos de los primeros síntomas de la diabetes son tener mucha sed y poliuria. Además de padecer disfunción grave urinaria, el 20-30% de las personas con diabetes desarrollan alguna enfermedad renal. El nivel plasmático de glucosa alto de las personas diabéticas, que deriva de mecanismos aún desconocidos, daña las neuronas, induciendo una nefropatía diabética. Esta enfermedad puede evolucionar hasta llegar a una insuficiencia renal crónica o una enfermedad renal terminal (v. «Conexiones clínicas: Diálisis»).
Secreción En la secreción tubular, las moléculas se mueven desde el plasma de los capilares peritubulares a los túbulos renales para formar parte del filtrado. La secreción sigue los mismos procesos básicos que la reabsorción, en la que intervienen las mismas barreras, a excepción de que este movimiento es en la dirección opuesta. Algunas sustancias difunden del plasma al filtrado, mientras que otras se transportan de forma activa. La secreción mediante transporte activo requiere que las proteínas de la membrana basolateral transporten el soluto de forma activa
524
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Aparato urinario: función renal
desde el líquido intersticial hacia el interior de la célula epitelial, o bien que las proteínas de la membrana apical transporten de forma activa el soluto desde el interior de la célula epitelial al filtrado. Entre las sustancias que los túbulos renales secretan de forma activa, encontramos iones, como iones de potasio o hidrógeno; productos de desecho, como la colina y la creatinina; y sustancias exógenas, como el antibiótico penicilina. El resultado final de la secreción es un aumento de la cantidad de soluto excretado en la orina, lo que disminuye la concentración plasmática del soluto.
Test rápido 18.3 1. Describe las barreras de la reabsorción y la secreción. Asegúrate de incluir todas las membranas plasmáticas que deben atravesar las sustancias antes de reabsorberse o secretarse. 2. Describe el mecanismo general de la reabsorción de agua. 3. Define los términos transporte máximo y umbral renal.
Especialización local de los túbulos renales Como las propiedades del epitelio tubular varían entre diferentes zonas a lo largo de la longitud del túbulo, tanto las sustancias transportadas como los mecanismos de transporte difieren en las diversas zonas del túbulo (tabla 18.2). En las siguientes secciones, veremos el transporte en las diferentes zonas de los túbulos renales.
Reabsorción sin regulación en el túbulo proximal En el túbulo proximal, el mecanismo de reabsorción es tan eficiente que el 70% del sodio y del agua que se filtra se reabsorbe para cuando el líquido tubular llega al principio del asa de Henle. La reabsorción de soluto y agua están emparejadas de tal forma que el proceso es isoosmótico, es decir, no hay cambio en la concentración de soluto, ni en el plasma ni en el filtrado. Algunos solutos (incluida la glucosa) se reabsorben prácticamente al 100% para entonces. Por este motivo, se dice que el túbulo proximal funciona como un absorbente en masa, cuya función es reabsorber el grueso de solutos y agua filtrados, evitando así su pérdida del organismo. Esta reabsorción de solutos en el túbulo proximal es un proceso continuo que no suele estar controlado. El epitelio del túbulo proximal tiene una serie de características que facilitan la absorción masiva (fig. 18.17a). En primer lugar, la membrana apical está plegada en muchas microvellosidades, una conformación que se conoce como borde en cepillo;
Membrana apical
Unión estrecha «permeable» Borde en cepillo Microvellosidades
Mitocondria
TABLA 18.2 Zonas en las que se reabsorben y secretan sustancias
Membrana basolateral
a lo largo de los túbulos renales
(a) Epitelio tubular proximal
Segmento tubular Túbulo proximal
Sustancias reabsorbidas +
Na
Glucosa
Cl–
Aminoácidos
K+
Vitaminas
Ca2+
Urea
HCO3–
Colina
Sustancias secretadas H+
Membrana apical
Unión estrecha «permeable» Mitocondria
Agua Asa de Henle (rama descendente)
Agua
Asa de Henle (rama ascendente)
Na+
Mg2+
Cl–
Ca2+
Membrana basolateral (b) Epitelio del túbulo distal y conducto colector
K+ Túbulo distal
Na+ Ca
K+
2+
H+
Cl– Agua Conducto colector
Na+
HCO3–
K+
K+
H+
H+
–
Urea
Ca2+
Agua
Cl
FIGURA 18.17 Células epiteliales en determinadas zonas de un túbulo renal. (a) Células epiteliales del túbulo proximal. (b) Células epiteliales del túbulo distal y conducto colector. Las células epiteliales del túbulo proximal tienen un borde en cepillo mucho más extenso, más mitocondrias y uniones estrechas más permeables que las de las partes más distales del túbulo renal. El transporte paracelular (entre células epiteliales), ¿es más probable que P se produzca en el túbulo proximal o en el túbulo distal? ¿Por qué?
C A P Í T U LO 1 8
este plegamiento aumenta el área total de superficie de la membrana apical, lo que facilita el transporte. En segundo lugar, las células transportadas poseen un gran número de mitocondrias, lo que suministra la gran cantidad de ATP necesario para conducir el transporte activo. Por último, las uniones estrechas entre las células epiteliales hacen de este un epitelio «permeable». Esta permeabilidad tan alta en las uniones estrechas facilita la difusión de solutos y agua entre las células (lo que se llama transporte paracelular), permitiendo que el epitelio transporte sustancias en grandes cantidades.
Aparato urinario: función renal
525
un período de tiempo dado está determinada por la siguiente expresión: Cantidad excretada = cantidad filtrada + cantidad secretada – cantidad reabsorbida o E = F + S – R
Velocidad de excreción Absorción y secreción reguladas en el túbulo distal y el conducto colector A diferencia del túbulo proximal, el túbulo distal y el conducto colector están especializados para permitir la regulación de la reabsorción y la secreción. En el epitelio de estos túbulos, el borde en cepillo es mucho menos prominente que en el túbulo proximal, o incluso no está presente (fig. 18.17b). Además, las células epiteliales tienen menos mitocondrias y las uniones estrechas son mucho menos permeables, por lo que constituye un ejemplo de un epitelio «menos permeable». Además, las células epiteliales tubulares tienen receptores de hormonas que regulan el transporte de agua y varios solutos, de forma que la reabsorción hídrica no siempre sigue a la reabsorción de solutos. En el túbulo distal y conducto colector, por ejemplo, la aldosterona, una hormona esteroidea que secreta la corteza suprarrenal, estimula la reabsorción de sodio, y el péptido natriurético auricular, una hormona peptídica que secreta la aurícula del corazón, la inhibe. En estos segmentos tubulares, la hormona antidiurética (ADH), una hormona peptídica que secreta la neurohipófisis, estimula la reabsorción hídrica. La acción de estas y otras hormonas en el equilibrio electrolítico e hídrico se describe en el capítulo 19.
Conservación del agua en el asa de Henle El asa de Henle de las nefronas yuxtaglomerulares está especializada en la creación de un gradiente osmótico en la médula renal, de forma que el líquido de la parte más externa de la médula (cerca de la corteza) tiene una osmolaridad menor que el líquido de la parte interna de la médula (cerca de la pelvis renal). Este gradiente es vital para la capacidad de los riñones de conservar el agua. Tanto las asas de Henle de las nefronas yuxtaglomerulares como las de los conductos colectores son importantes para la reabsorción hídrica. Las funciones de las asas de Henle se describen detalladamente en el capítulo 19.
Excreción La excreción es la eliminación de soluto y agua del organismo en forma de orina. La velocidad a la que se excretan sustancias en la orina es una cantidad importante, ya que tiene una relación directa con el volumen y composición del plasma. Para cualquier sustancia, la cantidad que se excreta durante un período de tiempo se determina con una regla sencilla: sustancia que entra en la luz de los túbulos renales, sustancia que se excreta a menos que se reabsorba. Dado que una sustancia puede entrar en los túbulos renales mediante filtración o secreción, la cantidad de una sustancia que se excreta en la orina en
La ecuación para calcular la cantidad de una sustancia que se excreta (E = F + S – R) indica que la velocidad a la que se excreta el soluto en la orina (moles/min o equivalente) depende por completo de tres factores: 1) la carga filtrada; 2) la velocidad a la que se secreta el soluto, y 3) la velocidad a la que se reabsorbe el soluto. La figura 18.18 representa de forma esquemática el procesamiento renal de agua y de un soluto hipotético. En esta figura, un solo túbulo representa el conjunto de todos los túbulos, la FG es 150 ml/min, la concentración plasmática del soluto es de 0,08 mmol/ml, y el soluto es filtrable de forma libre. Por consiguiente, la carga filtrada se calcula de la siguiente forma: Carga filtrada = FG concentración plasmática = 150 ml/min 0,08 mmol/ml = 12 mmol/min La figura 18.18 también muestra que se secretan 3 mmol/min de soluto y se reabsorben 6 mmol/min de soluto. Por tanto, la velocidad de excreción se calcula así Velocidad de excreción = carga filtrada + velocidad de secreción – velocidad de reabsorción = 12 mmol/min + 3 mmol/min – 6 mmol/min = 9 mmol/min Calculando la carga filtrada de un soluto específico y comparando ese valor con la cantidad de soluto excretada por minuto, puede determinarse el efecto neto del procesamiento renal (reabsorción o secreción) del soluto mediante dos sencillas reglas: 1. Si la cantidad de soluto excretada por minuto es menor que la carga filtrada, el soluto se reabsorbe en los túbulos renales. 2. Si la cantidad de soluto excretada por minuto es mayor que la carga filtrada, el soluto se secreta en los túbulos renales. Observa que solo puede determinarse el efecto neto, ya que algunas sustancias se secretan y reabsorben. En el ejemplo de la figura 18.18, ocurren tanto la secreción como la reabsorción del soluto. Como la carga filtrada del soluto (12 mmol/min) excede la velocidad de excreción (9 mmol/min), el efecto neto es la reabsorción.
Eliminación La velocidad a la que se excreta un soluto puede describirse en términos de eliminación, una medida virtual del volumen de plasma en el que se ha eliminado o «aclarado» un soluto en los riñones por unidad de tiempo (expresado normalmente en l/h). Dado que podemos medir la cantidad de un soluto excretada
526
C A P Í T U LO 1 8
Aparato urinario: función renal
Arteriola eferente Capilar peritubular 6 mmol de soluto 145 ml H2O
3 mmol de soluto Cápsula de Bowman Glomérulo
Psoluto = 0,08 mmol/ml
Secreción
Filtración
12 mmol de soluto
15 mmol de soluto
9 mmol de soluto
150 ml H2O
150 ml H2O
5 ml H2O
Cantidad filtrada Soluto
Arteriola aferente
Reabsorción
12 mmol
Agua
150 ml
+ + +
Cantidad secretada
Túbulo renal
Excreción
5 ml H2O
–
Cantidad reabsorbida
=
Cantidad excretada
3 mmol
–
6 mmol
=
9 mmol
0 ml
–
145 ml
9 mmol soluto
=
5 ml
FIGURA 18.18 Representación esquemática de los cuatro procesos renales básicos.
por unidad de tiempo, la eliminación depende del volumen de plasma que contenía dicha cantidad de soluto. La ecuación para calcular la eliminación es: Eliminación =
velocidad de excreción concentración en plasma
Para comprender el significado de la eliminación, volvamos al ejemplo de la figura 18.18. La velocidad de excreción de este soluto era de 9 mmol/min, o 540 mmol/h. La concentración plasmática del soluto era de 0,08 mmol/ml o 80 mmol/l. Por tanto, la eliminación de este soluto era Eliminación =
540 mmol/h = 6,75 l/h 80 mmol/l
Esta cantidad de 6,75 l de plasma se llama volumen «virtual», porque los riñones realmente no eliminan del todo ese soluto de 6,75 l del plasma. (De hecho, el organismo no contiene tanto plasma.) Más bien, los riñones excretan una cantidad de soluto que equivale a la cantidad que se contendría en 6,75 l de plasma. También cabe destacar que esta cantidad, 6,75 l de plasma por hora es menos de la cantidad de líquido filtrado, la FG (150 ml/min en el ejemplo, que equivale a 9 l/h). La eliminación es el resultado de combinar la acción de la reabsorción y la secreción. La eliminación es un concepto importante, porque nos indica cómo manejan los riñones una sustancia en comparación con otra. Por ejemplo, si los riñones simplemente excretaran orina que tuviera la misma composición que la filtración glomerular, la eliminación sería la misma para todos los solutos a pesar de que la velocidad de excreción (moles/min) sería diferente para todos. Si, por el contrario, los riñones excretaran en la orina la misma concentración de sodio y potasio, la velocidad de excreción sería la misma para los dos solutos, pero la eliminación del
potasio sería mayor que la del sodio, ya que la concentración plasmática de potasio es menor que la concentración plasmática de sodio. Las eliminaciones relativas de los solutos nos dicen cómo afecta la excreción urinaria a la concentración plasmática de un soluto relativa a otro. La eliminación también se usa de forma clínica para estimar la FG y la velocidad de flujo sanguíneo renal, como se describe a continuación.
Aplicación clínica de la eliminación En fisiología renal, la eliminación de una sustancia se suele expresar con mayor frecuencia en términos de las siguientes tres variables medibles: concentración de una sustancia en la orina (Ux), concentración de una sustancia en el plasma (Px) y velocidad de flujo de orina (V). Aunque el símbolo V se usa con frecuencia en campos científicos para designar el volumen, el uso de V en este contexto designa el volumen de orina producida por unidad de tiempo. El producto de la concentración urinaria (moles/l) y de la velocidad de flujo de orina (l/min) nos da la velocidad de excreción (moles/min): Velocidad de excreción = Ux V Por tanto, la ecuación para calcular la eliminación puede expresarse Eliminación =
U V velocidad de excreción = x Px concentración en plasma
Esta forma de ecuación de eliminación es útil, porque nos permite calcular la eliminación en términos de variables que pueden medirse rápidamente. Ux y V pueden determinarse en muestras de orina. Para calcular V, solo es necesario medir el
Aparato urinario: función renal
C A P Í T U LO 1 8
volumen de orina recogido durante un período de tiempo. Para muchas sustancias, la concentración urinaria Ux puede determinarse mediante pruebas estándar de laboratorio. De forma similar, la concentración plasmática Px puede determinarse usando muestras de sangre mediante pruebas rutinarias. Para ver cómo se calcula la eliminación, supongamos que una persona produce 450 ml de orina en 1 h. La velocidad de flujo de orina es, por tanto: Velocidad de flujo = 450 ml/60 min = 7,5 ml/min Si se establece que la concentración de sodio en la orina es de 15 mM y se ve que la concentración plasmática está en su valor normal de 145 mM, la eliminación del sodio (CNa) se calcula de la siguiente manera: CNa =
(15 mmol/l) (1,7 ml/min) = 0,78 ml/min (145 mmol/l)
Estimación de la filtración glomerular Los cálculos de la eliminación también suponen un medio relativamente fácil para determinar la FG. Si una sustancia se filtra libremente y ni se absorbe ni se secreta, la cantidad de esa sustancia en la orina debe ser igual a la cantidad filtrada o la carga filtrada. En esta situación, la sustancia se aclara por completo del volumen del plasma que se haya filtrado; es decir, la eliminación de la sustancia equivale a la FG. Una sustancia que cumple estos requisitos es la inulina, un polisacárido que no produce el organismo, pero puede inyectarse al torrente sanguíneo con el propósito de medir la FG. Esa eliminación de inulina equivalente a la FG se ilustra en la figura 18.19b y puede demostrarse de forma matemática. Dado que la inulina ni se secreta ni se reabsorbe, su velocidad de excreción equivale a la carga filtrada, que por definición equivale al FG por la concentración plasmática: Velocidad de excreción = carga filtrada = FG Pinulina Por consiguiente, la FG equivale a la velocidad de excreción dividida por la concentración plasmática, lo que es, por definición, la eliminación:
Comprueba tus conocimientos La concentración plasmática del soluto S es de 1 mg/l. Una muestra de orina revela que en 1 h se excretaron 0,5 l de orina con una concentración de S de 0,2 mg/l. ¿Cuál es el eliminación del soluto S?
FG = velocidad de excreción/Pinulina = (Uinulina) (V)/Pinulina = Cinulina
123 ml H2O
Pinulina = 4 mmol/l
Filtración
Secreción
Reabsorción
0,5 mmol de inulina
0,5 mmol de inulina
0,5 mmol de inulina
125 ml H2O
125 ml H2O
2 ml H2O
0,5 mmol de inulina Excreción 2 ml H2O
Cantidad filtrada
+
Cantidad secretada
–
Cantidad reabsorbida
=
Cantidad excretada
Soluto
0,5 mmol de inulina
+
0 mmol de inulina
–
0 mmol de inulina
=
0,5 mmol de inulina
Agua
125 ml
+
–
123 ml
=
2 ml
Eliminación de inulina
=
527
0 ml
Volumen de plasma que contiene la cantidad de inulina excretada
=
FIGURA 18.19 Eliminación de inulina. Ya que la inulina ni se reabsorbe ni se secreta, la cantidad excretada equivale a la cantidad filtrada. Por tanto, la eliminación de inulina = FG = 125 ml/min.
Volumen de plasma filtrado
=
FG
528
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Aparato urinario: función renal
Veamos un ejemplo en el que se estime la FG de forma experimental en un sujeto (v. fig. 18.19). Supongamos que el sujeto vacía por completo la vejiga en un tiempo 0, y luego la inulina se inyecta en el sujeto para mantener una concentración plasmática constante de 4 mmol/l. Trascurrida 1 h, el sujeto vuelve a vaciar por completo la vejiga, y el volumen de orina es de 120 ml. La velocidad de flujo de orina puede calcularse a partir del volumen de esta muestra: V = 120 ml/h = 2 ml/min
plasmático renal (fig. 18.20b), que puede convertirse de forma sencilla a flujo sanguíneo renal midiendo el hematocrito. Por ejemplo, si la eliminación de PAH es 625 ml/min, el flujo plasmático renal es 625 ml/min. Con un hematocrito normal de 45: Flujo sanguíneo renal =
La tabla 18.3 enumera las velocidades de eliminación de algunas de las sustancias que suelen procesar los riñones.
La concentración de inulina en la muestra de orina resulta ser 250 mmol/l. Por tanto, la eliminación de inulina es Cinulina =
(Uinulina) (V) (250 mmol/l) (2 ml/min) = (Pinulina) (4 mmol/l)
625 ml/min = 1.136 ml/min 1 – 0,45
Comprueba tus conocimientos Según los datos de la tabla 18.3, basándote en el porcentaje, ¿es mayor la reabsorción del sodio o la del potasio?
= 125 ml/min La eliminación de cualquier sustancia que se filtre libremente, pero que ni se reabsorba ni se secrete, equivale a la FG. Como la inyección intravenosa de inulina es un procedimiento invasivo, es deseable determinar la FG utilizando moléculas que suelan encontrarse en la sangre, aunque ninguna cumpla los requisitos exactos. La sustancia química del organismo que «mejor» cumple los requisitos para calcular la FG es la creatinina, un producto de desecho del metabolismo muscular. La creatinina se filtra libremente en el glomérulo y no se reabsorbe, pero se secreta una pequeña cantidad de ella. Dado que la cantidad de creatinina excretada supera ligeramente la cantidad de creatinina filtrada, la eliminación de creatinina es ligeramente mayor que la FG. Aun así, la eliminación de creatinina supone una estimación clínica apropiada. Determinación del destino de los solutos en los túbulos renales La eliminación puede usarse para determinar bien una reabsorción neta o una secreción neta de una sustancia dada en los túbulos renales, pero algunas sustancias se reabsorben y secretan. En tal caso, la eliminación depende de cuál de las dos magnitudes, la reabsorción o la secreción, es mayor. El uso de la eliminación en la determinación de la reabsorción o secreción de una sustancia puede resumirse en dos normas: 1. Si la eliminación de una sustancia es mayor que la FG, dicha sustancia se ha secretado en los túbulos renales. 2. Si la eliminación de una sustancia es menor que la FG, dicha sustancia se ha reabsorbido en los túbulos renales. Ya vimos que la glucosa se reabsorbe por completo cuando tiene un nivel plasmático normal. Por tanto, deberíamos prever que la eliminación de la glucosa sería igual a cero: ya que no se excreta glucosa, el plasma no se depura de glucosa. Esto se ilustra en la figura 18.20a y puede expresarse de forma matemática así: Cglucosa =
(0 mmol/l) (V) = 0 ml/min (Pglucosa)
Otro ejemplo es el ácido paraaminohipúrico (PAH), una sustancia exógena que se usa para medir de forma clínica el flujo sanguíneo renal. Además, cualquier resto de PAH en el plasma de los capilares renales tras una filtración se secreta a los túbulos renales, es decir, que el plasma que entra en los riñones está completamente depurado de PAH. Por tanto, la eliminación de PAH equivale al flujo de plasma que entra en el riñón, o el flujo
Micción El líquido que permanece en los túbulos renales tras la filtración, reabsorción y secreción se excreta en forma de orina. El líquido se drena desde los conductos colectores a la pelvis renal y luego al uréter, un tubo fino que lleva hasta la vejiga (v. fig. 18.1). En las paredes del uréter se producen contracciones como ondas del músculo liso que propulsan la orina hacia la vejiga. La vejiga almacena la orina hasta que se elimina mediante el proceso de micción, u orinar. La anatomía de la vejiga se muestra en la figura 18.21. La pared de la vejiga contiene fibras de músculo liso conectadas por uniones comunicantes de forma que funciona como una unidad. Las fibras de músculo liso de la vejiga se conocen como músculo detrusor. En el cuello de la vejiga, las fibras musculares convergen y se solapan, formando un engrosamiento de la pared denominado esfínter uretral interno, que actúa como una válvula para regular el flujo de orina desde la vejiga. (Un esfínter es cualquier estructura muscular que forma un anillo alrededor de un órgano hueco o tubo y que regula el flujo de sustancias contrayéndose o relajándose.) El flujo de orina desde la vejiga también está controlado por la contracción y relajación del músculo esquelético que rodea la uretra según va pasando por el suelo pélvico; este músculo se denomina esfínter uretral externo.
TABLA 18.3 Eliminación de sustancias que suelen procesar los riñones
Sustancia
Velocidad de eliminación (ml/min)
Procesamiento renal neto (reabsorción o secreción)*
PAH
650
Secreción
Creatinina
140
Secreción
Inulina
125
Potasio
12
Ninguno Reabsorción
Cloruro
1,3
Reabsorción
Sodio
0,9
Reabsorción
Glucosa
0
Reabsorción
*FG = 125 ml/min. Si la eliminación es mayor que la FG, se ha producido una secreción neta; pero si es menor, se ha producido una reabsorción neta.
C A P Í T U LO 1 8
Aparato urinario: función renal
125 mg glucosa 123 ml H2O
Secreción
Pglucosa = 1 mg/ml
Filtración
Reabsorción
125 mg de glucosa
125 mg de glucosa
0 mg de glucosa
125 ml H2O
125 ml H 2O
2 ml H 2O
+
Cantidad secretada
–
Cantidad reabsorbida
=
Cantidad excretada
Soluto
125 mg de glucosa
+
0 mg de glucosa
–
125 mg de glucosa
=
0 mg de glucosa
Agua
125 ml H 2O
+
0 ml H 2O
–
123 ml H 2O
=
2 ml H 2O
Eliminación de glucosa
Volumen de plasma que contiene 0 mg glucosa/min
=
2 mmol PAH
(b) Eliminación de PAH
Filtración
=
0,5 mmol PAH
2,5 mmol PAH
2,5 mmol PAH
125 ml H 2O
125 ml H 2O
2 ml H 2O
+
Cantidad secretada
–
Cantidad reabsorbida
Soluto
0,5 mmol PAH
+
2 mmol PAH
–
0 mmol PAH
Agua
125 ml H 2O
+
0 ml H 2O
–
=
Volumen de plasma que contenía 2,5 mmol de PAH
0 ml/min
Reabsorción
Cantidad filtrada
Eliminación de PAH
2 ml H2O
123 ml H2O
Secreción
4 mmol/ml
Excreción
Cantidad filtrada
(a) Eliminación de glucosa
PPAH =
0 mg de glucosa
123 ml H 2O
2,5 mmol PAH Excreción
=
2 ml H2O
Cantidad excretada
=
2,5 mmol PAH
=
2 ml H 2O
2,5 mmol de PAH/min =
= 4 mmol PAH/1.000 ml H2O
FIGURA 18.20 Eliminación de glucosa y de PAH. (a) Eliminación de glucosa. Como normalmente toda la glucosa filtrada se reabsorbe, no se excreta nada de glucosa, y la eliminación de la glucosa = 0 ml/min. (b) Eliminación de PAH. Ya que el PAH se secreta completamente desde el plasma, cualquier PAH del plasma que entre en los capilares peritubulares se secreta.
625 ml/min
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Aparato urinario: función renal
La micción está bajo control voluntario e involuntario. La micción sucede cuando los músculos detrusores se contraen, el músculo liso del esfínter uretral interno se relaja y se abre este esfínter, y el músculo esquelético del esfínter uretral externo se relaja y se abre. El músculo liso del músculo detrusor y del esfínter uretral interno está bajo control autónomo, mientras que el músculo esquelético está bajo control voluntario. Veamos la actividad de estos músculos cuando la vejiga se llena de orina y después durante la micción. Normalmente, la orina que se forma en los riñones llega a la vejiga de forma continua. Los músculos del esfínter interno y externo se contraen, de forma que los esfínteres se cierran y la orina no sale de la vejiga, así que el volumen de orina en la vejiga aumenta. Los músculos detrusores se relajan y la vejiga se expande para adaptarse al volumen en aumento. Sin embargo, a medida que continúa la expansión, los receptores de estiramiento de la pared de la vejiga se activan. Finalmente, la activación de estos receptores es suficiente para inducir lo que se conoce como reflejo de micción. La micción está regulada por un reflejo medular que puede desencadenarse por control voluntario en un individuo entrenado (fig. 18.22). En niños, la vía es puramente refleja. Cuando
la vejiga se llena, los receptores de estiramiento detectan la expansión de la pared y se lo transmiten a la médula espinal. En la médula espinal, las señales pasan el relevo a través de las interneuronas hacia tres conjuntos de neuronas que se vuelven a comunicar con la vejiga y con las estructuras asociadas: las neuronas parasimpáticas, que inervan el músculo detrusor; las neuronas simpáticas, que inervan el esfínter uretral interno; y las motoneuronas somáticas, que inervan los músculos del esfínter uretral externo. La estimulación de los receptores de estiramiento excita a las neuronas parasimpáticas que se localizan en el nervio pélvico y estimulan al músculo detrusor para que se contraiga. La contracción del músculo detrusor aumenta la presión sobre el contenido de la vejiga, y entonces las contracciones del músculo detrusor se vuelven lo suficientemente fuertes para que el esfínter uretral interno se abra. Al mismo tiempo, la actividad de los receptores de estiramiento inhibe las neuronas simpáticas que se proyectan al esfínter uretral interno, y también inhibe las motoneuronas somáticas que se proyectan al esfínter uretral externo, permitiendo que este se abra o cierre. La apertura de ambos esfínteres, acopladas con la contracción del músculo detrusor, permite que la vejiga se vacíe. En niños más grandes y en adultos, el reflejo de micción puede provocarse de forma voluntaria. Las señales de los receptores
Uréteres
Vejiga volumen de líquido en la vejiga
Expansión de la pared
Activación de los receptores de estiramiento
Músculo detrusor Cuello de la vejiga
Médula espinal actividad simpática
actividad neuromotora somática
actividad parasimpática
Esfínter uretral interno
Uretra
Vejiga
Suelo pélvico
Orificio uretral externo
Esfínter uretral externo
Relajación del esfínter uretral interno
Apertura del esfínter uretral interno
FIGURA 18.21 Anatomía de la vejiga urinaria y la uretra. Las estructuras se muestran según la disposición natural de las mujeres; en los varones, la uretra se extiende al pene. La pared de la vejiga contiene un músculo liso llamado músculo detrusor. Son dos los esfínteres que controlan la salida de orina de la vejiga: el esfínter uretral interno, compuesto de músculo liso, y el esfínter uretral externo, compuesto de músculo esquelético.
Relajación del esfínter uretral externo
Apertura del esfínter uretral externo
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
P ¿Qué esfínter uretral está bajo control voluntario?
Contracción del músculo detrusor
Micción
FIGURA 18.22 Elementos del reflejo de micción.
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de estiramiento que detectan el llenado de la vejiga se transmiten en vías ascendentes a la corteza cerebral, dando lugar a la sensación consciente de vejiga llena y funcionando como una señal para activar las vías descendentes que inhiben a las neuronas parasimpáticas que controlan el músculo detrusor, y que activan las vías descendentes que excitan las motoneuronas que controlan el esfínter uretral externo. Esto permite posponer el reflejo de micción en caso necesario. Sin embargo, este aplazamiento no puede mantenerse indefinidamente, ya que la llegada de orina a la vejiga es continua y lleva a una mayor excitación de los receptores de estiramiento. Finalmente, el nivel de actividad de estas neuronas se vuelve tan alto que desencadena el reflejo de micción a pesar de los esfuerzos continuos para aguantar, provocando una micción incontrolable. Además del control voluntario para evitar la micción, una persona puede iniciar la micción a través de la relajación voluntaria del esfínter uretral eterno y el descenso del suelo pélvico. Este descenso hace que la vejiga caiga, lo que empuja al esfínter uretral interno para que se abra y estira la pared de la vejiga que activa los receptores de estiramiento e induce el reflejo de micción. La contracción del diafragma y los músculos abdominales pueden aumentar el volumen de orina que se expulsa, incrementando la presión de la cavidad abdominal, lo que aumenta la presión de la vejiga para la micción.
Test rápido 18.4 1. Nombra tres diferencias estructurales entre las células epiteliales del túbulo proximal y las del túbulo distal. ¿Cuál de las dos estructuras es más favorable para el intercambio? 2. ¿De qué dos sustancias se puede utilizar la eliminación para estimar la FG? ¿De qué sustancia se puede usar la eliminación para estimar el flujo plasmático renal?
Aparato urinario: función renal
531
3. Si la eliminación de la molécula X es mayor que la FG, ¿la sustancia X se reabsorbió o se secretó en los túbulos renales? 4. Describe la inervación de la vejiga, el esfínter uretral interno y el esfínter uretral externo. ¿A través de la inervación de cuál de estas estructuras se realiza la inhibición voluntaria de la micción?
Integración de sistemas En este capítulo hemos aprendido cómo los riñones forman la orina mediante los procesos de filtración, reabsorción y secreción. En el siguiente capítulo explicaremos cómo se regulan estos procesos para mantener el equilibrio hidroelectrolítico normal. La importancia de los riñones en la homeostasis se pondrá de manifiesto cuando estudiemos el aparato digestivo, que representa el mayor aporte de solutos y agua al organismo. La absorción de agua y solutos a través del aparato digestivo no se regula en función de las necesidades corporales, sino que trata de aumentar al máximo la absorción. Esto representa un trabajo enorme para los riñones porque deben eliminar del organismo al menos el agua y los electrólitos consumidos en exceso; la mayor parte de esta eliminación tiene lugar en el riñón (en la piel y por la secreción en el sudor). Un órgano accesorio del tubo digestivo es el hígado, que se encarga, igual que los riñones, de excretar productos de desecho. El hígado y el riñón contribuyen a mantener la glucosa normal mediante la gluconeogenia. En el siguiente capítulo expondremos la función de los riñones en el equilibrio ácido-base. Los riñones por sí solos no pueden mantener el pH normal del plasma, por lo que dependen de la ayuda del aparato respiratorio en este sentido. Por tanto, los riñones son órganos dinámicos que realizan distintas funciones, casi todas las cuales exigen una notable interacción con otros sistemas orgánicos.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Funciones del aparato urinario, pág. 508 La función primaria de los riñones es filtrar la sangre para regular la composición iónica, la osmolaridad, el volumen y el pH del plasma, y eliminar los productos de desecho del metabolismo, así como las sustancias exógenas del plasma. En este proceso se forma la orina.
Urinary System, Anatomy Review, págs. 1–3
Anatomía del aparato urinario, pág. 509 El aparato urinario está formado por los riñones, los uréteres, la vejiga y la uretra. Las unidades funcionales de los riñones son la nefronas, formadas por la cápsula de Bowman, el túbulo proximal, el asa de Henle descendente, el asa de Henle ascendente y el túbulo distal. El túbulo distal drena al conducto colector. La filtración tiene lugar en el corpúsculo renal, que incluye la cápsula de Bowman y el
glomérulo. La filtración glomerular se asemeja al plasma en cuanto a composición, salvo que carece de proteínas. Cuando el filtrado se mueve a través de la nefrona, su volumen y composición cambian en consecuencia de la reabsorción y secreción de agua y solutos. Las sustancias reabsorbidas se mueven desde el líquido tubular de la luz del túbulo hacia el líquido peritubular que rodea al túbulo y, después, al plasma de los capilares peritubulares que rodean al túbulo. La secreción mueve sustancias en dirección opuesta, desde el plasma al filtrado. Los riñones reciben una gran proporción del gasto cardíaco a través de la arteria renal. Las arteriolas aferentes se dirigen hacia cada glomérulo, mientras que las arteriolas eferentes salen de los mismos. La arteriola eferente se ramifica en capilares peritubulares o vasos rectos, que drenan a las venas que desembocan en la vena renal. El aparato yuxtaglomerular, que consiste en células de la mácula densa, en el túbulo distal, y células
granulares, en las paredes de las arteriolas aferentes y eferentes, es fundamental para la regulación de la filtración glomerular y en la reabsorción de sal y agua.
Urinary System, Glomerular Filtration, pág. 3 Urinary System, Anatomy Review, págs. 5, 9–20
Procesos básicos de intercambio renal, pág. 512 La filtración glomerular viene regulada por las cuatro fuerzas de Starling que contribuyen a la presión de la filtración glomerular: 1) la presión hidrostática capilar glomerular; 2) la presión hidrostática dentro de la cápsula de Bowman; 3) la presión osmótica del plasma de los capilares glomerulares, y 4) la presión osmótica de líquido en la cápsula de Bowman. La presión de filtración glomerular y la presencia de fenestraciones en los capilares glomerulares y de poros de hendidura en el epitelio de la cápsula de
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Aparato urinario: función renal
Bowman favorecen el flujo en masa de un líquido libre de proteínas entre la sangre y la luz de la cápsula de Bowman. La filtración glomerular normal es de unos 125 ml/min. La fracción de filtración es el porcentaje de flujo de plasma renal que se filtra, cuya media está alrededor del 20%. La carga filtrada es la cantidad de un soluto determinado que se filtra al glomérulo. Para que un soluto se filtre libremente, la carga filtrada debe ser igual al producto de la FG y la concentración plasmática del soluto. En condiciones normales, La filtración glomerular se controla para que permanezca casi constante mediante tres mecanismos de control intrínseco: 1) regulación miógena del músculo liso de la arteriola aferente; 2) retroalimentación tubuloglomerular, y 3) contracción de las células mesangiales. El control extrínseco de la FG se compone del control nervioso simpático del músculo liso de la arteriola aferente y de la eferente. Cuando se transportan solutos a través del epitelio tubular mediante proteínas transportadoras durante la reabsorción o la secreción, este transporte está sujeto a un transporte máximo, que tiene lugar cuando la concentración del soluto es lo suficientemente alta como para saturar las proteínas
transportadoras. La concentración plasmática a la que el soluto aparece en la orina se llama umbral renal.
Urinary System, Glomerular Filtration, págs. 1–14
Especialización local de los túbulos renales, pág. 524 El túbulo proximal está especializado en reabsorber grandes cantidades de solutos y agua, y devolver la mayoría de sustancias filtradas al torrente sanguíneo. Por el contrario, el túbulo distal y el conducto colector están especializados en la regulación del transporte, lo que es importante para el control del volumen y composición del plasma.
Urinary System, Early Filtrate Processing, págs. 1–13 Urinary System, Late Filtrate Processing, págs. 1–14
Excreción, pág. 525 La velocidad a la que se excreta una sustancia en la orina viene determinada por tres factores: la velocidad a la que se filtra en el glomérulo; la velocidad a la que se reabsor-
be, y la velocidad a la que se secreta. Si la cantidad de soluto excretada por minuto es menor que la carga filtrada, entonces el soluto se ha reabsorbido en los túbulos renales; por el contrario, si esta cantidad es mayor que la carga filtrada, entonces el soluto se ha secretado en los túbulos renales. La eliminación es una unidad de tiempo que mide el volumen de plasma procesado; es decir, el tiempo que los riñones tardan en eliminar, o «aclarar», por completo una sustancia. La eliminación de la inulina o la creatinina puede utilizarse para estimar la FG. La eliminación de la PAH puede usarse para estimar el flujo renal de plasma y, por tanto, el flujo renal sanguíneo. El líquido que permanece en los túbulos renales tras la filtración, reabsorción y secreción se excreta en la orina. El líquido drena desde los conductos colectores a la pelvis renal y, luego, al uréter. El músculo liso de la pared del uréter ejecuta contracciones de movimiento ondular para propulsar la orina hacia la vejiga. La vejiga almacena la orina hasta que se excreta durante la micción; esta última está sometida a un control tanto voluntario como reflejo. El reflejo de micción está provocado por el estiramiento de la pared de la vejiga.
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Qué estructura del aparato urinario almacena la orina hasta que se excreta? a) riñones b) vejiga c) uréter d) uretra e) vesícula biliar 2. ¿Cuál de las siguientes opciones no es un mecanismo por el que un soluto se intercambie entre el plasma y los túbulos renales? a) filtración glomerular b) secreción c) excreción d) reabsorción 3. ¿Qué tipo de unión especializada conecta las células epiteliales que revisten los túbulos renales? a) uniones comunicantes b) uniones estrechas c) desmosomas d) discos intercalares e) poros de hendidura 4. ¿Cuál de las siguientes no favorece una gran tasa de filtración glomerular? a) poros de hendidura b) fenestraciones
c) presión hidrostática glomerular d) alta resistencia en la arteriola aferente e) alta resistencia en la arteriola eferente 5. La mayor parte de reabsorción de agua y de solutos tiene lugar en a) el túbulo proximal. b) la rama descendente del asa de Henle. c) la rama ascendente del asa de Henle. d) el túbulo distal. e) el conducto colector. 6. ¿En cuál de las siguientes opciones son más abundantes las microvellosidades? a) cápsula de Bowman b) capilares glomerulares c) túbulo distal d) túbulo proximal e) conducto colector 7. ¿Qué pasaría si la presión arterial media aumentara de 95 mmHg a 125 mmHg? a) La filtración glomerular aumentaría dado el aumento de la presión hidrostática capilar glomerular. b) La filtración glomerular disminuiría dado el aumento de la presión hidrostática en la cápsula de Bowman.
c) La filtración glomerular no cambiaría gracias a la autorregulación. d) La filtración glomerular no cambiaría gracias a la activación del sistema nervioso simpático. 8. La concentración plasmática de glucosa en ayunas es 100 mg/dl y el umbral renal es 300 mg/dl. Si la concentración plasmática se dobla a 200 mg/dl, a) la velocidad a la que se reabsorbe la glucosa se duplicará. b) incrementará la capacidad del túbulo renal de transportar glucosa. c) aumentará la excreción de agua en la orina. d) aumentará la eliminación de la glucosa. e) la carga filtrada de la glucosa se reducirá a la mitad. 9. La sustancia S se filtra de forma libre y se excreta a una velocidad (mol/min), que es menor que la carga filtrada. Con la información dada, ¿cuál de las siguientes opciones es la conclusión más precisa que pueda darse en relación al procesamiento renal de S? a) S ni se reabsorbe ni se secreta. b) Definitivamente, S se reabsorbe y puede secretarse.
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c) Definitivamente, S se secreta y puede reabsorberse. d) Definitivamente, S se reabsorbe y secreta. 10. ¿Cuál de las siguientes observaciones te permitiría llegar a la conclusión de que una sustancia X está secretándose? a) La eliminación de X es mayor que la FG. b) La concentración de X en la orina es mayor que su concentración plasmática. c) La concentración de X en el plasma disminuye con el tiempo. d) a o c e) todas las respuestas son correctas 11. La micción ocurre en respuesta a a) la relajación del músculo detrusor. b) la contracción de los esfínteres uretrales interno y externo. c) la activación de las neuronas parasimpáticas de la vejiga. d) la activación de las motoneuronas somáticas de la vejiga.
6. La filtración glomerular tiende a (aumentar/disminuir) a medida que aumenta la concentración de proteínas en el plasma. 7. Las neuronas autónomas regulan la contracción del esfínter uretral (interno/ externo). 8. La presión de la filtración glomerular es sinónima de presión hidrostática dentro de los capilares glomerulares. (verdadero/falso) 9. La carga filtrada de un soluto está determinada por su concentración plasmática y la (filtración glomerular/velocidad de flujo de orina). 10. Si la eliminación de una sustancia es mayor que la filtración glomerular, entonces una sustancia se (reabsorbe/ secreta) en los túbulos renales. 11. La eliminación de (PAH/creatinina) equivale aproximadamente a la velocidad de flujo plasmático renal.
Aparato urinario: función renal
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3. Compara el mecanismo de la reabsorción activa y pasiva de un soluto. 4. Explica el concepto de transporte máximo. ¿Por qué aparece glucosa en la orina de pacientes? 5. Explica por qué los túbulos proximales se consideran absorbentes masivos. 6. Describe con tus propias palabras el término eliminación.
Pensamiento crítico 1. Supongamos que el sodio se excreta en la orina a una velocidad de 0,5 mmol/min y está presente en el plasma a una concentración de 150 mM. Si la FG es 125 ml/ min, ¿cuál es la carga filtrada del sodio? ¿Cuál es la eliminación del sodio? ¿El sodio está siendo reabsorbido o secretado en los túbulos renales?
4. El conjunto de un glomérulo y la cápsula de Bowman que lo rodea se denomina ———— ————.
1. Describe la vía del flujo de filtrado desde el corpúsculo renal hasta la eliminación del organismo.
2. En muchos tipos de enfermedades renales, las proteínas pueden gotear a través de la pared glomerular, aumentando la presión osmótica coloide de la cápsula de Bowman y disminuyendo la presión osmótica coloide del plasma. Calcula la presión de la filtración glomerular con la siguiente información de un paciente en insuficiencia renal aguda: presión hidrostática glomerular = 60 mmHg; presión hidrostática de la cápsula de Bowman = 20 mmHg; presión osmótica glomerular = 23 mmHg, y presión osmótica de la cápsula de Bowman = 3 mmHg. La filtración a través de los riñones, ¿es mayor o menor de lo normal? La velocidad de flujo de orina ¿aumenta o disminuye?
5. La presión hidrostática de los capilares glomerulares es (mayor/menor) que en la mayoría de capilares del organismo.
2. Explica por qué la filtración glomerular no cambia con un descenso moderado de la presión arterial media.
3. Compara las respuestas al estiramiento del músculo liso de las arteriolas aferentes y las de los músculos detrusores.
Preguntas objetivas 1. (El uréter/La uretra) lleva la orina desde la vejiga al exterior del organismo.
12. Las sustancias que se reabsorben se mueven a (los capilares peritubulares/la luz tubular). 13. Un aumento de la velocidad de flujo a través de la mácula densa provoca que la filtración glomerular (aumente/disminuya).
2. La excreción urinaria es la eliminación de la orina de la vejiga. (verdadero/falso)
14. La reabsorción de glucosa tiene lugar principalmente en el (túbulo proximal/ túbulo distal).
3. La arteriola (aferente/eferente) lleva la sangre hacia el glomérulo.
Preguntas abiertas
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
19
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico Todos tenemos hábitos alimenticios diferentes. Por ejemplo, hay personas que necesitan un gran vaso de agua por la mañana para calmar su sed, mientras que otras necesitan un par de tazas de café para ponerse en marcha. El resultado inmediato es el mismo, la excreción de un gran volumen de agua en la orina, pero las consecuencias varían. Cuando bebes gran cantidad de agua, no pasa mucho tiempo hasta que tu cuerpo elimina el exceso de agua consumida para mantener un volumen del plasma y una osmolaridad normales. Del mismo modo, cuando ingieres algo salado, como patatas fritas, tu cuerpo retiene líquido y sientes sed. Estas sensaciones son parte del sistema de retroalimentación negativa para mantener la composición líquida y electrolítica del plasma en un nivel normal. Sin embargo, la cafeína es un estimulante que altera la homeostasis del organismo, haciendo que tu cuerpo elimine agua de forma inapropiada. Por último, beber cafeína hace que tengas sed para sustituir la pérdida de agua al poco de consumir café. En este capítulo, conocerás el mecanismo del desplazamiento del agua y de los solutos hacia y desde los túbulos renales, y la regulación hormonal de estos movimientos. También aprenderás por qué la cafeína provoca un aumento de la excreción de agua, incluso si el volumen de plasma y la osmolaridad son normales.
CONTENIDOS Concepto de equilibrio Equilibrio hídrico Microfotografía electrónica en color de un túbulo renal.
535
537
Equilibrio de sodio Equilibrio de potasio
546 550
Equilibrio de calcio 551 Interacciones entre líquidos y regulación electrolítica Equilibrio ácido-base
556
554
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OBJETIVOS
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
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igual a la suma de lo que usa y desecha el organismo, como se muestra en la siguiente ecuación: Entrada + producción = uso + salida
Explicar el concepto de equilibrio.
Describir las diferentes fuentes de salida y entrada de agua al organismo.
Explicar el control del equilibrio hídrico y la osmolaridad que ejerce la hormona antidiurética.
Describir cómo la aldosterona y el péptido natriurético auricular regulan el nivel de sodio del plasma. Incluir una explicación de los estímulos que liberan estas hormonas.
Factores que afectan a la composición plasmática
Describir el principal mecanismo por el que el equilibrio de agua y sodio influye en la presión arterial media.
Explicar la función de la aldosterona en el equilibrio de potasio.
Describir los principales sistemas hormonales que regulan el equilibrio del calcio.
Describir varios factores que influyen en el equilibrio ácido-base.
Explicar cómo compensan las alteraciones ácido-base las acciones del aparato respiratorio, los amortiguadores de la sangre y los riñones.
Los riñones ejercen un control sobre el volumen y la composición del plasma, regulando el contenido de solutos y agua. El volumen y la composición son interdependientes y deben mantenerse en unos niveles muy limitados. El volumen plasmático está determinado casi en su mayoría por el contenido en agua, ya que los solutos solo contribuyen de forma insignificante al volumen. Sin embargo, la cantidad de solutos en el plasma afecta de forma indirecta al volumen, ya que las modificaciones en la osmolaridad plasmática (la concentración de solutos) pueden hacer que el agua cambie entre el plasma y otros compartimentos hídricos del organismo. El volumen de plasma tiene una influencia importante en la homeostasis del organismo, porque afecta a la presión arterial media (PAM). Como veremos más adelante, la PAM está regulada a largo plazo por los cambios en el volumen del plasma. El contenido hídrico y de solutos del plasma viene determinado tanto por la entrada y salida de sustancias desde el organismo, como por el movimiento de sustancias entre las diferentes partes del cuerpo. La figura 19.1 muestra las vías del movimiento de agua y solutos tan pequeños que son capaces de atravesar las paredes capilares y las membranas celulares, de forma que entran y salen libremente del plasma. Los compartimentos del plasma y el líquido intersticial están combinados en este diagrama para enfatizar su similitud en composición, la cual se debe al libre intercambio de agua y pequeños solutos entre ambos. Como muestra la figura 19.1, el plasma puede ganar o perder sustancias por medio del intercambio con las células o con el tejido conjuntivo extracelular, como, por ejemplo, la matriz ósea. Por ejemplo, cuando el hueso se reabsorbe, el calcio y los fosfatos se liberan al plasma. Su liberación aumenta las concentraciones de estas sustancias; en cambio, el depósito de calcio y fosfatos en el hueso baja sus concentraciones en el plasma. La figura 19.1 muestra otras tres rutas por las que el plasma y el medio externo pueden intercambiar sustancias: el plasma puede: 1) ganar o perder sustancias por intercambio con la luz del tubo digestivo; 2) ganar o perder sustancias por intercambio con la luz del los túbulos renales, o 3) perder sustancias a través del sudor, la hemorragia o la respiración. (Sin embargo, el plasma normalmente gana oxígeno en la respiración.) Los solutos y el agua se absorben en el plasma desde el tubo digestivo y también se mueven del plasma a la luz digestiva en forma de saliva, bilis, jugo pancreático y otras secreciones digestivas. En condiciones normales, la capacidad absortiva del tubo digestivo es suficiente para recuperar prácticamente el 100% de todas las sustancias secretadas, así como aquellas que entran en el tubo mediante la ingesta. La velocidad a la que se pierden solutos y agua por eliminación desde el tubo digestivo es muy baja en comparación con la velocidad a la que se pierden estas sustancias a través de la excreción de orina de los riñones. Por
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Transporte a través de los epitelios, pág. 118 2. Osmolaridad y osmosis, pág. 112 3. Movimiento de los iones a través de las membranas celulares, pág. 108 4. Neurohipófisis y ADH, pág. 150 5. Corteza suprarrenal y aldosterona, pág. 155
E
n el capítulo 14 aprendimos los aspectos relacionados con la presión arterial y su regulación gracias al control neural del gasto cardíaco y a la resistencia periférica total; también estudiamos lo referente al control hormonal y al volumen sanguíneo. En el capítulo 15 expusimos lo relacionado con la sangre en sí, incluyendo la composición del plasma. El mantenimiento de una composición y volumen del plasma normales es un elemento principal de la homeostasis. En el capítulo 18 describimos los procesos por los que los riñones filtran la sangre y modifican la composición de la orina a través de la reabsorción y la secreción. En este capítulo veremos cómo se regulan los procesos de reabsorción y secreción a través de los túbulos renales gracias al sistema endocrino para mantener el volumen y la composición del plasma a un nivel normal. Después, correlacionaremos este control con la regulación a largo plazo de la presión arterial. Por último, abordaremos el tema del equilibrio ácido-base, que ya se introdujo en el capítulo 17, analizando cómo los aparatos renal y respiratorio trabajan juntos para mantener un pH sanguíneo normal.
Concepto de equilibrio Para mantener la homeostasis, el cuerpo humano debe permanecer en equilibrio. En este contexto, estar en equilibrio significa que lo que entra al cuerpo y lo que produce el cuerpo debe ser
Los riñones desempeñan una función primordial en la regulación de los líquidos, el equilibrio electrolítico y el equilibrio ácido-base.
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
Ingesta
Células
Tejido conjuntivo extracelular (incluyendo hueso)
Absorción
Filtración Plasma y líquido intersticial (líquido extracelular)
Luz del tubo digestivo Secreción
Excreción
(Mínima)
Heces
Luz de los túbulos renales
Secreción Reabsorción
Otras pérdidas
Excreción
Sudoración, hemorragia, respiración
Orina
FIGURA 19.1 Intercambio de sustancias que afectan al contenido del plasma. Las sustancias (agua y solutos) entran en el organismo por la ingesta al tubo digestivo. Una vez en el cuerpo, las sustancias se intercambian a lo largo del tubo digestivo, el plasma (y el líquido intersticial), las células del organismo, el tejido conjuntivo y los túbulos renales. Las zonas marcadas representan intercambios entre el plasma y los túbulos renales.
consiguiente, el transporte de sustancias a través de la pared del tubo digestivo normalmente equivale a la ganancia neta del organismo de solutos y agua. Los pequeños solutos y el agua se mueven desde el plasma hasta la luz de los túbulos renales a través de la filtración glomerular y la secreción. Los solutos y el agua vuelven al plasma desde los túbulos renales por la reabsorción. Dado que no todas estas sustancias se reabsorben, el transporte de sustancias a través de las paredes de los túbulos renales equivale a la pérdida neta de agua y solutos del organismo. Estas sustancias perdidas se excretan en la orina.
Equilibrio de solutos y agua Cuando los solutos y el agua entran y salen del plasma al mismo ritmo, el volumen y la composición del plasma no cambian, y se dice que el organismo está en equilibrio. Los cambios en el volumen o composición ocurren cuando las sustancias entran al plasma más rápido de lo que salen, o viceversa (fig. 19.2). Cuando una sustancia entra en el organismo más rápido de lo que sale, se dice que la sustancia está en un estado de equilibrio positivo; en este estado, la cantidad de esa sustancia en el plasma tiende a incrementarse a menos que la sustancia entre en las células o el organismo la metabolice. Si una sustancia abandona el organismo más rápido de lo que entra, la sustancia está en un estado de equilibrio negativo; en este caso, la cantidad de dicha sustancia en el plasma tiende a disminuir. Hay ciertas sustancias cuya concentración plasmática está controlada por mecanismos de regulación específicos y puede darse un estado de equilibrio negativo o positivo sin apenas cambios en la concentración plasmática. Por ejemplo, cuando ingieres glucosa, tu organismo entra en un estado de equilibrio glucolítico positivo. La absorción de glucosa en la luz del tubo digestivo provoca un aumento del nivel plasmático de glucosa, pero este estado es transitorio, porque desencadena la secreción de insulina y otros cambios hormonales. La insulina hace que
aumente la captación celular de glucosa, que, junto con otras respuestas hormonales, disminuye rápidamente la concentración de glucosa en sangre, restableciéndola finalmente a su nivel normal. Cuando la glucosa entra en la célula, se cataboliza en energía o se convierte en glucógeno o grasas para su almacenamiento. En el capítulo 18 vimos que los riñones filtran 180 l de plasma al día. Aproximadamente el 70% del agua filtrada y el sodio se reabsorben en el túbulo proximal en ausencia de cualquier regulación. No obstante, el organismo puede regular el resto de agua y sodio filtrados para variar la cantidad que expulsa o retiene en función de las necesidades del organismo para seguir en equilibrio. Los riñones también intervienen en la regulación del nivel de potasio y del nivel de calcio en la sangre y del equilibrio ácido-
Aportes
Pérdidas
Aportes Pérdidas Pérdidas
Aportes
Aumento
Sin cambio Disminución Equilibrio
Equilibrio positivo
Equilibrio negativo
FIGURA 19.2 Concepto de equilibrio. Una sustancia está en equilibrio en el organismo cuando los aportes equivalen a las pérdidas. El equilibrio es positivo cuando los aportes superan a las pérdidas, causando un aumento neto de la cantidad de la sustancia. El equilibrio es negativo cuando las pérdidas superan a los aportes, causando una disminución neta de la cantidad de esa sustancia.
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base. La regulación de la secreción renal ocurre principalmente al final del túbulo distal y el conducto colector. Estos túbulos están revestidos por dos tipos de células epiteliales: las células principales y las células intercaladas. El equilibrio de agua y electrólitos está regulado por acciones hormonales en las células principales, mientras que el equilibrio ácido-base está regulado mediante procesos que ocurren dentro de las células intercaladas.
Equilibrio hídrico Para que el organismo esté en equilibrio hídrico, la ingesta de agua, más cualquier tipo de agua producida de forma metabólica, debe ser equivalente al agua excretada, más cualquier agua utilizada en las reacciones químicas (fig. 19.3). Casi toda el agua entra en el organismo por el tubo digestivo en los alimentos y bebidas que consumimos, pero una pequeña cantidad se produce por el metabolismo celular (por ejemplo, durante la fosforilación oxidativa o las reacciones de condensación). El agua abandona el organismo de diferentes formas, incluyendo la pérdida imperceptible durante la respiración o a través de la piel durante la sudoración, así como la eliminación de heces o la excreción de orina. No obstante, solo los riñones regulan la proporción de agua a perder con el propósito de mantener el equilibrio hídrico. La importancia del equilibrio hídrico se hace evidente cuando consideramos lo que ocurre durante el ejercicio físico (v. «Comprender el ejercicio: Sudoración, rehidratación y equilibrio hídrico»). Cuando una persona bebe durante un período determinado una cantidad de agua que excede la cantidad de pérdida hídrica, se dice que su organismo está en un equilibrio hídrico positivo. El volumen de plasma aumentará por encima de lo normal, estado conocido como hipervolemia. Si, al contrario, la cantidad de pérdida hídrica supera la cantidad ganada en un período determinado, el organismo se encuentra en equilibrio hídrico negativo. El volumen de plasma descenderá por debajo de lo normal, estado conocido como hipovolemia. El
Absorción
Secreción
Excreción 0,1 l/día
Heces
Osmolaridad y movimiento del agua Los riñones varían el volumen de agua excretada mediante la regulación de la reabsorción hídrica al final de los túbulos distales y en los conductos colectores. Las fuerzas que actúan en el agua a través de estos túbulos son gradientes osmóticos entre el líquido tubular y el líquido peritubular. Aun así, el agua solo puede moverse si las membranas del túbulo son permeables al agua. En esta sección se describe el mecanismo responsable del establecimiento de los gradientes osmóticos y la regulación de la permeabilidad hídrica y, por tanto, de la reabsorción hídrica. En condiciones normales, la concentración total de solutos en el plasma es de unos 300 mOsm (300 miliosmoles de soluto por litro de plasma); esta también es la osmolaridad normal del líquido intersticial y del líquido intracelular. Como la osmolaridad es la misma tanto en el líquido extracelular (líquido intersticial y plasma) como en el líquido intracelular, la presión osmótica también es la misma, y no existe fuerza neta sobre el agua para que abandone o entre en la célula. En estas condiciones, el volumen de las células no cambia, y se dice que el líquido intracelular y el extracelular están en equilibrio osmótico.
Entrada hídrica = 2,2 l/día + 0,3 l/día = 2,5 l/día
Filtración Agua total en el organismo 42 l/día
537
estado del volumen sanguíneo normal se conoce como normovolemia. El control de la excreción de agua por la orina es primordial en la regulación del volumen plasmático y de la osmolaridad. El volumen plasmático está directamente relacionado con la presión arterial: el aumento del volumen plasmático incrementa la PAM, mientras que un descenso disminuye la PAM. El volumen plasmático también afecta a la osmolaridad: un aumento del agua del plasma sin incremento de solutos disminuye la osmolaridad, y una disminución del agua del plasma sin que los solutos disminuyan incrementa la osmolaridad. Los cambios en la osmolaridad plasmática afectan al movimiento del agua entre los compartimentos de líquido, en especial entre el líquido intracelular y el líquido extracelular. En cambio, el movimiento del agua puede causar cambios en el volumen de las células de todo el organismo, afectando a su funcionamiento.
Metabolismo celular 0,3 l/día
Ingesta 2,2 l/día
Tubo digestivo
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
Secreción
Túbulos renales
Reabsorción
Otras pérdidas 0,9 l/día
Pérdida imperceptible, sudoración
FIGURA 19.3 Factores que afectan al equilibrio hídrico. Los aportes de agua al organismo incluyen la absorción a lo largo del tubo digestivo y la producción por medio del metabolismo celular, que, en conjunto, suman un total de unos 2,5 l/día. Las pérdidas de agua del organismo incluyen la excreción en la orina y heces, y la pérdida con el sudor y la respiración, que alcanzan unos 2,5 l/día. En estas circunstancias, el organismo está en equilibrio hídrico.
Excreción 1,5 l/día
Orina
Salida hídrica = 0,1 l/día + 0,9 l/día + 1,5 l/día = 2,5 l/día
538
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
COMPRENDER EL E JERCICIO
Sudoración, rehidratación y equilibrio hídrico El ejercicio físico requiere de catabolismo para generar la energía necesaria para la contracción muscular. Recuerda que el catabolismo energético genera calor. Cuando el cuerpo está en reposo, mucho de ese calor generado por el catabolismo se utiliza para mantener la temperatura corporal. Sin embargo, el exceso de calor generado durante el ejercicio físico debe disiparse. Hay muchos mecanismos para expulsar el calor hacia el exterior, como la radiación, la conducción, la convección y la evaporación. La radiación es la transferencia de calor en forma de ondas electromagnéticas desde un objeto caliente a otro objeto frío, como la transferencia de calor hacia tu cuerpo cuando permaneces cerca de una chimenea o estufa. La conducción es la transferencia de calor por el contacto directo entre dos objetos, como el que se siente cuando se toca un metal frío y el calor abandona la mano para pasar al metal. La convección es el movimiento de calor en corrientes, bien por agua o aire. El organismo genera una «manta» de aire caliente a su alrededor. Cuando utilizas un ventilador o un abanico, desplazas ese aire caliente, refrescando así tu cuerpo. Por el contrario, en un día frío, la «manta» de aire cálido ayuda a mantener la temperatura corporal. Si el viento desplaza
ese aire, sientes más frío, efecto que se conoce como factor de congelación del viento. Otro mecanismo empleado es el intercambio de calor a través de la evaporación. Cuando se suda, el calor no se pierde en el proceso de sudoración, sino, más bien, a través de la evaporación del sudor de tu cuerpo. En días húmedos, la evaporación de sudor desciende, porque el contenido hídrico del aire es alto y, por tanto, la capacidad de disipar calor a través del sudor y la evaporación se ve disminuida. Las glándulas sudoríparas, que se encuentran por toda la piel, son las que producen el sudor. Estas glándulas producen una secreción primaria que contiene mucha agua, sodio y cloruro (algunas glándulas sudoríparas, llamadas glándulas apocrinas, también producen un sudor que contiene ácidos grasos y proteínas). Cuando la actividad del organismo es baja, la mayoría del sodio y el cloruro secretado por las glándulas sudoríparas salen realmente del cuerpo en el sudor. Cuando el organismo está muy activo, la pérdida de sodio y cloruro es considerable, de forma que se necesita su recuperación. La sudoración puede suponer la pérdida de agua y electrólitos, y la ingesta de líquido y los riñones son importantes para el mantenimiento del equilibrio necesario. Los expertos
Si una persona, cuyo volumen plasmático y osmolaridad son normales, bebe una cantidad notable de agua pura, el volumen del plasma aumentará y la concentración de solutos en el plasma decrecerá. La absorción de agua hacia el plasma hará que la osmolaridad del plasma disminuya más de lo normal. A menos que se corrija, esta disminución de la osmolaridad hará que las células se hinchen, porque el agua fluirá de forma espontánea desde el líquido extracelular, donde la osmolaridad es más baja (y la concentración de agua mayor), hacia el líquido intracelular, donde la osmolaridad es mayor (y la concentración de agua menor). Dicha hinchazón puede tener efectos perjudiciales en el funcionamiento de las células por todo el cuerpo, pero las células del encéfalo son especialmente sensibles. El edema de las células encefálicas puede alterar el funcionamiento neurológico, provocando dolor de cabeza, náuseas, confusión, convulsiones o coma. No solemos preocuparnos de los posibles efectos adversos de la ingesta excesiva de agua, porque cuando esto
recomiendan que los atletas se hidraten antes de empezar el ejercicio intenso y se rehidraten con frecuencia durante el ejercicio para evitar la deshidratación, así recuperan el agua y los electrólitos que pierden. La contribución de los hidratos de carbono en estas bebidas sirve más para mejorar el sabor que para proporcionar la energía necesaria. Cuando una persona no se rehidrata suficientemente durante el deporte, se deshidrata. Aunque se pierde sal en el sudor junto con el agua, el sudor es hiposmótico respecto de los líquidos del organismo y, en consecuencia, se pierde más agua que sal. A medida que el organismo se deshidrata, la osmolaridad de los líquidos corporales aumenta, estimulando la liberación de ADH, que, a cambio, aumenta la reabsorción hídrica en los riñones, minimizando la pérdida de líquido. Normalmente, una persona se sobrehidrata tras el ejercicio, lo que provoca un descenso de la osmolaridad de los líquidos corporales, inhibiendo la liberación de ADH y, por tanto, aumentando la eliminación de agua en la orina. La hiposmolaridad de los líquidos corporales puede hacer que las neuronas y la neuroglia del cerebro se hinchen, ejerciendo presión en el tejido encefálico en el espacio fijado en el cráneo. La tumefacción de las células encefálicas suele causar dolor de cabeza.
ocurre, los riñones aumentan el ritmo al que expulsan agua, lo que restablece rápidamente la osmolaridad del plasma a un nivel normal. Los riñones podrían expulsar perfectamente un volumen de agua pura igual al volumen de agua bebida, pero no pueden eliminar agua pura, así que, en su lugar, excretan un gran volumen de orina con una osmolaridad baja. Ahora supongamos que una persona cuyo volumen plasmático y osmolaridad son normales come una gran cantidad de galletitas saladas sin beber nada de agua. En este caso, el volumen plasmático no cambiará, pero la sal se absorberá en el plasma, elevando su osmolaridad. Si no se rectifica, el aumento de la osmolaridad plasmática hará que las células se encojan, porque la osmolaridad del líquido extracelular excede la osmolaridad del líquido intracelular. Esta situación induce muchos problemas neurológicos similares al edema celular. Para evitar esta posibilidad, los riñones eliminan el exceso de solutos que se ingieren, mientras que minimiza la pérdida hídrica, eliminando
C A P Í T U LO 1 9
un pequeño volumen de agua. Los riñones podrían eliminar perfectamente solo solutos, pero no es posible, así que cuando no se ingiere agua, los riñones excretan un pequeño volumen de orina muy concentrada. En estos ejemplos, los riñones compensan los cambios en el volumen plasmático y la osmolaridad, ajustando el ritmo de excreción de agua. Como el agua se reabsorbe pero no se secreta, estos ajustes se logran por medio de cambios en la velocidad de reabsorción del agua. En los túbulos renales, la reabsorción del agua es pasiva y está emparejada con la reabsorción activa de los solutos. El transporte de solutos genera un gradiente osmótico a través del epitelio tubular. El mecanismo exacto responsable de la creación del gradiente osmótico varía en los diferentes segmentos del túbulo renal. En las siguientes secciones veremos que, en los túbulos distales y proximales, la reabsorción de soluto aumenta la osmolaridad del líquido peritubular (lo que lleva a la reabsorción de agua por osmosis), y que, en los conductos colectores, el gradiente osmótico medular lleva a la reabsorción del agua.
539
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico Líquido peritubular
Membrana apical
Célula epitelial del túbulo
Membrana basolateral
Líquido tubular
Célula endotelial capilar Plasma
X
X
1
X
Na+ K+
Na+
Y
Y
Na+ Y
2
H 2O Urea
3
H 2O Urea
Pasos para la reabsorción de agua y urea:
Reabsorción de agua en el túbulo proximal Como el principal soluto del líquido extracelular es el sodio y la mayor parte del sodio filtrado se reabsorbe en el túbulo proximal, el sodio es el principal soluto responsable de la producción del gradiente osmótico que conduce a la reabsorción hídrica. Aunque el mecanismo exacto varía en los diferentes segmentos de los túbulos renales, la reabsorción de sodio siempre supone el transporte activo de sodio a través de la membrana basolateral desde la célula epitelial del túbulo renal hacia el líquido peritubular, donde se puede difundir al plasma de los capilares peritubulares (fig. 19.4). El sodio cruza la membrana apical por medio de distintos mecanismos, como el transporte activo secundario durante el que el movimiento de sodio está asociado con el movimiento de otra molécula (por ejemplo, glucosa). El agua se reabsorbe por ósmosis, como se ilustra en la figura 19.5. La reabsorción activa de sodio y otros solutos en el túbulo proximal crea un gradiente osmótico y, por tanto, el agua
Líquido peritubular Membrana apical
Célula epitelial Membrana del túbulo renal basolateral
Líquido tubular
Na+ Glucosa
1
Los solutos (Na+, X, Y) se absorben de forma activa, aumentando la osmolaridad del líquido peritubular y del plasma.
2
El agua se reabsorbe por ósmosis.
3
La urea (solutos filtrados) se reabsorbe de forma pasiva.
FIGURA 19.5 Mecanismo de reabsorción hídrica. Cuando los solutos, como los iones de sodio o la molécula X, se reabsorben de forma activa, la osmolaridad del líquido peritubular y del plasma aumenta, de forma que el agua se mueve desde la luz de los túbulos renales al líquido peritubular y luego al plasma por ósmosis. Los solutos filtrados siguen a la reabsorción de agua.
sigue a los solutos. De esta forma, el líquido en el túbulo proximal es isoosmótico con el líquido intersticial de la corteza renal, y ambos líquidos se encuentran a 300 mOsm. Dado que la reabsorción del agua crea un gradiente de concentración para filtrar solutos como la urea y que se muevan del líquido tubular hacia el plasma en los capilares peritubulares, el movimiento de los solutos permeables sigue a la reabsorción del agua.
Célula endotelial capilar Plasma
Na+
Na+ K+
Establecimiento del gradiente osmótico medular Dentro del líquido intersticial de la médula renal está el gradiente osmótico medular; las zonas externas de la médula tienen una osmolaridad más baja que las regiones internas (fig. 19.6). La osmolaridad varía desde los 300 mOsm en el borde de la médula hasta unos 1.200-1.400 mOsm en la parte más interna de la médula, cerca de la pelvis renal. Este gradiente, que es necesario para la reabsorción hídrica a partir del conducto colector, existe gracias a un mecanismo conocido como multiplicador de contracorriente y a la difusión facilitada de la urea desde la luz del conducto colector hasta el líquido intersticial medular.
FIGURA 19.4 Mecanismo de reabsorción de sodio en el túbulo proximal. El sodio se transporta de forma activa a través de la membrana basolateral hacia el líquido peritubular por la bomba Na+/K+. El sodio se mueve desde el líquido tubular hasta la célula epitelial a través de los canales de sodio o por medio del cotransporte con otra molécula, como la glucosa.
Multiplicador de contracorriente Las propiedades de las diferentes partes de las asas de Henle de las nefronas yuxtaglomerulares son vitales para el multiplicador
540
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico Dirección del flujo del líquido
Túbulo proximal
Túbulo distal
Conducto colector
Líquido tubular Líquido peritubular
300 300
Corteza Médula
400 500 600 700 Gradiente osmótico medular (mOsm)
K+ Na+ Cl–
Agua
Urea
800 900 1000 1.100
Rama ascendente gruesa – Impermeable al agua – Cotransporte de Na+/ K+/ Cl–
Rama descendente – Permeable al agua – No hay transporte de Na+, K+, Cl–
1.200 1.300 1.400 Asa de Henle
Pelvis renal
FIGURA 19.6 Gradiente osmótico medular. La rama descendente del asa de Henle es permeable, mientras que la rama ascendente gruesa es permeable al agua y contiene transportadores de Na+, K+ y Cl– . De esta forma, las diferencias en el transporte de sustancias establecen un gradiente osmótico en el líquido intersticial medular. La osmolaridad del líquido intersticial medular es de 300 mOsm cerca de la corteza, y aumenta de forma continua hasta un máximo de unos 1.400 mOsm cerca de la pelvis renal.
P ¿Cuál de los dos tipos de nefronas se representa en esta figura? de contracorriente y el establecimiento del gradiente osmótico en la médula renal. La rama descendente es permeable al agua, así que el agua difunde cuando hay un gradiente osmótico. Por el contrario, la rama ascendente gruesa es impermeable al agua y tiene transportadores activos de sodio/potasio/cloruro de los que carece la rama descendente. Estos transportadores bombean los tres tipos de iones al líquido intersticial y, por tanto, su osmolaridad aumenta. El término contracorriente se refiere al hecho de que el líquido que fluye a través de las ramas ascendentes y descendentes, paralelas entre sí, se mueve en direcciones opuestas (v. fig. 19.6). La figura 19.7 muestra cómo el multiplicador de contracorriente crea el gradiente osmótico medular. ➀ La figura comienza en ausencia de gradiente osmótico a lo largo de los túbulos o dentro del líquido intersticial medular. El líquido que entra en la rama descendente desde el túbulo proximal es isoosmótico con el líquido intersticial, a 300 mOsm. El líquido en el túbulo proximal es isoosmótico, porque el agua cruza libremente la pared del túbulo y, por tanto, se reabsorbe junto con los solutos. A medida que el líquido baja por la rama descendente, no se produce movimiento neto de agua a través de la pared tubular, porque no hay gradiente osmótico. Según empieza a subir el líquido por la rama ascendente del asa de Henle, el sodio, el cloruro y el potasio se transportan de forma activa desde el túbulo al líquido intersticial medular, ➁ aumentando la osmolaridad del líquido intersticial de 300 mOsm a
400 mOsm y bajando la osmolaridad del líquido en la rama ascendente a 200 mOsm. Cuando la osmolaridad del líquido peritubular aumenta, el agua sale de la rama descendente y entra al líquido peritubular hasta que ➂ los dos son isoosmóticos de nuevo a 400 mOsm. Esto genera una diferencia de osmolaridad entre el líquido de la rama descendente y ascendente, con esta última a una osmolaridad más baja (200 mOsm frente a 400 mOsm). ➃ A medida que más líquido a 300 mOsm entra en el asa de Henle desde el túbulo proximal, este líquido empuja el líquido hacia delante a través del túbulo, llevando el líquido con la mayor osmolaridad a mayor profundidad en el interior de la médula. ➄ El transporte activo de sodio, cloruro y potasio en la rama ascendente eleva la osmolaridad del líquido intersticial medular más profundo de 400 mOsm a 500 mOsm, lo que hace que el agua se mueva al líquido intersticial medular desde la rama descendente. ➅ La rama descendente ahora está isoosmótica con el líquido intersticial medular. Entra más líquido a 300 mOsm en el asa de Henle desde el túbulo proximal, empujando el líquido de mayor osmolaridad hacia el final del asa de Henle. ➆ El proceso continúa hasta que se genera el gradiente osmótico medular y el sistema se mantiene constante. En un estado estacionario, el líquido que entra en el asa de Henle desde el túbulo proximal es isoosmótico con el líquido extracelular, a 300 mOsm; sin embargo, la osmolaridad del líquido tubular entre ambas ramas del asa de Henle es mayor
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
C A P Í T U LO 1 9 Líquido peritubular
1
2
3
541
4
Líquido tubular
Líquido 300
300
300
300
300
300
300
300
300
300
300
300
Corteza Médula
300
300 Na+ Cl– 300
300
Gradiente no osmótico (mOsm)
K 300
300
300
300
300
400
300
300
El transporte activo de iones de Na+, K+ y Cl– al líquido intersticial medular aumenta la osmolaridad
400
300
200
400
200
400
200
300
350
200
400
200
400
200
400 400 200
El agua sale de la rama descendente por ósmosis
Estado isoosmótico en la rama descendente; la diferencia osmótica entre las ramas ascendentes y descendentes
150
300
200
200
400
350
400
400
400 400 400
Entra más líquido en el túbulo, empujando el líquido mediante un flujo en masa
El transporte activo de iones de Na+, K+ y Cl– al líquido intersticial medular aumenta la osmolaridad
7
300
350
400 Na+ Cl– 400 K+
6
300
300
400
300 400 200
5 300
400
H 2O
+
300
200
H2O
300 300 300
El líquido entra en el túbulo
400
300
200
300
150
100
300
300
100
H 2O 300
350
150
350
350
150
500
300
Gradiente osmótico establecido (mOsm)
H2O 400
500 300 H2O
400 500 300
500
500
500
300
900
900
700
1.200 1.200 1.100 1.400
500 500 300
1.400
El agua sale de la rama descendente por ósmosis
Estado isoosmótico en la rama descendente; diferencia osmótica entre las ramas ascendente y descendente
FIGURA 19.7 El multiplicador de contracorriente establece el gradiente osmótico medular. ➀ Al principio, todos los líquidos están isoosmóticos a 300 mOsm. El transporte activo de solutos (Na+, K+, Cl–) desde la rama ascendente del asa de Henle al líquido intersticial medular aumenta la osmolaridad del líquido intersticial y disminuye la osmolaridad del líquido tubular de la rama ascendente. ➁ El aumento de osmolaridad del líquido intersticial medular drena agua desde la luz de la rama descendente del asa de Henle al líquido intersticial, ➂ aumentando la osmolaridad del líquido
en la parte más profunda de la médula renal. Al final del asa de Henle, la osmolaridad del líquido tubular es de unos 1.400 mOsm. Cabe destacar que, a cualquier nivel dado en la médula, la osmolaridad del líquido en la rama ascendente siempre es menor que la osmolaridad del líquido en la rama descendente, porque la rama ascendente transporta de forma activa solutos fuera del líquido tubular, pero evita que el agua los siga. A medida que el líquido tubular sale del asa de Henle y entra en el túbulo distal, es hiposmótica respecto al líquido extracelular a unos 100-200 mOsm.
Entra más agua en el túbulo y el proceso continúa
El sistema está en fase estacionaria
tubular en la rama descendente. ➃ Entra más líquido tubular en el asa de Henle, empujando el líquido más lejos en los túbulos renales. El proceso del transporte de solutos desde la rama ascendente ➄, seguido del movimiento de agua desde la rama descendente ➅, que aumenta la osmolaridad hídrica tubular en la rama descendente, seguido de más entrada de líquido tubular en el asa de Henle, se repite hasta ➆ que se establece el gradiente osmótico medular.
Función de la urea en el gradiente osmótico medular El multiplicador de contracorriente establece el gradiente osmótico, pero se necesitan solutos adicionales para mantener el gradiente. Ese soluto adicional es la urea, un producto de desecho que se genera durante el catabolismo de proteínas. Aunque la urea cruza libremente la mayoría de membranas y, por tanto, tiende a distribuirse en concentraciones equitativas entre ellas, en el conducto colector se transporta de forma activa fuera de los túbulos al líquido peritubular, donde contribuye en un 40% a la osmolaridad del gradiente osmótico medular (v. fig. 19.6).
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
Función los vasos rectos en la prevención de la disipación del gradiente osmótico medular A medida que la sangre fluye a la médula renal para abastecerla con nutrientes y oxígeno, el agua tiende a difundir fuera de los capilares, y los solutos tienden a difundir hacia su interior. Sin embargo, la configuración anatómica de los capilares de los vasos rectos, que acompañan a las asas de Henle a medida que se adentran en la médula y vuelven a la corteza (v. fig. 18.6b), evita que la difusión de agua y solutos disipe el gradiente osmótico medular (fig. 19.8). A medida que los capilares de los vasos rectos entran en la médula renal, el plasma tiene una osmolaridad de 300 mOsm. Cuando los capilares entran en zonas de la médula con una osmolaridad mayor, el agua abandona los capilares por ósmosis, y los solutos entran en el plasma por difusión. Este proceso, que tendería a reducir la osmolaridad del líquido intersticial si no se controlara, continúa hasta el final de los vasos rectos debido al incremento de osmolaridad del líquido intersticial medular. No obstante, a medida que la sangre fluye de vuelta hacia la corteza, la dirección del gradiente osmótico a través de las paredes capilares se invierte de sentido, así que el agua se mueve al plasma y los solutos al líquido intersticial. Este movimiento suele aumentar la osmolaridad del líquido intersticial. En consecuencia, la osmolaridad del líquido intersticial permanece relativamente constante, y la osmolaridad del plasma que sale de la médula renal en los capilares de los vasos rectos solo es ligeramente hiperosmótica (325 mOsm) en relación con la del plasma que entra en la médula renal.
Líquido peritubular Flujo sanguíneo
Vasos rectos 300
325 300
Flujo sanguíneo
Corteza Médula
300
300 375
575 Gradiente osmótico en los vasos rectos (mOsm)
400
600
775
800
975
1.000
1.175 1.200
425
625
825
400
600
800
1.025 1.000
1.225
1.200
1.375 1.375
1.400
Movimiento del agua Flujo de soluto
FIGURA 19.8 Cómo evitan los vasos rectos la disipación del gradiente osmótico medular. A medida que los capilares de los vasos rectos acompañan a las asas de Henle a través de la médula, las pérdidas de agua del plasma y las ganancias de soluto en el camino hacia la médula se contrarrestan con las ganancias de agua del plasma y las pérdidas de soluto en su camino fuera de la médula.
Función del gradiente osmótico medular en la reabsorción de agua en el túbulo distal y el conducto colector Recuerda que el 70% de agua que se filtra del plasma en el corpúsculo renal se reabsorbe en el túbulo proximal. Alrededor del 20% del agua filtrada se reabsorbe en el túbulo distal y la mayoría del 10% restante se reabsorbe en los conductos colectores. En la parte inicial del túbulo distal, el líquido luminal (100-200 mOsm) es hiposmótico en relación con el líquido peritubular (300 mOsm). Según baja el líquido por el conducto colector, la osmolaridad hídrica luminal siempre es menor que la osmolaridad cada vez más alta del líquido intersticial medular, lo que aumenta la fuerza osmótica para que el agua pase desde el túbulo renal al líquido intersticial a medida que el líquido tubular baja por el conducto colector hacia la pelvis renal. De esta forma, cuando el agua puede traspasar la pared del conducto colector, el agua se reabsorbe.
Acuaporinas y permeabilidad hídrica Las células epiteliales que revisten el final del túbulo distal y el conducto colector están conectadas por uniones fuertes, de forma que el agua no puede pasar entre las células desde el líquido peritubular al líquido tubular o viceversa. Además, las bicapas lipídicas de las membranas plasmáticas de estas células no son permeables al agua. La capacidad del agua de cruzar la membrana plasmática (y, por tanto, la capa epitelial) depende de la presencia de canales de agua o poros, llamados acuaporinas, en la membrana plasmática de las células principales. La acuaporina 3 está presente en la membrana basolateral de las células principales en todo momento, mientras que la acuaporina 2 está presente en la membrana apical solo en presencia de la hormona ADH (que se analiza en la siguiente sección). Los efectos del gradiente osmótico medular y la permeabilidad hídrica del final del túbulo distal y el conducto colector en la reabsorción hídrica se muestran en la figura 19.9. Básicamente, a mayor permeabilidad de estos túbulos, mayor reabsorción hídrica. En la figura 19.9a, las paredes del final del túbulo distal y el conducto colector son impermeables al agua. Según entra el líquido tubular de 100 mOsm en el túbulo distal, se produce un gradiente osmótico para el movimiento del agua, pero, dada la impermeabilidad de la membrana, el agua no puede moverse. El gradiente osmótico se hace mayor a medida que el líquido tubular de 100 mOsm baja por el conducto colector hacia la pelvis renal. El resultado final es la excreción de un gran volumen de orina de baja osmolaridad. La figura 19.9b muestra cómo pueden conservar agua los riñones cuando el túbulo distal y el conducto colector se vuelven muy permeables al agua. En la primera parte del conducto colector, el líquido tubular es, al principio, hiposmótico respecto al líquido intersticial cortical, y el agua se reabsorbe. A medida que el conducto colector sale de la corteza, el líquido tubular es isoosmótico, con el líquido intersticial a 300 mOsm. A medida que el líquido baja por el conducto colector, el agua continua reabsorbiéndose del conducto colector al espacio intersticial medular, de forma que el líquido en el conducto colector siempre permanece casi isoosmótico con el líquido intersticial medular; finalmente el líquido alcanza una osmolaridad de 1.400 mOsm al final del conducto colector. La osmolaridad del líquido tubular nunca puede exceder la osmolaridad hídrica intersticial medular, porque el agua dejaría de moverse
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Final del túbulo distal (impermeable al H2O) Líquido tubular
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
Final del túbulo distal (permeable al H2O)
100
Líquido peritubular
Líquido tubular
100
Líquido peritubular
H2O 100 Corteza
300
Médula
300 400
Conducto colector (impermeable al H2O)
100
100 800
100
1.200 100 1.400 Pelvis renal
FIGURA 19.9 Reabsorción hídrica a través del final del túbulo distal y el conducto colector. El líquido del túbulo distal y el conducto colector es hiposmótico en relación con el líquido intersticial medular, creando una fuerza osmótica para que el agua salga de los túbulos. (a) Cuando la membrana del final del túbulo distal y el conducto colector es impermeable al agua, esta no puede salir del túbulo y es excretada en la orina, produciendo un gran
a través de la pared una vez que la osmolaridad dentro del túbulo se volviera equivalente a la exterior. Por tanto, la osmolaridad máxima de la orina es de 1.400 mOsm. Como aquellos solutos que no se reabsorben al 100% deben eliminarse en la orina, y dado que es el límite máximo de la osmolaridad de la orina, debe excretarse un volumen mínimo de agua para eliminar solutos. Este volumen es la pérdida de agua obligatoria, que es de unos 440 ml de agua por día en condiciones normales (v. «Descubrimientos: Por qué no podemos beber agua del mar»). La longitud del asa de Henle determina la concentración máxima de la orina. Las asas de Henle más largas pueden generar un gradiente de osmolaridad medular mayor por medio del multiplicador de contracorriente y, por tanto, permiten una mayor reabsorción hídrica. Por ejemplo, los camellos tienen asas de Henle más largas que los humanos, y pueden generar orina con una concentración de 2.800 mOsm. Los
H 2O
300
300
400
400
500
500
600
600
700
700
800
800
900
900
1.000
1.000
1.100
1.100
1.200
1.200
1.300
1.300
1.400
1.400
H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O Pelvis renal
La orina tiene un gran volumen y baja osmolaridad (a) Final del túbulo distal y del conducto colector impermeables al agua
Conducto colector (permeable al H2O) 300
600
1.000
543
La orina tiene poco volumen y alta osmolaridad (b) Final del túbulo distal y del conducto colector permeables al agua
volumen de orina de baja osmolaridad. (b) Cuando la membrana es permeable al agua, esta puede salir del túbulo. Si las membranas son muy permeables, la orina final será isoosmótica en relación con las capas más internas de la médula renal, produciendo un pequeño volumen de orina de alta osmolaridad.
ratones australianos del género Notomys tienen las asas de Henle más largas de todo el reino animal conocido y pueden concentrar la orina hasta 9.800 mOsm. Dada su fuerte capacidad para conservar agua, estos ratones sobreviven bebiendo poco agua.
Test rápido 19.1 1. ¿Donde tiene lugar la principal reabsorción hídrica en los túbulos renales? ¿Dónde se produce la regulación de la reabsorción hídrica en los túbulos renales? 2. Compara los movimientos de soluto y agua a través de las células epiteliales que revisten las ramas descendente y ascendente del asa de Henle. Explica cómo este movimiento diferencial permite establecer un gradiente osmótico en la médula renal. 3. ¿Puede excretarse agua pura como orina? Explica tu respuesta.
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
Célula principal que reviste el final del túbulo distal o el conducto colector
Membrana basolateral
Líquido peritubular
Líquido peritubular
Capilar peritubular
Plasma
Membrana apical
ADH 1
Receptor ADH Proteína G Acuaporina 2
4
ATP
2
3 H 2O H 2O
Proteína cinasa A
cAMP Adenilato ciclasa H 2O
Acuaporina 3
FIGURA 19.10 Efectos de la ADH en las células principales que revisten la parte distal de los túbulos renales y los conductos colectores. ➀ La ADH se une a los receptores de la membrana de las células principales. ➁ La activación de la proteína G activa a su vez la enzima adenilato ciclasa, lo que cataliza la formación de cAMP, que ➂ activa la proteína cinasa A. ➃ La proteína cinasa A estimula la inserción de nuevos canales de agua (acuaporina 2) en la membrana apical, lo que incrementa su permeabilidad al agua.
P ¿Qué tipo de hormona es la ADH y cuál es la glándula endocrina que la secreta? Efectos de la ADH en la reabsorción hídrica Los riñones pueden modificar la concentración de la orina entre 100 y 1.400 mOsm variando el grado de permeabilidad hídrica en el final de los túbulos distales. La hormona antidiurética (ADH; también llamada vasopresina) regula la permeabilidad hídrica del final de los túbulos renales y los conductos colectores. En ausencia de ADH, la membrana apical de las células principales es impermeable al agua, de forma que la reabsorción hídrica no puede ocurrir. La ADH estimula la síntesis de la acuaporina 2 y su inserción en la membrana apical de las células principales en el final de los túbulos distales y los conductos colectores. Así, la reabsorción hídrica y el volumen de orina están regulados por las variaciones del nivel plasmático de ADH, de manera que el número de poros de acuaporina 2 determina la permeabilidad hídrica de la membrana de las células principales. Cuanto mayor es la permeabilidad hídrica, mayor será su reabsorción. La acuaporina 2 se almacena en la membrana de las vesículas citoplasmáticas de las células principales, a la espera de insertarse en la membrana apical en respuesta a la ADH. La ADH actúa en las células del túbulo renal uniéndose a los receptores de la membrana basolateral (fig. 19.10). Estos receptores están acoplados a la proteína G, que activa la enzima adenilato ciclasa, que luego cataliza la producción del segundo mensajero cAMP. El cAMP activa la proteína cinasa A, que estimula la inserción de los poros de acuaporina 2 en la membrana apical por exocitosis. La ADH también estimula la síntesis de moléculas nuevas de
acuaporina 2. Cuando existe una concentración alta de ADH, la reabsorción de agua es alta y la diuresis es baja. (La palabra antidiurética se refiere a algo que contrarresta los efectos de la diuresis, o el incremento del flujo de orina; un diurético es un medicamento que facilita el flujo de orina).
Regulación de la secreción de ADH Recuerda del capítulo 6 que las células neurosecretoras que se originan en el hipotálamo son las encargadas de secretar ADH hacia la neurohipófisis. Los cambios en la osmolaridad del líquido extracelular son el estímulo más fuerte para la liberación de ADH. Los osmorreceptores del hipotálamo controlan la osmolaridad del líquido extracelular. Si la osmolaridad aumenta, se estimula la secreción de ADH e incrementa la reabsorción hídrica (fig. 19.11). Al contrario, si la osmolaridad del líquido extracelular disminuye, la secreción de ADH se reduce, lo que rebaja la reabsorción hídrica e incrementa la excreción de agua. Los niveles plasmáticos de ADH dependen también de señales originadas en los barorreceptores, que detectan el volumen sanguíneo y la presión arterial (fig. 19.12). Como se vio en el capítulo 14, los barorreceptores auriculares responden ante cambios en el volumen sanguíneo, y los receptores del cayado aórtico y el seno carotídeo (barorreceptores sinoaórticos) lo hacen ante cambios de la presión arterial. Al disminuir la volemia y/o la presión arterial, también disminuye la frecuencia de los potenciales de
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
PAM
osmolaridad del líquido extracelular
545
volumen sanguíneo
Hipotálamo Los barorreceptores detectan y responden
Los osmorreceptores detectan y responden
Hipotálamo actividad de las células neurosecretoras en el hipotálamo
Neurohipófisis
actividad de las células neurosecretoras del hipotálamo
Retroalimentación negativa
secreción de ADH
Neurohipófisis secreción de ADH
Riñones reabsorción hídrica
excreción de agua
Conservación del agua del organismo
Retroalimentación negativa
Riñones reabsorción hídrica
excreción de agua
Conservación del volumen sanguíneo
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 19.11 Vía por la que interaccionan la osmolaridad del líquido
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
extracelular y la secreción de ADH. El aumento de la osmolaridad del líquido extracelular estimula la secreción de ADH, lo que aumenta la conservación hídrica por parte de los riñones y disminuye la osmolaridad del líquido extracelular.
FIGURA 19.12 Efectos de los barorreceptores arteriales y cardíacos
acción en las aferentes de los barorreceptores. Una menor actividad de los barorreceptores estimula un incremento de la secreción de ADH, que aumenta la reabsorción de agua y reduce los estímulos para la liberación de ADH (v. fig. 19.12). Recuerda que cuando el volumen plasmático es inferior al normal, los riñones no pueden incrementarlo hasta normalizarlo; solo pueden reducir las pérdidas hídricas adicionales, lo que contribuye a reducir cualquier reducción adicional de la volemia. Para conseguir aumentar el volumen de agua corporal, son necesarios cambios conductuales, en concreto, aportar agua bebiendo. Si aumenta el volumen de sangre o la presión arterial, la secreción de ADH se reduce, lo que determina un aumento de la excreción de agua, y esto reduce la volemia y la presión arterial.
elevada. Sin embargo, cuando la presión arterial disminuye por debajo de los niveles normales (PAM inferior a 80 mmHg), la FG se reduce. Cuanta menos agua se filtre, menos se excretará. De un modo similar, cuando la presión arterial aumenta hasta unos niveles lo bastante elevados (PAM superior a 180 mmHg), se producirá un aumento de la FG y aumentarán las pérdidas de agua. Estos cambios de la FG colaboran con otros mecanismos responsables de limitar la pérdida de agua cuando la presión arterial es baja y de aumentarla cuando está aumentada.
Regulación de la excreción de agua mediante cambios de la filtración glomerular En el capítulo 18 se ha visto que normalmente la filtración glomerular (FG) está autorregulada para reducir los incrementos de las pérdidas de agua y electrólitos cuando la presión arterial está
en la liberación de ADH. Un aumento de la PAM o el volumen sanguíneo estimula la liberación de ADH.
Test rápido 19.2 1. Nombra dos estímulos para la liberación de ADH en la neurohipófisis. 2. Describe los efectos de la ADH en las células principales.
Diabetes insípida Suele pensarse que la diabetes es una enfermedad asociada a la insulina y la glucosa. Sin embargo, la diabetes se refiere a cual-
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
DESCUBRIMIENTOS
Por qué no podemos beber agua del mar Es posible que hayas leído alguna vez estos famosos versos del poeta épico Samuel Taylor Coleridge, Balada del viejo marinero: Agua, agua por doquier, ni una gota para beber. El poeta se refiere al hecho de que los marineros no pueden depender del agua del mar como fuente de agua para beber, porque, si lo hicieran, se enfrentarían a la muerte por deshidratación. El peligro de beber agua marina reside en la concentración de solutos disuelta en ella, que oscila entre 1.000 mOsm y 1.200 mOsm, y la mayor parte se debe a la disolución de cloruro sódico. A 1.200 mOsm, la concentración de soluto del agua marina es cuatro veces superior a la del plasma. Beber esta agua marina hiperosmótica tendría efectos adversos para los aparatos digestivo y urinario. El movimiento del agua en el tubo digestivo sigue al del soluto, al igual que los túbulos del riñón. Cuando una persona consume agua marina, la alta concentración de solutos en la luz del tubo digestivo reduce la absorción hídrica, provocando diarrea y una importante
pérdida de agua que, consecuentemente, contribuye a la deshidratación. Aunque el tubo digestivo pudiera absorber la mayoría del agua marina consumida, los riñones podrían no ser capaces de compensarlo. Beber agua del mar aumentaría la osmolaridad del líquido extracelular, modificando los líquidos del organismo desde el líquido intracelular al extracelular. La células, incluidos los osmorreceptores del hipotálamo, se encogerían. La activación de los osmorreceptores estimularía la secreción de ADH y, como resultado, los riñones excretarían un pequeño volumen de orina muy concentrada para ayudar al organismo a conservar el agua mientras se libera del exceso de solutos. No obstante, la máxima concentración de orina es de entre 1.200 y 1.400 mOsm. Los riñones deben excretar un mínimo de 440 ml de agua al día para ajustar la excreción diaria de solutos (la pérdida de agua obligatoria). Además, el organismo pierde aproximadamente 1 l de agua diario a través de las pérdidas imperceptibles y la sudoración. Así, el cuerpo pierde un total de unos 1.440 ml de agua al día. Una persona que intenta reemplazar estos líquidos bebiendo 1.440 ml de agua del mar también estaría con-
quier alteración metabólica que cause una aumento de la sed y la producción de un gran volumen de orina (la palabra diabetes viene del griego, lengua en la que significaba «sifón»). La diabetes insípida se produce cuando la concentración de ADH es baja (diabetes insípida central) o cuando los riñones no responden bien ante la ADH (diabetes insípida nefrógena). Como la ADH actúa en los túbulos renales para incrementar la reabsorción hídrica, una deficiencia en la ADH provoca una cantidad copiosa de pérdida hídrica en la orina. El descenso de la ADH característico de la diabetes insípida central puede estar provocado por un traumatismo craneal, inflamación o tumores en el hipotálamo o tumores de la neurohipófisis. La ausencia de respuesta a la ADH, característica de la diabetes insípida nefrógena, puede darse en enfermedades renales o congénitas. La forma congénita más común de la diabetes insípida es una mutación en el gen que codifica los receptores de la ADH que se encuentran en el túbulo renal. Este gen se encuentra en el cromosoma X, de forma que la diabetes insípida congénita es más frecuente en varones. Los síntomas de cual-
sumiendo unos 1.500 mmoles de solutos, que, además, tendría que eliminar. Para eliminar estos solutos, los riñones tendrían que excretar 1.070 ml de orina, conservando, por consiguiente, solo 370 ml de los 1.440 ml consumidos inicialmente. Una persona tendría que beber y absorber al menos 6 l de agua salada al día para retener los 1.440 ml de agua perdidos diariamente, cosa que el aparato digestivo no podría soportar.
quiera de las formas de diabetes insípida son micción excesiva (poliuria) e ingesta hídrica excesiva (polidipsia) por una respuesta compensadora. Quienes padecen diabetes insípida pueden perder hasta 20 l de agua al día. La pérdida hídrica excesiva provoca un nivel plasmático de sodio alto e incrementa la osmolaridad del plasma. El tratamiento consiste en la reparación de la causa (por ejemplo, extirpación quirúrgica de tumores) y reemplazo de líquidos.
Equilibrio de sodio Como el sodio es el principal soluto del líquido extracelular, es vital para el funcionamiento de las células excitables, y se usa para transportar otros solutos, de forma que es importante que el nivel de sodio en el plasma esté controlado. Un aumento del nivel de sodio en el plasma por encima de lo normal, es decir, una hipernatremia, suele venir acompañado de retención de agua y un incremento de la presión arterial. Un descenso en el
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nivel de sodio en el plasma por debajo de lo normal, es decir, una hiponatremia, está asociado a un bajo volumen plasmático y a hipotensión. El sodio se filtra libremente en los glomérulos y se somete a la reabsorción tubular, pero no se secreta. La regulación del nivel plasmático de sodio tiene lugar al nivel de la reabsorción. Primero veremos el manejo renal del sodio; luego, analizaremos las dos hormonas que intervienen en la regulación de la reabsorción de sodio: la aldosterona y el péptido natriurético auricular.
Líquido peritubular Membrana apical
Célula epitelial del Membrana túbulo proximal basolateral
Líquido tubular
En todos los segmentos tubulares donde se reabsorbe el sodio, los iones de sodio se transportan de forma activa. Esta reabsorción activa viene regulada por las bombas Na+/K+ situadas en la membrana basolateral de las células epiteliales del túbulo renal. Como el transporte activo de sodio fuera de las células epiteliales mantiene su concentración baja en el líquido intracelular, el sodio entra de forma pasiva en la célula desde la luz tubular a través de la membrana apical. Incluso aunque este último paso sea pasivo, el movimiento general de los iones de sodio a través de la célula (es decir, desde el líquido tubular al líquido peritubular) es activo, porque depende del transporte activo de sodio a través de la membrana basolateral. En el túbulo proximal, la entrada de sodio a las células epiteliales tubulares la llevan a cabo las proteínas transportadoras de la membrana apical que acoplan el movimiento del sodio al flujo de otros solutos. La figura 19.13a muestra estas dos vías de entrada del sodio a las células: 1) el cotransporte con solutos como la glucosa y los aminoácidos (representados con una X en el dibujo), y 2) el contratransporte con iones de hidrógeno. En el primero de estos procesos, la energía liberada por la entrada pasiva del sodio se aprovecha para conducir el flujo de glucosa o aminoácidos en contra de sus gradientes electroquímicos según entra en la célula epitelial. Después, estos solutos salen de la célula de forma pasiva a través de la membrana basolateral. Dado que el transporte de la glucosa y los aminoácidos desde el líquido tubular al líquido peritubular requiere un paso activo, la reabsorción de estos solutos consume energía. La fuente última de energía es la hidrólisis de ATP, ya que la reabsorción de estos solutos va emparejada al flujo del sodio, lo que, en última instancia, depende de la bomba Na+/K+ dependiente de ATP. Otras proteínas transportadoras acoplan la entrada pasiva de sodio con la secreción activa de iones de hidrógeno hacia la luz tubular, proceso que es vital en la regulación ácido-base. El transporte activo de sodio afecta al movimiento de agua a través de los túbulos renales por ósmosis.
Comprueba tus conocimientos La ouabaína bloquea la bomba Na+/K+. Explica qué efectos tendría la ouabaína en el transporte renal de sodio y agua. La figura 19.13b muestra el mecanismo de la reabsorción activa de sodio en el túbulo distal. El proceso supone el movimiento pasivo de sodio a través de la membrana apical hacia la célula epitelial tubular, y el transporte activo del sodio a través de la membrana basolateral fuera de la célula epitelial y dentro
Célula capilar endotelial
Plasma X Na+ X Na+
Na+
Na+ K+
H+
Mecanismo de la reabsorción del sodio en el túbulo renal
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
Cl–
(a) Reabsorción de sodio en el túbulo proximal Célula epitelial del túbulo distal
Cl– Na+
Na+
Na+ K+
Cl– K+
Cl–
Cl–
Na+
(b) Reabsorción de sodio en el túbulo distal
FIGURA 19.13 Mecanismo de reabsorción de sodio en el túbulo proximal y el túbulo distal. (a) Reabsorción de sodio en el túbulo proximal. El sodio se transporta de forma activa a través de la membrana basolateral por la bomba de Na+/K+. El sodio se mueve a través de la membrana apical, bien por cotransporte con una molécula orgánica (X), como la glucosa o un aminoácido, bien por contratransporte con otro ion como el hidrógeno. Cabe destacar que el cloruro sigue a la reabsorción del sodio. (b) Reabsorción de sodio en el túbulo distal. De nuevo, el sodio se transporta de forma activa a través de la membrana basolateral por la bomba de Na+/K+. El sodio se mueve a través de la membrana apical por cotransporte con iones de cloruro o a través de canales de sodio. La secreción de potasio del líquido peritubular a la luz tubular suele acompañar a la reabsorción de sodio.
del líquido peritubular. En este sentido, la reabsorción del sodio en el túbulo distal se parece a la del túbulo proximal. Sin embargo, los dos procesos difieren en cuanto al mecanismo de transporte del sodio a través de la membrana apical. En el túbulo distal, el sodio entra en la célula epitelial de dos formas: por cotransporte con otros solutos, como iones de cloruro, y por difusión a través de los canales de sodio. La reabsorción de sodio en el túbulo distal también suele acoplarse con la secreción de potasio, que, junto con el cotransporte de sodio con el cloruro, minimiza los cambios en el potencial eléctrico existente a través de las paredes de los túbulos. Si los potenciales eléctricos tienen que mantenerse, la reabsorción de un catión como el sodio debe equilibrarse por
548
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
Luz del final del túbulo distal o conducto colector
Membrana basolateral
Célula principal Membrana apical Na+
Receptor citosólico
Líquido peritubular
Capilar peritubular
De los factores que controlan la liberación de aldosterona, el más importante para el control de la reabsorción de sodio es el sistema renina-angiotensina-aldosterona.
Sistema reninaangiotensina-aldosterona
Recordemos del capítulo 18 que donde el túbulo distal pasa cerca de Aldosterona las arteriolas aferentes y eferentes, 1a K+ estas estructuras forman el aparato K+ yuxtaglomerular. Dentro de las pareNa+ K+ des de la arteriola aferente están las + Na células granulares que secretan reniNa+ 1b K+ na. Aunque a veces se le llama horNa+ + mona, la renina realmente es una Na K+ enzima proteolítica. Dentro de las K+ paredes del túbulo distal están Na+ las células de la mácula densa, capaK+ K+ ces de detectar cambios en la conNa+ centración de sodio o cloruro del flujo del líquido tubular. Cuando la Líquido peritubular Plasma concentración de sodio en el líquido tubular disminuye, aumenta la secreción de renina. FIGURA 19.14 Efectos de la aldosterona en las células principales de los túbulos distales y conductos Una vez que las células granulacolectores. Tras la unión a su receptor, la aldosterona 1a estimula la apertura del los canales de sodio y de res liberan la renina al torrente sanpotasio y la síntesis de nuevos canales en la membrana apical, y 1b estimula la síntesis e inserción de más bombas guíneo, comienzan una serie de de Na+/K+ en la membrana basolateral. reacciones que llevan a la liberación de aldosterona (fig. 19.15). La renina ¿Qué tipo de hormona es la aldosterona y en qué sitio de las células principales se encuentran los receptores actúa en otra proteína que siempre para esta hormona? está presente en el plasma, el angiotensinógeno, que secreta el hígado, al igual que la mayoría de las proteínas plasmáticas. La renina extrae algunos aminoácidos del angiotensinógeno, convirtiéndolos en la reabsorción de aniones (y, en menor grado, por la secreción angiotensina I. Cuando las moléculas de la angiotensina I circude otros cationes). Como el cloruro y el bicarbonato son los lan en el torrente sanguíneo, se encuentran con otra enzima aniones más importantes en el líquido tubular, representan la proteolítica llamada enzima convertidora de la angiotensimayor parte de los aniones que se reabsorben con el sodio. El na (ECA), que se une a las superficies internas de los capilares potasio y los iones de hidrógeno son los cationes que se secrepor todo el organismo y es especialmente abundante en los capitan más comúnmente cuando se reabsorben los iones de lares pulmonares. La ECA rompe algunos aminoácidos de la sodio. angiotensina I, convirtiéndola en angiotensina II. Además de actuar como vasoconstrictor, que es importante en la regulación Efectos de la aldosterona de la PAM (v. capítulo 14), la angiotensina II tiene otra función clave: la estimulación de la liberación de aldosterona de la La aldosterona es una hormona esteroidea que libera la corteza corteza suprarrenal. La angiotensina II también actúa en el hiposuprarrenal y que regula tanto la reabsorción del sodio como la tálamo, donde estimula la liberación de ADH y la sed. secreción de potasio. Aquí nos centramos en la función de La figura 19.16 resume los cuatro mecanismos por los que la la aldosterona en la reabsorción del sodio. La aldosterona se une a los receptores citosólicos de las céluangiotensina II aumenta la PAM: las principales de la parte distal de los túbulos distales y conductos colectores, donde tiene diferentes efectos (fig. 19.14). La 1. La angiotensina II estimula la vasoconstricción de las arteriolas sistémicas, lo que aumenta la resistencia periférica aldosterona aumenta el número de canales de sodio y canales de total y, por tanto, la PAM. potasio abiertos en la membrana apical, tanto porque determina 2. La angiotensina II estimula a la corteza suprarrenal para la apertura de los canales existentes como por la estimulación secretar la aldosterona, lo que hace que aumente la reabsorde la síntesis de nuevos canales. La aldosterona también estición hídrica, incrementando la reabsorción de sodio. mula la síntesis de bombas Na+/K+, lo que aumenta la concentra3. La angiotensina II estimula a la neurohipófisis para que ción de las mismas en la membrana basolateral. A través de estas secrete ADH, que minimiza la pérdida hídrica y mantiene el acciones, la aldosterona incrementa la reabsorción del sodio y la volumen plasmático, incrementando la reabsorción hídrica, secreción de potasio de forma simultánea; no puede afectar a de forma que mantiene la PAM. una sin afectar a otra.
P
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
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Hígado Células yuxtaglomerulares del riñón
Célula endotelial capilar Corteza suprarrenal
Sangre
ACE Angiotensinógeno
Renina
Aldosterona Angiotensina II
Angiotensina I
FIGURA 19.15 Sistema renina-angiotensina-aldosterona. El hígado y las células yuxtaglomerulares secretan y liberan angiotensinógeno y renina, respectivamente, a la sangre, donde la renina corta aminoácidos del angiotensinógeno para formar angiotensina I. La enzima convertidora de la angiotensina (ECA) situada en algunas células endoteliales de los capilares separa aminoácidos de la angiotensina I para formar angiotensina II, que viaja en el torrente sanguíneo hasta la corteza suprarrenal, donde estimula la liberación de la aldosterona a la sangre.
angiotensina II
Arteriolas sistémicas vasoconstricción
Corteza suprarrenal
Neurohipófisis
secreción de aldosterona
secreción de ADH
Riñones reabsorción del sodio en la parte distal de los túbulos renales y los conductos colectores
osmolaridad del líquido extracelular
PAM Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 19.16 Mecanismo por el que la angiotensina II aumenta la PAM.
reabsorción hídrica en la parte distal de los túbulos distales y los conductos colectores
volumen de plasma
Neuronas hipotalámicas estimulación de la sed
550
C A P Í T U LO 1 9
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico PAM
presión en la arteriola aferente
Reflejo barorreceptor
FG
actividad simpática
[Na+ ] y [Cl–] en los túbulos distales
pared auricular, que ocurre cuando el volumen plasmático aumenta. El ANP aumenta la excreción de sodio, incrementando la filtración glomerular y disminuyendo la reabsorción de sodio (fig. 19.18). El ANP hace que la arteriola aferente se dilate y la arteriola eferente se constriña, lo que determina un incremento de la filtración glomerular y aumenta la carga de sodio filtrado, porque aumenta la presión capilar glomerular. El ANP reduce la reabsorción de sodio directamente al disminuir el número de canales de sodio abiertos en la membrana apical de las células principales. Además, el ANP disminuye la secreción de renina y aldosterona.
Mácula densa
Test rápido 19.3 secreción paracrina
Células yuxtaglomerulares de la arteriola aferente
1. Explica brevemente cómo un incremento de la secreción de renina estimula la secreción de aldosterona. ¿Cómo afecta el aumento de la secreción de aldosterona a la reabsorción de sodio? 2. ¿Dónde se localizan las células que secretan renina? Nombra tres estímulos para la secreción de renina. 3. ¿Cómo afecta el péptido natriurético auricular a la reabsorción del sodio?
liberación de renina
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 19.17 Mecanismo por el que la disminución de la PAM estimula la liberación de renina.
P ¿Cuál es la función de la renina en el plasma? 4. La angiotensina II activa a las neuronas hipotalámicas para que estimulen la sed y la ingesta hídrica, lo que consigue aumentar la PAM al incrementar el volumen plasmático. Dado que el sistema renina-angiotensina-aldosterona tiende a incrementar la presión arterial, un descenso de esta presión es un estímulo primario para la liberación de renina (fig. 19.17). En concreto, un descenso de la presión arterial aferente desencadena la liberación de renina, ya que las células granulares son sensibles directamente al grado de estiramiento de la arteriola aferente. Un aumento de la actividad nerviosa simpática también estimula la liberación de renina por comunicación directa con las células granulares. El sistema nervioso simpático se activa durante la respuesta refleja barorreceptora a un aumento de la presión arterial (v. capítulo 14). Una gran reducción de la PAM también disminuye la filtración glomerular, lo que, unido a la reabsorción continuada de sodio y cloruro en el túbulo proximal y el asa de Henle ascendente, disminuye los niveles de sodio y cloruro en el túbulo distal. Un descenso de sodio y cloruro en los túbulos distales lo detectan las células de la mácula densa de los túbulos, que secreta una señal química que estimula la liberación de renina de las células yuxtaglomerulares.
Péptido natriurético auricular El péptido natriurético auricular (ANP) lo secretan las células de la aurícula del corazón en respuesta a la distensión de la
Equilibrio de potasio El gradiente resultante de las concentraciones altas de potasio en el líquido intracelular y las concentraciones bajas de potasio en el líquido extracelular es primordial para el funcionamiento de las células excitables. Un aumento del nivel de potasio en el plasma se llama hiperpotasemia, y puede provocar arritmias cardíacas, debilidad muscular y calambres, vértigos, náuseas y diarrea. El descenso del nivel plasmático de potasio se llama hipopotasemia, y puede provocar arritmias cardíacas, debilidad y sensibilidad muscular, hipotensión, confusión, alcalosis y disnea.
Manejo renal de los iones de potasio En los riñones, el potasio se filtra libremente en el glomérulo y se somete a la reabsorción y secreción en los túbulos. Normalmente, la cantidad de potasio reabsorbida es mayor que la cantidad secretada, es decir, el efecto neto es la reabsorción. De hecho, la mayoría del potasio filtrado se reabsorbe. A diferencia del agua y del sodio, cuyos niveles plasmáticos se regulan por la variación de las cantidades que se reabsorben en los túbulos renales, la concentración plasmática de potasio se regula por la variación de la cantidad que se secreta a los túbulos renales. Como ocurre con el sodio, el manejo renal de los iones de potasio varía a lo largo de los túbulos renales (fig. 19.19). Los iones de potasio se reabsorben en el túbulo proximal y se secretan al final del túbulo distal y el conducto colector; la secreción está regulada. En el túbulo proximal (v. fig. 19.19a), el potasio se reabsorbe gracias al siguiente mecanismo: los iones de potasio se mueven desde el líquido peritubular a la célula epitelial tubular a través de la bomba Na+/K+ situada en la membrana basolateral; los iones de potasio también se mueven desde el líquido tubular a la célula epitelial por algún otro mecanismo aún desconocido. Una vez dentro de la célula epitelial, los iones de potasio se mueven a través de los canales de potasio en la membrana basolateral hacia el líquido peritubular. Por consiguiente, la mayoría del potasio que entra en la célula epitelial tubular
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volumen de plasma
Aurículas estiramiento de la pared auricular
secreción de ANP
Riñones Dilatación de la arteriola aferente
Constricción de la arteriola eferente
reabsorción de Na+
secreción de renina
presión capilar glomerular
FG
Estímulo inicial
excreción de Na+
aldosterona
Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 19.18 Mecanismo por el que la secreción del péptido natriurético auricular aumenta la excreción de sodio en respuesta a un aumento del volumen plasmático.
(independientemente de que proceda del líquido peritubular o del líquido tubular) se mueve hacia el líquido peritubular y luego al plasma. Además, los iones de potasio pueden moverse entre las células desde la luz tubular al líquido peritubular y luego al plasma. En las células principales del final del túbulo distal y el conducto colector (v. fig. 19.19b), el mecanismo de secreción de potasio es el siguiente: al igual que en el túbulo proximal, los iones de potasio se mueven desde el líquido peritubular a la célula epitelial a través de la bomba de Na+/K+ de la membrana basolateral. Sin embargo, a diferencia de las células epiteliales en el túbulo proximal, las células principales tienen sus canales de potasio en la membrana apical, lo que permite que los iones de potasio salgan de la célula epitelial al líquido tubular del túbulo distal y el conducto colector.
ductos colectores, como el número de canales de potasio en la membrana apical. El aumento de las bombas de Na+/K+ provoca un mayor movimiento de potasio a las células epiteliales, que se ve seguido de un mayor movimiento de iones de potasio a través de los canales de potasio apicales y hacia la luz de los túbulos, lo que determina una mayor excreción de potasio en la orina. Como se analizó anteriormente, la secreción de la aldosterona está regulada por el sistema renina-angiotensina-aldosterona, por el que la angiotensina II estimula la liberación de aldosterona por parte de la corteza suprarrenal. Sin embargo, un nivel plasmático de potasio alto también estimula directamente la secreción de aldosterona, actuando en las células secretoras de la corteza suprarrenal. Entonces, la aldosterona liberada aumenta la secreción de potasio, lo que trata de normalizar la potasemia.
Regulación de la secreción de potasio por la aldosterona
Equilibrio de calcio
La secreción de potasio está regulada por la aldosterona. Recuerda que esta hormona aumenta tanto el número de bombas de Na+/K+ de la membrana basolateral de las células principales que revisten la parte distal de los túbulos distales y con-
El calcio es vital para el funcionamiento de la mayoría de células, ya que desencadena la exocitosis de los mensajeros químicos, estimula la secreción de distintas sustancias, estimula la contracción muscular e incrementa la contractilidad del corazón y
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Membrana apical
Membrana basolateral Célula epitelial del túbulo proximal
Luz del túbulo proximal K+
K+
Na+
?
Mecanismo desconocido
K+ K+
K+ Líquido peritubular
Líquido tubular (a) Reabsorción de potasio en el túbulo proximal
Membrana apical
Membrana basolateral Célula principal
Luz del túbulo distal o del conducto colector
Na+ K+
K+
los vasos sanguíneos. El calcio también es un componente importante del hueso y los dientes. Un aumento de calcio en el plasma se llama hipercalcemia y tiene efectos generalizados en todo el organismo, como debilidad y atrofia muscular, obnubilación, cambios de comportamiento, hipertensión, estreñimiento y náuseas. Una disminución de calcio en el plasma se llama hipocalcemia, y causa entumecimiento y sensación de hormigueo, calambres musculares y espasmos, reflejos exagerados e hipotensión. La concentración plasmática de calcio se regula a través de la interacción de diversos órganos, incluyendo los riñones, el tubo digestivo, los huesos y la piel (fig. 19.20). El calcio puede añadirse al plasma desde el hueso y absorberse a través del tubo digestivo, y puede eliminarse del plasma por el hueso y los riñones. Aunque la mayoría del calcio en el cuerpo (99%) se encuentra en los huesos, este calcio no está fijado de forma permanente a ellos. En realidad, los huesos facilitan una reserva de calcio, de forma que cuando el nivel plasmático de calcio es bajo, el plasma puede conseguir calcio a través de un proceso llamado resorción, durante el que el hueso se descompone para liberar iones de calcio. De forma inversa, cuando el nivel plasmático de calcio es alto, se deposita calcio en los huesos (v. «Conexiones clínicas: Osteoporosis»). El organismo también obtiene calcio de la ingesta de alimentos y, aunque la absorción de la mayoría de sustancias en el tubo digestivo no está regulada, la absorción del calcio se regula según las necesidades del organismo.
Manejo renal de los iones de calcio Líquido peritubular
Líquido tubular
(b) Secreción de potasio en las células principales del final del túbulo distal y el conducto colector
FIGURA 19.19 Transporte de potasio en los túbulos renales. (a) En el túbulo proximal, el potasio se reabsorbe por la presencia de canales de potasio en la membrana basolateral. (b) En las células principales del túbulo distal y el conducto colector, se secreta potasio por la presencia de canales de potasio en la membrana apical.
El calcio se transporta por la sangre tanto unido a una proteína transportadora como libremente por el plasma. El calcio que está libre en el plasma se filtra libremente en el glomérulo. Normalmente, el 99% del calcio filtrado se reabsorbe cuando el líquido tubular atraviesa los túbulos renales. Aproximadamente, el 70% del calcio filtrado se reabsorbe en los túbulos proximales, el 20% se reabsorbe en las ramas ascendentes gruesas de las asas de Henle, y el 10% restante en los túbulos distales. La reabsorción en las asas de Henle y los túbulos distales está regulada por hormonas.
Hueso
Calcificación (calcitonina)
Ingesta
Tubo digestivo
Absorción (1,25-[OH2]D3)
Resorción (PTH, 1,25-[OH2]D3)
Plasma [Ca2+]
Filtración Riñones Reabsorción (el PHT estimula, la calcitonina inhibe)
FIGURA 19.20 Vías para el intercambio de calcio. El calcio puede entrar en el plasma por la absorción desde el tubo digestivo o la resorción ósea. El calcio sale del plasma por calcificación ósea o excreción en la orina. La cantidad de calcio excretado en la orina está regulada por la variación de la velocidad de reabsorción de calcio.
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CONEXIONES CLÍNICAS
Osteoporosis La osteoporosis engloba un grupo de alteraciones que causan una pérdida de masa ósea, lo que supone que los huesos sean frágiles. Algunas formas de osteoporosis se localizan en un hueso específico. Por ejemplo, la inmovilización de una extremidad durante mucho tiempo causa osteoporosis por desuso. Sin embargo, la mayoría de formas de osteoporosis son más generalizadas y afectan a los huesos de todo el cuerpo. Estas formas generalizadas pueden ser osteoporosis primaria, la propia osteoporosis es la alteración, u osteoporosis secundaria, en la que la osteoporosis es secundaria a alguna otra afección, como el hipertiroidismo. Los factores que incrementan la probabilidad de desarrollar osteoporosis primaria son la predisposición genética, la obesidad y la disminución de la actividad física. La osteoporosis primaria se desarrolla con la edad a medida que el hueso sufre cambios en su ritmo de formación y resorción. La formación ósea está a cargo de unas células llamadas osteoblastos, mientras que la resorción ósea corre por cuenta de los osteoclastos. La formación ósea excede la resorción ósea hasta los 30 años, cuando el hueso alcanza su
densidad máxima. Después de esta edad, la densidad disminuye alrededor del 0,7% cada año. Algunas hormonas pueden ser importantes para el desarrollo de la osteoporosis. Los estrógenos han acaparado considerablemente la atención en este aspecto, ya que las mujeres posmenopáusicas son más susceptibles de padecer osteoporosis. Una disminución de los estrógenos hace que los osteoblastos aumenten la producción de una sustancia paracrina llamada interleucina-6, que estimula la actividad de los osteoclastos, provocando la resorción ósea. Puede que los estrógenos también estimulen la actividad de los osteoblastos, así que un descenso de estrógenos conllevaría una reducción de la actividad de los osteoblastos, suponiendo menor formación ósea. El diagnóstico de la osteoporosis es difícil durante las primeras etapas, porque la degeneración ósea debe alcanzar un nivel observable con una radiografía. A menudo, el diagnóstico no se consigue hasta después de una fractura ósea provocada por el estado de debilidad.
Control hormonal de la concentración plasmática de calcio Hay varias hormonas que regulan el nivel de calcio, como la hormona paratiroidea, 1,25-dihidroxicolecalciferol y calcitonina. La hormona paratiroidea es la principal reguladora del nivel plasmático de calcio.
Efectos de la hormona paratiroidea La hormona paratiroidea (PTH) es una hormona peptídica que producen las glándulas paratiroideas y que se secreta en respuesta a un descenso de la concentración plasmática de calcio (fig. 19.21). Entre sus funciones, la PTH: 1) estimula la reabsorción de calcio en la rama ascendente del asa de Henle y en los túbulos distales, lo que disminuye la excreción de calcio y mantiene el nivel plasmático de calcio; 2) estimula la activación en los riñones de 1,25-dihidroxicolecalciferol, que estimula la absorción de calcio en el tubo digestivo y la reabsorción de calcio en los riñones, y 3) estimula la resorción ósea, lo que aumen-
El tratamiento de la osteoporosis suele consistir en suplementos dietéticos y hormonales. Los suplementos de estrógenos suelen emplearse en mujeres posmenopáusicas para disminuir el ritmo de resorción ósea. Sin embargo, los estrógenos no pueden contrarrestar ningún daño que ya se haya producido.
Microfotografía electrónica de osteoporosis en una mujer de 89 años.
ta el nivel plasmático de calcio. La PTH también provoca directamente un pequeño aumento en la absorción de calcio en el tubo digestivo.
Comprueba tus conocimientos Dada su ubicación, las glándulas paratiroideas solían extirparse durante la tiroidectomía. ¿Qué síntomas clínicos habrían hecho que los primeros médicos supusieran que, junto con la glándula tiroides, se estaba extirpando algo más?
Efectos del 1,25-dihidroxicolecalciferol El 1,25-dihidroxicolecalciferol, o 1,25-(OH)2D3, es una hormona esteroidea que actúa para incrementar el nivel plasmático de calcio por medio de la estimulación de la absorción de calcio en el tubo digestivo y la reabsorción de calcio en los túbulos distales de los riñones. El 1,25-(OH)2D3 se sintetiza en varios pasos a partir de la vitamina D3, que se sintetiza a partir del 7-dihidrocoles-
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico [Ca2+] en el plasma
Glándulas paratiroideas secreción de PTH
Retroalimentación negativa
[PTH ] en el plasma
Hueso
Riñones reabsorción de fosfatos
reabsorción de Ca2+
excreción de calcio en la orina
activación de 1,25-(OH2)D3
Resorción de Ca2+
[1,25-(OH2)D3] en el plasma Retroalimentación negativa Riñones
Tubo digestivo
Absorción de Ca2+
Estímulo inicial Respuesta fisiológica [Ca2+] en el plasma
Resultado
FIGURA 19.21 Función de la hormona paratiroidea en el equilibrio del calcio. La liberación de PTH está estimulada por una disminución del nivel plasmático de calcio. Entonces, la PTH actúa en los riñones para aumentar la reabsorción de calcio y activar 1,25-(OH)2D3, y en el hueso para incrementar la resorción ósea, procesos que llevan a un aumento del nivel plasmático de calcio.
terol en la piel a través de la exposición a la luz solar, o se absorbe de la dieta (fig. 19.22). Una vez en el plasma, la vitamina D3 viaja hasta el hígado, donde se convierte en 25-hidroxivitamina D3 (o 25-OH D3). Desde el hígado, la 25-OH D3 viaja en el torrente sanguíneo hasta los riñones, donde, en respuesta a un nivel plasmático de calcio bajo, la PTH regula la conversión de 25-OH D3 en 1,25-(OH)2D3.
Efectos de la calcitonina A diferencia de la PTH y la 1,25-(OH)2D3, la calcitonina disminuye el nivel de calcio en el plasma. La calcitonina es una hormona peptídica que secretan las células C de la glándula tiroides, que son distintas de las células que secretan la hormona tiroidea. La secreción de calcitonina está desencadenada por un aumento del nivel plasmático de calcio. Aunque la principal acción de la calcitonina es incrementar la formación de hueso por depósito de calcio, también reduce la reabsorción del calcio en los riñones, lo que lleva a un aumento de la excreción de calcio en la orina; ambas acciones disminuyen el nivel plasmático de calcio.
Test rápido 19.4 1. ¿Qué hormona regula la secreción de potasio? ¿Cuáles son algunos de los estímulos para la liberación de esta hormona? 2. Nombra las tres hormonas que afectan al nivel plasmático de calcio. Describe los efectos de cada una.
Interacciones entre líquidos y regulación electrolítica En las secciones anteriores se describía el equilibrio electrolítico e hídrico como si el agua y los iones se regularan de forma independiente. Sin embargo, no es así, ya que la reabsorción de cualquier ion aumenta el gradiente osmótico para la reabsorción hídrica. Además, las hormonas suelen afectar a más de un sistema. Consideremos, por ejemplo, la ADH, que, además de aumentar la reabsorción hídrica, estimula la producción de los canales de sodio en las células principales, mejorando, por
C A P Í T U LO 1 9 Luz solar
Tubo digestivo
Piel 7-dihidrocolesterol
Absorción de vitamina D3
[vitamina D3 ] en el plasma
Hígado Conversión de la vitamina D3 en 25-OH D3
[Ca2+] en el plasma
[25-OH D3] en el plasma
[PTH] en el plasma
Riñones Conversión de 25-OH D3 en 1,25-(OH2)D3
Retroalimentación negativa
[1,25-(OH2)D3] en el plasma
Riñones
Tubo digestivo
absorción de Ca2+
[Ca2+] en el plasma Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 19.22 Activación de 1,25-(OH)2D3. Se necesitan varios pasos para convertir la vitamina D3 en 25-OH D3 en respuesta a un nivel plasmático de calcio bajo. La PTH regula la conversión de 25-OH D3 en 1,25-(OH)2D3.
consiguiente, el movimiento de los iones de sodio desde la luz del túbulo a estas células. A medida que entra más sodio en la célula, la bomba de Na+/K+ trabaja más rápido para sacar el sodio de la célula, aumentando la reabsorción de sodio y la secreción de potasio. La ADH también disminuye el flujo hídrico en la parte distal de los túbulos distales y conductos colectores, porque queda menos agua tras su reabsorción. La disminución de agua aumenta la concentración de solutos en los túbulos, lo que afecta a la reabsorción o secreción de cual-
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
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quier soluto presente en estos túbulos. En otros ejemplos, la angiotensina II y el ANP afectan a la reabsorción hídrica, además de tener sus principales efectos en la reabsorción de sodio. Mientras que la angiotensina II aumenta la secreción de ADH, lo que estimula la reabsorción hídrica, el ANP inhibe la secreción de ADH, lo que disminuye la reabsorción hídrica. Podemos ejemplificar las interacciones entre sistemas de regulación hídrica y equilibrio electrolítico considerando los sucesos que tienen lugar tras una hemorragia. Hemos empleado este ejemplo primero para demostrar el control de la PAM (v. capítulo 14) y, en este caso, nos centramos en el control neural de la PAM. Ahora vamos a centrarnos en la recuperación del volumen de sangre tras una hemorragia. La hemorragia conlleva una disminución del volumen sanguíneo, que desciende la presión venosa y, por tanto, el retorno venoso. Al regresar menos sangre al corazón, el volumen sistólico disminuye, haciendo que descienda la PAM. Este descenso de la PAM lo detectan los barorreceptores, que (a través del reflejo barorreceptor) activan el sistema nervioso simpático e inhiben el sistema nervioso parasimpático. Por consiguiente, la frecuencia cardíaca y el volumen sistólico aumentan, así como la resistencia periférica total, lo que, en conjunto, hace que incremente la PAM. Este control neural de la presión arterial es muy rápido, pero no corrige la causa inicial del problema, que era la pérdida de volumen. Por medio de sus efectos en el volumen sanguíneo, el control hormonal de los riñones es fundamental en la regulación a largo plazo de la presión arterial. La hemorragia induce diferentes factores que contribuyen al control renal de la pérdida hídrica: 1. La disminución de la PAM estimula la secreción de renina tanto directa como indirectamente, de la siguiente manera: la presión en la arteriola aferente disminuye, lo que estimula la secreción de renina. El reflejo barorreceptor aumenta las aferencias simpáticas a las células yuxtaglomerulares, lo que también estimula la secreción de renina. El aumento de renina por parte de los riñones hace que el nivel de angiotensina II aumente en el plasma. La angiotensina II provoca vasoconstricción, lo que aumenta la resistencia periférica total y también la PAM. La angiotensina II también estimula la corteza suprarrenal para liberar aldosterona, lo que incrementa la reabsorción de sodio en los riñones, que, a su vez, aumentan la reabsorción hídrica. Asimismo, la angiotensina II actúa en el hipotálamo para estimular la sed de forma que incremente la ingesta hídrica y el volumen plasmático. 2. La menor actividad en los barorreceptores venosos y cardíacos estimula la liberación de ADH en la neurohipófisis. El aumento de ADH incrementa la reabsorción hídrica en los riñones, conservando el volumen plasmático. 3. Un descenso de la PAM disminuye la filtración glomerular, conservándose el agua y el sodio. 4. La hemorragia supone la pérdida de plasma y células sanguíneas. Las células se reemplazan por la síntesis de nuevas células, proceso que tarda días. El descenso de la PAM conlleva una disminución del flujo sanguíneo a los riñones, de forma que el suministro de oxígeno a los riñones es menor y la secreción de eritropoyetina se ve estimulada. Recordemos del capítulo 15 que, tras su liberación por los riñones, la eritropoyetina se desplaza en la sangre hasta la médula ósea, donde estimula la producción de eritrocitos nuevos.
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
La hemorragia constituye un ejemplo de cómo los sistemas orgánicos deben trabajar juntos para mantener la homeostasis. En la siguiente sección veremos cómo se mantiene el equilibrio ácido-base del plasma mediante las interacciones entre dos sistemas de órganos: los pulmones y los riñones.
Test rápido 19.5 1. Describe la relación entre el volumen sanguíneo y la presión arterial. 2. Compara la regulación a corto y a largo plazo de la presión arterial. 3. Nombra las hormonas que afectan al volumen sanguíneo y sus principales acciones.
Equilibrio ácido-base La concentración de iones de hidrógeno o pH de la sangre arterial está regulada por la combinación de las acciones de los pulmones y los riñones. Es fundamental que el pH arterial esté controlado estrictamente dentro de su rango normal, esto es, entre 7,38-7,42. Cabe destacar que este es un pH ligeramente alcalino. Una disminución del pH (aumento de la concentración de iones de hidrógeno) por debajo de 7,35 se llama acidosis, y un incremento del pH (descenso de la concentración de iones de hidrógeno) por encima de 7,45 se llama alcalosis. Los cambios en el pH de tan solo unas décimas por encima o debajo de estos valores pueden tener graves consecuencias para el organismo: 1. Las interacciones entre los iones de hidrógeno y algunos aminoácidos causan cambios conformacionales en las proteínas, de forma que cambian sus funciones. Por ejemplo, la actividad enzimática puede aumentar o disminuir por cambios en el pH. 2. Cambios en la actividad del sistema nervioso, aunque el mecanismo exacto aún no se comprende por completo. La acidosis provoca un descenso de la excitabilidad de las neuronas, especialmente en el sistema nervioso central; la acidosis grave puede llevar a la confusión, coma e incluso la muerte. La alcalosis, como la producida por la hiperventilación, hace que la excitabilidad de las neuronas aumente. 3. Dadas las complejas interacciones en el movimiento de potasio e iones de hidrógeno a través de los túbulos renales (como en las interacciones electroquímicas y la competición por transportar proteínas), las alteraciones ácido-base suelen ir acompañadas de desequilibrios del potasio. La acidosis provoca una retención de potasio (hiperpotasemia), mientras que la alcalosis causa una depleción de potasio (hipopotasemia). 4. La acidosis provoca arritmias cardíacas y vasodilatación de los vasos sanguíneos de la piel debidas a la actividad anormal de las catecolaminas.
Comprueba tus conocimientos Una persona que hiperventila suele sentir una sensación de hormigueo en las manos y pies, y puede que espasmos musculares y contracciones. Explica el motivo de estos síntomas.
Fuentes de alteraciones ácido-base La figura 19.23 muestra los diferentes aportes y pérdidas de ácido (iones de hidrógeno libres) a la sangre. Los aportes incluyen las fuentes alimenticias y metabólicas. Las proteínas y las grasas de la dieta proporcionan iones de hidrógeno en forma de aminoácidos y ácidos grasos. El metabolismo celular produce varios ácidos, como el dióxido de carbono, el ácido láctico y los cetoácidos. Los iones de hidrógeno pueden eliminarse de la sangre a través de los pulmones o los riñones. Mientras que los pulmones eliminan el ácido en forma de dióxido de carbono durante la ventilación, los riñones excretan los iones de hidrógeno por la orina. Igual que sucede con muchos otros sistemas del cuerpo, estos aportes y pérdidas deben equilibrarse si se quiere mantener un pH sanguíneo normal. Como la producción de ácido se da con regularidad en el organismo durante el metabolismo, deben evitarse los aumentos potenciales de la acidez sanguínea.
Alteraciones respiratorias Una fuente de ácido es el dióxido de carbono (v. capítulo 17). Recordemos que la enzima anhidrasa carbónica cataliza la reacción de conversión del dióxido de carbono y el agua en ácido carbónico, que se disocia en bicarbonato e iones de hidrógeno: anhidrasa carbónica CO2 + H2O
anhidrasa carbónica
H2CO3 s HCO3– + H+
El dióxido de carbono se produce durante el metabolismo celular, en concreto en el ciclo de Krebs. A medida que el dióxido de carbono aumenta en la sangre, se convierte en bicarbonato e iones de hidrógeno. Cuando la sangre rica en dióxido de carbono alcanza los pulmones, la reacción se invierte y se espira el dióxido de carbono. El aparato respiratorio colabora en el equilibrio ácido-base, regulando el nivel de dióxido de carbono en la sangre. Normalmente, la PCO2 de la sangre arterial se mantiene en su valor normal de 40 mmHg mediante los reflejos quimiorreceptores respiratorios, que ajustan la ventilación alveolar para adaptarse a la producción metabólica de dióxido de carbono. La acidosis respiratoria o la alcalosis respiratoria resultan de un exceso o déficit, respectivamente, de dióxido de carbono en la sangre. La acidosis respiratoria pueden provocarla tanto enfermedades pulmonares que interfieren con el intercambio de dióxido de carbono entre la sangre y el aire alveolar, como la
Aporte Dieta
Pérdida Proteínas Grasas
CO2 Metabolismo Ácido láctico Cetoácidos
H+
Riñones
CO2
Pulmones
Sangre [H+]
FIGURA 19.23 Aportes y pérdidas de ácido a la sangre. La dieta es la principal contribución de ácidos a la sangre, y el metabolismo celular genera ácidos adicionales. Para compensar la entrada de ácido, los riñones excretan iones de hidrógeno y el aparato respiratorio limpia el dióxido de carbono de la sangre.
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Alteraciones metabólicas La acidosis metabólica y la alcalosis metabólica son alteraciones del pH sanguíneo provocadas por otra razón diferente a las anomalías de la PCO2 La acidosis metabólica puede estar provocada por un exceso de eliminación del organismo de sustancias alcalinas, como el bicarbonato, la producción excesiva de ácido en el metabolismo o el consumo excesivo de ácidos en la dieta. La alcalosis metabólica puede estar motivada por el exceso de eliminación de ácidos del organismo o la adición de sustancias alcalinas a la sangre. Entre los factores que pueden provocar las alteraciones metabólicas del equilibrio ácido-base, se encuentran:
Mecanismos de defensa contra las alteraciones ácido-base Cualquier alteración de la velocidad de producción de ácidos o de bases en el organismo cambia el pH de la sangre arterial, trastornando el equilibrio entre la velocidad con la que se añaden y se eliminan los iones de hidrógeno en la sangre. Por suerte, hay «tres líneas de defensa» que protegen al cuerpo ante tales cambios en el pH: 1) estabilización de los iones de hidrógeno, que tiene lugar a través de la unión o liberación de iones de hidrógeno mediante sustancias que siempre están presentes en la sangre y otros compartimentos líquidos del organismo; 2) compensación respiratoria, que ajusta la velocidad a la que se limpia el dióxido de carbono de la sangre por la eliminación mediante los
pulmones, y 3) compensación renal, que ajusta la velocidad a la que se secretan los iones de hidrógeno y se reabsorben los iones de bicarbonato en los túbulos renales. El término compensación se usa porque los sistemas respiratorio y renal no suelen corregir el motivo de la alteración ácido-base, sino que simplemente la compensan, activando mecanismos que trabajan para restablecer el pH arterial normal.
Amortiguación de los iones de hidrógeno Los amortiguadores, la primera línea de defensa ante cambios en el pH, actúan de forma inmediata para compensar las alteraciones del pH. Un amortiguador químico es un compuesto que minimiza los cambios en el pH cuando se añade o elimina un ácido o base a la solución («Repaso de química: Amortiguadores»). El amortiguador más importante en el líquido extracelular (que incluye plasma) es el bicarbonato. La capacidad de estabilización del bicarbonato se muestra en la siguiente ecuación: HCO3– + H+ s H2CO3 Los amortiguadores importantes, localizados principalmente en el líquido intracelular, incluyen proteínas y fosfatos, cuyas capacidades de amortiguación se muestran en las siguientes ecuaciones: proteína– + H+ s H · proteína HPO42– + H+ s H2PO4– La ley de acción de masas determina si un amortiguador se une o libera iones de hidrógeno. Consideremos el siguiente ejemplo, que muestra iones de hidrógeno (H+) uniéndose de forma reversible a un amortiguador (A–): H+ + A– s HA Cuando se añade un ácido a la solución, el aumento resultante en la concentración de iones de hidrógeno desplaza la reacción a la derecha, de modo que la forma ionizada del amortiguador (A–) se conjuga con los iones de hidrógeno para producir formas protonadas (o ácidas) del amortiguador (HA): añade
v
1. Dieta rica en proteínas. Como el catabolismo de proteínas produce ácido fosfórico y ácido sulfúrico, las dietas ricas en proteínas pueden causar acidosis metabólica. 2. Dieta rica en grasas. Dado que el catabolismo de las grasas o los triglicéridos produce ácidos grasos, las dietas de gran contenido graso causan acidosis metabólica. 3. Ejercicio intenso. Durante la actividad intensa, no se puede alcanzar la demanda de oxígeno por parte de los tejidos, y el consiguiente metabolismo anaerobio produce un aumento de la cantidad de ácido láctico, que produce una acidosis metabólica. 4. Vómitos intensos. Por suponer una pérdida de los iones de hidrógeno que se secretan en el estómago y que normalmente se reabsorben en el intestino delgado, el exceso de vómitos puede producir alcalosis metabólica. 5. Diarrea grave. Dado que induce la pérdida de bicarbonato, que se produce en la parte superior del intestino delgado y suele reabsorberse al final del mismo, la diarrea grave puede producir una acidosis metabólica. 6. Alteración de la función renal. Como los riñones secretan iones de hidrógeno y reabsorben bicarbonato (como se ha descrito brevemente), los cambios en la función renal pueden provocar una acidosis o alcalosis metabólica.
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H+ + A–
HA
Cuando se elimina un ácido de una solución, la caída resultante de la concentración de iones de hidrógeno lleva el equilibrio a la izquierda, de modo que la forma protonada del amortiguador libera iones de hidrógeno: elimina
v
hipoventilación, una velocidad de ventilación alveolar que es demasiado baja. En cualquier caso, la PCO2 arterial aumenta, con el consiguiente incremento del nivel de ácido carbónico y de la concentración de iones de hidrógeno en la sangre. Por el contrario, la alcalosis respiratoria puede estar motivada por la hiperventilación, una velocidad de ventilación alveolar que es demasiado alta y que hace que la PCO2 disminuya, lo que lleva a un descenso de la concentración sanguínea de ácido carbónico y de iones de hidrógeno.
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
H+ + A–
HA
De las tres líneas de defensa ante las alteraciones del pH sanguíneo, la amortiguación es la más rápida; su respuesta en el tiempo está solamente limitada por el tiempo necesario para que los amortiguadores se unan o liberen iones de hidrógeno. Sin embargo, el amortiguamiento solo puede limitar cambios en el pH enlazándose o liberando iones de hidrógeno; no puede revertir los cambios del pH a menos que se añadan o eliminen más moléculas amortiguadoras a la sangre. Consideremos, por
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
REPASO DE QUÍMICA
Iones y enlaces iónicos
HA s H+ + A– Cuando se añade ácido (iones de hidrógeno) al agua, el pH disminuye debido a la elevación de la concentración de iones de hidrógeno. Si hay un amortiguador presente, esta elevación de la concentración empuja el equilibrio a la izquierda por la ley de acción de masas: añade H+
v
HA
H+ + A–
La combinación de iones de hidrógeno con la forma base del amortiguador (A–) elimina algunos de los iones de hidrógeno de la solución. Consecuentemente, el pH sigue cayendo, pero no tanto como si no hubiera amortiguador. Cuando se elimina ácido de una solución, el pH aumenta, porque la concentración de iones de hidrógeno cae. Si hay un amortiguador presente, la disminución de la concentración de iones de hidrógeno lleva el equilibrio a la derecha: elimina H+
HA
H+ + A–
La liberación de iones de hidrógeno de la forma ácida de la molécula amortiguadora (HA) añade iones de hidrógeno a la solución, lo que reemplaza parte de los iones de hidrógeno eliminados inicialmente. En
consecuencia, el pH se eleva, pero no tanto como lo habría hecho en ausencia de amortiguador. A partir de esta conclusión, parece que los amortiguadores limitan los aumentos o disminuciones del pH de una solución cuando se añade o elimina ácido. Cuando se añade o elimina ácido de un volumen determinado de agua pura, la magnitud del cambio resultante en el pH depende de la cantidad de ácido implicada. Cuando se añade o elimina la misma cantidad de ácido en presencia de un amortiguador, el cambio que resulta en el pH es menor, como se ve en la siguiente figura.
Solución amortiguadora
pH
Un amortiguador de iones de hidrógeno es un par ácido-base que tiene la capacidad de minimizar cambios en la concentración de protones o el pH tomando iones de hidrógeno (H+) de una solución cuando se ha añadido ácido, y liberando iones de hidrógeno a la solución cuando se ha eliminado ácido. El pH de una solución disminuye a medida que la concentración de protones aumenta, y queda definido por el logaritmo de la inversa de la concentración de protones: pH = log(1/[H+]). Como el amortiguador debe ser capaz de liberarse y enlazarse a los iones de hidrógeno, funciona tanto de ácido como de base. Las sustancias que pueden liberar y tomar iones de hidrógeno se definen como ácido débil, porque pueden tender a abandonar algunos enlaces con los iones de hidrógeno, pero no todos, cuando se disuelven en agua. En otras palabras, solo se disocian parcialmente en la solución. Por el contrario, un ácido fuerte, como el ácido clorhídrico (HCl), suele enlazarse a los iones de hidrógeno y se disocia completamente en la disolución. Para ver cómo funciona un amortiguador, consideremos lo que pasa cuando un ácido débil (HA) se disuelve en agua. El ácido libera algunos iones de hidrógeno a la solución, tal y como algunas moléculas pasan a la forma de base (A–). Tras un tiempo determinado, algunas de estas bases toman otros iones de hidrógeno de la solución. En el proceso, se revierten a la forma de ácido, mientras que una cantidad equivalente de ácidos libera sus iones de hidrógeno, pasando, por tanto, a la forma de base. Por consiguiente, la concentración de iones de hidrógeno en la solución no cambia, y la concentración de formas ácidas y de base del amortiguador permanece constante. En estas condiciones, el sistema está en equilibrio, lo que se representa así:
v
558
Agua pura
Cantidad de ácido (iones de hidrógeno) añadida
Observa que, cuando hay un amortiguador presente, el pH es prácticamente constante en un determinado rango, pero cambia más rápido a medida que el pH baja o sube mucho. Esto significa que la capacidad de un amortiguador para proteger ante cambios de pH está restringida a determinado rango de valores de pH (parte plana de la curva). Fuera de este rango, un amortiguador es relativamente inefectivo para limitar los cambios del pH. Diferentes amortiguadores son más efectivos en diferentes rangos de pH, dependiendo de la fuerza con la que tiendan a disociarse. Para ser útil en la protección de la sangre contra cambios del pH, el rango de efectividad de un amortiguador debe estar dentro del rango fisiológico del pH. Asimismo, el amortiguador debería estar presente en una concentración suficiente para permitir que consuma o libere cantidades importantes de iones de hidrógeno. Los principales amortiguadores fisiológicos son los iones de bicarbonato (HCO3–) y fosfatos monoprotonados (HPO42–). Estos amortiguadores toman y liberan iones de hidrógeno de la siguiente manera: H+ + HCO3– s H2CO3 H+ + HPO12– s H2PO4– Las proteínas también son importantes amortiguadores fisiológicos, porque contienen aminoácidos que poseen grupos carboxilos (— COOH) y grupos aminos (— NH2), que pueden aceptar o liberar iones de hidrógeno como se indica a continuación: H+ + — COO– s — COOH H+ + — NH2 s — NH2+
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ejemplo, una situación en la que el pH ha disminuido. Una vez que la molécula amortiguadora se haya enlazado a un ion de hidrógeno para eliminarlo de la solución y minimizar así la reducción del pH, esa molécula no puede enlazarse a otro ion de hidrógeno. El exceso de iones de hidrógeno enlazados a amortiguadores tiene que eliminarse del organismo en última instancia o el amortiguador no podrá defender contra cambios del pH por sí solo. Una vez que el pH arterial se ha desviado de su valor normal, puede restablecerse solo mediante la compensación respiratoria o renal.
Compensación respiratoria El aparato respiratorio, la segunda línea de defensa contra los cambios en el pH sanguíneo, suele actuar en pocos minutos. El aparato respiratorio regula el pH aumentando o disminuyendo la ventilación alveolar, lo que tiende a elevar o disminuir el pH respectivamente. Un aumento de la ventilación alveolar disminuye la PCO2 arterial. Si el dióxido de carbono está en equilibrio con los iones de hidrógeno y el bicarbonato, la ley de acción de masas dicta que los iones de hidrógeno y bicarbonato disminuyen:
+
Detectan y responden Retroalimentación negativa ventilación
PCO2 plasmática
pH plasmático Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 19.24 El mecanismo por el que disminuye el pH plasmático
H + HCO3
la disminución de la ventilación alveolar añade CO2
v H2CO3
Quimiorreceptores periféricos
–
De forma inversa, un descenso de la ventilación alveolar eleva la PCO2 arterial. Por la ley de acción de masas, los iones de hidrógeno y los iones de bicarbonato aumentan:
CO2 + H2O
pH plasmático ( acidez)
P ¿Dónde se encuentran los quimiorreceptores periféricos?
v
H2CO3
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incrementa la ventilación.
el aumento de la ventilación alveolar elimina CO2
CO2 + H2O
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
H+ + HCO3–
A diferencia de la amortiguación simple de los iones de hidrógeno, que minimiza pero no invierte los cambios del pH, la compensación respiratoria es el mecanismo regulador homeostático que puede invertir los cambios de pH. La figura 19.24 muestra lo que le ocurre a la ventilación cuando desciende el pH plasmático. El aumento de los iones de hidrógeno en el plasma activa los quimiorreceptores periféricos, que aumentan la ventilación de forma refleja. Un aumento de la ventilación causa un descenso de la PCO2 arterial, que, por la ley de acción de masas, provoca la conversión de bicarbonato e iones de hidrógeno a dióxido de carbono, eliminando, por tanto, los iones de hidrógeno libres de la solución y elevando el pH. Por lo general, el aparato respiratorio, por su cuenta, no puede restablecer un pH normal. Normalmente, la última línea de defensa, la compensación renal, entra también en acción.
Compensación renal La tercera línea de defensa ante cambios en el pH sanguíneo es el aparato renal, que tarda horas o incluso días en compensar los cambios de pH. Los riñones regulan el pH de la sangre arterial, regulando la excreción renal de iones de hidrógeno y bicarbonato, y produciendo bicarbonato nuevo de acuerdo con las siguientes normas: si la concentración de iones de hidrógeno en la sangre aumenta, los riñones incrementan la secreción de iones de hidrógeno y la reabsorción de bicarbonato, y sintetizan nuevo bicarbo-
nato; si la concentración sanguínea de iones de hidrógeno disminuye, los riñones reducen la secreción de iones de hidrógeno y la reabsorción de bicarbonato. La secreción de iones de hidrógeno está asociada a la reabsorción o síntesis de iones de bicarbonato, como se ha descrito brevemente. Diferentes sustancias fundamentales para la compensación renal de las alteraciones ácido-base, como CO2, H+, HCO3– y HPO42–, se filtran en el glomérulo. El destino de estas sustancias varía en los diferentes segmentos de los túbulos renales. Manejo renal de los iones de hidrógeno y bicarbonato en el túbulo proximal En el túbulo proximal, la reabsorción de bicarbonato está acoplada a la secreción de iones de hidrógeno (fig. 19.25). En las células epiteliales del túbulo proximal, se requieren varias proteínas para el movimiento de iones de hidrógeno y bicarbonato que se ubican tanto en la membrana basolateral como en la apical. Los transportadores que estén activos dependerán del pH del líquido extracelular. La membrana basolateral contiene tres transportadores vitales para el equilibrio ácido base: 1) bombas de Na+/K+, que extraen iones de sodio de la célula y hacia el líquido peritubular, mientras que introducen iones de potasio en la célula; 2) cotransportadores Na+/HCO3–, que sacan tanto iones de sodio como bicarbonato de la célula y hacia el líquido peritubular, y 3) contratransportadores HCO3–/Cl–, que introducen iones de cloruro en la célula y llevan iones de bicarbonato al líquido peritubular. La membrana apical contiene dos transportadores vitales para el equilibrio ácido-base: 1) contratransportadores Na+/H+, que introducen iones de sodio en la célula y sacan iones de hidrógeno de la célula y hacia el líquido tubular, y 2) bombas H+, que usan el ATP para transportar iones de hidrógeno al líquido tubular.
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
la luz de los túbulos al líquido peritubular de la siguiente manera: un ion de bicarbonato de la luz se convierte en una molécula de dióxido de carbono que se mueve desde la luz hasta la célula epitelial, donde se vuelve a convertir en un ion de bicarbonato que se mueve al líquido peritubular, donde ya se puede difundir a la sangre. En conjunto, estos sucesos en el túbulo proximal producen tres efectos principales: 1) en condiciones normales, se reabsorbe aproximadamente el 80-90% del bicarbonato filtrado; 2) se secretan iones de hidrógeno, y 3) se reabsorbe sodio.
Célula epitelial del túbulo proximal
H+ H+ H+ + HCO3– (secretado) (filtrado) H2CO3
K+
Na+ H+ CO2 + H2O
H2CO3 CA
HCO3–
CA
H2O + CO2
Na+
Na+ HCO3– Cl– HCO3–
Líquido peritubular
Manejo renal de los iones de hidrógeno y bicarbonato en el final del túbulo distal y el conducto colector En las células intercaladas del final FIGURA 19.25 Reabsorción de bicarbonato y secreción de iones de hidrógeno en el del túbulo distal y el conducto colector, la secretúbulo proximal. Los iones de bicarbonato filtrados se combinan con los iones de hidrógeno ción de iones de hidrógeno va acoplada a la sínsecretados para formar ácido carbónico, que se convierte en agua y dióxido de carbono gracias a la tesis de nuevos iones de bicarbonato (fig. 19.26). anhidrasa carbónica de la membrana apical. El dióxido de carbono difunde a la célula epitelial, Las células intercaladas que revisten los túbulos donde la anhidrasa carbónica intracelular cataliza la conversión de dióxido de carbono y agua en distales y conductos colectores tienen distintas ácido carbónico, que luego se disocia en bicarbonato e iones de hidrógeno. Los iones de hidrógeno proteínas de membrana que las células epitelialos secretan los contratransportadores con iones de sodio, mientras que los iones de les que revisten los túbulos proximales. bicarbonato los reabsorben los cotransportadores con los iones de sodio y los La membrana basolateral contiene: 1) concontratransportadores con iones de cloruro. tratransportadores HCO3–/Cl–, que sacan el bicarbonato de la célula y lo llevan al líquido peritubular, mientras que introducen los iones de cloruro en la célula, y 2) canales de cloruro, que permiten que La enzima anhidrasa carbónica (CA), que se encuentra en el el cloruro difunda de nuevo al líquido peritubular. La membrana citosol y en las microvellosidades de la membrana apical de la apical contiene 1) bombas de H+ que utilizan el ATP para transcélula epitelial, cataliza la siguiente reacción reversible: portar iones de hidrógeno fuera de la célula y al interior del líquiCO2 + H2O s H2CO3 do tubular, y 2) contratransportadores K+/H+ que transportan iones de potasio a la célula e iones de hidrógeno al líquido tubular. La anhidrasa carbónica enlazada a la membrana convierte el ácido carbónico (que viene de los iones de bicarbonato filtrados) en dióxido de carbono en la luz del túbulo proximal. El dióxido de carbono difunde entonces a la célula epitelial, donde la anhidrasa carbónica lo vuelve a convertir en ácido carbónico. Luego, el ácido carbónico se disocia por la siguiente reacción reverCélula intercalada Líquido tubular Líquido peritubular sible: Líquido tubular
H2CO3 s H+ + HCO3– El ion de hidrógeno formado dentro de la célula epitelial por esta reacción se secreta hacia la luz de los túbulos, bien por contratransporte con iones de sodio o por transporte activo mediante las bombas H+. La concentración intracelular de sodio se mantiene baja gracias a las bombas Na+/K+ de la membrana basolateral. En la luz del túbulo, los iones de hidrógeno se combinan con el bicarbonato filtrado para formar ácido carbónico. La anhidrasa carbónica que se encuentra en las microvellosidades cataliza la conversión de ácido carbónico en dióxido de carbono y agua. El dióxido de carbono se puede difundir a la célula epitelial, como ya se ha descrito. El ion de bicarbonato, formado dentro de la célula epitelial por la reacción de catalización de la anhidrasa carbónica, se mueve de la célula epitelial al líquido peritubular, bien por cotransporte con sodio o por contratransporte con cloruro. El cotransportador Na+/HCO3– participa en la reabsorción tanto del sodio como del bicarbonato. El efecto neto para el ion de bicarbonato es la reabsorción, ya que el bicarbonato se mueve desde
H+ H+ H+ + HPO42– –
H2PO4
H+ H+
K+ CO2 + H2O
Cl–
H2CO3 CA
HCO3–
Cl– HCO3–
FIGURA 19.26 Síntesis de bicarbonato y secreción de iones de hidrógeno en las células intercaladas del túbulo distal y el conducto colector. La anhidrasa carbónica del citosol convierte el dióxido de carbono (que se produce bien de forma metabólica o difunde a la célula desde el líquido peritubular) en ácido carbónico, que se disocia en iones de bicarbonato e iones de hidrógeno. Los iones de hidrógeno los secretan las bombas H+ o los contratransportadores K+/H+; los iones de bicarbonato se transportan al líquido peritubular mediante contratransportadores HCO3–/Cl–.
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La enzima anhidrasa carbónica se encuentra en el citosol de la célula intercalada. El nivel de dióxido de carbono en la célula epitelial aumenta a partir del metabolismo celular o de la difusión desde el líquido peritubular a la célula. Dentro de la célula, la anhidrasa carbónica convierte el dióxido de carbono y el agua en ácido carbónico, que luego se disocia en H+ y HCO3– :
Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
Líquido peritubular
Líquido tubular NH4+
Na+
CO2 + H2O s H2CO3 s H+ + HCO3–
NH3 +
H+
NH4
+
K+
Glutamina
La reacción se desplaza a la derecha por la sustracción de iones de hidrógeno y bicarbonato de la célula epitelial. Los iones de hidrógeno se eliminan mediante el transporte a través de la membrana apical por la bomba H+ o en intercambio por el K+ del contratransportador, causando la secreción de iones de hidrógeno. Los iones de bicarbonato se eliminan por el contratransporte con iones de cloruro a través de la membrana basolateral al líquido peritubular y luego al plasma. No obstante, este bicarbonato no se reabsorbe, ya que nunca ha estado en la luz de los túbulos renales, sino que se produjo en la célula epitelial, y se considera bicarbonato nuevo. Los nuevos iones de hidrógeno secretados disminuyen el pH del líquido tubular. Sin embargo, el pH del líquido tubular y, por tanto, de la orina está limitado a un mínimo de 4,5, valor en el que se detiene la secreción de iones de hidrógeno. Para minimizar la disminución del pH de la orina, se amortiguan los iones de hidrógeno secretados. Recuerda que los iones de hidrógeno secretados en el túbulo proximal se amortiguan gracias a los iones de bicarbonato filtrados. Sin embargo, en el túbulo distal y el conducto colector queda muy poco bicarbonato en la luz de los túbulos, así que la mayoría se reabsorbe. Recuerda también que los iones de fosfato se filtran libremente en el glomérulo. En la luz de los túbulos distales y conductos colectores, se amortiguan los iones de hidrógeno mediante fosfatos, de acuerdo con la siguiente ecuación: 2–
HPO4
+ H s H2PO4 +
–
En conjunto, estos sucesos en los túbulos distales y conductos colectores tienen dos efectos principales: se añaden nuevos iones de bicarbonato recién formados al plasma y se secretan iones de hidrógeno al líquido tubular. Función de la glutamina en la compensación renal durante la acidosis grave El mecanismo que acabamos de describir suele compensar los incrementos de la concentración de iones de hidrógeno causada por las actividades cotidianas. Sin embargo, estos mecanismos son insuficientes para compensar un gran incremento de la concentración plasmática de iones de hidrógeno. En estado de acidosis grave, hay un tercer mecanismo renal que participa en la compensación (fig. 19.27). En el túbulo contorneado proximal, se transporta glutamina desde el líquido tubular y el líquido peritubular a las células epiteliales. El catabolismo de la glutamina en las células epiteliales genera iones de bicarbonato y amoníaco (NH3): Glutamina r HCO3– + NH3 El bicarbonato se mueve al líquido peritubular por cotransporte con sodio o contratransporte con cloruro. Sin embargo, este bicarbonato no se reabsorbe, porque nunca estuvo en el líquido tubular, se añade nuevo bicarbonato a la sangre. El amoníaco se convierte en amonio (NH4+) mediante la siguiente reacción: NH3 + H+ r NH4+
HCO3– H+
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Cl– Na+
Na+
Na+ HCO3– HCO3–
FIGURA 19.27 Producción de bicarbonato y secreción de hidrógeno mediante el metabolismo de glutamina en el túbulo proximal. La glutamina se cataboliza en iones de bicarbonato y amoníaco. Los iones de bicarbonato se transportan al líquido peritubular por el cotransportador Na+/HCO3– o el contratransportador HCO3–/Cl–. El amoníaco se une a un ion de hidrógeno para formar amonio, que se secreta mediante un contratransportador con iones de sodio.
Este amonio se transporta al líquido tubular por contratransporte con iones de sodio y finalmente se expulsa. El efecto final de estos sucesos es que el ion de bicarbonato nuevo se añade a la sangre y el ion de hidrógeno se secreta en forma de amonio.
Compensación de las alteraciones ácido-base Recordemos del capítulo 17 que la ecuación de Henderson-Hasselbalch describe la relación entre el pH del plasma y la proporción de los niveles plasmáticos de bicarbonato y dióxido de carbono: pH = 6,1 + log[HCO3–]/[CO2] Dado que el pH sanguíneo debe mantenerse en 7,4, en esta ecuación se puede despejar la proporción de bicarbonato y dióxido de carbono: 7,4 = 6,1 + log[HCO3–]/[CO2] 1,3 = log[HCO3–]/[CO2] [HCO3–]/[CO2] = 20 Por consiguiente, para que un pH plasmático sea normal, la proporción de bicarbonato y dióxido de carbono debe ser 20:1. Los aparatos respiratorio y renal trabajan conjuntamente para controlar esta proporción; el aparato respiratorio controla el nivel de dióxido de carbono y los riñones regulan el nivel de bicarbonato. En la acidosis, la proporción de bicarbonato y dióxido de carbono disminuye a menos de 20:1 por una disminución de bicarbonato o un aumento de dióxido de carbono. En la alcalosis, la proporción de bicarbonato y dióxido de carbono sube por encima de 20:1 debido a un aumento de bicarbonato o una disminución de dióxido de carbono. Veamos cuáles son los cuatro tipos de alteraciones ácidobase y cómo las compensa el organismo.
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
Acidosis respiratoria La acidosis respiratoria está causada por la hipoventilación, en la que la ventilación es menor de lo que necesita el organismo. El dióxido de carbono aumenta en el plasma, disminuyendo el pH: añade
v CO2 + H2O
FH2CO3
FH+ + FHCO3–
Alcalosis metabólica La alcalosis metabólica está motivada por una disminución de los ácidos en el plasma que no guarda relación con el dióxido de carbono: elimina
v
La hipoventilación puede deberse a una enfermedad pulmonar, depresión del centro respiratorio en el tronco encefálico o una enfermedad que afecte a los músculos respiratorios. Como consecuencia de la hipoventilación, aumenta la PCO2 arterial, disminuyendo la proporción entre bicarbonato y dióxido de carbono. Para restablecer la proporción y, por tanto, el pH, los riñones compensan mediante la secreción de iones de hidrógeno y la reabsorción de iones de bicarbonato. Los pulmones no pueden compensar, porque son el origen inicial del problema (a menos que la hipoventilación fuera voluntaria y no patológica, caso en el que los pulmones pueden compensar volviendo a una ventilación normal).
aumento de la ventilación reduce la PCO2 arterial, que lleva a la conversión de bicarbonato e iones de hidrógeno en más dióxido de carbono, disminuyendo el nivel sanguíneo de los iones de hidrógeno libres. Sin embargo, los pulmones no pueden compensar por completo este estado, porque el aumento de ventilación disminuye la PCO2 arterial, lo que hace decrecer la influencia de estimulación del dióxido de carbono sobre los quimiorreceptores centrales. En la compensación renal, la producción de bicarbonato nuevo es fundamental para reemplazar el que se ha perdido a través de los siguientes procesos: 1) cuando el bicarbonato se usa para estabilizar el exceso de ácido, y 2) cuando el nivel plasmático de bicarbonato se rebajó durante la compensación respiratoria como se acaba de describir.
CO2 + H2O
Alcalosis respiratoria La alcalosis respiratoria está causada por la hiperventilación, en la que la ventilación es mayor de lo que necesita el organismo. Los motivos de la hiperventilación pueden ser fiebre o ansiedad. Como consecuencia de la hiperventilación, disminuye la PCO2 arterial, aumentando la proporción entre bicarbonato y dióxido de carbono:
v
elimina
CO2 + H2O
fH2CO3
fH+ + fHCO3–
Para restablecer la proporción, los riñones compensan, disminuyendo la reabsorción de iones de bicarbonato y secretando menos iones de hidrógeno. Los pulmones no pueden compensar, porque son el origen del problema (a menos que la hiperventilación fuera voluntaria).
Acidosis metabólica La acidosis metabólica está provocada por un incremento de ácidos en el plasma no relacionados con el dióxido de carbono:
H2CO3
fH+ + FHCO3–
Las causas de la alcalosis metabólica son vómitos, que suponen una pérdida de contenido de ácidos gástricos, y la ingestión de sustancias alcalinas, como el bicarbonato sódico (levadura) o antiácidos. La compensación de la alcalosis metabólica requiere la participación de los pulmones y los riñones. En la compensación respiratoria, el descenso del nivel plasmático de iones de hidrógeno elimina el efecto estimulador sobre los quimiorreceptores periféricos, que disminuyen la ventilación de forma refleja. El descenso de la ventilación incrementa la PCO2 arterial, que se combina con el agua para producir bicarbonato e iones de hidrógeno, aumentando el nivel sanguíneo de iones de hidrógeno libres. Al igual que en la acidosis metabólica, los pulmones no pueden compensar por completo, porque el descenso de ventilación aumenta la PCO2 arterial, que activa los quimiorreceptores centrales e incrementa la ventilación. En la compensación renal, los pulmones excretan más iones de bicarbonato y menos iones de hidrógeno. Al liberar la sangre del bicarbonato, se desplaza el equilibrio a la derecha, haciendo que reaccione más dióxido de carbono con el agua para formar ácido carbónico, que luego se disocia e incrementa la concentración plasmática de iones de hidrógeno.
añade
v
CO2 + H2O
H2CO3
FH+ + fHCO3–
Las causas de la acidosis metabólica son diarrea, que motiva la pérdida de bicarbonato mediante la eliminación de contenido intestinal; diabetes mellitus, que incrementa el metabolismo de las grasas y hace que se acumulen cetoácidos; ejercicio intenso, que aumenta la producción de ácido láctico, e insuficiencia renal. La compensación de la acidosis metabólica consiste en un incremento de la ventilación y, si los riñones no forman parte del problema inicial, en un aumento de la producción de bicarbonato nuevo y en una mayor excreción de H+ en los riñones. En la compensación respiratoria, un aumento del nivel de iones de hidrógeno en el plasma activa los quimiorreceptores periféricos, que aumentan la ventilación de forma refleja. El
Evaluación de las alteraciones ácido-base El diagnóstico de las alteraciones ácido-base supone medir la concentración plasmática de iones hidrógeno (pH), dióxido de carbono (PCO2) y bicarbonato. Las diferentes alteraciones ácidobase se pueden diagnosticar de la siguiente forma (fig. 19.28): Un descenso del pH acompañado de un descenso del nivel plasmático de bicarbonato indica la existencia de acidosis metabólica. Como los pulmones compensan la acidosis metabólica aumentando la ventilación, el nivel de PCO2 desciende. ■ Una disminución del pH acompañada de un aumento de la PCO2 inicia la existencia de una acidosis respiratoria. Como los riñones compensan la acidosis respiratoria aumentando ■
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pH arterial
O
pH < 7,35
pH > 7,45
Acidosis
[HCO3– ] < 24 mM
Alcalosis
PCO2 > 40 mmHg
[HCO3– ] > 24 mM
Acidosis metabólica
Acidosis respiratoria
Alcalosis metabólica
Alcalosis respiratoria
Compensación respiratoria
Compensación renal
Compensación respiratoria
Compensación renal
PCO2 < 40 mmHg
[HCO3– ] > 24 mM
PCO2 > 40 mmHg
[HCO3– ] < 24 mM
O
O
PCO2 < 40 mmHg
FIGURA 19.28 Resumen de las alteraciones ácido-base y sus compensaciones.
la reabsorción de bicarbonato, el nivel plasmático de este aumenta. ■ Un aumento de pH acompañado de un aumento del nivel plasmático de bicarbonato indica una alcalosis metabólica. El nivel de PCO2 aumenta como parte de la compensación respiratoria. ■ Un aumento del pH acompañado de una reducción de la PCO2 indica una alcalosis respiratoria. El nivel plasmático de bicarbonato disminuye como parte de la compensación renal.
Test rápido 19.6 1. Describe las tres líneas de defensa ante cambios en el equilibrio ácido-base. ¿Qué corrige con mayor rapidez los cambios en el pH sanguíneo? ¿Qué tarda más en compensarlo? 2. Explica cómo la secreción de iones de hidrógeno está asociada a la reabsorción de bicarbonato en el túbulo proximal, y cómo lo está a la síntesis de nuevo bicarbonato en el túbulo distal y el conducto colector. 3. ¿Cuál es la proporción plasmática normal entre iones de bicarbonato y dióxido de carbono? ¿Por qué?
Integración de sistemas Al igual que el aparato cardiovascular es necesario para llevar sangre a los órganos, el aparato urinario lo es para asegurar que la sangre tiene el volumen y contenido apropiados. Sin embargo, los riñones hacen mucho más que filtrar sangre. Los riñones y el aparato respiratorio regulan el equilibrio ácido-base, necesario para la función normal de las proteínas. Como las proteínas realizan muchas funciones en las células y la sangre transporta nutrientes a los órganos, los daños en el aparato urinario afectan a todos los sistemas del organismo. Los riñones interactúan de diferentes formas con el sistema endocrino: secretan eritropoyetina, que regula la síntesis de glóbulos rojos para asegurar un suministro adecuado de oxígeno a las células. También son necesarios para la activación del 1,25-dihidroxicolecalciferol, que regula el nivel de calcio en sangre para mantener la excitabilidad neuronal y muscular normales y para el normal crecimiento óseo. Además, los riñones secretan renina, una enzima proteolítica que se requiere para la activación de la angiotensina II. A través de la activación de la angiotensina II y la regulación del equilibrio hídrico y electrolítico, los riñones trabajan en la regulación a largo plazo de la presión arterial.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Concepto de equilibrio, pág. 535 Para estar en equilibrio, la suma de las entradas y producción de una sustancia debe ser igual a la suma de las salidas más su utilización. El plasma puede ganar o perder sustancias por intercambio con las células o el tejido conjuntivo extracelular. El
plasma también puede ganar o perder sustancias como resultado del intercambio con el medio externo. Cuando los solutos y el agua entran y salen del plasma al mismo ritmo, el plasma está en equilibrio. Cuando una sustancia entra en el organismo más rápido de lo que sale, se dice que se está en
estado de equilibrio positivo. Cuando una sustancia abandona el organismo más rápido de lo que entra, se da un estado de equilibrio negativo. Fluid, Electrolyte, and Acid/Base Balance, Introduction to Body Fluids, págs. 1–3, 9–15
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Aparato urinario: equilibrio electrolítico e hídrico
Equilibrio hídrico, pág. 537 Para que el agua esté en equilibrio, la entrada procedente de alimentos y bebidas y el metabolismo celular deben equivaler a la salida por las heces, orina y pérdidas imperceptibles. El control de la excreción de agua de los riñones regula el volumen y la osmolaridad del plasma. En los túbulos renales, la reabsorción hídrica tiene lugar a través de la ósmosis, que está asociada a la reabsorción activa de solutos. El gradiente osmótico medular crea una fuerza para la reabsorción del agua mediante ósmosis a medida que el líquido tubular se mueve a través del túbulo distal y el conducto colector. La osmolaridad de este gradiente oscila entre 300 mOsm, en la parte superficial de la médula, y 1.400 mOsm, en la profundidad la médula; este gradiente existe por el multiplicador de contracorriente. La mayoría del agua filtrada se reabsorbe en el túbulo proximal. El porcentaje del 30% restante que puede reabsorberse al final del túbulo distal y del conducto colector depende del nivel plasmático de ADH. El líquido tubular del final del túbulo distal y el conducto colector son hiposmóticos respecto al líquido intersticial, creando una fuerza osmótica para la reabsorción hídrica. La ADH aumenta la permeabilidad de estos túbulos al agua, permitiendo, por tanto, que ocurra la reabsorción. La neurohipófisis libera ADH en respuesta a un aumento de la osmolaridad del líquido extracelular o una disminución de la presión arterial y del volumen sanguíneo.
Fluid, Electrolyte, and Acid/Base Balance, Introduction to Body Fluids, págs. 4–9, 19–22 Fluid, Electrolyte, and Acid/Base Balance, Water Homeostasis, págs. 1–10, 12, 14–19 Fluid, Electrolyte, and Acid/Base Balance, Electrolyte Homeostasis, pág. 8
Equilibrio de sodio, pág. 546 La regulación de la reabsorción del sodio es vital para el mantenimiento de la composición plasmática normal de sodio, que afecta a la osmolaridad del líquido extracelular y la excitabilidad tisular. La reabsorción del sodio también afecta a la reabsorción de otros solutos y del agua, y a la secreción de algunos solutos. El sodio se absorbe de forma activa a través de los túbulos renales, y esta reabsorción está controlada por las bombas de Na+/K+ ubicadas en la membrana basolateral de las células epiteliales.
La hormona aldosterona y el péptido natriurético auricular regulan la reabsorción de sodio. La liberación de aldosterona está controlada por el nivel plasmático de potasio y el sistema renina-angiotensina-aldosterona. La liberación de renina está estimulada por un aumento de la actividad nerviosa simpática, una disminución de la presión de la arteriola aferente o un descenso del nivel de sodio y cloruro en el túbulo distal. La renina convierte el angiotensinógeno en angiotensina I, la cual se convierte en angiotensina II gracias a la enzima convertidora de la angiotensina, y estimula la liberación de aldosterona en la corteza suprarrenal. La aldosterona aumenta la reabsorción de sodio y la secreción de potasio. Las células de la aurícula secretan el péptido natriurético auricular en respuesta a la distensión de la pared auricular causada por el aumento del volumen plasmático. El ANP disminuye la filtración glomerular y la reabsorción de sodio, lo que aumenta la excreción de sodio.
Fluid, Electrolyte, and Acid/Base Balance, Electrolyte Homeostasis, págs. 25–32
Equilibrio de potasio, pág. 550 El equilibrio de potasio es vital para el correcto funcionamiento de las células excitables. El potasio sufre tanto una reabsorción como una secreción en los túbulos renales. Aunque el efecto neto del movimiento del potasio a través de los túbulos renales es la reabsorción, la secreción de potasio es la que está regulada. Esta última aumenta con la aldosterona. Un nivel plasmático alto de potasio estimula la liberación de aldosterona.
Equilibrio de calcio, pág. 551 El calcio, fundamental para el funcionamiento de la mayoría de las células, puede añadirse al plasma desde los huesos y el tubo digestivo, y eliminarse del mismo a través de los huesos y los riñones. El PTH estimula la resorción ósea, la absorción de calcio en el tubo digestivo, la reabsorción de calcio en los riñones y la activación de 1,25-(OH)2D3 en los riñones. La 1,25-(OH)2D3 estimula la absorción de calcio en el tubo digestivo y la reabsorción en los riñones. La calcitonina disminuye el nivel de calcio en plasma, aumentando la formación ósea y disminuyendo la reabsorción de calcio en los riñones.
Fluid, Electrolyte, and Acid/Base Balance, Electrolyte Homeostasis, págs. 25–32
Interacciones entre líquidos y regulación electrolítica, pág. 554 Existe un solapamiento considerable en la regulación hídrica y electrolítica en cuanto a que una sola hormona afecta tanto al agua como a la secreción de electrólitos en los riñones. Además, el movimiento de soluto afecta a las fuerzas que actúan en las moléculas de agua y el movimiento del agua afecta a las fuerzas que actúan en las moléculas de solutos. La hemorragia supone un ejemplo de cómo interactúan los sistemas para mantener la homeostasis. En este ejemplo, las interacciones entre los aparatos renal y cardiovascular regulan la presión arterial hasta alcanzar un nivel normal.
Equilibrio ácido-base, pág. 556 El pH arterial está muy controlado para mantener el rango normal de entre 7,35 y 7,45. Un descenso del pH por debajo de 7,35 se denomina acidosis, mientras que un aumento por encima de 7,45 recibe el nombre de alcalosis. El aparato respiratorio contribuye al equilibrio ácido-base regulando el nivel sanguíneo de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se puede convertir en ácido carbónico por la acción de la enzima anhidrasa carbónica. La acidosis respiratoria está causada por un aumento de la PCO2, mientras que la alcalosis respiratoria está motivada por un descenso de la PCO2. La acidosis y la alcalosis metabólica son alteraciones del pH sanguíneo causadas por un motivo diferente a una anomalía de la PCO2. Hay tres «líneas de defensa» que protegen ante cambios del pH sanguíneo: 1) amortiguamiento de los iones de hidrógeno; 2) compensación respiratoria, y 3) compensación renal. La estabilización actúa de forma inmediata, porque los amortiguadores químicos están siempre presentes en la sangre. Sin embargo, la sangre tiene una capacidad de amortiguamiento limitada y, cuando hay un exceso de iones de hidrógeno en el plasma, debe conseguirse eliminarlos del organismo. El aparato respiratorio actúa en cuestión de minutos para eliminar los iones de hidrógeno en forma de dióxido de carbono. El aparato renal tarda horas o días en sintetizar bicarbonato nuevo y eliminar iones de hidrógeno.
Fluid, Electrolyte, and Acid/Base Balance, Acid/Base Homeostasis, págs. 1–60
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EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Cuál de los siguientes se esperaría que desencadenara una disminución de la secreción de renina? a) caída de la PAM b) caída en la presión dentro de la arteriola aferente c) disminución de la actividad de los nervios simpáticos d) disminución de la concentración de cloruro sódico en el líquido tubular e) disminución de la FG 2. ¿Cuál de los siguientes se esperaría que desencadenara una disminución de la secreción de ADH? a) ingestión de gran cantidad de agua pura b) sudoración c) hemorragia d) disminución de la PAM e) a y c son correctas 3. Asume que el líquido entra en el túbulo distal con una osmolaridad de 100 mOsm y que la osmolaridad máxima del líquido intersticial medular es de 1.100 mOsm. A medida que aumenta el nivel de ADH en el plasma, la osmolaridad de la orina a) se acerca a 100 mOsm como límite más bajo. b) se acerca a 1.100 mOsm como límite más alto. c) termina excediendo de 1.100 mOsm. d) se acerca a 300 mOsm, la osmolaridad normal del plasma. 4. ¿Cuál de los siguientes suele estar acompañado por un incremento en la velocidad de excreción de bicarbonato en la orina? (No incluyas cambios compensatorios que puedan estar provocados como un resultado.) a) descenso de la secreción de iones de hidrógeno b) aumento en la concentración plasmática de bicarbonato c) aumento en la producción de amoníaco en las células epiteliales del túbulo renal d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 5. Asumiendo que la PCO2 arterial es normal, ¿cuál de las siguientes opciones promueve la acidosis metabólica? a) aumento de la secreción de iones de hidrógeno en el túbulo renal b) disminución de la ventilación alveolar c) aumento de la reabsorción de bicarbonato d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas
6. ¿Cuál de las siguientes opciones suele promover un aumento de la excreción de sodio? a) aumento de la filtración glomerular b) aumento de la concentración plasmática de renina c) aumento de la secreción de péptido natriurético auricular d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas 7. La osmolaridad del líquido tubular aumenta cuando fluye por la rama descendente del asa de Henle porque a) se transportan solutos de forma pasiva a la rama descendente. b) se transportan solutos de forma activa a la rama descendente. c) se transportan solutos de forma pasiva fuera de la rama ascendente. d) el agua entra de forma pasiva en la rama descendente. e) el agua sale de forma pasiva fuera de la rama descendente. 8. Ya que el sudor es fundamentalmente una solución salina con una osmolaridad menor que la del plasma, la sudoración intensa lleva a una reducción del volumen plasmático y un aumento de la osmolaridad del plasma. ¿Cómo afectan estos cambios a la secreción de ADH? a) El descenso del volumen plasmático inhibe la secreción de ADH, pero el aumento de la osmolaridad lo estimula. b) El descenso del volumen plasmático estimula la secreción de ADH, pero el aumento de la osmolaridad lo inhibe. c) Tanto el descenso del volumen plasmático como el aumento de osmolaridad estimulan la secreción de ADH. d) Tanto el descenso del volumen plasmático como el aumento de osmolaridad inhiben la secreción de ADH. 9. En el citosol de las células intercaladas, el dióxido de carbono que se convierte en ácido carbónico puede venir de a) la luz del túbulo distal y el conducto colector. b) el metabolismo dentro de la célula intercalada. c) el catabolismo de la glutamina. d) a y b son correctas e) todas las respuestas son correctas 10. En la luz del túbulo proximal, los iones de hidrógeno se estabilizan principalmente gracias al a) icarbonato. b) fosfatos. c) proteínas. d) sulfatos. e) dióxido de carbono.
11. El aumento de la PAM estimula a) la liberación de ADH. b) la producción de angiotensina II. c) la liberación de aldosterona. d) la liberación de renina. e) el aumento de la excreción de agua en la orina. 12. ¿Cuál de las siguientes opciones no estimula la liberación de aldosterona? a) el péptido natriurético auricular b) un aumento del potasio en el plasma c) un aumento de la secreción de renina d) un aumento de la producción de angiotensina II 13. La bomba Na+/K+ está ubicada en a) la membrana basolateral de las células del túbulo proximal y en la membrana apical de las células principales. b) la membrana apical de las células del túbulo proximal y en la membrana basolateral de las células principales. c) la membrana basolateral tanto de las células del túbulo proximal como de las células principales. d) la membrana apical tanto de las células del túbulo proximal como de las células principales. 14. En las células epiteliales que revisten los túbulos proximales, la anhidrasa carbónica se localiza a) solo en la membrana basolateral. b) solo en la membrana apical. c) solo dentro de la célula. d) dentro de la célula y en la membrana apical. e) dentro de la célula y en la membrana basolateral. 15. ¿Cuál es el diagnóstico de una persona con los siguientes síntomas: pH arterial = 7,48; PCO2 = 44 mmHg; concentración plasmática de bicarbonato = 27 mM? a) acidosis respiratoria b) alcalosis respiratoria c) acidosis metabólica d) alcalosis metabólica
Preguntas objetivas 1. Un aumento de la reabsorción de solutos (aumenta/disminuye) la reabsorción hídrica. 2. La mayoría de los solutos y el agua se reabsorben en el (túbulo proximal/túbulo distal y conducto colector). 3. Las células epiteliales de la rama descendente del asa de Henle transportan de forma activa solutos desde el líquido tubular al espacio peritubular. (verdadero/falso)
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4. La velocidad de flujo de orina aumenta cuando el nivel plasmático de ADH (aumenta/disminuye). 5. El estiramiento de la aurícula del corazón promueve la secreción de ———— ———— ————, una hormona que estimula la excreción de sodio. 6. Si el volumen plasmático está por debajo de lo normal, un aumento de la reabsorción hídrica será suficiente para restablecer su valor normal. (verdadero/falso) 7. ———— estimula la inserción de bombas Na+/K+ en la membrana plasmática de las células principales de los túbulos distales y los conductos colectores. 8. ———— estimula la inserción de poros de agua en la membrana plasmática de las células epiteliales de los túbulos distales y los conductos colectores. 9. La ADH aumenta la permeabilidad del asa de Henle. (verdadero/falso) 10. La secreción de potasio se ve (estimulada/inhibida) por la aldosterona. 11. La calcitonina (aumenta/disminuye) el nivel plasmático de calcio. 12. La resorción ósea (aumenta/disminuye) el nivel plasmático de calcio
13. Si se añade bicarbonato nuevo a la sangre, los riñones pueden dar lugar a un (aumento/disminución) compensatorio/a en el pH plasmático. 14. Los riñones pueden excretar orina, que es agua pura. (verdadero/falso) 15. No hay límite para la cantidad de iones de hidrógeno que los riñones puedan excretar. (verdadero/falso)
Preguntas abiertas 1. Describe los efectos celulares de la ADH en las células principales del túbulo distal y el conducto colector. 2. Describe cómo afecta cada una de las siguientes hormonas a la reabsorción hídrica, ya sea directa o indirectamente: ADH, angiotensina II, aldosterona y ANP. 3. Describe los efectos de la aldosterona en el manejo renal de sodio y potasio. 4. ¿Cuáles son los estímulos para la liberación de renina? Describe la vía por la que la renina lleva a la liberación de aldosterona. 5. Explica cómo afectan las siguientes hormonas a la presión arterial: ADH, angiotensina II, aldosterona y ANP.
6. Describe los cambios de la PCO2 arterial y el nivel de bicarbonato que tienen lugar durante la acidosis metabólica. ¿Cuál de los cambios es compensatorio?
Pensamiento crítico 1. En el capítulo 7, vimos la función del potasio en el establecimiento del potencial de membrana en reposo. En el capítulo 13, aprendimos sobre la actividad eléctrica del corazón. Las arritmias cardíacas son irregularidades en la actividad eléctrica del corazón. Con esta información, explica cómo pueden causar arritmias cardíacas la hiperpotasemia y la hipopotasemia. 2. Los inhibidores de ECA suelen usarse para tratar la hipertensión. Explica cómo funcionan. 3. El desequilibrio de potasio suele asociarse a alteraciones ácido-base. Explica cómo la regulación de potasio e iones de hidrógeno influyen entre sí. ¿Se te ocurre algún otro ejemplo en el que la regulación del equilibrio de alguna sustancia de la sangre pueda darse a expensas del equilibrio de otra sustancia?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Aparato digestivo Una vez, Alejandro se despertó a media noche por un dolor agudo en el pecho. Pensó que estaba sufriendo un ataque cardíaco y fue corriendo al servicio de urgencias
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del hospital. Después de hacerle varias pruebas, el doctor le dio un medicamento espeso. Juan se lo bebió y empezó a encontrarse mejor en tan solo 30 minutos. El médico le explicó que no estaba padeciendo un ataque al corazón, sino pirosis, así que le recetó antiácidos y un inhibidor de la bomba de protones gástrica para tratar su reflujo gástrico. La pirosis no tiene nada que ver con el corazón, es un trastorno digestivo que provoca dolor en el pecho y, por tanto, se asemeja a los síntomas de un ataque al corazón. Durante y después de una comida, la mucosa del estómago secreta ácido hacia la luz para facilitar la digestión de proteínas. El estómago está protegido de este ácido gracias a un revestimiento mucoso. Cuando el contenido ácido sale del estómago, normalmente entra en el intestino delgado, que tiene un medio alcalino que neutraliza el ácido. El esfínter esofágico inferior es un anillo de músculo liso que suele sellar la apertura al estómago de forma que el contenido no pueda volver al esófago (el conducto que conecta la boca con el estómago), pero este esfínter se abre durante la deglución. Si el esfínter esofágico inferior no se cierra por completo, parte del contenido ácido del estómago se escapa al esófago (reflujo gástrico), y el ácido irrita el revestimiento del esófago y activa los nocirreceptores. En este capítulo analizaremos los órganos y funciones del aparato digestivo.
CONTENIDOS Repaso de los procesos del aparato digestivo
568 Microfotografía electrónica coloreada del intestino delgado.
Anatomía funcional del aparato digestivo 568 Digestión y absorción de nutrientes y agua 580 Principios generales de la regulación digestiva Secreción digestiva y su regulación
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Motilidad digestiva y su regulación
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Aparato digestivo
OBJETIVOS
Identificar los órganos principales del aparato digestivo y describir las funciones de cada uno de ellos.
Identificar las diversas capas de tejido que conforman la pared del tubo digestivo.
Describir los mecanismos fundamentales que intervienen en la absorción de hidratos de carbono, proteínas y productos de la digestión lipídica. Explicar la relación entre el mecanismo de la absorción lipídica y la naturaleza hidrófoba de las grasas.
Describir, en términos generales, la función de las vías reflejas cortas, las vías reflejas largas y las hormonas digestivas en el control de la función digestiva.
Describir las funciones de la saliva, el ácido gástrico, el jugo pancreático y la bilis. Explicar cómo se regula la secreción de cada una de estas sustancias.
Definir el peristaltismo, la segmentación, el complejo de motilidad migratoria, la haustración, el movimiento de masa y el ritmo eléctrico básico. Describir la función de todos ellos en la digestión.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
Repaso de los procesos del aparato digestivo La mayoría de moléculas de nutrientes en los alimentos son demasiado grandes como para pasar al torrente sanguíneo. Por este motivo, las enzimas de la luz del aparato digestivo tienen que descomponerlas en moléculas más pequeñas, en un proceso que se llama digestión. Este proceso se facilita por la rotura mecánica de los alimentos, que permite que se muevan con más facilidad a través del tubo y que sean más susceptibles a la acción de las enzimas digestivas. Una vez que las grandes moléculas de nutrientes se han reducido a pequeños productos finales de la digestión, se transportan al torrente sanguíneo mediante un proceso llamado absorción. Para ayudar a la digestión y absorción, se transportan los líquidos que contienen enzimas y otras sustancias hacia la luz del tubo digestivo a través del proceso de secreción. Cuando están sucediendo estos procesos, los componentes de la luz se mezclan y se impulsan lentamente desde el principio del tubo hasta el final, gracias a la actividad contráctil del músculo de la pared del propio tubo, que dota a los órganos digestivos de movilidad, capacidad que se conoce como motilidad. Los cuatro procesos básicos, digestión, absorción, secreción y motilidad, se resumen en la figura 20.1. En la siguiente sección exploramos el aparato digestivo con más detalle, examinando la relación entre anatomía y función. En las secciones posteriores nos centraremos en los cuatro procesos digestivos básicos y en la regulación de las funciones digestivas.
1. Biomoléculas, pág. 19 2. Microvellosidades, pág. 37 3. Transporte epitelial, pág. 118 4. Enzimas, pág. 65 5. Hidrólisis, pág. 58 6. Músculo liso, pág. 351
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n el capítulo 19 explicamos cómo regulan los riñones la composición del líquido extracelular mediante la regulación de la salida de agua y electrólitos. En este capítulo, veremos que el aparato digestivo es necesario para la entrada de agua, electrólitos y nutrientes. Hay muchas similitudes entre los aparatos renal y digestivo: ambos implican un transporte masivo a través de un epitelio. Sin embargo, hay una diferencia fundamental: el aparato renal se regula para mantener la composición normal del líquido extracelular, mientras que el aparato digestivo se regula básicamente para absorber todos los nutrientes que consumimos, los necesitemos o no. A medida que vayamos viendo el aparato digestivo, repasaremos diversos componentes celulares y funciones que aprendiste en los capítulos 2 a 5, como las biomoléculas, la actividad enzimática y los mecanismos de transporte. El músculo liso de la pared del tubo digestivo se expande y contrae mediante el mecanismo descrito en el capítulo 12. Aplicaremos lo que aprendimos sobre el sistema nervioso y el sistema endocrino al sistema nervioso entérico y las hormonas digestivas. Comencemos este capítulo con un repaso de las funciones básicas del aparato digestivo.
Anatomía funcional del aparato digestivo El aparato digestivo consta de dos divisiones principales: 1) el tubo digestivo, que se compone de varios órganos unidos por una sucesión de conductos a través de los que pasan los alimentos y los productos de la digestión, y 2) las glándulas accesorias, una serie de glándulas situadas fuera del tubo digestivo que secretan diversos líquidos y enzimas hacia la luz del tubo para facilitar el proceso digestivo.
Tubo digestivo El tubo digestivo es básicamente un conducto hueco de unos 4,5 m de largo que recorre el organismo y se abre al exterior en ambos extremos. El tubo comienza en la boca, por donde entra la comida, y termina en el ano, por donde salen las sustancias que no se absorben. En la figura 20.2 se muestran estos y otros órganos del tubo digestivo (faringe, esófago, estómago, intestino delgado, colon y recto). Aunque cada órgano se distingue por su propia estructura y función, la pared del tubo digestivo tiene una estructura relativamente uniforme en la mayoría de su recorrido, que examinaremos a continuación.
Estructura general de la pared digestiva La pared de la mayor parte del tubo digestivo (salvo la boca, faringe, tercio superior del esófago y parte más externa del ano) tiene las mismas características generales que se muestran en la figura 20.3. Hay cuatro capas distintas: 1) la mucosa, que reviste
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Aparato digestivo
Agua y comida
= Partículas de alimentos
Boca
= Moléculas grandes de nutrientes Esófago
= Moléculas pequeñas de nutrientes = Moléculas de nutrientes procesadas = Enzimas
Estómago
Glándulas accesorias
Células
Secreción
Motilidad
Absorción
Digestión Intestino delgado
Corazón
Colon
Heces Recto y ano
Hígado
Sustancias no absorbidas Tubo digestivo
Aparato cardiovascular
FIGURA 20.1 Repaso de los cuatro procesos digestivos básicos: digestión, absorción, secreción y motilidad.
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Aparato digestivo
Glándulas accesorias y estructuras asociadas
Órganos del tubo digestivo
Glándulas salivares
Boca
Faringe
Tráquea Esófago Pulmón
Diafragma
Hígado Estómago Vesícula biliar Páncreas
Intestino delgado Colon Apéndice vermiforme
Recto Ano
FIGURA 20.2 Principales estructuras del aparato digestivo.
la luz del tubo digestivo; 2) la submucosa, una capa subyacente de tejido conjuntivo; 3) la muscular externa, una capa compuesta principalmente por fibras de músculo liso, y 4) la serosa (o adventicia), una capa externa compuesta en su mayoría de tejido conjuntivo. Mucosa La mucosa se compone de tres capas: 1) una capa más interna de células, llamada membrana mucosa; 2) otra capa intermedia, llamada lámina propria, y 3) una última capa exterior de músculo liso, llamada muscular de la mucosa.
La membrana mucosa es una capa de diferentes tipos de células epiteliales (llamadas comúnmente enterocitos) que revisten el interior del tubo digestivo, formando una barrera continua que separa la luz del medio interno del organismo. Algunos enterocitos se clasifican como células absortivas, porque están especializados en la absorción y el transporte de nutrientes y otras sustancias desde la luz al torrente sanguíneo. Otros enterocitos se clasifican como células exocrinas, porque secretan sustancias como líquidos y enzimas hacia la luz (que está fuera del cuerpo, como se explica en el capítulo 1).
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Enterocitos
Conducto de la glándula accesoria
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Glándula de la submucosa
Vasos sanguíneos
Membrana mucosa
Luz
Lámina propria
Nódulo linfoide
Mucosa
Muscular de la mucosa Submucosa Músculo circular Músculo longitudinal
Mesenterio
Muscular externa Serosa
Plexo submucoso Plexo mientérico
Sistema nervioso entérico
FIGURA 20.3 Estructura general de la pared digestiva, con representación de las cuatro capas principales y sus tejidos.
Entre estas células se encuentran las células caliciformes, que secretan moco (un líquido viscoso y pegajoso que contiene unas glucoproteínas llamadas mucinas) a lo largo del tubo digestivo. El moco forma una capa que protege el revestimiento contra la abrasión y las sustancias luminales que pueden atacar al tejido. Otro tipo de enterocitos son las células endocrinas, que secretan hormonas al torrente sanguíneo. Como ya veremos, estas hormonas desempeñan una función esencial en la regulación de la función digestiva. La lámina propria es una capa de tejido conjuntivo subyacente a la membrana mucosa. Esta capa contiene vasos sanguíneos, nervios y vasos linfáticos que se comunican con nervios y vasos mayores en capas de tejido más profundas. La lámina propria también contiene tejido linfoide, incluyendo nódulos linfoides y placas de Peyer, que es vital para defender al organismo contra bacterias, cuya presencia es notable en la luz de los intestinos. La muscular de la mucosa es una capa fina de músculo liso que sirve principalmente para contraer la mucosa en una serie de pliegues, que agitan el contenido luminal y facilitan el contacto con la superficie mucosa. Dentro de esta capa hay fibras de músculo longitudinal, cuyo recorrido es paralelo al eje longitudinal del tubo, y fibras de músculo circular, cuyo recorrido rodea la circunferencia del tubo. Submucosa La submucosa es una capa gruesa de tejido conjuntivo que dota al tubo digestivo de la mayor parte de su distensibilidad y elasticidad, permitiendo que tolere un alto grado de estiramiento sin daño alguno. Esta capa también contiene muchos de los vasos sanguíneos y linfáticos más grandes del
tubo digestivo. En su borde exterior hay una red de células nerviosas llamada plexo submucoso (plexo de Meissner), que se comunica con otra red de células nerviosas de la muscular externa llamada plexo mientérico (plexo de Auerbach) (v. fig. 20.3); en conjunto, estos plexos nerviosos conforman lo que se conoce como el sistema nervioso entérico (sistema nervioso intrínseco). El sistema nervioso entérico es una compleja red de neuronas sensoriales, motoneuronas e interneuronas situadas en el interior de la pared del tubo digestivo. Es capaz de regular muchas funciones digestivas independientemente de las influencias externas. La señal aferente del sistema nervioso entérico viene de los receptores situados en el tubo digestivo y las neuronas autónomas. La señal eferente de este sistema va a las células efectoras (músculo liso, glándulas exocrinas y glándulas endocrinas) situadas en el tubo digestivo y que desempeñan una función vital en el control de la función digestiva. Muscular externa La muscular externa es la principal responsable de la motilidad del tubo digestivo y contiene dos capas separadas de músculo liso: una capa interna de músculo circular y una capa externa de músculo longitudinal. La capa de músculo circular consiste en músculo liso unitario capaz de generar despolarizaciones espontáneas, llamadas potenciales de onda lenta. El músculo circular compone el grueso de la muscular externa. Las contracciones de la capa de músculo circular disminuyen el diámetro de la luz del tubo digestivo. La capa de músculo longitudinal consiste en músculo liso multiunitario que depende de las aferencias neurales para la contracción. La con-
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Aparato digestivo
tracción de la capa de músculo longitudinal acorta el tubo digestivo. La coordinación de las contracciones de músculos circulares y longitudinales propulsa el contenido luminal a través del tubo digestivo y mezcla el contenido con la secreción que ayuda a digerir las partículas de los alimentos. La motilidad también facilita el contacto de los productos digestivos finales con el epitelio mucoso, aumentando, por tanto, la eficacia de la absorción. Serosa La serosa, la capa más externa de la pared digestiva, consiste en una capa interna de tejido conjuntivo fibroso, que facilita el soporte estructural, y una capa externa de tejido epitelial, llamada mesotelio, que secreta un líquido lubrificante acuoso para facilitar el deslizamiento de un órgano sobre otro. El mesotelio (junto con una capa de tejido conjuntivo subyacente) es continuo con los mesenterios, un sistema de membranas claras y finas que interconectan la mayoría de órganos abdominales y alojan los nervios y vasos sanguíneos que llegan hasta ellos. El mesenterio ayuda a anclar los órganos en su sitio, junto con el peritoneo, una membrana que reviste el interior de la cavidad abdominal.
Boca
Test rápido 20.1 1. Enumera las cuatro capas principales que componen la pared del tubo digestivo. 2. Enumera los tres tipos de células principales de la membrana mucosa y describe brevemente la función de cada uno. 3. Enumera las dos principales divisiones del sistema nervioso entérico y describe su localización
Anatomía funcional de los órganos del tubo digestivo Ahora centraremos nuestra atención en cada uno de los órganos del tubo digestivo, siguiendo un orden descendente. Comenzaremos por la boca, faringe y esófago. Boca, faringe y esófago La boca, o cavidad oral, el comienzo del tubo digestivo, es por donde entra la comida y empiezan los procesos de descomposición mecánica y digestión (fig. 20.4). La comida se mastica en la boca para disminuir el tamaño de las partículas de comida y mezclarlas con la saliva para lubrificarla. La saliva contiene una enzima, la amilasa salivar, que inicia la
Fovéolas Faringe
Dientes
Epiglotis Lengua Esfínter esofágico superior
Mucosa Mucocito (secreta moco)
Esófago
Fondo del estómago Glándulas gástricas
Célula principal (secreta pepsinógeno) Célula parietal (secreta ácido)
Esfínter esofágico inferior Esfínter pilórico Pliegues Píloro Cuerpo del estómago Antro del estómago
FIGURA 20.4 Anatomía de la boca, la faringe, el esófago y el estómago. Las vistas ampliadas muestran las fovéolas y glándulas gástricas.
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digestión de los hidratos de carbono, descomponiendo el almidón y el glucógeno. La lengua propulsa la mezcla de comida y saliva desde la boca a la faringe (la garganta), un conducto común para el aire y la comida. Desde la faringe, se bifurcan los conductos para la comida y el aire. Mientras que el aire entra en la laringe y la tráquea a través de la glotis y continúa hasta los pulmones, la comida entra en el esófago, cuyo recorrido es paralelo y dorsal respecto a la tráquea. El esófago es un tubo muscular cuya función principal es conducir la comida desde la faringe al estómago. A diferencia de la tráquea, su pared es más fina y flexible, de forma que se puede estirar con facilidad para adaptarse al paso de la comida durante la deglución; sin embargo, cuando no hay comida en él, normalmente se colapsa. El esófago es un órgano poco habitual dentro del tubo digestivo, porque su pared se compone de músculo esquelético (en el tercio superior) y músculo liso. El esfínter esofágico superior (v. fig. 20.4) controla el movimiento de la comida desde la faringe al esófago. Este esfínter consiste en un anillo de músculo esquelético que rodea el esófago en su extremo superior. (Un esfínter se define, de forma general, como un anillo muscular que rodea un orificio y regula el paso de sustancias a través del mismo variando su diámetro). En el extremo inferior del esófago está el esfínter esofágico inferior, un anillo de músculo liso que regula el flujo de comida desde el esófago al estómago. Ambos esfínteres suelen estar cerrados y solo se abren cuando se traga comida. El esfínter esofágico inferior evita que el contenido del estómago, que es ácido, llegue al esófago. Sin embargo, puede darse un reflujo gástrico de forma ocasional, produciendo una sensación de ardor en el pecho derivada de la irritación del revestimiento del esófago. Estómago Una función importante del estómago, una bolsa con forma de «J» situada bajo el diafragma, consiste en almacenar la comida después de la deglución hasta que la libera al intestino delgado. El revestimiento del estómago contiene glándulas (llamadas glándulas gástricas) que secretan un líquido acuoso, llamado jugo gástrico, hacia la luz. La actividad contráctil del músculo liso de la pared del estómago desmenuza la comida en partículas más pequeñas y las mezcla con el jugo gástrico, formando así el quimo. El estómago tiene tres regiones anatómicas principales (v. fig. 20.4): una parte superior abovedada, llamada fondo, que se extiende sobre el esfínter esofágico interior; una zona media, llamada cuerpo, que supone la mayor parte del volumen del estómago, y una zona inferior, llamada antro, que es más estrecha y tiene menor volumen. Las contracciones del antro empujan el quimo hacia el intestino delgado, un proceso llamado vaciado gástrico. Cuando el quimo sale del estómago, pasa a través de un conducto estrecho, el píloro, en su camino al intestino delgado. El flujo del quimo a través del píloro está regulado por un anillo de músculo liso llamado esfínter pilórico, que se abre y cierra con cada ciclo de contracción del estómago, de forma que el quimo salga del estómago de forma gradual. La pared del estómago se diferencia anatómica y funcionalmente en sus distintas zonas. En el fondo, la pared es estrecha y fina, y se expande de forma fácil para adaptarse a los aumentos de volumen posteriores a las comidas. En el cuerpo del estómago, la mucosa gástrica se dobla de forma longitudinal en pliegues, que se aplanan cuando el estómago se expande. Estas dos especializaciones anatómicas permiten que se expanda el estómago, aumentando su volumen en vacío en 20 veces (de 50 a
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1.000 ml). El antro tiene la capa muscular más gruesa y produce fuertes contracciones responsables de la mezcla y el vaciado gástricos. Tanto el fondo como el cuerpo contienen fovéolas, que, a su vez, contienen células que secretan los productos del jugo gástrico. Las fovéolas contienen una gran variedad de células secretoras, como las células exocrinas y endocrinas. En el cuello, o región superior, de las fovéolas, las mucocitos secretan moco. En interior de las fovéolas están las glándulas gástricas, que contienen las siguientes células: 1) células principales, que secretan pepsinógeno, el precursor de una enzima proteolítica llamada pepsina; 2) células parietales, que secretan iones de hidrógeno (como HCl), para acidificar el contenido del estómago, y factor intrínseco, necesario para la absorción de la vitamina B12, y 3) células G, que secretan la hormona gastrina. Mientras que las células principales y parietales secretan sus productos hacia la luz del estómago, las células G secretan gastrina al torrente sanguíneo. La luz del estómago es el único sitio del tubo digestivo cuyos contenidos son ácidos. De hecho, el pH del contenido del estómago puede bajar hasta 2, el equivalente a la solución de 10 mM de ácido clorhídrico. Esta acidez es necesaria para convertir el pepsinógeno en su forma activa, la pepsina; asimismo, resulta útil, porque ayuda a desnaturalizar las proteínas en la comida y mata muchas bacterias que proliferan en los alimentos, protegiéndonos así contra determinadas enfermedades. El revestimiento del estómago está protegido ante los potenciales efectos dañinos del ácido y la pepsina gracias a un recubrimiento de moco y bicarbonato, llamado barrera mucosa gástrica. Las mucocitos de las fovéolas secretan moco, mientras que las células epiteliales de la superficie secretan moco y bicarbonato. Si en la barrera mucosa gástrica penetran ácidos, como el ácido acetilsalicílico, puede aparecer una úlcera (v. «Conexiones clínicas: Úlceras»). El intestino delgado Desde el estómago, el quimo pasa al intestino delgado, un tubo enrollado de unos 2,5-3 metros de largo que es el principal sitio de la digestión de todos los nutrientes de los alimentos. En el intestino delgado también se absorben la mayoría de nutrientes ingeridos, agua, vitaminas y minerales (iones inorgánicos, como sodio, potasio y calcio). Según criterios anatómicos, el intestino delgado está dividido en tres grandes regiones (fig. 20.5): una parte inicial, llamada duodeno, que comienza en el píloro y se extiende unos 30 cm; una parte media, llamada yeyuno, que se extiende 1 m; y una porción terminal, llamada íleo, cuya longitud ronda 1,5 m y se continúa con el colon. En el duodeno se mezcla el quimo con una secreción acuosa del páncreas, llamada jugo pancreático, que contiene una gran variedad de enzimas digestivas y es rica en bicarbonato. El bicarbonato neutraliza el ácido del quimo cuando sale del estómago, lo que es necesario, ya que las enzimas del jugo pancreático funcionan al pH normal del intestino delgado (que es bastante alcalino), pero no lo pueden hacer a un pH ácido. Además del jugo pancreático, al duodeno también llega la bilis, un líquido que secreta el hígado y que contiene bicarbonato y sales biliares, que ayudan en la digestión de las grasas, como se describe más adelante. Cuando las enzimas descomponen los nutrientes del quimo, se liberan los productos finales de la digestión en una solución y las células del epitelio mucoso los absorben. Esta
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Microvellosidades
Membrana apical
Estómago Borde en cepillo
Duodeno Vellosidades
Cripta de Lieberkühn
Membrana basolateral
Células absortivas Capilares
Yeyuno Intestino delgado Íleo
Mucosa Linfático Submucosa
Vénula Arteriola
Muscular externa Serosa
Arteria Conducto linfático
Vena
FIGURA 20.5 Anatomía del intestino delgado. Se muestran el duodeno, el yeyuno y el íleo en relación con otros órganos del aparato digestivo; las vistas ampliadas muestran la estructura de las vellosidades y microvellosidades del duodeno.
simultaneidad de procesos de digestión y absorción comienza en el duodeno y continúa hasta la finalización en el resto del intestino delgado. A menos que se haya ingerido una inusual gran cantidad de comida, la absorción suele terminarse en el primer 20% de la longitud del intestino delgado, o antes de que el quimo haya alcanzado el íleo. De esta forma, el intestino delgado tiene una gran capacidad en exceso de absorber nutrientes, lo que indica que su mecanismo de absorción es muy eficiente. La eficacia absortiva se puede atribuir, en parte, al hecho de que la superficie mucosa esté muy plegada (v. fig. 20.5). Estos pliegues, llamados vellosidades, aumentan el área de superficie 10 veces en comparación con el área de superficie que tendría el intestino delgado si fuera simplemente un cilindro liso por su lado interno. Cada vellosidad alberga estructuras vitales para la absorción de nutrientes, como la red de capilares y los vasos linfáticos ciegos llamados lácteos. Cuando los nutrientes de la luz del intestino se absorben por las células que lo revisten, se transportan a través del epitelio mucoso al líquido intersticial del otro lado. Desde ahí, la mayoría de nutrientes absorbidos difunden en los capilares y luego se transportan desde el intestino a la circulación general. (Las grasas absorbidas son una excepción de esta norma.) Otro factor que incrementa la eficacia de absorción del intestino delgado es la presencia de un borde en cepillo en la superficie mucosa, lo que aumenta el área de superficie en un factor de 20. Este borde en cepillo está compuesto de microvellosidades, que están ubicadas en la superficie apical de las células epiteliales, cuya población es de entre 3.000 y 6.000 por célula. El borde en cepillo y las vellosidades son más prominentes en las partes proximales del intestino delgado (por ejemplo, el duode-
no), y se vuelven menos pronunciadas a medida que se avanza hacia sus partes más distales. El epitelio del borde en cepillo está diseñado para la digestión y la absorción. En las puntas de las vellosidades se encuentran varias enzimas digestivas y proteínas transportadoras. Debido a su ubicación, estas enzimas se llaman enzimas del borde en cepillo. Otras zonas del epitelio intestinal están diseñadas para la secreción. Las células secretoras del intestino delgado están situadas en las fosas conocidas como criptas de Lieberkühn (v. fig. 20.5). Estas células secretan hacia la luz copiosas cantidades de líquido rico en bicarbonato, llamado jugo intestinal. Este líquido se secreta principalmente en las partes más proximales del intestino delgado y se absorbe casi completamente (junto con el líquido ingerido) antes de que el quimo llegue al colon. Las sustancias que se absorben desde los intestinos se transportan en el torrente sanguíneo hasta el hígado, el cual extrae determinados nutrientes para un procesamiento posterior. (Los nutrientes que permanecen en la sangre se transportan en la circulación general.) La sangre de los capilares intestinales drena a las venas mesentéricas y se transporta al riñón mediante la vena portal hepática (fig. 20.6). La sangre transportada por la vena portal hepática es desoxigenada, pero la arteria hepática lleva al hígado sangre oxigenada (que es necesaria para el correcto funcionamiento del hígado). La sangre se transporta del hígado a la circulación general a través de la vena hepática, que drena en la vena cava inferior. Colon Desde el punto de vista anatómico, el colon se divide en cuatro partes (fig. 20.7): 1) el colon ascendente, cuyo recorrido
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A la vena cava
Diafragma
Vena hepática
Desde la aorta
Hígado
Arteria hepática
Vena portal hepática
Electrólitos y agua
Nutrientes, electrólitos y agua
Estómago
Colon transverso
Ciego
Apéndice vermiforme
Tenias del colon
Esfínter ileocecal Porción terminal del intestino delgado
Colon ascendente
Colon descendente
Colon sigmoideo
Recto
Venas mesentéricas Esfínter anal interno
Esfínter anal externo Ano
Colon
Intestino delgado
FIGURA 20.7 Principales características anatómicas del colon.
FIGURA 20.6 Vía circulatoria de las sustancias absorbidas en el intestino delgado y el colon. Las sustancias absorbidas en los intestinos viajan hasta el riñón a través de las venas mesentéricas y la vena portal hepática, y luego pasan a la circulación general a través de la vena hepática.
corre paralelo hacia arriba en el costado derecho del organismo, desde la terminación del intestino delgado hasta el diafragma; 2) el colon transverso, que cruza la pared abdominal; 3) el colon descendente, cuyo recorrido es hacia abajo en el costado izquierdo, y 4) el colon sigmoideo, un segmento con forma de S que lleva hasta el recto. Los primeros tres segmentos están especializados en la absorción de agua e iones del quimo; el colon sigmoideo sirve principalmente de almacén para cualquier sustancia que queda en la luz tras la absorción. Aunque la pared del colon tiene la misma estructura fundamental que otras partes del tubo digestivo, la capa muscular longitudinal de la muscular externa no es continua, sino que está comprimida en tres bandas relativamente estrechas llamadas tenias cólicas, que recorren toda la longitud del colon. En la unión entre el íleo y el colon, el flujo de materiales está regulado por un anillo de músculo liso llamado esfínter ileocecal (v. fig. 20.7). Bajo está unión hay un fondo de saco llamado ciego, al cual está adherido el apéndice vermiforme, un apéndice con forma de «gusano» cuya función aún no se conoce. En raras ocasiones, la desembocadura del apéndice llega a bloquearse e
inflamarse, estado que se conoce como apendicitis. Si el cuadro persiste, el apéndice puede llegar a perforarse, derramando el contenido luminal en la cavidad abdominal. La perforación es peligrosa, porque, en la mayoría de los casos, produce una peritonitis (inflamación del peritoneo), casi siempre mortal si no se sigue un tratamiento. Para cuando el quimo llega al colon, contiene muy pocos nutrientes digeribles, ya que la mayoría de las sustancias presentes en el quimo ya se han absorbido. Lo que queda es básicamente agua, iones inorgánicos, sustancias indigeribles procedentes de la comida y bacterias. La principal función del colon es reducir el volumen del quimo, absorbiendo la mayor parte de agua que queda en él, transformándolo así en una sustancia semisólida llamada heces. Después, el colon almacena las heces hasta que estén listas para eliminarlas del organismo. En conjunto, el ciego, el colon y el recto conforman el intestino grueso. Recto y ano El colon sufre fuertes contracciones de forma intermitente que empujan el material fecal hacia el recto. Este material no sale del cuerpo de forma inmediata, porque el paso del material a través del ano está controlado por dos esfínteres: el esfínter anal interno, formado de músculo liso, y el esfínter anal externo, un anillo de músculo esquelético que controla la abertura al exterior. La relajación de ambos esfínteres, que suelen estar cerrados, permite que se elimine el material fecal del organismo, proceso llamado defecación.
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CONEXIONES CLÍNICAS
Úlceras Las úlceras son erosiones del revestimiento del tubo digestivo tan profundas como para penetrar a través de la muscular de la mucosa. Estas lesiones se producen por la acción conjunta del ácido y la pepsina, que determina la descomposición de los tejidos. Las zonas más vulnerables son la parte distal del estómago y proximal del duodeno. Las úlceras duodenales son diez veces más frecuentes que las gástricas. En ambos casos, la dolencia se denomina úlcera péptica, cuyo síntoma más común es un dolor crónico, rítmico y lacerante o ardiente en la zona del estómago que se alivia bebiendo leche (porque contiene proteínas que estabilizan el ácido), e ingiriendo antiácidos. Si la úlcera es muy profunda, el ácido y la pepsina pueden descomponer las paredes de los vasos sanguíneos cercanos, provocando un sangrado. En casos extremos, la lesión puede atravesar la pared del estómago o el intestino delgado, dejando que los contenidos luminales se derramen en la cavidad abdominal. Esta afección, conocida como úlcera perforante, es muy grave, ya que la sustancia que se derrama está siempre repleta de bacterias y provoca la inflamación
del peritoneo (peritonitis), que suele ser mortal. Aunque las úlceras suelen asociarse con el estrés, pueden desencadenarse debido a otros factores de riesgo. Un uso crónico de ácido acetilsalicílico y otros medicamentos antiinflamatorios no esteroideos aumenta el riesgo de úlcera, al suprimir la secreción de moco y bicarbonato, que es lo que normalmente protege el revestimiento digestivo de los efectos del ácido y la pepsina. El riesgo de úlcera también aumenta con el alcoholismo crónico o el filtrado de bilis desde el duodeno al estómago. Los investigadores han descubierto que muchas úlceras derivan de una infección por Helicobacter pylori, una especie de bacteria que prolifera en el medio ácido del estómago. Aunque esta bacteria está presente en el estómago de aproximadamente el 40% de la población general (y la mayoría no presenta síntomas), se encuentra en el 90% de personas con úlcera duodenal y en el 70% de las personas con úlcera gástrica. Estas bacterias favorecen las úlceras, precipitando una respuesta inmune que destruye el tejido, haciéndolo más vulnerable al ataque de ácidos y pepsina.
Test rápido 20.2 1. Ordena los siguientes términos de forma que describan correctamente el camino de las sustancias digeridas a medida que avanzan por el tubo digestivo: colon descendente, esófago, recto, estómago, esfínter esofágico inferior, faringe, colon ascendente, íleo, esfínter esofágico superior, colon transverso, duodeno, colon sigmoideo, esfínter ileocecal, esfínter pilórico, yeyuno. 2. Describe el borde en cepillo. ¿Dónde se ubica? ¿Cuál es su función? 3. ¿Dónde ocurre la mayor parte de la digestión y de la absorción en el tubo digestivo?
Glándulas accesorias Las glándulas accesorias del aparato digestivo son las glándulas salivares, que secretan saliva, y el hígado, que secreta bilis. A pesar de que las glándulas accesorias pueden parecer muy diferentes de forma superficial y realizar distintas funciones, comparten muchas semejanzas estructurales y funcionales. Las secreciones de estas glándulas van al tubo digestivo a través de
La mayoría de las úlceras pueden tratarse de forma satisfactoria con medicamentos que suprimen la secreción gástrica ácida. El tratamiento efectivo de las úlceras causadas por H. pylori suele conseguirse con antibióticos y medicamentos supresores de ácido.
Úlcera duodenal vista a través de un endoscopio.
conductos revestidos de células epiteliales, y dentro del cuerpo de una glándula, los conductos se ramifican de forma extensiva, terminando en un espacio cerrado rodeado completamente por una capa de células epiteliales secretoras especializadas (fig. 20.8). En las glándulas salivares y en el páncreas, estas células epiteliales están dispuestas en racimos redondos llamados ácinos. (Como veremos, las células secretoras del hígado se disponen de forma diferente.) Las células secretan un líquido (denominado secreción primaria) que contiene agua, iones inorgánicos y otros solutos, cuya naturaleza depende de la glándula en cuestión. A medida que fluye este líquido por los conductos, las células epiteliales que los revisten secretan o absorben iones o agua, modificando así la composición del líquido.
Glándulas salivares Hay tres pares principales de glándulas que producen saliva (fig. 20.9): la glándulas parótidas, ubicadas a ambos lados de la cabeza cerca de los oídos; las glándulas sublinguales, bajo la lengua, una a cada lado, y las glándulas submandibulares, a cada
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Secreción primaria Ácino
Cuerpo de la glándula Conducto principal
Modificación mediante el transporte de iones y agua Células epiteliales
Hacia la luz del tubo digestivo
FIGURA 20.8 Estructura general de una glándula accesoria. La glándula representada aquí es típica de las glándulas salivares o del páncreas, en las que el cuerpo de la glándula contiene ácinos y conductos asociados. Las flechas más gruesas de la derecha indican la formación de la secreción primaria en un ácino y las flechas más finas indican la modificación de esta secreción mediante el transporte de iones y agua dentro de los conductos.
Glándula parotídea
Lengua
Glándula sublingual Glándula submandibular
FIGURA 20.9 Ubicación de las principales glándulas salivares. lado de la mandíbula. En la pared bucal y en la faringe también hay otras glándulas salivares más pequeñas. Los elementos de la saliva son 1) bicarbonato, que hace la saliva alcalina y ayuda a neutralizar el ácido; 2) moco, que lubrica la comida y protege el revestimiento de la boca ante abrasiones; 3) amilasa salivar, enzima digestiva que descompone el almidón y el glucógeno, y 4) lisozima, enzima que ayuda a evitar las caries, destruyendo determinadas bacterias.
Páncreas El páncreas se localiza por detrás y debajo del estómago (v. fig. 20.2). Esta glándula no es solo un órgano exocrino del aparato digestivo, sino también un órgano endocrino, que secreta hormonas vitales para la regulación del metabolismo (v. capítulo 21). El páncreas exocrino se organiza en numerosos ácinos y sus conductos asociados, mientras que el páncreas endocrino consiste en islotes pancreáticos dispuestos entre los ácinos y los conductos (fig. 20.10). Los conductos de los ácinos convergen con conductos mayores, que en última instancia convergen con los conductos pancreáticos, los principales conductos que transportan el jugo pancreático al duodeno. El jugo pancreático es rico en bicarbonato y también contiene varias enzimas digestivas, como la amilasa pancreática, similar a la amilasa salivar, que descompone las grasas. También contiene una serie de proteasas, que descomponen las proteínas, y nucleadas, que descomponen los ácidos nucleicos. En relación con su peso, el páncreas secreta más proteínas que cualquier otro tejido del organismo, la mayoría de las cuales son enzimas digestivas.
Hígado El hígado, el órgano más grande de la cavidad abdominal, es sorprendentemente versátil. Entre sus funciones más importantes están:
1. Secreción de bilis. El hígado secreta bilis, que contiene bicarbonato, fosfolípidos, iones inorgánicos y sales biliares. 2. Procesamiento metabólico de nutrientes. Después de una comida, el hígado convierte parte de la glucosa absorbida en glucógeno, y parte de los aminoácidos absorbidos en ácidos grasos. El hígado también sintetiza los triglicéridos y el colesterol, y los usa para sintetizar partículas de lipoproteínas, que luego secreta al torrente sanguíneo. En los momentos en los que no se absorben nutrientes, el hígado convierte el glucógeno en glucosa y los ácidos grasos en cetonas. También produce glucosa mediante la gluconeogenia y sintetiza urea a partir de amoníaco, que se genera como un material residual del catabolismo de los aminoácidos (v. capítulo 3). 3. Eliminación de glóbulos rojos de la sangre. El hígado contiene macrófagos que retiran de la sangre glóbulos rojos viejos y bacterias. La hemoglobina de los glóbulos rojos viejos se descompone en el hígado; algunos componentes (como el hierro) se guardan para reutilizarlos, mientras que otros (como la bilirrubina) se eliminan del organismo (v. capítulo 15). 4. Eliminación de desechos del organismo. La bilirrubina y otros productos de descomposición de la hemoglobina se secretan en la bilis y se eliminan del organismo en las heces. (La bilirrubina y los productos de desecho se denominan pigmentos biliares, porque en combinación aportan un color verdoso a la bilis.) Otras de las sustancias que elimina la bilis son el colesterol, compuestos exógenos, como las drogas o los tóxicos, y oligoelementos. El hígado también transforma químicamente muchos compuestos hidrófobos (toxinas inclusive) en formas más hidrófilas, para que puedan disolverse mejor en el plasma y que los riñones los puedan eliminar.
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Aparato digestivo Células de los ácinos (secretan enzimas)
Desde el hígado
Desde el hígado
Conductos hepáticos
Conductos hepáticos comunes Vesícula biliar
Páncreas endocrino
Páncreas exocrino
Células de los islotes (secretan hormonas) Células del conducto (secretan líquido rico en bicarbonato)
Conducto colédoco
Páncreas
Duodeno
Conducto pancreático Ampolla de Vater Esfínter de Oddi
FIGURA 20.10 Páncreas y estructuras asociadas. La vista ampliada muestra ácinos y conductos (páncreas exocrino) e islotes (páncreas endocrino).
5. Síntesis de proteínas plasmáticas. El hígado sintetiza la mayoría de las proteínas que están presentes en el plasma, como la albúmina y las proteínas transportadoras de las hormonas esteroideas y tiroideas, proteínas de coagulación y angiotensinógeno. 6. Secreción y modificación de hormonas. El hígado participa con los riñones en la activación de la vitamina D y secreta factores de crecimiento similares a la insulina (analizados en el capítulo 21). El hígado también ayuda a aclarar muchas hormonas del cuerpo, metabolizándolas. El hígado forma parte del aparato biliar, ya que procesa y secreta bilis. Este aparato incluye todas las estructuras que participan en la síntesis o almacenaje de bilis, y que la liberan al tubo digestivo (fig. 20.11). La bilis se procesa y secreta continuamente en el hígado, pero se libera al tubo solo cuando hay comida. Entre comidas, la bilis secretada se almacena en un pequeño saco muscular llamado vesícula biliar, adyacente al hígado (fig. 20.11a). Durante las comidas se estimula la contracción de la vesícula biliar, forzando la salida de bilis al conducto colédoco, que lleva la bilis al duodeno.
En su unión con el duodeno, convergen el conducto colédoco y el conducto pancreático para formar una vía común (la ampolla de Vater) para que fluya la bilis y el jugo pancreático (v. fig. 20.10). El flujo de estos dos líquidos está regulado por un anillo de músculo liso llamado esfínter de Oddi, que suele estar cerrado, pero se abre cuando hay comida. Entre comidas, cuando el esfínter está cerrado, la bilis que secreta el hígado vuelve por el conducto colédoco y se «vierte» en la vesícula biliar, donde se concentra y almacena. La secreción de bilis, como la de la saliva y el jugo pancreático, es un proceso de dos fases que implica la formación de una secreción primaria y su posterior modificación en los conductos. No obstante, el hígado, cuya estructura es similar a la de una esponja, difiere de forma sustancial respecto a las glándulas salivares y al páncreas. El hígado se estructura en un lóbulo derecho y otro izquierdo. La unidad funcional del hígado es el lobulillo hepático, que consta de células hepáticas llamadas hepatocitos (fig. 20.11b). Cada lobulillo es una estructura más o menos hexagonal, con una vena central que recorre su interior. A lo
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Conductos hepáticos Hígado
Conducto cístico
Conducto hepático común
Vesícula biliar
Conducto colédoco Desde el páncreas Conducto pancreático Ampolla de Vater
Esfínter de Oddi Duodeno
(a)
Vena hepática
Canalículos biliares
Vena central
Tríada portal
Lóbulo
Arteria hepática Conducto biliar
(b)
Conducto biliar Vénula portal Arteriola portal
Sinusoides
Vena portal hepática
(c)
FIGURA 20.11 Estructuras del aparato biliar. (a) Anatomía general del hígado, vesícula biliar y sus conductos asociados. (b) Anatomía microscópica del hígado, en la que se muestran hepatocitos, sinusoides y canalículos. (c) Lobulillo. ¿A través de qué ramificaciones de vasos sanguíneos se transportan los nutrientes desde el intestino P delgado a los sinusoides?
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TABLA 20.1 Órganos del aparato digestivo y sus funciones Órgano
Funciones
Boca
Descomposición mecánica de la comida, mezclando la comida con la saliva; comienzo de la digestión química de los hidratos de carbono mediante la amilasa salivar
Faringe
Conduce la comida al esófago
Esófago
Conduce la comida al estómago
Estómago
Descomposición mecánica de la comida; secreción de ácido, pepsinógeno y factor intrínseco; comienzo de la digestión química de las proteínas gracias a la pepsina; secreción de gastrina al torrente sanguíneo; transformación de la comida en quimo
Intestino delgado
Digestión química de toda clase de nutrientes gracias a las enzimas pancreáticas y a las enzimas del borde en cepillo; absorción de productos finales, agua, iones y vitaminas; secreción de enterogastronas al torrente sanguíneo; secreción de líquido rico en bicarbonato
Colon
Absorción de iones y agua; transformación del quimo en heces; almacenamiento de heces
Recto
Almacenamiento de heces antes de su eliminación
Ano
Control de la defecación
Glándula salivar
Secreción de saliva (contiene amilasa, moco, bicarbonato y lisozima)
Páncreas
Secreción de jugo pancreático (contiene enzimas digestivas y bicarbonato)
Hígado
Secreción de bilis (contiene sales biliares y bicarbonato); procesamiento de los nutrientes absorbidos
Vesícula biliar
Almacena y concentra la bilis
largo de cada una de las seis esquinas del lobulillo hay una tríada de conductos: una ramificación de la arteria hepática, otra ramificación de la vena portal hepática y una última ramificación del conducto hepático (fig. 20.11c). La arteria hepática suministra sangre rica en oxígeno y nutrientes al hígado, mientras que la vena portal hepática suministra nutrientes recién absorbidos para que el hígado los procese. Las ramificaciones de la arteria hepática y la vena portal hepática drenan en los sinusoides hepáticos, cavidades llenas de sangre de funcionamiento similar a una vena, salvo porque en ellas se produce el intercambio. Los sinusoides drenan en las ramificaciones de la vena hepática. Una sola capa de hepatocitos conforma la pared de los sinusoides y puede captar los sustratos necesarios de la sangre para producir bilis. En el lado de los hepatocitos, frente al sinusoide, están los canalículos biliares. Los hepatocitos sintetizan bilis a partir de los sustratos adquiridos en los sinusoides y luego secretan la bilis a los canalículos biliares, que drenan en los conductos biliares, que finalmente convergen para formar el conducto colédoco, que transporta la bilis fuera del hígado hacia la vesícula biliar o el intestino delgado. En las paredes de los sinusoides también hay células de Kupffer, macrófagos hepáticos que fagocitan bacterias, glóbulos rojos viejos y otros detritus que pueda haber en la sangre que pase por el hígado. La tabla 20.1 resume los órganos del aparato digestivo y sus funciones principales.
Test rápido 20.3 1. Nombra los tres pares de glándulas salivares principales. ¿Cuáles son las secreciones más importantes que se encuentran en la saliva? 2. ¿En qué se distinguen el páncreas exocrino y el páncreas endocrino? ¿Cuál de ellos secreta un líquido rico en bicarbonato? ¿Cuál secreta enzimas digestivas? ¿Y hormonas? 3. Describe el trayecto que recorre la bilis desde su síntesis hasta su destino final.
Digestión y absorción de nutrientes y agua La típica dieta recomendada en Estados Unidos consiste en una mezcla de hidratos de carbono (500 g), proteínas (125 g) y lípidos (50 g). (Para saber más sobre la dieta de atletas, v. «Ejercicio de comprensión: Función de la dieta»). La mayoría de estos nutrientes se consumen como macromoléculas que las enzimas deben descomponer en moléculas más pequeñas antes de que se absorban, un proceso llamado digestión química o simplemente digestión. La digestión suele implicar la hidrólisis de macromoléculas en subunidades más pequeñas. En las siguientes tres secciones veremos cómo se digieren y absorben las moléculas de cada una de estas clases de nutrientes. Luego veremos cómo maneja el aparato digestivo las vitaminas, los minerales y el agua, componentes de los alimentos que no se digieren, sino que se absorben en su forma original.
Hidratos de carbono La mayoría de los hidratos de carbono de la dieta son polisacáridos, como el almidón y la celulosa de las plantas y sus productos derivados (como pasta y pan), y glucógeno de procedencia animal. Aunque todos los polisacáridos son polímeros de glucosa, su estructura no es igual. La celulosa no se puede digerir, porque no es un sustrato de las enzimas digestivas. Por tanto, la celulosa atraviesa el tubo intestinal y se elimina del organismo en las heces. La celulosa es el principal componente de lo que los nutricionistas llaman fibra alimenticia, considerada una parte importante de la dieta, porque favorece la motilidad intestinal. Otros hidratos de carbono son los disacáridos, como la sacarosa (azúcar de mesa) y la lactosa (azúcar de la leche), y, en menor grado, monosacáridos, como la glucosa y la fructosa. Las formas absorbibles de los hidratos de carbono son los monosacáridos, así que los hidratos de carbono tienen que digerirse antes de la absorción.
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Función de la dieta Cuando una persona practica deporte, utiliza energía de nutrientes consumidos con anterioridad. El tipo de ejercicio físico determina la fuente de energía inmediata que se utiliza. El culturismo u otros ejercicios intensos utilizan principalmente la glucólisis anaerobia para generar el ATP que requiere la contracción muscular, mientras que el footing, o ejercicios moderados, utilizan principalmente la fosforilación oxidativa para generar el ATP. El sustrato primario de la glucólisis anaerobia es la glucosa almacenada en las células musculares en forma de glucógeno. El sustrato primario de la fosforilación oxidativa es la glucosa sanguínea (suministrada por el hígado) y los ácidos grasos (suministrados por el tejido adiposo). Las personas que se toman en serio el deporte tienen la misma actitud con su dieta. Una dieta pobre en grasas es una elección saludable para todo el mundo, deportistas y no tan deportistas. Los culturistas suelen optar por una dieta rica en proteínas para abastecerse de los aminoácidos necesarios para el crecimiento muscular. Los que practican deportes aeróbicos suelen elegir una dieta rica en hidratos de carbono, en especial el día anterior a una carrera de larga distancia. Pero ¿qué recomiendan los expertos? Los atletas, al igual que cualquier otra persona, necesitan una dieta bien equilibrada que incluya hidratos de carbono (hasta 400 g/día), proteínas (hasta 84 g/día) y grasas (alrededor del 25% de la energía procede
de las grasas, un nutriente esencial, sin detrimento de la ejecución de ejercicio físico). La ingesta calórica general de los atletas tiene que ser más alta que la de las personas sedentarias, para que mantengan el equilibrio energético mientras queman calorías durante el ejercicio. Además, debe contener vitaminas y minerales, sobre todo complejo vitamínico B y nutrientes antioxidantes (vitaminas A, E y C, así como betacarotenos y selenio). Las atletas femeninas necesitan especialmente un nivel adecuado de calcio, hierro y zinc. Los líquidos son vitales antes, durante y después de practicar deporte para mantener el equilibrio hídrico del organismo. El equilibrio hídrico también mejora la realización de ejercicios. Los atletas suelen beber agua antes de hacer ejercicio con el fin de adelantarse a la pérdida de líquido que supone el sudor. Puede que consuman líquidos durante el ejercicio, ya que la deshidratación puede interferir con la práctica de un deporte. Aunque las bebidas deportivas tienen aceptación entre los atletas, la hipertonicidad de estas bebidas puede disminuir la tasa de vaciado gástrico, reduciendo la velocidad de absorción de líquidos. Las bebidas deportivas con electrólitos solo son necesarias cuando se practica ejercicio intenso o de larga duración, y los hidratos de carbono no suelen ser necesarios a menos que el ejercicio se practique mucho después de la última comida o dure varias horas.
Digestión de hidratos de carbono en monosacáridos Las amilasas de la saliva y el jugo pancreático digieren los polisacáridos, con lo que la digestión comienza en la boca. La amilasa salivar puede digerir los polisacáridos durante poco tiempo, antes de que se inactive en el medio ácido del estómago. La amilasa pancreática continúa la digestión de los polisacáridos en el intestino delgado. La capacidad de digestión de polisacáridos de las amilasas es limitada, ya que no pueden descomponer los enlaces en puntos de ramificación o entre monómeros de glucosa al final de las cadenas de polisacáridos. Así que ni las amilasas salivares ni las pancreáticas pueden completar la digestión de polisacáridos a monosacáridos. Sin embargo, las amilasas reducen el almidón
¿Qué se debería comer, si hay que hacerlo, antes de hacer deporte? Comer una hora antes de hacer ejercicio suele mejorar la ejecución, pero es fundamental que se consuman los nutrientes correctos y que se tomen en cantidades relativamente pequeñas (más que comer, picar algo). La comida previa al ejercicio debería ser rica en líquidos e hidratos de carbono, y baja en grasas y fibra, ya que se necesita minimizar la motilidad gástrica. Hoy en día existen muchos suplementos concebidos para mejorar la práctica deportiva. Las opciones más populares entre los culturistas son la creatina y los batidos de proteínas. Se cree que la creatina aumenta el nivel de fosfocreatina en las células musculares para generar más potencia al comienzo del ejercicio. El consumo de creatina de forma continuada puede aumentar el contenido celular entre un 15 y un 30%. Los datos sugieren que la creatina aumenta la masa corporal magra, y la mayoría de los estudios muestran una mejora en la capacidad de ejercitación con su consumo. La cafeína es otro suplemento que usan los atletas para mejorar. Los estudios sugieren que la cafeína mejora el ejercicio de larga duración, aumentando el metabolismo de grasas, lo que guarda el glucógeno para el ejercicio posterior. En resumen, los atletas requieren más líquidos e hidratos de carbono en su dieta en comparación con otras personas. Para aquellos que pretenden ganar masa muscular, es recomendable consumir proteínas.
o el glucógeno a maltosa (disacáridos que consisten en dos monómeros de glucosa) o polisacáridos cortos y ramificados llamados dextrinas límite (fig. 20.12). La digestión de los hidratos de carbono en monosacáridos se completa mediante una variedad de enzimas del borde en cepillo ligadas a las membranas apicales de las células absortivas que revisten el intestino delgado. Estas enzimas son la dextrinasa y la glucoamilasa, que descomponen las dextrinas límite y los polímeros de glucosa de cadena lineal en monómeros de glucosa; la sacarasa, que hidroliza la sacarosa en glucosa y fructosa, y la maltasa, que hidroliza maltosa en dos moléculas de glucosa. (Para saber lo que ocurre cuando falta una de estas enzimas, v. «Conexiones clínicas: Intolerancia a la lactosa».) Estas enzimas están muy próximas a otras proteínas unidas a la membrana que
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se desprenden hacia la luz del tubo digestivo. Las proteínas deben digerirse en tripéptidos, dipéptidos y aminoácidos antes de absorberlas. Son dos los tipos de enzimas que digieren las proteínas: 1) endopeptidasas, que dividen los polipéptidos en los enlaces peptídicos internos, produciendo, por tanto, péptidos más pequeños, y 2) exopeptidasas, que secciona los aminoácidos de un extremo del polipéptido, produciendo así aminoácidos. Para proteger a las células epiteliales de la acción proteolítica de estas enzimas, estas últimas se almacenan en las células epiteliales en una forma inactiva: los cimógenos. Los cimógenos se almacenan en unas vesículas llamadas gránulos de cimógeno y se secretan por exocitosis. Una vez secretados hacia la luz del tubo digestivo, otras enzimas convierten a los cimógenos en enzimas activas mediante la activación proteolítica (corte de aminoácidos de un precursor para formar la proteína activa).
Monómeros de glucosa
Almidón
Amilasa salivar o pancreática
Digestión de proteínas en péptidos pequeños y aminoácidos
Dextrinas límite
Maltosa (disacárido)
FIGURA 20.12 Digestión de almidón por la amilasa salivar o pancreática. La digestión completa del almidón por las amilasas produce maltosa y dextrinas límite.
P La digestión del almidón, ¿es una reacción anabólica o catabólica? transportan los monosacáridos a las células epiteliales, el primer paso para la absorción. Para ilustrar la acción de las enzimas del borde en cepillo, en la figura 20.13 se muestra la digestión y la absorción de maltosa.
Absorción de hidratos de carbono Una vez que los hidratos de carbono se han digerido en monosacáridos, se absorben mediante transporte mediado por un transportador a través de las células epiteliales que revisten las vellosidades intestinales. La glucosa y la galactosa entran en las células epiteliales por cotransporte con el sodio a través de la membrana apical, y luego cruzan la membrana basolateral por difusión facilitada (v. fig. 20.13). El mismo cotransportador de la membrana apical se utiliza para ambos monosacáridos. La fructosa se absorbe por difusión facilitada, por lo que no se requiere energía. Tras el transporte a través del epitelio, estas moléculas difunden a los capilares, que las transportan por el torrente sanguíneo hasta la circulación general.
Proteínas Las proteínas entran en el tubo digestivo por ingestión, secreción (p. ej., mucinas y enzimas) y absorción de enterocitos que
La digestión de proteínas comienza en el estómago con la acción de la pepsina, una endopeptidasa. El pepsinógeno, el precursor de la pepsina, lo secretan las células principales del estómago (fig. 20.14). El pepsinógeno se activa parcialmente por la interacción con los iones de hidrógeno que secretan las células parietales del estómago. El pepsinógeno parcialmente activo puede así activar por completo otros pepsinógenos gracias a la activación proteolítica. La pepsina puede entonces comenzar la digestión de proteínas en la luz del estómago, pero no puede completar la digestión de los aminoácidos individuales, porque sus acciones están limitadas a la rotura de enlaces solo entre algunos aminoácidos. Además, tras el vaciado gástrico, la pepsina se inactiva en la luz alcalina del intestino delgado. El páncreas secreta varios cimógenos al duodeno, como tripsinógeno, quimotripsinógeno y procarboxipeptidasa. La enteropeptidasa, una enzima del borde en cepillo, activa de forma proteolítica el tripsinógeno, convirtiéndolo en tripsina (fig. 20.15). Entonces, la tripsina activa otros cimógenos, como la quimotripsina y la carboxipeptidasa, por activación proteolítica. Al igual que la pepsina, la tripsina y la quimotripsina son endopeptidasas que rompen los enlaces peptídicos solo entre ciertos aminoácidos, lo que limita su capacidad de digerir por completo las proteínas. La carboxipeptidasa y una enzima del borde en cepillo, la aminopeptidasa, son exopeptidasas que finalizan la digestión de proteínas, seccionando aminoácidos de las terminaciones carboxilo y amino de una cadena polipeptídica, respectivamente. Los productos finales de la digestión son aminoácidos, dipéptidos y tripéptidos.
Absorción de aminoácidos y péptidos pequeños Una vez digeridas las proteínas, los aminoácidos se transportan de forma activa a las células epiteliales intestinales mediante cotransporte con el sodio a través de la membrana apical. Hay al menos cuatro transportadores distintos de aminoácidos que transportan los 20 aminoácidos. Los dipéptidos y tripéptidos también se transportan de forma activa a través de la membrana apical, pero sus transportadores son distintos de los de los aminoácidos. Una vez en el interior de las células epiteliales, las proteasas intracelulares descomponen los dipéptidos y tripéptidos en aminoácidos, que luego se transportan a través de la membrana basolateral mediante difusión facilitada y difunden a la sangre.
C A P Í T U LO 2 0 Maltosa
Luz
Glucosa
Aparato digestivo
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Na+ Na+ Na+
Na+
Maltasa Borde en cepillo Membrana apical
K+ Na+
Célula de absorción
K+
K+ K+
ADP ATP + P i
Membrana basolateral
Na+
Líquido intersticial
Na+ Na+ Na+
K+
Sangre
Al hígado Capilar
FIGURA 20.13 Digestión y absorción de la maltosa. La maltosa (una enzima del borde en cepillo) digiere la maltosa, un disacárido compuesto por dos monómeros de glucosa (hexágonos) y un producto final de la digestión del almidón por la amilasa. El producto final, moléculas de glucosa, se transporta a través de la membrana apical de las células epiteliales mucosas mediante transporte activo secundario asociado al sodio. La energía para
Comprueba tus conocimientos
Proteína
Luz Pepsina
La insulina es una hormona peptídica ausente en algunas variantes de diabetes mellitus. ¿Por qué los diabéticos se inyectan insulina en lugar de consumirla vía oral?
Fragmentos más pequeños de péptido
Pepsinógeno
Pepsinógeno*
Lípidos
HCl
Mucosa gástrica
Células principales
este proceso deriva de la acción de las bombas Na+/K+ de la membrana basolateral, que crean un gradiente electroquímico dirigido hacia el interior para los iones de sodio. Las moléculas de glucosa salen de las células por difusión facilitada a través de la membrana basolateral y luego difunden a los capilares, que las llevan hasta la circulación hepática.
Células parietales
Los lípidos consumidos en la dieta son mayoritariamente triglicéridos (90%), junto con algunos fosfolípidos y colesterol. Otros lípidos entran en el tubo digestivo en secreciones como la bilis. La digestión de lípidos sigue el mismo patrón básico que los hidratos de carbono y proteínas: las enzimas descomponen moléculas grandes en moléculas más pequeñas antes de que se absorban. Sin embargo, los hidratos de carbono y las proteínas son hidrosolubles, mientras que los lípidos no lo son. Por consiguiente, el mecanismo de la absorción de lípidos es notablemente diferente del que hemos visto hasta el momento. En esta sección, hacemos especial énfasis en la digestión y absorción de los triglicéridos.
Digestión de triglicéridos
FIGURA 20.14 Activación y actividad de la pepsina en el estómago. Las células principales secretan pepsinógeno, que activa parcialmente el ácido clorhídrico (HCl) que secretan las células parietales. Las moléculas de pepsinógeno activadas parcialmente (pepsinógeno) activan luego por completo otras moléculas de pepsinógeno, seccionando los aminoácidos para formar pepsina, que digiere las proteínas en fragmentos más pequeños.
Las lipasas son un tipo de enzimas que digieren los lípidos. La digestión de lípidos comienza en la boca con la lipasa lingual, una enzima de la saliva. La digestión continúa en el estómago con la lipasa lingual, que permanece activa en el medio ácido del estómago, y la lipasa gástrica, una enzima secretada hacia la luz gástrica. No obstante, la mayor parte de la digestión de los lípidos no ocurre hasta que los lípidos llegan al intestino delgado, donde el quimo se mezcla con las lipasas pancreáticas.
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Aparato digestivo
Acción de la lipasa pancreática Mientras se emulsionan las grasas en el duoConducto deno, también se mezclan con la lipasa pancreático Luz del intestino delgado pancreática. Para que esta interaccione con el glóbulo de grasa hidrófobo, debe unirse a la colipasa, un péptido que se secreta en el jugo pancreático. Una molécula de colipasa se enlaza a otra de lipasa de forma unitaria, permitiendo que la lipasa interactúe con el glóbulo de grasa Tripsinógeno y digiera las capas externas de lípidos (fig. 20.18). Quimotripsinógeno Las lipasas actúan sobre los triglicériEnteropeptidasa dos para romper los enlaces que unen los Enterocitos ácidos grasos con los dos carbonos en Procarboxipeptidasa cualquiera de los extremos de la estructuTripsina ra de glicerol. Como resultado, el producto final de la digestión del triglicérido son dos ácidos grasos libres y un monoglicériQuimotripsina do (una molécula de glicerol a la que se adhiere un solo ácido graso). Algunos de Carboxipeptidasa estos productos finales disueltos se absorben rápidamente en las células epiteliales FIGURA 20.15 Activación de las proteasas en el intestino delgado. La enteropeptidasa, una enzima que revisten el intestino delgado; otros del borde en cepillo, convierte el tripsinógeno, un cimógeno que secreta el páncreas, en tripsina. Luego, la permanecen en el quimo, agregándose tripsina convierte otros cimógenos en sus formas activas en la luz del intestino delgado y también convierte con las sales biliares, el colesterol y otras otras moléculas de tripsinógeno en tripsina (no se muestra). sustancias liposolubles en partículas pequeñas llamadas micelas, que intercambian lípidos con la solución de su entorno. A medida que se absorben más lípidos disueltos, las Como estos lípidos son hidrófobos, las grasas ingeridas no se micelas liberan más productos para que se absorban. mezclan inmediatamente con el resto del contenido gástrico, Debido a la acción continua de la lipasa pancreática y la libesino que se fusionan para formar gotas grandes que flotan en el ración de ácidos grasos y monoglicéridos en la solución, las quimo. Cuando estas grasas salen del estómago, lo hacen como glóbulos grandes que son prácticamente indigeribles, porque las lipasas son hidrosolubles (al igual que otras enzimas digestivas) y solo pueden actuar en moléculas cercanas a la superficie del glóbulo. Por tanto, las enzimas no llegan a la gran mayoría de las OH moléculas lipídicas de estos glóbulos. Acción de las sales biliares La digestión eficaz de lípidos es posible gracias a la acción de la bilis, que primero entra en contacto con los glóbulos de grasa en el duodeno. En realidad, la bilis no digiere los lípidos, ya que no contiene enzimas, sino que simplemente facilita la acción de las lipasas, descomponiendo los glóbulos de grasa en gotas más pequeñas, un proceso que se llama emulsión. Al aumentar el área de superficie total de las gotas, la emulsión aumenta la cantidad de lípido expuesta al agua y, por tanto, que es susceptible a la digestión enzimática. La emulsión de grasas se debe, en primera instancia, a la acción de las sales biliares, derivados del colesterol que sintetizan los hepatocitos y se secretan en la bilis. Aunque el colesterol es hidrófobo, las sales biliares poseen numerosos grupos polares que contienen oxígeno (como los grupos hidroxilo o — OH, y los grupos carboxilo o — COOH) que son hidrófilos (fig. 20.16a). Como todos estos grupos polares se ubican en un lado de la molécula (el lado opuesto es el no polar), las sales biliares son anfipáticas. Cuando las sales biliares entran en contacto con un glóbulo de grasa, sus extremos hidrófobos están hacia dentro (hacia la gota hidrófoba) y sus extremos hidrófilos hacia fuera (hacia el agua), tal como se muestra en la figura 20.17. De esta forma, las sales biliares dotan a las gotas de una «cobertura» polar que les permite mezclarse mejor con el agua y descomponerse en gotas más pequeñas.
C
NH
CH2
COO– Na+
O
HO
OH
(a)
Hidrófobo (no polar)
Extremo hidrófobo Extremo hidrófilo
(b)
Grupos hidrófilos (polares)
FIGURA 20.16 Sal biliar representativa. (a) Fórmula estructural, en la que se resaltan en sombreado los grupos hidrófilos. (b) Modelo de llenado de espacio que ilustra la naturaleza anfipática de la molécula.
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Glóbulo de grasa (no polar)
Agua (polar)
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lar.) Entonces, estos lípidos se agrupan gracias al aparato de Golgi en partículas más grandes llamadas quilomicrones, que pertenecen a un tipo general de partículas conocidas como lipoproteínas (v. «Descubrimientos: Lipoproteínas y colesterol plasmático»). Tras su síntesis, los quilomicrones se secretan por exocitosis a través de la membrana basolateral al líquido intersticial (v. fig. 20.20). Después de llegar al líquido intersticial, entran en el sistema linfático a través de los vasos lácteos, que, al igual que otros capilares linfáticos, tienen orificios en sus paredes lo suficientemente grandes para permitir el paso de tales partículas. (Los quilomicrones no pueden entrar en el torrente sanguíneo directamente, porque son demasiado grandes para cruzar las paredes capilares.) El flujo de líquido linfático termina transportando los quilomicrones al torrente sanguíneo, donde parte del lípido contenido en ellos se libera a la célula, como las del tejido adiposo, para que lo usen.
Test rápido 20.4 1. ¿A qué forma han de reducirse los hidratos de carbono para que esté completa la digestión? ¿Cuándo están digeridas por completo las proteínas? 2. Nombra el sustrato para cada una de estas enzimas: sacarasa, lactasa, dextrinasa, tripsina, quimotripsina, pepsina, amilasa, carboxipeptidasa y enteropeptidasa. 3. ¿Las grasas absorbidas se transportan directamente al torrente sanguíneo? ¿Por qué? ¿Qué son los quilomicrones y cuál es su función en la absorción de las grasas? 4. ¿Cuál es la función de las sales biliares en la digestión de las grasas?
Sales biliares (anfipáticas)
Gota de grasa (no polar)
Fosfolípido
Absorción de vitaminas Triglicérido
Agua (polar)
FIGURA 20.17 Emulsión de un glóbulo de grasa gracias a las sales biliares.
gotas de grasa se encogen durante su tránsito a través del intestino delgado, desapareciendo para cuando el quimo llega al colon. En el íleo, el grueso de las sales biliares que se secretaron al duodeno (alrededor del 95%) se absorben a la circulación; por último, estas sales biliares se reciclan en el hígado y se vuelven a secretar en la bilis, mediante una vía denominada circulación enterohepática (fig. 20.19).
Absorción de lípidos El primer paso de la absorción de lípidos es la entrada de los ácidos grasos y monoglicéridos en las células epiteliales intestinales de absorción (enterocitos), lo que sucede mediante difusión simple. Dentro de las células, estas moléculas entran en el retículo endoplásmico liso, donde las enzimas actúan sobre ellas recomponiéndolas en triglicéridos (fig. 20.20). (Otros productos finales de la digestión también se recomponen de forma simi-
Las vitaminas son moléculas orgánicas necesarias en pequeñas cantidades para el funcionamiento fisiológico normal de las células. Las vitaminas se consumen en su forma absortiva y no experimentan digestión. El mecanismo de absorción de las vitaminas depende de si estas son hidrófobas o hidrófilas. Las hidrófobas, o vitaminas liposolubles (A, D, E y K), se absorben en las células epiteliales a la vez que los lípidos, ya que se disuelven fácilmente en gotas lipídicas, micelas y quilomicrones. Las vitaminas hidrosolubles se absorben mediante proteínas transportadoras especiales, algunas de las cuales requieren transporte activo mientras que otras emplean la difusión facilitada. La vitamina B12, hidrosoluble, no puede absorberse por sí misma y se absorbe solo cuando está enlazada a un factor intrínseco que las células parietales secretan hacia la luz del estómago. El factor intrínseco se une a la vitamina B12 para formar un complejo, que posteriormente se absorbe en el íleo. Como la vitamina B12 es necesaria para la síntesis de la hemoglobina, su deficiencia produce una anemia perniciosa, que puede deberse a una dieta pobre en vitamina B12 o a la carencia de factor intrínseco (v. «Conexiones clínicas: Anemia», pág. 442).
Comprueba tus conocimientos La olestra, un sustituto de las grasas, tiene una estructura de seis carbonos con seis ácidos grasos adheridos. La olestra ni se digiere ni se absorbe. Explica por qué no se absorbe y qué efectos podría tener su consumo en la absorción de las vitaminas liposolubles.
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Aparato digestivo
Gota de grasa
Triglicérido
Lipasa (procedente del páncreas)
Monoglicérido Ácido graso
Micelas
Fosfolípido
Luz
Célula absortiva
Líquido intersticial
FIGURA 20.18 Liberación, por parte de las lipasas, de ácidos grasos y monoglicéridos a partir de gotas de grasa. Observa que estos productos finales de la digestión de grasas se agregan a las micelas, que están en equilibrio con las moléculas disueltas. Algunas moléculas disueltas cruzan la membrana apical de las células epiteliales intestinales mediante difusión simple.
Vena hepática portal
Hígado
Capilares Vesícula biliar Conducto colédoco Sales biliares
Duodeno
FIGURA 20.19 Circulación enterohepática. Las sales biliares se absorben en el íleo, regresan al hígado a través de la circulación hepática portal y, finalmente, se secretan en la bilis.
Íleo
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Absorción de minerales
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Luz
Absorción de sodio y cloro
Monoglicérido Retículo endoplásmico liso
Ácido graso
La mayoría de sodio que entra en el tubo digestivo lo hace en forma de secreción (80%), aunque una parte se ingiere a diario. El mecanismo preciso de la absorción de sodio varía entre las zonas del intestino. En el duodeno y el yeyuno, el epitelio es «permeable», semejante al epitelio de los túbulos proximales del riñón. De esta forma, Otros lípidos cuando se absorbe algo de agua mediany proteínas te transporte paracelular, trae con ella Aparto solutos disueltos en un proceso llamado de Golgi flujo de soluto por arrastre. El transporte Triglicéridos activo del sodio tiene lugar en el yeyuno, el íleo y el colon, porque estos dos Quilomicrón últimos poseen un epitelio «impermeaEnterocito ble». La absorción activa depende de la acción de la bomba Na+/K+ basolateral, Sangre que mantiene un nivel bajo de sodio en el interior de los enterocitos. El sodio entra en los enterocitos a través de la membrana apical mediante una varieLíquido intersticial Lácteo dad de mecanismos, como el cotransporte con otras moléculas e iones (el cotransporte es más importante en el intestino proximal, donde se absorA la circulación general ben la mayoría de solutos), y el contraLinfa transporte con iones de hidrógeno. La absorción del sodio suele estar emparejada con la absorción de cloro FIGURA 20.20 Sucesos en la absorción de grasas. Los ácidos grasos y los monoglicéridos absorbidos en para mantener la electroneutralidad. los enterocitos se sintetizan en triglicéridos, que luego se agrupan en quilomicrones. Después de la exocitosis En el yeyuno permeable, el cloro simen el líquido intersticial, los quilomicrones entran en el sistema linfático a través de los vasos lácteos y, plemente sigue al sodio de carga posifinalmente, llegan a la circulación general. tiva. En el íleo y el colon, el cloro se absorbe de forma activa mediante ¿Qué es lo que evita que los quilomicrones entren directamente en el torrente sanguíneo a través de los contratransporte con el bicarbonato, a capilares de las vellosidades intestinales? través de la membrana apical, y difusión facilitada a través de la membrana basolateral. El bicarbonato transportado hacia la luz estabiliza los iones de hidrógeno secretados raccionan con los iones de bicarbonato existentes en ella (prohacia la luz y forma ácido carbónico en ella. La anhidrasa carbócedentes del jugo pancreático) para formar ácido carbónico, que nica, ubicada en la luz del tubo digestivo, cataliza la degradación luego se disocia en dióxido de carbono y agua. Parte del dióxido de ácido carbónico en agua y dióxido de carbono. de carbono difunde en el enterocito y reacciona con el agua dentro de la célula para formar ácido carbónico. El ácido carbónico intracelular se disocia en iones de hidrógeno y bicarbonato. Absorción del potasio Los iones de hidrógeno se secretan en intercambio por sodio y el bicarbonato se transporta a través de la membrana basolateral y El potasio se absorbe de forma activa en el intestino delgado, luego difunde al torrente sanguíneo. En el íleo y el colon, el pero puede absorberse o secretarse en el colon, dependiendo de bicarbonato se secreta en intercambio por iones de cloruro. los gradientes electroquímicos. Cuando la concentración en la El bicarbonato estabiliza el contenido del intestino. luz es de unos 25 mM o menos, se secreta potasio. Cuando la concentración luminal es mayor en el quimo, el potasio se absorbe. Como el mayor volumen de agua en el quimo (como Absorción regulada de calcio ocurre durante la diarrea) determina una baja concentración de potasio en el quimo, se absorbe menos potasio. La diarrea aguA diferencia de la mayoría de sustancias consumidas, la absorda, por tanto, puede provocar hipopotasemia. ción de calcio se regula según las necesidades del cuerpo. El calcio se absorbe de forma activa en el duodeno y el yeyuno en dos fases: 1) el calcio se une a una proteína del borde en cepillo, llaAbsorción y secreción del bicarbonato mada proteína de unión al calcio, y luego se lleva a la célula mediante un mecanismo desconocido, y 2) el calcio se transporEn el yeyuno, los iones de bicarbonato se absorben de forma ta fuera de la célula por una bomba de Ca2+ en la membrana pasiva. Como se dijo antes, los iones de hidrógeno de la luz inte-
P
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CONEXIONES CLÍNICAS
Intolerancia a la lactosa Las enzimas tienen que degradar la mayoría de moléculas de los nutrientes de nuestra dieta para que se puedan absorber. Por ejemplo, los disacáridos como la sacarosa (azúcar de mesa) y la lactosa (azúcar de la leche) deben descomponerse en monosacáridos, que luego se absorben en el intestino delgado. Las enzimas que realizan esta tarea están unidas a la membrana plasmática de las células epiteliales del intestino, colocadas de forma que entren en contacto con los nutrientes en la luz del intestino. Después de reducir los disacáridos en monosacáridos, estos últimos se absorben y se transportan al torrente sanguíneo. En el epitelio del intestino delgado, la lactasa, una enzima unida a la membrana, descompone la lactosa presente en la leche en glucosa y galactosa, que luego se absorben (v. fig.). Normalmente, los procesos de degradación enzimática y absorción son tan eficaces que prácticamente se aclara el 100% de la lactosa presente en la luz. Sin embargo, esto no sucede en las personas que tienen intolerancia a la lactosa. La intolerancia a la lactosa se desarrolla cuando las células dejan de producir lactasa, de forma que la concentración enzimática disminuye. Cuando esto ocurre, la persona
comienza a tener problemas para digerir la lactosa y, por tanto, no puede absorberla. El problema es que la lactosa permanece en la luz del intestino, sirviendo de nutriente a las bacterias que suelen vivir ahí. La lactosa estimula el crecimiento de las bacterias y la producción resultante de gas y otros productos de desecho. Estas sustancias irritan el revestimiento del intestino y causan hinchazón, incomodidad y diarrea. Las personas intolerantes a la lactosa experimentan estos síntomas después de beber leche o comer productos lácteos, así que suelen terminar aprendiendo a evitarlos.
Luz del intestino
basolateral. La absorción de calcio aumenta con la hormona 1,25-(OH)2D3, que aumenta la cantidad de proteína de unión al calcio.
Este trastorno tiene una base genética y prevalece más entre ciertas personas, sobre todo en los descendientes de africanos y asiáticos. En la mayoría de casos aparece en la infancia, después de los 6 años, cuando el consumo de leche disminuye. Se ha calculado que la intolerancia a la lactosa afecta a más del 50% de adultos en el mundo. Aunque no hay una cura, los nuevos productos del mercado permiten que las personas afectadas satisfagan sus ganas de productos lácteos gracias a unas píldoras que contienen enzimas que pueden degradar la lactosa y la leche con un nivel reducido de lactosa.
Lactosa
Célula epitelial
Lactasa
Glucosa + galactosa
Absorción
Al torrente sanguíneo
ferritina libera más hierro, que luego cruza la membrana apical y entra en la sangre.
Absorción de agua Absorción de hierro La absorción de hierro, al igual que la del calcio y la vitamina B12, requiere la ayuda de una proteína. En este caso, la proteína es la transferrina, que secretan los enterocitos hacia la luz del intestino delgado. En la luz, la transferrina se une a iones de hierro para formar un complejo, que luego se une a un receptor en la membrana apical. El receptor y el complejo se introducen en la célula mediante endocitosis mediada por un receptor, y el hierro se almacena en el enterocito como ferritina o se transporta a través de la membrana basolateral a la sangre, donde otra forma de transferrina lo transporta. La absorción de hierro desde los enterocitos está regulada por las necesidades del cuerpo. Cuando el nivel plasmático de hierro decrece, la
Aunque consumimos solo unos 2 l de agua al día, las secreciones que producen el estómago, el intestino y las glándulas accesorias hacen que entren otros 7 l de agua en el tubo digestivo. Por consiguiente, la absorción de agua es fundamental para mantener un buen equilibrio hídrico. La absorción de agua es pasiva y la desencadena un gradiente osmótico a través del epitelio mucoso, un gradiente creado por el transporte de solutos, en concreto el sodio, desde la luz al líquido intersticial. El sodio es especialmente importante en la creación de este gradiente, porque es el soluto más abundante en la luz y el líquido intersticial y, por tanto, es el que más contribuye a la presión osmótica. Normalmente, se absorbe alrededor de un 95% del agua presente al principio en el duodeno para cuando el quimo llega al colon.
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DESCUBRIMIENTOS
Lipoproteínas y colesterol plasmático Los quilomicrones pertenecen a un tipo general de partículas llamadas lipoproteínas, que contienen lípidos y proteínas. El diámetro de las lipoproteínas varía entre 75 y 1.500 μm y tienen un núcleo interno de lípidos hidrófobos rodeado de una capa hidrófila, como se muestra en la figura de este recuadro. Las lipoproteínas son útiles para el transporte de lípidos en la sangre, porque su superficie hidrófila permite que se mezclen con el agua, cosa que los lípidos no pueden hacer. El núcleo interno de las lipoproteínas contiene triglicéridos, colesterol y otros lípidos hidrófobos y compuestos liposolubles. La capa exterior contiene fosfolípidos, otros lípidos antipáticos, y unas proteínas llamadas apoproteínas, y ambos aumentan la solubilidad hídrica de las partículas y sirven de cofactores para varias enzimas. Algunas apoproteínas se unen a receptores de la superficie de las células y activan su captación mediante endocitosis mediada por un receptor. Dentro de las células, las lipoproteínas se degradan de forma enzimática, permitiendo que las células usen su contenido. Las lipoproteínas plasmáticas se clasifican según su densidad, que varía en función de la relación proteína-lípido. Las partículas con menor densidad son relativamente ricas en lípidos y se clasifican como lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL). Aquellas con mayor densidad son relativamente ricas en proteínas y se llaman lipoproteínas de alta densidad (HDL). Otras lipoproteínas son las
lipoproteínas de baja densidad (LDL) y las lipoproteínas de densidad media (IDL). Las partículas LDL se han relacionado con el desarrollo de placas ateroscleróticas, depósitos ricos en colesterol en el revestimiento de los vasos sanguíneos que pueden causar una enfermedad de la arteria coronaria. El riesgo de afección cardíaca depende de las cantidades relativas de colesterol transpor-
tadas por HDL y LDL. El colesterol LDL suele llamarse «colesterol malo», ya que la concentración alta de LDL en sangre se asocia a un alto riesgo de aterosclerosis. Por el contrario, el colesterol HDL se denomina «colesterol bueno», porque un nivel alto de HDL se asocia a un menor riesgo de enfermedad. Cuando el cociente entre el colesterol HDL y LDL aumenta, el riesgo de aterosclerosis disminuye.
Apolipoproteína Colesterol
Triglicéridos
Fosfolípidos
Principios generales de la regulación digestiva El aparato digestivo se diferencia de los otros sistemas de órganos en que, en su mayoría, no actúa para mantener una constancia en el medio interno, al menos no de forma directa, porque generalmente la cantidad de sustancias absorbidas en el tubo digestivo no está determinada por las condiciones internas del organismo. (Aunque esto no es así con todas las sustancias.) La mayoría de nutrientes ingeridos se absorben completamente, así que en las heces no se elimina prácticamente nada que tenga valor nutritivo. Aunque las funciones digestivas no se regulan según las condiciones del medio interno, sí se regulan mediante una sor-
prendente variedad de mecanismos neurales y hormonales, muchos de los cuales implican un control de retroalimentación negativa. Pero, como veremos más adelante, muchos de estos mecanismos funcionan para controlar las condiciones dentro de la luz del tubo digestivo, y no las del medio interno, con el fin de maximizar la absorción. Ahora echaremos un vistazo a los principios generales relativos a la regulación de la función digestiva.
Vías neurales y endocrinas del control digestivo La función digestiva está bajo un sistema de control complejo, en el que participa el sistema nervioso autónomo, el sistema nervioso entérico y las hormonas digestivas secretadas desde el
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Aparato digestivo
TABLA 20.2 Hormonas digestivas y sus acciones Hormona
Lugar de secreción
Estímulo de la secreción
Acción
Gastrina
Estómago
Proteínas y productos de la digestión de proteínas en el estómago; distensión del estómago; aferencias parasimpáticas para el estómago
Estimula la secreción gástrica y la motilidad; estimula la motilidad ileal y relaja el esfínter ileocecal; estimula el movimiento masivo del colon
Colecistocinina (CCK)
Duodeno y yeyuno
Productos de digestión de grasas o proteínas en el duodeno
Inhibe la secreción y motilidad gástrica; potencia la acción de la secretina en la secreción pancreática de bicarbonato; estimula la secreción de enzimas pancreáticas; estimula al hígado para que secrete bilis; estimula la contracción de la vesícula biliar y la relajación del esfínter de Oddi
Secretina
Duodeno y yeyuno
Ácido en el duodeno
Inhibe la secreción gástrica y la motilidad; estimula la secreción pancreática de bicarbonato; potencia la acción de CCK en la secreción de enzimas pancreáticas; estimula la secreción de bilis
Péptido insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP)
Duodeno y yeyuno
Glucosa, grasas o ácido en el duodeno; distensión del duodeno
Inhibe la secreción y la motilidad gástrica; estimula la secreción pancreática de insulina
estómago y el intestino delgado. El sistema nervioso entérico consiste en sus propias neuronas sensoriales, motoneuronas e interneuronas. La influencia del sistema nervioso autónomo en las funciones digestivas es, por lo general, indirecta, mediante comunicación con el sistema nervioso entérico. El funcionamiento de los órganos digestivos está bajo la influencia de los estímulos que se originan en el propio tubo digestivo, como la presencia o ausencia de comida o de cambios en la acidez de los contenidos luminales. La situación dentro de la luz del tubo está controlada por tres tipos de neuronas receptoras ubicadas dentro de la pared digestiva: mecanorreceptores, que detectan el grado de distensión de la pared; quimiorreceptores, que controlan la concentración de sustancias específicas en la luz, como iones de hidrógeno o grasas, y osmorreceptores, que controlan la osmolaridad de los contenidos luminales. Desde estos receptores se proyectan aferentes tanto al sistema nervioso entérico como al SNC. El sistema nervioso entérico y el SNC ejercen su control sobre el funcionamiento digestivo a través de las neuronas que se proyectan a varios tipos de células efectoras de los órganos digestivos, normalmente células de músculo liso o células secretoras (que pueden ser exocrinas o endocrinas). Mientras que las células exocrinas secretan sus productos a la luz del tubo digestivo, las células endocrinas secretan hormonas al torrente sanguíneo, donde pueden circular y finalmente regresar al aparato digestivo para conseguir su efecto. Hay cuatro hormonas cuya función se conoce exhaustivamente: la gastrina, la colecistocinina (CCK), la secretina y el péptido insulinotrópico dependiente de glucosa. Las tres últimas las secretan células en el duodeno y el yeyuno, y, en conjunto, se denominan enterogastronas. La ubicación de estas hormonas y los estímulos de liberación, así como sus acciones, se resumen en la tabla 20.2.
Vías reflejas cortas y largas El control neural y hormonal de la función digestiva se resume en la figura 20.21, que muestra que un estímulo en la luz del tubo digestivo puede provocar una respuesta sin participación alguna
del SNC. En este caso, las señales pueden viajar desde los receptores a los plexos nerviosos intrínsecos, y luego directamente a los efectores, siguiendo lo que se llama una vía refleja corta; o, de forma alternativa, las señales pueden seguir una vía refleja larga, viajando desde los receptores al SNC y luego a los plexos nerviosos intrínsecos, que transportan la información hasta los efectores. (En algunos casos, el SNC puede llevar señales directamente a los efectores.) Como norma general, las vías reflejas largas involucran al sistema nervioso simpático o al sistema nervioso parasimpático, o a ambos. El aumento de la actividad parasimpática suele fomentar un aumento de la actividad digestiva, que se manifiesta como un incremento de la actividad muscular o la secreción de líquidos; de forma inversa, la actividad simpática suele tener el efecto opuesto, fomentando una reducción de la actividad. (No obstante, hay algunas excepciones a estas reglas.)
Fases del control digestivo Una determinada región del tubo digestivo puede responder a un estímulo procedente de esa región o de otra más lejana. Por ejemplo, la tasa de secreción gástrico ácida está determinada tanto por el grado de acidez del contenido del estómago (la secreción decrece cuando la acidez aumenta) como por el nivel de acidez en el duodeno. El funcionamiento de los órganos digestivos también puede verse afectado por estímulos procedentes del exterior del tubo digestivo, por ejemplo, la secreción de ácido en el estómago puede relacionarse con la vista, sabor y aroma de los alimentos. El control del funcionamiento digestivo mediante estímulos procedentes de la cabeza (como el aroma, sabor y pensamiento sobre el alimento) se denomina control de la fase cefálica, que siempre se efectúa a partir de una señal de entrada del SNC. El control del funcionamiento digestivo mediante estímulos procedentes del estómago o del intestino delgado se denomina control de la fase gástrica o control de la fase intestinal, respectivamente. Los estímulos de la fase gástrica y la fase intestinal ejercen sus efectos a través de vías reflejas
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Luz del tubo digestivo Estado emocional
Estímulo
Respuesta (cambio en la actividad de secreción o motilidad)
Quimiorreceptores, mecanorreceptores, osmorreceptores
VÍA REFLEJA LARGA
VÍA REFLEJA CORTA
Células efectoras (músculo liso o glándulas endocrinas)
Sangre
Vista, gusto y aroma de alimentos
Sistema nervioso entérico
Hormona
Sistema nervioso autónomo
Sistema nervioso central
Células endocrinas
FIGURA 20.21 Resumen del control neural y endocrino de la función digestiva.
cortas o largas, o alterando la secreción de hormonas digestivas.
Regulación de la ingesta de alimentos Aunque la ingesta de alimentos es muy independiente de la necesidad del organismo de nutrientes nuevos en un momento dado, la ingesta de alimentos guarda una relación estrecha con otros factores, como las influencias psicosociales. Por tu propia experiencia sabrás que, incluso cuando no tienes especialmente hambre, pueden persuadirte para comer cuando ves un plato suculento, cuando tienes escasas oportunidades de saborear tu comida favorita o cuando estás con un grupo de amigos que están comiendo. La regulación fisiológica de la ingesta de comida puede darse a largo o corto plazo. Cuando comes porque tienes hambre y dejas de hacerlo porque has saciado el hambre, es un ejemplo de regulación a corto plazo; los aumentos en tu consumo diario de alimentos a lo largo de las semanas desde que empezaste un programa de ejercicio físico es un ejemplo de regulación a largo plazo. Un factor importante para la regulación a largo plazo es la leptina, una hormona que secretan las células adiposas. Cuando la ingesta alimenticia de calorías en los nutrientes excede la demanda del organismo, la grasa se deposita en el tejido adiposo. El tejido adiposo secreta leptina a un nivel proporcional a la cantidad de tejido adiposo. La leptina actúa en los centros de control del apetito del hipotálamo para reducir la sensación de hambre. La leptina también fomenta un aumento general del metabolismo del organismo, que reduce el almacenamiento de grasa. Algunas personas nacen con deficiencias congénitas de leptina. Estas personas suelen comer de forma excesiva e indiscriminada, trastorno denominado hiperfagia, que conduce a la obesidad mórbida. La administración de leptina a largo plazo revierte el hambre aguda y los pacientes en tratamiento pierden peso rápidamente. La ingesta de alimentos también está relacionada con numerosas variables fisiológicas, que son importantes en la regulación a corto plazo. La absorción de nutrientes a partir de una comida
típica, por ejemplo, estimula las células de los islotes pancreáticos para que liberen insulina, que actúa en el hipotálamo para reducir la sensación de hambre. Otra hormona supresora del hambre es la CCK, que se libera en respuesta a la presencia de alimentos en el duodeno. En respuesta a la presencia de comida o los productos de digestión en la luz, las señales de determinados mecanorreceptores y quimiorreceptores de la pared del tubo digestivo también puede suprimir el hambre. Las señales fisiológicas con efectos supresores del hambre se denominan señales de saciedad.
Obesidad y diabetes La gente se vuelve obesa cuando consume de forma regular más calorías de las que utiliza su cuerpo. La mayoría del exceso de calorías se almacena en forma de triglicéridos en el tejido adiposo. Hay cuatro factores principales que contribuyen al efecto de la obesidad: factores genéticos, factores ambientales, ingesta excesiva de alimentos e insuficiencia de ejercicio. Sea cual sea su motivo, la obesidad predispone a la persona a muchas enfermedades, como aterosclerosis, afecciones cardíacas, enfermedades hepáticas y diabetes mellitus de tipo 2. Aquí nos centraremos en la relación entre la obesidad y la diabetes. La diabetes mellitus de tipo 2 se asocia con la resistencia a la insulina. La resistencia tisular es un falta de respuesta normal a la insulina de los tejidos diana y puede ocurrir en cualquier parte a lo largo de la vía de señalización de la insulina, empezando por la unión de la insulina a su receptor. Aunque la forma en que aparece la resistencia a la insulina no se entiende por completo, la obesidad es la causa principal. La obesidad se define como una cantidad de grasa corporal del 20% o más de lo que se considera normal para un sexo y altura determinados. Aunque suele pensarse que el tejido adiposo es una fuente de reservas, secreta hormonas que pueden fomentar algunos de los efectos contraproducentes de la obesidad. En la sección anterior vimos que el tejido adiposo secreta leptina para disminuir la ingesta de alimentos; sin embargo, la leptina también fomenta la resistencia a la insulina. Además, el tejido adiposo secreta resistina, una citocina que también
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secretan los macrófagos durante la inflamación. Al igual que la leptina, la resistina puede fomentar la resistencia a la insulina. Una mejor comprensión de los mediadores químicos del tejido adiposo que inducen la resistencia a la insulina podría conducir al desarrollo de agentes farmacológicos que disminuyeran la probabilidad de que una persona obesa desarrollara diabetes mellitus de tipo 2.
Luz de una glándula gástrica K+
Test rápido 20.5 1. Nombra tres tipos de receptores principales que controlen el estado de la luz del tubo digestivo. 2. ¿Cuál es la diferencia entre una vía refleja corta y una vía refleja larga? 3. ¿A qué se refieren los términos fase cefálica, fase gástrica y fase intestinal?
Secreción digestiva y su regulación Hemos aprendido que se secretan varias sustancias hacia la luz del tubo digestivo. En esta sección, veremos el mecanismo de la secreción exocrina y también cómo se regulan esos mecanismos.
Cl–
H+
K+
H+
H+
Cl–
Cl–
ADP ATP + P i
K+
H+
K+ CO2 + H2O
CA
Cl– H2CO3
Cl– HCO3–
Cl–
Células parietales HCO3–
Líquido intersticial
Cl–
Capilar Sangre
HCO3–
Cl–
FIGURA 20.22 Mecanismo de la secreción gástrica de ácido. Observa
Secreción de saliva La secreción de saliva está controlada mediante una señal aferente neural a las glándulas salivares a través de ambas ramificaciones del sistema nervioso autónomo. A diferencia de la mayoría de tejidos inervados de forma dual por este sistema, la secreción de saliva se estimula mediante neuronas simpáticas y parasimpáticas. Sin embargo, la actividad parasimpática estimula la secreción copiosa de saliva acuosa, mientras que la actividad simpática estimula la secreción de saliva viscosa rica en proteínas. La secreción de saliva está regulada por el centro salivar en el bulbo raquídeo, que controla las eferencias autónomas a las glándulas salivares. La información relativa al gusto de la comida se transmite al centro salivar mediante quimiorreceptores en las papilas gustativas. La presencia de alimento en la boca estimula estos receptores, causando la activación del sistema nervioso parasimpático e incrementando la secreción de saliva. La actividad del centro salivar también está influenciada por la señal de entrada procedente de la corteza cerebral, que transmite información relativa a la vista y olor del alimento y otros estímulos de la fase cefálica.
Secreción de ácido y pepsinógeno en el estómago El mecanismo de secreción de ácido en el estómago recuerda en cierto modo al mecanismo de secreción de iones de hidrógeno en el túbulo renal. El ácido que secreta el estómago se genera en el interior de las células parietales mediante la reacción del dióxido de carbono con el agua, cuyo catabolismo depende de la enzima anhidrasa carbónica (CA) y genera iones de hidrógeno y bicarbonato (fig. 20.22). Los iones de hidrógeno se transportan de forma activa hacia la luz del estómago mediante bombas de la membrana apical que usan energía del ATP para sacar iones de hidrógeno de la célula en intercambio por iones de potasio.
que, dado que los iones de potasio se transportan de forma activa desde la luz a las células parietales y luego vuelven a verterse de forma pasiva hacia la luz, estos iones simplemente se reciclan a través de la membrana apical. ¿La fuerza de gradiente electroquímico sobre los iones hidrógeno se dirige P hacia fuera o hacia dentro de la célula?
Los iones de bicarbonato salen de la célula a través de la membrana basolateral en intercambio por iones de cloro, que luego entran en la luz a través de canales de la membrana apical. El resultado es que los iones de hidrógeno y de cloro se transportan hacia la luz, mientras que el bicarbonato se transporta al líquido intersticial. La secreción de ácido de las células parietales se ve estimulada por la actividad nerviosa parasimpática, la gastrina y la histamina, secretadas por las células del revestimiento del estómago y que actúan como agentes paracrinos. Los estímulos de la fase cefálica, de la fase gástrica y de la fase intestinal controlan la secreción de ácido, que se suele estimular cuando hay comida presente en el estómago y se suprime cuando sale la comida. Dado que los estímulos que afectan a la secreción de ácido también suelen afectar a la secreción de pepsinógeno del mismo modo, por lo general, la secreción de pepsinógeno se eleva o reduce en paralelo a los cambios en la secreción de ácido. Como se muestra en la figura 20.23a, los estímulos de la fase cefálica producidos por la vista, gusto o aroma del alimento o por el acto de masticar y tragar desencadenan un aumento de la actividad de los nervios parasimpáticos al estómago, que estimula tanto a las células parietales como a las células principales para que secreten ácido y pepsinógeno, respectivamente, y a las células G para que secreten gastrina. La gastrina entra en el torrente sanguíneo y estimula a las células parietales y las células principales, reforzando los efectos de las señales aferentes parasimpáticas.
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Vista, aroma y gusto del alimento; masticado y deglución
actividad parasimpática
Células G secreción gástrica
gastrina en plasma
Células parietales y células principales secreción de ácido y pepsinógeno (a) Control de la fase cefálica de la secreción gástrica Proteínas y productos de la digestión de proteínas en el estómago; distensión del estómago
Quimiorreceptores y mecanorreceptores Detección y respuesta
Reflejos cortos y largos
Células G secreción de gastrina
gastrina en plasma
Células parietales y células principales secreción de ácido y pepsinógeno (b) Control de la fase gástrica de la secreción gástrica Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 20.23 Regulación de la secreción gástrica. Se muestran las vías mediante las que se secretan el ácido y el pepsinógeno en respuesta a (a) estímulos de la fase cefálica y a (b) estímulos de la fase gástrica cuando se consumen alimentos y están presentes en el estómago.
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Una vez que el alimento llega al estómago, el estímulo de la fase gástrica entra en acción (fig. 20.23b). La presencia de proteínas y productos de la digestión de proteínas en la luz estimula a los quimiorreceptores de la pared del estómago, mientras que la presencia de comida distiende el estómago, activando los mecanorreceptores. Como resultado, las señales se transmiten a las células parietales y las células principales a través de vías reflejas cortas y largas, desencadenando la liberación de ácido y pepsinógeno, y también estimulan a las células G, desencadenando la liberación de gastrina. Las proteínas presentes en la luz también tienen un efecto directo en las células G, que las estimulan para que secreten gastrina. Cuando la comida sale del estómago, los estímulos de la fase gástrica y la fase intestinal trabajan para reducir la secreción de ácido y pepsinógeno. La salida de comida del estómago reduce el grado de distensión y disminuye la concentración de proteínas y de productos de la digestión de proteínas en la luz, causando una reducción de los estímulos que activaban anteriormente la secreción gástrica. La salida de proteínas también suele causar una elevación de la acidez gástrica (ya que las proteínas suelen estabilizar parte de la secreción de iones de hidrógeno), que actúa directamente en las células G para suprimir la secreción de gastrina, provocando, por tanto, la retirada de otros estímulos de la secreción de ácido. La reducción de la secreción gástrica que tiene lugar durante el vaciado gástrico también está desencadenada por señales procedentes de la entrada de comida en el duodeno. Cuando el quimo sale del estómago, aumenta la osmolaridad del contenido del duodeno, y este se distiende. Estos cambios estimulan a los quimiorreceptores, los osmorreceptores y los mecanorreceptores, que transmiten señales mediante vías reflejas largas y cortas a las células parietales y las células principales del estómago, induciendo un descenso de la secreción de ácido y pepsinógeno. Además, las señales que se transmiten a las células endocrinas del intestino delgado que secretan CCK, secretina y péptido insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP) suprimen la actividad secretora de las células parietales y las células principales.
Secreción de jugo pancreático y bilis La secreción de jugo pancreático comienza en los ácinos, donde las células producen un volumen relativamente pequeño de líquido que contiene agua, electrólitos y enzimas digestivas. Cuando este líquido fluye a través de los conductos procedente de los ácinos, las células de los conductos secretan un gran volumen de líquido rico en bicarbonato. Aunque ambos componentes del jugo pancreático (líquido rico en bicarbonato y líquido rico en enzimas) se secretan juntos durante la comida, los mecanismos regulatorios que controlan su secreción están de alguna forma separados y, por este motivo, la composición del jugo pancreático puede variar. La secreción de jugo pancreático se ve afectada por los estímulos de la fase cefálica, la fase gástrica y la fase intestinal, aunque los estímulos de esta última son predominantes. La mayor influencia sobre la secreción pancreática la ejercen las hormonas CCK y secretina, que se liberan en respuesta a la presencia de comida en el duodeno. La CCK actúa principalmente en las células de los ácinos para estimular la secreción enzimática, mientras que la secretina actúa principalmente en las células de los conductos para estimular la secreción de líquido rico en bicarbonato. Aunque la CCK por sí misma solo es un estímulo débil para la secreción de bicarbonato, su efecto se potencia con la presencia de secretina. De forma similar, la secretina por sí misma ejerce tan solo un efecto de estimulación débil en la
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ácido en el duodeno
Quimiorreceptores Detección y respuesta
Reflejos cortos y largos
Células endocrinas secreción de secretina
Retroalimentación negativa
secretina en plasma
Células del conducto pancreático secreción de líquido rico en bicarbonato
Duodeno
de la acidez es necesaria para el correcto funcionamiento de las enzimas pancreáticas y otros tipos de enzimas del intestino delgado. La secreción de CCK está regulada principalmente por la concentración de productos de la digestión de proteínas y de grasas en el duodeno, que aumenta a medida que el quimo sale del estómago. Este cambio estimula a los quimiorreceptores, que transmiten señales mediante vías reflejas cortas y largas a las células endocrinas, desencadenando la liberación de CCK, que actúa en las células de los ácinos para estimular la secreción de enzimas. Más tarde, una vez que los productos de la digestión abandonan el duodeno, estas señales se inactivan, de forma que la secreción de CCK disminuye. La CCK y la secretina también son responsables de la regulación de la entrada de bilis en el duodeno (fig. 20.25). En respuesta al incremento de acidez en el duodeno, la secretina actúa en el hígado para estimular la secreción de bilis. La presencia de productos de digestión de las proteínas y de las grasas en el duodeno estimula la secreción de CCK, que facilita la contracción de la vesícula biliar y la relajación del esfínter de Oddi, permitiendo que la bilis fluya al duodeno.
Velocidades del movimiento de líquidos en el aparato digestivo El volumen de líquido que entra y sale del aparato digestivo al día es impresionante, ya que es varias veces superior al volumen
Neutralización de ácido
Duodeno
ácido en el duodeno ácido
productos de la digestión de proteínas y de grasas
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
secretina en plasma
CCK en plasma
FIGURA 20.24 Estimulación de la secreción de líquido rico en bicarbonato por la acidez duodenal.
secreción enzimática, pero su efecto se refuerza con la presencia de CCK. Dicho de otra forma, cuando la CCK y la secretina están presentes, se amplifican mutuamente sus efectos, un fenómeno conocido como potenciación. La liberación de secretina y la consiguiente secreción de líquido rico en bicarbonato están muy influenciadas por la acidez del contenido del duodeno (fig. 20.24). El flujo de quimo del estómago al duodeno aumenta la acidez del contenido duodenal, lo que estimula los quimiorreceptores de la pared. En consecuencia, las señales se transmiten mediante vías reflejas cortas y largas a las células endocrinas del duodeno y el yeyuno, que, en respuesta, liberan secretina. El resultado es un aumento del nivel plasmático de secretina que actúa en las células de los conductos pancreáticos para estimular la secreción de líquido rico en bicarbonato, que, junto con los iones de hidrógeno en el duodeno, disminuye la acidez del contenido. (Observa que estos acontecimientos constituyen un control de retroalimentación negativa, ya que un aumento de la acidez desencadena una serie de sucesos que culminan con una caída de esta.) Esta reducción
Hígado
Vesícula biliar
Esfínter de Oddi
Secreción de bilis
Contracción
Relajación
Duodeno bilis
Neutralización del ácido
Emulsión de grasas
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 20.25 Mecanismo por el que la secretina y la CCK regulan la entrada de bilis en el duodeno.
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normal de plasma (fig. 20.26). En conjunto, el hígado y el páncreas secretan al tubo digestivo una media de 2 l de líquido al día, y las glándulas salivares un 1,5 l. Además, las glándulas de la pared del estómago y del intestino secretan otros 3,5 l y también entran otros 2 l de agua que ingerimos. La gran mayoría del líquido ingerido y secretado (unos 8,5 l al día) se absorbe en el intestino delgado, aunque el colon también absorbe parte. Cuando se mide la cantidad de agua que entra y que sale del tubo digestivo, la diferencia entre la entrada y la absorción es bastante pequeña, de unos 100 ml al día. El agua que no se absorbe se elimina con las heces.
Boca
Estómago
Intestino delgado
Agua ingerida
2.000 ml/día
Saliva
1.500 ml/día
Jugo gástrico
2.000 ml/día
Bilis
500 ml/día
Jugo pancreático
1.500 ml/día
Secreciones intestinales
1.500 ml/día
Absorción en el colon
400 ml/día
Excreción en las heces
100 ml/día
FIGURA 20.26 Flujo de líquido aproximado al día en el aparato digestivo.
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Test rápido 20.6 1. ¿Cuál es la función de la anhidrasa carbónica en la secreción de ácido en el estómago? 2. Elige entre los siguientes estímulos aquellos que crees que estimulan la secreción ácida gástrica: distensión del estómago, distensión del duodeno, aumento de productos de la digestión de proteínas en el estómago, aumento de la acidez en el duodeno, aumento de la osmolaridad en el duodeno. 3. Elige entre los siguientes estímulos aquellos que crees que estimularán la secreción de enzimas o líquido rico en bicarbonato por parte del páncreas: aumento de la acidez en el duodeno, subida del nivel plasmático de CCK, subida del nivel plasmático de secretina, disminución de productos de la digestión de proteínas en el duodeno, aumento de grasas en el duodeno.
Motilidad digestiva y su regulación
Absorción en el intestino 8.500 ml/día delgado
Colon
Aparato digestivo
El tubo digestivo es capaz de generar patrones cuidadosamente acompasados de movimiento para poder impulsar hacia delante o mezclar los contenidos luminales. De hecho, la digestión y la absorción son tan eficaces debido en gran parte a esta motilidad. En esta sección analizamos los diversos patrones de motilidad de los órganos digestivos y vemos cómo se regula la motilidad. Comenzamos con las bases de la motilidad digestiva: la actividad eléctrica del músculo liso.
Actividad eléctrica del músculo liso digestivo Recordemos que el músculo liso digestivo está dispuesto en capas a dos niveles. La muscular de la mucosa es una capa fina de fibras musculares longitudinales y fibras musculares circulares, cuya función es mezclar los contenidos de la luz. En la muscular externa hay dos capas separadas de músculo liso: una capa interna circular y una capa externa longitudinal. La capa interna es capaz de generar despolarizaciones graduadas espontáneas conocidas como ondas lentas, que, cuando son lo suficientemente grandes como para llevar el potencial de membrana al umbral, se acompañan de potenciales de acción (fig. 20.27). Cuando tienen lugar los potenciales de acción, suelen aparecer en oleadas, coincidiendo con los repuntes de las ondas lentas. La armonización eléctrica extensa entre las células de músculo liso, debida a la presencia de uniones comunicantes, permite la propagación de esta actividad eléctrica (ondas lentas y potenciales de acción) a las células cercanas no marcapasos. La frecuencia de las ondas lentas varía entre las distintas zonas a lo largo de la longitud del tubo, porque las células musculares de las diferentes zonas están comunicadas con diferentes conjuntos de células marcapasos. En cualquier zona del tubo digestivo, las ondas lentas tienen lugar en intervalos de tiempo regulares a una frecuencia bastante constante, un patrón que se denomina ritmo eléctrico básico y se ve influenciado por la actividad neural y las hormonas. En general, la actividad parasimpática es excitatoria y suele facilitar el aumento de la fuerza contráctil; la actividad simpática tiene el efecto contrario. Estas influencias reflejan cambios en el patrón de la actividad de las ondas lentas. La actividad neural y las señales hormonales suelen afectar a la altura de las ondas lentas más que a su frecuencia. Los estímulos excitatorios desvían el potencial de membrana hacia arriba, de forma que sigue aumentando y disminuyendo con cada onda lenta, pero a un valor medio más alto (más positivo); los estímulos inhibitorios desvían el potencial de membrana hacia
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Aparato digestivo
Potencial de membrana (mV)
Potenciales de acción
Umbral –60
Ondas lentas
Tensión muscular (g)
Tiempo (s)
za de la relación depende de la ubicación del músculo. En el estómago, el músculo liso genera fuerza de forma gradual, que varía según el grado de despolarización: a mayor despolarización, mayor contracción. Si las despolarizaciones son suficientemente grandes como para desencadenar potenciales de acción, la fuerza de contracción aumenta aún más. En los intestinos no se genera fuerza a menos que surja un potencial de acción. Cuando tienen lugar los potenciales de acción, la fuerza de la contracción varía de forma gradual con los cambios de la frecuencia de los potenciales de acción, como ocurre en el músculo liso gástrico. En las siguientes secciones analizaremos la motilidad con más detalle, comenzando por los patrones generales de motilidad que se observan en el músculo liso del tubo digestivo, y luego los patrones de motilidad de los diferentes órganos digestivos.
Peristaltismo y segmentación
Tiempo (s)
FIGURA 20.27 Actividad eléctrica de ondas lentas del músculo liso digestivo. Las despolarizaciones que superan el umbral provocan potenciales de acción (superior), induciendo contracciones del músculo liso digestivo cuya fuerza varía con la frecuencia de los potenciales de acción (inferior).
abajo. Una desviación hacia arriba en el potencial de membrana puede desencadenar una aparición repentina de potenciales de acción (si no se había producido una inicialmente) o un aumento en su frecuencia, aunque ambos efectos suelen provocar un aumento de la fuerza contráctil (v. fig. 20.27). Las desviaciones hacia abajo en el potencial de membrana suelen reducir la frecuencia de los potenciales de acción y la fuerza contráctil. Aunque la actividad contráctil está relacionada con el patrón de la actividad eléctrica del músculo liso digestivo, la naturale-
(a) Peristaltismo
El ritmo eléctrico básico establece una onda de contracción en la muscular externa que se desplaza longitudinalmente por el tubo intestinal. Estas ondas, llamadas peristaltismo, propulsan el contenido a una velocidad que depende del ritmo eléctrico básico (fig. 20.28). El peristaltismo está causado por la coordinación de la actividad de la capa muscular circular y la capa muscular longitudinal en los segmentos contiguos del tubo digestivo. En el segmento digestivo proximal, el músculo circular se contrae, mientras que el músculo longitudinal se relaja, lo que disminuye el diámetro del tubo. En el segmento digestivo distal, el músculo circular se relaja, mientras que el músculo longitudinal se contrae, provocando un aumento del diámetro del tubo, que lo prepara para recibir contenido procedente del segmento proximal. La actividad del segmento distal realmente precede a la actividad del segmento proximal, ya que se prepara para la llegada de contenido. En el intestino delgado, la muscular externa también es capaz de realizar la segmentación, la alternancia de contracciones entre segmentos intestinales que mezclan el quimo. En la segmentación, mientras que un segmento de músculo circular del intestino se contrae, los segmentos de ambos lados se relajan, permitiendo así que el contenido se mueva en ambas direccio-
(b) Segmentación
FIGURA 20.28 Comparación entre el peristaltismo y la segmentación. (a) En el peristaltismo, las ondas de contracción recorren una distancia corta y luego se apagan, propulsando el quimo a lo largo del tubo digestivo. (b) En la segmentación, las ondas de contracción hacen que los segmentos vecinos del intestino alternen contracción y relajación, mezclando el quimo al removerlo hacia delante y atrás.
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nes de la contracción (en oposición a la propulsión unilateral del contenido durante el peristaltismo). El resultado es que el quimo se agita hacia delante y atrás, mezclándose y acercando los productos de la digestión a la mucosa.
Masticado y deglución Masticar es como respirar, en cuanto a que se controla consciente e inconscientemente. Podemos controlar la velocidad y fuerza de los movimientos de forma voluntaria o podemos masticar sin ni siquiera pensarlo. Masticar de forma inconsciente se debe al reflejo de masticación que se activa gracias a la presencia de comida en la boca de la siguiente manera: cuando la comida no está en la boca, los músculos que mantienen la mandíbula cerrada están activos de forma tónica y ejercen fuerza constantemente. Sin embargo, cuando hay comida en la boca, se estimulan los receptores de presión y desencadenan la inhibición de los músculos que cierran la mandíbula, dejando que esta caiga en respuesta a la fuerza de la gravedad. La apertura de la mandíbula depende de la presión de la comida sobre los receptores, que elimina los estímulos inhibidores de estos músculos, permitiendo que la mandíbula vuelva a cerrarse. Sin embargo, cuando esto ocurre, la presión se restablece, lo que desencadena la inhibición de los músculos para que la mandíbula vuelva a abrirse, y así sucesivamente. De esta forma, la operación de este reflejo induce el cierre y apertura consecutivos de la mandíbula, conformando la acción de masticar.
Bolo alimenticio
Faringe Glotis Laringe
➀ Cuando el bolo empieza a descender desde la faringe, presiona la epiglotis (una tapa de tejido que protege la glotis), haciendo que cubra la glotis y evitando que el bolo entre en la laringe y la tráquea. Los músculos del cuello facilitan el cierre de la glotis y elevan la faringe. El mecanismo reflejo también inhibe los músculos respiratorios, que suprimen los movimientos de respiración. ➁ El esfínter esofágico superior se relaja, permitiendo la entrada del bolo en el esófago. Una vez que el bolo pasa por él, se vuelve a cerrar. ➂ La entrada del bolo en el esófago estimula a los receptores de estiramiento, provocando el peristaltismo. Las ondas peristálticas empujan el bolo hacia el estómago, al que llegan en 9 s aproximadamente. ➃ Con la llegada del bolo al final del esófago, el esfínter esofágico inferior se relaja momentáneamente para permitir la entrada del bolo en el estómago.
La epiglotis baja y tapa la glotis
Esfínter esofágico superior (cerrado) Esófago
La glotis sube y se cierra
El esfínter esofágico superior se abre
1
Onda peristáltica secundaria en el esófago El esfínter esofágico superior se cierra Las ondas peristálticas bajan por el esófago
Los músculos se contraen Los músculos se relajan
El esfínter esofágico inferior se abre
Estómago 3
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Masticar, junto con los movimientos asociados de la lengua, reduce la masa de la comida en partículas más pequeñas, y asegura que la comida se mezcle de forma consistente con la saliva, transformando la comida en una masa semisólida llamada bolo. Cuando el bolo es lo suficientemente homogéneo para tragarlo, la lengua lo impulsa al interior de la boca y luego a la faringe, donde estimula a los mecanorreceptores, que inician el reflejo de la deglución, una serie de contracciones musculares coordinadas por el centro de deglución bulbar. El reflejo de deglución supone los siguientes pasos (fig. 20.29):
Epiglotis
Lengua
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FIGURA 20.29 Acontecimientos en el reflejo de deglución. Los pasos se describen detalladamente en el texto.
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➄ En el caso de que la onda peristáltica inicial o primaria no consiga llevar el bolo al estómago, se producirían unas ondas secundarias adicionales iniciadas por la estimulación de los mecanorreceptores del esófago. Antes de la llegada del bolo, el estómago se prepara para albergarlo mediante un proceso llamado relajación receptiva. En este proceso, el centro de deglución bulbar desencadena la relajación de los músculos lisos de la parte superior del estómago, lo que incrementa su volumen.
Motilidad gástrica Después de ingerir una comida, los músculos del estómago realizan dos tareas: mezclar el quimo para asegurar que la comida y el jugo gástrico se combinan por completo, y regular el vaciado gástrico, de forma que el quimo entre en el intestino delgado a un ritmo apropiado. Estas tareas se consiguen gracias a las ondas peristálticas del estómago, coordinadas por el sistema nervioso entérico.
Patrones de motilidad gástrica Las ondas peristálticas bajan desde el cuerpo superior del estómago hacia el píloro, a una ritmo de tres por minuto. Cada onda comienza con una contracción débil, pero su fuerza se incrementa de forma progresiva a medida que avanza hacia el píloro. Como el esfínter pilórico está cerrado, la onda de contracción no empuja el grueso del quimo hacia delante, sino que la mayor parte se dirige hacia atrás, mezclándolo. Sin embargo, según aumenta la fuerza de las ondas peristálticas, estas fuerzan la apertura del esfínter pilórico cuando se propulsa el quimo al duodeno. La velocidad de vaciado gástrico depende de varios factores, como la composición y el volumen del quimo en el estómago y la fuerza de las contracciones gástricas. Por lo general, el vaciado es más rápido cuando el volumen de quimo es mayor y cuando las contracciones gástricas son mayores. No obstante, tan solo las partículas pequeñas y líquidas pueden moverse a través del esfínter pilórico. Los líquidos entran en el duodeno unos 3 min después de la digestión. Las partículas más pequeñas (de menos de 1 mm de diámetro) entran en el duodeno 20-30 min después. Por el contrario, las partículas grandes pueden permanecer en el estómago hasta 9 h antes de que se degraden a un tamaño que pueda soportar el esfínter pilórico. En períodos de ayuno, las contracciones peristálticas terminan cesando, y el estómago se inactiva durante 1 o 2 h, tras las que aparece otro patrón de actividad. Primero, el antro comienza a realizar contracciones intensas (llamadas complejo de motilidad migratoria), que están acompañadas de la relajación del esfínter pilórico. Pasado un rato, las contracciones paran y el estómago entra en otro período de actividad, seguido de otra oleada de contracciones, y así sucesivamente. Este patrón de actividad barre el contenido del estómago de partículas que puedan haberse quedado en él por ser muy grandes para atravesar el esfínter pilórico.
respuesta a la gastrina y disminuye en respuesta a la CCK, la secretina y la GIP. (De hecho, la GIP se llamó en un principio péptido inhibidor gástrico, debido a su influencia inhibitoria sobre la motilidad gástrica.) El control de la motilidad gástrica es similar al control de la secreción gástrica en que la motilidad está bajo la influencia de estímulos de una fase cefálica, una gástrica y otra intestinal. Los estímulos de la fase cefálica son dolor, miedo y depresión, que normalmente inhiben la motilidad gástrica, así como ira y agresividad, que la estimulan. Los estímulos de la fase gástrica (incluyendo la distensión del estómago) y de la fase intestinal (como la distensión del duodeno y los cambios de la acidez, osmolaridad y concentración de grasas en la luz) regulan el vaciado gástrico de forma que el quimo salga del estómago a una velocidad que se corresponda con la capacidad del intestino delgado de procesarlo.
Vómitos A veces, algunos trastornos pueden hacer que el contenido del estómago, y en ocasiones de las partes inferiores del tubo digestivo, se expulsen forzosamente por la boca, es decir, se vomita. Los vómitos pueden estar provocados por gran cantidad de estímulos, como las enfermedades (como la gripe), estados emocionales fuertes, dolor agudo, distensión grave del estómago o del intestino delgado, movimiento rotacional de la cabeza (como en los mareos) o ingesta de determinadas sustancias (como sulfato de cobre). Las sustancias que estimulan los vómitos se llaman eméticas. Dado que muchas sustancias eméticas son tóxicas, los vómitos son un mecanismo de protección que elimina estas sustancias del tubo digestivo antes de que se absorban a la sangre cantidades importantes. Los vómitos implican una compleja secuencia de sucesos (reflejo de vómito) que está coordinada por una región bulbar llamada centro del vómito. Antes del propio vómito, la persona suele sentir náuseas, la piel palidece y el ritmo cardíaco y la sudoración aumentan. Por último, se producen una serie de inspiraciones profundas seguidas del cierre de la glotis. Los músculos abdominales comienzan a contraerse fuertemente, haciendo que la pared abdominal se mueva hacia dentro, ya que los movimientos hacen que el diafragma se mueva hacia abajo. La combinación de movimientos eleva la presión abdominal de forma sustancial y comprime el estómago, aumentando su presión interior. Finalmente, el esfínter esofágico inferior se relaja, permitiendo que el contenido del estómago entre en el esófago. Si las contracciones no son lo suficientemente fuertes como para expulsar este material a la boca y luego al exterior, regresa al estómago; esto puede ocurrir varias veces antes de que las contracciones abdominales se vuelvan lo suficientemente fuertes como para empujar el material a través del esfínter esofágico superior y la boca hasta el exterior.
Motilidad del intestino delgado Al igual que el estómago, el intestino delgado muestra diferentes patrones de motilidad, dependiendo de si hay presencia de comida o no. Los patrones de motilidad también difieren en la muscular externa y la muscular de la mucosa.
Regulación de la motilidad gástrica El control de la motilidad gástrica se logra principalmente a través de cambios en la fuerza de las contracciones del músculo liso. (Los cambios de frecuencia existen, pero son relativamente secundarios.) La fuerza de la contracción gástrica aumenta en
Patrones de motilidad del intestino delgado Cuando el quimo está en el intestino delgado, se intercalan períodos breves de peristaltismo, que propulsan el quimo, con períodos relativamente largos de segmentación, que lo mezclan. En ayu-
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no, el peristaltismo y la segmentación cesan y se reemplazan por complejos de motilidad migratoria, que se mueven periódicamente a través del intestino, barriendo su contenido. La segmentación, el peristaltismo y los complejos de motilidad migratoria son el resultado de la actividad contráctil de las capas musculares externas, pero la capa más interna (la muscular de la mucosa fina) también se contrae regularmente cuando hay comida presente. Estas contracciones mezclan el quimo cerca de la superficie de la mucosa y pueden ejercer un efecto «de masaje» sobre los lácteos, que ayudan a propulsar hacia delante el líquido linfático.
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Colon trasverso Haustras
Regulación de la motilidad en el intestino delgado Las contracciones del intestino delgado están bajo la influencia de la distensión y las señales aferentes de los nervios extrínsecos y las hormonas. La distensión moderada del intestino desencadena un aumento de la fuerza contráctil, una respuesta que está mediada por vías reflejas cortas y largas que suelen mitigar la distensión, impulsando el contenido hacia delante. La gastrina estimula la motilidad del íleo y también facilita la relajación del esfínter ileocecal. El intestino delgado también muestra diferentes reflejos especializados que están armonizados por el sistema nervioso central y entran en acción solo en determinadas situaciones. En el reflejo intestino-intestinal, la distensión, o lesiones agudas a cualquier parte del intestino delgado, inhiben la actividad contráctil de todo el resto del intestino, lo que ayuda a proteger la parte lesionada de un mayor estiramiento y lesiones adicionales. En el reflejo ileogástrico, la distensión del íleo provoca la inhibición de la motilidad gástrica. En el reflejo gastroileal, la presencia de quimo en el estómago desencadena un aumento de la motilidad del íleo.
Test rápido 20.7 1. Describe los patrones de motilidad responsables del vaciado gástrico y explica cómo se regula. 2. Describe los pasos del reflejo de la deglución. 3. Compara los mecanismos y la función del peristaltismo y la segmentación en el intestino delgado.
Motilidad del colon En el colon, la actividad contráctil sirve para mezclar el quimo, para exponerlo a la superficie mucosa (lo que facilita la absorción de agua y minerales) y para propulsar el contenido luminal hacia el recto para su almacenaje y posterior eliminación.
Patrones de motilidad del colon Las partes más proximales del colon muestran un patrón de motilidad llamado haustración, que es similar a la segmentación del intestino delgado, salvo en que los segmentos (haustras) están delimitados por pliegues permanentes de la pared intestinal y son aparentemente regulares (fig. 20.30). La haustración también es notablemente más lenta que la segmentación, ya que las contracciones suceden a una velocidad de una por hora, aproximadamente. Tres o cuatro veces al día, comienza un patrón de actividad diferente. Esta actividad, llamada movimiento de masa, es como una onda peristáltica, salvo en que tras la contracción de una porción del intestino dada, permanece contraída durante más tiempo
FIGURA 20.30 Imagen radiográfica de un colon humano en la que se muestran las haustras.
antes de relajarse. Estas ondas de contracción propulsan los contenidos del lumen hacia delante rápidamente y barren el colon.
Regulación de la motilidad del colon Al igual que en el intestino delgado, el colon muestra reflejos especializados que solo entran en acción en determinadas circunstancias. En el reflejo colonocolónico, la distensión de una parte del colon induce la relajación del resto. En el reflejo gastrocolónico, la presencia de alimento en el estómago desencadena un aumento de la motilidad colónica y un aumento de la frecuencia del movimiento de masa.
Defecación La eliminación de heces del organismo está controlada de forma inconsciente, por el reflejo de defecación, y de forma voluntaria. El reflejo de defecación está desencadenado por una distensión del recto, que tiene lugar cuando el material fecal empieza a entrar en el recto desde el colon, normalmente durante el movimiento en masa del colon. Esta distensión estimula a los receptores de estiramiento e inicia varios sucesos. Primero, el músculo liso de la pared del recto se estimula para que se contraiga, lo que eleva la presión interna. Las contracciones peristálticas del colon sigmoideo también se estimulan, lo que propulsa más material fecal al recto, aumentando aún más la presión. Al mismo tiempo, el esfínter anal interno se relaja, mientras que el esfínter anal externo se contrae, evitando que el material salga del organismo. Si las contracciones colónicas son muy fuertes, elevan la presión del recto hasta un punto crítico y el esfínter anal externo se relaja, de forma que se procede a la defecación. Los adultos y niños que están enseñados posponen la defecación gracias a la contracción voluntaria del esfínter anal externo. El estreñimiento, causado por una defecación insuficiente, puede hacer que aumente la presión del colon, lo que causa los divertículos (v. «Conexión clínica: Diverticulosis», pág. 460).
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CONEXIONES CLÍNICAS
Diverticulosis En EE. UU., entre el 10 y el 30% de los adultos mayores de 40 años padecen diverticulosis. El 40% de ellos no lo saben. La diverticulosis surge cuando la pared del intestino grueso se debilita con el tiempo, probablemente exacerbada por el exceso de presión asociado al estreñimiento frecuente. Los divertículos son herniaciones con forma de bolsa de unos 5-15 mm de diámetro que surgen en la mucosa y submucosa. El motivo exacto de la debilitación de la pared del colon aún se desconoce, pero en muchos casos hay una predisposición genética. La alimentación también es importante, ya que se asocia a dietas pobres en fibra y dietas occidentales tradicionales. Los defectos en la motilidad digestiva o en la fuerza de la pared digestiva también contribuyen a esta enfermedad.
Los divertículos suelen aparecer en el colon sigmoideo, así como en todas las partes del intestino grueso y delgado. Aunque los divertículos por sí mismos no ocasionan síntomas, puede desencadenar una diverticulitis, una enfermedad inflamatoria que induce un dolor agudo. Los divertículos hacen que el quimo se atasque e irrite las paredes del colon. Los síntomas de la diverticulitis son dolor, fiebre y escalofríos. El tratamiento de la diverticulosis se basa en una dieta rica en fibra y medicamentos para controlar los movimientos intestinales. Las nueces se eliminan de la dieta por su tendencia natural a quedarse en los divertículos. El tratamiento de la diverticulitis consiste en agentes antiinflamatorios, antibióticos y analgésicos. En casos graves, se puede proceder a la resección quirúrgica del colon.
Integración de sistemas Como hemos explicado en este capítulo, el aparato digestivo está regulado para maximizar la absorción de nutrientes, no para regular la cantidad y tipos de nutrientes absorbidos para mantener la homeostasis, por lo que cabría plantearse su función en la homeostasis. Sin embargo, si el aparato digestivo no realizara sus funciones de forma eficaz, ningún sistema orgánico podría sobrevivir. Nuestras células necesitan moléculas de nutrientes cada segundo de cada día para sobrevivir. El tubo digestivo suministra esos nutrientes. No obstante, nuestro organismo no podría realizar otras funciones necesarias si se pasara todo el tiempo incorporando nuevos nutrientes a través del aparato digestivo; por ello, absorbe nutrientes de forma eficiente cuando están disponibles.
Radiografía del colon que muestra varios divertículos (flechas).
Además de suministrar nutrientes, el aparato digestivo secreta hormonas que regulan su propio funcionamiento, así como la ingesta de alimentos, y está capacitado para absorber y almacenar el hierro que posteriormente será empleado en la síntesis de la hemoglobina. El hígado desempeña varias funciones aparte del procesamiento de nutrientes, por ejemplo, se encarga del almacenamiento de hidratos de carbono que luego pueden liberarse al torrente sanguíneo en forma de glucosa con el fin de suministrar energía al sistema nervioso, eliminar eritrocitos viejos y algunos productos de desecho de la sangre (como el amoníaco, que el hígado convierte en urea) y sintetizar proteínas plasmáticas, como las proteínas de coagulación necesarias para la homeostasis. Así pues, el aparato digestivo interactúa de diversas maneras con los otros sistemas de órganos para mantener la homeostasis.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Repaso de los procesos del aparato digestivo, pág. 568 La principal finalidad del aparato digestivo es extraer las sustancias necesarias de los alimentos ingeridos y llevarlas al torrente sanguíneo para distribuirlas a las células de todo el organismo. Como la mayoría de moléculas de nutrientes son demasiado grandes para transportarse en el torrente sanguíneo, deben descomponerse en moléculas más pequeñas, tarea que realizan las
enzimas de la luz del tubo digestivo (digestión). Los productos resultantes de la digestión se transportan al torrente sanguíneo (absorción). Para facilitar estos procesos, se transportan líquidos y enzimas hacia la luz del tubo digestivo (secreción), y la actividad muscular de la pared (motilidad) propulsa el contenido luminal de un órgano digestivo al siguiente.
Digestive, Orientation, pág. 1
Anatomía funcional del aparato digestivo, pág. 568 El aparato digestivo está formado por el tubo digestivo y las glándulas accesorias. En todo su recorrido, la pared del tubo está compuesta por capas: 1) la mucosa, que reviste la luz; 2) la submucosa, una capa subyacente de tejido conjuntivo que contiene numerosos nervios y vasos sanguíneos; 3) la muscular externa, que contiene músculo liso circular y longitudinal, y 4) la serosa, com-
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puesta de tejido conjuntivo y un mesotelio exterior. La mucosa contiene la membrana mucosa, una capa epitelial con células secretoras, absortivas y endocrinas. En la pared está el sistema nervioso entérico, que se divide en dos: el plexo submucoso y el plexo mientérico. Los órganos del tubo digestivo son la boca, el esófago (conduce la comida al estómago), el estómago (guarda la comida y la mezcla con las secreciones para formar quimo), el intestino delgado (sitio principal de la digestión y absorción), el colon (absorbe agua y electrólitos y almacena las heces), el recto y el ano. El flujo de sustancias entre órganos está regulado por esfínteres. Las glándulas accesorias son las glándulas salivares (secretan saliva), el páncreas (secreta jugo pancreático que contiene enzimas y bicarbonato) y el hígado (secreta bilis y procesa los nutrientes absorbidos).
Digestive, Anatomy Review, págs. 1–8
Digestión y absorción de nutrientes y agua, pág. 580 La digestión de almidón y de glucógeno comienza en la boca, con la acción de la amilasa salivar, y continúa en el intestino delgado, con la amilasa pancreática. Las enzimas del borde en cepillo del intestino delgado reducen los hidratos de carbono a monosacáridos, que se transportan a través del epitelio mucoso y difunden al torrente sanguíneo. La digestión de proteínas comienza con la acción de la pepsina en el estómago y continúa en el intestino delgado con las enzimas pancreáticas (tripsina, qui-
motripsina y carboxipeptidasa, que se secretan como cimógenos inactivos que se activan con la entrada en el tubo digestivo) y enzimas unidas a la membrana (como la aminopeptidasa). La mayoría de proteínas se reducen completamente a aminoácidos, que se transportan al torrente sanguíneo. Las lipasas pancreáticas reducen las grasas alimenticias a ácidos grasos y monoglicéridos. Las sales biliares facilitan este proceso emulsionando las gotas de grasa. Los productos de la digestión de grasas entran en las células epiteliales mediante difusión simple y luego se recomponen en triglicéridos, que se transportan (junto con otros lípidos) al sistema linfático en forma de quilomicrones, un tipo de lipoproteínas. La absorción hídrica es secundaria a la absorción de solutos y está provocada por un gradiente osmótico. Las vitaminas y minerales se absorben sin alteración química.
Digestive, Digestion and Absorption, págs. 1–11
Principios generales de la regulación digestiva, pág. 589 Los mecanismos de regulación digestiva maximizan la eficacia de la digestión y la absorción, pero normalmente no actúan para mantener la homeostasis. El funcionamiento digestivo está regulado por vías reflejas cortas y largas que implican al sistema nervioso entérico, el sistema nervioso autónomo y las hormonas (gastrina, secretina, colecistoquinina, péptido insulinotrópico dependiente de glucosa). El sistema nervio-
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so entérico recibe señales del sistema nervioso autónomo y de los mecanorreceptores, quimiorreceptores y osmorreceptores, que controlan el estado del tubo digestivo.
Digestive, Control of the Digestive System, págs. 1–9
Secreción digestiva y su regulación, pág. 592 La secreción de saliva está controlada por las señales autónomas de las glándulas salivares y coordinada por el centro bulbar salivar. La secreción gástrica de ácido y pepsinógeno está influida por los estímulos de la fase cefálica, la fase gástrica y la fase intestinal, y controlada por reflejos neurales y hormonales. La secreción pancreática también está controlada por señales neurales y hormonales (sobre todo secretina y colecistocinina). La secreción hepática de bilis está estimulada por la secretina y la colecistocinina, que también estimula la contracción de la vesícula biliar.
Digestive, Secretion, págs. 1–16
Motilidad digestiva y su regulación, pág. 595 Las contracciones del músculo liso digestivo están desencadenadas por las células marcapasos. Los nervios y las hormonas suelen influir en la fuerza de las contracciones, pero no en la frecuencia. El estómago y los intestinos muestran patrones de motilidad que cambian en función de las condiciones luminales.
Digestive, Motility, págs. 1–14
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Qué tienen en común el sodio, los ácidos grasos y la vitamina A? a) Las enzimas no los modifican antes de la absorción al torrente sanguíneo. b) Atraviesan la membrana apical de los enterocitos por difusión simple. c) Se transportan a la sangre por los capilares de las vellosidades. d) todas las respuestas son correctas 2. El bloqueo del flujo de bilis al duodeno interfiere únicamente con la digestión de a) los hidratos de carbono. b) los lípidos. c) las proteínas. d) los hidratos de carbono y los lípidos. e) los hidratos de carbono y las proteínas.
3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta en cuanto a las fases del control digestivo? a) El sistema nervioso autónomo está implicado solo en la fase cefálica de regulación. b) El sistema nervioso autónomo está implicado solo en la fase gástrica de regulación. c) El sistema nervioso autónomo está implicado solo en la fase intestinal de regulación. d) El sistema nervioso autónomo está implicado solo en la fase gástrica y en la fase intestinal de regulación. e) El sistema nervioso autónomo está implicado en las tres fases de regulación. 4. ¿Qué sería imposible digerir si las glándulas salivares no secretaran amilasa? a) proteínas
b) c) d) e)
grasas disacáridos almidón ninguna de las respuestas es correcta
5. ¿Qué suele inhibir la secreción de ácido en el estómago? a) un aumento de la osmolaridad del contenido duodenal b) la entrada de ácido gástrico en el duodeno c) la llegada de comida al estómago d) a y b son correctas e) todas las respuestas son correctas 6. ¿Qué ilustra mejor el fenómeno de la potenciación? a) La secretina y la CCK estimulan normalmente la secreción de bilis. b) La secretina y la CCK actúan predominantemente en diferentes partes del sistema secretor hepático.
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c) La secretina y la CCK estimulan las células de los conductos biliares para que secreten líquido. d) La secreción de líquido de las células de los conductos biliares es mayor cuando están presentes la secretina y la CCK en comparación a la ausencia de una de las hormonas. 7. La enzima enteropeptidasa es responsable indirecta o directamente del correcto funcionamiento de a) las sales biliares. b) las lipasas. c) la tripsina. d) la quimotripsina. e) la tripsina y la quimotripsina.
5. La ———— es la capa más exterior de la pared digestiva, que consiste en un mesotelio y una capa subyacente de tejido conjuntivo. 6. Cuando existe comida en el intestino delgado, la contracción de la vesícula biliar se estimula gracias a la (secretina/colecistocinina). 7. Las sales biliares son necesarias para el correcto funcionamiento de las (proteasas/lipasas) pancreáticas. 8. La lámina propria se localiza en la (mucosa/submucosa). 9. La gastrina (estimula/inhibe) la secreción de ácido en el estómago.
8. ¿Cuál es un ejemplo de cimógeno? a) enteropeptidasa b) quimotripsinógeno c) amilasa salivar d) colecistocinina e) todas las respuestas son correctas
10. En el estómago, el pepsinógeno lo secretan las células (principales/parietales).
9. El aumento de la motilidad gástrica suele estar acompañado del aumento de la motilidad ileal debido al reflejo a) gastroileal. b) ileogástrico. c) gastrocólico. d) colocolónico. e) intestino-intestinal.
12. El término circulación enterohepática se refiere a la conducción de sangre desde el intestino al hígado a través de la vena portal hepática. (verdadero/falso)
10. ¿Cuál de las siguientes es un producto de digestión de la amilasa? a) maltosa b) glucosa c) sucrosa d) lactosa e) fructosa
Preguntas objetivas 1. Mediante la acción de la amilasa pancreática por sí sola, el almidón puede descomponerse en una forma que se puede absorber por completo. (verdadero/falso) 2. Las glándulas que secretan ácido en el estómago son ejemplos de glándulas accesorias. (verdadero/falso) 3. La relajación receptiva es un ejemplo de control de la fase (cefálica/gástrica) del funcionamiento del estómago. 4. El plexo nervioso (submucoso/mientérico) se ubica en la muscular externa.
11. (La segmentación/Los complejos de motilidad migratoria) barren el contenido del intestino delgado periódicamente.
13. Los nervios y las hormonas influyen en la motilidad digestiva, alterando la (frecuencia/amplitud) de las ondas lentas. 14. Masticar es una acción bajo control voluntario, pero también está controlada por vías neurales reflejas. (verdadero/falso) 15. Los disacáridos se descomponen en monosacáridos por la acción de enzimas (pancreáticas/del borde en cepillo).
Preguntas abiertas 1. Describe el proceso por el que se digieren, absorben y transportan los triglicéridos al torrente sanguíneo. Indica cuáles de los pasos son adaptaciones a la naturaleza hidrófoba de los triglicéridos y explica por qué. Compara estos pasos con los procesos correspondientes relativos a la digestión y absorción de sustancias hidrófilas, como las proteínas o los hidratos de carbono. 2. Cuando el quimo se mueve desde el estómago al intestino delgado, se alteran varias funciones gástricas. Identifica estas funciones, describe los cambios
que suceden y explica los mecanismos de regulación que provocan estos cambios. Explica por qué estos cambios tienen sentido según la primera finalidad del aparato digestivo. 3. Describe las adaptaciones estructurales del intestino delgado que incrementan su capacidad de absorber nutrientes. 4. Describe los procesos de segmentación, peristaltismo, haustración y movimiento de masa, y explica sus funciones en la digestión. ¿Cuál es la función aparente de la muscular de la mucosa? 5. Describe los diversos mecanismos que regulan la secreción de ácido y pepsinógeno en el estómago. Compara estos mecanismos con los que regulan la motilidad gástrica.
Pensamiento crítico 1. Pantoprazol es un medicamento prácticamente nuevo que bloquea el transporte activo de iones de hidrógeno en el estómago. Explica las consecuencias de la toma de este medicamento y para qué trastornos podría ser un tratamiento útil. ¿Cuáles serían algunos de los efectos negativos? 2. Una flora bacteriana normal reside en el tubo digestivo en simbiosis con el huésped humano. Estas bacterias pueden digerir la celulosa y otros productos. En numerosos casos de diarrea, muchas de estas bacterias se pierden. Los médicos suelen prescribir una dieta que incluya yogur o queso fresco. ¿Qué beneficios tiene esta dieta para el paciente? 3. La composición del organismo (masa grasa frente a masa libre de grasa) de los estadounidenses incluye una gran proporción de grasa nunca vista antes y la tendencia es a continuar aumentando esta proporción. La comunidad médica está concienciada de ello, porque la obesidad predispone a muchas enfermedades (p. ej., hipertensión y diabetes). Cada día surgen nuevas dietas; describe las bases fisiológicas de alguna de ellas.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Sistema endocrino: regulación del metabolismo energético y del crecimiento Seguro que en alguna ocasión has estado en clase desde las 10:00 hasta la 13:00. Si es así, probablemente en algún momento tuviste dificultad
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para concentrarte antes de terminar la última clase porque sentías hambre. Sin embargo, a la 13:30 repusiste tus reservas energéticas tras el almuerzo, lo que te permitió estudiar hasta las 17:00, antes de que apareciera el siguiente golpe de hambre. El equilibrio energético se diferencia de otros equilibrios corporales en que el aporte energético procedente de los alimentos es intermitente. Esto supone un desafío para nuestros órganos y sistemas corporales, desafío que es afrontado principalmente por la acción de dos hormonas, la insulina y el glucagón. Veremos en este capítulo cómo la insulina y el glucagón regulan el metabolismo energético para mantener los niveles adecuados de glucosa para el funcionamiento de las neuronas. También aprenderás cómo afectan otras hormonas al metabolismo energético durante el crecimiento o ante situaciones de estrés.
CONTENIDOS Sinopsis del metabolismo corporal
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Consumo, utilización y almacenamiento energético 605 Equilibrio energético 606 Metabolismo energético durante los estados de absorción y postabsorción 608 Regulación del metabolismo de absorción y de postabsorción 612 Termorregulación 617 Regulación hormonal del crecimiento 620 Hormonas tiroideas 625 Glucocorticoides
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Microfotografía de un folículo en la glándula tiroidea.
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Sistema endocrino: regulación del metabolismo energético y del crecimiento
OBJETIVOS
monas que regulan el crecimiento y las principales hormonas que regulan de forma global todo el metabolismo corporal: las hormonas tiroideas. En la sección final del capítulo se analizan los glucocorticoides y su función en la adaptación al estrés.
Comparar las vías metabólicas que actúan durante la movilización e energía con aquellas que funcionan durante su utilización.
Explicar los conceptos de equilibrio energético negativo y equilibrio energético positivo.
Sinopsis del metabolismo corporal
Describir el control hormonal del metabolismo durante los estados de absorción y postabsorción.
Describir cómo el organismo regula la temperatura corporal.
Explicar cómo la hormona del crecimiento regula el crecimiento.
Describir la síntesis y secreción de hormonas tiroideas. Distinguir entre acciones directas y permisivas de las hormonas tiroideas.
Describir los efectos de los glucocorticoides sobre el metabolismo global. Comparar los efectos fisiológicos de los glucocorticoides con sus efectos farmacológicos.
Describir la respuesta al estrés.
La próxima vez que te sientes a comer, hazte esta pregunta: ¿por qué estoy comiendo? Si lo haces en distintas ocasiones, encontrarás que hay muchas posibles razones. Tal vez el olor procedente de la cocina estimuló tu apetito, o viste un anuncio de una comida que te gustaba. Quizás decidiste unirte a unos amigos que iban a cenar o, tal vez, simplemente miraste el reloj y decidiste que era la hora de comer. El número de posibilidades es grande. De hecho, tenemos tantas motivaciones para comer que es fácil olvidar cuál fue la razón última: nutrirse, una necesidad biológica, porque la comida es nuestra única fuente de energía y la materia prima con la que está hecho nuestro organismo. A pesar de que nuestra necesidad de alimentos es impulsada por una necesidad biológica, nuestros hábitos alimentarios varían y se ven influidos por otros factores. (Probablemente te habrás saltado comidas para estudiar para los exámenes, o bien has comido en exceso durante una fiesta.) Normalmente, esto no es motivo de preocupación, porque el organismo tiene maneras de mantener el suministro estable de energía que las células necesitan a pesar de los cambios en el patrón de la ingesta de alimentos. Entre las comidas, el organismo convierte las reservas energéticas (incluyendo grandes hidratos de carbono, proteínas y lípidos) en pequeñas moléculas que las células utilizan para producir energía. Cuando comemos, el organismo repone este almacén mediante la conversión de nutrientes en moléculas de almacenamiento energético. La forma en que el organismo almacena y utiliza la energía (metabolismo energético) está influenciada no solo por los patrones de alimentación, sino también por factores como el crecimiento, el estrés y el metabolismo. En cualquier caso, tanto si el organismo almacena como si utiliza la energía, esto se controla principalmente mediante señales endocrinas. Hay dos conceptos críticos que controlan el metabolismo energético:
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Enzimas, pág. 65 2. Vías metabólicas, pág. 57 3. Glucólisis, pág. 74 4. Ciclo de Krebs, pág. 75 5. Cadena de transporte de electrones, pág. 78 6. Páncreas, pág. 156 7. Glándula tiroidea, pág. 155 8. Hormonas trópicas hipotálamo-hipofisarias, pág. 152 9. Glándulas suprarrenales, pág. 155
E
n el capítulo 3 estudiamos el metabolismo celular, incluyendo los mecanismos para generar adenosina trifosfato (ATP), necesaria para que las células realicen su función. En los capítulos siguientes explicamos cómo las células trabajan juntas en forma de tejidos y órganos para realizar tareas particulares, de forma que su actividad coordinada mantiene la homeostasis. El metabolismo corporal es regulado principalmente por las hormonas, cuyas propiedades básicas se estudiaron en el capítulo 6. En este capítulo aprenderás lo relativo a la regulación coordinada de las vías metabólicas en diferentes órganos para mantener el suministro adecuado de energía en todas las células del organismo, centrándose sobre el control hormonal del equilibrio energético. Al estudiar estas hormonas y sus acciones, observarás que sus efectos son variados y, a menudo, se solapan. Para ayudarte a entender mejor las funciones de estas hormonas, la primera sección de este capítulo presenta los principios generales relacionados con el metabolismo y el equilibrio energéticos. A continuación, se expone una comparación del metabolismo energético durante y entre las comidas. Seguidamente, el capítulo describe las hormonas que regulan los niveles de glucosa en sangre, especialmente la insulina y el glucagón. Después, se estudia la termorregulación, un proceso estrechamente relacionado con el metabolismo energético. Posteriormente, se analizan las hor-
1. Como la ingesta de alimentos es intermitente, el organismo deberá guardar nutrientes durante los períodos de ingesta y descomponer posteriormente estas reservas en los períodos entre comidas. 2. Como la glucosa es la principal fuente de energía del cerebro, los niveles de glucosa en sangre deben mantenerse en todo momento, incluso entre las comidas. Para poder entender plenamente el control del metabolismo, es necesario revisar algunos conceptos clave del metabolismo celular descritos en el capítulo 3, y relacionarlos con todo el organismo.
Anabolismo Un aspecto interesante del metabolismo es que las mismas pequeñas biomoléculas que proporcionan energía también se utilizan para sintetizar grandes biomoléculas. Un buen ejemplo es la acetil-CoA, que puede ser catabolizada en el ciclo de Krebs para proporcionar energía y es también un sustrato para la síntesis de triglicéridos y colesterol. Así pues, como los hidratos de carbono, los lípidos y las proteínas pueden ser catabolizados a acetil-
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CoA, al final todos ellos pueden convertirse en lípidos. Se pueden utilizar muchos otros intermediarios metabólicos de la glucólisis y el ciclo de Krebs para sintetizar biomoléculas más grandes. Por ejemplo, algunos intermediarios metabólicos pueden convertirse en aminoácidos y utilizarse para la síntesis de proteínas, mientras que otros intermediarios se utilizan en la síntesis de fosfolípidos.
Regulación de las vías metabólicas Si las vías anabólicas y catabólicas comparten diversos intermediarios, ¿qué es lo que controla la dirección del metabolismo? Los factores más importantes para determinar qué vías metabólicas están en funcionamiento son el número y la actividad de las enzimas que intervienen en ellas. La actividad de las enzimas puede regularse cambiando la concentración a través de su síntesis o degradación, o bien cambiando la actividad de la enzima de forma individual a través de la regulación alostérica o covalente. Las hormonas que regulan las vías metabólicas lo hacen mediante el control de la actividad de las enzimas de una o más de estas formas. Las vías metabólicas también son controladas por la compartimentalización. En el capítulo 3 se examina un ejemplo de la compartimentalización celular: mientras que la glucólisis se produce en el citosol, el ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial. La compartimentalización también se produce en los tejidos, debido a que algunas enzimas solo se encuentran en las células de ciertos tejidos. Además, las hormonas afectan diferencialmente a los tejidos según los tipos de receptores de sus células. Los tejidos u órganos que tienen actividades metabólicas especiales son el cerebro, el músculo esquelético, el hígado y el tejido adiposo. Vamos a analizar cómo influyen estos tejidos y órganos en todo el metabolismo corporal; primero, consideraremos cómo el organismo maneja diferentes tipos de biomoléculas, desde su absorción, captación por las células, hasta su utilización celular.
Consumo, utilización y almacenamiento energético Cuando comemos, la digestión en el tubo digestivo rompe las moléculas grandes procedentes de los alimentos en moléculas más pequeñas, que son absorbidas en la sangre. De nuestras tres principales clases de nutrientes, los hidratos de carbono son transportados en la sangre como glucosa, las proteínas como aminoácidos y los lípidos son transportados en lipoproteínas. El flujo sanguíneo distribuye estos nutrientes a los tejidos de todo el organismo, donde son finalmente captados por las células. Dentro de las células, estas moléculas pueden seguir tres destinos diferentes: 1. Las biomoléculas se pueden romper en moléculas más pequeñas, en un proceso que libera energía que se utiliza para realizar diversos procesos celulares, como la contracción muscular, el transporte, la secreción o el anabolismo. 2. Las biomoléculas se pueden utilizar para sintetizar otras moléculas que necesitan las células y los tejidos para su normal funcionamiento, crecimiento y reparación. 3. Las biomoléculas en exceso se convierten en moléculas de almacenamiento energético que proporcionan energía durante los períodos entre comidas. Las dos moléculas principales de almacenamiento energético son el glucógeno y los triglicéridos (grasa).
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El destino final de las moléculas consumidas depende de su composición química y de las necesidades del organismo en el momento de su consumo. A continuación se examina la absorción de nutrientes en las células y la utilización o almacenamiento de estos nutrientes en el interior de las células.
Captación, utilización y almacenamiento energético de los hidratos de carbono Aunque los hidratos de carbono son consumidos en gran variedad de formas, los monosacáridos, especialmente la glucosa, son las formas que se encuentran en la sangre. La figura 21.1a ilustra el destino de la glucosa en la sangre. Las moléculas de glucosa son transportadas a las células de todo el organismo por los transportadores de glucosa ➀. Dentro de las células, la glucosa puede ser oxidada para obtener energía ➁, generando dióxido de carbono como producto de desecho, proporcionando otros sustratos para reacciones metabólicas ➂ o para ser convertido en glucógeno para su almacenamiento ➃. Si los niveles de glucosa en la célula disminuyen, el glucógeno se puede degradar en glucosa mediante la glucogenólisis ➄. Aunque esta serie de pasos describe con precisión lo que sucede con la glucosa en el organismo en su conjunto, puede describir o no lo que ocurre en las células de forma individual. La mayoría de las células, por ejemplo, pueden oxidar la glucosa, pero tienen una capacidad limitada para sintetizar y almacenar el glucógeno.
Captación, utilización y almacenamiento energético de las proteínas Tal como se ilustra en la figura 21.1b, son los aminoácidos y no las proteínas completas los que son transportados en la sangre. Tras la captación por las células ➀, los aminoácidos se utilizan para la síntesis de proteínas o ➁ son catabolizados para obtener energía por proteólisis ➂. Las proteínas actúan como almacén de aminoácidos que posteriormente se pueden degradar ➃, los aminoácidos pueden ser catabolizados para obtener energía o liberados a la sangre para ser utilizados por otras células. El catabolismo de proteínas celulares para generar energía se produce solo durante los períodos largos de ayuno y genera amoníaco (NH3) y dióxido de carbono como productos de desecho. El hígado convierte el amoníaco en urea, que finalmente es eliminada en la orina.
Captación, utilización y almacenamiento energético de las grasas Cuando el organismo usa hidratos de carbono y proteínas de la dieta, estos son captados por las células en forma de componentes más pequeños (glucosa o aminoácidos), que pueden ser catabolizados para obtener energía o ensamblados en moléculas más grandes. El mismo proceso se produce en las grasas, aunque es un poco más complicado. La figura 21.1c ilustra cómo el organismo utiliza los triglicéridos, que es la forma predominante en que se presentan las grasas en la dieta. Los triglicéridos son transportados en la sangre en las lipoproteínas, pequeñas partículas que contienen proteínas y lípidos. Diversas lipoproteínas de densidad diferente transportan lípidos a células diana por todo el organismo (v. «Descu-
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Glucosa
Aminoácidos
Urea
Lipoproteínas
Monoglicérido
Ácidos grasos
+
1 NH3
1
LPL
1
6
2
2
5 4
CO2 + H2O + energía
Glucógeno
4
3
2 Proteína
3
CO2 + H2O + energía
3
4
+ Ácidos Glicerol grasos 5
Otro metabolismo
(a) Hidratos de carbono
CO2 + H2O + NH3 + energía
(b) Proteínas
Triglicéridos
(c) Lípidos
FIGURA 21.1 Transporte, absorción y destino celular de las biomoléculas. En el texto se describen los pasos numerados del procesamiento de (a) hidratos de carbono, (b) proteínas, y (c) lípidos. LPL, lipoproteína lipasa. ¿Qué tres vías metabólicas son necesarias para el procesamiento de la glucosa que se muestra en el P paso 2 de la parte (a)?
brimientos: Lipoproteínas y colesterol plasmático», pág. 589). Sin embargo, una vez que llegan a las células diana, los lípidos deben salir de las lipoproteínas antes de entrar en las células. Para facilitar la entrada en las células, los triglicéridos de la superficie externa de las lipoproteínas son degradados por la enzima lipoproteína lipasa ➀, que se encuentra en la superficie interna de los capilares de todo el organismo y es especialmente abundante en los capilares que atraviesan el tejido adiposo (grasa corporal). Esta enzima descompone los triglicéridos en ácidos grasos y monoglicéridos; los ácidos grasos son absorbidos por las células cercanas ➁, mientras que los monoglicéridos permanecen en la sangre y, finalmente, son metabolizados en el hígado. En las células en las que entran, los ácidos grasos pueden ser oxidados para obtener energía ➂ o combinarse con glicerol para formar nuevos triglicéridos ➃, que se almacenan en forma de gotas de grasa en el citosol. Este almacenaje tiene lugar principalmente en los adipocitos, células del tejido adiposo que están especializadas en almacenar grasa. (El glicerol usado en la síntesis de triglicéridos no proviene de los triglicéridos absorbidos, sino que es sintetizado en los adipocitos.) Los triglicéridos almacenados son degradados posteriormente en glicerol y ácidos grasos ➄, que pueden ser catabolizados para obtener energía o ser liberados a la sangre para ser usados por otras células ➅. El catabolismo del glicerol y de los ácidos grasos produce dióxido de carbono como producto de desecho. La rotura de los triglicéridos en ácidos grasos y glicerol, que tiene lugar en los pasos 1 o 5, se denomina lipólisis. ◆
◆
◆
El procesamiento corporal de los hidratos de carbono, las proteínas y los lípidos se resume en la tabla 21.1. Los ácidos grasos se incluyen entre los nutrientes más pequeños (a pesar de no ser absorbidos de esta manera), porque es la forma en que la mayoría de las células pueden utilizar las grasas. Algunos pequeños nutrientes pueden interconvertirse; por ejemplo, la glucosa se puede sintetizar a partir de aminoácidos, y los ácidos grasos pueden ser sintetizados a partir de glucosa o aminoácidos. Estas interconversiones desempeñan un papel significativo en el metabolismo de todo el organismo, como veremos en breve.
Equilibrio energético Para conservar la homeostasis, el ser humano debe mantener el equilibrio. Estar en equilibrio en este contexto significa que la suma de los aportes y la producción en el organismo debe ser igual a la suma de lo que se utiliza y lo que se elimina por este, como se muestra en la siguiente ecuación: Aporte + producción = utilización + pérdida En términos de equilibrio energético, el organismo no produce energía (es imposible de acuerdo con las leyes de la termodinámica), así que esta ecuación se convierte en: Aporte energético = utilización energética + pérdida energética
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TABLA 21.1 Resumen del procesamiento de hidratos de carbono, proteínas y lípidos Forma absorbida a través del tubo digestivo
Forma en que circula en la sangre
Forma almacenada
Lugar de almacenamiento
% de energía total almacenada
Hidratos de carbono
Glucosa
Glucosa
Glucógeno
Hígado, músculo esquelético
Proteínas
Aminoácidos, algunos pequeños péptidos
Aminoácidos
Proteínas
Músculo esquelético*
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Lípidos
Monoglicéridos y ácidos grasos (en los quilomicrones)
Ácidos grasos libres, lipoproteínas
Triglicéridos
Tejido adiposo
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1
*Aunque las proteínas se encuentran en todas las células del organismo, la mayoría de las que se movilizan para obtener energía provienen de las células del músculo esquelético.
La energía es usada por el organismo para realizar un trabajo y la producción energética existe en forma de calor liberado. Por tanto, la ecuación del equilibrio se convierte en: Aporte energético = trabajo realizado + calor liberado El sistema endocrino regula el equilibrio energético para asegurar que hay un suministro constante de pequeños nutrientes para satisfacer las demandas energéticas de todas las células del organismo. A medida que las células gastan energía, aprovechan los almacenes de nutrientes dentro de las células y en la sangre para obtener más energía. Este conjunto de nutrientes debe ser continuamente repuesto por si tiene lugar un gasto energético ininterrumpido. Esta reposición se puede lograr de dos maneras: por la absorción de más nutrientes de la sangre o por la movilización de energía almacenada, es decir, por el catabolismo de macromoléculas almacenadas en pequeños nutrientes que son liberados en la sangre. El organismo moviliza sus reservas energéticas cuando la tasa de consumo energético es insuficiente para satisfacer sus necesidades energéticas.
Aporte energético El aporte energético al organismo llega en forma de nutrientes absorbidos. Cuando un nutriente en particular (como la glucosa) se oxida en el organismo, se libera una determinada cantidad de energía; esta cantidad representa el contenido energético de la molécula. La ingesta energética de una persona es el contenido total de energía de todos los nutrientes absorbidos. El contenido energético de un alimento se determina generalmente quemando una cantidad de sustancia conocida en un instrumento llamado calorímetro, que mide la cantidad total de energía liberada en forma de calor al quemarse la sustancia. Esta cantidad normalmente se expresa en calorías por gramo de sustancia quemada.
tener la temperatura corporal. La mayor parte del 40% de la energía restante se utiliza para sintetizar ATP, usada para realizar funciones celulares (proceso que libera aún más calor). Los procesos celulares que consumen energía de las células se dividen en tres categorías principales. El trabajo mecánico utiliza proteínas filamentosas intracelulares para generar movimiento, como ocurre en la contracción muscular o el movimiento de los cilios que recubren el tubo respiratorio. El trabajo químico se usa para la formación de enlaces durante las reacciones químicas, como ocurre cuando se emplean moléculas pequeñas para la síntesis de moléculas grandes. El trabajo de transporte utiliza energía para mover una molécula de un lado a otro de la membrana celular, como ocurre en el transporte activo (p. ej., la bomba de Na+/K+) o en el transporte vesicular (exocitosis y endocitosis).
Tasa metabólica Cuando el organismo descompone los nutrientes, libera energía en forma de calor o la utiliza para realizar un trabajo. La cantidad de energía así consumida por unidad de tiempo es la tasa metabólica corporal. La tasa metabólica de una persona está determinada por una serie de factores, incluyendo la actividad muscular, la edad, el sexo, la superficie corporal y la temperatura ambiental. Incluso cuando estás sentado e inmóvil, por ejemplo, la tasa de gasto energético es de aproximadamente 100 kcal/h; al montar en bicicleta a un ritmo moderado, supera las 300 kcal/h. El metabolismo basal (MB) es la tasa de gasto energético de una persona que está despierta, tumbada, física y mentalmente relajada, y ha ayunado durante al menos 12 h; en estas condiciones, tanto la tasa metabólica como el trabajo realizado son mínimos. El MB se estima generalmente mediante la medición de la velocidad
Calor Nutrientes
Pérdida energética En un calorímetro, toda la energía contenida en una molécula se convierte en calor durante su oxidación y, por tanto, el contenido energético de la molécula (aporte) es igual a la cantidad de energía en forma de calor liberado (pérdida). Aunque el organismo también utiliza la oxidación de moléculas para liberar energía, la energía liberada durante la oxidación u otras reacciones catabólicas adopta dos formas: calor y trabajo (fig. 21.2). Aproximadamente el 60% de la energía consumida con los nutrientes se destina a la producción de calor, que es necesario para man-
ATP Oxidación
Energía Calor
Trabajo: mecánico químico transporte
CO2 + H2O + NH3
FIGURA 21.2 Formas de energía producidas por la oxidación de nutrientes. Parte de la energía liberada durante la oxidación se utiliza para generar ATP, que puede realizar diversos tipos de trabajo dentro de las células; el resto adopta forma de calor.
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de consumo de oxígeno de una persona, y se correlaciona con la velocidad a la que se oxidan los nutrientes en el organismo. El MB representa la energía necesaria para llevar a cabo tareas necesarias, como el bombeo de la sangre y el transporte de iones. El MB generalmente se incrementa a medida que aumenta el peso corporal, porque hay una mayor masa de tejido que requiere un mayor gasto energético para su mantenimiento. Por tanto, el MB se expresa habitualmente como la tasa de gasto energético por unidad de peso corporal. Para los adultos, el promedio de MB es de 20-25 kcal/kg de peso corporal por día. La mayor parte de este gasto se debe a la actividad del sistema nervioso y de los músculos esqueléticos, que representan el 40 y el 20-30% del MB, respectivamente. El MB varía de un tejido a otro; el tejido muscular, por ejemplo, tiene una tasa metabólica mayor en reposo que el tejido adiposo. El MB (por unidad de peso corporal) también varía con la edad: es mayor en niños en crecimiento, debido a la energía que se consume en la síntesis de nuevos tejidos, y, por lo general, es menor en ancianos que en adultos jóvenes.
Comprueba tus conocimientos Observa que el MB es más bajo cuando la persona está despierta, no dormida. Explica este fenómeno según lo que aprendiste sobre el sueño en el capítulo 9.
Equilibrio energético positivo y negativo En la sociedad actual, prácticamente todo el mundo sabe que el peso corporal, la dieta y el ejercicio están relacionados entre sí. Cuando una persona come mucho, pero no realiza mucho ejercicio, su peso corporal tiende a aumentar; cuando come menos y hace más ejercicio, disminuye su peso corporal. Estos cambios en el peso corporal se producen cuando el aporte y la pérdida energéticos no están equilibrados. Si el organismo no está en equilibrio energético, es decir, si el aporte y la pérdida energéticos no son iguales, la diferencia entre ambos determina si la cantidad de energía almacenada aumenta o disminuye (se reduce a través del catabolismo de las reservas energéticas). Desde nuestra ecuación del equilibrio, podemos determinar la cantidad de energía que se almacena: Energía almacenada = aporte energético – pérdida energética = aporte energético – (trabajo realizado + calor liberado) Cuando una persona capta energía a un ritmo mayor al que la consume en forma de calor y trabajo, la cantidad de energía almacenada aumenta. Esta condición, equilibrio energético positivo, tiende a asociarse con aumentos en el peso corporal; tiene lugar una síntesis neta de macromoléculas a partir de los nutrientes absorbidos. (Más adelante en este capítulo veremos que la mayoría de los nutrientes en exceso se almacenan en forma de lípidos.) Cuando la tasa de consumo energético es menor que el gasto en forma de calor y trabajo, la energía almacenada disminuye. Esta condición, equilibrio energético negativo, tiende a asociarse con una disminución del peso corporal. En estas condiciones, la degradación neta de macromoléculas (incluidos los lípidos almacenados) proporciona energía para las funciones corporales. Cuando alguien se pone a dieta para bajar de peso, la idea es disminuir la ingesta de alimentos y lograr un equilibrio energético negativo. El mismo resultado se puede lograr a través del ejercicio, que aumenta el trabajo y la producción de calor (energía produci-
da). Cuando el aumento en la pérdida energética excede al de su ingesta, el equilibrio energético se hace negativo. Para aprender más acerca de cómo se metaboliza la energía durante el ejercicio, véase «Comprender el ejercicio: Metabolismo energético». Aunque el concepto de equilibrio energético es útil para explicar por qué la dieta y el ejercicio afectan al peso corporal, ten en cuenta que un cambio en el contenido de energía del organismo no es necesariamente equivalente a un cambio en la masa. Si durante un período determinado de tiempo se absorben 100 g de glucosa y se oxidan 100 g de triglicéridos, entonces el peso del organismo no cambia; sin embargo, el contenido energético del organismo disminuye, porque 1 g de glucosa contiene menos energía que 1 g de triglicéridos.
Test rápido 21.1 1. ¿Cuáles son las formas de almacenamiento de hidratos de carbono y de lípidos? 2. Una vez que se introduce la energía en el organismo, o bien se almacena o bien aparece ¿en qué dos otras formas?
Metabolismo energético durante los estados de absorción y postabsorción Hemos visto que el equilibrio energético requiere que el aporte energético sea igual a la pérdida energética. Sin embargo, el organismo no se encuentra generalmente en equilibrio energético en todo momento, porque la tasa de aporte energético está determinado por la alimentación, que es intermitente. Los nutrientes son absorbidos durante unas 3-4 h después de una comida típica, durante el estado de absorción; transcurrido este tiempo, la absorción se detiene hasta la próxima comida. Durante este período, la tasa de absorción energética generalmente excede a la producción energética, poniendo al organismo en equilibrio energético positivo. Los nutrientes en la sangre son abundantes. La glucosa sirve como principal fuente de energía para las células, mientras que las grasas, los aminoácidos y el exceso de glucosa son captados por el hígado, el músculo y los adipocitos, y se convierten en moléculas de almacenamiento energético. El estado de postabsorción corresponde al tiempo entre comidas, cuando los nutrientes no son absorbidos; durante este tiempo, la tasa de gasto energético es mayor que la tasa de consumo energético. Las reservas energéticas se movilizan para proporcionar a las células la energía que necesitan. Considerando que la glucosa sirve como fuente de energía para las células del sistema nervioso central, otras células del organismo van a utilizar otras fuentes de energía (como los ácidos grasos), ahorrando así glucosa para el sistema nervioso central. El metabolismo energético durante los estados de absorción y de postabsorción puede resumirse en la siguiente regla: durante el estado de absorción, la energía se almacena en las macromoléculas; durante el estado de postabsorción, estas reservas energéticas son movilizadas. Esta regla es importante, porque significa que, a pesar de comer diferentes cantidades en diferentes momentos, el organismo proporciona un suministro constante de nutrientes a las células, un suministro que no puede interrumpirse ni por un minuto, porque el organismo debe gastar energía de forma continua solo para sobrevivir. En las secciones siguientes se ve cómo el organismo realiza esta necesaria función.
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Metabolismo energético Cómo los hidratos de carbono, grasas y proteínas suministran ATP para mantener el ejercicio depende de su intensidad y duración. Hemos visto que la ATP se descompone en difosfato de adenosina (ADP) durante el ciclo de los enlaces transversos que tira de los filamentos finos a lo largo de los filamentos gruesos y que causa la contracción muscular. La recarga instantánea de ADP en ATP es realizada por la donación de fosfatos de alta energía a partir de la creatina fosfato. Sin embargo, por sí misma, esta «reserva energética» puede suministrar solo unos pocos segundos de energía. La glucosa (ya sea libre en la sangre o almacenada en forma de glucógeno en el músculo y el hígado) es otra fuente de energía que puede responder con rapidez, porque puede degradarse para producir ATP a través de la glucólisis en condiciones anaerobias (es decir, no requiere oxígeno). Recuerda que, a pesar de que la glucólisis libera mucha energía, no es un medio muy eficaz de generar
ATP. Hacer ejercicio mientras que esta vía metabólica es dominante (antes de que la liberación de oxígeno pueda aumentar) significa que una gran cantidad de glucosa será degradada para producir una cantidad bastante limitada de energía utilizable. Como consecuencia de ello, esta vía metabólica es apropiada para realizar, por ejemplo, un sprint, pero no puede apoyar un ejercicio de larga duración, como correr largas distancias. Las vías metabólicas que utilizan el oxígeno (metabolismo aerobio), como la oxidación de los ácidos grasos y el ciclo de Krebs, responden más lentamente a los cambios en el metabolismo durante el ejercicio. Dicho en términos fisiológicos más precisos, la actividad enzimática limitante en estas vías cambia con la acumulación o el agotamiento de los productos metabólicos de la reacción. Ciertos productos de reacción (incluyendo el calor, el H+ y el CO2) producen vasodilatación, lo que aumenta el flujo sanguíneo a los músculos en ejercicio. Estos productos también disminu-
yen la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, dando lugar a una mayor liberación de oxígeno en el tejido muscular. Así, durante el ejercicio de larga duración, el organismo utiliza inicialmente la creatina fosfato para obtener energía, y luego, como el ejercicio continúa, el organismo cambia de un metabolismo dominante anaerobio-glucólisis, a un metabolismo dominante aerobio-lipólisis. Si una persona comienza a ejercitarse relativamente poco a poco (a baja intensidad), se generará una proporción mayor de ATP a través de un metabolismo aerobio lipolítico. Esto mantiene la glucosa en sangre, cuya conservación es importante, porque la glucosa es, con raras excepciones, el único combustible que utiliza el cerebro; y el glucógeno muscular, cuya conservación parece ser importante en la prevención de la fatiga durante los ejercicios aeróbicos. Por tanto, para una persona que quiere quemar grasa, el ejercicio de larga duración, de ligero a moderado, es mejor que el ejercicio intenso.
El estado de absorción es principalmente un estado anabólico, es decir, la mayoría de las reacciones implican la síntesis de macromoléculas. Sin embargo, el metabolismo celular es diferente según el tipo de célula. A continuación se describen las respuestas metabólicas del estado típico de absorción en las células en general, en las células del músculo esquelético, en las células hepáticas y en los adipocitos (fig. 21.3).
las proteínas del organismo tienen importantes funciones estructurales y funcionales en las células y son continuamente renovadas, es decir, las proteínas antiguas se degradan y son sustituidas por otras nuevas. Por esta razón, la masa de proteínas del organismo es relativamente estable y no aumenta simplemente en respuesta a la absorción de un exceso de aminoácidos. Las células del organismo catabolizan proteínas para obtener energía solo en condiciones extremas, ya que lo hacen a costa de perder moléculas que están en funcionamiento.
Células del organismo en general
Células del músculo esquelético
Las necesidades energéticas del organismo son cubiertas principalmente por la glucosa absorbida, que es abundante después de una comida normal. La glucosa es captada por las células y se cataboliza como combustible principal. Los ácidos grasos y aminoácidos absorbidos también se pueden catabolizar para producir energía, en particular si la dieta es rica en estos nutrientes y pobre en hidratos de carbono. Los ácidos grasos sufren oxidación para proporcionar subunidades de acetil-CoA para el ciclo de Krebs, y los aminoácidos se convierten en cetoácidos (ácidos orgánicos con un grupo carbonilo, C == O), muchos de los cuales son productos intermedios en el ciclo de Krebs. Los aminoácidos también pueden utilizarse para sintetizar proteínas. Observa, sin embargo, que las proteínas no son sintetizadas como «moléculas de almacenamiento». Por el contrario, la mayoría de
Al igual que las células del organismo en general, las células del músculo esquelético captan la glucosa y los aminoácidos de la sangre para sus propias necesidades. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de las células del organismo, las células del músculo esquelético pueden convertir la glucosa en glucógeno para su almacenamiento. Dentro de las células musculares individuales, estas reservas de glucógeno son limitadas, pero, en conjunto, constituyen la mayoría (aproximadamente el 70%) del total del glucógeno corporal almacenado.
Metabolismo durante el estado de absorción
Células hepáticas El hígado convierte los nutrientes en reservas energéticas que pueden utilizarse posteriormente para el suministro energético
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Sistema endocrino: regulación del metabolismo energético y del crecimiento Absorción de nutrientes pequeños
Sangre
La mayoría de las células del organismo CO2 + H2O + energía
Glucosa
Ácidos grasos
Aminoácidos
Hígado y músculo
Hígado y tejido adiposo
Hígado
Músculo y otras células
Ácidos grasos
Proteínas
Glucógeno
Glicerol
Ácidos grasos
Estímulo inicial Respuesta fisiológica
Triglicéridos
Resultado
FIGURA 21.3 Principales reacciones metabólicas del estado de absorción.
a la mayoría de las células del organismo. El hígado convierte la glucosa en glucógeno o en ácidos grasos, y los ácidos grasos en triglicéridos. El glucógeno se almacena en el hígado (que contiene aproximadamente el 24% de las reservas de glucógeno del organismo), mientras que los triglicéridos son transportados al tejido adiposo para su almacenamiento. Entre hígado y músculo esquelético, el organismo solo puede almacenar alrededor de 500 g de glucógeno, que es suficiente para satisfacer las demandas energéticas del organismo para solo unas pocas horas. Toda la glucosa absorbida que rebase la cantidad necesaria para obtener energía o para almacenarse en forma de glucógeno se convierte en ácidos grasos y luego en triglicéridos. El hígado también capta aminoácidos. Aunque el hígado utiliza algunos aminoácidos para sintetizar proteínas (incluyendo proteínas plasmáticas), la mayoría de aminoácidos se convierten en cetoácidos, muchos de los cuales son productos intermedios de la glucólisis o del ciclo de Krebs, y pueden ser usados como aporte energético. Sin embargo, la mayoría de los cetoácidos se utilizan para sintetizar ácidos grasos, por lo que, finalmente, dan lugar a triglicéridos. Los triglicéridos sintetizados en el hígado deben ser transportados al tejido adiposo, lo que se consigue mediante el empaquetamiento de los triglicéridos en partículas llamadas lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL) (v. «Descubrimientos: Lipoproteínas y colesterol plasmático» pág. 589). Brevemente, las VLDL transportan triglicéridos a las células del organismo. Las membranas plasmáticas de la mayoría de las células contienen la enzima lipoproteína lipasa, que cataboliza los triglicéridos a ácidos grasos y monoglicéridos en la superficie externa de las VLDL. Posteriormente, los ácidos grasos difunden dentro de las células, donde pueden ser utilizados para obtener energía (en la mayoría de las células del organismo) o convertirse de nuevo en triglicéridos para su almacenamiento (en los adipocitos). Los adipocitos tienen una alta concentración de lipoproteína lipasa en su membrana plasmática y, por tanto, captan la mayoría de los ácidos grasos transportados en las VLDL.
Adipocitos Los adipocitos almacenan energía en forma de triglicéridos o grasas. Los triglicéridos absorbidos son transportados a los adipocitos por los quilomicrones, que son las lipoproteínas más
pequeñas. La lipoproteína lipasa cataboliza los triglicéridos en los quilomicrones de la misma manera que se ha descrito en las VLDL. El exceso de glucosa absorbida entra en los adipocitos y se convierte en triglicéridos. Además, los triglicéridos sintetizados en el hígado son transportados a los adipocitos por las VLDL para su almacenamiento.
Reservas energéticas Mientras que el organismo tiene una capacidad limitada para almacenar energía en forma de glucógeno o proteínas, tiene una capacidad prácticamente ilimitada para almacenar energía en forma de grasa. Así pues, la síntesis de triglicéridos representa la vía final común para todos los nutrientes que se absorben en exceso a las necesidades del organismo. En la mayoría de las personas, los niveles de grasa son de un 20-30% de su peso, pero en los individuos que tienen exceso de peso puede aumentar hasta un 80%. Para las personas preocupadas por su peso, la propensión del organismo a almacenar nutrientes en forma de grasas es lo peor. Sin embargo, dado que los triglicéridos contienen aproximadamente 9 kcal/g, a diferencia de las 4 kcal/g de los hidratos de carbono y las 5-6 kcal/g de las proteínas, la síntesis de triglicéridos es claramente la mejor manera de almacenar más energía en un peso menor. En circunstancias normales, las reservas de glucógeno son responsables del 1% o menos de las reservas energéticas totales del organismo, y pueden suministrar energía durante solo un par de horas de actividad tranquila. Las proteínas representan entre el 20-25% de las reservas energéticas totales. Aunque grandes cantidades de proteínas pueden ser movilizadas para obtener energía sin consecuencias graves, especialmente en el músculo esquelético, el uso continuo de proteínas para producir energía es dañino y potencialmente fatal, porque, con el tiempo, se comprometen las funciones celulares. Así, una parte importante de la energía contenida en las reservas de proteínas no puede, en realidad, utilizarse. Los depósitos de grasa representan alrededor del 75-80% de las reservas energéticas totales y contienen suficiente energía para durar unos 2 meses. Por esta razón, las grasas son absolutamente esenciales para la capacidad del organismo de resistir períodos prolongados de ayuno. La tabla 21.2 muestra la media de las reservas energéticas de un hombre de 70 kg.
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Metabolismo durante el estado de postabsorción
TABLA 21.2 Reservas energéticas (como porcentaje del total) en un hombre sano de 70 kg
A las pocas horas de una comida normal, la absorción de nutrientes cesa. Sin los nutrientes absorbidos para obtener energía, el organismo cataboliza glucógeno, proteínas y grasas para satisfacer sus necesidades energéticas (fig. 21.4). Así, el estado de postabsorción es, ante todo, un estado catabólico. Además, a diferencia de la mayoría de las células de organismo, las células del sistema nervioso central dependen de la glucosa como fuente única de energía (las células del sistema nervioso central también tienen la posibilidad de obtener energía a partir de los cuerpos cetónicos en condiciones extremas, como la inanición). Por tanto, una función primordial del estado de postabsorción es mantener los niveles de glucosa en el plasma. Una reducción demasiado grande de glucosa en el plasma puede dar lugar a un deterioro grave de la función cerebral, pérdida de la conciencia e incluso la muerte. Dada la importancia de mantener un suministro constante de glucosa durante el estado de postabsorción, surge, lógicamente, una pregunta: ¿por qué la glucosa deriva de la degrada-
Glucógeno
Triglicéridos
Proteínas (movilizables)
Músculo esquelético
71
1
98
Hígado
24
1
2
5
99
1
1
0
0
Tejido adiposo Cerebro
ción del glucógeno, que es una fuente relativamente escasa de energía (suficiente solo como para unas pocas horas)? ¿Cómo se puede obtener glucosa para períodos más largos? El organismo sintetiza glucosa de novo a partir de aminoácidos, glicerol y otros productos de degradación del catabolismo, un proceso conocido como gluconeogenia. Además, la mayoría de los tejidos utilizan casi de forma exclusiva otras fuentes de energía, sobre todo ácidos grasos, conservándose la glucosa para su uso por el sistema nervioso central; esto se llama conservación de la glucosa.
Macromoléculas almacenadas
Músculo y otras células
Tejido adiposo Triglicéridos
Hígado
Muscle
Glucógeno
Glucógeno
Proteínas
Aminoácidos
Ácidos grasos
Glicerol
Lactato, piruvato
Glucosa
Hígado Cetonas
Sangre aminoácidos
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ácidos grasos
cetonas
Tejido no nervioso
CO2 + NH3 + H2O + energía
glucosa
Tejido nervioso
CO2 + H2O + energía
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 21.4 Principales reacciones metabólicas del estado de postabsorción. ¿Qué tipo de proceso está ocurriendo cuándo el hígado convierte aminoácidos, lactato o piruvato P a glucosa?
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Al igual que en el estado de absorción, el metabolismo celular durante el estado de postabsorción es diferente entre los distintos tipos celulares.
Células del organismo en general La mayoría de las células utilizan los ácidos grasos en lugar de la glucosa para obtener energía, ahorrando glucosa para el sistema nervioso central.
Células del músculo esquelético En una célula del músculo esquelético, cualquiera de las glucosas obtenidas a partir del glucógeno se puede utilizar para obtener energía durante la glucogenólisis, exclusivamente dentro de esa fibra muscular. El glucógeno se cataboliza a glucosa-6-P (molécula de glucosa con un grupo fosfato unido al carbono 6; que es un intermediario en la glucólisis). El grupo fosfato no puede ser extraído de la glucosa, porque las células del músculo esquelético carecen de la enzima (glucosa-6-fosfatasa), que cataliza su eliminación. Para que la glucosa sea transportada fuera de una célula, debe estar en su forma no fosforilada. Así, la glucosa formada en la glucogenólisis en las células del músculo esquelético permanece en las células y se cataboliza por glucólisis para formar piruvato o lactato. Cualquier lactato producido después viaja al hígado para su posterior procesamiento, como se describirá en breve. Las células del músculo esquelético también pueden catabolizar proteínas a aminoácidos, que son transportados por la sangre y llevados al hígado para su posterior procesamiento.
Células hepáticas El hígado es la principal fuente de glucosa plasmática durante el estado de postabsorción. El hígado tiene reservas de glucógeno que se pueden romper a glucosa-6-P por la glucogenólisis, y el hígado también tiene glucosa-6-fosfatasa, que cataliza la conversión de la glucosa-6-P a glucosa. Así, la glucosa puede ser transportada fuera de las células del hígado a la sangre. Por tanto, las reservas hepáticas de glucógeno, a diferencia del glucógeno de las células del músculo esquelético, se pueden movilizar para aportar glucosa a la sangre. El hígado es también el sitio principal de la gluconeogenia. (Algo de gluconeogenia ocurre en los riñones.) Al igual que la glucosa producida por la glucogenólisis, la glucosa de nueva síntesis es transportada desde el hígado a la sangre para ser utilizada por otras células del organismo. Durante el estado de postabsorción, el hígado convierte algunos de los ácidos grasos que entran en cuerpos cetónicos, que son liberados a la sangre y, finalmente, catabolizados en la mayoría de los tejidos. La producción de cetonas es importante, porque, durante un ayuno prolongado, el sistema nervioso central adquiere la capacidad de utilizar cetonas para obtener energía, liberándose en cierta medida de su dependencia de glucosa.
Adipocitos En el estado de postabsorción, el tejido adiposo suministra ácidos grasos a la circulación sanguínea como fuente de energía para las células del organismo, con lo que se ahorra glucosa para el sistema nervioso central. El tejido adiposo cataboliza los triglicéridos almacenados, descomponiéndolos en glicerol y ácidos grasos libres. El glicerol también se libera en la sangre, donde viaja al hígado y es catabolizado en la glucólisis.
Test rápido 21.2 1. Cuando la glucosa o los aminoácidos se absorben en exceso a las cantidades oxidadas o almacenadas en forma de glucógeno o proteínas, ¿qué ocurre con ellos? 2. ¿Dónde está la mayor parte del glucógeno almacenado en el organismo? ¿Cuál es el lugar que almacena la mayor parte de glucógeno y que puede suministrar glucosa a las células de todo el organismo? 3. Durante el estado de postabsorción, la mayoría de los tejidos utilizan como fuente primaria de energía los ácidos grasos en lugar de la glucosa. ¿Por qué es esto importante en el metabolismo de todo el organismo?
Regulación del metabolismo de absorción y de postabsorción La transición entre los estados de absorción y de postabsorción está marcada por profundas alteraciones en la actividad metabólica de los tejidos de todo el organismo. En esta sección se verá cómo estos cambios metabólicos se activan principalmente por señales endocrinas que implican a las hormonas pancreáticas, insulina y glucagón. Además, también intervienen la adrenalina y el sistema nervioso simpático.
Función de la insulina Los ajustes metabólicos que tienen lugar cuando el organismo pasa entre los estados de postabsorción y absorción son, en gran parte, desencadenados por cambios en la concentración plasmática de insulina, una hormona peptídica secretada por las células beta pancreáticas situadas en los islotes de Langerhans (v. capítulo 6). A pesar de que las acciones de la insulina y los factores que afectan a su secreción son muy numerosos, todos tienen un denominador común: la insulina promueve la síntesis de moléculas de almacenamiento energético y otros procesos característicos del estado de absorción (fig. 21.5). En otras palabras, la insulina es una hormona anabólica. En consecuencia, su secreción es estimulada por las señales asociadas con la alimentación y absorción de nutrientes en la sangre.
Factores que afectan a la secreción de insulina Durante el período de absorción, aumenta la secreción de insulina por las células beta, causando un aumento en la concentración plasmática de insulina, que promueve muchos de los procesos metabólicos característicos del estado de absorción. Durante el estado de postabsorción, la secreción de insulina disminuye, causando una disminución en la concentración plasmática de insulina, que ayuda a interrumpir el proceso de absorción. Esto plantea una pregunta clave: ¿cómo saben las células beta cuándo aumentar o disminuir la secreción de insulina? La tabla 21.3 muestra los diversos factores que influyen en la secreción de insulina. Entre ellos es de especial importancia la concentración de glucosa plasmática. Durante el período de absorción, los niveles plasmáticos de glucosa aumentan conforme la glucosa es transportada hacia la sangre desde el tubo digestivo. Este aumento estimula la secreción de insulina por el efecto directo de la glucosa en las células beta, que son sensibles a la concentración de glucosa en el líquido que las rodea. Durante el período de postabsorción, los niveles de glucosa plasmática disminuyen, causando una caída en la secreción de insulina. La
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Células beta en el páncreas secreción de insulina
Mayoría de tejidos captación de glucosa (excepto cerebro, hígado, músculo en ejercicio)
Tejido adiposo síntesis de ácidos grasos y triglicéridos
Hígado y músculo síntesis de glucógeno
Hígado síntesis de ácidos grasos y triglicéridos
glucogenólisis lipólisis
gluconeogenia
captación de aminoácidos síntesis de proteínas degradación de proteínas
Estímulo inicial Respuesta fisiológica
FIGURA 21.5 Acciones de la insulina en los tejidos diana.
secreción de insulina está influida de manera similar por la concentración plasmática de aminoácidos: niveles altos de aminoácidos en plasma estimulan la secreción de insulina, mientras que una caída de los niveles de aminoácidos disminuye la secreción de insulina. Las hormonas y el sistema nervioso autónomo también influyen en la secreción de insulina. La secreción es estimulada por la actividad del sistema nervioso parasimpático y por el péptido insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP), una hormona secretada por las células de la pared del tubo digestivo. Esto es significativo, porque la actividad parasimpática y la secreción de GIP son estimuladas en respuesta a la presencia de alimentos en las vías digestivas. Como la alimentación se produce antes de la absorción de nutrientes, estas señales preparan al organismo por adelantado para la transición al estado de absorción mediante la activación de la secreción de insulina. La secreción de insulina es inhibida por la actividad nerviosa simpática y la adrenalina circulante.
Acciones de la insulina A través de sus acciones en una gran variedad de tejidos diana, la insulina influye en casi todos los aspectos importantes del metabolismo energético (v. fig. 21.5). Promueve el almacena-
TABLA 21.3 Factores que afectan a la liberación de insulina y glucagón Factor
Efecto sobre la secreción de insulina
Efecto sobre la secreción de glucagón
F plasma (glucosa)
Aumenta
Disminuye
F plasma (aminoácidos)
Aumenta
Aumenta
F plasma (GIP)
Aumenta
Aumenta
F actividad parasimpática
Aumenta
Aumenta
F actividad simpática
Disminuye
Aumenta
F plasma (adrenalina)
Disminuye
Aumenta
miento energético, fomentando la síntesis de ácidos grasos y triglicéridos en el hígado y el tejido adiposo, de glucógeno en el hígado y el músculo esquelético, y de proteínas en la mayoría de tejidos. Al mismo tiempo, se opone al catabolismo de las reservas energéticas, al inhibir la degradación de proteínas, triglicéridos y glucógeno, y al suprimir la gluconeogenia en el hígado. En resumen, la insulina promueve reacciones del estado de absorción e inhibe reacciones del estado de postabsorción. Junto con sus acciones metabólicas, la insulina afecta al transporte de nutrientes a través de las membranas de todas las células del organismo, excepto las del hígado y las del sistema nervioso central. En la mayoría de los tejidos, la insulina estimula la captación de aminoácidos por las células, que facilita el efecto estimulante de la hormona sobre la síntesis de proteínas. Hay, por lo menos, cuatro transportadores activos sensibles a insulina que transportan ocho de los aminoácidos no esenciales del plasma a las células, disminuyendo así los niveles de aminoácidos en el plasma. La captación de aminoácidos en las células varía según el tipo de célula, siendo la captación en las células del músculo esquelético la que ocurre en mayor medida. La insulina también estimula la absorción de glucosa en algunos tejidos, al aumentar el número de proteínas transportadoras de glucosa en la membrana plasmática de las células. Hay 13 transportadores de glucosa diferentes codificados en el genoma humano, llamados GLUT 1 a GLUT 13. Estos transportadores se diferencian por su ubicación, sensibilidad a las hormonas y especificidad (algunos son más específicos para el transporte de otros monosacáridos, como la fructosa, que para el transporte de glucosa). Solo uno de estos transportadores, GLUT 4, es sensible a la insulina. GLUT 4 es un transportador de glucosa por difusión facilitada y es el transportador de glucosa más importante para el metabolismo de todo el cuerpo. Las células del músculo esquelético y del tejido adiposo tienen acumulaciones de GLUT 4 almacenados en vesículas en el citoplasma. La insulina puede provocar la inserción en la membrana plasmática por exocitosis de estos transportadores almacenados, o estimular su síntesis de novo. El ejercicio también desencadena la expresión de GLUT 4 en la membrana plasmática de las células del músculo esquelético y adipocitos.
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El transporte de glucosa en el sistema nervioso central y el hígado no se ve afectado por la insulina. Esto es fundamental, porque, cuando los niveles de insulina son bajos durante el estado de postabsorción, disminuye la captación de glucosa en la mayoría de las células, ahorrando glucosa para su uso por las células del sistema nervioso central, donde el transporte de glucosa no se ve afectado por la insulina. Además de las acciones que se muestran en la figura 21.5, la insulina tiene importante efectos promotores del crecimiento. Aunque la insulina por sí misma no estimula el crecimiento, debe estar presente en la sangre para que la hormona del crecimiento pueda ejercer sus efectos normales, forma de permisividad descrita en el capítulo 6. Esta necesidad condiciona, al menos en parte, que la acción de la insulina sea esencial para promover la síntesis de proteínas, la síntesis de ADN y la división celular, procesos esenciales para el crecimiento de los tejidos.
Función del glucagón Las acciones de la insulina para lograr la adaptación metabólica del organismo a los estados de absorción y de postabsorción se ven reforzadas por los cambios opuestos debidos al glucagón, una hormona peptídica secretada por las células alfa pancreáticas de los islotes de Langerhans. Dicho de otra manera, la insulina y el glucagón son antagonistas, hormonas cuyos efectos se oponen entre sí: la insulina promueve procesos del estado de absorción; el glucagón promueve procesos del estado de postabsorción. La secreción de glucagón disminuye durante el estado de absorción y aumenta durante el estado de postabsorción. Debido a que los niveles de insulina también están cambiando con estos estados, las adaptaciones metabólicas de un estado a otro son orquestadas por cambios opuestos en los niveles plasmáticos de insulina y glucagón.
Factores que afectan a la secreción de glucagón La mayoría de las señales que estimulan la secreción de glucagón son las mismas que inhiben la secreción de insulina
Células alfa en el páncreas secreción de glucagón
Hígado
Tejido adiposo
glucogenólisis
lipólisis
síntesis de glucógeno
síntesis de triglicéridos
gluconeogenia síntesis de cetonas degradación de proteínas síntesis de proteínas
Estímulo inicial Respuesta fisiológica
FIGURA 21.6 Acciones del glucagón sobre los tejidos diana.
(v. tabla 21.3). La disminución de glucosa en sangre estimula la secreción de glucagón e inhibe la secreción de insulina. La secreción de glucagón es también estimulada por la actividad nerviosa simpática y la adrenalina, que tienen un efecto supresor sobre la secreción de insulina. Algunos estudios sugieren que el glucagón y la insulina funcionan de forma paracrina en los islotes de Langerhans, de forma que la insulina inhibe la secreción de glucagón por las células alfa, y el glucagón inhibe la secreción de insulina por las células beta. Debido al control opuesto de estas hormonas, los niveles plasmáticos de glucagón tienden a subir conforme los niveles de insulina caen, y viceversa.
Acciones del glucagón La figura 21.6 muestra que las acciones del glucagón, aunque más limitadas que las de la insulina, se oponen a las acciones de la insulina. En el hígado, el glucagón promueve la glucogenólisis y la gluconeogenia (que aumentan los niveles de glucosa en la sangre), la síntesis de cetonas y la degradación de proteínas, mientras que inhibe los procesos opuestos de síntesis de glucógeno y proteínas. En el tejido adiposo, el glucagón estimula la lipólisis e inhibe la síntesis de triglicéridos. Estas acciones clasifican al glucagón como una hormona catabólica. El efecto general del glucagón promueve la movilización de las reservas energéticas y la síntesis de «nuevas» fuentes de energía (glucosa y cuerpos cetónicos) que pueden ser utilizadas por los tejidos; todas estas acciones son características del estado de postabsorción.
Control mediante retroalimentación negativa de los niveles de glucosa en sangre por la insulina y el glucagón Los niveles plasmáticos de glucosa normalmente están bien regulados por las acciones antagonistas de la insulina y el glucagón para mantener la homeostasis. (Otras hormonas también regulan los niveles plasmáticos de glucosa.) Esta estabilidad es importante, ya que las desviaciones alejadas de lo normal en uno u otro sentido pueden tener graves efectos adversos para la salud. El nivel normal de glucosa en sangre en ayunas es de 70-110 mg/dl (las medidas clínicas suelen ser de los niveles de glucosa en sangre, no en plasma). Niveles de glucosa en sangre en ayunas mayores de 140 mg/dl constituyen la hiperglucemia, que es a menudo indicativa de diabetes mellitus, una enfermedad grave y bastante común, que implica una serie de defectos en la producción o señalización de la insulina. Niveles de glucosa en sangre en ayunas por debajo de 60 mg/dl constituyen la hipoglucemia, que tiene efectos deletéreos sobre la función del sistema nervioso, porque este utiliza la glucosa casi exclusivamente como fuente de energía. La insulina y el glucagón unidos controlan la concentración de glucosa plasmática mediante una retroalimentación negativa (fig. 21.7). Un aumento en la concentración de la glucosa plasmática aumenta la secreción de insulina y disminuye la secreción de glucagón por el páncreas, lo que causa una disminución en la glucosa plasmática. Del mismo modo, una disminución de la concentración plasmática de glucosa disminuye la secreción de insulina y aumenta la secreción de glucagón, lo que provoca un aumento en la glucosa plasmática. La figura 21.7a esquematiza el control por retroalimentación negativa de la insulina de la concentración plasmática de glucosa. Un aumento de la glucosa plasmática estimula la secreción de insulina por las células beta del páncreas, y los efectos de la insulina disminuyen la glucosa plasmática. La insulina disminu-
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glucosa plasmática
Retroalimentación negativa
glucosa plasmática
Células beta en el páncreas
Retroalimentación Células alfa en el páncreas negativa secreción de glucagón
secreción de insulina
Mayoría de tejidos captación de glucosa por las células
Hígado
Hígado
Tejido adiposo
gluconeogenia
gluconeogenia
lipólisis
Hígado y músculo síntesis de glucógeno
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glucogenólisis glucogenólisis ácidos grasos plasmáticos
glucosa plasmática
glucosa plasmática
Glucosa ahorrada
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado (a)
(b)
FIGURA 21.7 Regulación de la concentración plasmática de glucosa. (a) Control de retroalimentación negativa de la glucosa plasmática por la insulina. (b) Control de retroalimentación negativa de la glucosa plasmática por el glucagón.
ye la concentración plasmática de glucosa de tres maneras: 1) promoviendo la captación de glucosa en las células, mediante el aumento del número de transportadores de glucosa en la membrana plasmática; 2) mediante la reducción de la concentración de glucosa libre dentro de las células por su conversión a glucógeno, lo que promueve la captación de glucosa por el aumento del gradiente de concentración de glucosa, y 3), suprimiendo la gluconeogenia, lo que reduce la velocidad a la cual la glucosa nueva se libera en la sangre. Si la concentración plasmática de glucosa disminuye, disminuye la secreción de insulina, causando un aumento en la glucosa plasmática. La figura 21.7b muestra el control por retroalimentación negativa del glucagón de la concentración plasmática de glucosa. Una disminución de la glucosa plasmática estimula la secreción de glucagón por las células alfa del páncreas y los efectos del glucagón aumentan la glucosa en plasma. El glucagón aumenta la concentración de glucosa en plasma, promoviendo la gluconeogenia y la glucogenólisis en el hígado, lo que aumenta directamente la concentración plasmática de glucosa, y mediante la estimulación de la lipólisis en el tejido adiposo, lo que proporciona ácidos grasos como fuente alternativa de energía a la glucosa.
Estimulación de la secreción de insulina y glucagón por aminoácidos Aunque la secreción de insulina y de glucagón, por lo general, se ven afectadas de maneras opuestas por un estímulo determinado, hay excepciones a este patrón (v. tabla 21.3). Por ejemplo, un aumento de aminoácidos en el plasma estimula la liberación tanto de insulina como de glucagón (v. figs. 7.5 y 7.6). Aunque esto puede parecer contraproducente, no lo es. Considera lo que ocurre después de una comida rica en proteínas y baja en hidratos de carbono: cuando los nutrientes son absorbidos, los niveles de aminoácidos en el plasma aumentan de manera significa-
tiva, pero los niveles de glucosa o bien no cambian o aumentan solo un poco. El aumento de los aminoácidos estimula la secreción de insulina, que busca incrementar la captación de aminoácidos por las células. Al mismo tiempo, el aumento de la insulina tiende a promover una disminución de la glucosa en el plasma. Como el nivel de glucosa en plasma ya estaba cerca de lo normal, este cambio es inapropiado y potencialmente peligroso. Sin embargo, el aumento de aminoácidos en el plasma también estimula la secreción de glucagón, que tiende a promover un aumento de la glucosa plasmática. (Ten en cuenta que el glucagón no afecta la absorción de aminoácidos.) Cuando se absorben aminoácidos con cantidades importantes de glucosa, como en una dieta típica, el efecto de la insulina prevalece sobre el del glucagón ya que la secreción de insulina es estimulada por los aminoácidos y la glucosa, mientras que estos dos estímulos afectan la secreción de glucagón de manera opuesta.
Efectos de la adrenalina y de la actividad nerviosa simpática sobre el metabolismo La tabla 21.3 muestra que el sistema nervioso simpático y la adrenalina suprimen la secreción de la insulina y estimulan la secreción del glucagón, y, por tanto, promueven indirectamente ajustes metabólicos hacia el estado de postabsorción. Estos ajustes metabólicos también son promovidos por acción directa de las neuronas simpáticas y de la adrenalina en ciertos tejidos diana. El período de postabsorción está marcado por niveles disminuidos de glucosa en el plasma, que actúan directamente sobre las células alfa y beta del páncreas para aumentar la secreción de glucagón y disminuir la secreción de insulina. De manera similar, una disminución de la glucosa plasmática actúa directamente sobre los receptores de glucosa en el sistema nervioso central para elevar el nivel de actividad de las neuronas simpáticas, lo
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que desencadena un aumento en la secreción de adrenalina por la médula suprarrenal; el consiguiente aumento de la adrenalina actúa sobre el hígado para aumentar la glucogenólisis y la gluconeogenia, sobre el músculo esquelético para aumentar la glucogenólisis, y sobre el tejido adiposo para aumentar la lipólisis. Acciones similares son promovidas por los nervios simpáticos en el hígado y el tejido adiposo. (Las células del músculo esquelético no reciben aferencias de neuronas simpáticas.) Aunque el control simpático del metabolismo desempeña un papel en la adaptación del organismo al estado de postabsorción, en condiciones normales su influencia es relativamente menor en comparación con la de la insulina y el glucagón. Lo más importante de la influencia del sistema simpático sobre el metabolismo está en la reacción del organismo al estrés, un término general para cualquier condición que real o potencialmente plantea un serio desafío a la capacidad del organismo de mantener la homeostasis. (Así, el estrés incluye condiciones físicas, como deshidratación, hemorragia, infección, exposición a temperaturas extremas, traumatismos o ejercicios intensos, así como estados psicológicos, como el dolor, el miedo o la ansiedad.) En el estrés, la activación del sistema nervioso simpático que normalmente ocurre desencadena la conocida constelación de respuestas de lucha o huida (frecuencia cardíaca acelerada, vasoconstricción generalizada, dilatación de las vías respiratorias, etc.); también se elevan los niveles de glucosa en plasma (debido a una mayor gluconeogenia y glucogenólisis en el hígado) y los niveles plasmáticos de ácidos grasos y glicerol (debido a un aumento de la lipólisis en los adipocitos). Estas acciones hacen que el combustible esté más fácilmente disponible para las células, ayudando al proceso de preparar el organismo para la actividad física extenuante inherente a la respuesta de lucha o huida. La mayor disponibilidad de combustible también prepara el organismo para otras actividades que requieren energía, como la reparación de tejidos o combatir las infecciones. Otros componentes de la respuesta del organismo al estrés se describen más adelante en este capítulo.
Diabetes mellitus En la diabetes mellitus, la regulación por parte de la insulina corporal de la energía metabólica y los niveles de glucosa en sangre está alterada o totalmente ausente. La enfermedad tiene dos formas básicas: 1) diabetes mellitus tipo 1, conocida anteriormente como diabetes mellitus insulinodependiente (DMID) o diabetes juvenil, que suele aparecer antes de los 20 años de edad y representa el 10-15% de todos los casos, y 2) diabetes mellitus tipo 2, previamente conocida como diabetes mellitus no insulinodependiente (DMNID) o diabetes del adulto, que, por lo general, aparece después de los 40 años de edad y que representa la gran mayoría de los casos. En la diabetes mellitus tipo 1, la secreción de insulina se reduce o está ausente, por lo general, debido a una reducción en el número de células beta pancreáticas activas. En la diabetes mellitus tipo 2, el principal defecto es una reducción en la capacidad de respuesta de la célula diana a la insulina. El signo principal de cualquier forma de diabetes es una hiperglucemia persistente, que es una consecuencia esperada de la reducción en la actividad de la insulina. La hiperglucemia se debe, en parte, a la reducción en la absorción y utilización de glucosa por parte de muchos tejidos, y, en parte, al aumento de la salida de glucosa del hígado, que resulta de una mayor gluconeogenia y glucogenólisis. Frecuentemente, estos efectos se ven agravados por niveles anormalmente altos de glucagón en el plasma. Aunque la hiperglucemia normalmente tiene un efecto supresor sobre la secreción de glucagón, la secreción de glucagón está elevada en
la diabetes debido a que la permeabilidad a la glucosa en las células alfa del páncreas (que secretan glucagón) es dependiente de la insulina. La falta de insulina reduce considerablemente la capacidad de la glucosa para entrar en las células, lo que las «confunde» para comportarse como si el nivel de glucosa fuera menor de lo que realmente es. (Recordemos que la secreción de glucagón es estimulada cuando caen los niveles de glucosa.) Otras alteraciones metabólicas suelen ser más pronunciadas en la diabetes mellitus tipo 1 que en la diabetes mellitus tipo 2. La sobreestimulación de la lipólisis y la supresión de la síntesis de triglicéridos (debido a la falta de insulina o a un exceso de glucagón) pueden producir hiperlipidemia, un exceso de ácidos grasos y otros lípidos en sangre. El exceso en la utilización de ácidos grasos como fuente de energía también puede causar una cetosis, aumento de los niveles de cetona en la sangre. La falta de insulina también interfiere con la síntesis de proteínas, lo que resulta en un catabolismo proteico excesivo. Este cambio dificulta la reparación normal de tejidos y causa debilidad muscular y retraso del crecimiento en los niños. Las consecuencias negativas de la diabetes son numerosas y variadas y ocurren de forma secundaria a la hiperglucemia y a los trastornos metabólicos asociados con la enfermedad. La elevación de glucosa en la sangre da lugar a glucosuria (presencia de glucosa en la orina), y la producción excesiva de orina está causada por la fuerza osmótica ejercida por la glucosa en los túbulos renales, como se explica en el capítulo 18. De hecho, el nombre mismo de la enfermedad se refiere a estos síntomas; las raíces griegas de diabetes mellitus significan «sifón dulce». La alta tasa de pérdida de agua a través de la orina predispone a los individuos a la deshidratación y la pérdida de electrólitos (Na+, K+ y otros) del plasma. A menos que se compense mediante la ingesta de agua (que también debe ser anormalmente alta) u otras medidas, la deshidratación rápidamente puede conducir a un colapso circulatorio y a la muerte. Las alteraciones electrolíticas pueden dar lugar a problemas neuromusculares. El exceso de producción de cetonas, que es un problema mayor en la diabetes mellitus tipo 1 que en la diabetes mellitus tipo 2, también puede ser peligroso, porque algunas cetonas son ácidos y pueden causar una caída de pH en la sangre, causando una forma particular de acidosis metabólica llamada cetoacidosis. En este cuadro se deprime la función del sistema nervioso central y, en última instancia, puede conducir al coma y la muerte. Dado que las células beta son incapaces de secretar insulina en la diabetes mellitus de tipo 1, el único tratamiento disponible es la administración de insulina, que debe administrarse por inyección. Por el contrario, la diabetes mellitus tipo 2 generalmente se puede controlar o incluso revierte a través de la reducción de peso, mediante dieta y ejercicio, lo que aumenta la capacidad de respuesta del tejido a la insulina. El uso de fármacos que estimulan la secreción de insulina también puede ser beneficioso.
Test rápido 21.3 1. ¿La concentración de qué hormona, insulina o glucagón, aumenta durante el período de absorción? 2. La actividad nerviosa simpática y la adrenalina promueven reacciones metabólicas características de qué estado, ¿del estado de absorción o del estado de postabsorción? 3. Para cada uno de los siguientes procesos, indica si es promovido por la insulina o por el glucagón: gluconeogenia, captación de glucosa por las células, glucogenólisis, síntesis de glucógeno, catabolismo de las reservas energéticas, síntesis de proteínas, disminución de los niveles de glucosa en sangre, síntesis de triglicéridos, lipólisis.
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CONEXIONES CLÍNICAS
Agotamiento térmico y golpe de calor El agotamiento por calor es una consecuencia del esfuerzo del organismo por regular su temperatura, en particular, el esfuerzo para deshacerse del exceso de calor. Cuando el organismo debe deshacerse de una gran cantidad de calor, produce grandes cantidades de sudor, lo que lleva a una reducción significativa en el volumen sanguíneo. Además, el flujo sanguíneo en la piel aumenta notablemente, lo que desvía la sangre de otras áreas del organismo. En conjunto, estos cambios producen una reducción de la presión arterial, lo que reduce el flujo de sangre al cerebro y precipita síntomas como debilidad, mareos e incluso pérdida de la conciencia. Un trastorno mucho más grave es el golpe de calor, en el que la temperatura del organismo aumenta fuera de control a causa del fracaso del sistema termorregulador. Un esfuerzo excesivo o una alta temperatura ambiental pueden superar la capacidad del organismo para deshacerse del calor. Cuando esto sucede, la temperatura del organismo se eleva, a pesar de sus esfuerzos de termorregulación. A medida que la temperatura sigue aumentando, el cerebro empieza a funcionar mal. Aparece delirio, seguido por una pérdida de la
conciencia. Finalmente, los centros termorreguladores del cerebro comienzan a fallar. Cuando esto ocurre, el cerebro, de forma inapropiada, deja de enviar señales a las glándulas sudoríparas para secretar más sudor. Como resultado de ello, la producción de sudor se detiene, poniendo en peligro la habilidad del organismo para deshacerse del calor y causando que la temperatura suba aún más rápido. Sin tratamiento, esta espiral de acontecimientos conduce inexorablemente a la muerte. La piel de una persona que experimenta un golpe de calor tiene una apariencia enrojecida (debido al aumento del flujo sanguíneo), pero también se seca (debido a la ausencia de sudor). Estas señales hacen fácil distinguir el golpe de calor del agotamiento, en el que la sudoración es profusa y la piel está enrojecida y húmeda. Si alguien está experimentando un golpe de calor o está en peligro de sufrirlo, la atención médica de urgencia es de máxima importancia. A menudo, la vida de una persona puede salvarse mediante la inmersión del paciente en agua helada, lo que reduce la temperatura corporal rápidamente dentro de un rango en el cual una termorregulación nor-
Termorregulación Cuando la noche llega al desierto, las serpientes, lagartos e insectos que estaban activos al sol de mediodía empiezan a hundirse en un estado de letargo relativo, muchos casi apenas pueden moverse. Este cambio ocurre debido a que la bajada de temperaturas produce un enfriamiento del cuerpo de estos animales, lo que ralentiza las reacciones bioquímicas y otros procesos metabólicos. Por el contrario, los seres humanos y otros mamíferos se afectan menos por los cambios en la temperatura ambiente, porque tienen la capacidad de mantener la temperatura del organismo dentro de un rango bastante estrecho a través de la termorregulación. Los animales con esta capacidad se dice que son homeotermos, mientras que los que carecen de esta habilidad se llaman poiquilotermos.
Equilibrio de la temperatura Todos los seres vivos producen calor como un subproducto del metabolismo, pero los seres humanos (como todos los otros animales homeotermos) son capaces de controlar la temperatura corporal mediante el control de la velocidad a la que se pro-
mal es posible. Suponiendo que las elevadas temperaturas no hayan causado daño permanente a los centros termorreguladores del cerebro, los mecanismos de regulación seguidamente pueden continuar.
duce y se pierde el calor de su organismo. Para mantener el organismo a una temperatura normal, la velocidad de producción de calor debe equilibrarse con la de pérdida de calor. En un equilibrio térmico negativo, la pérdida de calor excede el calor producido y la temperatura corporal cae por debajo de lo normal, una situación llamada hipotermia. Por ejemplo, las personas que están atrapadas en las tormentas de nieve o naufragan en una embarcación en aguas heladas son vulnerables a la hipotermia. Tales desgracias pueden dar lugar rápidamente a estupor, pérdida del conocimiento, fracaso multiorgánico y, finalmente, la muerte. En un equilibrio térmico positivo, el calor producido excede a la pérdida del mismo y la temperatura corporal aumenta a niveles superiores a lo normal, una situación llamada hipertermia. Si la hipertermia es lo suficientemente grave, puede llevar a pérdida de conciencia, convulsiones, insuficiencia respiratoria y la muerte. Los efectos adversos comienzan a aparecer cuando la temperatura del organismo alcanza los 41 °C: una temperatura de 43 °C o mayor es normalmente mortal (v. «Conexiones clínicas: Agotamiento térmico y golpe de calor»). La capacidad para mantener la temperatura corporal normal depende de la adecuada transferencia de calor con el medio ambiente.
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Mecanismos de transferencia de calor entre el organismo y el medio ambiente En la mayoría de situaciones, el organismo pierde calor al medio ambiente debido a que la temperatura externa es generalmente más baja que la temperatura corporal. Cuando la velocidad de pérdida de calor es igual a la de generación de calor, la temperatura corporal no cambia. En general, el calor se pierde por cuatro mecanismos: 1) radiación; 2) conducción; 3) evaporación, y 4) convección. En la radiación, la energía térmica se transfiere desde el organismo al medio ambiente en forma de ondas electromagnéticas. Se trata de una ley general de la física que todos los objetos emiten y absorben estas ondas, aunque en diferentes grados. Cuando un objeto está más caliente que su entorno, pierde calor mediante la emisión de más energía de la que absorbe Por ejemplo, cuando estamos en la calle con aire frío del otoño, emitimos energía radiante a las moléculas de aire que nos rodean, lo que hace que nuestro organismo esté más frío. Por el contrario, si un objeto está más frío que su entorno, gana calor absorbiendo más energía que la que emite. Por ejemplo, si te sientas junto a una fogata, tu organismo absorbe el calor radiante y se calienta. La conducción es la transferencia de energía térmica entre objetos que están en contacto directo. Al igual que en la radiación, el calor se transmite siempre desde el objeto más caliente al más frío. Cuando se toca un metal frío, por ejemplo, se siente más frío, porque la energía térmica se transfiere directamente desde la piel al metal. En la evaporación, se pierde el calor de un objeto a través de la evaporación del agua de su superficie. Para que el agua se evapore del organismo, debe ser convertida de forma líquida a gaseosa. Esta conversión requiere energía térmica obtenida a partir del organismo. El agua se evapora de la piel, del revestimiento de las vías respiratorias y de otras superficies húmedas, como el revestimiento de la boca. Este tipo de pérdida inconsciente de agua se produce continuamente sin que nos demos cuenta de ello (de ahí su nombre). El organismo también pierde agua a través de la evaporación del sudor, una solución que contiene sales, y es secretada por las pequeñas y numerosas glándulas sudoríparas de la piel. A diferencia de la pérdida inconsciente de agua, que es inevitable, la producción de calor se regula de acuerdo con las necesidades del organismo. Cuando es conveniente un aumento en la pérdida de calor, aumenta la producción de sudor. Como consecuencia, más agua se evapora de la superficie de la piel, eliminando energía térmica del organismo. Cuando la temperatura ambiental es más alta que la temperatura del organismo, la radiación y la conducción transfieren el calor hacia el organismo. Esta transferencia se suma al calor generado por el propio organismo, creando la necesidad de perder calor. El organismo entonces depende de la evaporación para disipar el calor mediante el aumento de la producción de sudor. La transpiración enfría el organismo en estas condiciones, porque el agua continúa evaporándose incluso cuando el organismo está más frío que el entorno, suponiendo que la humedad del exterior no sea demasiado alta. En un ambiente húmedo, el sudor no es tan eficiente como en un ambiente más seco, porque el agua no puede evaporarse a un aire ya saturado de humedad. Para participar en la termorregulación, el sudor requiere que se produzca el proceso de evaporación. La convección, transferencia de calor de un lugar a otro por un gas o un líquido que se mueve, contribuye a la pérdida de calor en un día ventoso. En un día tranquilo, el aire que está más cerca de tu piel se calienta a medida que absorbe calor de la superficie de tu organismo. Este aire cálido forma una especie de «manta» a su alrededor que ralentiza el ritmo de pérdida de calor por conduc-
37 °C Temperatura central
FIGURA 21.8 Temperatura central. La temperatura corporal se mantiene próxima a 37 °C en las regiones centrales del organismo, incluidas las cavidades torácica y abdominal, el cráneo y las zonas más proximales de las extremidades. Ten en cuenta que la temperatura disminuye de los 37 °C del interior del cuerpo a la piel.
ción. Como el aire de esta capa de protección contiene la humedad que se ha evaporado de la piel, tiende a ser más húmedo que el aire que lo rodea. La presencia de esta humedad cerca de la piel reduce la tasa de pérdida de calor por evaporación. Cuando el aire de alrededor se mueve, como en un día ventoso, el grosor de esta «manta» de protección se reduce, y la pérdida de calor por conducción y evaporación aumenta. Por tanto, la convección es responsable de la sensación térmica menor por el factor viento, anunciada por los meteorólogos en días fríos y ventosos.
Regulación de la temperatura del organismo Los esfuerzos termorreguladores del organismo mantienen la temperatura central, temperatura dentro de las estructuras internas, incluyendo las del sistema nervioso central y las de las cavidades abdominal y torácica (fig. 21.8). Esta temperatura se regula normalmente alrededor de los 37 °C. El hipotálamo es el centro termorregulador del organismo, que contiene los centros de pérdida y ganancia de calor. Los cambios de la temperatura interna se transmiten al centro termorregulador desde los termorreceptores centrales, que incluyen las neuronas sensibles al calor en esta región del cerebro, en otras áreas del sistema nervioso central y en otros órganos internos. La introducción de cambios en la temperatura central es necesaria para iniciar las respuestas de termorregulación que devuelven la temperatura central a la normalidad. Otros termorreceptores, llamados termorreceptores periféricos, se encuentran en la piel; detectan la temperatura de la piel, que generalmente se encuentra muy por debajo de la temperatura interna y es más variable. Nuestro organismo no regula la temperatura de la piel, pero la información sobre la temperatura de la piel nos permite
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compensar los cambios en las temperaturas del medio ambiente realizando ajustes de comportamiento, como vestirse adecuadamente o evitar por completo las temperaturas extremas.
calor al ambiente. Cuando la temperatura ambiente está fuera de la zona de termoneutralidad, deben activarse otros mecanismos termorreguladores para mantener la temperatura corporal.
Termorregulación en la zona de termoneutralidad
Calor generado en un ambiente frío
El principal mecanismo para regular la temperatura corporal es variar la cantidad de sangre que fluye a la piel, donde la energía térmica de la sangre puede intercambiarse con la del medio ambiente (en realidad, el calor se mueve de la sangre a los tejidos cutáneos y, a continuación, hacia fuera del organismo). Cuando disminuye la temperatura corporal, el flujo de sangre a la piel disminuye, por lo que la sangre pierde menos calor hacia el exterior. Del mismo modo, cuando la temperatura del organismo aumenta, el flujo sanguíneo a la piel aumenta, de modo que la sangre puede perder más de su calor al medio ambiente. Las variaciones del flujo sanguíneo a la piel son suficientes para mantener la temperatura corporal cuando la temperatura ambiental se mantiene dentro de un rango estrecho llamado zona de termoneutralidad (25-30 °C). El sistema nervioso simpático regula el flujo sanguíneo cutáneo dependiendo de la información llegada del centro termorregulador. Como vimos en el capítulo 14, el radio de las arteriolas está regulado por la actividad simpática, de forma que los aumentos de la actividad simpática causan vasoconstricción. Las arteriolas de la piel siguen esta misma regla: por tanto, cuando disminuye la temperatura corporal, la actividad simpática en las arteriolas aumenta, causando vasoconstricción y disminuyendo así el flujo sanguíneo cutáneo para conservar el calor del organismo. Por el contrario, cuando aumenta la temperatura corporal, la actividad simpática disminuye, provocando vasodilatación y, por tanto, un aumento en el flujo sanguíneo a la piel, con lo que se transfiere
Cuando la temperatura del ambiente baja a menos de 25 °C, la disminución en el flujo sanguíneo cutáneo por sí sola no puede impedir que caiga la temperatura del organismo. En esta circunstancia, el centro promotor de calor del hipotálamo se comunica con los órganos efectores para estimular la tiritona y disminuir la producción de sudor (fig. 21.9). Tiritar es el principal mecanismo por el cual nuestro cuerpo puede aumentar la producción de calor con el fin de incrementar la temperatura del organismo, un proceso llamado termogenia por tiritona. La tiritona es una contracción rítmica rápida de los músculos esqueléticos controlada por un reflejo medular. Como los músculos se contraen, generan calor. Los bebés y los mamíferos que hibernan también son capaces de generar calor a través de la termogenia sin tiritona. Los bebés tienen una forma especial de tejido adiposo, llamado tejido adiposo pardo, que genera calor a través del desacoplamiento de la cadena de transporte de electrones de la fosforilación oxidativa. Así, la energía liberada por los electrones se «pierde» en forma de calor en vez de ser aprovechada para sintetizar ATP. Los seres humanos adultos poseen poco o ningún tejido adiposo pardo.
Pérdida de calor en un ambiente cálido Cuando aumenta la temperatura ambiente por encima de la zona de termoneutralidad, el organismo debe responder con
temperatura del medio ambiente
temperatura del organismo
Termorreceptores
Hipotálamo
Detectan la temperatura
Integración
Glándulas sudoríparas Vasos sanguíneos en la piel Músculos esqueléticos Retroalimentación negativa
producción de sudor
constricción
Temblor
flujo sanguíneo
generación de calor
pérdida de calor
temperatura corporal Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 21.9 Acontecimientos que tienen lugar en el organismo durante la termorregulación.
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Conducto
la tasa de sudor, menos se reabsorbe y más se secreta fuera del organismo. El sistema nervioso simpático controla la velocidad de producción de sudor; al aumentar la actividad simpática (ya sea debido a un ambiente cálido o a la activación de la respuesta de lucha o huida), aumenta la producción de sudor. La inervación simpática de las glándulas sudoríparas es atípica, ya que las neuronas posganglionares simpáticas secretan acetilcolina en lugar de noradrenalina. Las glándulas sudoríparas apocrinas producen sudor de una manera similar, pero también se encuentran proteínas y ácidos grasos en el sudor producido. Las proteínas y los ácidos grasos secretados en la superficie de la piel proporcionan nutrientes que permiten que las bacterias crezcan. Al crecer bacterias, se generan productos de desecho que generan el olor asociado con el sudor en las zonas axilares y genitales.
Na+ Cl–
Alteraciones en los puntos de control de la termorregulación: fiebre
H2O
Cl– H2O
Na+
Durante una infección, ciertos glóbulos blancos producen citocinas que funcionan como pirógenos, sustancias que provocan fiebre. Esta es una respuesta normal del sistema inmunitario, como se describe en el capítulo 23, y promueve varias respuestas inmunitarias que combaten la infección. Así, la fiebre se considera realmente beneficiosa, porque aumenta la capacidad del organismo para defenderse. Los pirógenos inducen la fiebre a través de acciones sobre el centro termorregulador, ajustando la temperatura para que se mantengan los procesos termorreguladores a un nivel superior. El organismo responde aumentando la producción de calor y reduciendo al mínimo su pérdida. Como resultado, una persona con una infección tiende a estar pálida (debido a una disminución del flujo sanguíneo a la piel) y a tener escalofríos. La persona también puede sentir frío incluso a pesar de estar caliente, porque las señales neuronales son contradictorias.
FIGURA 21.10 Glándulas sudoríparas ecrinas. una mayor vasodilatación cutánea para perder el suficiente calor como para que la temperatura del organismo adquiera la normalidad. En concreto, el organismo produce sudor por la pérdida de calor evaporado. Una persona promedio tiene aproximadamente 2,5 millones de glándulas sudoríparas situadas en la piel de todo el cuerpo excepto en los labios, pezones y genitales externos. Hay dos tipos de glándulas sudoríparas distintas: 1) las glándulas ecrinas (las más comunes), que están repartidas por toda el organismo, pero especialmente en la frente, las palmas de las manos y plantas de los pies, y 2) las glándulas apocrinas, que se encuentran principalmente en la región axilar (axilas) y la región anogenital. Las glándulas ecrinas desembocan en poros en la superficie de la piel, mientras que las glándulas apocrinas se vacían en los folículos pilosos. Las glándulas ecrinas están activas al nacer, pero las glándulas apocrinas no se activan hasta la pubertad. La cantidad de sudor producido por los dos tipos de glándulas depende de la temperatura corporal y el nivel de actividad simpática. Las glándulas sudoríparas ecrinas producen una secreción primaria de agua, sodio y cloruro, además de trazas de potasio (fig. 21.10). Como este líquido se abre paso a través del conducto que conduce a la superficie de la piel, el sodio y el cloruro se reabsorben de forma activa, y el agua sigue el mismo camino por ósmosis. Sin embargo, la cantidad de agua y electrólitos que se reabsorben depende de la velocidad de producción de sudor; cuanto mayor es
Regulación hormonal del crecimiento A pesar de que la alimentación (o la falta de ella) es, sin duda, un factor importante en la regulación del metabolismo general del organismo, no es el único. En esta sección se exploran las acciones de las hormonas que desempeñan un pequeño papel en los ajustes diarios de la alimentación y el ayuno, pero, no obstante, ejercen una influencia importante en el metabolismo energético, ya que promueven el crecimiento.
Crecimiento corporal Durante los 2 primeros años de vida, los seres humanos experimentan un aumento espectacular de la altura y el peso corporal, un fenómeno llamado brote de crecimiento posnatal (fig. 21.11). Después de los 2 años, el crecimiento continúa a un ritmo más lento hasta el comienzo de la adolescencia (alrededor de los 11 años para las niñas y de los 13 años para los varones), en cuyo momento comienza un nuevo período de crecimiento rápido, conocido como brote de crecimiento puberal o estirón. Al final de la adolescencia, el crecimiento se detiene, y las personas alcanzan su estatura adulta. Después, no hay aumento posible en la altura, aunque, obviamente, es posible que aumente el peso de la persona. A menos que se indique lo contrario, en este texto el
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término crecimiento se refiere solo a los cambios corporales que normalmente acompañan a los aumentos de altura. Durante los períodos de crecimiento, se produce un aumento tanto en el tamaño y número de células de los tejidos blandos del organismo (tejidos no óseos, como la piel y el músculo) como en la longitud y el grosor de los huesos. Los aumentos observados en la altura son atribuibles principalmente a un aumento de la longitud de los huesos en las piernas y la columna vertebral. El alargamiento de huesos largos de las extremidades (p. ej., fémur en el muslo o húmero en el brazo) es, en gran parte, responsable de los cambios en la proporciones del cuerpo que acompañan al crecimiento. El crecimiento corporal durante la infancia está regulado principalmente por las hormonas, pero también se ve influido por las características genéticas de la persona, la dieta y otros factores, como las enfermedades o el estrés. Muchos de los cambios corporales que ocurren durante el crecimiento son atribuibles a las acciones de la hormona del crecimiento (GH), una hormona peptídica secretada por la adenohipófisis (v. capítulo 6). Otras hormonas que son esenciales para un crecimiento normal son: la insulina, las hormonas tiroideas y las hormonas sexuales (andrógenos y estrógenos), que son especialmente importantes durante el brote de crecimiento puberal. Además, el crecimiento de diversos órganos y tejidos está influenciado por numerosos factores de crecimiento y factores inhibidores del crecimiento, que normalmente son específicos para determinados tipos de tejidos y actúan localmente como agentes paracrinos o autocrinos. El factor de crecimiento neuronal, por ejemplo, promueve el alargamiento y proliferación de los axones y las dendritas de las neuronas. En la siguiente sección nos centraremos en las acciones de la hormona del crecimiento y los factores que influyen en su secreción; la influencia de otras hormonas en el crecimiento se discutirá en breve.
Efectos de la hormona de crecimiento En niños, la GH ejerce diversos efectos sobre los huesos y tejidos blandos que permiten el crecimiento corporal. En los adultos,
Porcentaje de crecimiento total
100 Brote de crecimiento puberal
80
60 Chicas 40 Chicos 20
Nacimiento 2
Brote de crecimiento posnatal 4
6
8
10
12
14
16
18
20
Edad (años)
FIGURA 21.11 Curva representativa del crecimiento humano. Observa los períodos rápidos de crecimiento posnatal y puberal. De acuerdo con el gráfico, ¿quiénes entran en la pubertad a una edad más P temprana, las niñas o los niños?
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ejerce muchos de estos efectos, pero, en lugar de promover el crecimiento, mantiene la masa ósea y la masa magra corporal, que es la proporción de peso corporal aportado por el músculo (a diferencia de la grasa). La hormona del crecimiento promueve el crecimiento directamente de dos maneras: estimula la síntesis de proteínas y aumenta el tamaño celular (hipertrofia), y estimula la división celular, lo que resulta en un mayor número de células (hiperplasia). El resultado de estas acciones es un crecimiento lineal (incremento de la altura), debido a la elongación de los huesos, un aumento de la masa magra corporal, debido al crecimiento del tejido muscular, y un aumento en el tamaño de los órganos individuales, incluyendo el corazón, los pulmones, los riñones y los intestinos. La hormona del crecimiento también, indirectamente, promueve una serie de acciones que afectan el crecimiento (fig. 21.12). La GH aumenta las concentraciones plasmáticas de glucosa, ácidos grasos y glicerol, inhibiendo la captación de glucosa en el tejido adiposo y el músculo esquelético, mediante la estimulación de la lipólisis en el tejido adiposo, y de la gluconeogenia en el hígado. El aumento de los niveles plasmáticos de estos nutrientes hace que la energía esté más fácilmente disponible para los tejidos, que deben gastar energía para crecer. La GH también promueve una mayor captación de aminoácidos por las células en los músculos y otros tejidos, lo que facilita la síntesis de proteínas. La hormona del crecimiento por sí sola no puede garantizar un crecimiento normal; una dieta adecuada es, sin duda, esencial en el suministro de las materias primas para el crecimiento. Durante el crecimiento, el aumento en la masa de proteínas totales del organismo secundario a la síntesis proteica requiere un suministro abundante de aminoácidos, que se obtienen fácilmente al comer alimentos ricos en proteínas. Algunos aminoácidos pueden ser sintetizados en caso de no tomarse en la dieta, pero los aminoácidos esenciales deben ser consumidos en ella. También deben estar presentes en la dieta muchas otras materias primas en cantidades suficientes para el crecimiento, como el calcio para los huesos. Por último, el contenido energético de la dieta debe proporcionar las calorías suficientes para satisfacer la mayor exigencia energética del crecimiento. Si la dieta es inadecuada en cualquiera de estos aspectos, el crecimiento se inhibe. En los niños más pequeños, en particular, los efectos de retraso del crecimiento debidos a una mala alimentación suelen ser irreversibles. Muchos de los efectos promotores del crecimiento de la GH son consecuencia de la acción de los mensajeros químicos intermediarios en los tejidos diana, en lugar de la acción directa de la hormona del crecimiento en sí. Estos mensajeros son péptidos conocidos como factores de crecimiento parecidos a la insulina (IGF), ya que tienen cierta semejanza estructural con la insulina. Hasta la fecha, han sido positivamente identificados dos IGF (IGF-1 e IGF-2). El IGF-2 es importante durante el crecimiento gestacional, mientras que el IGF-1 desempeña un papel importante en el crecimiento después del nacimiento. La hormona del crecimiento estimula la producción de IGF en el hígado, que se secreta a la sangre para su transporte a los tejidos diana de todo el organismo. En este sentido, los IGF actúan como hormonas. La hormona del crecimiento también estimula la producción de IGF en otros tejidos diana, donde actúan localmente como sustancias paracrinas.
Factores que afectan a la secreción de la hormona del crecimiento La secreción de la hormona del crecimiento por la adenohipófisis está regulada por dos hormonas hipotalámicas: la hormona libe-
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radora de la hormona de crecimiento (GHRH), que estimula la secreción de hormona del crecimiento, y la hormona inhibidora de la hormona de crecimiento (GHIH) o somatostatina, que inhibe la secreción de la hormona del crecimiento (v. fig. 21.12). A pesar de que la importancia relativa de estas dos hormonas no está clara, la variación en la secreción de GH es probable que esté activada principalmente por la GHRH, desempeñando la GHIH un papel relativamente menor. Al igual que otras hormonas hipofisarias, la secreción de la hormona del crecimiento se regula a través de circuitos de retroalimentación negativa (v. capítulo 6). La GH limita su propia secreción a través de circuitos cortos de retroalimentación negativa sobre el hipotálamo. La IGF plasmática también ejerce un control a través de un circuito largo de retroalimentación negativa sobre el hipotálamo y la adenohipófisis, para inhibir la secreción de GH y GHRH, respectivamente. La secreción de GHRH está regulada por aferencias neuronales de distinto tipo al hipotálamo. La secreción se ve afectada por las concentraciones plasmáticas de nutrientes; la disminución en los niveles plasmáticos de glucosa o ácidos grasos o el incremento de los niveles plasmáticos de aminoácidos estimulan la secreción de GHRH. Debido a que promueve cambios en dirección opuesta (mediante la reducción de la captación de glucosa y aumentando la lipólisis y la captación de aminoácidos), la hormona del crecimiento actúa por retroalimentación negativa para limitar las variaciones en la concentración de nutrientes en el plasma. La secreción de la hormona del crecimiento es estimulada en respuesta al ejercicio, el estrés o el sueño. El incremento de la GH durante el ejercicio o el estrés es útil, porque tiende a contrarrestar la reducción de los niveles plasmáticos de glucosa y áci-
dos grasos, contribuyendo así a mantener un suministro constante de estas fuentes de energía tan necesarias. No se conoce todavía el significado de la mayor secreción de GH durante el sueño. La secreción de la hormona del crecimiento también está sujeta a ritmos circadianos, que están mediados por nervios aferentes del hipotálamo. Los experimentos han demostrado que la liberación de GH presenta un patrón regular, aumentando por la noche y disminuyendo durante el día. (La secreción alcanza su pico alrededor de 1-2 h después del inicio del sueño.) Los niveles medios diarios de hormona del crecimiento en plasma también varían con la edad de una persona. En general, los niveles de GH llegan a un máximo durante la pubertad y luego disminuyen con la edad. Se cree que la disminución de los niveles de GH es responsable, al menos parcialmente, de algunos signos de envejecimiento, como la disminución de la masa muscular y el incremento en la grasa corporal.
Crecimiento óseo Debido a que la estimulación del crecimiento óseo es una parte importante de las acciones de la hormona del crecimiento, es conveniente considerar con cierto detalle la naturaleza del hueso. El hueso es también una importante reserva de calcio, que puede ser liberado y transportado a la sangre cuando los niveles plasmáticos de calcio disminuyen. Para soportar el peso del cuerpo y resistir las fuerzas que tienen lugar sobre él en las contracciones musculares, los huesos deben ser fuertes, pero no frágiles. Los cristales de fosfato de calcio, en una forma conocida como hidroxiapatita [Ca10(PO4)6(OH)2],
Hipotálamo secreción de GHRH
secreción de GHIH (somatostatina) Circuito corto de retroalimentación negativa
Adenohipófisis secreción de GH
Circuito largo de retroalimentación negativa
Hígado secreción de factor de crecimiento parecido a la insulina
Numerosos tejidos
Tejido adiposo
síntesis de proteínas
captación de glucosa
captación de glucosa
secreción de factor de crecimiento parecido a la insulina
lipólisis
captación de aminoácidos
Numerosos tejidos división celular, otros sucesos promotores del crecimiento
Músculo
Proporciona energía y sustratos para el crecimiento
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 21.12 Secreción de la hormona de crecimiento y acción sobre los tejidos diana.
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dotan al hueso de un componente mineral que le ayuda a soportar fuerzas de compresión (es decir, fuerzas de «constricción» o «aplastamiento»). El osteoide es un componente orgánico formado por fibras de colágeno sumergidas en una sustancia gelatinosa, que dan al hueso su capacidad para resistir fuerzas de tracción o estiramiento, haciéndolo menos propenso a las fracturas. A pesar de sus componentes orgánicos y minerales inertes, el hueso es un tejido vivo y dinámico que contiene células. La
naturaleza dinámica del hueso es evidente no solo por su capacidad para crecer durante la infancia, sino también por el hecho de que el hueso puede sanar después de una fractura y adaptar su estructura en respuesta a las fuerzas ejercidas sobre él. En una persona que realiza regularmente levantamiento de pesas, por ejemplo, los huesos que soportan el peso aumentan gradualmente su grosor y su fuerza. En una persona que es sedentaria o que está postrada en la cama, la masa ósea disminuye con el tiempo. Esta reestructuración del hueso se denomina remodelación y es fundamental para la capacidad del organismo de regular los niveles plasmáticos de calcio. Las células móviles conocidas como osteoblastos y osteoclastos son fundamentales para la remodelación del hueso, y se encuentran en las superficies externas y las cavidades internas del tejido óseo (fig. 21.13). Los osteoblastos, o «fabricantes de hueso», son responsables de la formación de la masa ósea, un proceso llamado depósito. Los osteoclastos, o «rompedores de Conducto raquídeo hueso» se encargan de descomponer el tejido óseo, un proceso llamado resorción. Cuando la actividad de los osteoblastos excede a la de los osteoclastos (cuando el depósito supera a la Vaso sanguíneo resorción), se produce el crecimiento. Los osteoblastos inician el depósito de hueso produciendo el osteoide, que es seguido por el depósito de fosfato cálcico, un proceso llamado calcificación. Aunque el mecanismo de calcificación, que dura varios días, es poco conocido, se sabe que el calcio intersticial es atraído por el osteoide y se calcifica. El osteoblasto trabaja construyendo el hueso, y finalmente queda inmovilizado en el tejido circundante y se transforma en otro tipo de célula, llamada osteocito, que mantiene la matriz circundante, pero ya no forma nuevo tejido óseo de forma activa. Un osteocito se distingue de otras células óseas en que posee prolongaciones largas y filamentosas que se extienden a través de canales, llamados canalículos, en el tejido óseo. Estas prolongaOsteoclasto ciones celulares entran en contacto con las prolongaciones pertenecientes a otros osteocitos o con osteoblastos cercanos, de manera que las células pueden comunicarse entre sí a través de uniones comunicantes. Esta comunicación es importante, porque permite a las células del interior del tejido óseo intercambiar nutrientes, desechos y otras sustancias con los vasos sanguíneos que discurren a través de las cavidades óseas. Los osteoclastos efectúan la resorción del tejido óseo mediante la secreción de ácido que disuelve los cristales de fosfato cálcico, y de las enzimas que rompen el osteoide. La resorción libera el calcio y el fosfato en la sangre. Recuerda del capítulo 19 que el depósito y la resorción de hueso también son importantes para el equilibrio del calcio.
Vaso sanguíneo de la médula ósea
Conducto raquídeo
Vaso sanguíneo
Osteocito
Osteoblasto
Canalículos
Uniones comunicantes
FIGURA 21.13 Estructura del hueso.
P ¿Qué tipo de célula descompone el hueso?
Matriz calcificada
Comprueba tus conocimientos El raquitismo es una enfermedad en los niños donde los huesos son débiles debido a una deficiencia en vitamina D, calcio o fosfato. Explica cómo cada una de estas deficiencias puede provocar debilidad ósea. El depósito de hueso también es necesario para el aumento de la altura, que se produce a través del crecimiento de los huesos largos. La figura 21.14 muestra la estructura típica de un hueso largo, que consiste en un eje largo, casi cilíndrico, con una protuberancia en cada extremo llamada epífisis. En los huesos de los niños en crecimiento, las epífisis se separan del eje por una fina capa de tejido llamada placa epifisaria, que está compuesta de cartílago, una sustancia blanda similar al osteoide no calcificado. La placa epifisaria desempeña un papel clave en el alarga-
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Epífisis
Placa epifisaria
Cavidad medular
placa epifisaria. Cuando el cierre se completa, la hormona del crecimiento no puede ya estimular la elongación ósea, y los huesos dejan de alargarse. Esta es la razón por la que generalmente no son posibles nuevos aumentos de altura después de la adolescencia (a pesar de que continúan los cambios en el diámetro del hueso y la remodelación). El cierre de la placa está influenciado por las hormonas sexuales, andrógenos y estrógenos, durante la pubertad.
Efectos de la secreción anormal de la hormona de crecimiento
Eje
Epífisis
FIGURA 21.14 Estructura de un hueso largo (fémur).
miento de los huesos durante el crecimiento. Dentro de la mayoría de los huesos hay una cavidad central que contiene la médula ósea roja y la médula ósea amarilla. La médula ósea roja produce glóbulos rojos y glóbulos blancos; la médula ósea amarilla contiene, principalmente, adipocitos. Bajo la influencia de la hormona del crecimiento, los huesos aumentan de diámetro y longitud. El aumento del diámetro es provocado por la acción de los osteoblastos, que producen tejido nuevo en la superficie externa del hueso. Este aumento del diámetro se acompaña por la resorción de hueso mediada por los osteoclastos en la superficie interna de la cavidad medular. Como consecuencia de ello, el diámetro de la cavidad medular aumenta conforme el diámetro exterior del hueso se hace mayor, lo que minimiza la ganancia de peso, a la vez que aumenta la fuerza. El aumento de la longitud de un hueso se logra añadiendo nuevo tejido óseo a ambos lados de su eje (fig. 21.15). El proceso comienza con la actividad de las células de la placa epifisaria, llamadas condrocitos, que son similares a los osteoblastos, salvo que producen cartílago en vez de hueso. Bajo la influencia de la hormona del crecimiento, los condrocitos aumentan en tamaño y número, formando una capa de cartílago que hace que la placa epifisaria se haga más amplia (elongación del hueso). Al formarse nuevo cartílago, los condrocitos situados en la región adyacente al eje mueren, y los osteoblastos del tejido óseo cercano los sustituyen y empiezan a convertir el cartílago en hueso. De esta manera, se añade hueso nuevo en el extremo del eje del hueso. En la adolescencia tardía, las placas epifisarias se rellenan completamente con tejido óseo, proceso llamado cierre de la
Una secreción deficiente de hormona de crecimiento durante la infancia conduce a un trastorno conocido como enanismo, una atrofia irreversible de crecimiento, escaso desarrollo muscular y cantidades de grasa corporal superiores a lo normal. El enanismo a veces también está causado por una respuesta deficiente de los tejidos a la hormona del crecimiento, que puede ser el resultado de defectos en los receptores de la hormona del crecimiento, insuficiencia en la producción de IGF o fracaso de los tejidos para responder a IGF. Una secreción anormalmente baja de la hormona del crecimiento en adultos produce pocos signos evidentes, aparte de disminución de la masa muscular u ósea. Cuando la secreción excesiva de hormona del crecimiento se produce antes del cierre de las placas epifisarias, el resultado puede ser el gigantismo, trastorno en el que la estatura es anormalmente grande, pero el organismo está normalmente proporcionado. Un exceso de hormona de crecimiento producido después del cierre de la placa epifisaria da lugar a acromegalia. En este síndrome, no se producen cambios en la altura, pero existe un crecimiento excesivo de los tejidos blandos y un aumento del diámetro óseo, que produce un patrón característico de desfiguración en ciertas partes del organismo. Las personas con acromegalia no tratada suelen tener una mandíbula excesivamente amplia y sobresaliente y extremidades excesivamente largas.
Otras hormonas que afectan al crecimiento El crecimiento normal del organismo requiere la acción de otras hormonas además de la hormona del crecimiento, incluyendo las hormonas tiroideas, las hormonas sexuales y la insulina. Las hormonas tiroideas son necesarias para la síntesis de la hormona del crecimiento y son generalmente permisivas para sus acciones, es decir, las hormonas tiroideas son necesarias para que la hormona del crecimiento pueda ejercer sus efectos sobre los tejidos diana. (Otras acciones de las hormonas tiroideas se describen más adelante.) La insulina también es permisiva para el crecimiento, ya que se requiere para la secreción de IGF-1 y, en general, para la síntesis de proteínas normales. Los niveles de hormonas sexuales son bajos hasta unos años antes de la pubertad y tienen poca función en el crecimiento de la primera infancia. En la pubertad, sin embargo, el espectacular aumento en la secreción de hormonas sexuales es esencial para el crecimiento rápido que ocurre normalmente durante este período. A diferencia de la insulina y las hormonas tiroideas, que son permisivas para el crecimiento, las hormonas sexuales promueven activamente el crecimiento, estimulando la secreción de la hormona del crecimiento y de la IGF-1. Por otra parte, las hormonas sexuales detienen la elongación ósea en virtud de su función en el cierre de la placa epifisaria. Los andrógenos (testosterona en los hombres y andrógenos suprarrenales en las mujeres) ejercen un efecto adicional para promover el crecimiento mediante la estimulación directa en la síntesis de proteí-
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nas en muchos tejidos, incluyendo el músculo esquelético. El marcado aumento de la masa muscular que se produce en los niños durante la pubertad se debe, en gran parte, al aumento de los niveles de testosterona durante este período. Al contrario de las hormonas promotoras del crecimiento mencionadas hasta el momento, las altas concentraciones de glucocorticoides (como el cortisol) secretados por la corteza suprarrenal inhiben el crecimiento, en parte porque promueven la resorción ósea y el catabolismo de proteínas. Es también digno de mencionar que la secreción de glucocorticoides se estimula por el estrés, que es una posible explicación de que la enfermedad y otras formas de estrés pueden tener un efecto de retardo en el crecimiento. Los glucocorticoides y su función en el estrés se describen más adelante.
Test rápido 21.4 1. Describe las funciones de los osteoblastos, osteoclastos y osteocitos en la remodelación ósea. 2. ¿Qué es el IGF? ¿Cuál es su función con respecto al crecimiento corporal? 3. ¿Por qué no son posibles nuevos aumentos de altura después de la adolescencia?
Hormonas tiroideas A diferencia de las hormonas que hemos estudiado hasta ahora, que muestran grandes cambios en sus tasas de secreción a lo largo de un día normal, las hormonas tiroideas muestran poca variación y sus niveles plasmáticos son casi constantes. En consecuencia, las hormonas tiroideas no suelen «disparar» los efectos, sino que simplemente trabajan para mantener el statu quo.
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Síntesis y secreción de las hormonas tiroideas La glándula tiroidea contiene numerosos folículos que producen hormonas tiroideas (fig. 21.16a). Cada folículo está formado por una sola capa externa de células foliculares que rodean un coloide central rico en proteínas, secretado por las células foliculares. Ubicadas en el espacio intersticial entre los folículos están las células C, que sintetizan y secretan la calcitonina (v. capítulo 19). En esta sección se discute la síntesis y secreción de hormonas tiroideas. La tiroglobulina (TG), la principal sustancia encontrada en el coloide, es una proteína que funciona como molécula precursora de las hormonas tiroideas. También situadas en el coloide se encuentran las enzimas requeridas para la síntesis de la hormona tiroidea y el yoduro (forma ionizada del yodo, I–). La tiroglobulina y las enzimas se sintetizan en las células foliculares y son secretadas al coloide por exocitosis, el yoduro es transportado activamente por las células foliculares desde la sangre al coloide y es un componente necesario de las hormonas tiroideas. Así, todos los componentes de la síntesis de las hormonas tiroideas se encuentran en el coloide. Los pasos de la síntesis de la hormona tiroidea y su secreción se producen de la siguiente manera (fig. 21.16b): ➀ Los residuos de tirosina de la TG son yodados. La adición de un yoduro forma monoyodotirosina (MIT), mientras que la adición de un segundo yoduro al mismo residuo de tirosina forma diyodotirosina (DIT). ➁ Dos residuos de tirosina yodados (MIT o DIT) se acoplan en la misma molécula de TG, momento en el que dos residuos de tirosina están unidos entre sí por un enlace covalente. Si dos grupos DIT se combinan, el producto final es 3, 5, 3’, 5’-tetrayodotironina o T4 (también llamada tiroxina), y si un DIT y un MIT se combinan, el producto final es 3, 5, 3’-triyodotironina o T3. T3 y T4 son las hormonas tiroideas, aunque en este paso
Placa epifisaria
Epífisis
Condrocitos Eje Hueso largo
Expansión de cartílago
Hueso
Condrocitos jóvenes sufriendo división Condrocitos alargándose
Placa epifisaria Expansión de hueso
Osteoblasto Vaso sanguíneo Osteoide
FIGURA 21.15 Elongación de los huesos largos. El crecimiento se produce en la placa epifisaria. Los condrocitos producen cartílago, que es invadido por los osteoblastos. Los osteoblastos provocan calcificación o formación de hueso.
Los condrocitos quedan atrapados durante la calcificación y mueren
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Receptor TSH
TG Célula folicular Coloide
TSH 4
1
Dirección del flujo sanguíneo
DIT MIT DIT DIT
TG
ATP
2 T3
T4 TG
Folículo 3
Proteína P cAMP Proteína T3 cinasa TG 5 T4 T3 TG TG 6 T4 T3 7 T4 Lisosoma
T3 T4
Coloide Célula folicular (a) Folículos tiroideos
Vaso sanguíneo
(b) Síntesis y secreción de la hormona tiroidea
FIGURA 21.16 Síntesis y secreción de hormonas tiroideas. (a) Folículos tiroideos, lugar donde se sintetizan las hormonas tiroideas. (b) Pasos en la síntesis de la hormona tiroidea que se describen en detalle en el texto. Las hormonas tiroideas pueden ser almacenadas en el coloide durante meses después de su formación allí, hasta que la unión de la TSH estimula la endocitosis por las células foliculares de los complejos TG-hormona tiroidea, que son enzimáticamente degradados para liberar las hormonas tiroideas en las células y, en última instancia, en la sangre. están todavía unidas a TG. Tenga en cuenta que dos grupos MIT no se pueden combinar. ➂ Las hormonas tiroideas se almacenan en el coloide unidas a TG durante un máximo de 3 meses. ➃ La hormona estimulante del tiroides (TSH) llega a través de la sangre y se une a los receptores en la membrana de las células foliculares, activando al segundo mensajero cAMP. Esto desencadena la fosforilación de una variedad de proteínas de las células foliculares necesarias para la liberación de las hormonas tiroideas. ➄ Las células foliculares captan moléculas de TG yodadas del coloide por fagocitosis. ➅ El fagosoma que contiene las TG yodadas se fusiona con el lisosoma. ➆ La exposición de la molécula de TG a las enzimas lisosomales que rompen la tiroglobulina provoca la liberación de T3 y T4 libres en las células foliculares. Debido a que T3 y T4 son lipófilas, pueden difundirse a través de la membrana plasmática y en la sangre, donde se unen de forma selectiva a proteínas transportadoras que incluyen la globulina de unión a tiroxina y la transtiretina, y de forma no selectiva la albúmina. Normalmente, la T4 se produce y se secreta a un ritmo unas diez veces mayor que la T3; sin embargo, la T3 es aproximadamente cuatro veces más potente en los tejidos diana. La mayoría de la T4 que se secreta en el plasma es finalmente convertida por el hígado, los riñones o tejidos diana a la forma T3 más activa; de hecho, la mayoría de la T3 en el plasma se sintetiza a partir de T4 circulante. La conversión de T4 a T3 se denomina activación. Los niveles de la hormona tiroidea son prácticamente constantes en condiciones normales, debido a que el control principal de su secreción se produce a través de retroalimentación negativa (fig. 21.17). Como hemos visto, la secreción de la hormona tiroidea es estimulada por la TSH producida por la adenohipófisis. La secreción de TSH es, a su vez, estimulada por la liberación de la hormona liberadora de tirotropina (TRH) del hipotálamo.
Una vez que las hormonas tiroideas se liberan en la sangre, se retroalimentan con el hipotálamo y la adenohipófisis para limitar la secreción de TRH y TSH. Es interesante el hecho de que la T4 ejerce una mayor retroalimentación negativa que la T3. El único estímulo conocido para la secreción de TRH y, por tanto, para la secreción de la hormona tiroidea, es la exposición a temperaturas frías. Esta acción es más pronunciada en los lactantes que en niños mayores y está prácticamente ausente en los adultos. En los bebés, la estimulación de la secreción de TRH por frío se piensa que es para promover la producción de calor para que el niño se adapte a un ambiente más frío fuera del cuerpo de la madre. La secreción de TRH y, por tanto, la secreción de hormona tiroidea, es inhibida por el estrés a través de los nervios aferentes del hipotálamo, aunque la importancia de esta inhibición es desconocida.
Comprueba tus conocimientos El bocio o agrandamiento de la glándula tiroidea se produce por muchas razones, una de las cuales es una deficiencia de yodo en la dieta. Explica cómo la deficiencia de yodo puede hacer que la glándula tiroidea se agrande.
Acciones de las hormonas tiroideas Las hormonas tiroideas son lipófilas y, por tanto, atraviesan fácilmente las membranas, para llegar a los receptores de hormonas tiroideas que se encuentran en el núcleo de las células diana. La unión de la hormona tiroidea a los receptores altera la velocidad de transcripción de mARN a partir del ADN, alterando así la síntesis de proteínas en la célula diana. Tales alteraciones tardan de horas a días en producir efectos observables en la célula diana; una vez inducido, sin embargo, el efecto suele durar varios días. La acción principal de las hormonas tiroideas es aumentar el metabolismo basal del organismo, es decir, aumentar la tasa de
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consumo de oxígeno y el gasto energético en reposo. Como resultado, la generación de calor también aumenta, un fenómeno denominado efecto calorigénico. Los aumentos estimulados por la hormona tiroidea en el metabolismo se producen en la mayoría de (pero no todos) los tejidos del organismo; excepciones notables son el cerebro, el bazo y las gónadas. Una forma en la que las hormonas tiroideas aumentan el metabolismo es el incremento en la velocidad de la actividad de la bomba Na+/K+ de las células. Como el ATP es hidrolizado durante la actividad de la bomba Na+/K+, se libera calor. Mientras tanto, el ATP es utilizado, requiriéndose tasas más altas de combustible de oxidación y de producción de ATP, lo que genera aún más calor. Las hormonas tiroideas también promueven un mayor número de mitocondrias en las células y un aumento de las concentraciones de ciertas enzimas involucradas en la fosforilación oxidativa. Además de estimular la utilización de energía, las hormonas tiroideas promueven una mayor movilización de la energía cuando están presentes en concentraciones superiores a lo normal, estimulando la glucogenólisis, la conversión de las proteínas musculares en aminoácidos y la lipólisis. También promueven la gluconeogenia y la síntesis de cuerpos cetónicos. Por el contrario, en concentraciones por debajo de lo normal, las hor-
Hipotálamo secreción de TRH
Adenohipófisis secreción de TSH
Retroalimentación negativa
monas tiroideas tienen el efecto contrario, estimulan la gluconeogenia y la síntesis de proteínas. Muchos efectos de las hormonas tiroideas son permisivos. Las hormonas tiroideas promueven la síntesis de receptores beta adrenérgicos, por ejemplo. Recuerda que los receptores adrenérgicos se unen a la adrenalina y a la noradrenalina, los mensajeros químicos del sistema nervioso simpático. Así, las hormonas tiroideas permiten que muchos tejidos respondan a las señales del sistema nervioso simpático y a la adrenalina circulante. Las hormonas tiroideas son necesarias para el crecimiento normal y para el desarrollo de muchos otros tejidos, y para mantener un funcionamiento normal después de que el crecimiento ha cesado. Muchos de estos efectos están mediados por la estimulación de la liberación de GH (en sinergismo con los glucocorticoides, que se estudiarán en breve) y la permisividad de la hormona del crecimiento en los tejidos diana. Los efectos en el desarrollo de las hormonas tiroideas son especialmente importantes con respecto al sistema nervioso. En los bebés, la deficiencia de la hormona tiroidea puede conducir a una forma de daño cerebral irreversible llamada cretinismo, en la que el desarrollo mental y el crecimiento están retardados. Los axones y las dendritas de las células nerviosas están poco desarrolladas, y la mielinización de los axones es defectuosa. El cretinismo se puede prevenir mediante el diagnóstico precoz del hipotiroidismo y el inicio de tratamiento de reemplazo con T3. Con el sistema nervioso completamente desarrollado, las hormonas tiroideas son esenciales para un funcionamiento normal. En los adultos, la deficiencia de la hormona tiroidea puede llevar a un deterioro de la función mental, pero los defectos son totalmente reversibles tras la restauración de los niveles normales de hormona tiroidea.
Glucocorticoides En concentraciones plasmáticas normales, los glucocorticoides, que son hormonas esteroideas secretadas por la corteza suprarrenal, realizan una amplia variedad de funciones esenciales para el organismo. En concentraciones mayores, desempeñan un papel crucial en la adaptación del organismo al estrés.
Glándula tiroidea secreción de T3
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secreción de T4
Plasma
Factores que afectan a la secreción de glucocorticoides
T4
Hígado, riñones, células diana T4
T3
T3 Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 21.17 Factores que influyen en la secreción de las hormonas tiroideas. La T3 también ejerce una retroalimentación negativa (no se muestra), pero en menor medida que la T4.
La secreción de glucocorticoides por la corteza suprarrenal es estimulada por la hormona adrenocorticotropina (ACTH) producida por la adenohipófisis, que, a su vez, es estimulada por la liberación de hormona liberadora de corticotropina (CRH), producida por el hipotálamo (fig. 21.18). Como los glucocorticoides son hormonas esteroideas y, por tanto, lipófilas, difunden hacia fuera de la corteza suprarrenal y a la sangre inmediatamente después de su síntesis. Los niveles plasmáticos de glucocorticoides normalmente están regulados por retroalimentación negativa en el hipotálamo y adenohipófisis, lo que limita la secreción de CRH y ACTH. El cortisol es el principal glucocorticoide liberado en la corteza suprarrenal. Al igual que la hormona del crecimiento, el cortisol es secretado en brotes y muestra un ritmo circadiano. Aunque la cantidad de la hormona secretada en cada brote es prácticamente constante, la frecuencia varía según la hora del día (mayor por la mañana y menor por la noche). Este patrón está ligado a los ciclos de sueño-vigilia y se invierte en las personas que están despiertas por la noche y duermen durante el día.
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Estrés
Ritmo circadiano
Hipotálamo secreción de CRH
Adenohipófisis secreción de ACTH
Retroalimentación negativa
Corteza suprarrenal secreción de cortisol
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 21.18 Factores que influyen en la secreción de cortisol. El estrés, ya sea físico o emocional, es un importante estímulo para la secreción de cortisol. Los factores estresantes más efectivos para estimular la secreción de cortisol son generalmente estímulos nocivos, como una cirugía, un traumatismo, quemaduras, infecciones, shock y dolor; otros factores de estrés incluyen la exposición a temperaturas extremas, ejercicio extenuante y ansiedad.
Acciones de los glucocorticoides Aunque los glucocorticoides no activan los ajustes normales del estado de postabsorción, su presencia es esencial para la capacidad del organismo de movilizar los combustibles en respuesta a las señales de otras hormonas (p. ej., insulina y glucagón). Las principales acciones de los glucocorticoides son para mantener las concentraciones normales de las enzimas necesarias para la descomposición de las proteínas, grasas y glucógeno, y para la conversión de aminoácidos a glucosa en el hígado. Por esta razón, los glucocorticoides son necesarios para la supervivencia durante el ayuno prolongado. En su ausencia, la deficiencia en la gluconeogenia podría conducir a la muerte por hipoglucemia una vez que las reservas de glucógeno se hubieran agotado. Los glucocorticoides también son necesarios para la secreción de la hormona del crecimiento (en sinergia con las hormonas tiroideas) y para el mantenimiento de la capacidad de respuesta normal de los vasos sanguíneos ante estímulos de vasoconstricción, como la actividad nerviosa simpática, la adrenalina y la angiotensina II. Además, los glucocorticoides ejercen una gran variedad de efectos en el sistema inmunitario, el sistema nervioso y los riñones. Cuando los niveles plasmáticos de glucocorticoides se incrementan por encima de los niveles en reposo, ejercen una serie de efectos sobre el metabolismo que estimulan la movilización y el gasto energético y de glucosa. En muchos tejidos promueven la disminución de la captación de glucosa y aminoácidos. Estimulan la lipólisis en el tejido adiposo, lo que aumenta los niveles plasmáticos de ácidos grasos y glicerol. Al mismo tiempo, los glucocorticoides estimulan la degradación de proteínas en el músculo y otros tejidos, inhiben la síntesis de proteínas y estimulan la gluconeogenia.
Como consecuencia de todas estas acciones, las concentraciones plasmáticas de glucosa, ácidos grasos y aminoácidos aumentan. Los glucocorticoides son probablemente más conocidos por sus efectos farmacológicos, cuando se administran en dosis que exceden los niveles fisiológicos normales. En estas dosis, los glucocorticoides inhiben la inflamación y las reacciones alérgicas. Se administran terapéuticamente para tratar la inflamación, como ocurre con la artritis, y para el tratamiento de ciertas alergias. Los glucocorticoides son administrados durante el trasplante de tejidos para disminuir la probabilidad de rechazo, respuesta inmunitaria contra el tejido extraño. Sin embargo, los glucocorticoides se deben administrar con precaución, debido a que estas hormonas disminuyen la capacidad del sistema inmunitario para defender al organismo contra los patógenos.
Función del cortisol en la respuesta al estrés Durante décadas, el cortisol se ha considerado la hormona del estrés. Aunque, en general, se reconoció que el aumento de la secreción de cortisol es importante para ayudar al organismo a adaptarse al estrés, las razones son poco conocidas. El cortisol estimula la movilización de la energía, que es útil en la reparación de los tejidos. La capacidad para tolerar el estrés es mala en los individuos con deficiencia de glucocorticoides; la mortalidad durante la recuperación a la cirugía, por ejemplo, es significativamente más alta que en individuos normales. Sin embargo, el cortisol es solo una faceta de la respuesta del organismo al estrés. En general, si un estímulo es eficaz en la activación de una mayor secreción de cortisol, también provocará un patrón persistente en otras respuestas neurales y hormonales; por ejemplo, el estrés tiende a fomentar una mayor actividad del sistema nervioso simpático y una mayor secreción de adrenalina. Estas actividades provocan la conocida respuesta de lucha o huida y estimulan la gluconeogenia, la glucogenólisis y la lipólisis, que aumentan el efecto del cortisol de movilización de energía. Otros cambios, por lo general asociados con el estrés, incluyen el aumento de la secreción de la hormona antidiurética por la neurohipófisis, el incremento de la secreción de renina por los riñones y la elevación en los niveles plasmáticos de angiotensina II. Estas respuestas ayudan a mantener la presión arterial y, por tanto, un flujo sanguíneo adecuado al corazón y cerebro. Este patrón generalizado y estereotipado de las respuestas al estrés se denomina síndrome de adaptación general.
Efectos de una secreción anormal de glucocorticoides Un exceso o deficiencia en la secreción de glucocorticoides puede ser resultado o bien de un defecto originado en la corteza suprarrenal (trastorno primario) o de un defecto en la secreción de las hormonas trópicas CRH o ACTH (trastorno secundario). La hipersecreción de cortisol se asocia con un patrón característico de signos conocidos como síndrome de Cushing. Los signos incluyen hiperglucemia (debido a la estimulación de la gluconeogenia y la inhibición de la captación de glucosa) y el agotamiento de proteínas, que determina la pérdida de masa muscular, debilidad y fragilidad en muchos tejidos debido a la descomposición del tejido conjuntivo. Una consecuencia frecuente del síndrome de Cushing es la tendencia a tener hematomas fácilmente, lo que indica vasos sanguíneos debilitados. A pesar de que el cortisol generalmente tiene un efecto estimulante sobre la lipólisis, también estimula la síntesis de grasa y la
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TABLA 21.4 Resumen de los efectos metabólicos de las hormonas tratadas en este capítulo
Lugar de secreción
Estímulo principal para la secreción (estímulo indirecto)
Efecto neto en el metabolismo de hidratos de carbono
Efectos en la glucosa plasmática
Efecto neto en el metabolismo de lípidos
Efecto neto en el metabolismo de proteínas
Insulina
Células beta de los islotes de Langerhans del páncreas
F glucosa plasmática F aminoácidos plasmáticos
F captación de glucosa en las células F reservas de glucógeno
f glucosa plasmática
F reservas de triglicéridos
F captación de aminoácidos en las células F síntesis de proteínas
Glucagón
Células alfa de los islotes de Langerhans del páncreas
f glucosa plasmática F aminoácidos plasmáticos
F glucogenólisis F gluconeogenia
F glucosa plasmática
F lipólisis
F proteólisis
Adrenalina
Medula suprarrenal
Actividad nerviosa simpática (estrés, ejercicio)
F glucogenólisis
F glucosa plasmática
F lipólisis
Ninguna
Hormona del crecimiento
Adenohipófisis
GHRH del hipotálamo (f glucosa plasmática, F aminoácidos plasmáticos, f ácidos grasos, sueño, estrés, ejercicio)
f captación de glucosa en las células
F glucosa plasmática
F lipólisis
F captación de aminoácidos en las células F síntesis de proteínas
Hormonas tiroideas (T3 y T4)
Glándula tiroidea
TSH de la adenohipófisis (TRH del hipotálamo, niños: temperaturas bajas)
F glucólisis
Ninguna
Lipólisis
F síntesis de proteínas
Cortisol
Corteza suprarrenal
ACTH de la adenohipófisis (CRH del hipotálamo, estrés)
f captación de glucosa en las células F gluconeogenia
F glucosa plasmática
F lipólisis
f captación de aminoácidos en las células F proteólisis
proliferación de adipocitos en determinadas partes del organismo, lo que promueve un patrón inusual de distribución de la grasa corporal: la grasa se deposita en el abdomen y por encima de los hombros, dando a los pacientes un estómago protruido y un aspecto jorobado; la grasa también se deposita en la cara. Otras regiones, sin embargo, no se ven afectadas. La hiposecreción de cortisol, conocida como enfermedad de Addison, se caracteriza por hipoglucemia y mala tolerancia al estrés. En la forma primaria de la enfermedad, que suele ser el resultado de la destrucción de la corteza suprarrenal, a menudo hay un defecto en la secreción de aldosterona. Como normalmente la aldosterona promueve la retención de sodio y la secreción de potasio por los riñones, la enfermedad se caracteriza por exceso en la excreción de sodio y en la retención de potasio, lo que altera los niveles de sodio y potasio plasmáticos y da lugar a arritmias cardíacas y otros signos neuromusculares.
Test rápido 21.5 1. ¿Qué significa que las hormonas tiroideas tienen un efecto calorigénico? 2. Describe las funciones de la hormona liberadora de tirotropina y de la hormona estimuladora del tiroides en la regulación de la secreción de la hormona tiroidea. 3. Indica cuál de las siguientes acciones es promovida por los glucocorticoides: la síntesis de glucógeno, la glucogenólisis, el aumento de los niveles plasmáticos de glucosa, la gluconeogenia, la síntesis proteica. 4. ¿Cuál es el efecto del estrés sobre la secreción de glucocorticoides? Los efectos metabólicos de todas las hormonas descritas en este capítulo se resumen en la tabla 21.4.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Sinopsis del metabolismo corporal, pág. 604
de modo que se proporcionen los nutrientes necesarios a las células apropiadas.
El metabolismo de todo el organismo requiere la coordinación de las actividades metabólicas celulares. Las células usan la energía en forma de ATP, que obtienen de la oxidación de pequeñas moléculas como la glucosa, los ácidos grasos y los aminoácidos. El metabolismo celular debe estar coordinado,
Consumo, utilización y almacenamiento energético, pág. 605 La energía se libera en las células por la descomposición de los nutrientes en moléculas más pequeñas, como cuando la glucosa, los aminoácidos o los ácidos grasos son oxidados
para crear productos de desecho. La movilización de energía es la degradación de macromoléculas en pequeñas moléculas que se liberan a la sangre. La energía se almacena mediante la conversión de pequeñas moléculas en macromoléculas: la glucosa se almacena como glucógeno en el músculo esquelético y en el hígado; los ácidos grasos y el glicerol se almacenan como triglicéridos en el tejido adiposo y los aminoácidos se almacenan
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Sistema endocrino: regulación del metabolismo energético y del crecimiento
como proteínas en todas las células, especialmente en las del músculo esquelético.
Equilibrio energético, pág. 606 Para mantener el equilibrio energético, el aporte energético debe ser igual al gasto energético. La energía que entra proviene de los nutrientes ingeridos, mientras que la energía producida es la energía gastada como calor o trabajo. Un equilibrio energético positivo se produce cuando el aporte energético excede a la producción; un equilibrio energético negativo se produce cuando el gasto energético excede a la energía que se capta. El metabolismo del organismo es la cantidad total de energía liberada por unidad de tiempo como resultado de la oxidación de los nutrientes. El metabolismo en reposo es el metabolismo basal o MB.
Metabolismo energético durante los estados de absorción y postabsorción, pág. 608 En el estado de absorción, la glucosa es utilizada por la mayoría de los tejidos como combustible principal. Los nutrientes absorbidos también se convierten en glucógeno, triglicéridos y proteínas. El exceso de aminoácidos y de glucosa se convierte en su mayor parte en ácidos grasos y se almacena en forma de triglicéridos. En el estado de postabsorción, los depósitos de glucógeno, los triglicéridos y las proteínas se catabolizan para producir energía. Los ácidos grasos son utilizados por la mayoría de los tejidos como combustible principal. Una excepción es el sistema nervioso, que obtiene un suministro constante de glucosa como fuente de energía. La utilización de combustibles que no son glucosa promueve la reserva de glucosa para su uso por el sistema nervioso, un fenómeno llamado ahorro de glucosa. El hígado también puede producir más glucosa por medio de la gluconeogenia.
Regulación del metabolismo de absorción y de postabsorción, pág. 612 Los ajustes metabólicos del estado de absorción son estimulados por la insulina e inclu-
yen la síntesis de reservas energéticas (glucógeno, proteínas, ácidos grasos y triglicéridos) y la captación de glucosa y aminoácidos por las células en muchos tejidos. La insulina también inhibe la gluconeogenia y regula los niveles de glucosa plasmática mediante el control por retroalimentación negativa. Los ajustes metabólicos del estado de postabsorción son estimulados por el glucagón e incluyen la glucogenólisis, la degradación de proteínas por el hígado, la lipólisis, la gluconeogenia y la síntesis de cetonas. El glucagón también ayuda a regular los niveles de glucosa en la sangre. De igual modo, los ajustes metabólicos del estado de postabsorción son estimulados por el aumento en la secreción de adrenalina y por la actividad nerviosa simpática.
Endocrine, Actions of Hormones on Target Cells, págs. 5–6
Termorregulación, pág. 617 El sistema termorregulador funciona para mantener la temperatura interna constante, usando los siguientes componentes: 1) centros termorreguladores del hipotálamo; 2) termorreceptores centrales y periféricos que detectan la temperatura interna y de la piel, respectivamente, y 3) órganos efectores, incluidos vasos sanguíneos cutáneos, glándulas sudoríparas y músculo esquelético. Los cambios en el flujo sanguíneo cutáneo regulan la temperatura del organismo cuando la temperatura del medio ambiente está dentro de la zona de termoneutralidad. Cuando la temperatura ambiental es inferior a la zona termoneutral, son necesarios los escalofríos para generar calor. Cuando la temperatura ambiental es superior a la zona de termoneutralidad, la sudoración contribuye a la pérdida de calor por evaporación.
Regulación hormonal del crecimiento, pág. 620 El crecimiento corporal durante la infancia es estimulado por las acciones de la hormona del crecimiento, que es secretada por la adenohipófisis y actúa promoviendo el cre-
cimiento de los tejidos blandos y los huesos. En la edad adulta, la hormona del crecimiento actúa manteniendo la masa ósea y la masa corporal magra. Las acciones promovidas por la hormona del crecimiento comprenden la hipertrofia, la hiperplasia, la síntesis de proteínas, la lipólisis, la gluconeogenia y la absorción de aminoácidos por las células. La hormona del crecimiento también inhibe la captación de glucosa por el tejido adiposo y muscular. Estas acciones metabólicas combinadas actúan para elevar los niveles plasmáticos de glucosa, ácidos grasos y glicerol, con lo que la energía está más fácilmente disponible para los tejidos en crecimiento. Muchas de las acciones de la hormona del crecimiento están mediadas por factores de crecimiento parecidos a la insulina (IGF) sintetizados por el hígado y otros tejidos.
Hormonas tiroideas, pág. 625 Las hormonas tiroideas son secretadas normalmente por la glándula tiroidea en niveles casi constantes y aumentan el metabolismo en la mayoría de los tejidos del organismo. En altas concentraciones, las hormonas tiroideas movilizan los depósitos de energía. Las hormonas tiroideas son también necesarias para un crecimiento y desarrollo normales y para el mantenimiento de la función normal en muchos tejidos, especialmente el sistema nervioso. Las hormonas tiroideas se secretan de dos formas, T3 y T4. La T4 es la forma más abundante y más activa.
Endocrine, The Hypothalamic-Pituitary Axis, págs. 6–7
Glucocorticoides, pág. 627 Los glucocorticoides son liberados por la corteza suprarrenal y son importantes en la respuesta del organismo al estrés. Los glucocorticoides son también necesarios para la capacidad del organismo de movilizar reservas energéticas durante los períodos de postabsorción.
Endocrine, Response to Stress, pág. 7
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Cuál de los siguientes es un ejemplo de un efecto permisivo de una hormona? a) el efecto de las hormonas tiroideas sobre el crecimiento b) el efecto de la insulina sobre la absorción de glucosa por las células c) el efecto de las hormonas sexuales sobre la secreción de la hormona del crecimiento d) a y c son correctas e) todas las respuestas son correctas
2. ¿Cuál de los siguientes es un ejemplo del efecto ahorrador de glucosa del cortisol? a) inhibición de la liberación de ACTH b) estimulación de la gluconeogenia por el hígado c) estimulación de la lipólisis d) estimulación de la degradación de glucógeno e) estimulación de la síntesis de proteínas 3. ¿Cuál de las siguientes células del páncreas secreta insulina?
a) b) c) d) e)
alfa beta delta exocrinas del conducto
4. El estrés estimula la secreción de ¿cuál de las siguientes hormonas? a) hormona del crecimiento b) adrenalina c) hormonas tiroideas d) ACTH e) todas las respuestas son correctas
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5. La hipoglucemia inhibe la secreción de ¿cuál de las siguientes hormonas? a) hormona del crecimiento b) insulina c) adrenalina d) glucagón e) todas las respuestas son correctas 6. En el estado de postabsorción, el sistema nervioso central utiliza ¿cuál de los siguientes como su principal fuente de energía? a) ácidos grasos b) aminoácidos c) glucosa d) glicerol e) cetonas 7. Cuando la temperatura del entorno es mayor que la del propio organismo, el organismo pierde calor a través de a) la conducción. b) la radiación. c) la evaporación. d) ninguna de las respuestas es correcta e) todas las respuestas son correctas 8. Un aumento en la pérdida de calor por evaporación es directamente debido a a) un aumento de la actividad simpática en las arteriolas cutáneas. b) una disminución de la actividad simpática en las arteriolas cutáneas. c) un aumento de la actividad simpática en las glándulas sudoríparas. d) una disminución de la actividad simpática en las glándulas sudoríparas. 9. ¿Cuál de los siguientes tipos celulares es responsable directo de la formación de nuevo material óseo? a) osteoblastos b) osteoclastos c) osteocitos d) condrocitos 10. ¿Cuál de las siguientes situaciones es cierta en la edad adulta? a) La hormona del crecimiento no ejerce ningún efecto en los tejidos del organismo. b) La secreción de la hormona del crecimiento cesa por completo. c) La hormona del crecimiento no puede estimular el aumento de la longitud de los huesos largos. d) La estructura del hueso se fija de manera permanente. e) ninguna de las respuestas es correcta 11. ¿Qué forma de la hormona tiroidea tiene una mayor actividad en las células diana? a) T3 b) T4
Sistema endocrino: regulación del metabolismo energético y del crecimiento
c) ninguna; T3 y T4 tienen la misma actividad 12. ¿Cuál de las siguientes hormonas es un esteroide? a) hormonas tiroideas b) insulina c) glucagón d) hormona del crecimiento e) cortisol
Preguntas objetivas 1. La movilización de energía es promovida por (insulina/glucagón). 2. La secreción de (insulina/glucagón) aumenta durante el período de absorción. 3. Tanto la insulina como el glucagón ayudan a regular la concentración de glucosa plasmática. (verdadero/falso) 4. La degradación de triglicéridos produce ácidos grasos y ————, que pueden ser utilizados por las células para producir energía. 5. Es más probable que ocurra la conversión de aminoácidos en ácidos grasos en el estado de (absorción/postabsorción). 6. La conversión de aminoácidos en glucosa es más probable que ocurra en el estado de (absorción/postabsorción). 7. Un aumento de hormona tiroidea en el plasma tiende a hacer que el equilibrio energético del organismo sea más (positivo/negativo). 8. La energía captada por el organismo se almacena o aparece en forma de trabajo o ————. 9. El estrés tiende a (estimular/inhibir) la secreción de GHRH. 10. Muchos de los efectos de la hormona del crecimiento se deben a la acción sobre los tejidos diana de otros mensajeros químicos llamados ————. 11. El cierre de las placas epifisarias es promovido por (la hormona del crecimiento/las hormonas sexuales). 12. Las hormonas tiroideas promueven una mayor capacidad de respuesta de los tejidos diana a la actividad nerviosa (simpática/parasimpática). 13. Los glucocorticoides promueven (aumento/disminución) de los niveles plasmáticos de glucosa. 14. La estimulación de la gluconeogenia por el glucagón es un ejemplo de efecto de ahorro energético. (verdadero/falso)
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15. Los glucocorticoides plasmáticos tienen un efecto (estimulador/inhibidor) sobre la secreción de ACTH.
Preguntas abiertas 1. Describe la regulación de la glucosa plasmática por la insulina y el glucagón. Incluye una descripción de la función de la retroalimentación negativa. 2. Describe cómo la insulina, el glucagón y el sistema nervioso simpático trabajan juntos para mantener los niveles adecuados de glucosa en sangre durante el ayuno. ¿Por qué es esto importante? 3. Describe los distintos factores que determinan el equilibrio energético del organismo. Asegúrate de describir lo que ocurre con la energía que se libera como resultado de la oxidación del combustible. 4. Describe las similitudes entre las acciones metabólicas de las hormonas tiroideas y los glucocorticoides. 5. Describe las acciones metabólicas de la hormona del crecimiento, y explica cómo estas acciones promueven el crecimiento.
Pensamiento crítico 1. Algunos atletas han utilizado esteroides anabólicos con la esperanza de mejorar el rendimiento deportivo. ¿Qué tipo de esteroides podrían utilizan? Basándote en lo que has leído en este capítulo, ¿cuáles podrían ser algunos de los efectos nocivos de tomar dichos esteroides? 2. Muchas deficiencias hormonales tienen un origen genético. Explica cómo la deficiencia en una hormona esteroidea puede ser causada por un gen mutante. 3. Los médicos a menudo recomiendan que las personas con hipoglucemia consuman varias comidas pequeñas al día, frente a las típicas tres ingestas diarias. Explica cómo puede afectar esto a los niveles de insulina y glucagón en la sangre, y, en última instancia, a los niveles de glucosa en sangre. 4. Un paciente obeso va a su médico quejándose de obnubilación. El médico sospecha un hipotiroidismo, pero no sabe si el trastorno pudiera ser primario o secundario. ¿Qué pruebas ejecutaría el médico para determinar si existe hipotiroidismo y, si es así, si es primario o secundario? Explica los resultados esperados si el paciente tiene un tumor en el hipotálamo que está afectando a la liberación de TRH.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
22
Aparato reproductor Lucía y Lisa son dos hermanas que se llevan solo 1 año de diferencia entre sí. Sin embargo, Lucia es una chica alta, tiene el pelo de color castaño oscuro, sus ojos son azules y debe usar gafas porque tiene miopía. Por el contrario, su hermana Lisa es bajita, tiene el pelo de color rubio, los ojos marrones y no necesita usar gafas porque su vista es perfecta. Teniendo en cuenta que Lucia y Lisa tienen el mismo padre y la misma madre, ¿cómo es posible que estas dos hermanas sean tan diferentes? Para responder a esta pregunta, es necesario que antes comprendamos qué son y cómo funcionan tanto los procesos de reproducción como la composición genética. En este capítulo aprenderemos todo lo relacionado con los procesos de reproducción, desde la copulación a la fecundación, pasando por el crecimiento fetal, el parto y la lactancia. También aprenderemos qué es lo que diferencia a hombres y mujeres y cómo estas diferencias contribuyen a lo que conocemos como proceso de reproducción.
CONTENIDOS Microfotografía en color del blastocisto implantándose en la pared del útero.
Sinopsis de la fisiología reproductiva Aparato reproductor masculino
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Aparato reproductor femenino
645
633
Fecundación, implantación y embarazo Parto y lactancia 661
655
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OBJETIVOS
Describir los pasos de la meiosis y explicar su importancia en la gametogenia y en el favorecimiento de la diversidad genética.
Describir el papel de los cromosomas y hormonas sexuales en el desarrollo de las características sexuales.
Describir el proceso de la espermatogenia y su regulación hormonal.
Explicar las variaciones cíclicas en el nivel de hormonas en el plasma que se produce durante el ciclo menstrual. Describir cómo estas hormonas regulan los cambios en los ovarios y el útero durante este ciclo.
Describir los pasos que se dan durante la fecundación, implantación y desarrollo temprano del embrión.
Describir la regulación de la secreción de estrógenos y progesterona durante el embarazo, y explicar cómo estas hormonas ayudan a mantener el embarazo y preparar el cuerpo para el parto.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas: 1. Hormonas trópicas del hipotálamo, pág. 152 2. Retroalimentación negativa, pág. 10 3. Mitosis, pág. 49
A
lo largo de este libro se ha hecho énfasis en el concepto de homeostasis: el mantenimiento de un medio interno constante a través de las interconexiones de los órganos sistémicos. Aquí nos separamos de este concepto. La función primaria del aparato reproductor no es la supervivencia del individuo, sino de la especie. Empezaremos el estudio del aparato reproductor con un repaso general de la fisiología reproductiva, haciendo hincapié en las semejanzas entre los aparatos femenino y masculino, y en cómo trabajan juntos para crear descendencia. En las siguientes secciones nos centraremos en los aspectos específicamente sexuales de la función reproductora.
Sinopsis de la fisiología reproductiva La reproducción humana es sexual, lo que implica que la descendencia se genera como consecuencia del apareamiento de padres de distintos sexos. Cada descendiente hereda un conjunto único de genes de ambos padres, por lo que desarrolla su propio conjunto de características. Esta capacidad de generar nuevas combinaciones de genes es una característica fundamental de la reproducción sexual y es uno de los motivos que explica la gran diversidad de seres vivos en la naturaleza.
Función de los gametos en la reproducción sexual En la reproducción sexual, los padres producen células llamadas gametos, que contienen una copia de la mitad de su material
Aparato reproductor
633
genético. Los gametos masculinos se llaman espermatozoides (o simplemente esperma); los gametos femeninos son los óvulos. Los gametos tienen la mitad de cromosomas de lo que tienen la mayoría de las células. La mayoría de las células del cuerpo son diploides, es decir, que tienen dos conjuntos de 23 cromosomas (designadas 2n). Sin embargo, los gametos son haploides, porque contienen solo un conjunto de 23 cromosomas (designado n). Como resultado de la reproducción, los gametos de los padres pueden unirse para formar una nueva célula, un fenómeno conocido como fecundación (la fecundación humana se suele llamar también concepción). Esta nueva célula, llamada cigoto, tiene el potencial para desarrollarse en un individuo completamente nuevo y es diploide, habiendo recibido la mitad de los cromosomas de la madre y la otra mitad del padre. Los gametos se generan a partir de un cúmulo de células precursoras especializadas, relativamente indiferenciadas, conocidas como células germinales, en un proceso denominado gametogenia. En este proceso, las células germinales diploides sufren una serie de divisiones celulares que reduce al final el número de cromosomas a la mitad (es decir de 2n a n). Un único espermatozoide u óvulo contiene 23 cromosomas, 22 autosomas y un cromosoma sexual. Cada cromosoma se distingue de los demás en la forma y posee sus genes característicos propios. Los cromosomas sexuales son los cromosomas que determinan el sexo de un individuo y pueden ser de dos tipos (el cromosoma Y, o cromosoma masculino, y el cromosoma X, o cromosoma femenino). Los autosomas son todos los cromosomas que no sean los sexuales. Durante la fecundación, el material genético de un espermatozoide y un óvulo se combina para unir un total de 46 cromosomas (44 autosomas y 2 cromosomas sexuales), el complemento normal de los cromosomas que se encuentra en la mayoría de las células del cuerpo. A diferencia de los cromosomas sexuales, los autosomas siempre están unidos en pares compatibles, cuyos miembros tienen forma y tamaño similar y poseen genes que gobiernan las mismas características. Como reflejo de esto, los miembros de cada par de autosomas se consideran homólogos. En el cigoto y todas las demás células diploides que se derivan a partir de este, un miembro de cada par de cromosomas homólogos se hereda del óvulo y, por tanto, tiene origen materno (viene de la madre), mientras que el otro miembro del par se hereda del padre, por lo que es de origen paterno (es decir, viene del padre). El hecho de que los autosomas estén emparejados significa que por cada gen autosómico, hay un gen correspondiente en el cromosoma homólogo que gobierna el mismo rasgo o característica. Por tanto, los genes autosómicos están emparejados, uno de la madre y otro del padre. Los genes de cada par, aunque son similares en muchos aspectos importantes, no son necesariamente idénticos, ya que los genes vienen, por lo general, en una variedad de diferentes versiones, o alelos. El alelo procedente de la madre puede ser igual o diferente al alelo procedente del padre. Un ejemplo común es el del gen que determina el color de los ojos. Una versión del gen (un alelo) contiene la información de ojos azules, mientras que el otro alelo contiene la información de ojos marrones. Cada persona tiene dos genes para el color de ojos, por lo que es posible que la persona tenga dos alelos «azules», dos alelos «marrones», o uno «azul» y otro «marrón». La norma por la cual los cromosomas se disponen en pares no afecta a los cromosomas sexuales. El cromosoma Y es significativamente más pequeño que el cromosoma X, y tiene una for-
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Aparato reproductor
ma diferente. Además, la mayoría de los genes presentes en el cromosoma X no se complementan con los genes correspondientes del cromosoma Y, y viceversa. Todos deben heredar al menos un cromosoma X, puesto que muchos genes presentes en el cromosoma X, pero ausentes en el Y, son necesarios para la vida. Las mujeres heredan dos cromosomas X, mientras que los hombres heredan uno X y uno Y.
Cromosomas maternos 1 Célula germinal diploide (2n cromosomas)
Cromosomas paternos
Cromátidas hermanas 2 El ADN se replica (2n × 2 cromosomas)
Selección y reparto de los genes en la gametogenia: meiosis
Centrómero
3 Cromosomas homólogos se agrupan en pares
Entrecruzamiento 4 Se produce el entrecruzamiento
5 Se crean nuevos cromosomas que contienen mezcla de los genes maternos y paternos
6 Se lleva a cabo la repartición independiente
7 Meiosis I
(n × 2 cromosomas)
8 Meiosis II
Tanto en hombres como mujeres, todos los gametos que una persona producirá en toda su vida están derivados de un relativamente pequeño conjunto de células germinales diploides. En un momento de sus vidas, estas células llevan a cabo la mitosis para producir una colonia o clon de células hijas, y cada una posee una copia exacta de todos los 46 cromosomas de una persona. Posteriormente, estas células sufren la meiosis, una serie de divisiones en dos células con una única replicación del ADN, que, por tanto, genera células hijas con la mitad del número de cromosomas. En su momento, estas células se convierten en espermatozoides u óvulos maduros. En la meiosis, los cromosomas se reparten de tal manera que las células hijas finales contienen un cromosoma sexual más un cromosoma por cada par de 22 autosomas. La repartición que se lleva a cabo en la meiosis se realiza en los siguientes pasos (fig. 22.1): ➀ El proceso empieza con una célula germinal diploide que contiene 46 cromosomas (2n), representados en la figura por cuatro barras en dos colores diferentes que indican si son maternos o paternos. Los cromosomas homólogos están representados con el mismo tamaño. (Para simplificar, no se muestra la membrana nuclear de la célula.) ➁ En un proceso similar a lo que ocurre antes de la mitosis, la membrana nuclear se descompone, y el ADN original se replica, creando copias exactas de todos los 46 cromosomas (2n 2). Las dos copias de cada cromosoma (llamadas cromátidas hermanas) permanecen juntas en una estructura llamada centrómero. ➂ Los cromosomas homólogos empiezan a agruparse en pares, de manera que los genes de los cromosomas paternos se alinean en el lado opuesto de los cromosomas maternos. ➃ Las porciones de los cromosomas homólogos empiezan a solaparse e intercambiar segmentos las unas con las otras, un fenómeno que se denomina entrecruzamiento. ➄ El entrecruzamiento produce nuevos cromosomas que contienen mezclas de los genes maternos y paternos. El solapamiento se lleva a cabo de forma arbitraria, por lo que el número de posibles nuevos cromosomas es extremadamente grande. ➅ Los pares de cromosomas homólogos se alinean a lo largo de un plano que divide la célula de manera que la mezcla de cromosomas maternos y paternos esté presente en ambas partes de la célula. Este reagrupamiento al azar de cromosomas maternos y paternos se denomina reagrupamiento independiente.
(n cromosomas)
Células hijas haploides
FIGURA 22.1 Meiosis. Los detalles de la meiosis se describen en el texto.
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➆ Se produce la primera división meiótica (meiosis I). La célula se divide en dos, y cada célula hija recibe un cromosoma de cada par homólogo. Como resultado de la reagrupación independiente, cada célula hija recibe una combinación diferente de los cromosomas paternos y maternos. Los cromosomas son duplicados formando dos cromátidas hermanas, por lo que cada célula recibe la mitad de los cromosomas (n 2). Por tanto, cada célula recibe dos copias de cada autosoma (ya sea la versión materna o paterna) y dos copias de cromosomas X o Y. ➇ Se produce la segunda división meiótica (meiosis II). Cada una de las células generadas en la meiosis I se divide en dos, creando un total de cuatro células. En este proceso, las cromátidas hermanas se separan, y cada una de las nuevas células haploides recibe una de ellas de cada cromosoma. Por tanto, cada una de las cuatro células recibe una única copia de 23 cromosomas (n 1), que, en un determinado momento, se rodea por una nueva membrana nuclear (no se muestra en la fig.). Como resultado del entrecruzamiento y el reagrupamiento independiente, un padre puede producir un gran número de gametos genéticamente diferentes, aunque sean derivados de los mismos genes. Por eso, cada uno de los hijos de unos padres concretos suele heredar su propio conjunto de genes.
Aparato reproductor
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pués de abandonar las gónadas, y un conjunto de glándulas que secretan líquidos en el aparato reproductor.
Pasos después de la fecundación El esperma se transfiere del hombre a la mujer durante el acto sexual, denominado copulación. Los ovarios, por el contrario, permanecen en el cuerpo de la mujer, donde se fecundan por el esperma. Después de la fecundación, los óvulos sufren una serie de divisiones celulares, dando lugar a miles de millones de células. A medida que aumenta el número de células, estas también comienzan a diferenciarse y empiezan a organizarse en diferentes tejidos de acuerdo con la información codificada en sus genes. A lo largo de 9 meses aproximadamente, estas células y tejidos se desarrollan gradualmente en un organismo humano. Durante este tiempo, el humano en desarrollo permanece en el cuerpo de la madre (proceso denominado gestación o embarazo), que le proporciona alimento y protección del medio externo. En los 2 primeros meses después de la concepción, el humano en desarrollo se denomina embrión; a partir de ese momento, se le denomina feto. A medida que se desarrolla el feto, va adquiriendo la capacidad de vivir en el exterior del cuerpo de su madre y es expulsado mediante un proceso llamado parto (nacimiento). A continuación, examinaremos los pasos del desarrollo embrionario y fetal que determinan el sexo del bebé.
Componentes del aparato reproductor El aparato reproductor de una persona está formado por todos los órganos implicados en la reproducción, la gametogenia u otras funciones directamente relacionadas con la producción de descendencia. Los órganos del aparato reproductor incluyen las gónadas y los órganos reproductores accesorios. Las gónadas (testículos en los hombres y ovarios en las mujeres) se consideran los órganos reproductores primarios, puesto que deben llevar a cabo las dos funciones imprescindibles para desarrollar la actividad reproductora: producen gametos y secretan hormonas sexuales, un conjunto de esteroides que inducen la gametogenia, el crecimiento y el mantenimiento de los órganos reproductores, el desarrollo de las características sexuales secundarias y otros varios efectos en todo el cuerpo. Los testículos secretan una clase de hormonas sexuales llamadas andrógenos (sobre todo testosterona); los ovarios secretan estrógenos (como el estradiol) y progesterona. Es importante saber que, aunque los andrógenos y los estrógenos se denominan comúnmente hormonas sexuales «masculinas» y «femeninas», respectivamente, están presentes en ambos sexos, pero en diferentes cantidades. Los andrógenos son más abundantes en los hombres, mientras que los estrógenos son más abundantes en las mujeres. Tal y como se explicó en el capítulo 6, las hormonas sexuales no solo se producen en las gónadas, sino que también se producen en la corteza suprarrenal. En las mujeres, la corteza suprarrenal es la fuente primaria de andrógenos, que son los responsables de inducir el deseo sexual en ambos sexos. Los órganos reproductores accesorios incluyen estructuras especializadas para llevar a cabo funciones adicionales que requieren una actividad reproductora adecuada, como el transporte de los gametos y proporcionar alimento para los gametos cuando se han producido. Los órganos accesorios incluyen los órganos del aparato reproductor, un sistema de conductos conectados a través de los cuales se transportan los gametos des-
Determinación del sexo Las células germinales de la mujer contienen dos cromosomas X (y, por tanto, ningún cromosoma Y), por lo que todos los óvulos que produce contienen un cromosoma X. Por el contrario, el hombre produce algunos espermatozoides con cromosoma X y otros con cromosoma Y. Por esta razón, el sexo del bebé está determinado completamente por la composición genética del espermatozoide, no del óvulo. Cuando el espermatozoide lleva un cromosoma X, el óvulo fecundado hereda dos cromosomas X (uno de la madre y otro del padre) y se produce una mujer; cuando el espermatozoide lleva un cromosoma Y, el óvulo hereda un cromosoma Y y otro X, por lo que se produce un hombre. El hecho de que hombres y mujeres nazcan aproximadamente en las mismas proporciones es una consecuencia directa de que el 50% de los espermatozoides poseen un cromosoma Y. Aunque el sexo de una persona está determinado por los genes que hereda, los propios genes no confieren el pleno desarrollo de un hombre o una mujer, sino que simplemente determinan si el feto desarrolla ovarios o testículos. El papel de los genes a la hora de decidir el sexo de una persona se denomina determinación del sexo. Al principio de la vida de un embrión, este posee las gónadas primitivas, que tienen el potencial de convertirse en ovarios o testículos. Que el feto desarrolle ovarios o testículos está determinado por la presencia o la ausencia en el embrión de un gen localizado en el cromosoma Y (el gen srY), que contiene la información para fabricar una proteína llamada factor determinante de los testículos (srY significa región determinante del sexo del cromosoma Y). Cuando el embrión hereda un cromosoma Y, el gen srY ordena a las gónadas primitivas que se conviertan en testículos; cuando el embrión hereda dos cromosomas X, el gen srY no está presente, por lo que las gónadas primitivas se convierten en ovarios. Por tanto, las gónadas primitivas se convierten en ovarios «por defecto», es decir, a menos que el gen srY ordene lo contrario.
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Aparato reproductor
Conducto de Wolff Conducto de Müller Gónada primitiva
Etapa sexualmente indiferente Desarrollo masculino
Desarrollo femenino
Ovarios
Testículos Degeneración del conducto de Wolff
Conductos deferentes
Tubo uterino
Degeneración del conducto de Müller
Útero
Vesícula seminal Embrión de 7-8 semanas
Vesícula seminal
Embrión de 8-9 semanas
Tubo uterino
Glándula prostática
Ovario
Conductos deferentes
Útero
Testículos
Vagina
Pene Uretra
En el nacimiento En el nacimiento
FIGURA 22.2 Desarrollo de los órganos reproductores internos durante la vida embrionaria. Los pasos mostrados incluyen la determinación del sexo (desarrollo de las gónadas primitivas en testículos u ovarios) y la diferenciación sexual (desarrollo de los conductos de Wolff o los conductos de Müller en las estructuras reproductoras de la mujer o del hombre, respectivamente). El pene o la vagina no se desarrollan a partir de los conductos de Wolff o Müller, pero se incluyen para facilitar la comprensión.
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Diferenciación del sexo En las primeras semanas del desarrollo, X Y el embrión se considera sexualmente X X Óvulo Espermatozoide indiferenciado y posee los precursores Óvulo Espermatozoide rudimentarios del aparato reproductor Fertilización para la mujer y el hombre, llamados conductos de Wolff (conductos mesonéXY XX fricos) y conductos de Müller (conductos paramesonéfricos), respectivamente Cigoto Cigoto (fig. 22.2). Estas estructuras tienen el potencial de producir todos los órganos Presencia del Ausencia del reproductores, excepto las gónadas, los gen srY gen srY genitales externos (órganos sexuales Determinación del sexo externos) y, en la mujer, la vagina (la Testículos Ovarios porción inicial del aparato reproductor que lleva al exterior del cuerpo). El desarrollo de las gónadas en el Presencia de Presencia Ausencia de Ausencia embrión (determinación del sexo) sientestosterona de MIS testosterona de MIS ta las bases para el desarrollo de otras características sexuales. Que estas características sean femeninas o masculinas Conductos Conductos Conductos Conductos Diferenciación sexual depende de la presencia o ausencia de de Wolff de Müller de Wolff de Müller dos hormonas normalmente secretadas por los testículos (la testosterona y otra Estructuras Regresión Regresión Estructuras hormona llamada sustancia inhibidora reproductoras reproductoras de Müller [MIS]). Si estas hormonas masculinas femeninas están presentes (y los tejidos son capaces de responder de forma normal), el (a) Pasos del desarrollo masculino (b) Pasos del desarrollo femenino feto se desarrolla como hombre. Si estas hormonas no están presentes, entonces FIGURA 22.3 Papel de la determinación y la diferenciación sexual en el desarrollo de los hombres se desarrolla como mujer. El papel de y las mujeres. estas hormonas en el desarrollo de las características sexuales se denomina diferenciación sexual. Los tejidos embrionarios están expuestos tanto a la testostede madurez sexual que empieza típicamente alrededor de los rona como a la MIS si los testículos funcionan correctamente. La 10 o 14 años y se extiende hasta el final de la adolescencia. En testosterona actúa sobre los conductos de Wolff para inducir el los años previos a la pubertad, los órganos reproductores son desarrollo de los órganos reproductores masculinos, mientras incapaces de generar espermatozoides u óvulos. Además, la apaque la MIS induce la regresión y, en un momento dado, la desariencia externa de una persona es aniñada, y existen pocas difeparición de los conductos de Müller, por lo que evita el desarrorencias entre los cuerpos de las niñas y los niños. Durante la llo de los órganos femeninos. Al mismo tiempo, la testosterona pubertad, los órganos reproductores maduran, la gametogenia actúa en ciertos tejidos embrionarios para provocar el desarrollo comienza y se producen otros cambios fisiológicos en todo el de los genitales masculinos (como el pene o el escroto). En otros cuerpo. En este proceso, los hombres y mujeres desarrollan las tejidos, por el contrario, no es la testosterona la que provoca características sexuales secundarias (las características externas estos cambios, sino que una enzima convierte la testosterona en que distinguen a ambos sexos, como el crecimiento de vello facial dihidrotestosterona, que se une a los receptores y entonces desen los hombres y el ensanchamiento de caderas en las mujeres). encadena la respuesta de dichos tejidos. Aunque tanto los hombres como las mujeres adquieren la Cuando el embrión desarrolla ovarios en vez de testículos, la plena capacidad reproductora durante la pubertad, las pautas ausencia de testosterona provoca que los conductos de Wolff dismiposteriores son muy diferentes para los hombres y las mujeres. nuyan, evitando, por tanto, el desarrollo de órganos masculinos. La actividad del aparato reproductor femenino produce variaAdemás, la ausencia de MIS permite que los conductos de Müller se ciones cíclicas denominadas ciclo menstrual, que dura alrededesarrollen en órganos femeninos. La falta de testosterona también dor de 1 mes (28 días), durante el cual normalmente se produce elimina las influencias que estimularían el desarrollo de los genitales un único óvulo, mientras que el aparato reproductor del hombre externos masculinos y permite el desarrollo de los genitales femeniestá continuamente activo y produce normalmente millones de nos. El papel de la determinación y la diferenciación sexual en el espermatozoides cada día. Además, las mujeres producen un desarrollo de los hombres y mujeres se describe en la figura 22.3. número limitado de óvulos en la vida y pierden la capacidad de reproducción alrededor de los 45 o 50 años. Esta pérdida de capacidad reproductora marca el comienzo de un período llamado menopausia, que está caracterizado por cambios en las pautas Pautas de la actividad reproductora de secreción de hormonas y una serie de cambios fisiológicos. durante la vida humana Por el contrario, los hombres conservan la capacidad de producir espermatozoides y, por tanto, la capacidad de reproducirse a Los humanos no nacen con la capacidad de reproducirse, sino lo largo de toda su vida adulta. que adquieren esta capacidad durante la pubertad, un período
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Test rápido 22.1 1. ¿Cómo se llaman las gónadas masculinas? ¿Y las gónadas femeninas? Aparte de la gametogenia, ¿cuál es la otra función primaria de las gónadas? 2. ¿Cuál es la diferencia entre la determinación de sexo y la diferenciación sexual? ¿Cuáles son los factores que influyen en cada uno de ellos?
Aparato reproductor masculino La función primaria del aparato reproductor masculino es producir espermatozoides destinados a la fecundación en el interior de la mujer. Primero, examinaremos la anatomía de los órganos reproductores masculinos y sus funciones.
Anatomía funcional de los órganos reproductores masculinos Entre las estructuras principales del aparato reproductor masculino (fig. 22.4) encontramos los testículos; los genitales externos, que incluyen el pene y el escroto; el aparato reproductor, un sistema de conductos que confieren el esperma desde los testículos al pene y al exterior del cuerpo, y varias glándulas accesorias (las dos vesículas seminales y la próstata) que secretan diferentes líquidos en el aparato reproductor.
Testículos Los testículos, las gónadas masculinas, son un par de órganos pequeños con forma de huevo que están rodeados por una capa
Vejiga urinaria
de tejido conjuntivo fibroso. Cada testículo (fig. 22.5a) está dividido internamente en 250 a 300 compartimentos, conteniendo cada uno de los cuales un conjunto de tubos huecos delgados y muy contorneados llamados túbulos seminíferos, donde se produce el esperma. En los espacios entre los túbulos (fig. 22.5b) se encuentran cúmulos de células llamados células de Leydig (células intersticiales), que son responsables de la síntesis y secreción de testosterona y otros andrógenos. La pared de los túbulos seminíferos (fig. 22.5c) contiene una capa exterior de músculo liso y una capa interna de células epiteliales llamadas células de Sertoli, cuya función primaria es la de mantener el esperma y controlar su desarrollo. Los espermatozoides en diferentes grados de desarrollo se sitúan en los espacios entre las células de Sertoli, y los espermatozoides maduros se desplazan hacia la luz de los túbulos seminíferos, que están llenos de líquido. La capa de músculo liso, que está separada de las células de Sertoli por una membrana basal, sufre contracciones peristálticas que ayudan a propulsar el esperma y el líquido a través del túbulo. Cada célula de Sertoli está unida a sus vecinas por uniones estrechas que limitan la difusión de sustancias entre células. Las células y las uniones estrechas que las conectan forman una barrera (barrera hematotesticular) que aísla el líquido luminal del líquido que baña a las células por el otro lado (compartimento basal). El compartimento basal se comunica libremente con la sangre y es similar en composición al líquido intersticial normal, mientras que el líquido luminal tiene una composición diferente. El sentido de la barrera hematotesticular es que, al mantenerse esta diferencia entre la composición de los líquidos, la barrera asegura que cuando el espermatozoide se traslade del compartimento basal al luminal en un cierto momento de su desarrollo, el nuevo entorno con otro líquido asegure la finalización del desarrollo. La barrera hematotesticular también es
Recto
Vaso deferente
Uretra Vesícula seminal
Tejido eréctil
Conducto eyaculatorio Glándula prostática Esfínter anal externo
Pene
Epidídimo Testículos
Escroto
FIGURA 22.4 Aparato reproductor masculino, en perspectiva lateral.
Esfínter anal interno Glándula bulbouretral
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FIGURA 22.5 Testículos y estructuras asociadas. (a) Vista lateral de los testículos y el epidídimo que muestra los túbulos seminíferos y otros conductos que trasladan el esperma desde los testículos. (b) Imagen aumentada de los túbulos seminíferos en un corte trasversal y células de Leydig situadas en los espacios entre los túbulos. (c) Porción de un túbulo seminífero que muestra la estructura de la pared. Este diagrama está altamente esquematizado para enfatizar las características esenciales.
Nervios y vaso sanguíneos
Vaso deferente Vaso eferente Rete testis Tubulos seminíferos (a) Epidídimo
Células Células de Leydig de Sertoli
Testículos Túbulo seminífero (vista trasversal) Luz (contiene esperma)
(b)
Compartimento basal
Compartimento luminal
Célula de Sertoli
Luz Músculo Liso
Espermatozoide
Membrana basal
Unión estrecha (c)
importante, porque evita que los espermatozoides sean atacados por el sistema inmunitario del hombre. Las células de Sertoli tienen varias funciones cruciales para el desarrollo del espermatozoide y su transporte. Son responsables de secretar el líquido luminal, que ayuda al desarrollo y transporte del espermatozoide, así como para transportar nutrientes para las células en desarrollo. Las células de Sertoli también fabrican y secretan la proteína de unión a andrógenos, que, a través de su
unión reversible a los andrógenos, actúa como un «amortiguador de andrógenos», que ayuda a mantener una concentración adecuada de andrógenos en el líquido luminal, necesaria para que los espermatozoides se desarrollen. Además, las células de Sertoli desempeñan un papel esencial en la organización de las respuestas de las células germinales a la testosterona y la hormona folículo estimulante (FSH), la hormona que controla su desarrollo. Ambas hormonas son necesarias para la producción de esperma, pero no
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TABLA 22.1 Funciones de las células de Sertoli en los hombres y las células de la granulosa en las mujeres Células de Sertoli
Células de la granulosa
Secretan líquido hacia la luz desde los túbulos seminíferos para apoyar el desarrollo y transporte del espermatozoide
Secretan líquido antral
Proporcionan nutrientes para los espermatozoides en desarrollo
Proporcionan nutrientes para el desarrollo de los ovocitos
Secretan sustancias paracrinas que estimulan la espermatogenia
Secretan sustancias paracrinas que apoyan el desarrollo del folículo
Secretan inhibina
Secretan inhibina
Secretan sustancias inhibidoras de Müller en el período fetal
Secretan estrógenos
Forman la barrera hematotesticular
Secretan sustancias que forman la zona pelúcida
Secretan las proteínas de unión a andrógenos hacia la luz de los túbulos seminíferos
afectan directamente a las células en desarrollo, sino que se dirigen a las células de Sertoli, que secretan varios mensajeros químicos que estimulan el crecimiento y desarrollo de las células germinales. Las células de Sertoli son también responsables de la secreción de una hormona llamada inhibina (cuya función se explicará a continuación) y, en el período embrionario, secretan MIS. Las funciones de las células de Sertoli se resumen en la tabla 22.1.
Genitales externos La función reproductora del pene, el órgano masculino de copulación, es penetrar en la vagina durante la copulación y depositar el esperma dentro del aparato reproductor femenino, iniciando, por tanto, los pasos que conllevarán a la fecundación. El pene está normalmente flácido y cuelga hacia abajo (v. fig. 22.4), pero, durante las relaciones sexuales, se hincha, se alarga y se hace más firme y derecho, en un proceso denominado erección. Estos cambios permiten que el pene penetre la vagina para que el esperma pueda ser depositado lo más cerca posible del lugar de la fecundación. En la fase de máxima excitación sexual, el esperma se expulsa a través de la uretra (un proceso llamado eyaculación), que se dispone a lo largo del pene y se abre al exterior en la punta. Como se explicó en el capítulo 18, la uretra también sirve de conducto transportador de la orina desde la vejiga urinaria al exterior del cuerpo. Los cambios en la forma del pene durante la erección son posibles gracias a que la mayor parte de su volumen está formado por tejido eréctil (v. fig. 22.4), masas esponjosas de tejido conjuntivo y músculo liso con numerosos espacios vasculares interconectados. De forma ordinaria, solo un pequeño volumen de sangre está presente en el tejido eréctil, pero, durante la erección, el volumen y la presión de la sangre aumentan, produciendo el hinchamiento y el alargamiento característicos de la erección. El escroto es un saco de piel que rodea el tejido conjuntivo suspendido bajo el pene, donde se encuentran los dos testículos en dos compartimentos a la derecha y la izquierda, separados por un septo. El escroto proporciona para los testículos un entorno con una temperatura algo inferior a la temperatura corporal, que es importante, porque incluso un pequeño aumento de la temperatura testicular puede evitar la producción de esperma. (Aunque, una vez producidos, los espermatozoides pueden sobrevivir a temperatura corporal normal.)
Aparato reproductor Dentro de cada testículo, los túbulos seminíferos convergen en una red de pequeños túbulos interconectados (llamados rete testis) que llevan a un conjunto de pequeños tubos (vasos eferentes)
que penetran la cubierta fibrosa externa que rodea a los testículos (v. fig. 22.5). En el exterior de los testículos, estos tubos llevan al epidídimo, que está pegado a la superficie externa del testículo y contiene un único conducto muy contorneado. Este conducto lleva a un tubo más grande y con una pared muscular más gruesa, llamado conducto deferente, que entra en la cavidad pélvica. En la cavidad pélvica, el conducto deferente conecta con el conducto de una de las vesículas seminales, que en ese momento se convierte en conducto eyaculatorio (v. fig. 22.4). Los dos conductos eyaculatorios (uno por cada testículo) penetran en la próstata, donde convergen en la uretra. La uretra, entonces, emerge de la próstata, se une a los conductos de las glándulas bulbouretrales y atraviesa el pene en toda su longitud.
Glándulas accesorias Las vesículas seminales (v. fig. 22.4) son dos glándulas alargadas que secretan un líquido alcalino que contiene fructosa (la cual es usada por el esperma en forma de energía), proteínas que facilitan la coagulación del esperma tras la eyaculación y prostaglandinas. La alcalinidad del líquido ayuda a neutralizar el entorno ácido que el esperma encuentra en la vagina, sin el cual evitaría la motilidad necesaria para que el espermatozoide consiga fecundar el óvulo. La glándula prostática, con la forma aproximada de una cebolla y el tamaño de una nuez, rodea la uretra, en la cual vacía sus secreciones a través de numerosas aperturas pequeñas en la pared uretral. La próstata está, de hecho, formada por varias glándulas pequeñas que están recubiertas por músculo liso y tejido conjuntivo. Durante la eyaculación, el músculo liso se contrae y comprime las glándulas, forzando a que las secreciones sean expulsadas en la uretra. Las secreciones de la próstata contienen citrato, que es usado por el esperma como energía, y varias enzimas, que incluyen el antígeno prostático específico (PSA). La función del PSA es evitar que el esperma sea espeso para facilitar su introducción en el conducto reproductor femenino. Cuanto más grande sea la próstata, más PSA se produce. Las pruebas de cribado inicial para el cáncer de próstata incluyen la medición de los niveles de PSA (si la PSA es elevada, se recomienda hacer más pruebas, pues solo el 30% de los hombres con niveles altos de PSA sufren cáncer de próstata). Las glándulas bulbouretrales, un par de glándulas redondeadas del tamaño de un guisante situadas sobre la próstata, secretan un líquido que contiene un moco pegajoso y viscoso que se libera antes de la eyaculación y que funciona principalmente como lubricante. En las siguientes secciones se estudiará con más profundidad cómo el aparato reproductor masculino lleva a cabo sus funciones, y cómo se regulan.
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Regulación hormonal de las funciones reproductoras en los hombres La función reproductora en los hombres está dirigida principalmente por las gonadotropinas, los andrógenos (incluyendo la testosterona) y la hormona liberadora de gonadotropina (GnRH) a través de los procesos explicados en la figura 22.6. Las gonadotropinas son dos hormonas proteicas secretadas por la adenohipófisis y actúan sobre las gónadas: la hormona folículo estimulante (FSH) y la hormona luteinizante (LH). Más adelante en este capítulo se explicará que estas mismas dos hormonas también están implicadas en controlar la función reproductora de las mujeres. La función primaria de la FSH en los hombres es actuar en las células de Sertoli para estimular la espermatogenia, o la producción de esperma, así como otras funciones. La LH, por el contrario, estimula la secreción de andrógenos por las células de Leydig. Los andrógenos son esteroides, por lo que son lipófilos y, por tanto, se trasladan con facilidad desde las células de Leydig a todos los tejidos testiculares, incluyendo las células de Sertoli, donde los andrógenos funcionan de forma paracrina. Los andrógenos también se introducen en el torrente sanguíneo, que los lleva a todos los tejidos del cuerpo donde funcionan como hormonas. En los testículos, la testosterona funciona, junto con la FSH, para inducir la espermatogenia. La testosterona también ayuda en el crecimiento y el desarrollo de los órganos reproductores accesorios durante la pubertad, y es necesaria para el mantenimiento y funcionamiento continuado de estas estructuras en la
Hipotálamo secreción de GnRH
Adenohipófisis secreción de FSH
secreción de LH Retroalimentación negativa Células de Leydig
Retroalimentación negativa (solo FSH)
secreción de testosterona
Células de Sertoli secreción de inhibina
Espermatogenia
Estímulo inicial Respuesta fisiológica
testosterona en el plasma
Resultado
FIGURA 22.6 Regulación hormonal de la función reproductora en los hombres.
P ¿Cómo viaja la GNRH desde el hipotálamo hasta la adenohipófisis?
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vida adulta. Por esta razón, una falta de testosterona conlleva una disminución del tamaño de los órganos accesorios y una disminución del músculo liso y la actividad glandular. La testosterona también es responsable del desarrollo y mantenimiento de las características sexuales secundarias y actúa en el cerebro para estimular el deseo sexual. La hormona liberadora de gonadotropina (GnRH) es una hormona trópica hipotalámica que estimula la secreción de gonadotropinas y, por tanto, tiende a inducir la secreción de andrógenos. (La GnRH también estimula la secreción de gonadotropina en las mujeres, como se explicará más adelante.) Tal y como se reflejaba en el capítulo 6, la mayor parte de las hormonas trópicas hipotalámicas estimulan la liberación de una hormona particular de la adenohipófisis, pero la GnRH es diferente, ya que estimula dos hormonas, la FSH y la LH, que se producen y secretan en las células de la adenohipófisis llamadas gonadotropas. La mayoría de las células gonadotropas secretan tanto LH como FSH, permitiendo la regulación diferencial de estas hormonas. La testosterona y otros andrógenos limitan normalmente su propia secreción mediante retroalimentación negativa. Específicamente, ambas actúan en el hipotálamo, para impedir la secreción de GnRH, y en la adenohipófisis, haciendo que responda menos a la GnRH. Como resultado, la testosterona tiende a impedir la liberación de FSH y LH, que, a su vez, tiende a impedir la secreción de testosterona. Las células de Sertoli también secretan una proteína llamada inhibina, que impide la liberación de FSH (pero no de LH) por la adenohipófisis. Los niveles de secreción de hormonas sexuales en los hombres son normalmente constantes y no están sujetos a las variaciones cíclicas que se producen en las mujeres durante los ciclos menstruales. A través de la vida reproductora de un hombre, el hipotálamo libera GnRH en intervalos de 2 h aproximadamente, lo que causa que los niveles de secreción de FSH y LH se eleven durante las oleadas y disminuyan entre ellas. A pesar de estas fluctuaciones, no obstante, los niveles plasmáticos medios de FSH y LH (y, por tanto, los niveles de testosterona) son bastante constantes todos los días. Sin embargo, se producen variaciones importantes a largo plazo; los niveles de testosterona aumentan enormemente durante la pubertad, alcanzan un máximo en la tercera década de la vida y, posteriormente, comienzan a descender lentamente. En hombres preadolescentes, los niveles de testosterona son relativamente bajos, mostrando bajos niveles de secreción de GnRH y de gonadotropinas. Sin embargo, la secreción de GnRH aumenta enormemente al comienzo de la pubertad en respuesta al cambio de la actividad cerebral que altera la actividad neural en el hipotálamo (la naturaleza precisa de este cambio de actividad en el cerebro aún se desconoce). El aumento de la GnRH desencadena un aumento similar en la secreción de gonadotropina, que estimula la maduración de los testículos, así como el aumento de la secreción de testosterona. El aumento de los niveles de testosterona en el plasma que se produce durante la pubertad estimula el mayor desarrollo del aparato reproductor y otros cambios en todo el cuerpo. Por ejemplo, la testosterona estimula la secreción de la hormona del crecimiento por la adenohipófisis, lo que, a su vez, estimula el crecimiento de los huesos, que es responsable del gran aumento de estatura durante ese período. Las acciones de la testosterona también desencadenan el desarrollo de las características sexuales secundarias durante la pubertad, incluyendo el crecimiento de vello facial, el crecimiento de vello en la región pélvica y axilas, el aumento de la síntesis de proteínas en el músculo, lo que conlleva un aumento del tamaño y la fuerza de los músculos, particularmente en la parte superior del cuerpo; el crecimiento de la laringe,
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Diferencias de sexo Los chicos y chicas no solo se diferencian en las funciones reproductoras primarias, sino también en las características sexuales secundarias. Estas incluyen no solo las diferencias físicas obvias (p. ej., pelo facial en el hombre), sino también otras diferencias más sutiles que pueden afectar a cómo el cuerpo responde a la actividad física. Las hormonas sexuales masculinas, los andrógenos, estimulan el crecimiento muscular, por lo que los hombres tienden a ser más fuertes que las mujeres. Antes de la pubertad, no hay apenas diferencias entre la fortaleza de los músculos. Por el contrario, tras el comienzo de la pubertad, los chicos sobrepasan a las chicas rápidamente en fortaleza muscular, y las mujeres adultas tienden a tener un 75% menos de fuerza que los hombres adultos. Aunque el entrenamiento aumenta la fortaleza muscular en ambos sexos, el aumento es
proporcional a la fuerza inicial, de forma que incluso las mujeres que hacen ejercicio regularmente tienden a tener menor fuerza muscular que los hombres, especialmente en la parte superior del cuerpo. El efecto de estímulo de la fuerza que tienen los andrógenos ha conllevado que se usen para ganar ventajas en atletas de ambos sexos. Al contrario que los efectos de los andrógenos, las hormonas sexuales femeninas, los estrógenos, tienden a estimular el almacenamiento de triglicéridos en el tejido adiposo. Por eso, los hombres tienen una mayor masa muscular magra (relación grasa-músculo) que las mujeres. Las mujeres y los hombres también difieren en el metabolismo energético durante el ejercicio. Los estudios sugieren que, durante el ejercicio aeróbico, las mujeres tienden a movilizar los depósitos de grasa en forma de energía
antes que los hombres y, por tanto, mantienen los depósitos de glucógeno durante más tiempo. Este fenómeno puede ayudar a las mujeres a resistir el cansancio. Por el contrario, los hombres tienden a tener niveles más altos de adrenalina, lo que permite la glucogenólisis en el hígado y las células musculares. Aunque hay estudios que sugieren que las mujeres y los hombres difieren en la utilización de energía y fuerza, el ejercicio parece ser beneficioso para ambos sexos. El ejercicio beneficia los aparatos cardiovascular y respiratorio en ambos sexos. Una persona que realiza ejercicio aeróbico regular tiene un ritmo cardíaco de reposo menor, mejora la circulación coronaria, aumenta el volumen sanguíneo y aumenta el metabolismo. Además, las personas que se entrenan tienen una mayor capacidad para aumentar el gasto cardíaco y el catabolismo de oxígeno durante el ejercicio.
Acrosoma
que produce un agravamiento de la voz, y la secreción de un sebo denso por las glándulas sebáceas (glándulas grasas) en la piel. La acción de los andrógenos en los hombres se resume en la tabla 22.2. Las diferencias en los niveles de andrógenos en los hombres y mujeres son responsables de muchas de las diferencias observadas en las capacidades físicas durante el ejercicio (v. «Comprender el ejercicio: Diferencias de sexo»).
Cabeza Núcleo
Mitocondria Parte media
Espermatozoides y su desarrollo Los espermatozoides completamente desarrollados poseen tres segmentos diferentes (fig. 22.7): una cabeza en forma de bulbo,
TABLA 22.2 Acciones seleccionadas de los andrógenos en los hombres Estimulan la espermatogenia
Cola
Estimulan el desarrollo de las características sexuales secundarias durante la pubertad y el mantenimiento de estas características en la vida adulta Aumento del deseo sexual Estimulan la síntesis de proteínas en el músculo esquelético Estimulan la secreción de hormona del crecimiento, lo que permite el crecimiento óseo durante la adolescencia Estimulan el desarrollo de las estructuras reproductoras masculinas durante la vida embrionaria
FIGURA 22.7 Anatomía de un espermatozoide.
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un corta parte media cilíndrica y una larga cola delgada (o flagelo). En la cabeza hay cromosomas y una gran vesícula llamada acrosoma, que contiene enzimas y otras proteínas que permiten que el esperma se fusione con el óvulo durante la fecundación. La cola contiene una maquinaria compleja formada por proteínas que hidrolizan ATP y convierten la energía química liberada en movimiento. Los movimientos resultantes de la cola impulsan al espermatozoide hacia delante a modo de natación. La parte media une la cola a la cabeza y contiene mitocondrias, que producen la ATP necesaria para desplazarse. La espermatogenia empieza cerca de las membranas basales en los túbulos seminíferos con células germinales sin diferenciar llamadas espermatogonias (fig. 22.8). Cuando se lleva a cabo la espermatogenia, las células germinales se desplazan hacia la luz del túbulo en los espacios entre las células de Sertoli. En un momento dado, las células germinales en desarrollo se desplazan del compartimento basal al compartimento luminal, pasando por las uniones estrechas, que se abren temporalmente para dejarlas pasar. Como resultado de esta migración, las células con diferentes etapas de desarrollo se encuentran en diferentes lugares del túbulo; las mayores y más maduras están más cerca de la
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luz, mientras que las más nuevas y menos diferenciadas están más cerca de la membrana basal. Cada hombre nace con un número determinado de espermatogonias, pero estas células sufren mitosis de forma repetida, lo que les da la capacidad de producir esperma durante un período indefinido después de la pubertad. Una de las células hijas producidas por cada división mitótica se diferencia más y puede que llegue a convertirse en un espermatozoide maduro; la otra célula hija no se diferencia y permanece como espermatogonia. Por tanto, el número total de espermatogonias no cambia, asegurando que esta reserva de espermatozoides potenciales nunca esté vacía. Para convertirse en un espermatozoide maduro, una espermatogonia debe pasar las siguientes etapas de desarrollo (v. fig. 22.8): ➀ Los cromosomas de las espermatogonias se duplican, y la célula se diferencia para convertirse en un espermatocito primario, que contiene 46 cromosomas duplicados con dos cromátidas hermanas cada uno. (En la figura, el número de cromosomas está designado como 2n 2 para indicar que los cromosomas están duplicados.) ➁ El espermatocito primario sufre la meiosis I para formar dos espermatocitos secundarios,
Membrana basal
Célula de Sertoli
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Espermatogonia (2n)
Mitosis y diferenciación
Unión estrecha
1
Espermatocitos primarios (2n × 2) Espermatocitos secundarios (n × 2)
2
3
Espermátidas (n) 4 Espermatozoides (n)
Luz
FIGURA 22.8 Espermatogenia. A medida que las células se trasladan del compartimento basal hacia la luz de un túbulo seminífero (izquierda), sufren una serie de etapas de desarrollo (derecha). La flecha discontinua indica que algunas espermatogonias no se diferencian tras la mitosis, sino que permanecen como espermatogonias. En la vida de un hombre, ¿el número de espermatogonias normalmente disminuye, aumenta o P permanece igual?
Meiosis I
Meiosis II
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que poseen 23 cromosomas duplicados (n 2). ➂ Los espermatocitos secundarios sufren la meiosis II para convertirse en espermátidas, que tienen 23 cromosomas simples (n), pero todavía no tienen desarrolladas las características del espermatozoide maduro. ➃ Las espermátidas se diferencian para convertirse en espermatozoides (n), los cuales poseen las tres partes características: cabeza, parte media y cola. Cuando los espermatozoides se han formado, se liberan hacia la luz del túbulo seminífero. En este momento, sin embargo, el espermatozoide es inmóvil (incapaz de autopropulsarse) y permanece así durante 20 días más o menos. El espermatozoide adquiere movilidad solo después de haber sido trasladado de los túbulos seminíferos al epidídimo para completar su maduración. El transporte de esperma al epidídimo está dirigido por las contracciones peristálticas de los túbulos seminíferos y por el flujo de líquido luminal, una consecuencia natural de su secreción continua por las células de Sertoli. La mayor parte de este líquido se absorbe en el epidídimo, provocando que los espermatozoides estén en mayor concentración. Los movimientos peristálticos impulsan al espermatozoide desde el epidídimo hasta el conducto deferente, donde se mantiene hasta que una relación sexual desencadene la eyaculación.
Respuesta sexual en hombres La respuesta sexual en hombres está controlada por el sistema nervioso autónomo y consiste en dos fases de respuestas reflejas, la erección y la eyaculación. La actividad de las neuronas parasimpáticas estimula la erección, mientras que la actividad de las neuronas simpáticas desencadena la eyaculación. Las contribuciones a estas neuronas autónomas incluyen las señales aferentes de los mecanorreceptores del pene y otras partes sensibles del cuerpo (zonas erógenas) y señales descendentes de partes más altas del cerebro. Ahora estudiaremos estas dos respuestas reflejas y consideraremos cómo el nivel de aferencia a la médula espinal provoca un cambio en las eferencias del control parasimpático del pene al control simpático del aparato reproductor y los órganos accesorios.
Actividad neuronal desde el cerebro
Estimulación mecánica de los receptores del pene
Médula espinal actividad de las neuronas simpáticas en el pene
actividad de las neuronas parasimpáticas en el pene
Arteriolas que irrigan el tejido eréctil Relajación del músculo liso
Tejido eréctil flujo sanguíneo
volumen sanguíneo y presión arterial Retroalimentación positiva Compresión de las venas
flujo sanguíneo externo
Estímulo inicial Respuesta fisiológica
Erección
Resultado
FIGURA 22.9 Acontecimientos que provocan la erección.
Erección Los pasos que culminan con la erección se muestran en la figura 22.9. Cuando un hombre no está excitado, se concentra muy poca sangre en el tejido eréctil del pene, y este se encuentra flácido. Sin embargo, la estimulación mecánica del pene o la información descendente del cerebro actúan en las interneuronas de la médula espinal para organizar los cambios en la actividad de las neuronas simpáticas y parasimpáticas que se proyectan en las pequeñas arteriolas, para que envíen sangre al tejido eréctil. La actividad de las neuronas simpáticas sobre estas arteriolas disminuye, mientras que la actividad de las neuronas parasimpáticas aumenta. Estas neuronas parasimpáticas son inusuales, no solo porque controlan la resistencia de las arteriolas, sino porque, además, liberan óxido nítrico, que tiene potentes efectos vasodilatadores. (Recuerda que en el capítulo 14 se explicó que la resistencia vascular está controlada en la mayor parte de las regiones del cuerpo por neuronas simpáticas, no parasimpáticas.) El resultado combinado de la disminución de actividad simpática y el aumento de la actividad parasimpática es la vasodilatación, que aumenta el flujo de sangre en el tejido eréctil. Como resultado, los espacios vasculares dentro del tejido se llenan de
Cuando la actividad de las neuronas parasimpáticas aumenta, ¿aumenta o P disminuye la secreción de óxido nítrico?
sangre y se expanden, lo que produce la erección (v. «Conexiones clínicas: Disfunción eréctil»). La expansión del tejido eréctil debida a la vasodilatación también comprime las venas del pene, lo que, al reducir el flujo de sangre desde los espacios vasculares, facilita la acumulación de sangre en el tejido eréctil. Cuanta más sangre se acumule, más se comprimen las venas, por lo que se acumula aún más sangre en un sistema de retroalimentación positiva que favorece la expansión de tejido eréctil.
Eyaculación A medida que la estimulación mecánica del pene aumenta en conjunto con el estímulo psicológico, se produce el cambio del control parasimpático del pene por el control simpático del aparato reproductor y las glándulas accesorias, lo que provoca la eyaculación. Durante la eyaculación, el hombre experimenta una intensa estimulación psicológica, acompañada por el
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Aparato reproductor
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CONEXIONES CLÍNICAS
Disfunción eréctil La disfunción eréctil (DE), comúnmente llamada impotencia, es la incapacidad para alcanzar o mantener una erección lo suficientemente rígida para llevar a cabo una relación sexual. Lo más común es que haya daños en los tejidos vasculares o conjuntivos del pene, que se producen como consecuencia normal del envejecimiento, pero también puede producirse como resultado de daños de los aparatos espinales implicados en el control del flujo sanguíneo al tejido eréctil o de los nervios aferentes o eferentes al pene. La DE puede producirse por una disfunción endocrina (p. ej., una falta de testosterona) u otras enfermedades, como trastornos renales, esclerosis múltiple, aterosclerosis o diabetes mellitus. El riesgo de DE aumenta con la edad, y también aumenta por ingerir alcohol, fumar y consumir otras drogas, como agentes hipotensores, antidepresivos y tranquilizantes. La DE no tiene siempre una base física, y en un 10-20% de
los casos, la causa es puramente psicológica. El estrés, la ansiedad, la culpa o la depresión también pueden aumentar el riesgo de DE. Los tratamientos para la DE incluyen el suministro de testosterona oral (si el problema es una falta de testosterona) y la inyección en el pene de sustancias que aumentan el flujo sanguíneo, lo que tiene la desventaja de que induce la erección casi de inmediato. Otros tratamientos incluyen la cirugía para reconstruir las arterias dañadas o insertar en el pene una prótesis que permita la simulación de erecciones naturales. En los últimos años, el tratamiento de DE se ha revolucionado por el descubrimiento de un medicamento llamado sildenafilo, que permite que se produzca una erección si se toma 1 h antes de la relación sexual. Este medicamento funciona imitando los efectos del óxido nítrico, que induce la dilatación arterial del pene. El óxido nítrico normalmente funciona por la
aumento del ritmo cardíaco y la presión arterial, junto con un conjunto de otros cambios fisiológicos, un fenómeno llamado orgasmo. La eyaculación, al igual que la erección, está controlada por una respuesta refleja medular, pero, en este caso, el reflejo provoca un aumento de la actividad de las neuronas simpáticas. Esta actividad simpática desencadena fuertes contracciones en el epidídimo, los conductos deferentes y los conductos eyaculatorios, y también estimula la secreción de líquidos por las vesículas seminales y la próstata. Como resultado, una mezcla de esperma y líquido (llamada semen) se desplaza a la uretra, en un paso llamado emisión. Tras la emisión, el músculo liso en la uretra y el músculo esquelético en la base del pene sufren una serie de fuertes contracciones que expulsan el semen a través de la apertura uretral. Este reflejo también desencadena el cierre del esfínter uretral en la base de la vejiga, lo que evita que la orina se mezcle con el semen durante la eyaculación.
Test rápido 22.2 1. Para cada una de las siguientes descripciones, indica si pertenece a las células de Sertoli o a las células de Leydig: están presentes en los túbulos seminíferos; están presentes en el exterior de los túbulos seminíferos; secretan testosterona; son las células diana de la FSH; secretan inhibina.
estimulación de la guanilato ciclasa en las células del músculo liso, que convierte el GTP en GMP cíclica (cGMP). La cGMP favorece la relajación del músculo liso arterial y el aumento del flujo sanguíneo del tejido eréctil. El sildenafilo imita el efecto del óxido nítrico, inhibiendo la enzima fosfodiesterasa, que descompone la cGMP, y, por tanto, favoreciendo un aumento de los niveles de cGMP intracelular.
2. Ordena las siguientes estructuras, de manera que describan correctamente el paso del transporte de esperma desde los testículos al pene: conducto eyaculatorio, conducto deferente, túbulo seminífero, uretra, epidídimo, vasos eferentes, rete testis. 3. Describe el papel del sistema nervioso autónomo en la respuesta sexual masculina.
Aparato reproductor femenino Mientras que el aparato reproductor masculino tiene el relativamente fácil trabajo de producir esperma y transportarlo hasta la mujer, el aparato reproductor femenino es responsable no solo de la producción y el transporte de óvulos, sino también de todo lo que debe ocurrir para permitir que un nuevo ser humano sea traído al mundo. El aparato reproductor femenino presenta las siguientes características generales: 1. Cambios cíclicos en actividad. Cada mes, el aparato reproductor femenino atraviesa una serie de cambios estructurales y funcionales importantes llamados ciclo menstrual, que están acompañados por cambios periódicos regulares en la secreción de hormonas del hipotálamo, la adenohipófisis y los ovarios. El comienzo de cada ciclo, que dura alrededor de 28 días, está marcado por la menstruación, expulsión de sangre y tejido de la superficie uterina.
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Aparato reproductor
2. Períodos restrictivos de fertilidad. Los óvulos maduran a diferentes niveles y se liberan normalmente uno por uno desde los ovarios en intervalos de aproximadamente 28 días (una vez por cada ciclo menstrual). La liberación del óvulo, conocida como ovulación, es un prerrequisito para la fecundación y normalmente se lleva a cabo a mitad de cada ciclo. Una mujer es fértil (capaz de tener un óvulo fecundado) solo durante los pocos días por ciclo que coinciden con la ovulación. 3. Producción de gametos limitada. Los óvulos se desarrollan a partir de un cúmulo de células germinales cuyo número se fija en el nacimiento, aproximadamente 2 a 4 millones. El número de óvulos potenciales disminuye progresivamente a lo largo de la vida, ya que la mayoría de las células germinales degeneran (un fenómeno denominado atresia) en un momento determinado de su desarrollo. Solo unos 400 óvulos se liberan en la vida de una mujer.
Anatomía funcional de los órganos reproductores femeninos Nuestro estudio de la anatomía funcional del aparato reproductor femenino (fig. 22.10) se centra en los ovarios, el aparato reproductor y los genitales externos.
Ovarios Los ovarios, las gónadas femeninas, son un par de estructuras ovaladas parcialmente aplanadas, cada una del tamaño de una nuez, localizadas en la región pélvica a ambos lados del útero (v. fig. 22.10a). Cada ovario está compuesto en su mayor parte por tejido conjuntivo denso que cuenta con numerosos vasos sanguíneos y está recubierto por una capa de tejido conjuntivo fibroso. Inmersos en este tejido conjuntivo, se encuentran numerosas estructuras esféricas llamadas folículos, cada uno con un único óvulo en desarrollo. A medida que el óvulo se desarrolla, el resto del folículo se desarrolla con él, aumentando el tamaño y la complejidad estructural. Entre los folículos presentes en un ovario en un momento determinado, la mayoría está en su etapa inicial de desarrollo. Un folículo en la etapa inicial de desarrollo (llamado folículo primordial) es una estructura simple que consiste en un óvulo en desarrollo u ovocito, rodeado por una capa única de células epiteliales especializadas llamadas células foliculares (v. fig. 22.10a). A medida que el folículo se desarrolla, aumenta el número de capas de células epiteliales, que pasan a llamarse células de la granulosa. En etapas posteriores del desarrollo, las células de la granulosa proliferan, y la capa más externa se transforma en otro tipo de células, llamadas células de la teca. Las células de la granulosa llevan a cabo una serie de funciones importantes que son análogas en muchos aspectos a las que llevan a cabo las células de Sertoli en los hombres (v. tabla 22.1). Las células de la granulosa tienen la función de intermediarias entre el ovocito y las hormonas que controlan su desarrollo, dado que tanto los estrógenos como la FSH estimulan a las células de la granulosa para que secreten mensajeros químicos que estimulan al ovocito. Además, secretan inhibina, que impide la secreción de FSH (como hace en los hombres). Las células de la granulosa también transportan nutrientes al interior del ovocito a través de puentes citoplásmicos que comunican con el interior del ovocito mediante uniones comunicantes.
Las células de la granulosa son responsables de secretar estrógenos, pero estas hormonas en realidad están derivadas de andrógenos, que primero se sintetizan en las células de la teca. Después de la síntesis, estos andrógenos pasan de las células de la teca a las células de la granulosa, donde se modifican enzimáticamente y luego son secretadas. Las células de la granulosa también fabrican y secretan progesterona.
Aparato reproductor El aparato reproductor femenino es un conjunto de conductos interconectados que está formado por las cavidades internas del útero, las trompas de Falopio y la vagina. La parte central es el útero, un órgano estrecho en forma de pera situado en el centro de la cavidad pélvica, cuya función es la de alojar y alimentar al ser humano en desarrollo (v. fig. 22.10a). Durante el embarazo, el feto se localiza en la parte superior del útero, denominada cuerpo. En la parte inferior y más estrecha del útero (llamada cuello del útero), el conducto cervical se sigue directamente de la vagina. Durante el parto, el feto pasa a través de este conducto y después sale del cuerpo de la madre por la vagina. Por esta razón, el conducto cervical y la vagina se denominan a menudo como canal del parto. Para alojar al feto en desarrollo, la pared del útero debe ser fuerte y flexible. Por debajo de la capa más externa de células epiteliales y el tejido conjuntivo (llamada perimetrio) hay una capa de músculo liso denominada miometrio, que representa la mayor parte del grosor de la pared. Las contracciones del miometrio ayudan a expulsar al feto desde el útero durante el nacimiento. La capa más interna, llamada endometrio, está formada por una capa de células epiteliales y una capa gruesa de tejido conjuntivo. El endometrio también contiene numerosas glándulas que secretan líquido que recorre la pared uterina. La vagina, un conducto de unos 8-10 cm de largo desde el cuello del útero hasta el exterior del cuerpo, recibe al pene durante la copulación y, por tanto, es el órgano femenino para dicho acto (v. fig. 22.10). Su fina pared contiene una capa media de músculo liso, y su superficie interna contiene un líquido que fluye desde el útero o está secretado por el cuello del útero. Como consecuencia de la acción de las bacterias que viven normalmente en la vagina, este líquido es ácido. Este entorno ácido, aunque es potencialmente dañino para el esperma, limita el crecimiento de microorganismos que podrían entrar fácilmente en la vagina desde el medio externo. Desde la parte superior del útero se extienden a ambos lados las trompas de Falopio (también llamadas tubos uterinos u oviductos), cuya función es el transporte del óvulo desde el ovario al útero (v. fig. 22.10a). Las trompas de Falopio también son el lugar donde normalmente se produce la fecundación. Cada trompa, que tiene alrededor de 10 cm de largo, termina en una estructura en forma de embudo (el infundíbulo), protegida por proyecciones en forma de dedos (fimbrias) que envuelven parcialmente el ovario de cada lado. Cuando un óvulo se libera del ovario, se desplaza a la trompa de Falopio por el movimiento del líquido del entorno, y es transportado por el tubo gracias a los movimientos de los cilios que recubren la superficie de la trompa. Durante los primeros minutos después de la ovulación, las contracciones peristálticas de la trompa impulsan al óvulo hacia el útero; después, el óvulo es impulsado únicamente por la acción de los cilios. El viaje completo desde el ovario hasta el útero dura alrededor de 4 días.
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Trompa de Falopio (seccionada)
Infundíbulo
Aparato reproductor
Trompa de Falopio
Ovario
Ovario Miometrio Endometrio Útero
Folículos Células de la teca
Células de la granulosa
Cuello del útero Vagina
Folículo de Graaf Folículo primordial Ovocito Células foliculares (a)
Trompa de Falopio
Ovario
Útero Recto
Vejiga
Cuello del útero
Uretra Vagina
Labios mayores
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Labios menores
(b)
FIGURA 22.10 Aparato reproductor femenino. (a) Sección frontal del útero y las estructuras asociadas; el detalle a mayor aumento de uno de los ovarios muestra folículos en diferentes etapas de desarrollo. (b) Corte transversal que muestra los órganos reproductores principales.
Fimbrias
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Aparato reproductor
Monte de Venus
Apertura de la uretra
Apertura de la vagina
FIGURA 22.11 Genitales externos femeninos.
Genitales externos Los genitales externos de las mujeres se sitúan en una única estructura llamada vulva, que rodea la entrada del aparato reproductor y comprende las siguientes estructuras (fig. 22.11): 1) el monte de Venus, un cúmulo de piel y tejido con grasa que se sitúa en el centro de la parte inferior de la región pélvica; 2) los labios mayores y los labios menores, un conjunto de pliegues de la piel externos e internos que rodean la entrada a la vagina; 3) el vestíbulo, una área rodeada por los labios menores que conduce a la apertura de la vagina y la uretra; 4) el clítoris, un pequeño órgano eréctil situado en la parte superior del vestíbulo, y 5) las glándulas vestibulares (no mostradas en la fig.), un par de pequeñas glándulas que secretan un líquido lubricante que facilita la entrada del pene en la vagina durante la copulación. En las mujeres jóvenes, la apertura de la vagina está parcialmente cubierta con una fina membrana, llamada himen, que contiene pequeños vasos sanguíneos. Esta membrana se rompe a menudo con la entrada del pene en la vagina durante la primera relación coital. En el resto de esta sección se examinará con más detalle el funcionamiento diario del aparato reproductor femenino cuando no se ha producido la fecundación. Más adelante, se estudiarán únicamente los procesos que suceden cuando un óvulo es fecundado.
Óvulos y su desarrollo En el proceso llamado ovogenia, los óvulos se desarrollan a partir de células germinales relativamente indiferenciadas llamadas ovogonias. El número de ovogonias está determinado desde el nacimiento, y no se regeneran continuamente, como las espermatogonias. Además, el proceso de la meiosis, que transforma a la ovogonia en óvulos maduros, empieza en la etapa fetal, pero no se completa hasta que se produce la fecundación. La ovogenia comienza en los primeros 3 meses de la etapa embrionaria, cuando las ovogonias (que son diploides) sufren la mitosis para formar alrededor de 2 a 4 millones de clones, de los cuales se derivan todos los óvulos producidos (fig. 22.12). Estas
ovogonias se diferencian en ovocitos primarios, que empiezan la primera división meiótica (meiosis I) con replicación del ADN. Sin embargo, Clítoris la meiosis se frena y los ovocitos entran en un estado de desarrollo suspendido conocido como paro Labios mayores meiótico, y permanecen así justo hasta antes de la ovulación. Por tanto, en el nacimiento, las mujeres Labios menores cuentan con óvulos en paro meiótico, con 46 cromosomas que cuentan con dos cromátidas hermanas cada Himen uno (2n 2). Cuando una mujer alcanza la pubertad, un ovocito primario al mes completa la meiosis I para producir dos células hijas con 23 cromosomas cada una (n 2). Una de las células hija, llamada ovocito secundario, recibe la mayor parte del citoplasma durante la división celular y continúa desarrollándose; la otra célula hija, llamada primer cuerpo polar, se degenera y se pierde. La meiosis II se lleva a cabo únicamente si el ovocito secundario es fecundado. Esta segunda división meiótica da lugar a un óvulo, que recibe la mayor parte del citoplasma, y un segundo cuerpo polar, que se degenera. El óvulo fecundado contiene 23 cromosomas únicos que hereda del ovocito secundario, más el número que hereda del espermatozoide, lo que da un total de 46 cromosomas (2n).
Respuesta sexual en las mujeres La respuesta sexual femenina es parecida a la del hombre en muchos aspectos. La estimulación mecánica de las zonas erógenas y el estímulo psicológico activan las mismas corrientes autónomas en las mujeres que en los hombres. En las mujeres, la excitación sexual produce un conjunto característico de cambios, en los que se incluye la congestión vascular (aumento del volumen de sangre) en algunos tejidos y la contracción muscular en muchas áreas del cuerpo. Por ejemplo, el clítoris empieza a hincharse y a alargarse, debido a la acumulación de sangre en su tejido eréctil. Los pechos también se hinchan, los pezones se endurecen y la vagina empieza a secretar un líquido lubricante viscoso. El clítoris, que cuenta con numerosas terminaciones sensoriales, se estimula mediante la fricción durante el acto sexual, y provoca sensaciones placenteras y aumenta el apetito sexual. Cuando la excitación llega a un cierto nivel, se puede producir un orgasmo, que está acompañado de contracciones rítmicas de la vagina y el útero, y muchas otras respuestas, incluyendo un placer intenso, un aumento de la presión arterial y el ritmo cardíaco, así como contracciones de los músculos esqueléticos de todo el cuerpo.
Test rápido 22.3 1. ¿En qué se diferencia la ovogenia de la espermatogenia en comparación con el número de gametos producidos? ¿Y con el tiempo de producción? 2. ¿Cuándo se producen la meiosis I y meiosis II en la ovogenia?
C A P Í T U LO 2 2 ETAPA FETAL
Ovogonia (2n) Mitosis y diferenciación
Ovocito primario (2n × 2) Paro meiótico ANTES DE LA OVULACIÓN Meiosis I
Primer cuerpo polar
Ovocito secundario (n × 2)
TRAS LA FECUNDACIÓN Meiosis II Segundo cuerpo polar Óvulo (2n: n cromosomas maternos + n cromosomas paternos del espermatozoide)
FIGURA 22.12 Ovogenia, desarrollo de los óvulos. Es importante saber que los óvulos, que se desarrollan tras la fecundación, estás conformados por 23 cromosomas de origen materno y 23 de origen paterno.
P ¿Cuántos cromosomas sexuales hay en una ovogonia? ¿Cuáles? Ciclo menstrual Entre los cambios que se producen en las funciones corporales durante el ciclo menstrual, que se llevan a cabo a lo largo de la vida reproductora de una mujer, se encuentran los siguientes: cambios cíclicos en la estructura y función ovárica (lo que se conoce como ciclo ovárico), cambios cíclicos en la estructura y función uterina (lo que conoce como ciclo uterino), y cambios cíclicos en la secreción de hormonas pituitarias, hipotalámicas y ováricas. En las dos siguientes secciones se estudiarán los ciclos ováricos y uterinos, para comprender cómo se asientan los cimientos para posibles fecundaciones y embarazos, necesarios para completar la principal función del aparato reproductor femenino, la creación de una nueva vida. A continuación, se vincularán estos pasos con los cambios hormonales que los provocan.
Ciclo ovárico El ciclo ovárico está dividido en dos fases: la fase folicular, que dura 14 días de media, y la fase lútea, que dura 14 días (fig. 22.13). La fase folicular comienza al principio de la menstruación (día 1 del ciclo menstrual) y termina con la ovulación; la fase lútea comprende el resto del ciclo menstrual. Fase folicular En un ovario, hay folículos en diferentes grados de desarrollo, como se muestra en la figura 22.13a y b. La mayo-
Aparato reproductor
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ría de los folículos están en la fase primordial ➀, pero una pequeña proporción empieza a desarrollarse, y cada uno lo hace de forma independiente. A medida que un folículo empieza a desarrollarse, las células del folículo van formando diferentes capas alrededor del ovocito y se diferencian en células de la granulosa ➁. En este momento, el folículo primordial se convierte en folículo primario, y esta etapa del desarrollo se denomina etapa preantral (por las razones descritas a continuación). Durante la etapa preantral, las células de la granulosa secretan sustancias no celulares que forman una membrana gruesa entre ellas y el ovocito, llamada zona pelúcida. La zona pelúcida separa el ovocito del resto del tejido, incluyendo la sangre, por lo que la alimentación del ovocito está proporcionada por las uniones comunicantes situadas en las prolongaciones citoplásmicas entre las células de la granulosa y el ovocito. También en esta etapa, algunas células de los tejidos conjuntivos se diferencian para formar la capa más externa de las células de la teca. Algunos folículos no se desarrollan más allá de esta etapa. Los folículos que continúan desarrollándose forman una cavidad llena de líquido llamada antro, que aumenta el tamaño a medida que avanza el desarrollo ➂. A partir de este punto, el folículo se convierte en folículo secundario y la etapa de desarrollo se denomina etapa antral temprana. Algunos folículos dejarán de desarrollarse en este punto. Al principio de la fase folicular, alrededor de 10 a 25 folículos del cúmulo de folículos antrales tempranos o preantrales continúan su desarrollo. Después de 7 días, uno de estos folículos (conocido como folículo dominante) es seleccionado para completar el desarrollo y, por tanto, prepara la situación para la ovulación. El ovario que contiene el folículo dominante es el ovario dominante para ese ciclo determinado. La mayoría de estudios indican que el ovario dominante no sigue una pauta concreta, sino que se produce al azar, aunque algunos estudios indican que se lleva a cabo de forma alterna. Los folículos restantes se atresian y pierden. El crecimiento folicular y el desarrollo están estimulados por la FSH y los estrógenos secretados por los mismos folículos. Durante la fase folicular, los niveles de FSH en el plasma bajan (por razones que se explicarán más adelante), lo que tiende a reducir los niveles de estrógeno. Los folículos que no pueden mantener niveles adecuados de secreción de estrógenos se atresian. La selección del folículo dominante depende de su capacidad para secretar niveles adecuados de estrógenos frente a la falta de FSH. El folículo dominante es más sensible a la FSH que los demás folículos, y también muestra alguna respuesta a la LH, que no aparece hasta que el folículo haya alcanzado un cierto grado de desarrollo. Por tanto, el folículo dominante asegura su dominancia, desarrollándose más rápido que los demás. A medida que el folículo dominante continúa desarrollándose en la etapa antral tardía, el antro crece de tamaño y desplaza una parte del tejido celular de alrededor del ovocito. Varias capas de las células de la granulosa continúan envolviendo al ovocito, formando la corona radiada, mientras que otras células de la granulosa forman el cúmulo ovárico, un puente de células que une al ovocito y la corona radiada a la pared del folículo, ahora llamado folículo de Graaf ➃. En un momento determinado, se produce la meiosis I, y el ovocito (ahora ovocito secundario) se despega de la pared folicular y flota libremente en el líquido antral, junto con la corona radiada. El antro se sigue expandiendo a medida que el folículo crece alrededor de 2 a 2,5 cm de diámetro justo antes de la ovulación. Algunas veces la ovulación no se produce, y puede formarse un quiste (v. «Conexiones clínicas: Quistes ováricos»).
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Aparato reproductor Folículo primario
Folículo secundario
Zona pelúcida
Antro
Ovocito Folículo primordial
Células de la granulosa Células foliculares
Células de la teca
Cúmulo ovárico
Folículo de Graaf Ovocito
2
3
1
Corona radiada
4
9 8
5
6
7
Cuerpo albicans
Antro
Ovulación
Cuerpo lúteo degenerándose
Cuerpo lúteo
Folículo roto
Ovocito Corona radiada
(a)
Día: 1
14
28
Fase folicular 1
2
3
Fase lútea 4
5
6
7
8
9
(b)
FIGURA 22.13 Ciclo ovárico. (a) Vista transversal de un ovario mostrando las varias etapas del ciclo ovárico; los pasos que se producen durante las etapas están descritos en el texto con mayor detalle. (b) Diagrama que relaciona las etapas que se muestra en la parte (a) con las fases lútea y folicular del ciclo ovárico. Es importante tener en cuenta que la ovulación marca el fin de la fase folicular y el comienzo de la fase lútea. Fase lútea En la ovulación, que marca el comienzo de la fase lútea, la pared del folículo de Graaf se rompe ➄, provocando un flujo de líquido antral que transporta el ovocito (con las células que lo rodean) a la superficie del ovario. El folículo roto se transforma en una glándula llamada cuerpo lúteo ➅, que secreta estrógenos y progesterona. Tanto la ovulación como la formación del cuerpo lúteo están desencadenadas por el mismo motivo, un repentino aumento de los niveles de LH en el plasma. De hecho, su papel en la formación del cuerpo lúteo
es la razón por la cual esta hormona se llama hormona luteinizante. Después de la ovulación, el ovocito liberado entra en la trompa de Falopio y su propio destino determina el del cuerpo lúteo. Si el ovocito no se fecunda, el cuerpo lúteo alcanza su máxima actividad en un período de 10 días a partir de su formación ➆ y entonces comienza a degenerarse ➇, formando un tejido cicatrizal llamado cuerpo albicans ➈. Esta degeneración provoca un declive en los niveles de estrógeno y progesterona en sangre que
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Aparato reproductor
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CONEXIONES CLÍNICAS
Quistes ováricos Durante los años reproductivos de una mujer, se produce un folículo en el ovario cada mes que libera un ovocito en la ovulación. Tras la ovulación, el folículo se transforma en el cuerpo lúteo, que, en último lugar, se degenera, formando el cuerpo albicans si no se produce un embarazo. Algunas veces durante este proceso se puede formar un quiste o saco lleno de líquido. Los quistes de ovario pueden ser funcionales o anormales. Los quistes funcionales incluyen quistes foliculares y quistes lúteos, llamados así de acuerdo con la fase durante la que se desarrollan. Un quiste folicular se produce cuando el folículo no libera su ovocito y crece más de 2 cm. Los quistes lúteos se desarrollan después de la ovulación y se producen cuando el cuerpo lúteo no se degenera. A veces, durante la ovulación, se rompe un vaso sanguíneo y el quiste lúteo se llena de sangre, formando un quiste hemorrágico. Tanto los quistes foliculares como los lúteos son benignos y normalmente desaparecen por sí solos en unos 90 días. Sin embargo, algunos quistes funcionales pueden continuar creciendo has-
ta que producen dolor o llegan a romperse, lo que produce un dolor intenso. Los quistes ováricos anormales se producen de muchas maneras, algunas más graves que otras. Los endometriomas se producen como resultado de la endometriosis, una enfermedad que provoca que el tejido endometrial crezca fuera del útero, en este caso, en el ovario. Los endometriomas también se conocen como los quistes de chocolate, porque contienen sangre vieja, de un color marrón oscuro. Si estos quistes se rompen, sus contenidos a menudo causan problemas secundarios en la región pélvica que pueden afectar a la capacidad reproductora. Los quistes dermoides son tumores benignos que se producen, por lo general, en mujeres jóvenes y se parecen a los tumores de la piel. Estos quistes tienden a crecer bastante, hasta 15 cm, y pueden contener tejido óseo y pelos. En la enfermedad de los ovarios poliquísticos, se forman varios quistes como resultado de desequilibrios de las gonadotropinas. Si son sintomáticos, los quistes ováricos benignos pueden tratarse con progesterona, que impide la
prepara las bases para la menstruación y el comienzo de la fase folicular. Si el ovocito se fecunda, el cuerpo lúteo no degenera; por el contrario, permanece durante la gestación. En raras ocasiones (alrededor del 1-2% de todos los ciclos ováricos), dos o más folículos se convierten en folículos dominantes. Cuando esto ocurre, dos (o más) ovocitos se liberan en la ovulación. En caso de que ambos sean fecundados, el resultado será la aparición de gemelos dicigóticos, que no se parecen y heredan diferentes conjuntos de genes. Se denominan así porque se originan a partir de diferentes cigotos.
Ciclo uterino El ciclo uterino, que se produce al mismo tiempo que el ciclo ovárico, se divide en tres fases: la fase menstrual, que empieza el día 1 y dura de 3 a 5 días, correspondiendo con los primeros días de la fase folicular ovárica; la fase proliferativa, que dura el resto de la fase folicular (normalmente desde el final de la menstruación hasta el día 14), y la fase secretora, que coincide con la fase lútea ovárica (fig. 22.14). Fase menstrual La fase menstrual del ciclo uterino se llama así porque corresponde con el período de menstruación, el des-
ovulación, o pueden ser extirpados quirúrgicamente. Los quistes ováricos malignos son raros, pero el diagnóstico se suele establecer en etapas tardías del desarrollo, porque son relativamente asintomáticos hasta que se ha producido un crecimiento considerable. Los quistes que se producen antes de la adolescencia o después de la menopausia tienen más probabilidades de ser malignos. Los quistes malignos requieren tratamiento inmediato, como la extirpación quirúrgica seguida de quimioterapia o radioterapia.
Ecografía de un quiste ovárico.
prendimiento del revestimiento del útero. La menstruación se desencadena en respuesta a la disminución de los estrógenos y la progesterona en el plasma, a medida que el cuerpo lúteo se degenera. En primer lugar, los vasos sanguíneos de las capas más externas del endometrio comienzan a estrecharse, lo que reduce el flujo sanguíneo al tejido. Como resultado, estos tejidos mueren y empiezan a separarse del tejido del endometrio, que permanece intacto. El tejido muerto se desprende gradualmente de la superficie, lo que provoca la rotura de los vasos sanguíneos y sangrado. En los siguientes días, una mezcla de sangre y tejido muerto desciende a la vagina y es expulsada del cuerpo, un fenómeno llamado flujo menstrual. Fase proliferativa Durante la fase proliferativa del ciclo uterino, que empieza con el final de la menstruación, el útero se vuelve a preparar para un posible embarazo, que puede ocurrir en la siguiente ovulación. Los tejidos del endometrio que se desprendieron durante la fase menstrual comienzan a crecer de nuevo, y el músculo liso del miometrio engruesa. Las glándulas endometriales se agrandan, y aumenta el número de vasos sanguíneos. En el conducto cervical, las glándulas comienzan a secretar un moco fino que impregna la superficie más interna; en caso de que se depositara esperma en la vagina, este moco facilitaría la migra-
Aparato reproductor
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Días 1
14 Fase folicular 1
2
3
28 Niveles de plasma
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Fase lútea 4
5
6
7
8
Estrógenos
Progesterona
(a) Glándula endometrial
Menstruación
Vasos sanguíneos
Fase menstrual
Fase proliferativa
Niveles de plasma
Grosor endometrial
LH
FSH
Fase secretora (b)
Días
5
14
28
FIGURA 22.14 Ciclo uterino. Los cambios en el grosor endometrial que se producen a lo largo de las tres fases del ciclo uterino están ilustrados en comparación con las fases del ciclo ovárico. La línea temporal en común permite comparar los acontecimientos en los dos ciclos. Es importante advertir que el principio del ciclo uterino está marcado por el desprendimiento del tejido endometrial y sangre, y que el aumento del grosor endometrial se debe al crecimiento de las glándulas endometriales y la proliferación de los vasos sanguíneos.
(d)
ción a través del útero, un preludio necesario para la fecundación. Los cambios uterinos de la fase proliferativa están impulsados por los estrógenos, cuyos niveles en el plasma aumentan debido al aumento de la actividad secretora del folículo dominante. Fase secretora Durante la fase secretora del ciclo uterino, el endometrio (que se ha reconstruido durante la dase proliferativa) se transforma para convertirse en un entorno favorable para la implantación y subsecuente localización y alimentación del embrión en desarrollo. El suministro de sangre del endometrio se enriquece a medida que las arterias se ramifican. Las glándulas endometriales se agrandan y empiezan a secretar líquidos ricos en glucógeno, que el embrión usa como fuente de energía en las primeras etapas del crecimiento. Además, las secreciones de las glándulas cervicales se hacen más gruesas y viscosas, hasta que bloquean el conducto cervical formando un cúmulo que aísla el útero de los microorganismos externos que podrían dañar al embrión en desarrollo. Estos cambios uterinos están impulsados por la progesterona, cuyos niveles de plasma aumentan durante la fase secretora (al igual que los estrógenos) debido a la acción del cuerpo lúteo. A medida que se acerca el final de la fase secretora, el cuerpo lúteo se degenera, ocasionando una reducción de los niveles de estrógeno y progesterona. Este descenso condiciona que estas hormonas dejen de favorecer el crecimiento del endometrio, lo que desencadena los pasos descritos anteriormente en la menstruación. Con el inicio de la menstruación, la fase secretora finaliza y comienza la próxima fase menstrual (y la fase folicular del
Fase folicular
Fase lútea
Fase Fase menstrual proliferativa
Fase secretora
(c)
Días 1
5
14
28
FIGURA 22.15 Resumen de los cambios hormonales en el ciclo menstrual. (a) Niveles de estrógenos y progesterona en el plasma. (b) Niveles de gonadotropina en el plasma. (c) Fases del ciclo ovárico. (d) Fases del ciclo uterino. La línea discontinua vertical indica la menstruación.
ciclo ovárico). Si se produce la fecundación e implantación, el cuerpo lúteo no se degenera, y los niveles de estrógenos y progesterona permanecen elevados. Como resultado, la fase secretora uterina se mantiene para el embarazo.
Cambios hormonales del ciclo menstrual En esta parte examinamos los cambios hormonales que se producen en el ciclo menstrual en relación con las fases del ciclo ovárico. No solo las hormonas afectan al ciclo, sino que también el ciclo afecta a los niveles hormonales en el plasma. Empezaremos estudiando los pasos que se producen en las primeras fases de la fase folicular. Cambios hormonales en las primeras fases del ciclo folicular Los cambios hormonales que se producen durante el ciclo menstrual se explican en la figura 22.15a y b. Como se puede ver en la figura 22.15a, el principio de la fase folicular está marcado por un descenso de corta duración de los estrógenos y la progesterona en el plasma, que, en realidad, se corresponde con la última
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Hipotálamo secreción de GnRH
Adenohipófisis secreción de FSH
secreción de LH
Células de la teca Retroalimentación negativa (solo FSH)
secreción de andrógenos
Retroalimentación negativa
Células de la granulosa Modificación enzimática de los andrógenos
inhibición de la secreción
secreción de estrógenos
Ovogenia y desarrollo folicular
Estímulo inicial Respuesta fisiológica
estrógenos en plasma
Resultado
FIGURA 22.16 Regulación de la secreción hormonal desde el principio hasta la mitad de la fase folicular. Es importante advertir que unos niveles de estrógenos plasmáticos relativamente bajos proporcionan una retroalimentación negativa para la liberación de GnRH, FSH, LH.
etapa de descenso que empieza en la fase lútea previa secundaria a la degeneración del cuerpo lúteo. Los estrógenos y la progesterona tienden a impedir la secreción de gonadotropinas por la adenohipófisis, por lo que los niveles en plasma de LH y FSH muestran un ligero aumento en ese momento, reflejando la retirada de este efecto supresor (fig. 22.15b). El aumento de FSH estimula que los folículos crezcan y se desarrollen. La FSH se une a los receptores de las células de la granulosa y facilita su crecimiento y proliferación, lo que causa que los
Aparato reproductor
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folículos aumenten su tamaño (fig. 22.16). Bajo la influencia de esta hormona, la capa exterior de las células de la granulosa se diferencia en células de la teca, que cuentan con receptores para LH. La LH estimula las células de la teca para que secreten andrógenos, que viajan a las células de la granulosa y se convierten en estrógenos. En un momento determinado, aparece el folículo dominante y secreta estrógenos a niveles muy altos, provocando que los niveles de plasma de estas hormonas aumenten rápidamente. La retroalimentación por estos estrógenos en el hipotálamo y la adenohipófisis impide la secreción de LH y FSH, e interrumpe el aumento inicial de los niveles de estas hormonas en el plasma. La LH permanece bastante constante, pero los niveles de FSH disminuyen debido a la influencia de la inhibina, que se secreta a niveles altos por las células de la granulosa del folículo en desarrollo. Este descenso de la FSH es el principal responsable de que los folículos no dominantes degeneren, como se ha descrito anteriormente. Durante la fase folicular inicial o media, los estrógenos favorecen numerosos cambios fisiológicos en todo el cuerpo, como los cambios característicos en el útero de la fase proliferativa. Los estrógenos también colaboran con la FSH para favorecer la ovogenia y el crecimiento folicular (tabla 22.3). Además, estas hormonas favorecen los cambios que preparan al cuerpo para los acontecimientos posteriores del ciclo menstrual. Por ejemplo, los estrógenos provocan la expresión de los receptores de LH en las células de la granulosa, lo que permite que estas células respondan cuando los niveles de LH aumenten justo antes del final de la fase folicular (v. fig. 22.15b). Los estrógenos también inducen la expresión de los receptores de progesterona en las células endometriales, lo que provoca que el endometrio responda a la progesterona en la fase lútea. Cambios hormonales en el final de la fase folicular Al final de la fase folicular, los niveles altos de estrógenos (v. fig. 22.15a) desencadenan un cambio esencial en la manera en que estas hormonas afectan a la actividad secretora del hipotálamo y la adenohipófisis: en vez de impedir la secreción de LH, los estrógenos estimulan la secreción de esta hormona (fig. 22.17). Como consecuencia, los niveles de LH aumentan (v. fig. 22.15b), lo que estimula aun más la secreción de estrógenos, que, a su vez, estimula aún más la secreción de LH. Estos pasos, que conforman un ciclo de retroalimentación positiva, condicionan que la secreción de LH aumente repentinamente, provocando un aumento abrupto de LH en plasma llamado pico de LH. (Los niveles de FSH también aumentan, pero no en el mismo nivel.) Durante la fase folicular media, los estrógenos estimulan a las células de la granulosa para que expresen los receptores de LH en sus superficies, de forma que respondan a la LH. Como resultado, el pico de LH que se produce en la última parte de la fase folicular desencadena los siguientes cambios en el folículo dominante: 1) las células de la granulosa empiezan a secretar
TABLA 22.3 Acciones de los estrógenos Fase folicular
Embarazo (y fase lútea)
Impulsan el crecimiento endometrial
Impulsan el crecimiento del tejido conjuntivo y el depósito de grasa en las mamas
Favorecen la ovogenia y el desarrollo folicular
Suprimen la lactancia
F receptores de LH en las células de la granulosa
F secreción de prolactina
F receptores de progesterona en el útero
F crecimiento y actividad contráctil del músculo liso uterino
F secreción de LH (solo en la fase folicular tardía)
F receptores de oxitocina en el útero Favorecen la retención de líquidos
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Hipotálamo
Hipotálamo
secreción de GnRh
Secreción de GnRH
Adenohipófisis
Adenohipófisis
secreción de LH (y FSH)
secreción de FSH
secreción de LH
Retroalimentación negativa (solo FSH)
Retroalimentación positiva
Retroalimentación positiva
Células de la granulosa
Cuerpo lúteo
secreción de estrógenos
secreción de inhibina
secreción de estrógenos
secreción de progesterona
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
inhibina en plasma
FIGURA 22.17 Regulación de la secreción hormonal durante la fase folicular tardía. Es importante advertir que los estrógenos en niveles relativamente altos proporcionan una retroalimentación positiva para la liberación de GnRH, FSH y LH.
estrógenos y progesterona en plasma
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 22.18 Regulación de la secreción hormonal durante la fase sustancias paracrinas que estimulan que el ovocito complete la meiosis I; 2) la secreción de estrógenos por las células de la granulosa desciende, lo que reduce los niveles de estrógenos en el plasma; 3) las células de la granulosa empiezan a secretar progesterona, lo que provoca un pequeño aumento del nivel de esta hormona en el plasma; 4) las células de la granulosa comienzan a secretar enzimas y sustancias paracrinas que producen la descomposición de la pared folicular. Unas 18 h después del apogeo del pico de LH, la pared se rompe, provocando la ovulación; y 5) las células de la granulosa y las células de la teca empiezan a diferenciarse y terminan convirtiendo el folículo roto en el cuerpo lúteo. Su aparición es la base para los siguientes pasos de la fase lútea, que se describen a continuación. Cambios hormonales de la fase lútea Al principio de la fase lútea, el cuerpo lúteo crece, pero no es completamente funcional como órgano endocrino. Los niveles de estrógenos plasmáticos continúan descendiendo (v. fig. 22.15a), ya que el nivel de secreción de estrógenos por el cuerpo lúteo no es lo suficientemente alto para compensar la pérdida del folículo dominante y su secreción de estrógenos. Este descenso de estrógenos elimina el estímulo para la secreción de LH, lo que finaliza el pico de LH (v. fig. 22.15b). La secreción de progesterona por el cuerpo lúteo provoca que los niveles de esta hormona en el plasma empiecen a aumentar. A medida que el tiempo avanza, el cuerpo lúteo crece y alcanza la maduración completa. La secreción de estrógenos y progesterona aumenta, provocando un aumento abrupto en el plasma, que lle-
lútea.
ga al máximo en la mitad de la fase lútea. Los estrógenos trabajan para mantener muchos de los efectos ejercidos durante la fase folicular, mientras que la progesterona favorece los cambios uterinos de la fase secretora y otros cambios que adaptan el cuerpo para un posible embarazo. (v. tabla 22.3 y tabla 22.4). Después del día 10, aproximadamente, de la fase lútea (en ausencia de la implantación de un embrión), el cuerpo lúteo comienza a degenerar y su actividad secretora se reduce, lo que determina una disminución de los niveles de estrógenos y progesterona que pronto provoca la menstruación. Con el comienzo de la menstruación, la fase lútea acaba y el ciclo menstrual comienza con una nueva fase folicular. A medida que los niveles de estrógenos aumentan durante la fase lútea, los posibles efectos estimuladores de estas hormonas sobre la secreción de LH son bloqueados por la progesterona, lo que suprime, en gran medida, la actividad secretoria del hipotálamo y la adenohipófisis (fig. 22.18). Por tanto, la progesterona impide otros picos de LH, que podrían ser ocasionados por los altos niveles de estrógenos. De hecho, la LH en plasma (y la FSH) disminuyen a lo largo de la fase lútea, debido a la influencia inhibidora de la progesterona. Se han explicado los cambios de las hormonas sexuales de la mujer, que son responsables de la regulación de muchos de los pasos que se dan en el ciclo menstrual. En la próxima sección, se considerarán los efectos a largo plazo de estar hormonas, con una atención especial a los estrógenos.
TABLA 22.4 Acciones de la progesterona Fase lútea y embarazo Induce las mismas condiciones uterinas que en la fase secretora Impide la actividad contráctil del útero Favorece el crecimiento del tejido glandular en las mamas Impide la producción de leche
Regulación hormonal a largo plazo de la función reproductora de la mujer Los niveles de estrógenos y progesterona son bajos al principio de la infancia y aumentan repentinamente en la pubertad. Este aumento de los niveles de estrógenos facilita el desarrollo de las características sexuales secundarias, como el ensanchamiento de
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las caderas en relación con los hombros; la acumulación de grasa en los senos, caderas y glúteos; la secreción de grasa por la piel (que es menor que en los hombres), y el crecimiento de vello corporal. (El crecimiento del vello es favorecido por los propios andrógenos, al igual que en los hombres.) Los estrógenos también producen el crecimiento de los huesos durante la adolescencia, que es similar a la acción de la testosterona en los hombres. Durante la vida reproductiva de las mujeres, los niveles medios de estrógenos permanecen altos y ayudan a conservar las características sexuales secundarias, pero, cuando se llega a la menopausia, estos niveles disminuyen a medida que el ciclo menstrual se detiene. En este tiempo, la relativa falta de estrógenos provoca muchos otros cambios en el cuerpo. Por ejemplo, los pechos y los órganos reproductores, que aumentan durante la pubertad, disminuyen su tamaño durante la menopausia. Muchas mujeres también experimentan los conocidos «sofocos», que aumentan la temperatura corporal y el flujo sanguíneo en la piel de la cara y cuello, seguidos de un intenso sudor, que aparece de repente sin razón aparente y dura de unos segundos a varios minutos. Las mujeres con menopausia también experimentan un aumento del riesgo de enfermedades coronarias del corazón y fracturas de huesos; estos últimos derivados de la osteoporosis, una disminución del contenido mineral en los huesos. Muchas mujeres toman suplementos de estrógenos y progesterona para minimizar los riesgos para la salud que se derivan de la menopausia. Sin embargo, estudios recientes sugieren que estos suplementos pueden aumentar la probabilidad de desarrollar cáncer de mama o enfermedades cardiovasculares.
Test rápido 22.4 1. Nombra las dos fases del ciclo ovárico y describe brevemente los pasos que se producen en cada una. 2. Nombra las tres fases del ciclo uterino y describe brevemente los pasos que se producen en cada una.
Fecundación, implantación y embarazo Para que se lleve a cabo la fecundación, el esperma debe introducirse en el aparato reproductor de la mujer en los 5 días previos a la ovulación, ya que el esperma puede vivir en el aparato durante un máximo de 5 días y porque el ovocito solo puede fecundarse en las 12 a 24 h después de su ovulación desde el ovario. Cuando el esperma se deposita en el aparato reproductor femenino, los espermatozoides no tienen capacidad para fecundar a un ovocito y solo adquieren la capacidad de hacerlo tras haber estado durante varias horas en el aparato. Durante este tiempo se produce un proceso llamado capacitación. Uno de los resultados de la capacitación es el cambio en el patrón de movimientos de la cola, lo que le permite moverse más rápido; otro resultado es que la membrana se altera, de manera que el espermatozoide puede fusionarse con el ovocito, lo que es necesario para concluir la fecundación. El esperma depositado en la vagina se mueve por propulsión propia a través del conducto cervical hacia el útero, donde se mueve por la pared uterina hasta que entra en la trompa de Falopio. La migración del esperma también es facilitada por las contracciones uterinas y vaginales que se producen durante la relación sexual. De los millones de espermatozoides que se depositan,
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FIGURA 22.19 Microfotografía electrónica de unos espermatozoides intentando fecundar a un ovocito.
solo unos 100 llegan normalmente a la trompa de Falopio; los demás mueren por el camino. En la trompa, el espermatozoide se mueve hacia el ovocito, acercándose a él en sentido contrario. Cuando se produce la fecundación, normalmente lo hace en las trompas de Falopio. El ovulo fecundado sufre una serie de divisiones celulares y se mueve a la porción superior del útero, donde se adhiere a la pared (un paso denominado implantación). Si la implantación se produce, el desarrollo del óvulo fecundado continúa. Si la fecundación no se produce, tampoco se produce la implantación, y el óvulo se expulsa del útero durante la menstruación (v. «Descubrimientos: Métodos anticonceptivos»).
Pasos de la fecundación Varios de los espermatozoides llegan al ovocito y trabajan conjuntamente para romper las barreras de la fecundación: la corona radiada y la zona pelúcida (fig. 22.19). Una vez que el esperma penetra la corona radiada, se une a unas proteínas de la zona pelúcida. Esta unión desencadena un paso llamado reacción acrosómica, que provoca la liberación del contenido del acrosoma al exterior. Entre el contenido de los acrosomas hay enzimas capaces de digerir la sustancia de la zona pelúcida, permitiendo, por tanto, que el espermatozoide acceda a la superficie del ovocito. El primer espermatozoide que alcance el ovocito se une a un receptor de la membrana plasmática, que precipita el transporte del espermatozoide al citoplasma del óvulo. Esta fusión también estimula que el ovocito complete la meiosis II y se convierta en óvulo. Dentro del óvulo, se desintegra la membrana plasmática del espermatozoide y sus cromosomas se desplazan al centro de la célula, como los cromosomas presentes desde el principio en el ovocito. (En esta etapa, los cromosomas se encuentran contenidos en la membrana nuclear, que se descompondrá posteriormente.) Los cromosomas del espermatozoide y el óvulo se combinan, y el ADN se replica, preparándose para la primera división mitótica de la célula (ahora denominada cigoto). El hecho de que cientos de espermatozoides alcancen normalmente las trompas de Falopio aumenta las probabilidades de que más de un espermatozoide pueda fecundar al óvulo, un fenómeno conocido como polispermia. Si esto se produjese, el óvulo fecundado contendría más del número normal de cromosomas y no podría seguir desarrollándose. Afortunadamente, la polisper-
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Aparato reproductor
DESCUBRIMIENTOS
Métodos anticonceptivos Muchas parejas sexualmente activas usan varios métodos de control anticonceptivo para posponer o impedir el embarazo. Algunos métodos anticonceptivos son reversibles, mientras que otros son permanentes. La mayoría de los métodos anticonceptivos funcionan impidiendo la fecundación (un proceso llamado anticoncepción); otros funcionan evitando la implantación, y unos pocos eliminan el embarazo (aborto). Los anticonceptivos pueden dividirse en mecanismos químicos, de barrera o de comportamiento. Los mecanismos de comportamiento incluyen la abstinencia y el método de ritmo (o planificación familiar natural). El método de ritmo requiere que una pareja prediga los días fértiles de una mujer y evite las relaciones sexuales por un corto período de tiempo durante cada ciclo menstrual, sobre todo durante los días de la ovulación. El éxito de este método depende de una predicción precisa de cuándo sucede la ovulación. Las predicciones se basan normalmente en el calendario (la pauta que sigue el ciclo de una mujer), medidas de la temperatura corporal (la temperatura corporal aumenta alrededor de 1 °C durante la ovulación) y llevar un seguimiento de los cambios en las secreciones vaginales. Estas predicciones pueden dar lugar a errores, lo que condiciona que una mujer que usa el método del ritmo tenga un 20% de probabilidades de quedarse embarazada a lo largo de 1 año. Los métodos de barrera incluyen dispositivos que bloquean el esperma para que no salga del hombre y objetos que no dejan que el esperma entre en el conducto cervical de la mujer. El condón masculino, una goma fina de látex que se coloca sobre el pene, disminuye la cantidad de esperma que sale del hombre. También existe un condón femenino que se introduce en la vagina, pero las probabilidades de quedarse embarazada superan el 20%. Otros dispositivos de barrera de la mujer son el diafragma o el capuchón cervical, que se colocan en la vagina antes de la relación sexual. A menudo, se usan espermicidas junto con los diafragmas o
capuchones. Estos métodos de barrera tienen un nivel de error relativamente alto, debido a su estructura o el uso inapropiado; el 15-20% de las parejas tienen un embarazo no esperado a lo largo de 1 año. Los métodos químicos de anticoncepción son los espermicidas, las hormonas y el cobre. Los espermicidas se deben combinar con otros métodos de barrera; por sí solos se asocian a una probabilidad de embarazo de 35% en 1 año. El control hormonal cuenta con una gran variedad de formas, como los anticonceptivos orales (la píldora), parches que se llevan en la piel o anillos vaginales anticonceptivos. Los anticonceptivos orales son píldoras que contienen una combinación de estrógenos sintéticos y una sustancia parecida a la progesterona (progestágenos), o solo progestágenos. En los anticonceptivos combinados, varía la dosis de las dos hormonas para imitar los cambios naturales del cuerpo que evitan la ovulación. Los anticonceptivos que contienen exclusivamente progestágenos, también llamados minipíldora, aumentan la densidad del moco cervical para evitar que el esperma alcance al óvulo. También puede disminuir la ovulación. Es importante saber que los anticonceptivos, aunque se usen correctamente, pueden perder su eficacia cuando se usan en combinación con antibióticos. Los parches y los anillos vaginales funcionan liberando estrógenos y progestágenos para evitar la ovulación. El parche y el anillo vaginal se colocan fácilmente por la mujer. Se usan durante 3 semanas y se quitan en la cuarta semana, durante la cual la mujer tiene el período menstrual. El parche debe sustituirse cada semana durante las 3 semanas del ciclo. Todos estos métodos hormonales tienen un nivel de error inferior al 1% (menos de un embarazo inesperado al año). Un anticonceptivo a largo plazo, pero no permanente, es el dispositivo intrauterino (DIU). Un DIU es un pequeño dispositivo de plástico en forma de T o Y que se introduce por un médico en el útero y libera cobre o progestágenos, evitando la implantación. El DIU
puede ser efectivo hasta 10 años, y tiene un nivel de error inferior al 1%. Un método anticonceptivo más fiable, y por lo general permanente, es la esterilización quirúrgica, que tiene un nivel de error de cerca del cero. En los hombres, el método más común de esterilización es la vasectomía, en la que se corta el conducto deferente para impedir el paso del esperma de los testículos a la uretra. En las mujeres, el método más común es la esterilización tubárica, por la cual el movimiento de los óvulos del ovario a el útero se evita al cauterizar las trompas de Falopio o situar anillos o clips a su alrededor (ligadura de trompas). Todos los métodos descritos deben usarse antes de la relación sexual, pero recientemente se ha desarrollado un medicamento llamado RU 486 (mifepristona), a veces denominado «píldora del día después», porque su efecto solo se produce si se toma en un máximo de 2 días tras la relación sexual. Este medicamento se une a los receptores de progesterona, bloqueando la capacidad de la progesterona de favorecer el acondicionamiento del útero en la fase secretora, y evita las contracciones uterinas. Si la fecundación y la implantación ya se han producido, este medicamento puede desencadenar el despegamiento del embrión del endometrio y su expulsión del útero.
Métodos anticonceptivos.
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siguientes días en una bola redonda de células llamada mórula. Las divisiones celulares en esta etapa no son como las divisiones celulares posteriores, porque el volumen del citoplasma no aumenta. Por esta razón, el número de células aumenta con cada división, pero el tamaño de cada una de ellas disminuye. Por esta razón, el número de células crece con cada división, pero el tamaño de las mismas es cada vez menor. La división celular de este tipo se denomina célula de segmentación. En los 3 a 4 días posteriores a la fecundación, las repetidas divisiones celulares forman un total de 16 a 32 células, cada una de las cuales es totipotente, es decir, que tiene el potencial de desarrollar un ser humano completo. En este momento, la mórula ya ha llegado al útero; en los siguientes 3 o 4 días, flota en el líquido intrauterino y lleva a cabo divisiones celulares. En raras ocasiones, la mórula se puede separar en dos (o incluso más) partes. Cuando esto se produce, cada parte puede dar lugar a una persona completa. El resultado es el nacimiento
mia se impide mediante varios mecanismos llevados a cabo cuando el primer espermatozoide se fusiona con el ovocito. Dicha fusión desencadena la exocitosis de las vesículas cercanas a la membrana plasmática, liberando enzimas en el espacio entre la membrana y el espacio que rodea a la zona pelúcida. Como resultado, las proteínas a las que puede unirse el esperma quedan desactivadas, y la zona pelúcida empuja al esperma lejos de la membrana plasmática. Estos cambios crean una barrera alrededor del ovocito que evita la fecundación por otro espermatozoide, por lo que se conocen como bloqueadores de la polispermia.
Desarrollo embrionario temprano e implantación Tras haberse producido la fecundación, el óvulo sufre varias divisiones mitóticas (fig. 22.20a), transformándose en los
Mórula Cigoto División temprana (3 a 4 días después (óvulo fecundado) (etapa con cuatro células) de la fecundación)
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Blastocisto (4 a 5 días después de la fecundación)
Vasos sanguíneos
Revestimiento epitelial del útero
Masa celular interna Zona pelúcida
Masa celular interna
Trofoblasto Blastocisto
Trofoblasto Glándula endometrial Fecundación
División celular
(b)
1 día después
Cavidad amniótica Implantación (6 días después de la fecundación) Ovario Ovulación Útero
Células trofoblásticas invadiendo el endometrio (a)
FIGURA 22.20 Desarrollo embrionario temprano e implantación. (a) Etapas del desarrollo embrionario temprano. Los pasos mostrados empiezan con la ovulación y proceden hasta la implantación. (b) Etapa posterior de la implantación, que muestra las células embrionarias penetrando en el tejido endometrial. Es importante advertir la aparición de la cavidad amniótica llena de líquido dentro de la masa celular interna.
(c)
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de gemelos idénticos, que se parecen y cuentan con genes idénticos. También se llaman gemelos monocigóticos, puesto que se originan a partir del mismo cigoto. La mórula sigue desarrollándose hasta que se convierte en una estructura más compleja llamada blastocisto, que se ha deshecho de la zona pelúcida y posee los siguientes componentes (v. fig. 22.20a): una capa celular esférica externa, llamada trofoblasto; un conjunto de células en el interior, llamado masa celular interna, que se adhiere al trofoblasto en un lado y da lugar al embrión, y una cavidad llena de líquido, llamada blastocele, adyacente a la masa celular interna. En esta etapa, las células se han diferenciado las unas de las otras, es decir, han perdido su totipotencialidad y se desarrollarán en tejidos diferentes. Alrededor de 6 o 7 días después de la fecundación, el blastocisto se pega a la pared uterina (fig. 22.20b). En las próximas semanas, las células del trofoblasto secretan enzimas que digieren las células endometriales adyacentes, de las cuales el embrión recoge el alimento. El trofoblasto también secreta sustancias paracrinas que favorecen los cambios locales en el tejido endometrial. Entre estos cambios, llamados en su conjunto respuesta decidual, destaca un aumento del número de capilares, que aumenta el suministro de oxígeno y los nutrientes del área. En el lugar de contacto con la pared uterina, las células trofoblásticas proliferan, se diferencian y empiezan a infiltrar el tejido endometrial (fig. 22.20c). Como se ha descrito brevemente, el trofoblasto y el endometrio terminan convirtiéndose en lo que será la placenta, una estructura que permite el intercambio eficiente de los gases, nutrientes y desechos entre los aparatos circulatorios de la madre y el embrión en desarrollo.
Comprueba tus conocimientos Un embarazo ectópico se produce cuando el embrión no se implanta en el útero (normalmente lo hace en la trompa de Falopio). ¿Por qué los embarazos ectópicos no completan su desarrollo y por qué son peligrosos para la madre?
Desarrollo embrionario tardío y fetal Después de la implantación, el embrión continúa aumentando de tamaño y ganando complejidad. En un momento determinado, el embrión se convierte en feto y depende de la placenta para alimentarse.
Desarrollo del embrión al feto En la región de contacto entre el embrión y la pared uterina a las 5 semanas de la fecundación, el trofoblasto aumenta de tamaño y se convierte en corion, un tejido que crece hasta que se convierte en una envoltura dura que encapsula el embrión, aislándolo del entorno (fig. 22.21). En el interior del embrión se producen otros cambios: una cavidad llena de líquido, llamada la cavidad amniótica, empieza a formarse y crecer de tamaño dentro de la masa celular interna (v. fig. 22.20c). A medida que se expande la cavidad amniótica, la envoltura celular se convierte en un tejido epitelial llamado amnios (o bolsa amniótica; v. fig. 22.21), que acaba fusionándose con el corion para dar lugar a una membrana única alrededor del embrión en desarrollo. El líquido que contiene el amnios (llamado líquido amniótico) es similar en composición al líquido extracelular; el embrión flota en este líquido y forma una barrera física entre el embrión y la pared uterina que lo protege en caso de traumatismos físicos, y lo aísla de cambios repentinos de temperatura. A medida que se desarrolla, el embrión sufre una serie de transformaciones importantes en su estructura y funciones. Dentro de la masa celular interna, las células empiezan a diferenciarse en diferentes tejidos que darán lugar a todos los sistemas y órganos que se encuentran en los adultos. De hecho, el ritmo de cambio es tan rápido que ya se pueden diferenciar sistemas de órganos rudimentarios en las primeras semanas después de la fecundación. En este tiempo, los órganos primitivos van adquiriendo gradualmente las características adultas; los diferentes sistemas se desarrollan a diferente ritmo. Al mismo tiempo que esto se produce, la apariencia externa también cambia rápida-
Corion
Útero
Feto
Amnios Miometrio
Cavidad amniótica
Endometrio
Embrión
Placenta
Cuello del útero 3 semanas
5 semanas
FIGURA 22.21 Crecimiento y desarrollo del embrión y las estructuras que lo rodean. Es importante saber que, a partir de la octava semana de desarrollo, el embrión se denomina feto.
8 semanas
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mente, de manera que, al final de la octava semana de vida, ya tiene una forma humana completa, con extremidades claramente distinguibles, así como una cabeza y una cara. A partir de este momento, el humano en desarrollo es un feto.
Formación de la placenta
Aparato reproductor
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Luz del útero Senos de la sangre materna Vasos sanguíneos fetales
Vellosidades coriónicas
Cambios hormonales durante el embarazo Durante los primeros meses del embarazo, el cuerpo lúteo se mantiene por los efectos de una hormona llamada gonadotropina coriónica humana (hCG), que se secreta por la parte coriónica de la placenta y ejerce muchos de los efectos de la LH. Bajo la influencia de la hCG, el cuerpo lúteo continúa secretando una gran cantidad de estrógenos y progesterona, que ejercen varios
Concentración plasmática de hormonas
En las primeras etapas del desarrollo, el embrión Corion es capaz de obtener los nutrientes a través de la Vénula descomposición del tejido endometrial y obteAmnios materna ner la suficiente cantidad de oxígeno por difusión de los vasos sanguíneos cercanos. Sin Líquido embargo, a medida que el embrión crece, amniótico aumenta su necesidad de oxígeno, de manera Cordón que no puede solo obtener el oxígeno a través Arteriola umbilical de la difusión a partir de los tejidos de la madre; materna también aumenta su demanda de nutrientes, y Feto la cantidad de alimentos que obtiene de los teji(12 semanas) dos que lo rodean no bastan. Para obtener las sustancias esenciales (y deshacerse del dióxido de carbono y otros desechos), el feto depende de la placenta, una estructura que permite el intercambio de gases, nutrientes y otras sustancias con el Miometrio Endometrio Placenta aparato circulatorio materno. La placenta se desarrolla en las primeras semanas de la FIGURA 22.22 Placenta. La interconexión de los tejidos maternos y fetales permite el implantación en la región de contacto entre intercambio entre el aparato circulatorio de la madre y el feto. el embrión y el endometrio, y está constituida por tejidos maternos y fetales especializados estrechamente relacionados (fig. 22.22). efectos explicados más adelante. La secreción de la hCG comienza con la implantación, cuando las células del trofoblasto empieEl desarrollo de la placenta empieza cuando el corion envía zan a infiltrar el tejido endometrial, y entonces aumenta durante proyecciones en forma de dedos llamadas vellosidades coriónilos 2 meses siguientes a medida que la placenta crece (fig. 22.23). cas. Las vellosidades contienen tanto capilares de circulación fetal como células que secretan paracrinas que alteran la estrucAl final de este período, la secreción de hCG disminuye repentitura y función de los tejidos endometriales adyacentes, de manenamente y, como resultado, el cuerpo lúteo comienza a degenera que las vellosidades se rodean por senos que contienen sangre rarse. Sin embargo, los niveles de estrógenos y progesterona materna. Como resultado, la sangre materna y la sangre fetal permanecen altos y continúan aumentando hasta el parto, porestán muy próximas (lo que facilita el intercambio de sustanque la placenta comienza a secretarlos a medida que el cuerpo cias), sin llegar a mezclarse. (La separación de la sangre materna lúteo deja de hacerlo. Los estrógenos de la placenta se fabrican a y fetal es importante, porque evita el ataque del sistema inmunitario materno a los tejidos fetales.) La sangre materna se suministra a los senos de la placenta por la arteria uterina y vuelve a Gonadotropina la circulación general de la madre por la vena uterina. La sangre coriónica humana fetal se transporta a la placenta por las dos arterias umbilicales y Estrógenos regresa a la circulación general del feto a través de las venas umbilicales, ambas rodeadas por una estructura en forma de cuerda llamada cordón umbilical, que se extiende desde la placenta al feto. Como veremos a continuación, la placenta no es solo un órgano de intercambio; también secreta varias hormonas que son importantes para el mantenimiento del embarazo y prepara el cuerpo de la madre para el momento en que se proProgesterona duzca el nacimiento.
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Meses desde el comienzo del último periodo menstrual Parto
FIGURA 22.23 Concentraciones plasmáticas de estrógenos, progesterona y gonadotropina coriónica humana durante el embarazo.
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partir de andrógenos (en principio deshidroepiandrosterona, o DHEA) secretados por la corteza suprarrenal del feto en desarrollo. La progesterona de la placenta se fabrica a partir del colesterol, que se suministra a la placenta mediante el torrente sanguíneo materno. Durante el embarazo, los niveles de estrógenos y progesterona en el plasma, que aumentan después de la formación del cuerpo lúteo, continúan aumentando hasta el parto, momento en el que los niveles de progesterona y estrógeno desciende abruptamente (v. fig. 22.23). Estos niveles elevados de hormonas son importantes para mantener el embarazo y para preparar el cuerpo de la madre para el parto. En particular, los estrógenos favorecen los siguientes efectos: 1. Crecimiento del tejido de los conductos en las mamas. En las glándulas productoras de leche de las mamas (llamadas glándulas mamarias), los estrógenos estimulan el desarrollo de tejidos de los conductos que transportan la leche a los pezones. Esto prepara la mama para la lactancia (producción de leche), que comienza tras el parto. Los estrógenos también favorecen la acumulación de tejido graso en los pechos, aumentando su tamaño. 2. Secreción de prolactina. El estrógeno estimula la secreción de prolactina por la adenohipófisis, lo que favorece el crecimiento de las mamas y las prepara para la lactancia. Aunque la prolactina y los estrógenos funcionan para construir el mecanismo productor de leche, la producción real de leche no se observa aún, porque el alto nivel de estrógenos y progesterona durante el embarazo impide la lactancia. 3. Crecimiento y mejora de la respuesta contráctil del músculo liso uterino. Los estrógenos estimulan el crecimiento del músculo liso, permitiendo, por tanto, la capacidad del útero para contraerse y expulsar el feto durante el parto. Los estrógenos también funcionan para facilitar la actividad contráctil en el músculo liso uterino y para aumentar la capacidad de respuesta a la oxitocina, que estimula las contracciones uterinas durante el parto. A pesar de que los estrógenos permiten la actividad contráctil por ellos mismos, las contracciones uterinas que aparecen durante el embarazo son poco frecuentes y débiles. La razón es que los niveles elevados de progesterona durante este período bloquean las acciones contráctiles de los estrógenos y la oxitocina. Mientras que los estrógenos están funcionando para favorecer estos efectos, la progesterona también actúa para mantener el embarazo y preparar el cuerpo de la madre para el parto. En particular, la progesterona favorece los siguientes efectos: 1. Crecimiento del tejido glandular mamario. En las mamas, la progesterona estimula el crecimiento del tejido glandular (al contrario de los estrógenos, que estimulan el crecimiento de los conductos). Este tejido glandular es responsable de la secreción de leche que se produce tras el parto. 2. Supresión de la actividad contráctil del músculo liso uterino. Como se ha mencionado previamente, la progesterona impide las contracciones uterinas, por lo que contrarresta los efectos de los estrógenos y la oxitocina sobre el músculo liso uterino. Las contracciones podrían expulsar prematuramente el embrión o el feto del útero, por lo que esta acción es necesaria para la implantación y el mantenimiento del embarazo. 3. Mantenimiento de las condiciones uterinas secretoras. La progesterona funciona durante el embarazo para mantener las
mismas condiciones uterinas de la fase secretora que promueve durante la fase lútea del ciclo ovárico. Esto asegura que haya condiciones adecuadas para el crecimiento embrionario y fetal. Durante el embarazo, la progesterona ejerce una retroalimentación negativa en el hipotálamo y la adenohipófisis, que mantiene bajos los niveles de secreción de LH y FSH. Por tanto, no aparecen nuevos folículos dominantes y no se produce el pico de LH, a pesar de que los niveles de estrógenos son elevados en ese momento. Además, la placenta secreta una nueva hormona, llamada lactógeno placentario, que tiene efectos similares a algunas de las acciones de la hormona del crecimiento y la prolactina. Esta hormona colabora con los estrógenos y la prolactina para facilitar no solo el crecimiento de las mamas, sino también la movilización en el interior de la madre de reservas de energía para la demanda creciente del crecimiento de las mamas y los tejidos fetales.
Diabetes gestacional Aproximadamente el 4% de las mujeres embarazadas de los Estados Unidos sufren diabetes gestacional, una enfermedad caracterizada por un aumento de la glucosa en sangre y que aparece por primera vez con el primer embarazo. En todos los embarazos, la hormonas placentarias provocan un poco de resistencia a la insulina en la madre, lo que condiciona que los niveles de glucosa en sangre se eleven. La liberación de estas hormonas aumenta a través del embarazo, por lo que, por lo general, el nivel de resistencia a la insulina aumenta, a veces desarrollando diabetes gestacional. Hay algunas características que aumentan las probabilidades de sufrir esta enfermedad, como el sobrepeso, ser mayor de 25 años, prediabética y de origen afroamericano, nativo americano, asiático o hispano. Los síntomas de la diabetes gestacional son escasos, como el aumento de sed y orina. Por tanto, esta enfermedad se diagnostica durante los cuidados rutinarios prenatales. Las consecuencias de la diabetes prenatal pueden ser graves tanto para la madre como para el bebé. La madre tiene probabilidades de sufrir hipertensión e infecciones de las vías urinarias durante la diabetes gestacional si no se trata. También tiene más probabilidades de desarrollar una diabetes mellitus de tipo 2. La glucosa atraviesa la placenta, por lo que los niveles de glucosa en la sangre del feto también serán elevados, lo que aumentará la producción de insulina por el páncreas fetal. El exceso de insulina facilita el crecimiento (la insulina favorece la hormona del crecimiento), por lo que el feto tiene probabilidades de ser mayor de lo normal. Después del nacimiento, el bebé puede ser hipoglucémico por el exceso de insulina y la deficiencia de glucosa; la hipoglucemia puede producir convulsiones y otros problemas de salud en el niño. Los bebés nacidos con diabetes gestacional también tienen más probabilidades de desarrollar diabetes de tipo 2 en su vida adulta. El tratamiento de la diabetes gestacional se centra en mantener los niveles normales de glucosa en la sangre. Para conseguirlo, la madre necesita mantener una dieta equilibrada y hacer un seguimiento de sus niveles de glucosa; también se le aconseja que realice ejercicios suaves. Las inyecciones de insulina pueden usarse si las pautas de conducta no mantienen los niveles de glucosa bajos. Tras el parto, tanto la madre como el niño deben mantener un estilo de vida saludable para minimizar las probabilidades de desarrollar la diabetes de tipo 2.
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Test rápido 22.5 1. Define los siguientes términos: capacitación, reacción acrosómica, polispermia, mórula, blastocisto, masa celular interna, trofoblasto, implantación, placenta, corion, vellosidades coriónicas, amnios, líquido amniótico y cordón umbilical. 2. ¿Dónde se produce la fecundación? ¿Y la implantación? ¿Cuál es la función primaria de la placenta? 3. ¿Qué estructura secreta los estrógenos y la progesterona durante los primeros 3 meses del embarazo? ¿Y durante los 6 meses restantes? 4. Para cada una de las siguientes hormonas, nombra el lugar desde donde se secretan, y da una breve descripción de su función: gonadotropina coriónica humana, prolactina, oxitocina y lactógeno placentario.
Parto y lactancia El embarazo normalmente dura alrededor de 9 meses (40 semanas), durante las cuales el feto aumenta en tamaño, peso y madura de tal forma que adquiere la capacidad para vivir fuera del cuerpo de la madre. Una vez que la maduración del feto está completada, se produce el parto.
Pasos del parto En las últimas semanas del embarazo, comienzan a producirse contracciones poco frecuentes y débiles. Durante este tiempo, las contracciones aumentan gradualmente en fuerza y frecuencia. Los estrógenos favorecen la actividad contráctil del músculo liso uterino, por lo que es probable que las contracciones aparezcan, al menos en parte, por los altos niveles de estrógenos relativamente altos en comparación con los niveles de progesterona. Además, el músculo liso uterino es capaz de iniciar sus propias contracciones y, a medida que el feto crece y se expande, el estiramiento del músculo liso puede iniciar la actividad contráctil. Para favorecer el parto, el cuello del útero sufre un proceso llamado maduración en las semanas previas al parto. Durante este proceso, el cuello se hace más suave y flexible como resultado de la descomposición enzimática de las fibras de colágeno en el tejido conjuntivo. Estos cambios facilitan que el conducto cervical se ensanche para que el feto pueda pasar por él. Poco antes del parto, el feto, que normalmente se encuentra boca abajo, se desplaza hacia abajo y entra en contacto con el cuello del útero (fig. 22.24a), de manera que las fuertes contracciones uterinas del parto procedan a empujar el feto a través del conducto cervical. Además, la orientación del feto con la cabeza hacia abajo permite, dado que es más estrecha que el resto del cuerpo, que la cabeza ejerza un efecto de cuña para la apertura del conducto cervical (la apertura del canal se llama dilatación cervical). En una pequeña proporción de los casos, las piernas o las caderas pasan a través del canal cervical primero, un fenómeno llamado parto de nalgas; las caderas son más anchas que la cabeza, por lo que este tipo de parto suele ser más difícil de lo normal y tarda más tiempo. Además, este tipo de parto aumenta el riesgo de que el cordón umbilical quede oprimido entre el feto y la pared del conducto, impidiendo el suministro de sangre al feto. Por esta razón, se recomienda a menudo la cesárea (parto a través de intervención quirúrgica por la pared abdominal) cuando se aproxima un parto de nalgas.
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En las horas previas al parto, la bolsa amniótica normalmente se rompe, provocando el escape del líquido amniótico al exterior del cuerpo. Este paso es a menudo la primera señal fiable para la madre de que el parto va a producirse. Poco después empiezan una serie de contracciones uterinas conocidas como parto. Cada contracción comienza en el fondo del útero y viaja hacia abajo por el músculo liso en forma de onda. (Las contracciones se desencadenan por señales eléctricas que se transmiten célula a célula a través de las uniones comunicantes.) El movimiento hacia abajo de estas contracciones empuja el contenido del útero hacia el cuello, hasta que el conducto cervical es forzado a abrirse. Durante el parto, las contracciones uterinas pueden ser apoyadas por contracciones voluntarias del músculo abdominal de la madre, que aumenta la presión sobre el contenido del útero. Al principio, las contracciones están separadas por intervalos de 10 a 15 min, pero las contracciones se hacen más frecuentes a medida que el parto progresa. La presión intrauterina en aumento provoca la dilatación del conducto cervical (fig. 22.24b), hasta que aumenta un máximo de 10 cm. En ese momento, el feto se mueve hacia el conducto y sale en unos minutos del cuerpo de la madre (fig. 22.24c). Los vasos sanguíneos del cordón umbilical empiezan a cerrarse, y la placenta se separa del endometrio. (El cordón umbilical se corta normalmente por los ayudantes del parto.) Al final, una ola de fuerte contracciones uterinas expulsa la placenta (alumbramiento) al exterior del cuerpo de la madre (fig. 22.24d). Una vez que las contracciones empiezan, la sensibilidad a la distensión del músculo liso uterino tiende a perpetuarlas. Como las contracciones empujan al feto hacia abajo, la parte inferior del útero se estira, lo que estimula aún más la actividad contráctil. Las contracciones uterinas también se favorecen gracias a la oxitocina, cuya liberación también se estimula en el parto. La presión ejercida por el feto contra la pared uterina excita los receptores del estiramiento situados en la parte inferior del útero, lo que desencadena la liberación de la oxitocina en la neurohipófisis. La oxitocina entra en el torrente sanguíneo y estimula las contracciones uterinas tanto por acción directa en las células musculares como por la estimulación de otras células en el miometrio para que secreten prostaglandinas, que actúan localmente para favorecer la actividad contráctil. Los efectos de la oxitocina que facilitan las contracciones se bloquean normalmente durante el embarazo por la progesterona, lo que ayuda a mantener la actividad contráctil baja. Aunque la naturaleza precisa de las señales que desencadenan el parto sigue siendo totalmente desconocida, hay pruebas que demuestran que pueden producirse a partir del propio feto. La porción fetal de la placenta secreta la hormona liberadora de corticotropina (CRH), la misma hormona que secreta el hipotálamo en adultos y estimula la liberación de la ACTH en la adenohipófisis. En el feto, la CRH placentaria estimula la liberación de la ACTH, que estimula la glándula suprarrenal para que secrete la DHEA. Esta hormona se convierte entonces en estrógenos gracias a la placenta y se introduce en el torrente sanguíneo de la madre. El aumento progresivo de la secreción de CRH placentaria puede ser responsable del incremento rápido de los estrógenos al final del embarazo y ayuda a desencadenar los pasos del parto. Como una porción de CRH placentaria llega a la sangre materna, también es posible que los niveles de CRH actúen como desencadenante directo para el parto. Otra causa posible del parto puede ser el aumento de los niveles de oxitocina, el aumento de las prostaglandinas o el envejecimiento de la placenta.
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Placenta Cordón umbilical Útero Cuello del útero (cerrado)
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FIGURA 22.24 Fases del parto. (a) Posición del feto en el útero antes del parto. (b) Dilatación del cuello del útero. (c) Movimiento del feto a través del conducto cervical (parto). (d) Expulsión de la placenta tras el parto.
Comprueba tus conocimientos Hoy en día, casi el 20% de los partos son provocados. Las prostaglandinas se usan normalmente para dilatar el cuello del útero, y la oxitocina para estimular las contracciones uterinas. ¿Cuándo sería beneficioso provocar el parto y cuáles son los problemas potenciales?
Lactancia El descenso de los estrógenos y la progesterona que se produce en el parto es importante no solo porque ayuda a favorecer las contracciones uterinas en el parto, sino también porque permite que comience la lactancia. En los primeros meses después del nacimiento, el niño no tiene dientes y no puede comer alimentos sólidos. Por esta razón, la leche producida por el pecho de la madre puede servir como fuente de nutrientes primarios. Durante los primeros días después del parto, esta leche es poco más que un líquido acuoso (llamado calostro) que contiene un gran contenido de proteínas, pero pocos nutrientes. Sin embargo, posteriormente, la leche se enriquece con diversos constituyen-
tes adicionales, como grasas, lactosa (el mismo azúcar presente en la leche de la vaca), factores del crecimiento, hormonas (que favorecen el desarrollo de los tejidos del niño) y anticuerpos, que confieren al niño cierto grado de inmunidad contra las bacterias y otros patógenos. (En los primeros días, el niño todavía no es capaz de fabricar las cantidades suficientes de anticuerpos, ya que su sistema inmunitario aún no está desarrollado por completo.) La leche se produce en las glándulas mamarias, glándulas en forma de saco llamados alvéolos, y se transporta hacia los pezones por unos conductos (fig. 22.25a). Para obtener esta leche, el niño debe chupar simplemente los pezones, lo que produce el flujo de leche desde los conductos. Los alvéolos están rodeados por células mioepiteliales (fig. 22.25b), que son células epiteliales con la capacidad de contraerse. Con el amamantamiento, se estimula que se contraigan estas células, y la leche es forzada a salir a través de los conductos, un fenómeno llamado expulsión de la leche. Los pasos que provocan la expulsión de la leche están esquematizados en la figura 22.26. El amamantamiento estimula los receptores táctiles en los pezones, que se proyectan en el hipo-
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Receptores táctiles de los pezones Amamantamiento del bebé Músculo torácico
Tejido adiposo Hipotálamo Conductos galactóforos
secreción de PRH
secreción de PIH
actividad de las células neurosecretoras
Pezón Neurohipófisis
Adenohipófisis Alvéolos
secreción de prolactina
secreción de oxitocina
Mamas Secreción de leche por los alvéolos
(a)
Conducto galactóforo Alvéolos Células epiteliales secretoras de leche
Contracción de células mioepiteliales
Expulsión de la leche
Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 22.26 Regulación hormonal de la lactancia en respuesta al amamantamiento.
Células mioepiteliales
(b)
FIGURA 22.25 Glándulas mamarias. (a) Corte de un pecho que muestra los alvéolos y los conductos que constituyen las glándulas mamarias. (b) Detalle de células epiteliales secretoras de leche y células mioepiteliales en los alvéolos.
tálamo y excitan las células neurosecretoras que se extienden hasta la neurohipófisis, y que, a su vez, secretan oxitocina. La oxitocina viaja en el torrente sanguíneo y estimula la contracción de las células mioepiteliales. El amamantamiento también estimula la propia producción de leche, al estimular la liberación de la hormona liberadora de prolactina (PRH) por el hipotálamo, inhibiendo la liberación de la hormona inhibidora de prolactina (PIH). Ambos cambios estimulan a la adenohipófisis para que secrete prolactina, que impulsa la producción de leche por los alvéolos. Durante la pubertad, los niveles de estrógenos y progesterona aumentan y provocan el aumento de tamaño de las mamas y el desarrollo del mecanismo de la lactancia. Los estrógenos no solo estimulan el desarrollo del tejido en los conductos, sino que también permiten la acumulación de tejido graso en las mamas, lo que provoca un aumento visible de su tamaño; la progesterona, por el contrario, favorece el desarrollo de los alvéolos. Duran-
te el embarazo, las mamas se agrandan y el mecanismo de la lactancia se desarrolla por completo como resultado de las acciones combinadas de los niveles altos de estrógenos, progesterona, prolactina y lactógeno placentario. (Recuerda que la liberación de prolactina está estimulada por los estrógenos en este momento.) Sin embargo, no se produce leche, porque el alto nivel de estrógenos y progesterona bloquea la acción secretora de las células de los alvéolos. Después del parto, la caída de los niveles de estrógenos y progesterona desbloquea el efecto estimulador de la prolactina en la producción de leche y permite que se lleve a cabo la lactancia.
Test rápido 22.6 1. Para cada una de las siguientes frases descriptivas, indica si pertenece a la oxitocina, la prolactina, los estrógenos o la progesterona: a) inhibe las contracciones uterinas durante el embarazo; b) la secreción es estimulada por los estrógenos; c) facilita el desarrollo de los conductos galactóforos y la acumulación de grasa en las mamas durante la pubertad; d) facilita el desarrollo de los alvéolos tras la pubertad; e) es secretada en respuesta a la excitación de los receptores de distensión del útero; f) es secretada en respuesta a la estimulación táctil de los pezones; g) estimula la producción de leche en respuesta al amamantamiento, y h) estimula la expulsión de leche en respuesta al amamantamiento.
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RESUMEN DEL CAPÍTULO Sinopsis de la fisiología reproductiva, pág. 633 La reproducción humana se basa en los procesos fundamentales de gametogenia, fecundación, embarazo y parto. La capacidad reproductora se adquiere durante la pubertad, cuando los órganos reproductores maduran, comienza la gametogenia y se desarrollan las características sexuales secundarias. Los hombres son capaces de reproducirse continuadamente durante la vida adulta, mientras que las mujeres cuentan con una capacidad reproductora cíclica, y esta se pierde con la menopausia. Los aparatos reproductores femenino y masculino están formados por las gónadas (testículos en los hombres y ovarios en las mujeres), que llevan a cabo la gametogenia y secretan hormonas sexuales (andrógenos en los hombres y estrógenos y progesterona en las mujeres), y por los órganos reproductores accesorios, como, por ejemplo, los órganos del aparato reproductor y varias glándulas que secretan líquidos en el aparato.
Aparato reproductor masculino, pág. 638 El aparato reproductor masculino está formado por los testículos, los genitales externos (el pene y escroto), el aparato reproductor (el epidídimo, los conductos deferentes, el conducto eyaculatorio y la uretra), las glándulas accesorias (la vesícula seminal, las glándulas bulbouretrales y la próstata). El esperma se forma en los testículos en los túbulos seminales, que están revestidos por las células de Sertoli. Durante la relación sexual, una mezcla de esperma y líquido (semen) se expulsa por el pene a través de la uretra, un proceso llamado eyaculación. La función reproductora en los hombres está controlada por andrógenos y otras hormonas, como las gonadotropinas de la adenohipófisis (la hormona estimulante del folículo, FSH, y la hormona luteinizante, LH) y la hormona liberadora de gonadotropina (GnRH). La espermatogenia y otras funciones de las células de Sertoli se estimulan por
la FSH. La LH estimula la secreción de andrógenos por las células de Leydig. Durante la vida reproductora, los niveles de andrógenos se mantienen altos, porque ellos limitan su propia secreción a través de la retroalimentación negativa, que controla la secreción de GnRH y la secreción de la gonadotropina.
Aparato reproductor femenino, pág. 645 El aparato reproductor femenino está formado por los ovarios, el aparato reproductor (el útero, las trompas de Falopio y la vagina) y los genitales externos (el monte de Venus, los labios mayores, los labios menores, el vestíbulo, el clítoris y las glándulas vestibulares). El ciclo menstrual, que dura 28 días, está marcado por los cambios cíclicos de la secreción hormonal de los ovarios y la hipófisis, y empieza con la menstruación, que es la descamación de tejido y sangre del endometrio. Los óvulos se desarrollan a partir de células germinales, cuyo número está fijado al nacer, y no maduran completamente hasta que se produce la fecundación. Cada ovario contiene numerosos folículos, y cada uno de ellos contiene un ovocito. Los folículos también contienen células de la granulosa que alimentan al ovocito, regulan su desarrollo y secretan estrógenos, y (en etapas posteriores del desarrollo) células de la teca. El ciclo ovárico se divide en la fase folicular, durante la cual el folículo dominante se selecciona y se convierte en un folículo de Graaf, y la fase lútea, durante la cual el folículo se convierte en cuerpo lúteo. La fase folicular termina con la liberación del ovocito (ovulación) y la entrada en la trompa de Falopio. Al mismo tiempo que el ciclo ovárico, se produce el ciclo uterino, que está formado por la fase menstrual, la fase proliferativa y la fase secretora. En la fase folicular, la FSH estimula a las células de la granulosa para que favorezcan el crecimiento y la secreción de estrógenos; la LH estimula a las células de la teca para que secreten andrógenos, que se convierten en estrógenos por las células de la granulosa.
Los estrógenos favorecen la ovogenia (junto con la FSH) y los cambios uterinos de la fase proliferativa. En la fase folicular, los niveles crecientes de estrógenos desencadenan el pico de LH, que es responsable de la ovulación y el desarrollo del cuerpo lúteo. En la fase lútea, el cuerpo lúteo secreta estrógenos y progesterona, que impiden la secreción de LH y FSH, y permite los cambios de la fase secretora. En ausencia de la fecundación, el cuerpo lúteo degenera, provocando un descenso de los niveles de progesterona y estrógenos que desencadena la menstruación.
Fecundación, implantación y embarazo, pág. 655 Tras la fecundación, que normalmente se produce en la trompa de Falopio, el cigoto se transforma en un blastocisto, que se implanta en el endometrio. En el lugar de contacto, los tejidos endometriales y embrionarios se desarrollan, formando la placenta, que permite el intercambio de sustancias entre la madre y el embrión en desarrollo. Durante el embarazo, los estrógenos y la progesterona (secretadas por el cuerpo lúteo al principio y más tarde por la placenta) favorecen dichos efectos, como el crecimiento y desarrollo de las glándulas mamarias, la secreción de prolactina por la adenohipófisis (que facilita el crecimiento de los pechos para la lactancia) y el mantenimiento de las condiciones uterinas de la fase secretora.
Parto y lactancia, pág. 661 El parto se produce normalmente a las 40 semanas después de la fecundación, y está acompañado por una serie de fuertes contracciones uterinas, la dilatación del cuello del útero, la expulsión del feto del útero y la separación de la placenta (alumbramiento) de la pared uterina. Después del parto, las glándulas mamarias proporcionan el alimento del niño. El amamantamiento del niño desencadena la secreción de prolactina, que favorece la producción de leche, y oxitocina, que permite su expulsión.
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. Tanto en los hombres como en las mujeres, la secreción de gonadotropina por la adenohipófisis está estimulada por a) la inhibina b) los andrógenos c) la GnRH
d) la FSH e) la GHRH 2. En el embrión, la testosterona facilita a) el desarrollo de las gónadas primitivas en testículos. b) la regresión de los conductos de Müller.
c) el desarrollo de los conductos de Müller en los órganos reproductores masculinos. d) el desarrollo de los conductos de Wolff en los órganos reproductores masculinos. e) la expresión del gen srY.
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3. Los testículos están situados en una estructura llamada a) próstata. b) escroto. c) pene. d) epidídimo. e) conducto deferente.
Preguntas objetivas 1. En la meiosis I, los cromosomas maternos y paternos se segregan en células hijas individuales. (verdadero/falso) 2. El gen srY tiene la información de (los receptores de la testosterona/el factor determinante testicular), que determina si un embrión desarrolla ovarios o testículos.
4. En el primer paso de la espermatogenia, la espermatogonia se diferencia en células llamadas a) espermátidas. b) espermatocitos primarios. c) espermatocitos secundarios. d) espermatozoides. e) espermatofitos.
3. En ausencia de testosterona y MIS, los conductos de Müller (permanecen/degeneran) en el embrión, y las estructuras femeninas aparecen.
5. Las células de los ovarios secretan todas las siguientes hormonas, a excepción de a) los estrógenos. b) la progesterona. c) los andrógenos. d) la hormona luteinizante. e) la inhibina.
5. La GnRH, que está secretada por el hipotálamo, estimula la secreción tanto de la FSH y la LH por la adenohipófisis. (verdadero/falso)
6. En la ovogenia, la meiosis I se produce a) al principio de la etapa fetal. b) en el nacimiento. c) antes de la ovulación. d) después de la ovulación, pero antes de la fecundación. e) después de la fecundación. 7. Durante las primeras partes de la fase folicular del ciclo ovárico, la función de las células de la granulosa están estimuladas por a) la progesterona. b) la FSH. c) la LH. d) la GnRH. e) los estrógenos. 8. En la última parte de la fase lútea, los niveles de estrógenos y progesterona descienden por a) la rotura del folículo dominante. b) la degeneración del cuerpo lúteo. c) un efecto inhibidor de la LH en la actividad secretora del cuerpo lúteo. d) el efecto inhibidor de la inhibina en la actividad secretora de las células de la granulosa. e) todas las respuestas son correctas 9. En el ciclo uterino, la fase proliferativa está precedida inmediatamente por la fase a) menstrual. b) secretora. c) lútea. d) folicular. 10. La placenta no solo sirve como órgano de intercambio, ya que también secreta todas las siguiente hormonas a excepción de a) la prolactina. b) la gonadotropina coriónica. c) el lactógeno placentario. d) la progesterona. e) los estrógenos.
4. La FSH y la LH están clasificadas como (hormonas sexuales/gonadotropinas).
6. En los testículos, los andrógenos se secretan por las células de (Sertoli/Leydig). 7. La espermatogenia está estimulada por la testosterona y la (FSH/LH), a partir de las células de Sertoli. 8. La cabeza del espermatozoide contiene cromosomas y un ————, una vesícula que contiene enzimas necesarias para la fecundación. 9. La erección está acompañada de un (aumento/descenso) de la actividad simpática neuronal en los vasos sanguíneos del pene. 10. Una vez que el esperma se deposita en el aparato reproductor femenino, no puede fecundar al ovocito hasta que se ha producido un proceso llamado ————. 11. La fecundación normalmente se produce en (el útero/la trompa de Falopio). 12. La segunda parte del ciclo ovárico se llama fase (lútea/folicular). 13. En un folículo, el ovocito está rodeado por una capa de células de la (teca/ granulosa) que proporcionan alimento y regulan su desarrollo. 14. La (FSH/LH) estimula a las células de la teca para que secreten andrógenos, que se convierten en estrógenos gracias a las células de la granulosa. 15. La capa interna de la pared uterina se llama (endometrio/miometrio). 16. Durante la fase (proliferativa/secretora) del ciclo uterino, el grosor del revestimiento del útero aumenta bajo la influencia del creciente nivel de estrógenos.
Aparato reproductor
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20. La degeneración del cuerpo lúteo provoca cambios hormonales que desencadenan la (ovulación/menstruación). 21. Antes de la implantación, la mórula se desarrolla en un ————, que está formado por una masa celular interna que está contenida en una capa celular externa llena de líquido. 22. Las condiciones uterinas de la fase secretora son posibles por el efecto de (estrógenos/progesterona), que inhibe la secreción de gonadotropina durante la última parte del ciclo ovárico. 23. Durante los últimos 6 meses del embarazo, los estrógenos y la progesterona están secretados por (los ovarios/la placenta). 24. Durante el parto, las fuertes contracciones uterinas están inducidas por la (prolactina/oxitocina). 25. El amamantamiento estimula la liberación de ————, que favorece la producción de leche en las mamas.
Preguntas abiertas 1. Compara la regulación hormonal de la función reproductora de los hombres con la de las mujeres durante las primeras partes de la fase folicular. No olvides las acciones hormonales ni los mecanismos que regulan su secreción. 2. Compara los pasos de la espermatogenia con los de la ovogenia. 3. Explica qué debe suceder antes para que el esperma depositado en el aparato reproductor femenino pueda fertilizar un ovocito. 4. Describe los pasos que se producen durante el pico de LH, como las acciones de la LH en las células que influye. No olvides incluir descripciones de los pasos que desencadenan el aumento y los tejidos principales que responden a dicha acción. 5. Describe los procesos que aumentan los niveles altos de secreción de estrógenos y progesterona durante el embarazo. Explica cómo estas hormonas favorecen el mantenimiento del embarazo y preparan al cuerpo para el parto y la alimentación del bebé.
Pensamiento crítico
18. El cuerpo lúteo secreta estrógenos y (LH/ progesterona)
1. Después de la fecundación, algunos cigotos tendrán los siguientes tres cromosomas: XXY. ¿Podrá desarrollarse este cigoto? Si la respuesta es positiva, ¿el cigoto se desarrollará como mujer o como hombre? Justifica tu respuesta.
19. En la última parte de la fase folicular, la secreción de LH está estimulada por (estrógenos/progesterona).
2. La endometriosis es una enfermedad en la cual una parte del tejido endometrial del útero crece fuera del útero y se adhie-
17. La ovulación está desencadenada por la (FSH/LH).
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Aparato reproductor
re a órganos de la cavidad abdominal. ¿Cuáles son las dos formas por las cuales el tejido uterino puede llegar a la cavidad abdominal? El tejido endometrial fuera del útero responde a las hormonas igual que el tejido endometrial. ¿Qué cambios se producirían en este tejido anormal
durante el ciclo femenino, y qué síntomas provocarían estos cambios? 3. Algunos hombres son estériles porque su esperma no puede fecundar un ovocito. ¿Cuáles son los posibles defectos de un espermatozoide que podrían impedir la fecundación de un ovocito?
4. Los genes de los fotopigmentos rojos y los fotopigmentos verdes se encuentran localizados en el cromosoma X. Explica por qué esto hace que los hombres sean más propensos a ser daltónicos.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Sistema inmunitario Carmen es una estudiante brillante que está en su primer año de universidad y, además, es campeona de mountain bike. Generalmente, goza de un excelente esta-
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do de salud, por lo que se sorprendió mucho al tener dolor de garganta y fiebre; se sentía tan cansada que no tenía fuerzas para leer un libro… ¡ni siquiera para montar en bicicleta! Su médico le dijo que tenía una enfermedad viral llamada mononucleosis. Se enteró de que no existía un tratamiento específico para la misma pero que, con el tiempo, se sentiría mejor gracias a su sistema inmunitario: los órganos, tejidos, células circulantes y moléculas secretadas que resisten y nos defienden de las infecciones. Como todos nosotros, Carmen entendió el poder de este sistema: cuando había tenido un corte infectado, se le había curado; cuando estaba enferma con la gripe, se había puesto mejor, y cuando fue vacunada frente a la infección bacteriana de la difteria, quedó protegida contra la enfermedad de por vida.
CONTENIDOS Anatomía del sistema inmunitario 668 Organización de las defensas del cuerpo 670 Inmunidad humoral 679 Inmunidad mediada por células
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Respuesta inmunitaria en estados de salud y de enfermedad 684
Microfotografía electrónica en color de un neutrófilo.
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Sistema inmunitario
OBJETIVOS
Identificar los órganos linfoides y describir brevemente sus funciones.
Explicar los acontecimientos que ocurren durante la inflamación. Describir cómo la piel y las mucosas, la inflamación, los interferones, las células citolíticas naturales y el sistema del complemento contribuyen a la defensa inespecífica.
Describir la inmunidad humoral, o cómo las células B, a través de la producción de anticuerpos, contribuyen a la respuesta inmunitaria.
Describir la inmunidad mediada por células, o cómo los linfocitos T colaboradores y citotóxicos contribuyen a la respuesta inmunitaria.
Explicar cómo la vacunación puede conducir a la protección de enfermedades infecciosas.
Discutir los principales problemas inmunitarios implicados en las transfusiones de sangre y los trasplantes de órganos.
Explicar cómo la disfunción inmunitaria puede dar lugar a alergias, autoinmunidad o inmunodeficiencias.
inmunitaria exagerada a sustancias extrañas benignas, como el polvo, el polen o los cacahuetes. Además, algunas personas sufren enfermedades autoinmunitarias en las que el sistema inmunitario de una persona ataca a sus propios tejidos y células. La artritis reumatoide, la diabetes mellitus y la esclerosis múltiple son solo algunos ejemplos de las muchas enfermedades que pueden producirse por las respuestas autoinmunitarias.
Anatomía del sistema inmunitario El sistema inmunitario está formado por dos componentes: leucocitos (glóbulos blancos), que son los responsables de producir una amplia variedad de respuestas inmunitarias, y tejidos linfoides, como la médula ósea, el timo, el bazo, los ganglios linfáticos y las amígdalas, en los cuales los leucocitos se desarrollan, residen y entran en contacto con las sustancias extrañas. En las secciones siguientes se discutirá en detalle cada uno de estos componentes.
Leucocitos Existen cinco tipos principales de leucocitos, descritos brevemente en el capítulo 15. Los granulocitos (neutrófilos, eosinófilos y basófilos) tienen gránulos citoplásmicos que contienen productos de secreción, cuya liberación se llama desgranulación. Los agranulocitos (monocitos y linfocitos) no tienen gránulos.
Antes de empezar…
Fagocitos
Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
Los neutrófilos, eosinófilos, monocitos, macrófagos y células dendríticas son fagocitos, capaces de englobar partículas extrañas y microorganismos, alejándolos de la sangre y los tejidos. Los neutrófilos son los leucocitos más abundantes, y tienen una gran importancia en la lucha contra las infecciones bacterianas. La elevación en el número de neutrófilos en la sangre se utiliza clínicamente como un determinante de la infección. Además de la fagocitosis, los neutrófilos liberan diversas citocinas implicadas en la inflamación. Aunque los eosinófilos son fagocitos también, su papel principal en el sistema inmunitario es defenderlo de los parásitos mediante la liberación de sustancias tóxicas. Puedes encontrar más información sobre los efectos del ejercicio en el número de leucocitos circulantes en «Comprender el ejercicio: Movilización leucocitaria». Los monocitos son fagocitos en la sangre, pero se diferencian a macrófagos en el tejido para fagocitar sustancias extrañas. Los macrófagos son de cinco a diez veces más grandes que los monocitos y tienen una mayor actividad (tanto la fagocitosis como la secreción están aumentadas). Los macrófagos se encuentran en casi todos los tejidos del cuerpo; algunos están localizados solamente en ciertos tejidos (macrófagos fijos) y otros son capaces de migrar a diferentes tejidos (macrófagos libres o móviles). Los macrófagos fijos incluyen la microglia (v. capítulo 9), los macrófagos alveolares (v. capítulo 16), las células de Kupffer en el hígado y los histiocitos en el tejido conjuntivo.
1. Fagocitosis, pág. 117 2. Paracrinas, pág. 128 3. Composición de la sangre, pág. 436 4. Sistema linfático, pág. 421
E
n los capítulos anteriores hemos aprendido mucho sobre cómo funcionan los sistemas fisiológicos para mantener la salud. En este capítulo veremos cómo el cuerpo se mantiene saludable aun cuando organismos y sustancias causantes de enfermedades tienen acceso a él a través del aire, los alimentos y el agua. La inmunidad se refiere a la capacidad del sistema inmunitario para proteger a las personas de la enfermedad mediante el reconocimiento y la eliminación de agentes potencialmente patogénicos (que generan enfermedades), incluyendo bacterias, toxinas bacterianas, virus, parásitos y hongos. Además de resistir a los agentes extraños, el sistema inmunitario desecha componentes innecesarios del cuerpo, incluyendo células del envejecimiento y restos celulares de tejidos enfermos; participa en la cicatrización de heridas y, algunas veces, reconoce y elimina células mutantes que pueden evolucionar a cáncer. Al buscar y reconocer sustancias extrañas al organismo, el sistema inmunitario también rechaza tejidos y células que no son idénticos a «uno mismo» (es decir, las células y los tejidos del individuo en cuestión); tal rechazo representa el principal obstáculo para el trasplante de órganos. La presencia en el organismo de tales sustancias extrañas y anormales induce al sistema inmunitario a desarrollar una respuesta inmunitaria, una compleja serie de acontecimientos fisiológicos que culmina en la destrucción y eliminación de estas sustancias. A veces, sin embargo, las respuestas inmunitarias son inadecuadas y producen enfermedad. Las personas con alergias, por ejemplo, experimentan una respuesta
Linfocitos Los linfocitos son únicos, ya que proporcionan al sistema inmunitario su diversidad, especificidad, memoria y capacidad de distinguir entre lo propio y lo extraño. Los linfocitos se dividen en tres tipos principales: linfocitos B (células B), linfocitos T (células T) y células nulas, llamadas así porque carecen de los componentes característicos de la membrana celular de las
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Sistema inmunitario
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COMPRENDER EL E JERCICIO
Movilización leucocitaria El ejercicio promueve la salud corporal de muchas maneras, pero ¿qué hace por el sistema inmunitario? Casi cualquier ejercicio (aunque solo sea subir un tramo de escaleras) conduce a un aumento transitorio de los glóbulos blancos circulantes, sobre todo por la movilización de los neutrófilos. Aproximadamente la mitad de los neutrófilos en el aparato vascular no circulan libremente, sino que están unidos de forma laxa (electrostáticamente) a las paredes internas de las venas de gran diámetro, especialmente de las venas del circuito pulmonar. El estrés de cizallamiento de los líquidos que acompaña al aumento del gasto cardíaco por el ejercicio libera estas células; la adrenalina también provoca esta «liberación». Como resultado, el recuento de neutrófilos puede duplicarse tras un ejercicio moderado. Del mismo modo, las otras poblaciones de leucocitos pueden llegar a activarse por las hormonas del estrés producidas durante el ejercicio o por fragmentos de la matriz extracelular y células dañadas durante el ejercicio. Una vez activadas, estas células producen moléculas de adhesión que se unen al endote-
lio vascular y ayudan a los leucocitos a salir del torrente sanguíneo y al espacio intersticial. Algunas subpoblaciones de linfocitos pueden presentar una disminución transitoria del 50% (o más) en los números circulantes a través de este mecanismo; otras subpoblaciones de leucocitos pueden aumentar como consecuencia del aumento en el flujo linfático hacia el conducto torácico, debido al bombeo que ejerce el músculo esquelético. Estos cambios transitorios en el número de leucocitos circulantes y los informes anecdóticos de enfermedades crónicas en atletas de élite han sido malinterpretados como una disminución de la disposición general para resistir la infección. En realidad, existen pocas evidencias científicas que apoyen esta opinión. Los cambios en los recuentos de leucocitos circulantes son pequeños y transitorios. El campo de batalla principal durante una infección está, por lo general, en el espacio intersticial, especialmente cerca de las barreras externas (piel, vías respiratorias), no en el torrente sanguíneo. Solo una pequeña fracción de todos los leucocitos está en realidad
células B y T. La mayoría de las células nulas son linfocitos grandes y granulares conocidos como células citolíticas naturales (que se describen en breve). Cuando las células B entran en contacto con moléculas extrañas o anormales, conocidas como antígenos, se convierten en células plasmáticas, que secretan anticuerpos. Los anticuerpos, también conocidos como inmunoglobulinas, son proteínas presentes en el plasma y en el líquido intersticial que se dirigen hacia antígenos específicos para su destrucción. Si, por ejemplo, una célula B entra en contacto con la bacteria Staphylococcus aureus, se convertirá en una célula plasmática que secretará anticuerpos que se unen solo a S. aureus. Estos anticuerpos no dañan a las bacterias por sí mismos, sino que las marcan para su destrucción por diversos mecanismos que se describen más adelante en este capítulo. Las células T, por el contrario, producen daño directo a células extrañas o anormales. Las células T entran en contacto con las células infectadas, mutantes o trasplantadas, y seguidamente tardan varios días en convertirse en células T citotóxicas activas, que destruyen las células infectadas o anormales. Las células T destruyen mediante la secreción de moléculas que forman poros en la membrana de la célula diana; una vez que la membrana está perforada, la célula diana sucumbe a la lisis, un proceso en el cual se llena de líquido y estalla. Las funciones de los linfoci-
presente en el torrente sanguíneo en cualquier momento; un cambio del doble del número de células circulantes representa un cambio de ubicación de solo el 1% de estas células. La mayoría de estudios controlados que han medido realmente las tasas de infección no han logrado encontrar diferencias en la incidencia de infección entre los individuos que hacen ejercicio y los individuos sedentarios. Los números en reposo (basales) y el funcionamiento de los leucocitos, en general, no difieren en individuos altamente entrenados y no entrenados. El espectro de citocinas producidas por los leucocitos de personas activas, sin embargo, puede ser algo diferente al de las personas inactivas. Dado que algunas de estas citocinas están implicadas en los mecanismos patológicos que producen aterosclerosis y otras enfermedades inflamatorias, como pequeños aumentos inducidos por el ejercicio en la concentración de estas citocinas durante largos períodos de tiempo, pueden contribuir a la influencia bien conocida del ejercicio sobre la salud cardiovascular.
tos B y los linfocitos T en la respuesta inmunitaria se discutirán con mayor detalle más adelante en este capítulo. A pesar de que las células citolíticas naturales constituyen solo una pequeña proporción de los linfocitos circulantes, son muy importantes en la lucha contra las infecciones virales. Los virus, a diferencia de las bacterias, deben entrar en las células para reproducirse, y al matar a las células infectadas por los virus, las células citolíticas naturales limitan la producción de nuevos virus en el organismo. Las células citolíticas naturales matan por un mecanismo similar al utilizado por las células T citotóxicas, pero se diferencian de ellas en la forma en que reconocen a sus células diana y por su disponibilidad inmediata, lo que les permite responder mucho antes que las células B y las células T, como parte esencial de la respuesta inmunitaria innata. Las células citolíticas naturales también reconocen y destruyen a las células mutantes que pueden convertirse en células cancerosas.
Mastocitos y células dendríticas Al igual que con las células sanguíneas, los precursores de los mastocitos y las células dendríticas se forman en la médula ósea a partir de células madre hematopoyéticas. Estas células circulan durante un tiempo breve antes de entrar en el tejido, donde
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Sistema inmunitario
Tejidos linfoides centrales
Tejidos linfoides periféricos
Adenoides Amígdalas
maduran. Los mastocitos se encuentran en la piel y las mucosas de los epitelios, donde secretan histamina, junto con otras sustancias. Las células dendríticas, llamadas así por sus largas prolongaciones que se parecen a las dendritas de las neuronas, son similares a los macrófagos en su capacidad para fagocitar o endocitar patógenos y, como se verá más adelante, para activar ciertos tipos de células T. Se han identificado cuatro tipos de células dendríticas: células de Langerhans, células dendríticas intersticiales, células mieloides y células dendríticas linfoides.
Tejidos linfoides
Timo Ganglios linfáticos Bazo Corazón Intestino delgado Placas de Peyer Intestino grueso Apéndice
Médula ósea
Vasos linfáticos
Todos los leucocitos (y los eritrocitos también) se desarrollan a partir de células precursoras llamadas células madre hematopoyéticas (que generan sangre), ubicadas en la médula ósea. Mientras que los linfocitos B y otros tipos de leucocitos llegan a su madurez en la médula ósea, los linfocitos T deben migrar al timo (localizado en la cavidad torácica por encima del corazón) antes de madurar. Debido a que la médula ósea y el timo (y también el hígado fetal) son los sitios de maduración de linfocitos, se llaman tejidos linfoides centrales (fig. 23.1). Después de que las células B y las células T alcanzan su madurez, migran desde los tejidos linfoides centrales hacia diversos lugares del organismo, donde es más probable que se pongan en contacto con sustancias extrañas. Estas localizaciones, conocidas como tejidos linfoides periféricos, incluyen el bazo, ganglios linfáticos, amígdalas, adenoides, apéndice, nódulos linfáticos del tubo digestivo y regiones del revestimiento del aparato digestivo llamadas placas de Peyer, que son esencialmente agrupaciones de células B, células T y macrófagos. Cada uno de los tejidos linfoides periféricos contiene una densa red de células que atrapan microorganismos y partículas extrañas, y cada uno está localizado en lugares donde pueden atrapar a los invasores poco después de entrar en el organismo. Al mismo tiempo que el bazo está recogiendo eritrocitos viejos o anómalos de la sangre, también recoge microorganismos y partículas extrañas. Una vez atrapadas en el bazo, estas partículas son finalmente eliminadas por la acción de macrófagos y linfocitos. Del mismo modo, los microorganismos y partículas transportadas en los vasos linfáticos son atrapadas por los ganglios linfáticos, que se encuentran por todo el cuerpo donde convergen los vasos linfáticos. Mientras que las redes de macrófagos y linfocitos del bazo y de los ganglios linfáticos filtran la sangre y la linfa, respectivamente, los de las amígdalas y las adenoides atrapan las partículas y microorganismos inhalados, y los del apéndice, nódulos linfáticos y placas de Peyer recogen sustancias que entran en el cuerpo con la comida o el agua ingerida.
Test rápido 23.1
FIGURA 23.1 Tejidos linfoides. Los linfocitos alcanzan la madurez en los tejidos linfoides centrales e interactúan con los antígenos extraños en los tejidos linfoides periféricos. Estos tejidos linfoides están interconectados por vasos sanguíneos (no se muestran) y vasos linfáticos a través de los cuales circulan los linfocitos. Pocos días después de una infección por varicela, una persona sufre P de viremia, un alto nivel de virus en la sangre. ¿En qué tejido linfoide tienen estos virus mayor probabilidad de entrar en contacto con los linfocitos?
1. ¿Qué tipo de leucocitos son fagocitos? 2. Nombra los dos tejidos linfoides centrales. ¿Por qué se los conoce como tejidos linfoides centrales? 3. Enumera seis tejidos linfoides periféricos. ¿Qué papel general desempeñan estos tejidos en la inmunidad?
Organización de las defensas del cuerpo Las defensas del cuerpo se clasifican como inespecíficas o específicas, en función de su selectividad por el agente invasor y el
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punto en el que se produce la respuesta. Los mecanismos que constituyen las defensas inespecíficas defienden contra posibles sustancias nocivas sin tener en cuenta su identidad precisa. Estos mecanismos funcionan antes incluso de que las sustancias extrañas entren en el cuerpo, en forma de piel y membranas mucosas; son la primera línea de defensa del cuerpo contra las infecciones. Si esas barreras se rompen, las defensas inespecíficas internas comienzan inmediatamente a operar. Los mecanismos inespecíficos también limpian las heridas y el tejido dañado de desechos y contribuyen a su curación. Las respuestas inmunitarias específicas, en cambio, son altamente selectivas (es decir, se dirigen frente a sustancias específicas), y entran en juego después de que las respuestas inespecíficas hayan comenzado. Estas respuestas son específicas porque son mediadas por los linfocitos, que están diseñados exclusivamente para reconocer determinadas sustancias y ayudar en su destrucción. A diferencia de las respuestas no específicas, que siempre operan con la misma velocidad y eficacia, las respuestas específicas se refuerzan con cada exposición a un determinado agente nocivo.
Defensas inespecíficas Sin necesidad de reconocer a un patógeno, las defensas inespecíficas protegen rápidamente al organismo contra agentes infecciosos. Las defensas inespecíficas del organismo incluyen: 1) barreras físicas; 2) inflamación, una compleja serie de acontecimientos que causan la acumulación de proteínas, líquido y células fagocíticas en un área de tejido que ha sido lesionado o invadida por microorganismos; 3) interferones, un familia de proteínas relacionadas que pueden inducir resistencia a virus en otras células, y 4) el sistema del complemento, un grupo de proteínas plasmáticas que actúan en la lisis de células extrañas, especialmente bacterias. A continuación se considerará cada uno de estos mecanismos de defensa inespecíficos.
Barreras físicas La piel y las membranas mucosas que separan el ambiente interno del externo impiden la entrada de la mayoría de microorganismos en el cuerpo. La piel se compone de una epidermis externa y una dermis interna. La epidermis se compone de un conjunto de células epiteliales fuertemente unidas y carece de vasos sanguíneos. La capa más periférica de la epidermis está compuesta de células muertas y queratina, una proteína que evita que entre agua en el cuerpo a través de la piel. Esta capa externa se descama continuamente, requiriéndose una sustitución de la epidermis cada 15-30 días. Ubicadas dentro de la dermis están las glándulas sebáceas, que secretan una sustancia oleosa ácida, el sebo, que inhibe el crecimiento bacteriano. Algunas bacterias, sin embargo, proliferan en el sebo y son, en parte, responsables del acné. Las membranas mucosas también producen un moco viscoso, que baña las superficies de los epitelios expuestos y puede atrapar sustancias extrañas y patógenos potenciales. Los microorganismos que entran en el tubo respiratorio superior, por ejemplo, a menudo quedan atrapados en el moco y luego, al toser, van a la boca y son deglutidos, una acción que se ve reforzada por las células epiteliales ciliadas que recubren la tráquea. Tan pronto como un patógeno potencial o cuerpo extraño penetra en el cuerpo, las defensas inespecíficas internas se inician rápidamente.
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Inflamación Una invasión microbiana o un daño a los tejidos provocan una compleja serie de acontecimientos que conducen rápidamente a la inflamación del tejido afectado. En la inflamación se producen cinco hechos principales, por lo general en el siguiente orden: 1) los macrófagos de las inmediaciones engullen desechos y sustancias extrañas; 2) los capilares cercanos se dilatan y se vuelven más permeables a proteínas y líquidos; 3) se contienen las sustancias extrañas; 4) otros leucocitos migran a esta región, y 5) los leucocitos reclutados siguen ayudando a eliminar la infección, principalmente por fagocitosis. Ten en cuenta que estos acontecimientos son inespecíficos; la inflamación se desarrolla de la misma forma independientemente de las bacterias, virus o lesiones que la hayan activado. La coordinación de estos acontecimientos no está completamente clara, pero implica la interacción de varios mediadores químicos que provienen del patógeno invasor, que son liberados por las células dañadas, por los leucocitos y por el movimiento de la sangre a los tejidos infectados. A continuación se examinan los principales acontecimientos de la inflamación, considerando la respuesta del organismo a una lesión de corte y erosión de la piel. Fagocitosis de patógenos y desechos por los macrófagos cercanos Los macrófagos ya presentes en los tejidos afectados detectan rápidamente las bacterias que se han introducido en el corte utilizando proteínas receptoras de superficie, que pueden unirse a moléculas en la superficie de muchos tipos diferentes de células bacterianas. Como resultado de esta unión se inicia la fagocitosis (fig. 23.2a) y los macrófagos comienzan a engullir a las bacterias. La asociación a las bacterias de esta manera también estimula a los macrófagos a secretar citocinas, proteínas que son secretadas por las células en respuesta a un estímulo (en este caso, entrar en contacto con las bacterias) y afectan al comportamiento de otras células cercanas. Como veremos, las citocinas secretadas por los macrófagos activados contribuyen a los pasos subsiguientes de la inflamación (y a la respuesta inmunitaria también). La actividad fagocítica de estos macrófagos es importante para limitar la propagación de las bacterias en la infección temprana, pero estas células generalmente son muy escasas en número para poder eliminar todas las células extrañas y desechos presentes en el lugar de la lesión. Dilatación y aumento de la permeabilidad de los capilares En cuestión de minutos tras una invasión bacteriana, los vasos sanguíneos cercanos se dilatan (fig. 23.2b), aumentando el flujo sanguíneo local. Las paredes de los capilares también se vuelven más permeables, permitiendo que las proteínas y líquidos normalmente contenidos en el plasma ocupen el espacio dentro del tejido. El aumento del flujo sanguíneo lleva más leucocitos y proteínas defensivas a la circulación local, y el aumento en la permeabilidad de los capilares permite que estas proteínas pasen a los tejidos donde más se necesitan. Además, los leucocitos que se reúnen en estos vasos dilatados migran desde la sangre hacia el tejido mediante un proceso que examinaremos en breve. Tanto la vasodilatación como el aumento de la permeabilidad capilar son inducidas por la liberación de histamina por diversas células en respuesta a una lesión. Los cambios vasculares mediados por la histamina son los últimos responsables de los cuatro síntomas característicos de la inflamación (del latín inflammo, «encender»), descrita en el siglo I después de Cristo: enrojecimiento (rubor), hinchazón (tumor), calor (calor) y dolor (dolor). El aumento del flujo sanguíneo produce tanto el enrojecimiento del tejido (que es más o menos evidente en función del
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FIGURA 23.2 Hechos importantes en la inflamación local. Los
Citocinas
Sustancias extrañas
Macrófago
acontecimientos se describen con detalle en el texto.
Tejido dañado
Los fármacos conocidos como antihistamínicos bloquean la acción de P la histamina. Explica cómo los antihistamínicos disminuyen los síntomas de la inflamación.
Capilares Microbios (a) Fagocitosis por los macrófagos cercanos
Proteínas defensivas
Histamina Líquido (b) Dilatación y aumento de la permeabilidad capilar
Proteínas de la coagulación
Heparina
(c) Contención de bacterias y sustancias extrañas
Marginación
Diapédesis leucocitaria
(d) Proliferación y migración leucocitaria
(e) Actividad continuada de reclutamiento de leucocitos
tono de piel) como su calentamiento. El aumento del flujo sanguíneo inducido por la histamina y la permeabilidad capilar contribuyen al edema que sigue. Conforme los capilares se dilatan con sangre, el aumento resultante en la presión hidrostática, más el aumento en la presión osmótica intersticial que acompaña a la salida de proteínas plasmáticas, hace que el líquido se filtre de los capilares al tejido, dando lugar a edema. El edema ejerce presión contra el tejido circundante y la piel, lo que contribuye al dolor, al producirse sustancias químicas que inducen dolor, como la bradicinina, que estimula las neuronas sensoriales cercanas. Así pues, aunque estos cambios vasculares conllevan algo de molestia, también ayudarán a que las defensas inespecíficas alcancen el sitio de la lesión. Contención de las sustancias extrañas Al principio del proceso, los mastocitos y basófilos liberan el anticoagulante heparina, que temporalmente impide la coagulación de la sangre y permite que los leucocitos accedan sin obstáculos a la zona de la lesión tisular. Con el tiempo, sin embargo, factores de coagulación que se habían filtrado del plasma al tejido se activan y forman coágulos en torno a grupos de bacterias, inhibiendo así su propagación en el interior del organismo (fig. 23.2c). Con la ayuda de otras proteínas plasmáticas y proteínas liberadas de los tejidos dañados, el proceso de formación de coágulos continúa y se separa de forma efectiva la región dañada e infectada. Finalmente, la parte del coágulo que se encuentra en la superficie de la piel se seca y se endurece, formando una costra. Con el tiempo, la costra es reemplazada por células nuevas conforme la curación de la herida tiene lugar. Migración y proliferación leucocitaria Como se mencionó anteriormente, los macrófagos ya presentes en el tejido dañado son los primeros en fagocitar bacterias y residuos, pero pronto son acompañados por otras células fagocíticas. Alrededor de 1 h después de la lesión, los neutrófilos se acumulan en grandes cantidades dentro de los tejidos afectados; cerca de 10 h más tarde, los monocitos se desplazan a los tejidos, donde se convierten en macrófagos grandes y activos. Las señales que ordenan a los leucocitos migrar a través de la pared de un vaso sanguíneo en el lugar correcto del cuerpo se obtienen por un proceso de tránsito regulado que implica cuatro acontecimientos principales: marginación, adhesión, diapédesis y quimiotaxia (fig. 23.2d). La marginación es la interacción débil de los leucocitos con las células endoteliales que revisten los vasos sanguíneos cerca de la zona de la lesión. La liberación de citocinas en el sitio de la lesión proporciona la señal para que las células endoteliales expresen moléculas de adhesión llamadas selectinas, que se unen a los leucocitos en la sangre de forma débil. Esto les da a los leucocitos la oportunidad de recibir señales de activación de otras citocinas, que, a su vez, dan la señal para expresar otras moléculas de adhesión llamadas integrinas, que unen las células firmemente a la pared del vaso sanguíneo. La adhesión es seguida por el tránsito de la célula a través de la pared, conocido como diapédesis («saltar a través de»). En este paso, el leucocito esen-
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1 2 Fagosoma Núcleo
Fusión de fagosomalisosoma
Lisosomas Enzimas
Lisosoma secundario
3
Restos bacterianos
Enzimas
Vesícula de exocitosis
4 (a)
(b)
FIGURA 23.3 Fagocitosis. (a) Pasos de la fagocitosis: ➀ adhesión; ➁ internalización; ➂ degradación, y ➃ exocitosis. (b) Microfotografía electrónica de un macrófago fagocitando bacterias.
cialmente «se arrastra» entre las células endoteliales de la pared del vaso sanguíneo y por debajo de la membrana basal. Una vez en los tejidos, los leucocitos se mueven de manera constante y directa hacia el punto de la lesión, atraídos por sustancias químicas producidas por las bacterias y los tejidos lesionados, en un proceso llamado quimiotaxia. Los leucocitos fagocíticos son, por tanto, llevados al lugar donde más se necesitan: el sitio original de la lesión y de la invasión bacteriana. Una vez en el lugar, los fagocitos se ponen en contacto y engullen a las bacterias y los desechos.
Comprueba tus conocimientos La deficiencia de adhesión leucocitaria (DAL) es una enfermedad hereditaria caracterizada por la falta de integrinas funcionales en los leucocitos. ¿Qué efecto tiene la DAL sobre la inflamación y qué síntomas se esperarían en una persona con DAL? Ten en cuenta que el movimiento en masas de los neutrófilos y los monocitos de la sangre a los tejidos durante la inflamación no disminuye el número de leucocitos circulantes. De hecho, un signo común de la infección bacteriana es la leucocitosis, un incremento de cuatro a cinco veces en el número de neutrófilos circulantes. La razón de este aumento es que las citocinas secretadas por los macrófagos alcanzan finalmente la médula ósea, donde estimulan la proliferación y liberación de neutrófilos y, más tarde, de monocitos a la circulación. Eliminación continuada de la infección por leucocitos Los procesos inflamatorios descritos hasta el momento han llevado
proteínas defensivas (como factores de la coagulación) y leucocitos fagocíticos (neutrófilos y macrófagos) a la zona de la lesión. Hemos visto que los fagocitos realizan dos funciones importantes: engullir bacterias y desechos, y secretar citocinas que regulan la inflamación y otros mecanismos de defensa. Echemos un vistazo más de cerca a estas dos importantes tareas. La fagocitosis se realiza en cuatro pasos: adhesión, internalización, degradación y exocitosis (fig. 23.3). El primer paso, la adhesión, permite a los fagocitos distinguir entre sustancias que deben ser captadas y las que no deberían serlo. La selectividad de un fagocito por su materia diana está determinada principalmente por el grado de adhesión entre ellos. Los fagocitos tienden a unirse a células dañadas y muertas, con superficies irregulares, ásperas, pero no a células sanas. Los fagocitos también se unen a muchos tipos de bacterias. A veces, la adhesión se ve reforzada por las opsoninas, proteínas (incluidos anticuerpos) que se unen fuertemente a las sustancias extrañas y facilitan la fagocitosis. La fagocitosis es mucho mayor gracias a la unión de opsoninas, un proceso conocido como opsonización («hacer apetitoso»); un macrófago pueden englobar y destruir una sustancia alrededor de 4.000 veces más rápido cuando está recubierta con anticuerpos. Tan pronto como el fagocito ha captado su presa, se produce la internalización. En menos de 0,01 s, la membrana plasmática del fagocito se extiende hacia fuera alrededor del sitio de adhesión y rodea la sustancia, encerrándolo dentro de una amplia vesícula intracelular llamada fagosoma. El fagosoma migra hacia el interior de la célula y se fusiona con un lisosoma, que contiene una gran variedad de enzimas digestivas. A continuación, se produce la degradación del material fagocitado dentro del orgánulo que ha aumentado de tamaño y ahora es enzimáticamente
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Sistema inmunitario
activo, que pasa a denominarse lisosoma secundario. Posteriormente, el fagocito utiliza algunos de los restos bacterianos inocuos (p. ej., aminoácidos) y elimina otros por exocitosis. La fijación de un fagocito a células extrañas y desechos no solo inicia la fagocitosis, sino que, además, permite a los fagocitos cumplir su otra tarea principal: la secreción de citocinas que ayudan a prolongar y coordinar las respuestas del cuerpo a la infección y al daño. Estas citocinas son variadas y ejercen una amplia gama de efectos en el organismo. Algunas de ellas se denominan interleucinas, porque actúan como mensajeros químicos que transmiten señales entre (inter-) los leucocitos (-leucinas). Nos centramos sobre todo en tres citocinas secretadas por los macrófagos activados: interleucina-1 (IL-1), interleucina-6 (IL-6) y el factor de necrosis tumoral-alfa (TNF-A). Estas citocinas actúan individual y colectivamente para inducir una serie de cambios, incluyendo la síntesis de más moléculas adherentes en las células endoteliales de los vasos sanguíneos y la liberación de más neutrófilos de la médula ósea. Además de estas acciones, la IL-1, la IL-6 y el TNF-A actúan en el hipotálamo para elevar la temperatura corporal, es decir, funcionan como pirógenos endógenos. Esto lo consiguen estimulando al hipotálamo para liberar prostaglandinas, que, a su vez, ajustan el «termostato» corporal, elevando la temperatura por encima de lo normal. Aunque una fiebre alta puede ser peligrosa, una fiebre moderada normalmente beneficia la defensa del huésped; las temperaturas elevadas se cree que reducen la tasa de replicación bacteriana y viral, y aceleran la fagocitosis y otras reacciones de defensa. Las citocinas IL-1, IL-6 y TNF-A también estimulan las células del hígado para producir proteínas de fase aguda, un grupo de proteínas que tienen una amplia gama de efectos antibacterianos e inflamatorios y cuyas concentraciones plasmáticas aumentan rápidamente después del inicio de una infección. Una de ellas es la proteína C-reactiva, que se une a la superficie de muchos tipos de bacterias. Una molécula de proteína C-reactiva actúa como una opsonina, marcando la bacteria para su fagocitosis, y activa el sistema del complemento, que se describirá en breve. Por último, la IL-1 ayuda a inducir la proliferación y diferenciación de los linfocitos B y los linfocitos T. La diferenciación de las células B conduce a la producción de anticuerpos que marcan las sustancias extrañas seleccionadas para su destrucción, y la diferenciación de las células T conduce a la inmunidad mediada por células, en la que ciertos tipos de células T destruyen células del cuerpo específicas anormales o infectadas.
Interferones Otros mecanismos de defensa no específicos evitan la propagación del virus dentro del cuerpo al interferir con la replicación del virus. Esta defensa es proporcionada por un grupo de proteínas relacionadas, denominadas adecuadamente interferones. La secreción de dos interferones, llamados interferón-A e interferón-B, por células infectadas de virus avisa a las células cercanas de la presencia del virus e induce resistencia en las células. El ácido nucleico viral que se acumula en las células infectadas por los virus durante la replicación viral estimula la síntesis y secreción de interferones por las células. A pesar de que la célula infectada probablemente muera, los interferones que ha secretado se unen a las células sanas, iniciando en ellas una serie de cambios intracelulares que hacen que las células se vuelvan más resistentes al virus. Este estado de resistencia al virus lo confiere la presencia de enzimas de degradación del ARN y de inhibidores de la síntesis de proteínas en el citoplasma. Debido a que los inhibidores de
estas enzimas son potencialmente peligrosos para la propia célula, entran en juego solo después de la infección viral y duran muy poco tiempo. Las células en las que se ha inducido interferón están listas, por tanto, para bloquear la producción de nuevos virus, pero solo pueden hacerlo por un tiempo limitado. Tanto la producción de interferón como el estado de resistencia a los virus son inespecíficos; prácticamente cualquier ácido nucleico viral puede inducir la producción de interferón, y la resistencia inducida por interferón puede vencer a casi cualquier tipo de infección viral. Un tercer tipo de interferón, el interferón-G, es secretado no por las células infectadas por virus, sino por las células T activas y las células citolíticas naturales, y tiene una gama más amplia de efectos. Además de inhibir la replicación viral, el interferón-G aumenta la fagocitosis en los macrófagos, aumenta la producción de anticuerpos en las células B, y ayuda a activar células citolíticas naturales y linfocitos T citotóxicos, que matan tanto células infectadas con virus como células cancerosas. Del mismo modo, por la inhibición de la división de la célula, el interferón-G tiene un efecto directo sobre las células cancerosas, suprimiendo el crecimiento de tumores.
Células citolíticas naturales Las células citolíticas naturales actúan en la defensa inespecífica temprana, reconociendo las características generales de las células infectadas o anormales y produciendo perforinas, proteínas que forman poros en la membrana celular de las células infectadas o anormales. Los poros causan un aumento de la permeabilidad de la membrana a los iones y el agua. La entrada de líquido a la célula hace que esta se hinche y, finalmente, se produzca la lisis. En el caso de las células infectadas por virus, las células citolíticas naturales pueden actuar sobre ellas sin detectar el virus en sí, y las células citolíticas naturales están listas para actuar de forma inmediata. Las células citolíticas naturales proporcionan así una defensa esencial y general en las primeras etapas de la infección viral, y también del crecimiento del tumor. Estas células también se ponen en juego durante las respuestas inmunitarias, ya que su actividad puede ser aumentada por la citocina interleucina-2 (IL-2) y por los anticuerpos, producidos por las células T y las células plasmáticas, respectivamente, durante las respuestas específicas.
Sistema del complemento El cuarto y último mecanismo de defensa no específico es el sistema del complemento, llamado así porque completa o lleva a cabo («complementa») las acciones de los anticuerpos específicos. Sin embargo, el sistema también puede actuar en ausencia de anticuerpos. Consiste en unas 30 proteínas plasmáticas que actúan para destruir microorganismos invasores, especialmente bacterias. La primera de una serie de reacciones de las proteínas del complemento se produce en asociación con una bacteria y conduce a una cascada de activación en la que cada componente activa el siguiente en la serie (fig. 23.4). La cascada se produce en la superficie bacteriana y termina con la formación de un complejo de ataque a la membrana (CAM), conjunto de proteínas que forman poros que perforan la membrana bacteriana. La inserción de estos canales en la membrana hace que la célula pierda su integridad, por lo que se llena de líquido, se hincha y se rompe (v. fig. 23.4). Esta lisis mediada por el complemento es la forma principal por la que las bacterias recubiertas de anticuerpos se destruyen. La cascada del complemento se puede activar de dos maneras: 1) al unirse directamente a los hidratos de carbono presen-
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Primera proteína del complemento (inactiva)
Cascada de activación de proteínas en la membrana Célula bacteriana
El líquido entra dentro de la célula
Poro Se forma el CAM
Formación de poros
FIGURA 23.4 Acciones del sistema del complemento. El sistema del complemento puede ser activado cuando la primera de una serie de proteínas del complemento se une a la superficie de una célula bacteriana. Este modo de activación del complemento es inespecífico, ya que se produce en cualquiera de una amplia gama de bacterias. Después de
tes en la superficie de una amplia gama de células bacterianas (conocida como la vía alternativa), o 2) mediante la unión a los anticuerpos que ya están unidos a las bacterias (denominada vía clásica). La vía alternativa es importante en las respuestas no específicas inmediatas a la infección, porque se produce en ausencia de anticuerpos (es decir, antes de que se secreten en respuesta a la infección). La vía clásica, por el contrario, llega a ser importante solo en las etapas tardías de una infección, debido a que requiere anticuerpos. Ten en cuenta que, mientras que la vía alternativa es inespecífica, la vía clásica es específica, porque necesita anticuerpos. Es otro ejemplo en el que los mecanismos inespecíficos y específicos convergen; aquí, es esencial para complementar de forma efectiva la acción de los anticuerpos, ya que los anticuerpos pueden marcar un microorganismo para su destrucción, pero no pueden matarlo directamente. A pesar de que la cascada del complemento se ve a menudo en términos de su resultado final (lisis de las bacterias), varias proteínas activadas del complemento también contribuyen al desarrollo de la inflamación. Debido a que las proteínas del complemento se activan en las proximidades de la bacteria y se acumulan allí, se encuentran debidamente localizadas para ayudar en la defensa antibacteriana. De hecho, algunas proteínas del complemento actúan en la quimiotaxia, guiando a los fagocitos al área de infección, mientras que otros se unen a mastocitos cercanos y les inducen a liberar histamina, que causa vasodilatación y aumento de la permeabilidad capilar. Por último, una proteína específica del sistema del complemento, conocida como C3b, se genera en gran cantidad en la cascada y recubre las superficies bacterianas, donde actúa como una opsonina, aumentando la fagocitosis de estas bacterias.
Test rápido 23.2 1. ¿Cuáles son los síntomas característicos de una inflamación? ¿Qué acontecimientos fisiológicos contribuyen a cada uno? 2. Enumera los cuatro pasos de la fagocitosis. ¿Cuál de estos pasos es mejorado por las opsoninas? 3. Nombra un mecanismo de defensa no específico contra infecciones por virus y uno dirigido contra infecciones bacterianas.
Hinchazón
Lisis
una serie de pasos de activación, algunas de las proteínas del complemento forman un complejo de ataque a la membrana (CAM), que se inserta en la membrana celular como un canal proteico o poro. El líquido entra en las células, haciendo que se hinchen y se rompan (sufran lisis).
Defensas específicas: respuesta inmunitaria En la sección anterior vimos que la piel y las membranas mucosas constituyen la primera línea de defensa del cuerpo; que la inflamación, los interferones, las células citolíticas naturales y el sistema del complemento forman una segunda línea de defensa no específica, y que estos mecanismos responden rápidamente a lesiones o a la exposición a una sustancia extraña o agentes infecciosos, incluso si dicha exposición es la inicial. Pero las defensas inespecíficas no siempre son un éxito completo en la eliminación de sustancias ajenas. Afortunadamente, el cuerpo tiene un mecanismo de reserva exquisito y potente para la respuesta inmunitaria. Supongamos que las defensas inespecíficas del organismo no fueran completamente eficaces para responder al corte y la abrasión que se mencionaban anteriormente. Mientras estas defensas siguen funcionando, las bacterias, fragmentos de bacterias y otras moléculas extrañas acceden al torrente sanguíneo y quedan atrapadas en la arquitectura reticular del bazo. Del mismo modo, las bacterias presentes en el líquido intersticial van a los vasos linfáticos y, finalmente, a la red de los ganglios linfáticos, que aumentan de tamaño y se vuelven dolorosos. En el bazo, ganglios linfáticos y otros tejidos linfoides, las bacterias entran en contacto con los linfocitos B y los linfocitos T, provocando que estas células generen una respuesta inmunitaria eficiente y selectiva que actúa por todo el cuerpo para eliminar a los invasores. Los linfocitos B y los linfocitos T generan cada uno de ellos un tipo particular de respuesta inmunitaria. Los linfocitos B se convierten en células plasmáticas que secretan anticuerpos, cuyas acciones provocan la inmunidad humoral, llamada así porque los anticuerpos circulan en la sangre y la linfa, líquidos corporales denominados «humores» en la antigüedad. Por el contrario, los linfocitos T se convierten en células T citotóxicas activas, que se unen y eliminan células anormales del cuerpo. Este tipo de respuesta inmunitaria constituye la inmunidad mediada por células, llamada así porque las células T citotóxicas deben entrar en contacto directo con sus dianas para actuar sobre ellas. Los anticuerpos circulantes de la respuesta humoral defienden principalmente contra bacterias, toxinas y virus presentes en los líquidos corporales. Por el contrario, las células T de la
Sistema inmunitario Sitio de unión a antígeno V
Sitio de unión a antígeno V V
Enlace disulfuro -S -S
-S
-S-S-S-S-
Cadena ligera
C
-
Especificidad Las células B y las células T se unen y responden a moléculas extrañas o anormales conocidas como antígenos. Los antígenos (un término que proviene de generadores de anticuerpos) son generalmente proteínas complejas o componentes de polisacáridos de virus, bacterias, hongos, protozoos, gusanos parásitos, polen, tejido trasplantado y células tumorales. Cada antígeno tiene una estructura única y contiene diferentes sitios de reconocimiento llamados epítopos o determinantes antigénicos, cada uno de los cuales puede ser detectado por linfocitos específicos, que, a continuación, marcan al invasor para su destrucción. Las células B y células T son capaces de reconocer antígenos específicos debido a que poseen proteínas de unión a antígeno, llamadas receptores de antígeno en su superficie. Todos los receptores de una célula B o una célula T en particular se unen solamente a determinados antígenos y, por tanto, se parecen a otros receptores que se unen a ligandos específicos, como los receptores de neurotransmisores y los receptores hormonales. Los receptores de antígenos en las células B y las células T son similares a los receptores de anticuerpos. Un anticuerpo típico es una molécula en forma de Y que consta de cuatro cadenas proteicas: dos cadenas pesadas idénticas y dos cadenas ligeras idénticas que se unen por enlaces disulfuro (fig. 23.5a). Cada molécula de anticuerpo posee regiones variables (V) y regiones constantes (C). Las regiones constantes están formadas por segmentos de cadenas pesadas y ligeras que forman la cola de la Y. Existen cinco tipos de cadenas pesadas, que son la base de las cinco clases de anticuerpos, cada uno con su propio mecanismo de eliminación de antígeno. Los tipos de anticuerpos y sus mecanismos de acción se describen más adelante en el texto. Las regiones variables de un anticuerpo, llamadas así porque las secuencias de aminoácidos en estas regiones varían mucho
C
Hace unos 2.400 años, Tucídides de Atenas describió cómo los enfermos y moribundos de la peste fueron atendidos por otras personas que se habían recuperado, «porque nadie era atacado una segunda vez». Todos hemos hecho observaciones similares: aquellos de nosotros que hemos experimentado muchas enfermedades infantiles no nos preocupamos por padecerlas otra vez, porque la exposición a cada una de esas enfermedades confiere inmunidad a esa enfermedad durante toda la vida. En esta sección se explora la naturaleza de las respuestas inmunitarias específicas, abordando las siguientes preguntas: ¿por qué una infección por sarampión genera una respuesta hacia esa enfermedad, pero no hacia otras enfermedades (fenómeno conocido como especificidad)? ¿Cómo es que el sistema inmunitario ya está preparado para defenderse de una primera exposición a la varicela (se refiere a una propiedad conocida como diversidad)? ¿Cómo adquirimos la inmunidad permanente a la varicela después de la primera exposición (lo que depende de la memoria del sistema inmunitario)? Por último, ¿por qué el sistema inmunitario responde contra microbios extraños, pero no contra los tejidos propios del cuerpo (un fenómeno conocido como tolerancia)? Como veremos, estas características especiales de la respuesta inmunitaria, especificidad, diversidad, memoria y tolerancia, derivan de la naturaleza de los linfocitos B y los linfocitos T.
-S
-
C
Características de la respuesta inmunitaria
V
respuesta mediada por células se activan frente a bacterias y virus que están ocultos dentro de las células infectadas del organismo. Además, la respuesta mediada por células actúa en la reacción del cuerpo al tejido trasplantado y a las células cancerosas, que son percibidas como extrañas.
C
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C
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Cadena ligera
C
Cadenas pesadas (a)
Antígeno Epítopos
Anticuerpo (b)
FIGURA 23.5 Base de la especificidad antígeno-anticuerpo. (a) Cada molécula de anticuerpo se compone de dos cadenas pesadas idénticas y dos cadenas ligeras idénticas unidas por enlaces disulfuro. Las estructuras combinadas de las regiones variables (V) forman los sitios de unión al antígeno de la molécula, que varían de un anticuerpo a otro. (b) Representación esquemática de cómo la estructura física complementaria del epítopo de un antígeno y el sitio de unión al antígeno del anticuerpo constituyen la especificidad antígeno-anticuerpo.
de unos anticuerpos a otros, están formadas por segmentos de cadenas pesadas y ligeras que conforman la parte superior de la Y. Las dos regiones variables son idénticas y forman dos sitios de unión al antígeno iguales. Así, cada anticuerpo es capaz de unir dos epítopos del mismo tipo.
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Lugar de unión a antígeno Anticuerpo de membrana Célula B
Lugar de unión a antígeno Receptor de célula T
Célula T
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tores de antígeno con una especificidad determinada. Con esta diversidad de linfocitos, el sistema inmunitario tiene la capacidad de reconocer y responder a millones de antígenos diferentes, incluso a antígenos inéditos en el universo. La especificidad de los receptores de las células B y las células T explica la especificidad de la respuesta de las células B y las células T. Cuando un microorganismo en particular invade el organismo, interactúa y activa solo a los linfocitos que poseen receptores específicos para los antígenos que posee. Cuando el virus que causa la varicela invade el cuerpo, por ejemplo, solo los linfocitos específicos para antígenos de la varicela se activan para proliferar (por sucesivas divisiones celulares) y se diferencian. En otras palabras, el antígeno extraño desencadena una respuesta inmunitaria contra sí mismo. Esta activación de los linfocitos dirigida por el antígeno se llama selección clonal, y es absolutamente necesaria para la respuesta inmunitaria (fig. 23.7). La diferenciación de los linfocitos da lugar a dos poblaciones (clones) de células: las células efectoras (como las células plasmáticas), que son las células de vida corta que luchan contra el mismo antígeno que estimuló su producción, y las
FIGURA 23.6 Receptores de antígeno de células B y T. Los receptores de antígeno de células B son llamados anticuerpos de membrana (o inmunoglobulinas de membrana); los receptores de antígeno de las células T se llaman receptores de células T. Cada linfocito tiene cerca de 100.000 receptores idénticos específicos para un antígeno en particular.
La interacción entre el sitio de unión al antígeno y el antígeno es similar a la existente entre una enzima y su sustrato (v. «Caja de herramientas: Interacciones ligando-proteína», pág. 66), que también muestra especificidad: la forma única del sitio de unión permite un mejor ajuste entre el anticuerpo y su antígeno (fig. 23.5b), de tal manera que pueden formarse múltiples enlaces no covalentes entre los grupos químicos de las respectivas moléculas. Los receptores de antígenos en las células B son similares a los anticuerpos, excepto en que los receptores están unidos a la membrana plasmática (fig. 23.6), mientras que los anticuerpos se secretan al líquido extracelular. Por esta razón, los receptores de antígeno de las células B a menudo se llaman anticuerpos o inmunoglobulinas de membrana. Los anticuerpos de membrana de las células B tienen la misma especificidad que los anticuerpos que más tarde son secretados por las células plasmáticas. Los receptores de antígeno en las células T, llamados receptores de células T (RCT), provienen de la misma familia de proteínas que incluye a los anticuerpos, pero su estructura es diferente a la de los anticuerpos (v. fig. 23.6). Por otra parte, a diferencia de los anticuerpos, los receptores de las células T actúan solamente como receptores de superficie para el antígeno. Nunca se secretan. Diversidad Un único linfocito T o B tiene alrededor de 100.000 receptores de antígeno, todos con la misma especificidad. Por tanto, cada una de las células B y T puede detectar solo unos pocos de los millones de posibles antígenos que pueden entrar al organismo. Los receptores de antígeno determinados que produce un linfocito en particular se establecen por acontecimientos genéticos al azar que ocurren en fases tempranas del desarrollo de los linfocitos. Estos primeros acontecimientos, que son únicos para cada linfocito y se producen antes de cualquier contacto con un antígeno extraño, generan una increíble selección de linfocitos B y linfocitos T en el cuerpo, que llevan recep-
Antígeno
Proliferación celular Diferenciación celular Células plasmáticas (células efectoras)
Células B de memoria
Secreción de anticuerpos
Anticuerpos de unión a antígeno
FIGURA 23.7 Selección clonal de los linfocitos B. Cada linfocito produce un conjunto de receptores de antígeno idénticos, generado al azar. Cuando un antígeno extraño y los receptores de los linfocitos son suficientemente complementarios en su estructura, la unión induce a los linfocitos a proliferar y diferenciarse en una población (clon) de linfocitos efectores de corta duración (en este caso, células plasmáticas) y un clon de linfocitos de memoria de vida larga. Ten en cuenta que la selección clonal también ocurre en los linfocitos T.
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CONEXIONES CLÍNICAS
Herpes zóster La varicela fue una enfermedad frecuente en la infancia hasta que se aprobó una vacuna contra el virus herpes zóster de la varicela. La varicela es altamente contagiosa, pero desde que se administra la vacuna el número de contagios se ha reducido notablemente. El principal síntoma de la varicela es una erupción de color rojo con manchas, que pueden formar ampollas. El dolor de garganta, la fiebre y la pérdida de apetito son también muy comunes. Aunque normalmente el sistema inmunitario acaba con la varicela en unos 10-14 días, algunos virus pueden sobrevivir trasladándose a los axones sensoriales de los ganglios de las raíces dorsales, donde pueden permanecer latentes durante años. A medida que el cuer-
po envejece y el sistema inmunológico se debilita, o en condiciones de estrés o lesiones, una de cada diez personas que tuvieron varicela de niños desarrollarán la culebrilla (o herpes zóster) si el virus se reactiva en un ganglio de la raíz dorsal y viaja a través del axón a la piel. El herpes comienza con una sensación de hormigueo o dolor localizado en un lado del cuerpo o de la cara, básicamente limitado a un solo dermatómero (área inervada por un nervio). En los casos graves, como en personas inmunodeficientes, puede estar afectado más de un dermatómero. Seguidamente, se desarrollan ampollas dolorosas y una erupción en la misma zona. Dentro de las ampollas de la erupción está el virus, que puede infectar a otras personas no expuestas previamente a la
células de memoria, que son células de vida larga con receptores específicos de membrana para el mismo antígeno. Cada antígeno, mediante la unión a receptores específicos, activa selectivamente una pequeña fracción de células de la amplia selección de linfocitos del cuerpo. Este número relativamente pequeño de células seleccionadas da lugar, a continuación, a miles de clones de células, todas específicas y dedicadas a la eliminación de ese microorganismo. (Para aprender sobre cómo el virus de la varicela evita su destrucción por el sistema inmunitario, véase «Conexiones clínicas: Herpes zóster»). Memoria Los cambios en los linfocitos inducidos por antígeno que tienen lugar cuando una persona se expone por primera vez a un antígeno constituyen la respuesta inmunitaria primaria. En la respuesta primaria, las células B y células T seleccionadas por el antígeno proliferan y se diferencian en células efectoras (células plasmáticas productoras de anticuerpos y células T citotóxicas, respectivamente) unos 10-17 días después de la exposición al antígeno. A menudo, una persona enferma durante este tiempo, porque a la mayoría de virus o bacterias les lleva solo unos pocos días causar síntomas. Finalmente, sin embargo, los síntomas de la enfermedad disminuyen y desaparecen conforme los anticuerpos y los linfocitos T citotóxicos ayudan a despejar del cuerpo al agente culpable. Una vez que alguien ha sufrido una infección, probablemente se ha vuelto inmune a una infección posterior por el mismo microorganismo. El fundamento de la denominada inmunidad adquirida es que, después de una posterior exposición a ese mismo antígeno, la respuesta (llamada respuesta inmunitaria secundaria) es mucho más rápida (solo 2-7 días), de mayor magnitud y más prolongada que una respuesta primaria (fig. 23.8).
varicela. Aunque generalmente desaparece en alrededor de 2-3 semanas, se puede convertir en una neuralgia postherpética, una enfermedad debilitante y muy dolorosa que dura años. A diferencia de la varicela, la culebrilla se puede repetir en un individuo que la ha padecido con anterioridad. No hay cura para el herpes zóster. El tratamiento consiste en antivirales que disminuyen la replicación viral y analgésicos suaves, los mismos tratamientos utilizados para la varicela. Si la enfermedad progresa a neuralgia postherpética, se requieren analgésicos y tratamientos más potentes. Gracias a la vacuna contra la varicela, sin embargo, menos adultos desarrollarán herpes zóster y esta enfermedad podrá llegar a ser erradicada.
La respuesta secundaria es fruto de la existencia de la memoria inmunológica, que se debe al hecho de que cada exposición a un antígeno no da lugar solo a células efectoras, sino también a clones de células T y células B de memoria de larga duración. Tras la posterior exposición al mismo antígeno, las células de memoria están listas para proliferar de forma rápida y se diferencian aún en más células de memoria y células efectoras. Tolerancia Dado que el diverso repertorio de especificidades de los linfocitos se genera aleatoriamente, ¿cómo es que las células B y las células T de un individuo no reaccionan con las proteínas del organismo? La respuesta es que como las células B y las células T maduran en la médula ósea y el timo, sus receptores de antígenos son probados, de hecho, por su potencial para reconocer y reaccionar contra uno mismo. En general, los linfocitos cuyos receptores tienen el potencial de reaccionar con las moléculas propias, o bien se vuelven funcionales, o sufren apoptosis, el proceso de autodestrucción que acompaña a la muerte celular programada. Como resultado de este proceso, solo quedan los linfocitos que son reactivos a las moléculas extrañas (no propias). Esta capacidad para distinguir lo propio de lo extraño, conocida como tolerancia, se sigue desarrollando aún cuando los linfocitos migran a los órganos linfáticos. La falta de tolerancia a lo propio puede llevar a diversas enfermedades autoinmunitarias (tratadas más adelante).
Test rápido 23.3 1. ¿Qué es la inmunidad humoral? ¿Qué tipo de linfocitos son los responsables de este tipo de inmunidad?
Sistema inmunitario
Concentración sérica de anticuerpos (escala logarítmica)
C A P Í T U LO 2 3 Respuesta primaria
100
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Respuesta secundaria
10
1 Segunda exposición al antígeno
Primera exposición al antígeno
0,1
0,01 0
2
4
6
8
10
12
14 16 18 2 4 6 8 Tiempo después de la infección (días)
10
12
14
16 18
FIGURA 23.8 Respuestas primaria y secundaria a un determinado antígeno. En las respuestas secundarias, aumenta rápidamente la concentración de anticuerpos en el suero, alcanzando un nivel más alto, que se mantiene elevado más tiempo que en aquellas respuestas estimuladas por una exposición inicial al antígeno. Si la exposición inicial de una persona al antígeno X coincidió con una exposición secundaria al P antígeno Y, ¿qué tipo de respuesta al antígeno X ocurriría?
2. ¿Qué es la inmunidad mediada por células? ¿Qué tipo de linfocitos son los responsables de este tipo de inmunidad? 3. Enumera las cuatro características clave de las respuestas inmunitarias y explica de forma breve cada una. 4. ¿Cuál es la base de que la respuesta inmunitaria sea más fuerte y más rápida tras la exposición secundaria a un antígeno?
Inmunidad humoral Ahora que hemos discutido las características de las respuestas inmunitarias, se examinará con más detalle el primer tipo de inmunidad: la inmunidad humoral. Comenzaremos considerando el papel de los linfocitos B.
Función de los linfocitos B en la producción de anticuerpos Millones de linfocitos B con diferentes especificidades circulan normalmente en la sangre y la linfa, o residen en los tejidos linfoides periféricos. Cuando una de las células B se une con un antígeno, la célula responde de las dos maneras que se muestran en la figura 23.7. En primer lugar, la célula B es estimulada para proliferar, lo que aumenta el número de células B con la misma especificidad; en segundo lugar, las células se diferencian, de tal manera que algunas se vuelven células B de memoria de larga duración y otras se vuelven células efectoras de corta duración que sintetizan anticuerpos y son llamadas células plasmáticas. Una célula plasmática secreta alrededor de 2.000 anticuerpos por segundo durante su vida de unos 4-7 días. Estos anticuerpos entonces circulan por la sangre y la linfa durante varias semanas y se unen a los mismos antígenos que estimularon su producción, lo que les marca para su destrucción por fagocitosis o lisis mediada por el complemento. Los antígenos que provocan tanto la producción de células plasmáticas como de células B de memoria se conocen como
antígenos T-dependientes, porque lo hacen solo con la ayuda de un tipo especial de células T llamadas células T colaboradoras. Examinaremos las funciones precisas de los linfocitos T en breve; las mencionamos aquí porque influyen en la activación de las células B. Cuando los linfocitos T colaboradores responden a antígenos específicos, secretan citocinas, incluyendo interleucina-2 (IL-2). Juntos, la IL-2 y los antígenos T-dependientes (principalmente proteínas) inducen la proliferación de las células B. Por el contrario, antígenos de tipo polisacárido, como los que se encuentran en la superficie de muchas bacterias, pueden activar a las células B sin ayuda de las células T; estos antígenos se conocen como antígenos T-independientes. Debido a que contienen motivos largos con subunidades repetidas, estos polisacáridos se unen a los receptores de antígenos en la superficie de muchas células B, proporcionando un estímulo lo suficientemente fuerte como para inducir la proliferación de la célula B incluso en ausencia de IL-2. Sin embargo, sin IL-2, todas las células que proliferan se diferencian en células plasmáticas secretoras de anticuerpos; no se convierten en células B de memoria. Incluso las exposiciones repetidas al antígeno T-independiente en particular producen solo respuestas primarias, porque nunca el antígeno por sí solo genera memoria inmunológica. Así, las respuestas de las células B a antígenos T-independientes tardan unos 10-17 días en tener lugar, y la cantidad de anticuerpos producidos es menor que la producida en una respuesta secundaria. Los procesos específicos en la activación de las células B y en el desarrollo de la inmunidad humoral se tratarán en las secciones siguientes. A continuación, veremos cómo los anticuerpos se unen y median en la eliminación de microorganismos y sustancias extrañas. Ten en cuenta que, a pesar de que los anticuerpos son generados en la respuesta inmunitaria, también aumentan las defensas inespecíficas, uniéndose y marcando los microorganismos específicos para centrar las defensas inespecíficas sobre el inminente invasor. Una bacteria típica puede ser recubierta hasta con 4 millones de anticuerpos.
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Función de los anticuerpos en la inmunidad humoral Hemos visto que un anticuerpo tiene dos funciones: en primer lugar, se une específicamente a un antígeno, y seguidamente ayuda en la inactivación o la eliminación de ese antígeno. Mientras que los sitios de unión al antígeno son responsables del reconocimiento del antígeno, la cola del anticuerpo en forma de Y es responsable de los mecanismos que median en la eliminación del antígeno. Hay cinco clases de anticuerpos: IgG, IgM, IgA, IgE e IgD. (Ig significa inmunoglobulina.) La forma en que los anticuerpos ayudan en la eliminación del antígeno depende de su clase. La estructura y función de cada una de las cinco clases de inmunoglobulinas se resumen en la tabla 23.1. Todos los tipos de inmunoglobulinas pueden mediar en la forma más simple de ataque al antígeno (neutralización y aglutinación), mientras que hay tipos particulares que se especializan en la opsonización del antígeno, la activación del sistema del complemento y la estimulación de las células citolíticas naturales. Las funciones de la IgG se muestran en la figura 23.9.
Patógeno
Anticuerpo
(a) Neutralización: los anticuerpos bloquean la actividad de un patógeno
Tejido diana
Patógeno
Anticuerpo (b) Aglutinación: múltiples agentes patógenos son agregados por los anticuerpos.
Neutralización En la neutralización, los anticuerpos bloquean la actividad del antígeno simplemente por su unión al mismo (v. fig. 23.9a). Por ejemplo, los anticuerpos pueden neutralizar un virus sencillamente adhiriéndose a las moléculas que el virus debe utilizar para infectar a su hospedador. Del mismo modo, los anticuerpos que recubren a las toxinas bacterianas (p. ej., la toxina producida por Clostridium tetani, que causa la enfermedad del tétanos) pueden dejarlas inactivas.
Aglutinación Los antígenos son con frecuencia neutralizados y agrupados de forma simultánea por miles de anticuerpos. Este proceso, denominado aglutinación, es posible porque cada anticuerpo tiene por lo menos dos sitios de unión al antígeno (v. fig. 23.9b). (Aquellos pertenecientes a las clases IgM e IgA tienen más de dos.) La IgG, por ejemplo, se puede unir a epítopos equivalentes en dos patógenos separados, acercándolos entre sí. Asimismo, con numerosas moléculas de IgG, uniendo dos microbios cada una, se forma un gran complejo.
Patógeno
Anticuerpo
(c) Opsonización: los patógenos unidos a los anticuerpos son atrapados más eficientemente por los fagocitos. Macrófago
Primer componente del complemento (d) Activación del complemento: los anticuerpos unidos a los patógenos activan la cascada del complemento, produciendo la lisis de la célula.
Opsonización
Patógeno
Una vez unidos los anticuerpos, el antígeno es opsonizado de forma efectiva y por tanto, es más susceptible de ser fagocitado (v. fig. 23.9c). Como se mencionó anteriormente, los anticuerpos actúan como opsoninas, porque se pueden unir tanto a los antígenos como a las células fagocíticas. Los anticuerpos IgG están especializados en la opsonización, porque sus colas se unen a receptores específicos de la superficie de las células fagocíticas. Esta unión desencadena la fagocitosis de ambos: de los anticuerpos y de la presa marcada.
Célula citolítica natural
Poro
Perforina
Poro
Activación del complemento Tanto la IgM como la IgG pueden activar el sistema del complemento, que provoca la lisis de las bacterias a las que están unidas dichos anticuerpos (v. fig. 23.9d). Aunque el sistema del complemento también se puede activar cuando ciertas proteí-
(e) Mayor actividad de las células citolíticas naturales: Mayor actividad de las células citolíticas naturales: células anormales recubiertas por anticuerpos son reconocidas por las células citolíticas naturales y posteriormente lisadas.
Célula anormal
FIGURA 23.9 Mecanismos mediados por anticuerpos para la eliminación de un antígeno.
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TABLA 23.1 Principales cinco clases de anticuerpos Clase
Estructura
Características
Funciones en la eliminación del antígeno
Clase más común de anticuerpos producidos en la respuesta primaria al antígeno
Neutraliza antígenos Aglutina antígenos Activa el complemento
IgD
Importantes como receptores de antígeno en las células B
Neutraliza los antígenos Aglutina antígenos
lgG
Clase más común de anticuerpos en la sangre y principal tipo de anticuerpo producido en la respuesta secundaria. Atraviesan la placenta, por lo que son importantes en la inmunidad del feto y del recién nacido
Neutraliza antígenos Aglutina antígenos Activa el complemento Opsoniza antígenos Aumenta la actividad de las células citolíticas naturales
IgE
Involucrados en alergias, como la fiebre del heno
Neutraliza antígenos Aglutina antígenos Se une a mastocitos y basófilos, haciendo que liberen histamina
IgA
Atraviesan células epiteliales, por lo que están presentes en las superficies mucosas y en la leche materna; son importantes en la inmunidad del recién nacido
Neutraliza antígenos Aglutina antígenos
IgM
Cadena J (unión)
Cadena J (unión)
nas del complemento se unen directamente a algunos tipos de bacterias (la vía alternativa inespecífica), la vía clásica, específica, es eficaz contra casi cualquier célula bacteriana que haya sido marcada con anticuerpos. Independientemente del acontecimiento inicial, las proteínas activas por el complemento no solo causan la destrucción de las bacterias, sino que muchas de estas proteínas también ayudan a progresar y regular la inflamación.
Aumento de la activación de las células citolíticas naturales Por último, los anticuerpos IgG pueden mejorar la destrucción inespecífica de las células citolíticas naturales (v. fig. 23.9e). Recordemos que las células citolíticas naturales reconocen ampliamente las características anormales de las células tumorales y de las células infectadas por virus y, a continuación producen moléculas que perforan la membrana, produciendo la lisis de estas células. A menudo, estas células anormales del organismo también poseen moléculas de superficie anormales que pueden estimular la producción de anticuerpos. Los anticuerpos marcan las células para su destrucción; en este caso, por las células citolíticas naturales. Al igual que los fagocitos, las células citolíticas naturales tienen receptores de superficie que se unen con las regiones constantes de las IgG. Los anticuerpos ofrecen así una unión entre la célula anormal marcada específicamente y las células citolíticas naturales, sirviendo, una vez
más, para centrar las respuestas no específicas sobre una determinada sustancia extraña.
Test rápido 23.4 1. Explica dos diferencias entre las células plasmáticas y las células B de memoria. 2. ¿Cuál es la diferencia entre los antígenos T-dependientes y los antígenos T independientes? ¿Por qué no se generan células B de memoria en respuesta a un antígeno T-independiente? 3. Dibuja una molécula de IgG y enumera las otras cuatro clases de anticuerpos. 4. Expón cinco maneras en que los anticuerpos ayudan a eliminar un antígeno.
Inmunidad mediada por células Hemos visto que, mientras que los anticuerpos nos defienden contra agentes invasores y otros antígenos que flotan libres en la sangre y la linfa, las células T entran en contacto y responden a cualquier célula del cuerpo que esté infectada o no sea normal. Dado que las células T requieren contacto directo entre ellas y sus dianas, su respuesta se describe como mediada por células. Comenzaremos nuestro análisis de la respuesta mediada por células examinando las funciones de las células T en este tipo de inmunidad.
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Funciones de los linfocitos T en la inmunidad mediada por células Hay tres tipos principales de linfocitos T: los linfocitos T colaboradores, los linfocitos T citotóxicos y los linfocitos T supresores. Las células T colaboradoras, las reguladoras primarias de la respuesta inmunitaria, actúan de manera indirecta mediante la secreción de citocinas que aumentan la actividad de las células B, las células T citotóxicas, las células T supresoras y las propias células T colaboradoras. Por otra parte, los linfocitos T producen citocinas que aumentan las acciones de los macrófagos y células citolíticas naturales, que son esenciales para las defensas inespecíficas. Las células T citotóxicas, por el contrario, son directamente responsables de la inmunidad mediada por células en la que matan a las células infectadas por virus o bacterias intracelulares y células anormales de alguna otra forma (como las células cancerosas y las células trasplantadas). Las células T supresoras no se conocen bien, pero se cree que producen citocinas que suprimen la actividad de las células B, células T colaboradoras y células T citotóxicas. Los tres tipos de células T tienen receptores de antígeno (receptores de células T [RCT]) que detectan antígenos extraños en las células del organismo, pero lo hacen solo cuando estos antígenos se asocian con un tipo especial de proteínas propias normales, conocidas como moléculas del complejo principal de histocompatibilidad (CPH). Este tipo de reconocimiento es diferente a la forma en que las células B reconocen antígenos, en la cual las células B y los anticuerpos que secretan son capaces de unirse a epítopos en sus formas nativas (p. ej., tal como existen en la superficie de una bacteria). Para que las células T se activen, su receptor de antígenos debe contactar con una molécula de CPH, en la superficie de otras células, que lleva unido un pequeño fragmento de antígeno. Así, las moléculas de CPH deben unirse primero a un fragmento del antígeno extraño que está presente dentro de una célula del organismo y, a continuación, deben transportarlo a la superficie celular, donde puede ser detectado por las células T. Este proceso se llama presentación de antígeno. Antes de examinar las respuestas de las células T con más detalle, vamos a echar un vistazo más de cerca a las moléculas de CPH y su papel en la maduración de las células T, la presentación de antígeno y la activación de linfocitos T.
Moléculas CPH: marcadores de lo propio Cada célula del organismo se identifica como «propia» por un conjunto de moléculas de CPH (en humanos, conocidas como antígenos leucocitarios humanos, o moléculas HLA), de los cuales hay dos clases. Moléculas CPH de clase I, que se encuentran en la superficie de todas las células nucleadas, es decir, en casi todas las células del cuerpo; y moléculas CPH de clase II, que se encuentran solo en unos pocos tipos de células especializadas, entre ellas los macrófagos, las células dendríticas, las células B activadas y las células que componen el interior del timo. Aunque las dos clases de moléculas CPH funcionan de la misma manera en todos los individuos, las moléculas CPH de cada persona son únicas; es prácticamente imposible que los tejidos de dos personas (excepto los de los gemelos idénticos) tengan el mismo conjunto de moléculas de CPH, o tipo de tejido HLA. El hecho de que las moléculas CPH difieran de persona a persona explica por qué los injertos de piel y de órganos son generalmente rechazados cuando se trasplantan de una persona a otra; de hecho, la existencia de las moléculas CPH se descubrió durante las investigaciones de rechazo al injerto. Estas proteínas desempeñan un papel importante en la determinación de si el tejido trasplantado es aceptado como propio (histocompatible) o es rechazado como extraño.
El descubrimiento de las moléculas CPH y su papel en el rechazo de injertos fue un tanto desconcertante: ¿por qué se han desarrollado marcadores que nos impiden compartir los tejidos? La respuesta es que esta diversidad de las moléculas de CPH es una adaptación para la supervivencia de la especie humana en su conjunto. Las moléculas CPH de cada persona son capaces de presentar algunos fragmentos del antígeno, pero no otros. La existencia de una gama de diferentes moléculas de CPH en la población asegura que si la población está infectada con un microbio patógeno determinado, por lo menos algunos individuos tendrán moléculas CPH capaces de presentar sus antígenos específicos, y esos individuos serán capaces de montar una respuesta inmunitaria hacia el invasor y sobrevivir a la infección. En realidad, la mayoría de nosotros somos capaces de montar un ataque contra todos los microbios que nos encontramos en la vida cotidiana, puesto que los antígenos son lo suficientemente complejos, y en cada persona el conjunto de moléculas CPH es lo suficientemente variado, de manera que cada uno de nosotros desarrolla una respuesta inmunitaria eficaz. Aunque las células de dos personas diferentes pueden presentar diferentes porciones de un determinado antígeno, las dos serán capaces de montar una respuesta inmunitaria fuerte hacia ese antígeno.
Función de las moléculas CPH en la maduración de las células T Si las personas son capaces de desarrollar una respuesta inmunitaria eficaz, sus células T deben tener receptores de antígeno específicos capaces de entrar en contacto con sus propias moléculas de CPH. Esto plantea un particular desafío para el desarrollo de las células T por las razones siguientes: como los receptores de las células T (como los receptores de las células B o anticuerpos de membrana) son generados aleatoriamente para proporcionar una gran gama de linfocitos, cada uno con una especificidad única, las células T en desarrollo se diferencian por su capacidad de unirse a sus propias moléculas CPH. En un sistema inmunitario saludable, solo las células T «convenientes» llegan a la madurez y abandonan el timo. A medida que las células T jóvenes se están desarrollando en el timo, entran en contacto con células del timo que tienen altos niveles de moléculas CPH de tipo I y II propias. Solo las células T que llevan receptores con una afinidad adecuada para las moléculas CPH propias se siguen desarrollando. Además, las células T se diferencian en dos tipos diferentes, dependiendo de la clase de moléculas CPH que se unan: las células que se unen a las moléculas CPH de clase I se convierten en células T citotóxicas, mientras que las que se unen a moléculas CPH de clase II se convierten en linfocitos T colaboradores.
Papel de las moléculas CPH en la presentación de antígeno y en la activación de las células T Cada molécula CPH posee un sitio de unión que puede unir una gran variedad de fragmentos de antígenos extraños. (En ausencia de antígenos extraños, las moléculas CPH unen fragmentos de proteínas propias, pero la combinación resultante no suele inducir una respuesta inmunitaria.) Conforme una molécula CPH de nueva síntesis se abre camino hacia la superficie de una célula infectada o anormal, puede capturar un fragmento del antígeno en su lugar de unión y llevarlo a la superficie de la célula. La captación y presentación del antígeno por el CPH y el reconocimiento de este antígeno por las células T varían entre las dos clases de moléculas CPH. Las moléculas CPH de clase I capturan antígenos anormales sintetizados dentro de las células infectadas o de las células tumorales, y presentan el antígeno en la superficie celular a
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Célula infectada por un virus
Macrófago o célula dendrítica
Proteínas virales de síntesis reciente
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Proteínas virales internalizadas
Fragmentos de las proteínas virales…
Fragmentos de las proteínas virales…
… se asocian con el CPH de clase I
… se asocian con el CPH de clase II
CPH de clase I Fragmento del antígeno viral RCT
Sistema inmunitario
CPH de clase II Fragmento del antígeno viral RCT
CD8
Célula T citotóxica (a)
FIGURA 23.10 Presentación de antígenos a linfocitos T por moléculas del complejo principal de histocompatibilidad (CPH). (a) Las moléculas CPH de clase I, sintetizadas por todas las células nucleadas del cuerpo, capturan fragmentos de antígenos virales (o antígenos bacterianos) sintetizados en la célula infectada y los transportan a la superficie celular. Una célula T citotóxica se une a la célula infectada a través de sus receptores de células T (RCT) y de sus
las células T citotóxicas (fig. 23.10a). La exposición al antígeno presentado estimula a las células T citotóxicas a matar a las células enfermas. Para ayudar en este proceso, las células T citotóxicas tienen una proteína de superficie, llamada CD8, que se une a las moléculas CPH de clase I, mejorando la asociación entre la célula T citotóxica y la célula diana anormal. Por tanto, las células T citotóxicas se denominan también células CD8. Las moléculas CPH de clase II capturan antígenos extraños que han sido capturados por las células a través de fagocitosis o endocitosis mediada por receptores, y presentan los antígenos en la superficie celular a los linfocitos T (fig. 23.10b). Recordemos que las moléculas CPH de clase II se encuentran solo en las células que internalizan el antígeno, como los macrófagos y las células dendríticas. Estas células se llaman células presentadoras de antígeno (CPA), ya que funcionan en la presentación del antígeno a los linfocitos T. La exposición al antígeno presentado estimula a los linfocitos T a secretar citocinas que inducen y regulan otras respuestas inmunológicas. Es importante destacar que los linfocitos T no matan a las células presentadoras de antígeno, que son células inmunitarias. Para ayudarlas, los linfocitos T tienen una proteína de superficie llamada CD4 que se une a la molécula CPH de clase II, y aumenta la asociación entre la célula T y los macrófagos o las células B activadas. Así, los linfocitos T se denominan también células CD4.
Activación de las células T colaboradoras Al igual que los linfocitos B, existen millones de linfocitos T con diferentes especificidades que circulan normalmente en la sangre y la linfa, o residen en los tejidos linfoides periféricos. La activación de los linfocitos T colaboradores implica dos acontecimientos simultá-
TC4
Célula T colaboradora (b)
moléculas CD8. (b) Las moléculas CPH de clase II, sintetizadas por los macrófagos, células dendríticas y linfocitos B activados, capturan fragmentos de antígenos extraños internalizados por fagocitosis o endocitosis mediada por receptores, respectivamente, y los transportan a la superficie celular. Una célula T colaboradora se une a la célula presentadora a través de su RCT y de las moléculas CD4.
neos: las células T colaboradoras se unen, en primer lugar, con los complejos CPH de clase II-antígeno extraño, en la superficie de macrófagos, células dendríticas y linfocitos B, y seguidamente los linfocitos T colaboradores reciben una señal de estas células en forma de IL-1. Como resultado, los linfocitos T colaboradores proliferan y se diferencian. Algunas de las células hijas comienzan a secretar citocinas, mientras que una pequeña proporción de ellas se convierte en células T de memoria de larga duración. Como en la respuesta humoral, las respuestas mediadas por células pueden tardar incluso 17 días en desarrollarse, sobre todo en su primera exposición a un antígeno. Sin embargo, una vez que las células T de memoria están presentes en el organismo, las respuestas posteriores a ese mismo antígeno son más rápidas y mucho más vigorosas. Los linfocitos T activados secretan varios tipos de citocinas que ayudan a estimular y regular las actividades de otras células T colaboradoras, células B, células T citotóxicas, macrófagos, mastocitos, células citolíticas naturales y células madre hematopoyéticas (tabla 23.2). Así pues, las células T colaboradoras parecen ser las coordinadoras centrales de las respuestas inmunitarias, razón por la cual la depleción de los linfocitos T colaboradores, característica básica del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (sida), es tan devastador para el sistema inmunitario.
Activación de las células T citotóxicas: destrucción de células infectadas por virus y tumorales Una célula T citotóxica se activa para matar cuando tienen lugar dos acontecimientos simultáneamente: cuando se une con el complejo
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FIGURA 23.11 Resumen de los acontecimientos durante la respuesta inmunitaria frente a un virus. Una célula T colaboradora se activa, tanto por el contacto específico con un macrófago, presentando un antígeno viral por CPH de clase II, como por la IL-1, que genera células T de memoria y células T colaboradoras secretoras de IL-2. Una célula T citotóxica se activa por contacto específico con una célula presentadora de antígeno infectada por un virus a través de moléculas CPH de clase I y por la IL-2 secretada por una célula T colaboradora. Las células T citotóxicas activadas producen perforinas y fragmentinas, cada una de las cuales puede inducir la muerte de la célula diana. Una célula B se activa por contacto con el antígeno específico libre y por la IL-2 secretada por una célula T colaboradora, generando células B de memoria y células plasmáticas que secretan anticuerpos específicos contra el antígeno. La respuesta inmunitaria a otros tipos de patógenos es similar a la descrita aquí.
Macrófago
Fragmento antigénico CPH de clase II RCT
IL-1
CD4
Célula T colaboradora
Proliferación de células T colaboradoras
Célula T colaboradora de memoria
Célula B de memoria
Célula T colaboradora secretora de IL-2
Antígeno
IL-2 IL-2 Célula B
Proliferación de células B
Célula T citotóxica Célula plasmática CD8
CPH de clase I
Fragmento antigénico Anticuerpos Célula infectada
Célula T citotóxica activada Perforinas
Célula T citotóxica que continúa destruyendo otras células infectadas
Fragmentinas
Fragmentina
La perforina produce poros en la membrana celular y las fragmentinas entran en la célula
Lisis celular por perforinas y/o muerte celular programada por fragmentinas
CPH de clase I, antígeno extraño en la superficie de una célula infectada por un virus, y cuando recibe una señal de inducción (en forma de IL-2) de una célula T colaboradora. Una vez activadas, las células T citotóxicas liberan perforinas, causando la lisis de la célula diana. La secreción de dichas proteínas que inducen la lisis es un fenómeno común en las reacciones inmunitarias; las hemos encontrado ya en la cascada del complemento y en la forma en que las células citolíticas naturales destruyen sus células diana. Las células T citotóxicas también liberan proteínas llamadas fragmentinas, que acceden primero a las células diana a través de los poros inducidos por la perforina y luego actúan en su interior para provocar su muerte por apoptosis. Los agentes patógenos liberados de las células muertas se eliminan rápidamente por las células fagocíticas de las inmediaciones o son marcadas por anticuerpos para su destrucción. De manera similar, las células T citotóxicas también nos defienden de las células tumorales. Estas células a veces poseen moléculas distintivas, llamadas antígenos tumorales, que no están presentes en las células normales. Las moléculas CPH de clase I que existen normalmente en las células tumorales presentan fragmentos de estos antígenos a las células T citotóxicas, iniciando así su respuesta de destrucción. Ten en cuenta que algunos tipos de cáncer y de virus (p. ej., virus de Epstein-Barr) inhiben activamente la producción de moléculas CPH de clase I en las células afectadas, lo que permite que dichos tipos de cáncer y virus no sean detectados por las células T citotóxicas. Como hemos visto, una respuesta inmunitaria efectiva surge de las múltiples interacciones directas e indirectas entre los macrófagos, células T colaboradoras, células B y células T citotóxicas, como se muestra en la figura 23.11.
Test rápido 23.5 1. Enumera los tres tipos principales de células T y explica sus funciones. 2. ¿Cuáles son las dos clases de moléculas CPH? ¿En qué tipos celulares se encuentra cada clase? 3. ¿Qué tipo de célula T tiene CD4 en su superficie y con qué clase de CPH se asocia? 4. Haz una lista de cuatro citocinas que sean producidas por células T colaboradoras y describe cómo ayuda cada una a regular la respuesta inmunitaria.
Respuesta inmunitaria en estados de salud y de enfermedad Hemos visto que una respuesta inmunitaria efectiva dependerá de la interacción de muchos tipos de células y moléculas. En las
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TABLA 23.2 Citocinas secretadas por las células T colaboradoras activadas Citocina
Células diana
Efectos sobre las células diana
Interleucina-2
Células T colaboradoras y citotóxicas
Estimula la proliferación
Células T
Interleucina-4
Interleucina-5
Células B
Estimula la proliferación y el desarrollo de células plasmáticas
Células citolíticas naturales
Aumenta su actividad
Células B
Estimula la proliferación y el desarrollo de células plasmáticas; induce la secreción de IgE e IgG por las células plasmáticas; incrementa el número de moléculas CPH de clase II
Células T colaboradoras
Estimula la proliferación
Macrófagos
Incrementa el número de moléculas CPH de clase II; aumenta la fagocitosis
Mastocitos
Estimula la proliferación
Células B
Estimula la proliferación; induce la secreción de IgA por las células plasmáticas
Células madre hematopoyéticas
Induce la proliferación y el desarrollo de eosinófilos
Interleucina-10
Macrófagos
Inhiben la producción de citocina (ayuda en la regulación de la respuesta inmunitaria)
Interferón-G
Múltiples tipos celulares
Confiere resistencia a virus
Macrófagos
Aumenta la fagocitosis
Células B
Aumenta la producción de anticuerpos
Células cancerosas
Inhibe la proliferación
Células T citotóxicas y células citolíticas naturales
Mejora la capacidad de matar en las células T citotóxicas y células citolíticas naturales
por lo general se libraban de la infección por viruela, a pesar de que esta enfermedad desfigurante y a menudo fatal aumentaba sin parar en su comunidad. Sospechando que la exposición a la viruela bovina confería algún tipo de protección contra la viruela, Jenner comenzó a inocular deliberadamente a la gente con la viruela bovina, prediciendo audazmente que esta acción pondría fin a la terrible viruela. Este tratamiento llegó a ser conocido como vacuGenerando inmunidad: vacunación nación por la palabra latina vacca, que significa «vaca». En efecto, gracias a los programas intensivos de vacunación en todo el munEn 1798, un médico llamado Edward Jenner estaba investigando la do en el siglo XX, la viruela ha sido erradicada. propagación de la viruela cuando se dio cuenta de que los ordeñadores de Gloucestershire, Inglaterra, que habían padecido previaEn la vacunación, también conocida como inmunización, se mente la viruela bovina (enfermedad leve contraída de las vacas), introduce en el cuerpo una forma segura del microorganismo o un grupo de sus componentes que no provocan enfermedad, donde el Microorganismo inóculo estimula la respuesta inmuniinactivado o taria a ese patógeno e –incluso más componentes significativamente– induce memoria inocuos de un Exposición inmunológica (fig. 23.12). Una persopatógeno natural al na vacunada que posteriormente se (inóculo) patógeno encuentra con el patógeno natural origina una fuerte respuesta inmuniRespuesta inmunitaria Respuesta inmunitaria taria similar a la respuesta inmunitaprimaria lenta secundaria rápida Inmunización ria secundaria producida de forma y débil y fuerte natural; una persona correctamente vacunada es inmune a ese patógeno. A partir del siglo XX, la vacunación sisProducción Células de Producción Células de temática de los niños ha sido sumade anticuerpos memoria de anticuerpos memoria mente eficaz en la prevención de (no necesaria) (necesaria) muchas enfermedades infecciosas. El término inmunización también se utiFIGURA 23.12 Adquisición de inmunidad a largo plazo a través de la vacunación (inmunización). La liza para referirse a la inmunidad que entrada en el organismo del inóculo estimula la respuesta inmunitaria, que marca la sustancia introducida para resulta de una infección natural. su destrucción y genera células de memoria. En una posterior exposición natural a los patógenos, las células de Ambas, la vacunación artificial y la memoria montan una respuesta secundaria rápida que evita o disminuye los síntomas de la enfermedad. inmunización natural, confieren un tipo de protección conocida como Iván, que tiene 5 años, recibe una vacuna contra la varicela y desarrolla anticuerpos y células de memoria inmunidad activa, porque depende específica para el virus. ¿Cuál de estos dos componentes de su respuesta inmunitaria es más importante para de la capacidad del sistema inmunitaIván, y por qué? rio de la persona inmunizada de prosecciones que siguen, se explora cómo el sistema inmunitario genera inmunidad y cómo responde a los trasplantes y transfusiones. También veremos cómo una enfermedad puede producirse cuando el sistema inmunitario no funciona bien.
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ducir una respuesta inmunitaria. Por desgracia, no todos los agentes infecciosos (p. ej., los virus que causan el resfriado común) se combaten fácilmente con la vacunación. Los anticuerpos preparados contra un antígeno en particular también se pueden introducir en el organismo para proporcionar otro tipo de protección, llamada inmunidad pasiva. Este tipo de inmunización es pasivo, porque no requiere una respuesta del sistema inmunitario de la persona inmunizada. Como no se introducen antígenos extraños en el cuerpo de esta manera, las células B del individuo no producen anticuerpos, y no se originan células B de memoria. Aunque los anticuerpos introducidos ayudan a combatir una infección en curso, la inmunización pasiva no induce inmunidad a largo plazo. Los anticuerpos que normalmente se utilizan para la inmunización pasiva son aislados primeramente de las personas que ya son inmunes a una enfermedad determinada; estos anticuerpos entonces se inyectan en el cuerpo de otra persona, confiriéndole en el proceso una protección de corta duración, pero inmediata, a esa enfermedad. Una persona que había sido mordida por un animal rabioso, por ejemplo, podía ser inyectada con anticuerpos obtenidos de otras personas que habían sido vacunadas contra la rabia. Esta medida es importante, porque la rabia puede progresar más rápidamente de lo que tarda una persona en producir una respuesta inmunitaria activa. A la mayoría de las personas expuestas a la rabia se le dan inmunizaciones tanto pasivas como activas; los anticuerpos inyectados combaten contra el virus durante unas pocas semanas, y seguidamente la propia respuesta inmunitaria de la persona, que se induce tanto por la inmunización como por la infección en sí misma, predomina. La inmunidad pasiva también ocurre de forma natural cuando los anticuerpos IgG en la sangre de una mujer embarazada atraviesan la placenta y llegan al feto. Los anticuerpos IgA (v. tabla 23.1) también pasan de la madre al lactante en la leche materna, especialmente cuando la leche está en su forma temprana, el calostro. La inmunidad pasiva persiste solo lo que duran los anticuerpos transferidos, entre unas pocas semanas y unos pocos meses, pero proporciona protección al niño contra infecciones hasta que el propio sistema inmunitario del bebé tenga la posibilidad de madurar.
Comprueba tus conocimientos Una de las dificultades en la vacunación es la mutabilidad de los agentes patógenos; las bacterias y los virus pueden desarrollar cepas resistentes. Esto es especialmente cierto con el virus de la gripe. ¿Cómo se preparan las vacunas actuales contra la gripe, y cuáles son algunos de los desafíos a los que se enfrentan los microbiólogos hoy en día?
Compatibilidad del grupo sanguíneo La sangre se clasifica en diferentes grupos (designados por las letras A, B, AB u O) según la presencia o ausencia de determinados antígenos en la superficie de los glóbulos rojos. Un individuo que tiene sangre de grupo A tiene antígenos en la superficie de sus glóbulos rojos conocidos como antígenos A. Estos antígenos son percibidos como propios por el sistema inmunitario del individuo, no son antigénicos para su «propietario». Del mismo modo, los antígenos B se encuentran en los eritrocitos de tipo B, y tanto el antígeno A como el antígeno B se encuentran en los glóbulos rojos de tipo AB. Los glóbulos rojos de tipo O no poseen ningún antígeno. Una persona con sangre del grupo B no produce anticuerpos contra el antígeno B, ya que ese antígeno es reconocido como «propio». Sorprendentemente, sin embargo, esta persona tiene anticuerpos contra el antígeno A (llamados anticuerpos anti-A), aunque esta persona nunca haya sido expuesta a la sangre del grupo A. La presencia de anticuerpos circulantes específicos para el antígeno A parece sugerir que los linfocitos del individuo B han detectado y respondido a la sangre del grupo A. Pero lo que ha ocurrido, en realidad, es que los anticuerpos contra el antígeno A se han producido en respuesta a bacterias presentes normalmente en el organismo, que poseen epítopos muy similares a los antígenos del grupo sanguíneo A y B. Una persona con sangre del grupo B no tiene anticuerpos contra el antígeno bacteriano similar a B, porque son demasiado parecidos a sí mismo, pero el individuo tiene anticuerpos contra los antígenos bacterianos similares a A, que son percibidos como extraños por su sistema inmunitario. Así, en un individuo del grupo B, los anticuerpos anti-A que circulan constantemente en la sangre inducen una reacción a la transfusión inmediata y devastadora en caso de que este individuo reciba una transfusión con sangre del grupo A o AB, que contienen el antígeno A. Por estas razones, una persona con sangre del grupo O se considera un donante universal, ya que cualquier anticuerpo anti-A o anti-B que pueda estar presente en el receptor no se encontrará en las células del grupo O del donante. Por el contrario, una persona del grupo sanguíneo AB es considerada receptor universal, porque ese individuo carece de anticuerpos contra el antígeno A y el antígeno B, una transfusión de sangre de cualquier grupo sanguíneo en este individuo no inducirá una reacción a la transfusión. Una de las cuestiones que deben considerarse en las donaciones de sangre: cuando se transfunde sangre total, esta contiene anticuerpos que podrían, en una transfusión mal hecha, atacar a los eritrocitos del receptor. Generalmente esto no es un problema, porque, normalmente, en las transfusiones se utilizan glóbulos rojos concentrados en vez de sangre total.
Injerto de tejidos y trasplante de órganos
Funciones del sistema inmunitario en las transfusiones y los trasplantes La capacidad del sistema inmunitario de distinguir lo propio de lo no propio, aunque es esencial para un sistema inmunitario saludable, limita nuestra capacidad de transfundir sangre o trasplantar tejidos entre individuos. Por esta razón, el material del donante debe coincidir, lo más estrechamente posible, con el del receptor, a fin de minimizar las reacciones inmunitarias. Además, los receptores de un trasplante deben tomar medicamentos que supriman la capacidad de su sistema inmunitario para reaccionar contra el tejido extraño. Ten en cuenta que la respuesta hostil del organismo a una transfusión incompatible o a un trasplante no es un trastorno del sistema inmunitario, sino, más bien, una respuesta normal frente a los antígenos extraños.
Como se describió previamente, las moléculas CPH están presentes en muchas formas diferentes en las poblaciones humanas. Por tanto, es poco probable que dos personas tengan el mismo perfil de HLA y, por eso, las moléculas HLA son responsables de estimular el rechazo que tiene lugar en los injertos de tejidos y en los trasplantes de órganos. Ten en cuenta que las moléculas CPH no desempeñan ningún papel en las reacciones transfusionales, porque los glóbulos rojos no tienen moléculas CPH. Para reducir al mínimo las posibilidades de rechazo, los médicos procuran que las moléculas HLA del donante y del receptor sean lo más parecidas posible, usando un procedimiento llamado tipificación de tejido. Cuando un receptor no tiene un gemelo idéntico (que tendría exactamente el mismo tipo de tejido), los hermanos suelen proporcionar el HLA más similar posible. Además de las pruebas y similitudes de las moléculas HLA, los médi-
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cos procuran reducir al mínimo las posibilidades de rechazo con la prescripción de medicamentos que suprimen las respuestas inmunitarias del receptor. La complicación con esta estrategia es que deja al receptor más susceptible a infecciones y al cáncer durante el tratamiento. El principal efecto de fármacos como la ciclosporina A, FK506 y el sirolimús, que han mejorado en gran medida el éxito de los trasplantes de órganos, es la inhibición de la producción de IL-2, que, a su vez, inhibe la activación de las células B y de los linfocitos T y el desarrollo de respuestas inmunitarias. Debido a los efectos inmunosupresores, el uso de los fármacos antirrechazo para tratar enfermedades autoinmunitarias ha tenido solamente un éxito limitado. Por desgracia, uno de los casos de fracaso ha sido el tratamiento de la diabetes mellitus. Estos medicamentos antirrechazo, cuando se utilizan en pacientes trasplantados, en realidad aumentan la probabilidad de que el receptor del trasplante desarrolle diabetes mellitus de tipo 2. A pesar del riesgo de rechazo, el trasplante de médula ósea es a menudo utilizado con éxito para tratar la leucemia y otros cánceres, así como diversas enfermedades de células de la sangre. Antes de recibir un trasplante, el receptor es tratado con radiación para eliminar sus propias células de la médula ósea. Este tratamiento elimina las células anormales e inactiva con eficacia el sistema inmunitario de esa persona, lo que minimiza la probabilidad de que el receptor rechace el injerto. El gran peligro de este procedimiento es que la médula ósea donada, que contiene linfocitos, desarrolle una respuesta inmunitaria contra el receptor, ejemplo de lo que es conocido como reacción injerto contra huésped. La intensidad de esta reacción puede ser minimizada si las moléculas HLA del donante y del receptor son lo más similares posibles, por lo que los programas de donantes de médula ósea continuamente buscan donantes voluntarios en todo el mundo. Debido a la gran diversidad de moléculas HLA en la población humana, se necesita un grupo diverso de potenciales donantes.
Test rápido 23.6 1. ¿Qué moléculas de la superficie celular son testadas en el proceso de tipificación de tejidos? 2. ¿Cuál es el nombre del fenómeno en el cual un tejido injertado produce una respuesta inmunitaria contra el receptor?
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se producen en algunas personas que tienen una predisposición genética para producir más cantidad de IgE de lo normal cuando se exponen a alérgenos. Si un individuo produce altos niveles de IgE en respuesta al polen, el resultado es una reacción alérgica comúnmente conocida como fiebre del heno. Como se muestra en la figura 23.13, algunos de estos anticuerpos IgE no se unen al polen, sino que se unen a los mastocitos por sus regiones Fc. Cuando la persona se expone posteriormente al polen, los granos de polen y los sitios de unión al antígeno de estos anticuerpos IgE se unen, lo que condiciona que los anticuerpos adyacentes se entrecrucen e induzcan la desgranulación de los mastocitos, es decir, la liberación de histamina y otros agentes inflamatorios en el líquido circundante. Después de su liberación, la histamina causa la dilatación y el aumento de la permeabilidad de los vasos sanguíneos pequeños de las inmediaciones. Estos acontecimientos producen los típicos síntomas de la inflamación de la fiebre del heno: estornudos, rinorrea, ojos llorosos y dificultad para respirar, que puede ser resultado de la contracción del músculo liso en las vías respiratorias inducida por la histamina. Los medicamentos que actúan como antihistamínicos disminuyen los síntomas de la alergia al bloquear los receptores localizados en las células endoteliales de los vasos sanguíneos y en las células del músculo liso que normalmente se unen a la histamina. La consecuencia más grave de una respuesta alérgica aguda es el shock anafiláctico, una reacción con peligro para la vida, producida por alérgenos inyectados o ingeridos. El shock anafiláctico se debe a una desgranulación generalizada de los mastocitos por todo el cuerpo, que provoca la dilatación brusca de los vasos sanguíneos periféricos. Esta dilatación no se limita solo a un área restringida, como en la fiebre del heno, sino que está muy extendida y, por tanto, causa una caída en picado de la resistencia periférica total y de la presión arterial media. Como consecuencia de la disminución de la presión, la muerte puede ocurrir en unos pocos minutos. El veneno de la abeja y la penicilina son ejemplos de alérgenos que pueden desencadenar un shock anafiláctico en personas que son extremadamente alérgicas a ellos. Algunos individuos susceptibles llevan jeringas que contienen adrenalina como medida profiláctica. Cuando se inyecta en el torrente sanguíneo, esta hormona contrarresta la respuesta alérgica mediante la estimulación de aumento del gasto cardíaco y la constricción de los vasos sanguíneos, lo que tiende a aumentar la presión arterial hacia niveles normales.
Disfunciones inmunitarias La compleja y altamente regulada interacción de sustancias extrañas con linfocitos y otras células que componen el sistema inmunitario nos ofrece una protección extraordinaria contra las infecciones. Además, un creciente número de evidencias sugiere que la función inmunitaria está íntimamente asociada con las funciones del sistema nervioso y del sistema endocrino. Cuando esta delicada red de células y moléculas que interaccionan en equilibrio se interrumpe, los efectos en el individuo pueden ir desde las pequeñas molestias de algunas alergias a las graves y devastadoras consecuencias, en ocasiones, de las enfermedades autoinmunitarias y de las inmunodeficiencias. En las secciones siguientes se examina lo que puede suceder cuando se descontrola la función inmunitaria.
Alergia Las alergias (también conocidas como reacciones de hipersensibilidad) son respuestas exageradas a determinados antígenos ambientales conocidos como alérgenos. Las alergias más comunes implican anticuerpos de la clase IgE (v. tabla 23.1). Las alergias
Enfermedades autoinmunitarias Cuando el sistema inmunitario pierde la tolerancia hacia lo propio y comienza a reaccionar contra las moléculas normales del organismo, pueden producirse las enfermedades autoinmunitarias. En una enfermedad llamada lupus eritematoso sistémico (a menudo llamado lupus), por ejemplo, el sistema inmunitario genera anticuerpos (conocidos como autoanticuerpos) frente a todo tipo de moléculas propias, dando lugar a un conjunto generalizado de signos que incluyen erupciones cutáneas, fiebre, artritis y disfunción renal. La artritis reumatoide, otra enfermedad autoinmunitaria mediada por anticuerpos, causa una inflamación dolorosa y posibles daños en el cartílago y las articulaciones. En la diabetes mellitus insulinodependiente, otra enfermedad autoinmunitaria, las células beta del páncreas que producen insulina son el blanco de la respuesta inmunitaria celular. Otra de las enfermedades autoinmunitarias es la esclerosis múltiple, la enfermedad neurológica crónica más común en los países desarrollados. En esta enfermedad, células T que tienen una propensión al ataque de la mielina normal, se infiltran
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Polen (primera exposición)
Polen Exceso de anticuerpos IgE
Célula B
Anticuerpos IgE
Células plasmáticas
Polen (siguiente exposición)
Mastocitos
Histamina y otros agentes inflamatorios
Síntomas de la fiebre del heno, tos, estornudos, goteo de nariz
Vasodilatación Aumento de la permeabilidad capilar
FIGURA 23.13 Acontecimientos en la fiebre del heno, una respuesta alérgica. En respuesta a la exposición a alérgenos como el polen, una persona alérgica produce abundantes moléculas de IgE; la IgE en exceso se une a la superficie de los mastocitos. En su posterior exposición al mismo tipo de polen, los alérgenos y las IgE se unen, se entrecruzan las IgE e inducen una desgranulación rápida (liberación de histamina). La histamina provoca aumento de la permeabilidad vascular y los síntomas resultantes de la fiebre del heno. En el shock anafiláctico hay una caída en la presión arterial, debida, en parte, a la liberación generalizada P de histamina. ¿Qué acciones de la histamina contribuyen a esta disminución de la presión arterial?
en el sistema nervioso central y causan la desmielinización de las fibras nerviosas, lo que origina una serie de graves alteraciones neurológicas («Conexiones clínicas: Esclerosis múltiple»). Las causas de la autoinmunidad son variadas y complejas. Aunque queda mucho por aprender acerca de estas enfermedades, se sabe que las personas que heredan unas moléculas CPH en particular, también son más propensas a desarrollar ciertas enfermedades autoinmunitarias. Para ejemplo, los individuos que heredan ciertas moléculas CPH de clase II tienen mayor riesgo de desarrollar diabetes mellitus insulinodependiente que los miembros de la población general.
Inmunodeficiencias En las alergias o en las enfermedades autoinmunitarias, los problemas surgen debido a la hiperactividad del sistema inmunitario; las inmunodeficiencias aparecen como resultado de la baja actividad del sistema inmunitario. Hay casi tantas inmunodeficiencias como funciones tiene el sistema inmunitario. Muchas inmunodeficiencias congénitas afectan a la función o de la inmunidad humoral o de la inmunidad mediada por células, pero en la inmunodeficiencia combinada grave (IDCG) no funcionan ninguna de las dos ramas del sistema inmunitario. Para las personas con esta enfermedad genética, la supervivencia a largo plazo puede requerir un trasplante de médula ósea sana que continúe suministrando células B y células T funcionales. Un tipo de IDCG la causa la deficiencia de la enzima adenosina desaminasa (ADA), que des-
empeña un papel importante en la rotura de las purinas que componen el ADA. ADA es particularmente activa en los linfocitos, y su deficiencia resulta en la acumulación letal de los subproductos. ADA ha sido tratada con cierto éxito con terapia génica («Conexiones clínicas: Terapia génica para la inmunodeficiencia combinada grave»); en este procedimiento, se extraen células de la propia médula ósea del individuo, las células son dotadas de un gen ADA funcional y devueltas al organismo. Las inmunodeficiencias no siempre son enfermedades congénitas; un individuo puede desarrollar una disfunción inmunitaria durante su vida. Por ejemplo, ciertos tipos de cáncer pueden producir inmunodeficiencia suprimiendo el sistema inmunitario. Un buen ejemplo es la enfermedad de Hodgkin, que daña el sistema linfático. Otra inmunodeficiencia adquirida devastadora y bien conocida es el sida.
Función del estrés en la respuesta inmunitaria Observaciones clínicas y personales han sugerido durante mucho tiempo una correlación entre los factores psicosociales y la función inmunitaria. De hecho, varios estudios han sugerido que una actitud positiva se asocia con una mejor salud en los supervivientes tanto de cáncer como de sida, mientras que, por el contrario, se ha visto que personas hospitalizadas por depresión presentan una inmunidad disminuida. La relación mente-inmunidad surge a partir de múltiples y complejas interacciones que existen entre el sistema inmunitario, el sistema nervioso y el sistema endocrino.
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CONEXIONES CLÍNICAS
Esclerosis múltiple Las enfermedades autoinmunitarias, como la esclerosis múltiple (EM), se producen cuando el sistema inmunitario identifica erróneamente componentes normales del cuerpo como extraños e inicia una respuesta de ataque. En la EM, el tejido atacado es la mielina, sustancia que envuelve y aísla los axones de las neuronas y es abundante en la sustancia blanca del cerebro y la médula espinal. El nombre de la enfermedad se refiere a las numerosas lesiones o esclerosis (procede del griego, «cicatriz» o «endurecimiento») que se producen como consecuencia de la destrucción de la mielina (desmielinización). Los síntomas de la EM pueden ir de leves a graves, y pueden aparecer en diversas combinaciones, dependiendo de dónde se produce la desmielinización. Generalmente, los síntomas incluyen visión borrosa (o ceguera en un ojo), debilidad muscular y problemas para mantener el equilibrio al caminar (ataxia). Estos síntomas pueden empeorar, dando lugar a una completa incapacidad para caminar o estar de pie. Otros síntomas incluyen espasticidad muscular; temblores; alteraciones de la percepción del dolor, la temperatura y el tacto; trastornos del habla; vértigo, y fatiga. La EM se diagnostica generalmente entre los 20 y 40 años, y se produce más a menudo en mujeres que en hombres.
Como se ha demostrado que el líquido cefalorraquídeo de los pacientes con EM contiene linfocitos T citotóxicos activados (que están ausentes en el líquido cefalorraquídeo de personas sanas), es probable que estas células sean las principales responsables de la desmielinización que tiene lugar en la EM. Sin embargo, pese a los intensos esfuerzos de la investigación, aún no está claro por qué las células T citotóxicas del organismo atacan a su propia mielina. Una posibilidad es que una infección de algún tipo o bien induzca respuestas inmunitarias inapropiadas contra la mielina o bien cause una rotura en la barrera hematoencefálica, que normalmente impide que los linfocitos salgan de los capilares dentro del SNC. Los linfocitos no tienen la oportunidad de desarrollar tolerancia a antígenos propios (incluyendo las proteínas de la mielina), que se encuentran dentro y alrededor del cerebro y la médula espinal; cuando los linfocitos son expuestos posteriormente a estos antígenos, los perciben como extraños y montan respuestas de defensa contra ellos, causando daños irreparables al SNC. Los científicos han estudiado una serie de agentes infecciosos (como los virus del sarampión, las paperas y la rubéola) que pueden inducir respuestas autoinmunitarias típicas de la EM, pero no han podido implicar a ningún agente causal en particular.
Muchas de estas interacciones están bien establecidas. Algunas hormonas esteroideas se sabe que suprimen la respuesta inmunitaria; los corticoesteroides, por ejemplo, reducen el número y la actividad de las células inmunitarias y son potentes agentes antiinflamatorios. Del mismo modo, la investigación con animales salvajes ha demostrado que los productos químicos, como el PCB y el DDT, que se parecen a hormonas endocrinas naturales, reducen la eficacia de las respuestas inmunitarias y aumentan la incidencia de infecciones. Por el contrario, tanto la hormona del crecimiento como las hormonas tiroideas desempeñan un importante papel en el desarrollo de las células T y su función. Los sistemas nervioso, endocrino e inmunitario interactúan en una gran variedad de formas. Por ejemplo, los nervios autónomos inervan órganos linfoides como la médula ósea y el bazo, a menudo terminan en agrupaciones de células B y células T, y los linfocitos tienen receptores para adrenalina y acetilcolina. Además, los linfocitos y los macrófagos secretan citocinas que afectan tanto al sistema nervioso central como al sistema endocrino. Por ejemplo, la IL-1 secretada por los macrófagos induce
El tratamiento, y tal vez incluso la prevención de esta y otras devastadoras enfermedades autoinmunitarias, requiere una mejor comprensión de los mecanismos precisos por los cuales las células B y T responden frente a antígenos extraños sin dejar de ser tolerantes a los tejidos propios del cuerpo. Axones mielinizados
Axones amielínicos
Corte transversal de axones.
fiebre, suprime el apetito, inhibe la función del tiroides y estimula la liberación de hormonas hipofisarias. La correlación entre el estrés y la función inmunitaria continúa demostrándose de varias maneras. Un estudio que puso a prueba las funciones inmunitarias de estudiantes universitarios justo después de unas vacaciones y de nuevo durante sus exámenes finales encontró que sus sistemas inmunitarios se alteraban de varias formas (p. ej., los niveles plasmáticos de interferón eran menores) durante la semana de exámenes.
Test rápido 23.7 1. ¿Qué clase de anticuerpos se inducen en alergias como la fiebre del heno? ¿Cómo provocan estos anticuerpos los síntomas de la alergia? 2. ¿La artritis reumatoide es resultado de una respuesta autoinmunitaria humoral o de una respuesta autoinmunitaria mediada por células? 3. Cita dos órganos linfoides que estén inervados por el sistema nervioso autónomo.
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CONEXIONES CLÍNICAS
Terapia génica para la inmunodeficiencia combinada grave La inmunodeficiencia combinada grave (IDCG) es un trastorno hereditario causado por mutaciones en genes que codifican para proteínas críticas para la inmunidad humoral o para la inmunidad mediada por células. Afecta tanto a hombres como a mujeres, con una frecuencia de alrededor de tres por cada millón de nacidos vivos. Las personas con este trastorno tienen una mayor susceptibilidad a todo tipo de infecciones, lo que requiere su aislamiento de todos los agentes infecciosos. La forma más común de IDCG es la X-IDCG, también conocida como la enfermedad de los «niños burbuja». La X-IDCG es causada por la mutación de un gen que codifica para el receptor de la interleucina-2 (IL2RG), que se encuentra en las células sanguíneas inmaduras (células madre hematopoyéticas) y es necesario para el desarrollo de las células B, las células T y las células citolíticas naturales. El IL2RG está localizado en el cromosoma X. Como las mujeres reciben dos cromosomas X, los dos cromosomas tendrían que estar mutados para producir IDCG. Los hombres, sin embargo, solo reciben un cromosoma X, de forma que son más susceptibles a X-IDCG. El tratamiento más común para IDCG es el trasplante de médula ósea. (La médula ósea contiene células madre hematopoyéticas.) También se pueden administrar antibióticos y, en algunas formas de IDCG, se puede inyectar la proteína deficiente de forma regular. Estos tratamientos, sin embargo, tienen un éxito limitado. El descubrimiento de la terapia génica de sustitución, o terapia génica, ha ofrecido una
nueva esperanza para aquellos que han nacido con enfermedades genéticas, como IDCG. El concepto es simple: si un gen es defectuoso (es decir, si se produce un producto aberrante o niveles inadecuados del mismo), entonces la introducción de una copia funcional del gen (una que dirija la síntesis normal del producto) debería corregir el problema. Para que la terapia génica tenga éxito en el tratamiento de X-IDCG, se debería introducir un IL2RG normal en las células madre hematopoyéticas, y el gen, además, debería replicarse correctamente cuando las células se dividan. Lo ideal sería que las células que llevan el nuevo gen persistieran en el individuo, para que no fueran necesarios tratamientos repetidos. La terapia génica para X-IDCG se lleva a cabo en cuatro pasos: 1) se obtienen las células madre hematopoyéticas de la sangre, médula ósea o cordón umbilical de un bebé o un niño con la enfermedad; 2) las células recogidas son tratadas con una sustancia química que hace que proliferen, generando así más células diana para la inserción del gen; 3) se introduce el gen sano para el receptor de la interleucina-2 en las células, a menudo usando un virus no patógeno como vector, y 4) las células, que producen ahora receptores normales de interleucina-2, se reinsertan en el torrente sanguíneo del niño afectado. El uso de la terapia génica para tratar IDCG está todavía en fase experimental. Los primeros resultados de los ensayos clínicos en el tratamiento de X-IDCG han sido prometedores, permitiendo a algunos niños vivir fuera
de su «burbuja» de protección del medio ambiente. Sin embargo, los científicos siguen preocupados acerca de los virus utilizados para transportar los genes a las células humanas. En 2003, dos de los once niños del ensayo clínico murieron por una leucemia de células T causada por una inserción inapropiada del virus en las células madre hematopoyéticas. Como consecuencia, la Food and Drug Administration norteamericana paralizó de forma temporal los ensayos clínicos con terapia génica que utilizaban vectores retrovirales (el tipo utilizado en el tratamiento de X-IDCG). Estos ensayos clínicos se han reanudado y dan esperanza para los tratamientos de enfermedades genéticas debilitantes, de larga duración y a menudo mortales. Sin embargo, es necesario que continúe la investigación para garantizar la seguridad de la terapia génica y de todos los nuevos tratamientos que se van desarrollando.
Rhys Evans, uno de los primeros pacientes que recibieron terapia génica como tratamiento de IDCG.
RESUMEN DEL CAPÍTULO Los componentes del sistema inmunitario, los tejidos linfoides, los leucocitos y las moléculas que producen actúan juntos para generar y regular las respuestas inmunitarias. La función de la respuesta inmunitaria es doble: por un lado, eliminar las sustancias extrañas del organismo y, por otro, producir inmunidad a largo plazo hacia enfermedades infecciosas.
Anatomía del sistema inmunitario, pág. 668 Hay cinco tipos principales de leucocitos. Los neutrófilos, monocitos y macrófagos
(que derivan de los monocitos) son fagocíticos, que tragan y destruyen sustancias extrañas y desechos. Los eosinófilos y basófilos defienden contra parásitos grandes y también están involucrados en las reacciones alérgicas. Los linfocitos se dividen en linfocitos B (células B), linfocitos T (células T) y células nulas. Mientras que las células B y T poseen especificidad, las células nulas son inespecíficas. La mayoría de células nulas son grandes linfocitos granulares conocidos como células citolíticas naturales, que suponen una importante y temprana defensa contra la infecciones virales. Los leucocitos
maduran en los tejidos linfoides centrales (médula ósea y, en el caso de las células T, timo). Los tejidos linfoides periféricos exhiben una estructura en forma de red que atrapa sustancias extrañas presentes en la sangre (bazo), líquido linfático (ganglios linfáticos), aire (amígdalas, adenoides), y alimentos y agua (apéndice y placas de Peyer).
Organización de las defensas del cuerpo, pág. 670 Cuando un agente infeccioso logra superar la primera línea de defensa (p. ej., piel y
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mucosas), se enfrenta tanto a las defensas inespecíficas como a las respuestas inmunitarias. Las defensas inespecíficas proporcionan rápidamente al organismo la mayoría de defensas contra la infección o lesión. En la inflamación, el oxígeno, los nutrientes, las moléculas defensivas y las células fagocíticas son atraídas a la región afectada. Los interferones, secretados por las células infectadas por los virus, protegen a las células circundantes sanas de la infección, mientras que las células citolíticas naturales pueden reconocer y matar células infectadas por el virus. El sistema del complemento se activa cuando la primera de una serie de proteínas del complemento se une a ciertos tipos de bacterias, lo que lleva a la lisis bacteriana. La cascada del complemento también puede activarse por anticuerpos, por lo que contribuye tanto a la defensa inespecífica como a la respuesta inmunitaria. Las células B y las células T dotan a la respuesta inmunitaria de las siguientes características: especificidad, diversidad, memoria y tolerancia. Hay dos tipos de respuesta inmunitaria: la respuesta humoral y la respuesta celular.
Inmunidad humoral, pág. 679 La respuesta humoral es el resultado de la activación de la célula B. En contacto con el antígeno específico, las células B proliferan y se convierten en células B de memoria de larga duración y en células plasmáticas de corta duración. Mientras que las células de memoria proporcionan inmunidad a largo plazo hacia esos antígenos, las células plasmáticas secretan anticuerpos que se unen y marcan el antígeno, y luego reclutan otras defensas (como las células fagocíticas) para destruirlo.
Inmunidad mediada por células, pág. 681 La respuesta celular se produce cuando las células T citotóxicas detectan un antígeno
específico presentado por una molécula CPH de clase I (en una célula infectada por bacterias o virus o en una célula tumoral) y se convierten en células asesinas activas. Las células T citotóxicas destruyen sus blancos de dos maneras: por liberación de perforinas, que forman poros en la membrana celular afectada, y por liberación de fragmentinas, que entran en la célula y provocan apoptosis. Ambas, la respuesta humoral y celular, son compatibles y están reguladas por citocinas secretadas por los linfocitos T activados. Las células T cooperadoras son activadas para proliferar y secretar citocinas específicas cuando entran en contacto con un antígeno presentado por una molécula CPH de clase II (en macrófagos, células dendríticas o células B). Al mismo tiempo, se generan células T de memoria de larga duración. Así, las respuestas de los linfocitos T colaboradores, linfocitos T citotóxicos y células B se coordinan para la eliminación específica y la inmunidad a largo plazo de los antígenos.
Respuesta inmunitaria en estados de salud y de enfermedad, pág. 684 El objetivo de la vacunación o inmunización es proporcionar protección contra la infección. Tanto la inmunización como la infección natural inducen lo que se conoce como inmunidad activa, porque dependen de la respuesta del propio sistema inmunitario de la persona y generan memoria contra ese agente. La inmunidad pasiva, en cambio, se genera cuando los anticuerpos se transfieren de una persona a otra. Estos anticuerpos ya sintetizados marcan y median de inmediato la eliminación de los antígenos para los que son específicos. La inmunización pasiva se utiliza cuando una bacteria o virus peligroso ha entrado en el organismo de un individuo que todavía no es inmune a ella. La capacidad del sistema inmunitario para distinguir entre lo propio y lo no propio limita nuestra capacidad para compartir
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tejidos a través de transfusiones de sangre y trasplantes. Por ejemplo, una reacción transfusional se produce cuando los anticuerpos inducen la lisis de los glóbulos rojos que no se corresponden. Del mismo modo, un rechazo a un injerto puede producirse cuando las moléculas HLA, o CPH, que difieren de persona a persona, no se ajustan correctamente. La supervivencia de un injerto requiere hacer coincidir lo mejor posible los HLA y el uso de medicamentos inmunosupresores para disminuir las respuestas inmunitarias del receptor. El trasplante de médula ósea plantea un problema particular cuando los tejidos no se corresponden: la médula donada, que contiene linfocitos, puede producir una respuesta inmunitaria contra el receptor, que resulta en un tipo de rechazo conocido como reacción injerto contra huésped. La disfunción inmunitaria puede provocar alergias, enfermedades autoinmunitarias o inmunodeficiencias. Una alergia es resultado de una respuesta exagerada a un antígeno del medio ambiente (alérgenos). Las enfermedades autoinmunitarias ocurren cuando el sistema inmunitario reacciona contra lo propio, como en la artritis reumatoide o la esclerosis múltiple. Las inmunodeficiencias pueden producirse cuando un componente de la inmunidad se encuentra incapacitado por una condición heredada o adquirida. Las inmunodeficiencias pueden afectar a la función inmunitaria humoral o a la función inmunitaria celular, o a ambas (como en la inmunodeficiencia combinada grave [IDCG]). Las pruebas sugieren que el sistema inmunitario, el sistema nervioso y el sistema endocrino están fisiológicamente relacionados. Se ha demostrado que hay mecanismos neuroendocrinos que regulan las respuestas inmunitarias y, a su vez, las respuestas inmunitarias pueden provocar cambios tanto en las funciones endocrinas como neuronales.
EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Cuál de los siguientes procesos daría lugar a la inmunodeficiencia más grave? a) falta de IgG b) falta de neutrófilos c) falta de células B d) falta de células T citotóxicas e) falta de células T colaboradoras 2. ¿Cuál de las siguientes moléculas puede opsonizar antígenos? a) receptor de células T b) interferón c) anticuerpo d) perforina e) interleucina-2
3. Los linfocitos entran en contacto con antígenos extraños en todos los tejidos siguientes, excepto en a) la médula ósea. b) el bazo. c) los ganglios linfáticos. d) el apéndice. e) las placas de Peyer. 4. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones no es verdad sobre la inmunidad humoral? a) Implica a células B. b) Implica a anticuerpos. c) Implica a células T citotóxicas. d) Puede proporcionar inmunidad pasiva cuando se transfiere de una persona a otra.
5. Los macrófagos a) tienen moléculas CPH de clase I. b) tienen moléculas CPH de clase II. c) son fagocíticos. d) participan de forma indirecta en la inmunidad específica. e) todas las respuestas son correctas 6. Las células T citotóxicas activadas liberan moléculas formadoras de poros llamadas a) histaminas. b) proteínas del complemento. c) perforinas. d) inmunoglobulinas. e) porinas.
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Sistema inmunitario
7. Un individuo con el grupo sanguíneo AB a) se considera un donante de sangre universal. b) se considera un receptor de sangre universal. c) produce anticuerpos contra el antígeno B. d) produce anticuerpos contra el antígeno A. e) es Rh positivo. 8. ¿Cuál de los siguientes acontecimientos pueden dar lugar a inmunidad de por vida? a) paso de anticuerpos maternos a un feto en desarrollo b) respuesta inflamatoria frente a una astilla c) fagocitosis de bacterias por neutrófilos d) administración de la vacuna contra la polio e) administración de anticuerpos contra el virus de la rabia 9. Los antígenos externos fagocitados por los macrófagos son presentados por moléculas CPH de a) clase I a células T citotóxicas. b) clase II a células T colaboradoras. c) clase I a células T colaboradoras. d) clase II a células CD8. e) clase II a células T citotóxicas. 10. De los siguientes acontecimientos, ¿cuál se produce más temprano en el proceso de inflamación local? a) aumento de la permeabilidad capilar b) fiebre c) ataque por células T citotóxicas d) liberación de histamina e) lisis de los microbios mediada por anticuerpos y por el complemento 11. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones no es verdad sobre los linfocitos T colaboradores? a) Actúan tanto en la respuesta inmunitaria mediada por células como en la respuesta inmunitaria humoral. b) Secretan anticuerpos. c) Llevan moléculas CD4 en su superficie. d) Son susceptibles a la infección por VIH. e) Cuando se activan, secretan IL-2 y otras citocinas.
a) b) c) d)
miastenia grave esclerosis múltiple diabetes mellitus artritis reumatoide
Preguntas objetivas 1. Completa los espacios en blanco con la abreviatura para el tipo celular que media la función indicada: linfocitos T colaboradores (TH), linfocitos T citotóxicos (Tc), linfocitos B (B) o macrófagos (M). a) ————: fagocitosis b) ————: secreción de citocinas como la IL-2 c) ————: muerte de células infectadas por virus d) ————: unión específica a virus libres e) ————: diferenciación en células plasmáticas secretoras de anticuerpos 2. Completa los espacios en blanco con la abreviatura que se aplica a la situación indicada: respuesta inmunitaria humoral (H), respuesta mediada por células (C), ambas (A) o ninguna (N). a) ————: se produce en una infección viral b) ————: implica la producción de anticuerpos c) ————: implica la actividad fagocítica de los neutrófilos d) ————: implica la destrucción de células infectadas por virus e) ————: implica a células T CD8 3. Una persona que experimenta reacciones alérgicas con peligro de muerte al veneno de la picadura de abejas podría ser objeto de un fármaco en experimentación diseñado para (bloquear/aumentar) la unión de IgE a mastocitos. 4. Cuando un macrófago es infectado por un virus, el antígeno viral será presentado por moléculas CPH de clase (I/II) a un linfocito T (colaborador/citotóxico). 5. Existen evidencias de las interacciones entre el sistema inmunitario, el sistema nervioso y el sistema endocrino. (verdadero/falso)
12. La IL-2 es importante para la activación de todos los tipos celulares siguientes, salvo a) las células B. b) las células T citotóxicas. c) las células citolíticas naturales. d) las células T colaboradoras. e) los macrófagos.
6. Una joven que nunca ha sido inmunizada contra el tétanos se corta el pie con un clavo oxidado. En urgencias se le limpia la herida y se le pone una inyección de antitoxina tetánica —anticuerpos contra la toxina del tétanos—. Esto se considera inmunización (activa/pasiva).
13. ¿Cuál de las siguientes es una enfermedad autoinmunitaria en la que las neuronas con mielina se convierten en el blanco de la respuesta inmunitaria?
7. Los macrófagos internalizan antígenos extraños por (endocitosis/fagocitosis), mientras que las células B lo hacen por (endocitosis/fagocitosis).
8. Una persona que ha sufrido una timectomía como tratamiento para un tumor del timo experimentará probablemente una reducción en el número de células (T/B).
Preguntas abiertas 1. Observas que el área que rodea un corte en la mano se ha enrojecido y está caliente e hinchada. Describe brevemente los procesos que conducen a estos síntomas de la inflamación. 2. ¿A través de qué órganos linfoides viajará una célula T madura, destinada a activarse durante su vida? Indica brevemente la función de cada uno de los órganos que has dicho. 3. Las respuestas inmunitarias presentan cuatro características, todas atribuidas a la función de los linfocitos. Enumera las cuatro características y discute cómo se producen. 4. Dibuja un diagrama que muestre la función principal de los linfocitos T tanto en la respuesta inmunitaria humoral como en la mediada por células.
Pensamiento crítico 1. Considera la posibilidad de un antígeno artificial sencillo que contenga dos epítopos diferentes. Describe y haz un esquema del proceso de selección clonal que se da conforme las células B específicas para estos epítopos son seleccionadas por el antígeno y estimuladas para proliferar y diferenciarse en células B de memoria y células plasmáticas. Haz también un esquema de cómo los anticuerpos secretados interactúan con este antígeno. 2. Un niño que ha experimentado múltiples infecciones bacterianas desde su nacimiento ha sido diagnosticado con una deficiencia de macrófagos. Describe el efecto que esta deficiencia tiene en las defensas inespecíficas y en las respuestas inmunitarias del bebé. ¿Crees que una deficiencia de neutrófilos presentaría un estado de inmunodeficiencia más grave o menos grave? 3. Un niño necesita un trasplante de riñón. Sus padres y sus dos hermanos mayores están dispuestos a donar. La tipificación del tejido revela que su padre tiene el genotipo HLA «8,9» (una copia del gen HLA es «8», la otra es «9») y su madre tiene un genotipo HLA «2,6». Teniendo en cuenta que un niño hereda una copia del gen HLA de cada progenitor, ¿cuál es el mejor donante potencial, un padre o un hermano? ¿Es posible tener un 100% de coincidencia de HLA entre donante y receptor?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Diabetes mellitus A los 10 años, Lola le puso a Javier su primera inyección de insulina. Javier era un chico delgado y Lola había notado que orinaba con mucha frecuencia y bebía
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de forma excesiva. Su nivel de actividad física también estaba disminuyendo. Lola llevó a Javier al médico, quien inmediatamente reconoció el olor afrutado del aliento de Javier, signo de cetoacidosis. El doctor solicitó un análisis de orina y otro de sangre. El de orina dio positivo para glucosa y cetonas y el de sangre mostró un nivel elevado de glucosa y hemoglobina glucosilada. La sangre también dio positivo para el antígeno leucocitario humano. El diagnóstico de Javier fue diabetes mellitus de tipo 1. Al principio, Lola está horrorizada con la idea de que su hijo creciese con esta enfermedad crónica. Sin embargo, el doctor le aseguró que, con los cuidados adecuados, Javier podría llevar una vida normal. Ahora, con 17 años, Javier controla su glucosa en sangre (glucemia) y se administra sus propias dosis de insulina. Juega al fútbol en un equipo federado y participa en un grupo de teatro. Saca muy buenas notas y está a punto de comenzar la universidad.
CONTENIDOS Clasificación de la diabetes mellitus Efectos graves de la diabetes mellitus
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Complicaciones crónicas de la diabetes mellitus: fase temprana 696 Complicaciones crónicas de la diabetes mellitus: fase avanzada 697
Microfotografía electrónica de transmisión en color del páncreas que muestra varias células de un islote de Langerhans.
Progresión de la diabetes mellitus a estados críticos 700 Retraso en la cicatrización de las heridas 701 Tratamiento y manejo de la diabetes mellitus
703
Investigaciones actuales sobre la diabetes mellitus
704
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Diabetes mellitus
OBJETIVOS
Encéfalo: obnubilación, coma Ojo: retinopatía
Describir las diferentes causas de la diabetes mellitus de tipo 1 y tipo 2.
Describir las manifestaciones iniciales de la diabetes mellitus.
Describir las causas y efectos de la cetoacidosis.
Describir los diferentes mecanismos por los que la diabetes puede provocar el coma.
Corazón: miocardiopatía
Describir cómo la hiperglucemia causa muchos de los efectos adversos en la diabetes.
Riñones: nefropatía, proteinuria, poliuria
Explicar cómo las lesiones de la microvasculatura tienen efectos adversos en la diabetes.
Tubo gastrointestinal: polifagia
Describir el proceso normal de curación de las heridas y la forma en la que se ve afectado por la diabetes.
Gónadas: impotencia
Describir los tratamientos actuales para la diabetes.
Describir algunos campos nuevos de investigación sobre la diabetes.
Antes de empezar… Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
Vasos sanguíneos: lesión microvascular o macrovascular, aterosclerosis
Nervios periféricos: neuropatía
1. Mecanismo de acción de las hormonas, pág. 160 2. Liberación de insulina, pág. 612 3. Acción de la insulina, pág. 613 4. Manejo renal de la glucosa, pág. 522
Pies: úlceras
5. Regulación de la glucosa en sangre, pág. 536 6. Páncreas endocrino, pág. 156 7. Osmolaridad, pág. 113
FIGURA 24.1 Efectos de la diabetes en los órganos de todo el cuerpo.
8. Enfermedad autoinmunitaria, pág. 687 9. Capilares y vénulas, pág. 411 10. Sistema nervioso periférico, pág. 167
E
n el capítulo 1 hablamos sobre el aumento del número de casos de diabetes mellitus en Estados Unidos y el resto del mundo. En Estados Unidos, 24 millones de personas padecen diabetes, un incremento del 13,5% en tan solo unos años. En los siguientes capítulos, vimos diversos efectos de la diabetes en los diferentes sistemas orgánicos, resumidos en la figura 24.1. Ahora veremos con más detalle el desarrollo de la enfermedad y cómo ataca a los sistemas de órganos.
Clasificación de la diabetes mellitus En la actualidad se distinguen dos categorías de diabetes mellitus: la de tipo 1 (antes conocida como insulinodependiente) o diabetes mellitus de comienzo juvenil; y la de tipo 2 (antes conocida como no insulinodependiente) o diabetes mellitus de comienzo adulto. Como se deduce de estas nomenclaturas, estas enfermedades variaban en su causa y comienzo.
Diabetes mellitus de tipo 1 La diabetes mellitus de tipo 1 (DM tipo 1) es una enfermedad autoinmunitaria en la que el sistema inmunitario ataca a las
células beta del páncreas, provocando la pérdida de la secreción de insulina de estas células. Los antígenos que ataca de forma más común son la proinsulina, la ácido glutámico descarboxilasa y otras proteínas de los islotes de Langerhans. El motivo de esta respuesta inmunitaria errónea parece tener en parte una base genética, ya que los antecedentes familiares de la diabetes indican una predisposición para la enfermedad. La investigación brindada por la obtención del «Proyecto del genoma humano» identificó mutaciones en 18 loci diferentes como causas de la predisposición a la diabetes mellitus. Uno de los códigos de estos loci corresponde las proteínas del antígeno leucocitario humano del complejo principal de histocompatibilidad, que es la base del reconocimiento de lo propio frente a lo ajeno. Sin embargo, con toda certeza, en otros casos de DM tipo 1, la genética no es la causa. Por ejemplo, si un gemelo tiene diabetes mellitus de tipo 1, solo hay un 30-50% de probabilidad de que su gemelo o gemela tenga la misma enfermedad. La genética tampoco puede explicar los recientes aumentos de la incidencia de la DM tipo 1, como el incremento del 50% en el número de casos en Estados Unidos en los últimos 20 años. Las infecciones virales pueden ser otra causa de DM tipo 1, ya que pueden desenmascarar la predisposición de DM tipo 1. Las infecciones virales del tubo digestivo son especialmente sospechosas, y el virus Coxsackie B es el que con mayor probabilidad causa la DM tipo 1. Se piensa que estos virus infectan las células beta, induciendo un ataque inmunológico contra ellas. Otros
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Diabetes mellitus
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TABLA 24.1 Diabetes mellitus de tipo 1 y de tipo 2 Diabetes mellitus de tipo 1
Diabetes mellitus de tipo 2
Nomenclatura anterior
DM insulinodependiente DM de comienzo juvenil
DM insulinoindependiente DM de comienzo adulto DM no insulinodependiente
Patología
Enfermedad autoinmunitaria de las células beta pancreáticas que provocan la liberación insuficiente de insulina a la sangre
Resistencia tisular a la insulina
Edad de comienzo
Adolescencia a primera fase de adulto
Adulto, pero la incidencia infantil va en aumento
Diagnóstico clínico
Disminución de la insulina en sangre Incremento de glucosa en sangre, Trastorno de la tolerancia a la glucosa Aumento de la hemoglobina A1C Presencia de anticuerpos de los componentes de las células beta
Insulina en sangre normal o elevada (puede descender a medida que progresa la enfermedad) Glucosa en sangre elevada Trastorno de tolerancia a la glucosa Aumento de la hemoglobina A1C Ausencia de anticuerpos frente a las células beta
Familiar
Un 30-50% de concordancia en gemelos idénticos Antecedentes familiares en el 10%
Un 60-80% de concordancia en gemelos idénticos Antecedentes familiares en más del 50%
Complicaciones
Hiperglucemia, que provoca un aumento de la glucosilación de las proteínas Cetoacidosis común
Hiperglucemia, que provoca un aumento en la glucosilación de las proteínas Cetoacidosis rara
Tratamiento
Insulina obligatoria en todos los casos Dieta Ejercicio
Administración ocasional de insulina Dieta Ejercicio
virus, como los responsables de la rubéola, la parotiditis y el virus de Epstein-Barr, no infectan las células beta, sino que inducen la respuesta inmunológica que ataca a los antígenos de la célula beta. Sea mediante inducción genética o vírica, el sistema inmunitario destruye las células beta, de forma que la secreción de insulina es insuficiente para regular la glucosa en sangre. Este proceso deriva en una hiperglucemia y muchos otros síntomas. El desarrollo es progresivo, y los primeros síntomas pueden aparecen desde los 7 años hasta la primera etapa adulta. En la mayoría de casos, para cuando se diagnostica la DM tipo 1, la mayoría de células beta están destruidas.
Diabetes mellitus de tipo 2 La diabetes mellitus de tipo 2 (DM tipo 2) se asocia con la resistencia a la insulina: las células diana de la insulina muestran una respuesta disminuida a la insulina. El motivo de resistencia a la insulina se desconoce, pero se han identificado muchos factores que predisponen a ella. La genética parece desempeñar una función más importante en la DM tipo 2 en comparación con la DM tipo 1. Más de la mitad de todos los niños que desarrollan DM tipo 2 tienen algún familiar afectado por la misma enfermedad. El estilo de vida también tiene un peso importante, ya que el sedentarismo y la obesidad facilitan el desarrollo de esta enfermedad. El aumento de la incidencia de DM tipo 2 es la primera causa de diabetes epidémica. Aunque la DM tipo 2 se desarrolla generalmente después de los 45 años (la incidencia aumenta con la edad), la edad a la que se diagnostica está disminuyendo. En 1988, la edad media a la que se diagnosticaba era de 52 años, pero en 2000 esa edad bajó a los 46 años. Asimismo, el número de niños con DM tipo 2 va en aumento. La tabla 24.1 resume las principales diferencias entre la DM tipo 1 y tipo 2.
Test rápido 24.1 1. ¿Cuál tiene mayor incidencia, la DM tipo 2 o tipo 1? 2. ¿Qué forma de diabetes depende más de los antecedentes familiares de la enfermedad?
Efectos graves de la diabetes mellitus La diabetes mellitus es una enfermedad crónica. Se asocia a complicaciones graves que suelen alterar todo el metabolismo del organismo, como se describe a continuación.
Cetoacidosis diabética Aunque más común en la DM tipo 1, la cetoacidosis puede aparecer tanto en la DM tipo 1 como tipo 2 durante un cuadro de hiperglucemia desencadenado por un nivel bajo de insulina o la disminución de la respuesta a la insulina del tejido diana. La cetoacidosis es un resultado directo de la alteración del metabolismo y un resultado indirecto de la liberación de adrenalina. Durante la hiperglucemia, la mayoría de las células del organismo no pueden utilizar la abundancia de glucosa en sangre sin la insulina. La lipólisis libera ácidos grasos a la sangre para que las células los cojan y los usen como fuente de energía alternativa a través de la betaoxidación. Los productos que resultan de esta betaoxidación viajan hasta el hígado y se convierten en cetonas, provocando la cetoacidosis. La hiperglucemia induce indirectamente la liberación de adrenalina en respuesta a la presión arterial baja. Un efecto de la hiperglucemia es un aumento de la producción de orina debido al empuje osmótico del exceso de glucosa filtrada en el agua. La consiguiente hipovolemia disminuye la presión arterial y los barorre-
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ceptores del seno carotídeo y del cayado aórtico, así como los receptores de volumen en la aurícula derecha responden y comunican estos descensos a los centros de control cardiovascular bulbares (v. capítulo 14). Para restablecer el volumen sanguíneo y la presión arterial a un valor normal, se activa el sistema nervioso simpático y se libera adrenalina en la médula suprarrenal. La adrenalina (y el glucagón, el cortisol y la hormona del crecimiento) actúan en el hígado para facilitar la gluconeogenia y la glucogenólisis, lo que moviliza la glucosa como fuente de energía, lo que aumenta todavía más la hiperglucemia. La adrenalina fomenta la lipólisis del tejido adiposo, aumentando los ácidos grasos libres a una velocidad hasta diez veces superior de lo normal en un esfuerzo de suministrar energía adecuada a las células. También se forman cetonas en el hígado mediante la oxidación incompleta de los ácidos grasos. Esta cetogenia aumenta el nivel sanguíneo de cetonas. La subida de ácidos grasos disminuye la oxidación de las cetonas en los tejidos periféricos, aumentando así el nivel sanguíneo de cetonas. Las cetonas son ácidos, por lo que se produce una cetoacidosis. En diabéticos, las cetonas se excretan en la orina junto con la glucosa, lo que incrementa la fuerza osmótica y determina una mayor excreción de agua. Por consiguiente, la cetoacidosis puede ser causa de deshidratación y, por tanto, de un desequilibrio electrolítico. Otros síntomas de la cetoacidosis son la taquipnea (respiración rápida), ya que el aparato respiratorio intenta compensar la acidosis metabólica (v. capítulo 17) y la halitosis cetósica (aliento afrutado). La cetoacidosis puede ser grave cuando la diabetes está acompañada de trastornos precipitantes, como infecciones, traumatismos, estrés emocional y consumo de alcohol. Si no se soluciona bien, la cetoacidosis puede provocar una insuficiencia cardiovascular, coma y muerte. El tratamiento consiste en rehidratación con líquidos y electrólitos, administración de insulina, suplementos de glucosa y tratamiento de la causa que la desencadenó. También puede administrarse bicarbonato en casos graves.
Coma hiperosmolar no cetósico Los pacientes más mayores con diabetes pueden padecer un coma hiperosmolar no cetósico cuando su nivel de glucosa se dispara desmesuradamente a un rango de entre 600 y 2.400 mg/dl. Estas concentraciones tan elevadas hacen que se pierda más glucosa y más agua en la orina, deshidratando a la persona de forma aguda. Esta deshidratación condiciona un descenso del volumen sanguíneo, que, a su vez, disminuye el flujo sanguíneo a los tejidos. Si los tejidos no reciben la sangre y el oxígeno necesarios, las células entran en glucólisis anaerobia como medio de producción energética. Esta forma alternativa de generar energía puede producir una ligera acidosis. Si se pierde bastante líquido como para que aumente la osmolaridad de la sangre a un nivel superior a 325 mOsm, es probable que el paciente entre en coma. El coma hiperosmolar no cetósico evoluciona de forma más lenta que la cetoacidosis. Dado que la persona es mayor, la respuesta simpática al descenso de volumen sanguíneo y la presión arterial es relativamente débil, y por eso los ácidos grasos no se elevan como lo hacen en la cetoacidosis. El principal riesgo del coma hiperosmolar no cetósico es la coagulación sanguínea. Muchas personas mayores tienen aterosclerosis, que supone que sus plaquetas tienden a coagular con más facilidad, elevando la posibilidad de la formación de un trombo. El tratamiento del coma hiperosmolar no cetósico es semejante al de la cetoacidosis: se deben reponer líquidos y electrólitos. Se utilizan inyecciones de insulina para disminuir la glucosa en sangre.
Coma hipoglucémico Una de las consecuencias más graves de la diabetes es el coma hipoglucémico. El coma hiperglucémico antes descrito estaba provocado por la falta o el nivel muy bajo de insulina, es decir, la diabetes causaba el coma. Por el contrario, el coma hipoglucémico no está causado por la diabetes en sí, sino por el tratamiento de la diabetes, en concreto por la administración de un exceso de insulina. La hipoglucemia, definida como un nivel de glucosa en sangre de menos de 50 mg/dl, puede derivar de un uso inapropiado de la medicación de la diabetes mellitus. Dado que el sistema nervioso depende de la glucosa como fuente de energía, los síntomas afectan a todos los sistemas del organismo y varían con la magnitud de la hipoglucemia. Los síntomas son náuseas, hambre, frío o piel húmeda, hormigueos, temblores y taquicardias en las formas leves y visión borrosa, confusión, mareos, ansiedad, coordinación pobre, obnubilación y adormecimiento en la fase avanzada. Si se deja evolucionar, la hipoglucemia puede provocar convulsiones y pérdida del conocimiento, que puede evolucionar hasta el coma. Una persona que muestre signos tempranos de hipoglucemia debería tomar lentamente hidratos de carbono simples en zumos de fruta, refrescos, caramelos u otras fuentes rápidas de azúcar.
Test rápido 24.2 1. ¿Cómo se producen las cetonas y cuáles son sus efectos adversos en el organismo? 2. ¿Qué provoca el coma hipoglucémico?
Complicaciones crónicas de la diabetes mellitus: fase temprana Al principio del desarrollo de la diabetes, los síntomas son moderados y la enfermedad suele pasar sin diagnosticar. Los primeros síntomas son las «tres polis»: poliuria (exceso de micción), polidipsia (sed excesiva) y polifagia (comer desmesuradamente). Recordemos del capítulo 18 que el agua se mueve de forma pasiva hacia dentro y hacia fuera de los túbulos renales según gradientes osmóticos. Cuando el soluto excretado en la orina aumenta, tiende a empujar más agua por ósmosis. Normalmente, no se excreta glucosa en la orina, sino que toda la glucosa se reabsorbe en el túbulo proximal. Sin embargo, en la diabetes mellitus, el nivel sanguíneo de glucosa excede el umbral renal de la reabsorción de glucosa, haciendo que quede algo de glucosa en los túbulos renales, incrementando, por tanto, la fuerza osmótica del movimiento del agua hacia la luz. De esta forma, la poliuria es secundaria a la hiperglucemia. La poliuria aumenta la pérdida de agua, que tiende a disminuir el volumen plasmático y la presión arterial. Recordemos que un descenso de la presión arterial incrementa el nivel de angiotensina II, el vasoconstrictor sanguíneo más potente. Aparte de su efecto vasoconstrictor, la angiotensina II actúa en los centros de la sed del hipotálamo anterior, desencadenando la polidipsia. La polifagia puede ser consecuencia directa de la diabetes mellitus o de la hiperglucemia asociada a la diabetes. Recordemos del capítulo 21 que la insulina es la hormona del estado de saciedad. Aparte de sus efectos metabólicos, la insulina suprime el hambre por su acción en el hipotálamo. La insulina se libera
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tras la comida, con la presencia de glucosa y otros nutrientes en la sangre. En el estado de saciedad, las moléculas pequeñas de nutrientes se convierten en moléculas de almacenaje. Sin embargo, con la disminución de la actividad insulínica, el organismo no reconoce la sensación de saciedad. Algunos estudios sugieren que la hiperglucemia también disminuye los efectos sobre la saciedad de la colecistocinina (CCK). Aunque la polifagia debería incrementar el peso corporal, la mayoría de personas que padecen DM tipo 1 suelen estar malnutridos y tienen un bajo peso. El trastorno insulínico evita que el hígado y los adipocitos utilicen la glucosa para almacenar energía.
Test rápido 24.3 1. Durante la hiperglucemia, ¿aumenta o disminuye el nivel de angiotensina II? 2. ¿Cuáles son las dos hormonas que inducen la saciedad?
Complicaciones crónicas de la diabetes mellitus: fase avanzada La diabetes mellitus puede controlarse en mayor medida mediante la dieta y otros cambios de estilo de vida. La insulina y otros medicamentos son necesarios para controlar la DM tipo 1 y pueden usarse para controlar la DM 2 en su etapa avanzada. La clave para prevenir los síntomas avanzados es conseguir un buen control del nivel de glucosa. Ya que la evolución de la enfermedad se describe a continuación, es importante comprender que mucha gente con diabetes puede evitar los síntomas más graves gracias a una buena gestión de la glucosa en sangre.
Efectos adversos de la hiperglucemia La hiperglucemia tiene muchos efectos adversos sobre el organismo. En primer lugar, se relaciona con la incapacidad de las células para captar la glucosa y usarla como energía. Sin el uso de glucosa, las células ven restringidas sus fuentes de energía, lo que, a su vez, limita sus actividades. Aunque la mayoría de las células pueden utilizar ácidos grasos para la producción de energía, para ello el tejido adiposo (y en menor grado el hígado) debe liberar ácidos grasos en lipoproteínas que lleven lípidos (incluyendo colesterol) a las células. Esto lleva su tiempo, y también aumenta el nivel de colesterol en sangre, fomentando la aterosclerosis. De esta forma, el metabolismo energético es más lento y la fatiga aparece más rápidamente. En segundo lugar, la glucosa puede reaccionar con varias proteínas en el organismo mediante la glucosilación, la adición no enzimática de glucosa a una proteína, para formar productos finales de la glucosilación avanzada. En el capítulo 1 vimos cómo la glucosilación de la hemoglobina para formar hemoglobina A1C (HbA1C) se usa como marcador de la diabetes. Casi todas las proteínas del organismo pueden experimentar la glucosilación, que interfiere con la actividad de la proteína. Por ejemplo, la glucosilación de la fibronectina, una proteína que actúa en la cicatrización de heridas, interfiere con el proceso de cicatrización. Otros efectos perjudiciales de los productos finales de la glucosilación avanzada en la diabetes son el aumento de permeabilidad, trastornos de las respuestas vasodilatadoras mediadas por el óxido nítrico, aterosclerosis, nefropatía, neuropatía, niveles elevados de lipoproteínas de baja densidad (LDL) que transpor-
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tan el colesterol a las células del organismo, aumento del estrés oxidativo, inducción de las citocinas que causan angiogenia y aumento de la mutación de ADN. La glucosilación es un proceso reversible, así que está sujeto a la ley de acción de masas. En estado hiperglucémico, la ley de acción de masas desplaza la reacción hacia la glucosilación. En tercer lugar, la glucosa, en una concentración alta, puede convertirse en sorbitol y fructosa mediante la vía del poliol. A un nivel sanguíneo normal, las células usan glucosa para generar ATP mediante glucólisis o la convierten en glucógeno para almacenarla. Sin embargo, en estado hiperglucémico, la glucosa puede entrar en la vía de los polioles, que convierte los monosacáridos como la glucosa en su forma de alcohol llamada poliol (el sorbitol es el poliol de la glucosa) (fig. 24.2). La enzima que limita la velocidad que se encuentra en la vía del poliol es la aldosa reductasa. La glucosa no suele entrar en la vía de los polioles, porque la hexocinasa (la primera enzima de la glucólisis) tiene mucha más afinidad con la glucosa que con la aldosa reductasa. Una vez sintetizado el sorbitol, la enzima sorbitol deshidrogenasa puede convertirlo en fructosa. La creencia de que la entrada de glucosa en la vía del poliol contribuye en los síntomas diabéticos está avalada por la presencia de aldosa reductasa en determinados tejidos dañados por la diabetes (como la retina, el cristalino, la córnea, el riñón, las células de Schwann y el endotelio) y la efectividad de los inhibidores de la aldasa reductasa en el tratamiento de algunas complicaciones de la diabetes (analizadas en este capítulo más adelante). La vía de los polioles contribuye a los efectos adversos de la diabetes, generando estrés oxidativo. Por ejemplo, los dos pasos controlados por enzimas de la vía de los polioles generan intermediarios que aumentan la producción de especies reactivas de oxígeno. En el primer paso de la vía de poliol, el NADPH se oxida en NADP. La presencia de NADPH es un factor limitante de la velocidad de síntesis del glutatión, un antioxidante. El sorbitol también tiene efectos adversos en algunos tejidos, principalmente porque no puede atravesar las membranas celulares y se acumula en las células. Por ejemplo, la acumulación del sorbitol en el cristalino crea un gradiente de presión osmótica que hace entrar agua en él, lo que lleva, posiblemente, a la formación de cataratas. Por último, la hiperglucemia incrementa la producción de radicales libres y el estrés oxidativo. El estrés oxidativo tiene muchos efectos adversos en el organismo (v. «Conexiones clínicas: Antioxidantes y el problema de los radicales libres», pág. 82), incluyendo la activación de la proteína cinasa C, que activa enzimas que producen diversos agentes vasodilatadores. La vasodilatación causa la hiperperfusión de tejido, lo que deriva en lesión microvascular. De hecho, todos los efectos descritos anteriormente en el análisis de la hiperglucemia fomentan las lesiones de la microvasculatura (fig. 24.3).
Efectos de la diabetes mellitus en la microvasculatura La diabetes mellitus afecta a los vasos sanguíneos de todo el organismo, contribuyendo a la expansión de los efectos de esta enfermedad. El mecanismo exacto de la patología vascular difiere entre la DM tipo 1 y la DM tipo 2, aunque la hiperglucemia contribuye al desarrollo de esta complicación en ambos tipos de diabetes. En la DM tipo 1, la hiperglucemia aumenta el flujo sanguíneo y la presión arterial en la microcirculación, lo que causa estrés de cizallamiento en los vasos sanguíneos. Las células endoteliales sufren lesiones, cicatrizando la microvasculatura y engrosando la
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Diabetes mellitus
glucosa
Sangre
Glucosa
Glucosa Hexocinasa
glucosa NADPH NADP glutatión
Célula Glucogenia
Sorbitol
Glucólisis
Sorbitol deshidrogenasa Glucógeno
NADPH
Aldosa reductasa
Glucosa-6-P
ATP
NAD+ NADH
Fructosa
(a) Glucosa en sangre normal
NAD+ especies reactivas de oxígeno
(b) Hiperglucemia
FIGURA 24.2 Manejo metabólico de la glucosa en estado de normoglucemia y de hiperglucemia. (a) Metabolismo celular de la glucosa cuando el nivel sanguíneo de glucosa es normal. (b) Metabolismo celular de la glucosa durante la hiperglucemia. Observa que los descensos de NADPH y NAD+, provocados por la entrada de glucosa en la vía de los polioles, llevan a una disminución del glutatión y a un aumento de las especies reactivas de oxígeno.
membrana basal. Esta cicatrización, o esclerosis, limita la capacidad de dilatación de las arteriolas. El control local del flujo sanguíneo, incluyendo la hiperemia activa y reactiva y la autorregulación, se ve dificultado por el aumento de rigidez de las arteriolas. Por eso, los tejidos se ven privados del aumento de flujo sanguíneo en momentos de necesidad, lo que determina una lesión tisular. La DM tipo 2 también disminuye las respuestas de vasodilatación de la microvasculatura, aunque el motivo no es el aumento de la presión de la microvasculatura, como ocurría en la DM tipo 1. Recordemos del capítulo 14 que el óxido nítrico es un vasodilatador que liberan las células endoteliales en respuesta a una serie de estímulos. Las teorías actuales proponen que la liberación de óxido nítrico está alterada en la DM tipo 2. Una falta de la liberación de óxido nítrico hará que se constriñan las arteriolas, disminuyendo, por tanto, el flujo sanguíneo local a un tejido activo.
Diabetes mellitus
vasodilatación
glucosilación
productos finales de la glucosilación avanzada
Retinopatía La retinopatía diabética, es decir, la lesión de los vasos sanguíneos del ojo, es la principal causa de la ceguera adulta en Estados Unidos. Hay dos fases de la retinopatía diabética: no proliferativa y proliferativa. La enfermedad evoluciona de la fase menos grave no proliferativa, que comienza con microaneurismas (zonas protruyentes de debilidad en las paredes de los vasos sanguíneos) en la retina y deriva en un bloqueo de los vasos sanguíneos, hasta la neuropatía diabética proliferativa grave, en la que se forman muchos vasos sanguíneos nuevos (angiogenia) para compensar la merma del flujo sanguíneo debida al bloqueo de los vasos (fig. 24.4). Estos vasos sanguíneos nuevos son débiles y permeables, y provocan visión borrosa y posiblemente ceguera.
Nefropatía
Hiperglucemia
proteína cinasa C
La lesión de la microvasculatura contribuye a muchas complicaciones de la diabetes, como la retinopatía, la nefropatía, la neuropatía y la cicatrización retardada.
vía de los polioles
Estrés oxidativo
Hiperperfusión Lesión microvascular Estímulo inicial Respuesta fisiológica Resultado
FIGURA 24.3 Diabetes, hiperglucemia y enfermedad microvascular.
En torno al 30% de diabéticos desarrollarán algún grado de nefropatía; la nefropatía diabética es la primera causa de enfermedad renal terminal en el mundo. La nefropatía diabética (lesión renal) puede estar motivada por la hiperglucemia, la hipertensión o la hiperlipidemia que surgen en la diabetes. También parece haber una predisposición genética para desarrollar nefropatía diabética; la velocidad de la evolución de la enfermedad y su gravedad parecen tener también un componente genético. La hiperglucemia provoca la lesión renal mediante la glucosilación, la activación de la proteína cinasa C, la liberación de varias citocinas y el incremento de actividad de la vía de polioles. La glucosilación de los aminoácidos en la circulación y en los tejidos renales aumenta la permeabilidad glomerular, la producción de radicales libres y las lesiones microvasculares. La hiperglucemia provoca estrés oxidativo, que aumenta la actividad de la proteína cinasa C. La proteína cinasa C facilita la nefropatía de dos formas:
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(a) Retina normal
(b) No proliferativa
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(c) Proliferativa
FIGURA 24.4 Retinopatía diabética. (a) Vista de oftalmoscopio de una retina normal. (b) Retinopatía diabética no proliferativa. (c) Retinopatía diabética proliferativa.
desencadenando la liberación de sustancias paracrinas que provocan la vasodilatación, lo que aumenta el flujo sanguíneo al glomérulo, y aumentando la secreción de matriz extracelular por parte de las células mesangiales. La hiperglucemia desencadena la liberación de varias citocinas inflamatorias, como el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), el factor de crecimiento transformante beta (TGF-B), el factor de necrosis tumoral (TNF) y varias interleucinas. Estas citocinas tienen numerosos efectos negativos sobre el riñón, como el engrosamiento de la membrana basal glomerular y el aumento de su permeabilidad, facilitando la apoptosis de las células renales normales e interfiriendo con las uniones estrechas entre las células tubulares. Se ha demostrado que el aumento de actividad de la vía de polioles contribuye a la nefropatía mediante mecanismos aún desconocidos. La hipertensión es una de las complicaciones más graves de la diabetes mellitus, ya que incrementa la presión hidrostática glomerular y produce estrés de cizallamiento en la vasculatura. La arteriola aferente, y en menor grado la arteriola eferente, se dilata en respuesta a las sustancias paracrinas liberadas como consecuencia de la hiperglucemia, contribuyendo así a elevar también la presión hidrostática glomerular. Una de estas sustancias paracrinas es el óxido nítrico (v. capítulo 14). El nivel de óxido nítrico suele aumentar en las primeras etapas de la nefropatía, pero desciende a medida que aumenta la gravedad de la enfermedad. Con el tiempo, el aumento de la presión hidrostática glomerular incrementa la filtración glomerular, facilitando el desarrollo de la nefropatía. El aumento de filtración a través de una pared capilar más permeable permite que las proteínas se filtren en los túbulos renales y aparezcan en la orina. De hecho, uno de los primeros signos de nefropatía es la proteinuria, es decir, la presencia de proteínas (en especial, la albúmina) en la orina. El tratamiento de la hipertensión, como los inhibidores de ECA, ayuda a aliviar algunos de los problemas asociados con la nefropatía e incluso puede revertir alguna de las lesiones. Los síntomas de la nefropatía diabética varían según la gravedad y la causa. Dado que los riñones tienen una reserva funcional (para la homeostasis se necesita menos del 20% de la capacidad renal), los síntomas de la nefropatía diabética no aparecen hasta las últimas etapas de la enfermedad. Uno de los primeros síntomas más comunes, que se usa para el diagnóstico y el seguimiento, es la proteinuria. Las proteínas filtradas al espacio de la cápsula de Bowman crean una fuerza osmótica que empuja más agua al espacio de Bowman, incrementando, por tanto, la filtración glomerular. Los síntomas que se desarrollan más tarde se asemejan a los que se observan en otras variantes de fallo renal, como la fatiga, el edema sistémico, las náuseas y el dolor de cabeza. Cuando la nefropatía evoluciona a una enfermedad terminal, la filtración glo-
merular desciende a medida que los riñones dejan de realizar su función. En tal caso, se requiere diálisis para mantener la vida.
Neuropatía Una de las complicaciones más debilitantes de la diabetes mellitus es la neuropatía diabética. En casos graves, puede causar dolor, disfunción autónoma e incluso amputación. La neuropatía diabética afecta al sistema nervioso periférico con participación de aferentes y eferentes del sistema nervioso somático y autónomo. La neuroglia también se ve afectada. La hiperglucemia sin control produce lesiones en la neuroglia y nerviosas mediante muchos de los mismos mecanismos por los que la hiperglucemia causa la lesión renal, como la glucosilación, el estrés oxidativo y el aumento de la actividad de la vía del poliol. Como el sistema nervioso periférico tiene muchas funciones diferentes, la neuropatía diabética puede presentar una gran variedad de síntomas. Las neuropatías asociadas con aferentes sensoriales pueden inducir parestesias (sensación anormal de la piel, como hormigueo, adormecimiento o picores), distesia (sensación desagradable producida por estímulos normalmente inocuos) o dolor. La sensación extraña suele percibirse a lo largo de un área difusa de la piel en las extremidades, normalmente en pies y piernas, aunque ocasionalmente se restringe a una sola zona. La sensación alterada de los pies puede contribuir a la dolencia del pie diabético, ya que una persona puede no ser consciente de que tiene heridas en los pies. Si las heridas se infectan, puede evolucionar a una gangrena y se necesitará en última instancia una amputación. De hecho, la neuropatía diabética sensorial distal es la primera causa de amputación de extremidad inferior no debida a traumatismos en Estados Unidos. La neuropatía de los eferentes somáticos (motoneuronas para el músculo esquelético) provoca debilidad muscular. Las neuropatías del sistema nervioso autónomo pueden afectar prácticamente a cualquier órgano del cuerpo. La tabla 24.2 enumera algunos de los síntomas comunes de las neuropatías que afectan a los sistemas de órganos. En concreto, puede alterarse el control de las funciones autónomas, interfiriendo con la capacidad del organismo de mantener la homeostasis. Por ejemplo, si los nervios del reflejo barorreceptor (bien aferentes o eferentes) se lesionan, el organismo no puede responder de forma adecuada a los cambios en la presión arterial, como, por ejemplo, la caída de presión arterial que supone estar de pie. Dicha lesión puede provocar rachas frecuentes de hipotensión ortostática y puede llevar al desvanecimiento (v. capítulo 14). La neuropatía autónoma cardíaca puede ocasionar arritmias, infarto de miocardio o parada cardíaca.
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TABLA 24.2 Neuropatía diabética del sistema nervioso autónomo Aparatos/sistemas de órganos
Complicaciones
Síntomas
Cardiovascular
Hipotensión ortostática Taquicardia en reposo
Vértigos y desvanecimientos al estar de pie
Urinario
Pérdida de la sensación de la vejiga Incontinencia
Sobrellenado de la vejiga e incapacidad de vaciarla por completo, lo que ocasiona infecciones de las vías urinarias Micción incontrolada
Digestivo
Gastroparesia (retraso del vaciado gástrico) Atonía esofágica (reducción del tono muscular) Atonía gástrica Atonía colónica
Pérdida de apetito debida a la sensación errónea de estar lleno Reflujo gástrico y acidez, dificultad para la deglución Náuseas, vómitos, anorexia Estreñimiento
Musculoesquelético
Neuropatía de los eferentes somáticos
Atrofia de los músculos de las manos (si se ven afectadas las motoneuronas cervicales) o de las piernas (si son las motoneuronas lumbares)
Reproductor
Hombre: disfunción eréctil, impotencia Mujer: sequedad vaginal, falta de libido
Termorregulador
Reducción de la sudoración (salvo sudoración excesiva después de comer) Pérdida del control del flujo sanguíneo cutáneo
Menor tolerancia al calor Disminución de la capacidad de regular la temperatura corporal en la zona termoneutra, así como fuera de ella
Visual
Reflejo pupilar perezoso, que incluye una disminución del diámetro de la pupila en la oscuridad y una demora de la constricción pupilar a la luz
Mala visión en la oscuridad
Cardiovascular durante el ejercicio
Menor tolerancia del ejercicio físico
El sistema nervioso autónomo no puede adaptar el corazón y los vasos sanguíneos para cubrir la demanda extra del ejercicio
Visceral aferente
Disminución de la sensibilidad a los cambios en el medio interno, como la hipoglucemia
El organismo no detecta o no se adapta a los síntomas de la hipoglucemia, como el aumento de la frecuencia cardíaca, palpitaciones, inestabilidad y sudoración
Las neuropatías evolucionan con el desarrollo de la diabetes y el grado de neuropatía se correlaciona con la efectividad del control de nivel sanguíneo de glucosa. Alrededor del 70% de diabéticos desarrollan alguna forma de neuropatía, pero, como ya se ha sugerido, los síntomas varían considerablemente entre individuos, dependiendo de cuáles sean los nervios afectados.
Test rápido 24.4 1. Define la glucosilación. 2. ¿Qué enzima tiene una mayor afinidad con la glucosa, la hexocinasa o la aldosa reductasa? 3. Durante las primeras fases de la nefropatía, ¿la filtración glomerular aumenta o disminuye? 4. ¿Qué nervios pueden verse afectados por la neuropatía diabética?
Progresión de la diabetes mellitus a estados críticos Una vez que comienza la diabetes, sigue evolucionando a lo largo de la vida de una persona. Incluso cuando se controla cuidadosamente el nivel de glucosa en sangre, es inevitable el desarrollo de la enfermedad. Mucha gente con diabetes mellitus muere debido a complicaciones de la enfermedad. En esta sección describiremos algunas de las consecuencias más graves de la diabetes que suelen surgir en la evolución de la enfermedad.
Efectos de la diabetes mellitus en la macrovasculatura Las enfermedades macrovasculares afectan a los vasos sanguíneos grandes, como las arterias coronarias, la aorta y las arterias grandes del cerebro y las extremidades. La enfermedad macrovascular en la diabetes se desarrolla de forma secundaria a la aterosclerosis, a la cual contribuyen el transporte de lípidos, la enfermedad microvascular y la glucosilación. La diabetes aumenta el transporte de lípidos a las células, así como la producción de especies reactivas de oxígeno y radicales libres que contribuyen al desarrollo de la aterosclerosis. En concreto, la diabetes aumenta el número de LDL que transportan lípidos como el colesterol a las células y también disminuye el número de lipoproteínas de alta densidad (HDL) que transportan lípidos y colesterol al hígado (v. «Descubrimientos: Lipoproteínas y colesterol en plasma», pág. 589). La enfermedad macrovascular hace que la persona tenga mayor propensión a los ataques de corazón, ictus y enfermedades de la arteria periférica. Esta enfermedad es responsable de la muerte del 70% de diabéticos, aunque generalmente la enfermedad lleva al menos 15 años de evolución cuando se produce. La glucosilación contribuye a la aterosclerosis de diversas formas, por ejemplo, mediante el aumento del nivel de LDL, la supresión de la función de HDL y la secreción de citocinas que fomentan la proliferación celular y la formación de la placa en las paredes de los vasos sanguíneos. El peligro de la enfermedad macrovascular de la diabetes es tan grave que, en las evaluaciones de riesgos cardíacos, se considera la diabetes mellitus equivalente a un ataque cardíaco.
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Miocardiopatía diabética Otra consecuencia grave de la diabetes es la miocardiopatía, una enfermedad del músculo cardíaco que debilita el corazón. En este estado, se reduce la contractilidad del músculo cardíaco, lo que disminuye el volumen sistólico y, a su vez, el gasto cardíaco. Los diabéticos suelen tener el corazón más grande para compensar la debilidad muscular y son más susceptibles de infarto de miocardio. Los estudios recientes sugieren que un mejor control del nivel de glucosa en sangre puede disminuir la incidencia de cardiopatías en la DM tipo 1. Se discute si puede aparecer una miocardiopatía diabética en ausencia de enfermedad macrovascular. Un fenómeno que suele observarse en los diabéticos más que en la población general es el infarto de miocardio asintomático. Si la diabetes ha provocado también una neuropatía autonómica, una enfermedad macrovascular y una miocardiopatía, la carencia de señales de aferentes viscerales procedentes del corazón durante un cuadro de isquemia evitará que las señales se desplacen al sistema nervioso central para comunicar un estímulo doloroso. Por eso, es más probable que un ataque al corazón pase desapercibido y no se trate.
Test rápido 24.5 1. ¿Cuál es la relación entre la aterosclerosis y la enfermedad macrovascular? 2. La enfermedad macrovascular, ¿a qué potenciales complicaciones fatales predispone?
Retraso en la cicatrización de las heridas Una de las complicaciones más molestas y sorprendentes de la diabetes es la amputación. Muchos diabéticos pierden la sensibilidad de los pies y no notan las heridas en ellos. Aunque normalmente las heridas suelen curarse por sí solas, en la diabetes hay un trastorno de este proceso. Para comprender mejor esta anomalía, primero describiremos el proceso normal de cicatrización de una herida cutánea. (Las lesiones en órganos son más complicadas y no las describiremos aquí.)
Cicatrización de las heridas La cura de las heridas es una sucesión sincronizada de tres fases tras la lesión y la formación de un coágulo: inflamación, proliferación y remodelado (fig. 24.5). Aunque una fase lleva a la siguiente, algunas se solapan.
Fase 1: inflamación A los pocos segundos de hacernos una herida, comienza la homeostasis a medida que el organismo intenta minimizar la pérdida de sangre. Los vasos sanguíneos se constriñen, se acumulan plaquetas y forman un tapón, y se forma un coágulo de fibrina (v. capítulo 15). Las plaquetas activadas durante la homeostasis secretan citocinas y eicosanoides necesarios para la progresión de la inflamación. Las citocinas más importantes son el factor de de crecimiento transformante B (TGF-B) y el factor de crecimiento derivado de las plaquetas (PDGF). Ambos
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factores de crecimiento estimulan la quimiotaxia de neutrófilos, monocitos y fibroblastos en la zona herida. Los macrófagos de la zona de la lesión comienzan de forma inmediata el proceso de inflamación, que suele durar entre 24 y 72 h. Los macrófagos fagocitan sustancias exógenas, como bacterias que se han infiltrado en la herida. En unas 10 h, los neutrófilos y los monocitos migran a la zona de la herida. Los monocitos maduran en macrófagos, que, junto con los neutrófilos, continúan la fagocitosis de los detritos. Estos neutrófilos y macrófagos activados también secretan citocinas, como el factor de crecimiento básico de fibroblastos, que atrae fibroblastos y otras células a la zona de la herida para iniciar la siguiente fase de la cicatrización de la herida.
Fase 2: proliferación Durante la proliferación, el número de células en la zona de la herida aumenta y se deposita una nueva matriz extracelular. Las principales células que depositan esta nueva matriz celular son los fibroblastos. Los fibroblastos migran al centro de la zona herida, donde sintetizan y secretan colágeno alrededor de la red de fibrina para formar un armazón alrededor del que crece nuevo tejido. Los fibroblastos también producen proteoglucanos y glucosaminoglucanos, que forman el sustrato base alrededor del cual se forma el tejido de granulación. El tejido de granulación se va introduciendo en la herida a medida que aumentan nuevos capilares alrededor del armazón de colágeno. Los fibroblastos también secretan citocinas, como la PDGF, la TGF-B, el factor de crecimiento de queratinocitos (célula epidérmica) y el factor de crecimiento parecido a la insulina. Mientras que se va formando el armazón de colágeno en el interior de la herida, los queratinocitos proliferan y emigran hasta 3 cm a través del orificio de la herida para sellarla respecto del exterior. Las células endoteliales proliferan como parte de la angiogenia, porque se necesita un aumento del suministro sanguíneo para proporcionar oxígeno y nutrientes, facilitando el crecimiento de tejido nuevo. Los bordes de la herida pueden irse acercando entre sí (contractura), aunque la extensión de este proceso en humanos es limitada. La fase proliferativa comienza en plena inflamación y puede durar hasta 3 semanas.
Fase 3: remodelado La última fase de la cicatrización de una herida es la formación de tejido nuevo, o remodelado. Los fibroblastos continúan depositando colágeno, pero ahora el colágeno se organiza de forma entrelazada, de modo que la herida pueda soportar estrés mecánico. El tejido nuevo de la cicatriz es más débil que el tejido original. El remodelado puede durar entre 3 semanas y 1 año.
Trastorno de la cicatrización de las heridas en la diabetes La diabetes ralentiza la cicatrización de las heridas y hay varios factores que contribuyen a esta alteración. Por ejemplo, tanto la fase proliferativa como inflamatoria se prolongan en la diabetes. La glucosilación disminuye la capacidad de fagocitosis bacteriana de los neutrófilos y los macrófagos, ralentizando la fase inflamatoria. La diabetes hace que los eritrocitos pierdan su flexibilidad, lo que disminuye el suministro de oxígeno a la zona de la lesión. La angiogenia también disminuye en la diabetes, limitando, además, el flujo de oxígeno a la herida. Dado que la fase de remodelado es un proceso intensivo en cuanto a energía, la falta de oxígeno y
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nutrientes ralentiza la curación. La diabetes también obstaculiza la cicatrización, porque disminuye la secreción de colágeno, citocinas y factores de crecimiento, así como reduce la proliferación y el desplazamiento de los queratinocitos y los fibroblastos. Las heridas en los pies de personas diabéticas se convierten en úlceras de pie diabético (fig. 24.6). Estas úlceras son semejan-
tes a una herida en fase de cicatrización y, como la neuropatía puede suprimir la sensación de dolor, puede que la persona no sea consciente de que la herida no se está curando correctamente. En un 84% de diabéticos que necesitan en última instancia una amputación del pie, el problema comienza con una úlcera de pie diabético.
Inflamación
Número relativo de células
Proliferación Remodelado Neutrófilos Macrófagos Fibroblastos
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2
4
6
8
10
12
14
16
Días tras la lesión (a) Lapso de tiempo para la cicatrización de una herida
Epidermis
Herida
Glóbulo rojo
Fibrina
Plaquetas Neutrófilo Colágeno
Piel
Macrófago
1 Lesión
2 Hemostasia
Neutrófilos
Macrófagos
3 Inflamación temprana
4 Inflamación tardía
5 Proliferación
6 Remodelado
Colágeno Fibroblastos
(b) Fases de la cicatrización de la herida
FIGURA 24.5 Cicatrización normal de una herida. (a) Lapso de tiempo de las diferentes fases de la cicatrización de la herida. El tiempo mostrado es aproximado, ya que puede variar con la gravedad y tipo de herida. (b) Fases de la cicatrización de la herida.
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Test rápido 24.6 1. ¿Cuáles son las tres fases de cicatrización de una herida? 2. Enumera varios tipos de células que participen en la cicatrización de una herida e identifica la fase en la que intervienen. 3. ¿Qué secretan los fibroblastos?
Tratamiento y manejo de la diabetes mellitus El tratamiento de la diabetes mellitus, que se basa en el control de la enfermedad (no hay tratamiento curativo), se ha ido comentando brevemente a lo largo del capítulo, pero vamos a verlo de forma más exhaustiva. La tarea principal es mantener un nivel de glucosa en sangre normal. El nivel de glucosa en ayunas debería ser inferior a 100 mg/dl. Para regular el nivel de glucosa es esencial una dieta sana. Para la DM tipo 1, la ingesta de hidratos de carbono debe controlarse. Sin embargo, en muchos pacientes con DM tipo 2, la obesidad también es un problema, de forma que no solo se debe regular la ingesta de hidratos de carbono, sino también la ingesta general con el fin de fomentar una pérdida de peso. En cualquier caso de diabetes mellitus, ingerir varias, pero pequeñas, cantidades de comida es mejor que hacer tres comidas copiosas en 1 día, y el consumo de hidratos de carbono debería se moderado y lento. En la DM tipo 1, las inyecciones de insulina suponen el mecanismo principal para regular el nivel de glucosa en sangre. Este tratamiento requiere un control constante de la glucosa en sangre mediante pinchazos en el dedo y dispositivos especiales (la mayoría de dispositivos permiten coger la muestra de sangre de otras partes del cuerpo, pero el dedo sigue siendo la más precisa). Cuando es necesario, se administra una inyección subcutánea de insulina, ya que las proteínas no pueden absorberse desde el apa-
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rato intestinal. Existen tres tipos de preparados insulínicos: de acción rápida, de acción intermedia y de acción prolongada, que permiten diferentes enfoques terapéuticos para el control de la glucemia. Además, se puede utilizar una bomba subcutánea de insulina para su administración de forma regular. El peligro de las inyecciones de insulina es que se le administre demasiada a una persona, lo que provocará una gran caída rápida de la glucosa en sangre (hipoglucemia) y puede causar un shock o un coma. En la DM tipo 2, al menos hay cuatro clases de agentes hipoglucemiantes orales que se usan para regular el nivel de glucosa en sangre: sulfonilurea, biguanidas, inhibidores de la A-glucosidasa y tiazolidinedionas. El uso de la sulfonilurea para el tratamiento de la diabetes surgió de forma accidental durante los estudios de su uso en el tratamiento de la fiebre tifoidea durante la Segunda Guerra Mundial. En 1942, el Dr. Marcel Janbon y cols. descubrieron que las sulfonilureas estimulaban la liberación de insulina por parte de las células beta del páncreas. Más recientemente, los investigadores han demostrado que las sulfonilureas se ligan a los receptores de los canales de potasio sensibles a la ATP de la membrana de las células beta. Las sulfonilureas cierran estos canales de potasio, provocando la despolarización de las células beta, lo que abre los canales de calcio dependientes del voltaje. El calcio entra en las células beta y desencadena la liberación de insulina mediante exocitosis. Trascurridos más de 60 años del descubrimiento de Janbon y cols., la sulfonilurea sigue siendo el medicamento usado con más frecuencia para el tratamiento de la DM tipo 2. Las biguanidas actúan reduciendo la producción de glucosa en el hígado e incrementando la sensibilidad de los receptores a la insulina. Como las biguanidas disminuyen la glucosa en sangre sin alterar la secreción de insulina, se prescriben para tratar las DM tipo 1 y tipo 2. Las biguanidas disminuyen la gluconeogenia en el hígado y aumentan la captación de glucosa de las células mediante un mecanismo aún desconocido. La biguanida más común, la metformina, parece que activa la proteína cinasa activada por AMP, que regula el cambio entre las reacciones anabólicas y catabólicas. Las biguanidas también disminuyen el nivel de triglicéridos y LDL en sangre, mientras que producen un ligero aumento de HDL, haciendo que sean opciones adecuadas para el tratamiento de la diabetes mellitus en personas con obesidad. Los inhibidores de la A-glucosidasa disminuyen el nivel sanguíneo de glucosa después de la comida, pero tienen poco efecto sobre el nivel de glucosa en ayunas. Las A-glucosidasas son enzimas del borde en cepillo que hidrolizan disacáridos, trisacáridos y oligosacáradidos en glucosa u otros monosacáridos (v. capítulo 20). El bloqueo de estas enzimas disminuye la absorción de hidratos de carbono. En calidad de tratamiento para la diabetes, la A-glucosidasa debe tomarse al principio de una comida. Los medicamentos aprobados más recientemente para el tratamiento de la diabetes son las tiazolidinedionas, que reducen el nivel en sangre de la glucosa y los ácidos grasos. Las tiazolidinedionas sensibilizan al tejido frente a la insulina, contrarrestando así la resistencia a la insulina que provoca la DM tipo 2.
Test rápido 24.7
FIGURA 24.6 Úlcera de pie diabético.
1. ¿Qué medicamento resulta fundamental para el tratamiento de la DM tipo 1? 2. ¿Cuáles son las cuatro clases de medicamentos que se usan para el tratamiento de la DM tipo 2? 3. ¿Cuáles son las sulfonilureas inadecuadas para el tratamiento de la DM tipo 1?
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Investigaciones actuales sobre la diabetes mellitus Al igual que con la mayoría de enfermedades, la investigación sobre la diabetes mellitus se centra tanto en una mejora del mecanismo de tratamiento como en una mejor comprensión de la enfermedad, lo que lleva, a su vez, a una mejora del tratamiento. Cada año se publican miles de artículos y trabajos sobre la diabetes, y PubMed (una base de datos que mantienen la U.S. National Library of Medicine y los National Institutes of Health en Estados Unidos) recoge 26 publicaciones periódicas en cuyos títulos figura «diabetes». Esta recopilación no incluye revistas diseñadas para las personas que no pertenezcan a la comunidad científica. Un análisis intenso de la investigación sobre la diabetes se escapa del alcance de este libro, pero podemos dar algunas pinceladas sobre las investigaciones abiertas.
Nuevas técnicas para la administración de insulina En casi todos los casos de diabetes mellitus de tipo 1 y en muchos casos de tipo 2, se necesitan inyecciones subcutáneas de insulina para controlar la enfermedad. Muchos de los estudios sobre la diabetes persiguen mecanismos más convenientes para la administración de insulina. La insulina no puede administrarse de forma oral, porque se descompondría en aminoácidos en el tubo digestivo. Se han explorado varias vías alternativas, como la administración rectal, ocular, nasal y oral en cápsulas para protegerlas de la digestión. Hasta la fecha, estas vías han visto un éxito limitado. Las compañías farmacéuticas siguen explorando la vía pulmonar, dada la gran área de superficie de los pulmones para la absorción. En la actualidad se estudian inhaladores con diversas formas de insulina (polvo, vaporizador y nebulizador) y, en 2006, la U.S. Food and Drug Administration norteamericana probó la primera forma de insulina inhalable: Exubera®. La empresa que comercializa los inhaladores, los laboratorios Pfizer retiraron el producto al poco tiempo por la escasez de ventas. Algunos estudios también sugieren que la insulina inhalada fomenta el crecimiento de tumores pulmonares en fumadores y la muerte. Las formas orales de insulina son una opción preferible, pero la investigación aún está lejos de conseguir una forma que permita la absorción correcta a través del tubo digestivo. La vía rectal y la ocular no son más cómodas que las inyecciones.
Tratamientos no farmacológicos de la diabetes mellitus Como se describió antes, no existe una forma simple de manejar la diabetes y no hay cura para esta enfermedad. No obstante, los científicos no han descartado un cura que eliminaría la necesidad de un tratamiento continuo. La DM tipo 1 es una enfermedad más homogénea que la DM tipo 2, siendo, por tanto, mejor candidata para el estudio. Para curar la DM tipo 1, se debe facilitar al organismo un mecanismo de producción y liberación de insulina cuando la glucosa en sangre sea elevada, y este sistema debe desactivarse cuando la glucosa en sangre vuelva a un valor normal. Tal cura también beneficiaría a muchos pacientes
con DM tipo 2, ya que las células beta tienden a dejar de funcionar también en esta enfermedad. Gran parte de la investigación se ha centrado en aumentar el número de células beta pancreáticas en diabéticos. Algunos investigadores están intentando estimular las células beta (así como todas las células de los islotes de Langerhans) para que se repliquen y repueblen el páncreas. Otros investigadores están estudiando un posible trasplante de células de los islotes de un donante a un receptor diabético. Los estudios más recientes proponen un trasplante de células madre al páncreas, seguido de una estimulación para fomentar que se desarrollen en células beta. La terapia génica también puede utilizarse en el tratamiento de la diabetes mellitus. Por ejemplo, los genes que producen insulina podrían inyectarse en otras células del cuerpo, o se podrían manipular de alguna forma los genes responsables de la respuesta autoinmunitaria que causa la diabetes. La mayoría de estos estudios están aún en fase temprana, en fase de valoración en modelos animales. Todas las técnicas han obtenido cierto éxito en estos estudios con animales. Otra estrategia para el tratamiento de la DM tipo 1 es la prevención de la pérdida de células beta. Las células beta experimentan la apoptosis en respuesta a la anomalía genérica o una infección vírica. Las citocinas desencadenan la apoptosis. Si estas citocinas pudieran identificarse, podrían desarrollarse inhibidores de citocinas con el fin de detener la evolución de la DM tipo 1. No obstante, este tratamiento supone algunos retos. Por ejemplo, se necesitaría una detección más temprana de lo que permiten las herramientas de diagnóstico actuales. Dado que la DM tipo 1 supone solo entre el 5 y el 10% de todos los casos de diabetes, aunque las curas anteriores se desarrollaran y utilizaran a escala mundial, la epidemia de la diabetes seguiría existiendo. Curar la DM tipo 2 sería mucho más complicado e implicaría manipular las vías bioquímicas por las que actúa la insulina. La terapia génica puede llegar a ser beneficiosa si se descubriese el malfuncionamiento de un receptor o enzima común en un gran porcentaje de casos de DM tipo 2. Entre las enzimas que se están estudiando en la actualidad según este planteamiento, se encuentra la proteína cinasa activada por AMP. Con una comprensión mejor de la DM tipo 2, puede que otras proteínas se convirtieran en el objetivo de una futura terapia génica. Dada la asociación de la DM tipo 2 con la obesidad, un tratamiento que parece tener resultados bastante buenos es la cirugía para perder peso («Conexiones clínicas: Cirugía bariátrica como tratamiento de la diabetes»). Los estudios muestran que dicha cirugía realizada en diabéticos tipo 2 resolvió la diabetes en el 75% de los casos. Otros métodos para tratar la obesidad también se asocian a reducciones de la DM tipo 2. La investigación continúa sobre la asociación entre obesidad, diabetes, ejercicio y edad, y persigue explicar cómo puede utilizarse el deporte para prevenir la obesidad y la diabetes incluso durante la vejez. Para saber más sobre los beneficios del deporte, véase «Comprender el ejercicio: Transporte de glucosa en la ejercitación del músculo y la diabetes».
Test rápido 24.8 1. ¿Cuáles son las diferentes vías de administración de insulina que se están estudiando? 2. ¿Cuáles son algunos de los mecanismos para aumentar de forma potencial el número de células beta en la DM tipo 1?
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CONEXIONES CLÍNICAS
Cirugía bariátrica como tratamiento de la diabetes La obesidad predispone a quienes la padecen a muchas enfermedades, como hipertensión, enfermedad cardíaca, artrosis, apnea del sueño, reflujo gastroesofágico y DM tipo 2. Por tanto, el control de la masa corporal debería llevar a una vida más sana. Desafortunadamente, para mucha gente es difícil perder peso con las dietas y programas de ejercicios tradicionales. A menudo estas personas suelen tener una predisposición genética para la obesidad. Sea cual sea el origen, una persona que tenga dificultad para perder peso ahora dispone de una terapia alternativa: la cirugía bariátrica. La cirugía bariátrica fomenta la pérdida de peso, disminuyendo la cantidad de alimentos ingeridos (restrictiva) y la cantidad de nutrientes absorbidos (malabsortiva). Actualmente se realizan los siguientes tipos de cirugía bariátrica: bandeo gástrico, gastroplastia vertical y derivación gástrica. Todos son eficaces en la pérdida y control de peso, aunque la derivación gástrica es una opción más drástica. El bandeo gástrico y la gastroplastia vertical, que son procedimientos puramente restrictivos, implican la separación del estómago en dos partes, limitando, por tanto, el volumen de comida que puede entrar en este órgano. En el bandeo gástrico, se coloca una banda hinchable alrededor de la parte superior del estómago y se infla solo hasta que se abra una pequeña abertura entre el estómago
superior y el resto del estómago (parte a). La banda puede inflarse o desinflarse, por lo que es ajustable según el proceso. En la gastroplastia vertical, se usan grapas quirúrgicas para dividir el estómago en una parte superior y otra inferior. Se coloca una banda entre las dos partes para crear una pequeña bolsa (parte b). En ambos procedimientos, la porción superior del estómago se llena antes de lo que se vacía la porción inferior, generando una sensación de saciedad con una ingesta alimenticia más reducida. La derivación gástrica, que es un procedimiento quirúrgico más extenso, es restrictiva y malabsortiva. Se realizan varios tipos de derivaciones gástricas, pero la más común es la derivación gástrica en Y de Roux. En este procedimiento, las grapas se usan para crear una pequeña bolsa del tamaño de una nuez en el estómago superior. Entonces se crea una derivación por la que la bolsa se vacía en el yeyuno del intestino delgado, evitando el estómago inferior y el duodeno (parte c). Los procedimientos de derivación gástrica más extensos son la derivación biliopancreática y la derivación biliopancreática con cruce duodenal. En la primera se reseca aproximadamente el 75% del estómago inferior y se crea una derivación desde la parte que queda del estómago al íleo. En la segunda, se reseca el 75% del estómago, dejando un canal vertical desde el esófago al duodeno. Se forma una
derivación desde la sección inicial del duodeno hasta el íleo, eliminando la mayoría del intestino delgado del tubo digestivo. Una parte del duodeno se deja intacta, porque la mayor parte del hierro y el calcio se absorben en él. Ya que la mayoría de nutrientes se absorben en el intestino delgado, incluso si una persona come la misma cantidad de comida que antes de la intervención, la mayor parte de calorías no se absorben y se eliminan en las heces, provocando la pérdida de peso. La cirugía bariátrica tiene sus riesgos, lo que explica que solo se use en casos crónicos y de obesidad grave. En el pasado, el requisito para someterse a una cirugía bariátrica era un índice de masa corporal de 40 (unos 36 kg de sobrepeso en mujeres y unos 45 en hombres). Hoy, tras el reconocimiento de la tasa de éxito de la cirugía, un índice de masa corporal de entre 35 y 40, junto con una enfermedad secundaria o una predisposición a ella, como puede ser la DM, cualifica a la persona para la cirugía. La cantidad de peso perdida con la cirugía bariátrica varía considerablemente entre personas y depende mucho de los cambios de estilo de vida, como el consumo de una dieta saludable o la práctica de ejercicio. Con la derivación biliopancreática con cruce duodenal, los pacientes pierden una media del 75-80% del exceso de peso; con la derivación biliopancreática pierden una media del 60-70% de su sobrepeso. La incidencia de
Grapas
Estómago
Pequeña bolsa en el estómago
Bolsa Banda gástrica
Banda gástrica
Yeyuno Duodeno Parte mayor del estómago (a) Bandeo gástrico
Bomba
(b) Gastroplastia vertical grapada
(c) Derivación gástrica
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DM tipo 2 se reduce y la progresión de su enfermedad puede revertirse tras la cirugía. La cirugía bariátrica también reduce la presión arterial en personas con hipertensión y disminuye la incidencia y complicaciones de la apnea del sueño, la artrosis y el reflujo gastroesofágico. Los riesgos de la cirugía bariátrica son infección, hernia y malnutrición. La infección es un riesgo que conlleva cualquier cirugía, pero en la bariátrica tienen un riesgo añadido de que los contenidos gástricos se salgan del tubo digestivo, por la incisión o las grapas,
hacia la cavidad abdominal. Las infecciones que derivan de ese derrame se tratan con antibióticos y puede que también sea necesaria la cirugía. Las hernias surgen en el 3% de las cirugías bariátricas con laparoscopia y aproximadamente en el 25% de los pacientes que requieren incisión abdominal para la cirugía. Para resolver una hernia se necesita cirugía. Por último, la malnutrición, en especial las deficiencias de hierro y vitaminas, se produce en el 40% de los pacientes de cirugía bariátrica, así que se necesita tomar com-
plementos alimenticios. Un efecto secundario frecuente del consumo de muchos hidratos de carbono es el síndrome de vaciamiento rápido, que provoca náuseas, dolor abdominal, sudoración y diarrea. Otros riesgos más graves, pero menos frecuentes, son los coágulos sanguíneos en las piernas o incluso la muerte (menos del 1% de pacientes sometidos a cirugía para derivación biliopancreática y en torno al 3% de los sometidos a cirugía para derivación biliopancreática con cruce duodenal).
COMPRENDER EL E JERCICIO
Transporte de glucosa en la ejercitación del músculo y diabetes Hace mucho que se reconocen los beneficios del deporte para controlar la diabetes, pero el mecanismo subyacente de sus efectos aún no se comprende bien. Se ha demostrado que tanto el ejercicio aeróbico como el anaeróbico aportan beneficios. Los estudios recientes sugieren que el ejercicio mejora el metabolismo de la glucosa en la diabetes tanto de forma inmediata como en un programa constante de ejercicio. Tras una sola sesión de actividad, el ejercicio disminuye el nivel de glucosa en sangre. Con el ejercicio constante, la sensibilidad a la insulina de los tejidos aumenta. El músculo esquelético utiliza la glucosa como fuente de energía principal durante el ejercicio y cambia a los ácidos grasos y aminoácidos solo cuando la disponibilidad de glucosa es limitada. La disponibilidad de glucosa depende no solo de la concentración plasmática de glucosa, sino también del transporte de la glucosa desde la sangre a las células musculares. El músculo esquelético tiene tres tipos de transportadores de glucosa: GLUT-1, GLUT-4 y GLUT-5. El GLUT-4 está más extendido que los otros. Aunque la insulina regula el nivel de GLUT-4 en el músculo en reposo, el nivel aumenta durante la contracción muscular mediante un mecanismo insulinodependiente. Los
transportadores GLUT-4 se localizan en las membranas vesiculares citosólicas y se traslocan a las membranas plasmáticas por exocitosis. La insulina desencadena la inserción de los transportadores GLUT-4 en las membranas celulares mediante el enlace a los receptores insulínicos específicos con la actividad de la tirosina cinasa. La tirosina cinasa cataliza la fosforilación de otro componente del receptor insulínico, que luego activa el fosfatidilinositol 3-cinasa (que desencadena la exocitosis). La contracción muscular también desencadena la inserción de los trasportadores GLUT-4 mediante exocitosis, pero el mecanismo de comunicación, aunque desconocido, difiere del insulínico. Varios estudios han sugerido que existen grupos separados de vesículas que contienen GLUT-4; uno responde a la insulina y el otro a la contracción muscular. Los estudios también sugieren que un incremento del calcio intracelular durante la contracción sirve de señal para la exocitosis, si bien es cierto que no directamente. La proteína cinasa C también participa en el aumento del trasporte de glucosa inducido por la contracción. En la diabetes mellitus, a pesar de la alteración del transporte de glucosa al músculo esquelético en reposo, el trans-
porte de glucosa aumenta con el ejercicio. De esta forma, la hiperglucemia de la diabetes puede disminuirse de forma inmediata con una sola sesión de ejercicio. Por motivos todavía desconocidos, el nivel sanguíneo de glucosa sigue bajo varias horas después del ejercicio. El deporte constante fomenta un aumento de la sensibilidad a la insulina, contrarrestando así la resistencia a la insulina en la DM tipo 2 y creando un tejido más sensible al descenso de insulina en la DM tipo 1. Algunos de los cambios beneficiosos del deporte constante pueden ser secundarios a la pérdida de peso y al aumento de masa muscular. Además, se cree que se producen cambios independientes de los propios del peso. Más estudios sobre los beneficios del ejercicio para controlar la diabetes pueden llevar a nuevos tratamientos. Por ejemplo, si pudiera determinarse la vía bioquímica de la expresión insulinoindependiente de los transportadores GLUT-4, podrían usarse nuevos medicamentos cuyo objetivo fuera esta vía para aumentar la expresión de GLUT-4. La comprensión de las vías por las que el ejercicio constante aumenta la sensibilidad a la insulina también podría llevarnos al desarrollo de nuevos fármacos.
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RESUMEN DEL CAPÍTULO Clasificación de la diabetes mellitus, pág. 694 Existen dos tipos de diabetes mellitus, de tipo 1 y de tipo 2. En la DM tipo 1, la lesión de las células beta pancreáticas hace que el organismo no produzca suficiente insulina. En la DM tipo 2, las células diana ven reducida su sensibilidad a la insulina. La incidencia de la diabetes está aumentando, aunque la DM tipo 2 está mucho más extendida y supone el 90% de los casos.
Efectos graves de la diabetes mellitus, pág. 695 Los efectos agudos o episódicos de la diabetes varían de relativamente moderados a peligrosos para la vida. La cetoacidosis, la complicación más común de la DM tipo 1, es consecuencia de un aumento de lipólisis que deriva en la producción de cetonas, un tipo de ácido orgánico. La cetoacidosis moderada provoca deshidratación y desequilibrio electrolítico. La cetoacidosis grave puede llevar a un coma o a la muerte. Los pacientes mayores con diabetes pueden sufrir coma hiperosmolar no cetósico, que surge cuando la pérdida de glucosa en la orina causa una deshidratación grave de forma que aumenta la osmolaridad sanguínea a 325 mOsm o más. El coma diabético también se presenta en otros pacientes como causa directa del tratamiento y no de la enfermedad. Cuando un diabético toma demasiada insulina, la glucosa en sangre puede bajar a un nivel peligrosamente bajo, provocando síntomas como mareos, obnubilación, coma o muerte.
Complicaciones crónicas de la diabetes mellitus: fase temprana, pág. 696 En la primera etapa, la diabetes mellitus se manifiesta con las «tres polis»: poliuria, polidipsia y polifagia. La poliuria es una consecuencia directa de la hiperglucemia. Cuando se filtra glucosa en la orina, la ósmosis fuerza agua junto con ella, aumentando el volumen de la orina. La pérdida de agua conlleva la deshidratación, que desencadena la sensación de sed, provocando polidipsia. La polifagia surge porque la insulina no identifica la saciedad y el organismo no cambia al estado de saciedad.
Complicaciones crónicas de la diabetes mellitus: fase avanzada, pág. 697 La diabetes mellitus conlleva síntomas crónicos, la mayoría relacionados con la hiper-
glucemia o las lesiones microvasculares. Aunque haya bastante glucosa en la sangre cuando una persona tiene diabetes, las células no pueden utilizarla como energía y tienen que usar ácidos grasos y aminoácidos. Por tanto, un síntoma común de la diabetes es la obnubilación. La hiperglucemia también supone la glucosilación de varias proteínas en el organismo, que puede tener diversos efectos. La hiperglucemia también puede fomentar la conversión de glucosa en sorbitol, lo que se cree que provoca lesiones tisulares. La diabetes mellitus debilita los vasos sanguíneos de todo el organismo, contribuyendo así a la extensión de los efectos de esta enfermedad. También se produce una esclerosis microvascular, que reduce la capacidad de los factores locales de regular el flujo sanguíneo en función de la demanda. La lesión en la microvasculatura empeora varios cuadros de la diabetes, como la retinopatía, la nefropatía, la neuropatía y el retraso de la cicatrización de heridas. La retinopatía diabética surge cuando los vasos sanguíneos del ojo sufren lesiones. La nefropatía diabética (lesión renal) puede derivar de la hiperglucemia, la hipertensión o la hiperlipidemia diabética. La neuropatía diabética afecta al sistema nervioso periférico e involucra a aferentes y eferentes de sistema nervioso somático y autónomo. Puede producir dolor, disfunción autónoma y amputación.
Progresión de la diabetes mellitus a estados críticos, pág. 700 Una vez que ha comenzado la diabetes, evoluciona durante el resto de la vida de las personas diabéticas y muchas de ellas mueren debido a complicaciones de la enfermedad. Una de estas complicaciones es la enfermedad macrovascular, que afecta a los vasos sanguíneos grandes. La diabetes aumenta el transporte de lípidos a las células, así como la producción de especies reactivas de oxígeno y radicales libres que contribuyen al desarrollo de la aterosclerosis. La enfermedad macrovascular hace que la persona sea más propensa a sufrir ataque al corazón, ictus, enfermedad arterial periférica y miocardiopatía.
Retraso en la cicatrización de las heridas, pág. 701 Las heridas normales suelen curarse solas; sin embargo, con la diabetes, el proceso se ralentiza considerablemente. La cicatriza-
ción de la herida es una sucesión sincronizada de tres fases tras la lesión y la formación del coágulo sanguíneo: inflamación, proliferación y remodelado. En la zona de la herida se reclutan macrófagos que inician el proceso de inflamación. Después acuden neutrófilos y monocitos, y secretan sustancias químicas para atraer fibroblastos a la zona. Los fibroblastos comienzan la fase proliferativa depositando matriz extracelular nueva. También secretan sustancias químicas que estimulan la proliferación de queratinocitos. Durante el remodelado, el colágeno depositado por los fibroblastos desarrolla enlaces transversos para formar el tejido de la cicatriz. En la diabetes, el proceso de curación de una herida se retrasa tanto en la fase inflamatoria como en la proliferativa. La hiperglucemia disminuye la actividad de los neutrófilos y los macrófagos. La diabetes también disminuye la secreción de colágeno y varios mediadores químicos del proceso de curación de heridas.
Tratamiento y manejo de la diabetes mellitus, pág. 703 El tratamiento de la diabetes mellitus se centra en el manejo de la enfermedad, principalmente mediante el control del nivel de glucosa en sangre. Es necesario adaptar hábitos, como pueden ser la dieta y el ejercicio físico, pero también ayuda farmacológica. En la DM tipo 1 se necesitan inyecciones de insulina para regular la glucosa en sangre. En la DM tipo 2 se usan cuatro clases de agentes hipoglucémicos para ello: sulfonilureas, biguanidas, inhibidores de la A-glucosidasa y tiazolidinedionas.
Investigaciones actuales sobre la diabetes mellitus, pág. 704 La investigación sobre la diabetes mellitus se centra tanto en los mecanismos de tratamiento como en un mejor conocimiento de la enfermedad. Algunos de los campos actuales de investigación se asocian con un mejor tratamiento, como vías de administración de la insulina, trasplante de células beta y modificación genética de las células para que produzcan células secretoras de insulina. Gran parte de la investigación sobre la propia enfermedad se centra en los mediadores químicos que provocan la enfermedad o sus síntomas. Una vez identificados los mediadores, se pueden desarrollar nuevos medicamentos cuyo objetivo sean esas sustancias químicas.
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EJERCICIOS Preguntas de opción múltiple 1. ¿Qué opción describe mejor la DM tipo 1? a) infección bacteriana de la médula suprarrenal b) infección vírica de la médula suprarrenal c) enfermedad autoinmunitaria del páncreas endocrino d) enfermedad autoinmunitaria del páncreas exocrino e) enfermedad por la obesidad crónica 2. ¿Cuál no es un síntoma de la cetoacidosis? a) halitosis cetósica b) aumento de la ventilación c) aumento de lipólisis d) temblores musculares e) aumento de la actividad simpática 3. ¿Qué provoca el coma diabético? a) hiperglucemia grave b) demasiada insulina, que provoca una hipoglucemia grave c) acidosis d) aumento de la actividad simpática a los vasos sanguíneos del encéfalo e) a y c son correctas 4. ¿Cuáles son las «tres polis» de la diabetes mellitus? a) polidipsia, polifagia, poliuria b) poliglucemia, polilipemia, poliuria c) polidipsia, poliglucemia, policitemia d) policitemia, polifagia, poliuria e) polifagia, poliinsulinemia, polidipsia 5. ¿De qué proteína se usa la glucosilación como marcador para el diagnóstico de la diabetes? a) insulina b) hexocinasa c) hemoglobina d) aldosa reductasa e) proteína cinasa C 6. ¿Qué causa la retinopatía proliferativa? a) Microaneurismas que hacen que los vasos sanguíneos sean permeables.
b) La angiogenia extensiva en la retina hace que se debiliten los vasos sanguíneos débiles y frágiles, que se vuelven permeables. c) El aumento de la producción de conos y bastones, de forma que se solapan e interfieren funcionalmente entre sí. d) El desarrollo extenso de la coroides, ejerciendo presión sobre el nervio óptico. e) El desarrollo extenso del epitelio pigmentado de la retina, ejerciendo presión en el nervio óptico.
2. ¿Cuál es la enfermedad autoinmunitaria, la diabetes mellitus de tipo 1 o tipo 2?
7. ¿Qué síntoma temprano de nefropatía se utiliza para el diagnóstico? a) glucosa en la orina b) albúmina en la orina c) sangre en la orina d) exceso de sed e) deshidratación
8. ¿Cómo aumenta la sulfonilurea la secreción de insulina?
8. ¿Cuál de los siguientes no es un fagocito? a) fibroblastos b) neutrófilos c) macrófagos d) monocitos 9. ¿Cuál no se usa como tratamiento de la DM tipo 2? a) sulfonilureas b) biguanidas c) inhibidores de la A-glucosidasa d) tiazolidinedionas e) fenilefrina 10. ¿Cuál de las siguientes opciones es una enzima que se estudia actualmente como objetivo de una terapia genética para la diabetes mellitus? a) hexocinasa b) proteína cinasa C c) aldosa reductasa d) proteína cinasa activada por AMP e) tirosina cinasa
Preguntas objetivas
3. La adición no enzimática de glucosa a una proteína se llama ________. 4. La acidosis surge en la diabetes debido a la producción de ________. 5. Define poliuria, polidipsia y polifagia. 6. En la diabetes, la amputación es secundaria a ________. 7. Nombra las tres fases de la cicatrización de heridas. ¿Qué fases se ven retardadas en la diabetes?
9. La cirugía para perder peso puede revertir algunos casos de DM tipo 2. (verdadero/falso) 10. ¿Qué es un coma diabético?
Preguntas abiertas 1. Compara la DM tipo 1 y tipo 2 en cuanto a sus causas, efectos y tratamiento. 2. Describe los mecanismos por los que los investigadores esperan aumentar el número de células beta activas en el páncreas. 3. Describe los efectos adversos directos de la hiperglucemia.
Pensamiento crítico 1. Con la información del capítulo 21, describe los diferentes cambios metabólicos de todo el organismo que se producen en la diabetes mellitus debido a la disminución de la actividad insulínica. 2. Describe algunos hábitos que hay cambiar para mejorar la salud de una persona que padezca diabetes mellitus.
1. ¿Cuál tiene mayor incidencia, la diabetes mellitus de tipo 1 o tipo 2?
Las respuestas a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com) para obtener herramientas adicionales de estudio.
Respuestas Respuestas a las preguntas de las figuras Fig. 1.5 Fig. 2.1 Fig. 2.2 Fig. 2.10
Fig. 2.11 Fig. 2.13 Fig. 2.32 Fig. 2.40 Fig. 3.4 Fig. 3.8 Fig. 3.10 Fig. 3.13 Fig. 3.17 Fig. 3.19 Fig. 4.7 Fig. 4.14 Fig. 4.20 Fig. 4.24 Fig. 4.25 Fig. 5.3 Fig. 5.8 Fig. 6.5 Fig. 6.9 Fig. 6.12
Fig. 7.4 Fig. 7.14
Fig. 7.16
Fig. 8.8
Fig. 8.10
Fig. 8.11 Fig. 9.5 Fig. 9.7 Fig. 9.12 Fig. 9.16
el líquido intersticial 5 el ácido graso, en la figura 2.2b los enlaces de hidrógeno, los enlaces iónicos y las fuerzas de van der Waals ribosa: C5H10C5; desoxirribosa: C5H10C4 enlace covalente TGC microtúbulo permanece igual disminuye debido a la ley de acción de masas disminuye una reacción de oxidaciónreducción todos los citocromos se incrementa menor tres veces mayor menor disminuir carboxilo el mensajero 2 debe ser lipófilo (o hidrófobo) la corticotropina el glucocorticoides y las hormonas sexuales La insulina es liberada por exocitosis. La aldosterona es liberada por difusión. músculo y glándulas El potasio está más alejado del equilibrio, de forma que su salida de la célula supera a la entrada de sodio en ella. El cierre de los umbrales de inactivación del sodio y la apertura de los canales de potasio. La neurona B, porque el potencial graduado resultante se habría disipado más para cuando hubiera llegado al cono axónico. Los iones de calcio que penetran en la célula a través de los canales de umbral de voltaje de calcio. nicotínico en los axones el C6 de la izquierda Para aumentar el volumen de la corteza cerebral. Sintetizar líquido cefalorraquídeo.
Fig. 9.22 Fig. 9.26 Fig. 9.29
Fig. 10.4
Fig. 10.49 Fig. 11.4 Fig. 11.5
Fig. 11.9 Fig. 12.8 Fig. 12.14 Fig. 12.16 Fig. 12.32 Fig. 13.9 Fig. 13.14
Fig. 13.20 Fig. 13.21 Fig. 13.23 Fig. 13.26 Fig. 13.29 Fig. 14.4 Fig. 14.11 Fig. 14.18 Fig. 14.19 Fig. 14.27 Fig. 14.28 Fig. 14.30 Fig. 16.1 Fig. 16.5 Fig. 16.10 Fig. 17.1 Fig. 17.4
Fig. 17.6
Fig. 17.8 Fig. 17.19 Fig. 17.20 Fig. 18.9
en la corteza motora primaria durante la fase 4 El calcio que entra en el axón terminal después de que un potencial de acción haya abierto canales de umbral de voltaje de calcio. corteza visual: lóbulo occipital; corteza auditiva: lóbulo temporal; corteza somatosensitiva: lóbulo parietal de microtúbulos los axones de neuronas aferentes y motoras la adrenalina (80%), la noradrenalina (20%) y la dopamina (menos del 1%) hacia ambos lados la acetilcolinesterasa isotónica acoplamiento de excitacióncontracción sistemas nerviosos somático y autónomo, respectivamente el músculo liso pasivo: difusión a través de los canales de calcio; activo primario: Ca2+-ATPasa; activo secundario: intercambiador Na+-Ca2+ porque la diástole dura más que la sístole igual la acetilcolina la hidrólisis del ATP por la miosina ATPasa extrínseco tubo A: 10 ml/min; tubo B: 5 ml/min Son la misma. pasivo de la absorción codificación por frecuencia al periférico ambas la cadena de transporte de electrones de los monocitos disminuiría 5l en las células, las venas sistémicas, la aurícula y el ventrículo derechos y las arterias pulmonares para generar ATP mediante la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa a 26 mmHg los periféricos las estrechas aumentarían
Fig. 18.10 Fig. 18.12
Fig. 18.17
Fig. 18.21 Fig. 19.6 Fig. 19.10 Fig. 19.14 Fig. 19.17
Fig. 19.24 Fig. 20.11 Fig. 20.12 Fig. 20.20 Fig. 20.22 Fig. 21.1 Fig. 21.4 Fig. 21.11 Fig. 21.13 Fig. 22.6 Fig. 22.8 Fig. 22.9 Fig. 22.12 Fig. 23.1 Fig. 23.2
Fig. 23.8 Fig. 23.12
Fig. 23.13
La carga filtrada aumentaría al hacerlo la FG. receptores de baja presión o de volumen localizados en las grandes venas sistémicas y la aurícula derecha En el túbulo proximal, dado que tiene uniones estrechas más permeables. el externo el yuxtamedular una hormona peptídica; en la neurohipófisis una hormona esteroidea; en el citosol Separa los aminoácidos del angiotensinógeno para formar angiotensina I. en los cuerpos carotídeos a través de la vena portal hepática catabólica su tamaño: son demasiado grandes hacia dentro glucólisis, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones la gluconeogenia las niñas el osteoclasto a través de los vasos portales hipotálamo-hipofisarios permanece igual aumenta Hay dos cromosomas X. en el bazo La inhibición de la dilatación capilar reduce el enrojecimiento y el calor y la inhibición del aumento de permeabilidad capilar reducen el edema. una respuesta primaria Las células de memoria. Los anticuerpos actúan a corto plazo y ayudan a eliminar la vacuna inocua del cuerpo de Iván. Sin embargo, las células de memoria pueden sobrevivir durante toda la vida y están preparadas para combatir el virus de la varicela siempre que se exponga a él. La histamina aumenta la permeabilidad capilar y produce vasodilatación, con la consiguiente pérdida de líquido de los vasos y la reducción de la resistencia periférica, respectivamente. Estos dos acontecimientos contribuyen a reducir la presión arterial media.
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RESPU ESTAS
Capítulo 1
dañados, estos restos se acumulan y pueden abrirse camino hacia los pulmones. Para limpiar las vías respiratorias de restos, la persona tiene que toser, lo que conocemos como «la tos del fumador».
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La hemorragia causa una disminución del volumen de la sangre. Inmediatamente, los líquidos del cuerpo compensan esta situación transfiriendo líquido intersticial al plasma. Esto hace que el volumen de la sangre aumente, lo que ayuda a mantener una presión arterial normal. Sin embargo, el aumento del volumen total de sangre implica solo un aumento del plasma, no de los glóbulos rojos, que necesitan días para aumentar su nivel hasta que este vuelve a la normalidad.
Si no se corrigieran los errores en la transcripción, el codón erróneo se quedaría en la cadena de mARN. Con gran probabilidad, el codón erróneo significaría que el aminoácido erróneo se traduciría durante la síntesis de proteínas (hay excepciones, porque en unos pocos casos dos codones codifican para el mismo aminoácido). El aminoácido erróneo en una proteína podría no tener efecto en el funcionamiento de la proteína, podría disminuirlo o incluso aumentarlo. Por ejemplo, en la anemia drepanocítica o drepanocitosis, solo un nucleótido es erróneo en el gen que codifica para la hemoglobina, dando como resultado un aminoácido erróneo que causa la polimerización de la hemoglobina en los glóbulos rojos, distorsionando estos de modo que adoptan la forma de una hoz. Sin embargo, también pueden ocurrir errores «buenos», que son la base de la evolución.
Respuestas a «Comprueba tus conocimientos»
Capítulo 2 Página 23 El aceite vegetal consiste en moléculas de lípidos, que contienen numerosos enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno que las hace no polares. Las moléculas de agua polares se mantienen juntas gracias a enlaces de hidrógeno, mientras que las moléculas de aceite se atraen entre sí mediante interacciones no polares, como las fuerzas de van der Waals. Químicamente, el agua y el aceite no se atraen entre sí, de modo que, en una mezcla, las moléculas de agua se fusionan por una parte y las moléculas de aceite por otra.
Página 32 Para determinar dónde se encuentra una proteína en una célula, los científicos deben separar por pasos la célula en sus diversos componentes y probar si en cada componente hay presencia de proteínas. Esto se realiza trabajando en la membrana plasmática, pero dejando los orgánulos y varios fragmentos de membrana intactos. Una serie de centrifugaciones puede, entonces, separar los componentes por densidades. Para determinar si una proteína de membrana es una proteína integral de membrana o es una proteína periférica de membrana, los científicos deben saber si la proteína puede ser fácilmente disociada de la membrana plasmática; esto se puede lograr agitando una solución que contenga células y centrifugándola, lo que provoca que las células se acumulen en el fondo y la solución se quede arriba. A continuación, se comprueba la presencia de proteínas en la solución. Si la proteína en cuestión está en la solución, entonces se ha disociado de la membrana sin dañar a esta. Por tanto, la proteína era una proteína periférica de membrana.
Página 38 Los cilios sacan partículas y restos de las vías respiratorias. Cuando los cilios están
Capítulo 3 Página 61 2: 0,5; exergónica. 10: 0,1; exergónica. 0,1: 10; endergónica. 0,01: 100; endergónica.
Página 67 Una deficiencia de zinc disminuiría la actividad de la alcohol deshidrogenasa y, por lo tanto, también lo haría la tolerancia al alcohol.
Página 81 La mayoría de la ATP se sintetiza cuando la NADH citosólica cede sus electrones a la NAD mitocondrial (tres por cada NADH citosólico), y en menor cantidad cuando a la NADH citosólica cede sus electrones a la FAD mitocondrial (dos por cada NADH citosólica). En términos de producción global de ATP a partir de la oxidación de la glucosa, se sintetizan 36 ATP cuando los electrones se lanzan a 2 FAD, 37 cuando se lanzan a 1 NAD y 1 FAD, y 38 cuando se lanzan a 2 NAD.
Capítulo 4 Página 111 Durante la regulación alostérica de una enzima, se une un modulador por medio de interacciones débiles a su sitio de unión, alterando la afinidad de la enzima por su sustrato. En el transporte activo secundario ocurre un proceso similar Durante la regulación por modificación covalente de una enzima, un grupo químico, generalmente un fosfato, se une covalentemente a la enzima para alterar su acti-
vidad. En el transporte activo primario, ocurre un proceso similar, ya que la ATPasa (bomba) cataliza su autofosforilación para incrementar su afinidad por el soluto cuando la bomba se expone a una determinada cara de la membrana.
Página 113 200 mM de disolución de KCl contienen 200 mmoles de potasio y 200 mmoles de cloruro en 1 l. La disolución es de este modo 200 + 200 = 400 mOsm. Esta disolución es hipertónica con respecto a los líquidos corporales (que son 300 mOsm). 100 mM de disolución de MgCl2 contienen 100 mmoles de magnesio y 200 mmoles de cloruro en 1 l. La disolución es de este modo 100 + 200 = 300 mOsm. Esta solución es isotónica con respecto a los líquidos corporales. 50 mmoles de CaCl2 en 250 ml de agua tienen la misma concentración que 200 mmoles en 1 l o 200 mM. De tal manera que un litro de disolución contendría 200 mmoles de calcio y 400 de cloruro. La disolución es 200 + 400 = 600 mOsm. Esta disolución es hipertónica con respecto a los líquidos corporales.
Página 116 Osmolaridad de NaCl al 0,9% Una disolución al 0,9% contiene 0,9 g de NaCl en 100 ml de agua, o 9 g por l. El peso molecular del NaCl = 23 + 35 = 58 g/mol = 0,155 moles o 155 mmoles por l. Como el NaCl se disocia en dos iones en disolución, la osmolaridad es de 310 mOsm. Esto es una solución isotónica e isoosmótica. Osmolaridad del glucosado al 5% Una disolución al 5% contiene 5 g de dextrosa en 100 ml de agua, o 50 g por l. El peso molecular de la glucosa = (12 6) + (12 1) + (16 6) = 180 g/mol. La molaridad de una disolución al 5%, de esta manera, será 50 g/180 g/mol = 0,278 mol/l = 0,278 M = 278 mM. Como la dextrosa es una disolución de un solo componente, 278 mM = 278 mOsm. Esta solución es isoosmótica, pero es hipotónica (similar al ejemplo de la urea).
Capítulo 5 Página 134 Las hormonas esteroides se sintetizan mediante vías metabólicas, que comienzan en el colesterol. La producción de andrógenos y estrógenos sigue la misma ruta hasta que se ramifica, al sintetizarse los estrógenos a partir de los andrógenos. Así, las células de los testículos tienen enzimas para producir andrógenos y los ovarios tienen estas enzimas que producen andrógenos, pero también enzimas que convierten los andrógenos en estrógenos.
R E S P UESTA S
Página 138 La adición de un antagonista al líquido extracelular disminuye la cantidad de mensajeros unidos a un receptor. El gráfico debería mostrar las líneas del antagonista siguiendo una curva menos profunda, pero que alcance la misma unión máxima (pero para una mayor concentración del mensajero). Cuanto mayor es la concentración del antagonista, menos profunda es la curva.
Página 142 La inhibición de la fosfodiesterasa hace que las concentraciones de cAMP aumenten. Dado que el cAMP incrementa el ritmo cardíaco y la fuerza de la contracción, la cafeína también aumentaría el ritmo cardíaco y la fuerza de la contracción mediante la inhibición de la fosfodiesterasa.
Capítulo 6 Página 161 Dado que los esteroides se pueden «disolver» en el tejido adiposo, es posible que se almacenen en el cuerpo durante un par de semanas. Estos esteroides depositados se pueden liberar del tejido adiposo cuando empiezan a reducirse las concentraciones de esteroides en la sangre y, por eso, pueden aparecer en la orina.
Página 162 Cuando se secreta una cantidad deficiente de hormona estimulante del tiroides, la secreción de hormona tiroidea se reducirá. Por tanto, el paciente mostrará un hipotiroidismo (concentraciones bajas de hormonas tiroideas en la sangre). Estas bajas concentraciones de hormonas tiroideas ejercen un efecto de retroalimentación negativa menor sobre la secreción de hormona liberadora de tirotropina por el hipotálamo, de manera que las concentraciones de esta hormona en sangre estarán aumentadas. En resumen, la concentración de hormona liberadora de tirotropina estará elevada, la de hormona estimulante del tiroides disminuida y las hormonas tiroideas serán bajas.
Como algunos de estos canales (aunque pocos) están abiertos en reposo, la TTX debería reducir la permeabilidad al sodio y determinar un potencial de membrana en reposo hiperpolarizado. El tetrametilamonio (TEA) bloquea los canales de potasio regulados por voltaje responsables de la fase de repolarización del potencial de acción, de forma que cuando se produce un potencial de acción, se prolongará la fase de despolarización. Como algunos de estos canales se encuentran abiertos en reposo, el TEA debería reducir la permeabilidad al potasio y provocar un potencial de membrana en reposo despolarizado.
Página 191 Como se reduce la cantidad de mielina, la esclerosis múltiple retrasa la conducción de los potenciales de acción en el sistema nervioso central. Al final, el grado de desmielinización condiciona el cese de los potenciales de acción a lo largo de algunos axones.
Capítulo 8 Página 199 Los fármacos que bloquean la degradación o la recaptación de neurotransmisor aumentan la concentración de neurotransmisor en la hendidura sináptica de las neuronas activas, aumentando la comunicación. Sin embargo, si una neurona no libera neurotransmisor, estos fármacos no tendrán efecto.
Página 207 Para percibir el dolor, la información debe ser transmitida desde el receptor sensorial situado en la piel hasta la corteza somatosensitiva primaria. Cualquier trastorno en el camino de la comunicación a cualquier nivel disminuirá la percepción. Por tanto, si disminuye la comunicación de la neurona aferente con la neurona de segundo orden de la médula espinal, se transmitirá menos señal a la corteza y la percepción del dolor será reducida.
Capítulo 9 Capítulo 7
Página 219
Página 176 El potencial de membrana en reposo de dicha célula sería menos negativo de –70 mV.
Página 177 Vm = 61 log
+
+
La hidrocefalia está causada por un aumento del líquido cefalorraquídeo, lo que puede ocurrir cuando el plexo coroideo produce demasiada cantidad o cuando hay muy poco drenaje.
–
PNa[Na ]o + PK[K ]o + PCI[CI ]i PNa[Na+]i + PK[K+]i + PCI[CI–]o
Página 188 La tetrodotoxina (TTX) bloquea los canales de sodio regulados por voltaje responsables de la fase de despolarización rápida del potencial de acción, de forma que bloquea la generación de potenciales de acción.
Página 226 Para bloquear la función sensitiva, pero no la función motora en un nivel medular específico, los daños al sistema nervioso periférico deben afectar a la raíz posterior o dorsal o al ganglio espinal, únicos lugares en los que los axones motores y sensoriales viajan por vías distintas.
711
Página 238 Si no se consigue inducir el reflejo rotuliano, el daño neurológico puede estar en cualquier parte a lo largo de la vía del reflejo: en el receptor del tejido, en la neurona aferente, en la médula espinal o en la neurona eferente. Son necesarias más pruebas para determinar dónde ha ocurrido el daño neurológico. Con mucha probabilidad, los daños en el receptor son congénitos y existen desde el nacimiento. Los daños a la neurona aferente estarían acompañados de una pérdida de la propiorrecepción. Los daños a la motoneurona también ocasionarían falta de movimiento voluntario en el mismo músculo.
Capítulo 10 Página 266 El daño de la columna dorsal afecta las sensaciones somáticas del tacto, la presión y la propiorrecepción. Dado que esta vía es ipsolateral hasta que alcanza el tronco del encéfalo, el daño en el lado izquierdo de la médula espinal provoca la carencia de sensibilidad en el lado izquierdo del organismo. Puesto que la información proveniente de los brazos se encuentra por encima del nivel del daño (médula espinal cervical contra daño torácico), solo las piernas se ven afectadas. Por tanto, el daño en la parte izquierda de la columna dorsal torácica de la médula espinal provoca la ausencia del tacto, la presión y la propiorrecepción de la pierna izquierda.
Página 267 El daño en la vía espinotalámica afecta a las sensaciones somáticas de la temperatura y el dolor. Ya que esta vía atraviesa a la médula espinal contralateral con un par de segmentos del nivel de entrada a la médula espinal, el daño en la parte izquierda de la médula espinal provoca la ausencia de sensibilidad en el lado derecho del organismo. Dado que la entrada procedente de los brazos se encuentra por encima del nivel de daño (médula espinal cervical contra daño torácico), solo las piernas se ven afectadas. Por tanto, el daño en la parte izquierda de la vía espinotalámica torácica de la médula espinal provoca la carencia de sensibilidad a la temperatura y al dolor proveniente de la pierna derecha.
Página 276 Cuando se toma una foto con flash con una cámara que corrige los ojos rojos, la ráfaga inicial de luz hace que las pupilas se contraigan. Cuando se produce la siguiente ráfaga en sincronía con la toma de la foto, las pupilas ahora contraídas permiten que entre menos luz en los ojos y que esta se refleje de nuevo hacia la cámara, minimizando así el fenómeno de «ojos rojos».
712
RESPU ESTAS
Página 283 El daño al nervio óptico derecho provocaría la pérdida de visión en el ojo derecho. Puesto que el ojo izquierdo percibe parte del campo visual derecho, solo el campo visual temporal derecho se perdería. Sin embargo, al no existir aferencias bilaterales en el cerebro, la percepción de la profundidad disminuiría. El daño en la cintilla óptica derecha provocaría la pérdida de aferencias desde la retina nasal izquierda y la retina temporal derecha, dando como resultado la pérdida del campo visual izquierdo. El daño a la corteza visual primaria derecha también daría como resultado la pérdida de la percepción del campo visual izquierdo.
Página 295 Dado que el laberinto membranoso es una parte funcional de la cóclea y el aparato vestibular, la enfermedad de Ménière puede ocasionar problemas en la audición y el equilibrio y, a menudo, un exceso de actividad neural. Entre los síntomas se incluyen acúfenos (pitidos en el oído) y mareos.
Capítulo 11 Página 311 El sistema nervioso parasimpático estimula la contracción de la vejiga y, por tanto, un antagonista parasimpático disminuiría la contracción de la vejiga. De forma específica, se podría utilizar un antagonista muscarínico colinérgico. No obstante, un fármaco de esas características afectaría a todos los órganos efectores del sistema nervioso parasimpático, incluidos el corazón (la frecuencia cardíaca aumentaría) y el aparato digestivo (la motilidad y la secreción disminuirían). El sistema nervioso simpático inhibe la contracción de la vejiga en receptores A2, aunque este es un efecto pequeño. Asimismo, el sistema nervioso simpático estimula la contracción del esfínter uretral, inhibiendo así la micción, mediante acciones sobre los receptores A1. Aunque un agonista A1 podría inhibir la micción, no impediría las contracciones de la vejiga y, por tanto, la necesidad de orinar seguiría existiendo.
actividad parasimpática, aunque un exceso de la actividad simpática pueda hacer que una persona se desmaye. Por lo tanto, podría utilizarse un antagonista colinérgico muscarínico en pacientes que tienden a desvanecerse.
Capítulo 12 Página 331 Las agujetas normalmente están provocadas por la hiperexcitabilidad de las motoneuronas que inervan el músculo. El tejido nervioso resulta hiperexcitable cuando los electrólitos están en desequilibrio (como ocurre durante la deshidratación) y durante los altos niveles de actividad (por ejemplo, ejercicio intenso). Asimismo, los reflejos medulares pueden aumentar la contracción de los músculos esqueléticos durante el ejercicio cuando el músculo se fatiga.
Página 341 Los velocistas utilizan el concepto de la longitud óptima cuando se colocan en la línea de salida. Los jugadores de béisbol utilizan la longitud óptima al batear cuando extienden sus brazos antes de golpear. Existen otros muchos ejemplos.
Página 354 El ejercicio aeróbico mejora la función cardíaca. El músculo cardíaco debe seguir contrayéndose sin fatiga. Los ejercicios aeróbicos aumentan el número de mitocondrias y la concentración de mioglobina, incrementando la eficiencia aeróbica. También mejoran el flujo de sangre al corazón.
Capítulo 13 Página 371 Una extrasístole ventricular se produce por una despolarización del músculo ventricular. Esta despolarización determina que el ventrículo entre en período refractario, de forma que cuando llega la siguiente onda de despolarización procedente de la vía de conducción normal, los canales de umbral de voltaje de sodio se inactivan y el ventrículo no se puede excitar para contraerse. Por eso, falla el latido siguiente.
Página 314
Página 374
Un exceso de actividad simpática puede producir una frecuencia cardíaca acelerada, molestias en el estómago, rubor y, por consiguiente, se pueden bloquear con un antagonista simpático. El tipo de antagonista variaría en función del tipo de receptor activado. Según la tabla 11.2, un antagonista A1 podría ralentizar la frecuencia cardíaca, un antagonista A2 podría disminuir el rubor y un antagonista A1 podría disminuir el sudor. Normalmente, los vahídos son consecuencia de un aumento de la
Al bloquear los canales de calcio de tipo L en las células marcapasos, el verapamilo reduce la frecuencia de despolarizaciones espontáneas, de forma que se reduce la frecuencia cardíaca y también la presión arterial. Al bloquear los canales de calcio de tipo L en las células contráctiles cardíacas, el verapamilo disminuye el flujo de entrada de calcio en la célula durante la fase de meseta. Como este calcio contribuye al acoplamiento contracción-excitación, verapamilo reduce la fuerza de la contracción, lo
que reduce el volumen sistólico y la presión arterial.
Página 382 Volumen sistólico = volumen telediastólico – volumen telesistólico = 150 ml – 50 ml = 100 ml Fracción de eyección = volumen sistólico/ volumen telediastólico = 100 ml/150 ml = 0,67
Página 383 Gasto cardíaco = frecuencia cardíaca volumen sistólico. A partir de los datos aportados, es posible calcular la frecuencia cardíaca a partir del intervalo R-R: 60 s/min Frecuencia cardíaca = intervalo R-R 60 s/min = 0,6 s/latido = 100 latidos/min Es posible calcular el volumen sistólico a partir de los volúmenes telesistólico y telediastólico: Volumen sistólico = volumen telediastólico – volumen telesistólico = 160 ml – 30 ml = 130 ml/latido Multiplica la frecuencia cardíaca y el volumen sistólico para obtener el gasto cardíaco: Gasto cardíaco = volumen sistólico frecuencia cardíaca = 100 latidos/min 130 ml/latido = 13.000 ml/min
Capítulo 14 Página 398 La ley de Ohm afirma que I = E/R, donde I = corriente (flujo de cargas), E = diferencia de potencial y R = resistencia. La regla del flujo afirma que F = P/R, donde F = flujo, P = gradiente de presión y R = resistencia. En el caso del líquido y de la corriente, el flujo es mayor cuanto mayor es el gradiente (carga o presión) y menor cuando la resistencia aumenta. Los tipos de gradiente y de resistencia varían, pero los principios son iguales.
Página 416 La presión neta de filtración = (32 mmHg + 1 mmHg) – (25 mmHg + 1 mmHg) = 7 mmHg. Como la presión de filtración está aumentada (en comparación con la normal), saldrá más líquido de la sangre por filtración hacia el líquido intersticial y esto produce el edema en los pies del paciente.
Capítulo 15 Página 437 La policitemia incrementa la resistencia al flujo de sangre, aumentando la presión arterial media.
Página 445 Las embolias resultan especialmente peligrosas cuando quedan encajadas en los
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vasos sanguíneos cerebrales, cardíacos o pulmonares, donde pueden ser causa de embolia pulmonar, ataque cardíaco o ictus. Cada uno de estos acontecimientos puede causar la muerte.
Capítulo 16 Página 456
Página 517 La fracción de filtración equivale a la filtración glomerular dividida entre el flujo plasmático renal. No se conoce el flujo plasmático renal, pero se puede calcular a partir del flujo de sangre renal y el hematocrito, con la siguiente fórmula:
El aumento de la producción de moco durante un resfriado ayuda a prevenir que las sustancias dañinas alcancen la zona respiratoria. Sin embargo, también aumenta la resistencia al flujo de aire y dificulta la respiración.
Flujo plasmático = flujo de sangre (1 – hematocrito) = 1,25 l/min × (1 – 0,4) = 1,25 l/ min 0,6 = 0,75 l/min = 750 ml/min
Página 462
Carga filtrada para el sodio = FG concentración plasmática de sodio
La compresión de la cavidad abdominal en la maniobra de Heimlich aumenta la presión de las vías respiratorias en la parte profunda del tubo respiratorio, lo que genera un gradiente de presión que tiende a desplazar los objetos fuera de los pulmones y hacia la boca. Si se genera suficiente presión, el objeto saldrá de su lugar y se expulsará del tubo respiratorio.
Página 471 Una capacidad vital de 4.800 ml está ligeramente aumentada respecto de la normal. La capacidad vital forzada en 1 s es (3.500 ml/ 5.000 ml) 100% = 70%. Este valor es bastante inferior al 80% normal. La baja capacidad vital forzada en 1 s indica una enfermedad pulmonar obstructiva.
Capítulo 17 Página 480 El oxígeno representa el 21% del aire atmosférico. Como la presión atmosférica total en la cima del Everest es solo de 250 mmHg, la presión parcial de oxígeno a este nivel se podría calcular de la siguiente forma: 250 mmHg 0,21 = 52,5 mmHg
Página 489 6DWXUDFLyQSRUFHQWXDOGHODKHPRJORELQDFRQR[tJHQR
Capítulo 18
32 PP+J
Fracción de filtración = FG/flujo plasmático renal = 125 ml/min/750 ml/min = 0,17 = 17%
Carga filtrada = 125 ml/min 140 mmol/ 1.000 ml = 17,5 mmol/min Para convertir los mmol en mg, 17,5 mmol de sodio 23 mg/mmol = 402,5 mg. Por tanto, la carga filtrada de sodio es 402,5 mg/min.
Página 527 Es posible calcular la eliminación de una sustancia con la siguiente ecuación: Eliminación = velocidad de excreción/concentración plasmática La velocidad de excreción de S = la concentración urinaria de S multiplicada por la velocidad de flujo de orina = 0,2 mg/l 0,5 l/h = 0,1 mg/h
713
reabsorbe sodio, la glucosa y determinados aminoácidos no se reabsorberán. Por tanto, el gradiente osmótico para la reabsorción de agua en el túbulo proximal será bajo y se reabsorberá menos agua.
Página 553 Las glándulas paratiroideas secretan hormona paratiroidea, que aumenta las concentraciones de calcio en la sangre. Cuando no actúan estas glándulas, la calcemia es baja y puede causar arritmias, hipotensión, osteoporosis, debilidad muscular y calambres.
Página 556 La hiperventilación reduce la concentración de dióxido de carbono en la sangre. Como el dióxido de carbono funciona como un ácido en los sistemas biológicos (se puede convertir en ácido carbónico por la enzima anhidrasa carbónica), una reducción del dióxido de carbono producirá una reducción de los iones de hidrógeno y, por tanto, una alcalosis. La alcalosis aumenta la excitabilidad de las neuronas, sobre todo las de los nervios periféricos. Las neuronas aferentes se activan y transmiten potenciales de acción al sistema nervioso central, generando así una sensación de hormigueo.
Capítulo 20 Página 583
Eliminación de S = 0,1 mg/h/1 mg/l = 0,1 l/h = 100 ml/h
Como la insulina es un péptido, si se consume en la dieta se digerirá por las proteasas del estómago y el intestino delgado. Por eso, se debe inyectar directamente en la sangre.
Página 528
Página 585
Como se elimina el sodio de menos sangre que el potasio, se reabsorbe más sodio.
La olestra es una molécula sintética y nuestro aparato digestivo carece de las enzimas necesarias para su digestión en unidades absorbibles; por tanto, se elimina con las heces. Como es liposoluble, puede atraer a otras sustancias liposolubles, incluidas las vitaminas.
Capítulo 19 Página 547 La bomba Na+/K+ se encuentra en la membrana basolateral de las células epiteliales que revisten los túbulos proximales y distales. Bombea iones de sodio hacia el espacio intersticial para que entren en la sangre, e introduce iones de potasio en la célula. En este aspecto, resulta fundamental el destino del sodio. Por la presencia de la bomba, las concentraciones de sodio dentro de la célula son bajas, lo que genera un gradiente electroquímico para que el sodio entre en las células epiteliales desde la luz del túbulo a través de la membrana apical. Este desplazamiento se acopla a menudo al transporte de otras moléculas, como la glucosa y los aminoácidos. La reabsorción de sodio y los solutos que se transportan con él genera un gradiente osmótico para la reabsorción de agua en el túbulo proximal. La ouabaína bloquea la bomba Na+/K+, lo que disipa el gradiente electroquímico para la reabsorción del sodio. Cuando no se
Capítulo 21 Página 608 Determinadas áreas del cerebro muestran un aumento de actividad durante el sueño en comparación con el reposo. Por eso, es necesaria más energía durante el sueño.
Página 623 Para la formación de hueso se necesitan calcio y fosfato como componentes fundamentales. La vitamina D es el precursor del 1,25-dihidroxicolecalciferol, una hormona necesaria para el depósito de hueso.
Página 626 Cuando la cantidad de yodo en la dieta es escasa, la síntesis y secreción de hormonas tiroideas se reducen. La falta de hormona tiroidea hace desaparecer las aferencias inhibidoras (pérdida de la retroalimentación negativa) sobre el hipotálamo y la adenohi-
714
RESPU ESTAS
pófisis para la secreción de TRH y TSH, respectivamente. Las hormonas trópicas estimulan el crecimiento del tejido glandular y la secreción de las hormonas diana. En este caso, TSH estimula el crecimiento del tiroides en un intento de aumentar la síntesis de hormonas tiroideas.
Preguntas objetivas
Respuestas a «Preguntas de opción múltiple» y a «Preguntas objetivas»
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Capítulo 1 Preguntas de opción múltiple
Capítulo 22
1. e
Página 658
Preguntas objetivas
En un embarazo ectópico, el embrión se implanta fuera del útero, con frecuencia en la trompa. Solo la pared uterina está diseñada para soportar el crecimiento del feto; la pared de los demás órganos del aparato reproductor está diseñada para facilitar el transporte del esperma y el óvulo y para el parto. La pared del aparato reproductor no es capaz de aportar la nutrición que necesita el embrión en desarrollo ni tampoco dispone de espacio para su crecimiento. Esto último suele producir dolor a la gestante y, con frecuencia, se produce el aborto espontáneo del feto, lo que puede ser causa de hemorragia excesiva, con riesgo para la mujer.
1. 2. 3. 4.
Página 662 La inducción del parto sería beneficiosa para las mujeres que han salido de cuentas. También se induce el parto a mujeres con un embarazo de múltiples fetos, cuando estos ocupan demasiado espacio e interfieren con la capacidad de sobrevivir de los demás. La inducción en este caso determinará el nacimiento de niños prematuros, pero la probabilidad de supervivencia de cada uno será mejor. La inducción del parto puede ser fuente de niños prematuros, lo que genera una serie de complicaciones para el niño, como la carencia de suficiente surfactante.
Capítulo 23 Página 673 Las integrinas son importantes moléculas de adhesión que se unen fuertemente a los leucocitos a la pared de los vasos sanguíneos, de forma que los leucocitos pueden traspasar la pared. Debido a que la LAD produce falta de integrinas funcionales, la respuesta inflamatoria se debilitaría, ya que las células sanguíneas no pueden abandonar la sangre tan fácilmente para llegar al lugar del daño/ infección en el tejido. El proceso de curación es más lento si se sufre LAD.
Página 686 Debido a la existencia de numerosas cepas de virus de la gripe en el mundo, los científicos hacen conjeturas sobre el tipo de gripe que es más probable que se active en una determinada estación. La vacuna se produce a partir de antígenos asociados con cerca de 200 cepas diferentes de gripe para incrementar la probabilidad de inmunización contra la cepa correcta.
2. c
3. e
4. a
5. b
Capítulo 6 1. d 8. c
5. conjuntivo 6. falso 7. insulina
3. a 4. b 5. d 6. a 7. d 10. b 11. d 12. d 13. c 14. e
9. gen 10. UAG 11. verdadero 12. secuencia líder 13. interfase 14. citocinesis 15. ubicuitina
Preguntas de opción múltiple 3. e 4. d 10. e
5. b
6. e
7. b
7. gluconeogenia 8. verdadero 9. activo 10. falso 11. alta 12. anaerobias
Preguntas de opción múltiple 3. a 4. c 5. a 6. c 7. a 10. c 11. c 12. d 13. e 14. e
Preguntas objetivas 1. aferente y 2. 3. 4.
6.
eferente aferentes la neuroglia en los axones terminales Las células de Schwann, los oligodendrocitos aumenta
7. negativo 8. el potasio 9. los ganglios de la raíz dorsal
10. mayor 11. falso 12. verdadero 13. saltatoria 14. falso 15. salgan
1. a 8. e
2. b 9. a
3. b 4. b 10. e
5. d
6. b
7. b
Preguntas objetivas 1. comunicante 8. inotrópicos 2. falso 9. la monoamino3. químicas oxidasa (MAO), la catecol-O4. falso metiltransferasa 5. falso (COMT) 6. verdadero 7. mayor 10. cAMP
Capítulo 9 Preguntas de opción múltiple 1. b 8. a
Preguntas objetivas hidrófobas pasivo verdadero verdadero química
6. verdadero 7. secreción 8. verdadero 9. falso 10. estrechas
4. d
5.e
6. e
3. c 4. b 5. c 6. c 10. c 11. c 12. a
1. en el plexo
Preguntas de opción múltiple 3. c 10.c
2. c 9. b
7. d
Preguntas objetivas
Capítulo 5 2. e 9. c
4. aminas 5. exocitosis 6. paratiroidea
Preguntas de opción múltiple
Capítulo 4
1. c 8. e
7. e
Capítulo 8
Preguntas objetivas
1. 2. 3. 4. 5.
6. a
Preguntas de opción múltiple
5.
1. a 2. e 8. a 9. c 15. d
5. c
Capítulo 7
Capítulo 3
oxidación reactantes negativo glucógeno falso verdadero
4. d
1. e 2. c 3. e 4. c 5. d 6. b 7. d 8. b 9. a 10. d 11. d 12. b 13. d 14. b 15. e
Preguntas objetivas 1. polares 2. no polares 3. colesterol 4. uracilo 5. integrales 6. falso 7. microvellosidades 8. conexones
1. 2. 3. 4. 5. 6.
3. b
1. endocrinas 2. verdadero 3. médula
Preguntas de opción múltiple
2. d 9. a
2. e
Preguntas objetivas
Capítulo 2
1. b 8. c
7. lipófilos 8. eicosanoides 9. calmodulina 10. exocitosis 11. neurotransmisores 12. sistema nervioso
Preguntas de opción múltiple
extracelular homeostasis verdadero falso
1. b 2. d 8. b 9. c 15. c
secretoras autocrino hormona, sangre alfa adenilato ciclasa IP3
7.c
2. 3. 4. 5. 6.
coroideo estrecha blanca ventral cerebro el mesencéfalo, la protuberancia y el bulbo raquídeo
7. el derecho 8. el tálamo y el hipotálamo
9. el tálamo 10. la amígdala 11. límbico 12. declarativa 13. falso
715
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6. contracción
Capítulo 10 Preguntas de opción múltiple 1. d 8. c
2. c 9. b
3. e 4. a 5. b 6. c 7. a 10. a 11. b 12. c 13. b
caliente, frío adecuado rápidamente mecánico, térmico, polimodal 5. izquierdo 6. disminuyen 7. células ganglionares
8. frecuencia 9. falso 10. acomodación 11. opsina 12. falso 13. falso 14. verdadero 15. falso
Preguntas de opción múltiple 2. b 9. e
3. c 4. e 5. a 6. c 10. b 11. c 12. c
7. a
1. c 2. c 3. b 4. e 5. c 6. d 7. e 8. c 9. e 10. a 11. c 12. a 13. b 14. a 15. b 16. c 17. a
2. 3. 4. 5. 6. 7.
parasimpática rama parasimpática falso el bulbo raquídeo NC III, VII, IX y X falso neuronas preganglionares y posganglionares parasimpáticas, neuronas
preganglionares simpáticas y motoneuronas 8. neuronas posganglionares simpáticas 9. fosfolipasa C 10. adrenérgico A2 11. excitación 12. adrenalina 13. nicotínicos 14. verdadero 15. acetilcolinesterasa
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
La uretra verdadero aferente corpúsculo renal mayor disminuir interno falso
1. 2. 3. 4. 5.
falso disminuye falso mayor gradiente de presión
Preguntas objetivas
Capítulo 15 Preguntas de opción múltiple 2. a 9. d
3. d 4. a 10. c
5. d
6. b
7. b
Preguntas objetivas 1. 2. 3. 4.
5. bilirrubina 6. anhidrasa
suero ferritina trombina B
carbónica
7. tromboxano A2
Capítulo 16 2. c 9. e
aumenta túbulo proximal falso disminuye péptido natriurético auricular 6. falso 7. La aldosterona 8. La hormona antidiurética
3. a 4. d 10. d
5. d
6. c
7. b
Capítulo 20 1. a 8. b
2. b 9. a
Capítulo 17 Preguntas de opción múltiple 1. c 8. d
Capítulo 21
2. c 9. b
3. d 4. b 10. e
5. c
6. e
7. d
troponina 7. isométrica verdadero 8. actividad de verdadero miosina ATPasa oxidativas 9. larga sarcolema 10. oxidativas grupos de cabeza 11. falso de miosina
Capítulo 13 1. b 8. a
2. e 9. c
3. c 4. e 5. a 6. a 10. b 11. a 12. e
1. 2. 3. 4. 5.
SA aumenta falso izquierdo semilunar
9. la frecuencia cardíaca
10. aumenta 11. aumenta 12. falso
3. d 4. a 5. a 6. b 7. e 10. e 11. d 12. e 13. c
1. la misma 2. menos
7. b
Preguntas objetivas
2. c 9. c
6. aumenta 7. conductora 8. obstructivas 9. caliciformes 10. externos
5. 6. 7.
8. disminución,
7. e
falso falso cefálica mientérico serosa colecistocinina lipasas mucosa estimula
10. principales 11. Los complejos de motilidad migratoria 12. falso 13. amplitud 14. verdadero 15. del borde en cepillo
1. a 8. c
2. c 9. a
3. b 4. e 5. b 6. a 10. e 11. a 12. e
7. c
Preguntas objetivas
9. carbaminohemoglobina 10. verdadero 11. periféricos 12. irritante 13. mayor 14. broncodilatación 15. vasodilatación
Capítulo 18 Preguntas de opción múltiple 2. c 9. b
6. d
aumento
de la mitad falso aumenta, aumenta la anhidrasa carbónica aumenta aumenta
1. b 8. a
5. d
Preguntas de opción múltiple
Preguntas objetivas
3. 4.
Preguntas de opción múltiple
falso aumenta más mayor disminuye
3. e 4. e 10. a
Preguntas objetivas
Preguntas objetivas 1. 2. 3. 4. 5.
(ADH) o vasopresina 9. falso 10. estimulada 11. disminuye 12. aumenta 13. aumento 14. falso 15. falso
Preguntas de opción múltiple
Preguntas de opción múltiple 1. e 8. b
1. 2. 3. 4. 5.
1. 2. 3. 4. 5. 6.
1. c 8. d
peritubulares
13. disminuya 14. túbulo proximal
1. c 2. e 3. b 4. a 5. d 6. d 7. e 8. c 9. b 10. a 11. e 12. a 13. c 14. d 15. d
Preguntas objetivas
Preguntas de opción múltiple
glomerular
10. secreta 11. PAH 12. los capilares
Preguntas de opción múltiple 6. descenso 7. falso 8. verdadero 9. aumento 10. falso 11. verdadero
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Capítulo 12
9. la filtración
Capítulo 19 Preguntas objetivas
1. d 8. a
Preguntas objetivas 1. rama
Preguntas objetivas
Preguntas de opción múltiple
Capítulo 11 1. c 8. b
13. diástole 14. T 15. falso
Capítulo 14
Preguntas objetivas 1. 2. 3. 4.
isovolumétrica 7. sistólica 8. falso
3. b 4. d 5. a 10. a 11. c
6. d
7. c
1. glucagón 2. insulina 3. verdadero 4. glicerol 5. absorción 6. postabsorción 7. negativo 8. calor 9. inhibir 10. factores de crecimiento
parecidos a la insulina 11. las hormonas sexuales 12. simpática 13. aumento 14. falso 15. estimulador
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RESPU ESTAS
Capítulo 22
Capítulo 24
Preguntas de opción múltiple 1. c 8. b
2. d 9. a
3. b 4. b 10. a
5. d
Preguntas de opción múltiple 6. c
7. b
Preguntas objetivas 1. falso 2. el factor determinante testicular 3. permanecen 4. gonadotropinas 5. verdadero 6. Leydig 7. FSH 8. acrosoma 9. descenso 10. capacitación 11. la trompa de Falopio
12. lútea 13. granulosa 14. LH 15. endometrio 16. proliferativa 17. LH 18. progesterona 19. estrógenos 20. menstruación 21. blastocisto 22. progesterona 23. la placenta 24. oxitocina 25. prolactina
Preguntas de opción múltiple 2. c 9. b
3. a 4. c 5. e 6. c 7. b 10. d 11. b 12. e 13. b
Preguntas objetivas 1. a) M b) TH c) TC d) B e) B 2. a) A b) H c) N d) C e) C 3. bloquear 4. II, colaborador
2. d 9. e
3. b 4. a 10. d
5. c
6. b
7. b
Preguntas objetivas
Capítulo 23 1. e 8. d
1. c 8. a
5. verdadero 6. pasiva 7. fagocitosis, endocitosis
8. T
1. 2. 3. 4. 5.
tipo 2 tipo 1 glucosilación cetonas poliuria: exceso de micción; polidipsia: sed excesiva; polifagia: exceso de ingesta 6. neuropatía 7. Hay tres fases: inflamación, proliferación y remodelado; las que se retrasan en la diabetes son las fases inflamatoria y proliferativa.
8. Las sulfonilureas estimulan la liberación de insulina en las células beta pancreáticas. 9. verdadero 10. El coma diabético es el resultado de la administración de una cantidad excesiva de insulina, de forma que se reducen las concentraciones de glucosa en sangre hasta niveles peligrosamente bajos.
Créditos Capítulo 1: Apertura: Adventurephoto/age footstock. Conexiones clínicas: RNT Productions/Corbis. Capítulo 2: Apertura: Dr. Torsten Wittmann/Photo Researchers, Inc. 2.19b: Omnikron/Photo Researchers. 2.20: Biophoto Associates/ Photo Researchers. Conexiones clínicas 1: Moredun Scientific/Photo Researchers. 2.33: Tomado de Hamkalo and Miller, «Electronmicroscopy of Genetic Material», Figure 6a, p. 379. Reproducido, con autorización, del Annual Review of Biochemistry, Volume 42. © 1973 by Annual Reviews, Inc. Conexiones clínicas 2: Ted Kinsman/Photo Researchers. Conexiones clínicas 3: CNRI/Photo Researchers, Inc. Capítulo 3: Apertura: Dr. Dennis Kunkel/Visuals Unlimited/Getty Images. Descubrimientos: Jpl/Anne/Photo Researchers. Conexiones clínicas: Food Pix/Jupiter Images. Capítulo 4: Apertura: Dennis Kunkel Microscopy, Inc./Phototake. Capítulo 5: Apertura: Alfred Pasieka/Peter Arnold. Descubrimientos: Scott Camazine/Photo Researchers. Conexiones clínicas: Photodisc/Getty Images. Capítulo 6: Apertura: Biophoto Associates/Photo Researchers, Inc. Descubrimientos: Stone/Getty Images. Conexiones clínicas: Associated Press, AP. Capítulo 7: Apertura: Science Photo Library/Photolibrary. Descubrimientos: John Olschowka/Phototake. Conexiones clínicas 1: Image Bank/Getty Images. Conexiones clínicas 2: Photo Library. Capítulo 8: Apertura: Visuals Unlimited/CORBIS. Conexiones clínicas 1: Corbis. Conexiones clínicas 2: Steve Bronstein/Image Bank/Getty Images. Capítulo 9: Apertura: Prof Stephen Waxman, Hank Morgan/Photo Researchers, Inc. Conexiones clínicas 1: Zephyr/Photo Researchers. 9.12c: David Fankhauser, UC Clermont College. Descubrimientos: Tomado de Damasio, H., Grabowski, T., Frank, R., Galaburba, A. M., Damasio, A. R. “The Return of Phineas Gage: Clues about the Brain from a Famous Patient”. Science, 264: 1102–1105, 1994. Department of Neurology and Image Analysis Facility, University of Iowa. Conexiones clínicas 2: Bettmann/Corbis. Capítulo 10: Apertura: Omikron/Photo Researchers, Inc. Conexiones clínicas 2: Bojan Brecelj/Corbis. 10.19b: Paul Parker/Photo Researchers, Inc. 10.22: Richard Megna/Fundamental Photographs. 10.44g: p. Motta, Dept. of Anatomy, University «La Sapienza», Rome/Science Photo Library/Photo Researchers. Capítulo 11: Apertura: Ed Reschke/Peter Arnold. Conexiones clínicas: M. Kalab/Custom Medical Stock Photo. Descubrimientos: Amazon Conservation Team. Capítulo 12: Apertura: Asa Thoresen/Photo Researchers, Inc. 12.3: H. Ris. 12.5e: John Heuser. Descubrimientos: Custom Medical Stock Photo.
Conexiones clínicas 1: Tom McCarthy/PhotoEdit. 12.24: Biophoto Associates/Photo Researchers. Conexiones clínicas 2: Tomado de Jorde, Carey, Banshad & White, Medical Genetics. © Elsevier, 2006. 12.32a: Eric Graves/Photo Researchers. 12.32b: Pearson Education/PH College. 12.32c: Marion Rice. Capítulo 13: Apertura: CNRI/Phototake. Capítulo 14: Apertura: SPL/Photo Researchers, Inc. Conexiones clínicas: BSIP/Custom Medical Stock Photo. Capítulo 15: 15.1: Oliver Meckes/Eye of Science/Photo Researchers. Conexiones clínicas: Oliver Meckes & Nicole Ottawa/Photo Researchers, Inc. 15.7: O. Meckes and D. Ottawa/Photo Researchers. Descubrimientos: Science Photo Library/Photo Researchers. Capítulo 16: Apertura: Eye of Science/Photo Researchers, Inc. Conexiones clínicas 1: Corbis. 16.4a: Biophoto Associates/Science Source/Photo Researchers. 16.4b: Carolina Biological Supply/Phototake. 16.5e: CNRI/Science Photo Library/Photo Researchers. 16.6: Martin Dohrn, Royal College of Surgeons/Photo Researchers. Conexiones clínicas 2: Don Garbera/Phototake. Capítulo 17: Apertura: Anatomical Travelogue/Photo Researchers, Inc. Conexiones clínicas 2: SPL/Photo Researchers. Descubrimientos: Karl Kummels/SuperStock. Capítulo 18: Apertura: Susumu Nishinaga/Photo Researchers, Inc. Conexiones clínicas: p. Marazzi/Photo Researchers. Capítulo 19: Apertura: Dennis Kunkel Microscopy, Inc./Phototake. Descubrimientos: Volvox/Index Stock. Conexiones clínicas: Dr. Tony Brain/Photo Researchers, Inc. Capítulo 20: Apertura: Steve Gschmeissner/Photo Researchers, Inc. Conexiones clínicas 1: S. Benjamin/Custom Medical Stock Photo. Conexiones clínicas 3: Cindy Stanfield. Capítulo 21: Apertura: Michael Ross/Photo Researchers, Inc. Conexiones clínicas: Rudi Von Briel/Index Stock. Capítulo 22: Apertura: Lennart Nilsson/Albert Bonniers Forlag. Conexiones clínicas 1: Steve Rosen/Custom Medical Stock Photo. Conexiones clínicas 2: VEM/Photo Researchers. 22.19: D. Phillips/Photo Researchers. Descubrimientos: Susan Van Etten. Capítulo 23: Apertura: SPL/Photo Researchers, Inc. 23.3b: O. Meckes and N. Ottawa/Eye of Science/Photo Researchers. Conexiones clínicas 2: Dennis Kunkel/Phototake. Conexiones clínicas 3: Bayor College of Medicine/Peter Arnold, Inc. Capítulo 24: Apertura: Steve Gschmeissner/Photo Researchers, Inc. 24.4a: Paul Parker/Photo Researchers, Inc. 24.4b: Chris Barry/Phototake. 24.4c: ISM/Phototake. 24.6: SPL/Photo Researchers, Inc.
Glosario 1,25 dihidroxicolecalciferol (1,25[OH2] D3) hormona esteroidea derivada de la vitamina D que regula el nivel de calcio en el plasma; también llamada calcitriol absorción movimiento de una sustancia procedente del medio externo hacia el medio interno mediante el transporte a través de un epitelio; en el aparato cardiovascular, la mayor parte del flujo de líquido del espacio intersticial al capilar acetilcolina (ACh) neurotransmisor muy utilizado tanto por el sistema nervioso central como por el periférico; es el neurotransmisor más abundante en el sistema nervioso periférico, se encuentra en las neuronas eferentes tanto del sistema nervioso somático como del autónomo acetilcolinesterasa (AChE) enzima que degrada la acetilcolina ácido araquidónico fosfolípido que se encuentra en las membranas plasmáticas de las células y plaquetas; es la molécula precursora para la síntesis de eicosanoides ácido desoxirribonucleico (ADN) biomolécula que consiste en dos hebras de nucleótidos entrelazadas como una doble hélice; se encuentra en el núcleo y almacena información genética ácido gamma-aminobutírico (GABA) neurotransmisor aminoácido ácido graso cadena larga de hidrocarburos con un grupo carboxilo (— COOH) en un extremo ácido nucleico polímero de nucleótidos que funciona en el almacenamiento y expresión de la información genética; véanse ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN) ácido ribonucleico (ARN) molécula polinucleótida que se encuentra en el núcleo de la célula y el citoplasma, y que es necesaria para la expresión de la información genética; incluye mARN, tARN y rARN acidosis estado de la sangre arterial cuando el pH es igual o inferior a 7,35 acidosis metabólica descenso del pH sanguíneo en respuesta a cambios distintos de los que afectan al nivel de dióxido de carbono
acidosis respiratoria disminución del pH sanguíneo provocada por un aumento del nivel de dióxido de carbono en la sangre ácino pequeño saco de células secretoras que desembocan en un ducto acomodación ajustes reflejos del ojo para visualizar objetos cercanos; supone el acoplamiento del cristalino, la constricción de la pupila y el posterior movimiento del cristalino acoplamiento contracción-excitación en una célula muscular, secuencia de sucesos que acoplan el potencial de acción con la contracción acoplamiento quimiosmótico totalidad del proceso que acopla el transporte de electrones con la síntesis de ATP; uso de la energía liberada durante el transporte de electrones para transportar iones de hidrógeno a través de la membrana interna mitocondrial en contra de sus gradientes de concentración acrosoma gran vesícula dentro de la cabeza del espermatozoide; contiene enzimas y otras proteínas que permiten la fusión del espermatozoide con el óvulo en la fecundación actina microfilamento más común; se encuentra en filamentos finos de las fibras musculares y proporciona el soporte estructural de las microvellosidades activación por alimentación anterógrada mecanismo de regulación en el que una enzima de una vía metabólica se estimula por un producto intermedio proximal en ella activación proteolítica activación de una enzima por medio de la descomposición de algunos aminoácidos acuaporina canal hídrico ubicado en la membrana plasmática de la mayoría de las células acumulación venosa acumulación de sangre en las venas adaptación disminución de la capacidad de respuesta de un receptor sensorial ante un estímulo continuado adenilato ciclasa enzima intracelular que cataliza la conversión de ATP en cAMP
adenohipófisis lóbulo anterior de la hipófisis; secreta principalmente hormonas trópicas adenosina trifosfato (ATP) compuesto que sirve de fuente de energía primaria directa para la actividad celular, se sintetiza a partir de la adenosina difosfato (ADP) y el fosfato inorgánico (Pi) adipocito célula lipídica que almacena triglicérido aditivo en el sistema endocrino, indica que el efecto de dos hormonas es simplemente la suma de los efectos de cada una adrenérgico perteneciente a la adrenalina o noradrenalina adrenocorticoide hormona esteroidea que secreta la corteza suprarrenal afinidad medida de la intensidad con que las moléculas ligando se enlazan a las proteínas aglutinación reunión masiva de antígenos por medio de la unión específica de muchos anticuerpos agonista molécula que se une a un receptor y lo activa para producir el mismo efecto que el mensajero endógeno agua corporal total volumen de agua que contienen todos los compartimentos del organismo agudeza en sistemas sensoriales, una medida de precisión de la percepción alcalosis estado de la sangre arterial cuando el pH es igual o superior a 7,45 alcalosis metabólica aumento del pH sanguíneo en respuesta a cambios distintos de los que afectan al nivel de dióxido de carbono alcalosis respiratoria aumento en el pH sanguíneo provocado por un aumento del nivel de dióxido de carbono en la sangre aldosterona hormona esteroidea que libera la corteza suprarrenal y que regula la reabsorción del sodio y la secreción de potasio almidón polisacárido que se encuentra en plantas alvéolo cavidad terminal del tubo respiratorio en la que tiene lugar la mayor parte del intercambio gaseoso, normalmente se agrupan en racimos
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amilasa enzima que puede digerir el almidón y el glucógeno; incluye la amilasa salival y la amilasa pancreática amina mensajero químico derivado de los aminoácidos amina biógena clase de neurotransmisor derivado de los aminoácidos aminoácido biomolécula que contiene un grupo amina, un grupo carboxilo, hidrógeno y un grupo R o residual adherido a un carbón central; se encuentra en las proteínas amnios membrana que forma una cavidad líquida alrededor del embrión, también llamada bolsa amniótica ampolla ampliación en la base de cada canal semicircular; contiene las células ciliadas para detectar la aceleración angular anabolismo síntesis de grandes moléculas a partir de moléculas más pequeñas; generalmente requiere aporte energético analgesia ausencia de percepción dolorosa andrógeno tipo de hormona esteroidea que secretan los testículos anemia disminución de la capacidad de la sangre para transportar oxígeno anfipática molécula que posee una región polar y otra no polar, como en las moléculas fosfolipídicas angiotensina II proteína derivada de la angiotensina I que estimula la corteza suprarrenal para que secrete aldosterona y lleve a cabo otras respuestas fisiológicas que sirven para mantener o aumentar el volumen y la presión arterial anhidrasa carbónica enzima que cataliza la reacción reversible que convierte el dióxido de carbono y el agua en ácido carbónico antagonismo en el sistema endocrino, cuando una hormona contrarresta la acción de otra antagonista molécula que se une a un receptor, pero no lo activa, evitando que el mensajero endógeno se una anticoagulante sustancia que evita que la sangre se coagule anticuerpo proteína presente en la sangre y líquidos intersticiales cuyo objetivo es la destrucción de antígenos concretos; también llamada inmunoglobulina (Ig) antígeno componente proteico o polisacárido de virus, bacterias, hongos, protozoos, gusanos parásitos, polen, tejido trasplantado y células tumorales que las células inmunológicas son capaces de identificar antiporte transporte secundario activo en el que dos sustancias transportadas se mueven en dirección opuesta
antro cavidad llena de líquido del folículo en desarrollo aorta arteria principal cuyas ramificaciones llevan sangre a todos los órganos y tejidos en el circuito sistémico aparato cardiovascular sistema orgánico formado por el corazón, los vasos sanguíneos y la sangre aparato de Golgi orgánulo constituido por unas bolsas aplanadas rodeadas de membrana, llamadas cisternas, que procesan moléculas aparato reproductor sistema de conductos a través del cual se transportan los gametos aparato urinario sistema de órganos que consiste en dos riñones, dos uréteres, la vejiga y la uretra aparato vestibular estructuras del oído interno que contienen células receptoras para el equilibrio, incluyendo los conductos semicirculares, el utrículo y el sáculo aparato yuxtaglomerular conjunto de células especializadas de los túbulos distales y las arteriolas aferentes y eferentes cerca de donde se juntan las tres estructuras en el riñón; regula la filtración glomerular y la secreción de renina aprendizaje adquisición de información o destrezas nuevas aprendizaje asociativo aprendizaje basado en la conexión entre dos o más estímulos aprendizaje no asociativo aprendizaje asociado a la repetición de un único estímulo aracnoides una de las tres meninges, se encuentra entre la duramadre y la piamadre arco reflejo vía por la que un estímulo induce una respuesta refleja área de asociación zona de la corteza cerebral que interviene en procesamientos complejos que requieren la integración de diferentes tipos de información área de Broca área de la corteza asociativa encargada de la expresión del lenguaje; se encuentra en el lóbulo frontal área de Wernicke zona de la corteza asociativa que se dedica a la comprensión del lenguaje; se sitúa en la parte posterior superior del lóbulo temporal y el lóbulo parietal inferior ARN mensajero (mARN) molécula que porta la información genética desde el núcleo al citoplasma; contiene el código de la secuencia de aminoácido de una proteína arteria gran vaso sanguíneo que transporta sangre desde el corazón
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arteria pulmonar cada una de las arterias que lleva sangre desde el corazón a los pulmones arteria renal cada una de las arterias que se ramifican desde la aorta y suministran sangre a los riñones asa de Henle parte del túbulo renal que forma una asa en forma de horquilla que se clava en la médula, incluye la rama descendente, la rama ascendente fina y la rama ascendente gruesa aspartato aminoácido que también funciona como neurotransmisor asta dorsal parte posterior de la sustancia gris en cada lado de la médula espinal asta lateral zona de la sustancia gris de la médula espinal donde se originan algunas neuronas autónomas preganglionares; también llamada columna celular intermediolateral asta ventral mitad anterior de la sustancia gris a cada lado de la médula espinal astrocito neuroglia del sistema nervioso central que proporciona ayuda a las neuronas y es vital para la formación de la barrera hematoencefálica ATP sintasa enzima que sintetiza el ATP durante la fosforilación oxidativa; se encuentra en la membrana mitocondrial interna aurícula cada una de las dos cavidades superiores del corazón que reciben la sangre que transportan las venas hasta el corazón autocrina tipo de mensajero químico para el que la célula secretora y la célula diana son la misma autorreceptor receptor de una célula diana que se une con el mismo mensajero que ha liberado la célula secretora autorritmicidad capacidad del corazón de producir señales que desencadenan sus contracciones de forma periódica; capacidad del corazón de generar su propio ritmo autosoma cualquier cromosoma que no determine el sexo axón ramificación que se extiende desde el cuerpo celular de una neurona y manda información a las otras neuronas o células efectoras a través de los potenciales de acción y la liberación de neurotransmisores axón terminal terminación del axón que forma una sinapsis con otra neurona o con una célula efectora barorreceptor tipo de receptor sensorial que se encuentra en los vasos sanguíneos y el corazón; responde a cambios en la presión del aparato cardiovascular
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barrera hematoencefálica barrera física que existe entre la sangre y el líquido intersticial en el sistema nervioso central, está formada por fuertes uniones entre células endoteliales de los capilares cerebrales barrera mucosa gástrica capa mucosa que protege el revestimiento del estómago de los efectos del ácido y la pepsina basófilo leucocito que defiende contra grandes parásitos; libera histamina, heparina y otras sustancias químicas bastón fotorreceptor que permite la visibilidad con luz relativamente débil y que es responsable de la visión de blancos y negros betaoxidación vía metabólica que cataboliza los ácidos grasos en acetil-CoA bilirrubina producto del catabolismo de la hemoglobina bilis líquido que secreta el hígado y contiene bicarbonato y sales biliares biomolécula molécula sintetizada por un organismo vivo que contiene carbono blastocisto etapa temprana del desarrollo de un embrión reconocible por la presencia de una masa celular interna bomba proteína que transportan de forma activa moléculas a través de la membrana bomba de sodio-potasio proteína que utiliza el ATP para sacar de forma activa iones de sodio de la célula e introducir iones de potasio en contra de sus gradientes electroquímicos borde en cepillo conjunto de microvellosidades situadas en las membranas apicales de las células epiteliales que recubren el intestino delgado o el túbulo renal botón terminal axón terminal de una motoneurona que almacena y libera acetilcolina bronquio cada uno de los tubos ramificados del tubo respiratorio situados entre la tráquea y los bronquíolos de los pulmones bronquio secundario cada uno de los tubos ramificados que van desde los bronquios a los pulmones bronquíolo pequeño túbulo proveniente de los bronquios que va hacia los alvéolos; tiene un diámetro menor de 1 mm bronquíolo respiratorio cada uno de los pequeños túbulos del tubo respiratorio situados entre los bronquíolos terminales y los conductos alveolares bronquíolo terminal cada uno de los bronquíolos que llevan directamente a las vías respiratorias de la zona respiratoria del tubo respiratorio; el último elemento de la zona de conducción
bulbo raquídeo parte más baja del tronco encefálico; conecta con la médula espinal cadena simpática cada una de las estructuras paralelas a cada lado de la columna vertebral en las que los ganglios simpáticos están conectados entre sí en filas; también llamada tronco simpático cadena de transporte de electrones serie de receptores de electrones y otras proteínas del interior de la membrana mitocondrial; participa en la síntesis de ATP durante la fosforilación oxidativa calcificación formación de hueso calcitonina hormona péptida que liberan las células C de la glándula tiroides y que regula el nivel de calcio en el plasma sanguíneo calmodulina proteína citosólica de unión al calcio; regula la actividad de las proteínas intracelulares caloría cantidad de energía que necesita 1 g (o 1 ml de agua) para aumentar su temperatura en 1 ºC en circunstancias determinadas cámara vítrea cavidad del ojo, posterior al cristalino y el músculo ciliar campo receptor zona sobre la que un estímulo adecuado puede producir una respuesta, tanto excitadora como inhibidora, en una neurona aferente o neuronas de un orden mayor canal proteína transmembranosa que transporta moléculas por medio de un pasillo o poro que se extiende desde un lado de la membrana al otro canal de goteo canal iónico que siempre está abierto; es responsable del potencial de membrana en reposo canal de umbral de voltaje canal que se abre o cierra en respuesta a un cambio en el potencial de membrana canal regulado por ligandos canal iónico que se abre o se cierra en respuesta a un mensajero químico que se enlaza al canal canal semicircular cada una de las estructuras del oído interno que contienen células receptoras de la aceleración rotacional capacidad funcional residual volumen de aire en los pulmones al final de una espiración normal capacidad inspiratoria (CI) volumen máximo de aire que puede inspirarse al final de una espiración en reposo capacidad pulmonar total (CPT) volumen de aire en los pulmones al final de una inspiración máxima capacidad vital (CV) volumen máximo de aire que puede espirarse después de una inspiración máxima
capacidad vital forzada (CVF) cantidad máxima de aire que una persona puede espirar forzosamente tras una inspiración máxima capilar vaso sanguíneo más pequeño del organismo; posee paredes finas que permiten el intercambio de sustancias entre la sangre y los tejidos capilar linfático cada uno de los vasos de terminaciones abiertas del sistema linfático que absorben el exceso de filtrado del aparato cardiovascular capilar peritubular cada uno de los capilares que forman un lecho que desvía las arteriolas eferentes de las nefronas corticales y está situado cerca de los túbulos renales; participa en el intercambio con los túbulos renales durante la reabsorción y la secreción cápsula de Bowman en cada nefrona, estructura en forma de copa que rodea el glomérulo y conduce el filtrado hacia los túbulos renales en su porción de entrada; lugar por el que el filtrado entra en los túbulos renales carbaminohemoglobina hemoglobina con un enlace de dióxido de carbono carga filtrada cantidad de un soluto específico que se filtra al glomérulo por unidad de tiempo; equivale al producto de la filtración glomerular y la concentración plasmática del soluto cartílago tejido conjuntivo que secretan los condrocitos y que es parecido al hueso sin calcificar cascada sucesión de pasos secuenciales que aumentan de magnitud progresivamente cascada de la coagulación secuencia de reacciones que llevan a la formación de un coágulo sanguíneo catabolismo descomposición de moléculas grandes en moléculas más pequeñas; generalmente libera energía catecolamina compuesto amino que contiene un grupo catecol y que deriva del aminoácido tirosina catecol-O-metiltransferasa (COMT) enzima que degrada las catecolaminas célula la unidad viva más pequeña; separada del medio por una membrana célula alveolar tipo I células que reviste los alvéolos célula alveolar tipo II células que reviste los alvéolos y secreta surfactante célula B linfocito B célula basal en el sistema olfativo, célula precursora del desarrollo de una nueva célula olfativa receptora célula caliciforme célula epitelial del tubo respiratorio y el tubo digestivo que secreta moco
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célula ciliada célula con estereocilios; es la célula receptora del sonido y del equilibrio célula citolítica natural linfocito grande granulares que secreta sustancias químicas que matan las células tumorales e infectadas célula efectora en el sistema inmunitario, célula de vida corta que permite contra el antígeno que provocó la respuesta inmunitaria célula ependimaria neuroglia que recubre los ventrículos cerebrales del encéfalo y el conducto raquídeo de la médula espinal célula excitable célula capaz de producir potenciales de acción célula G célula endocrina del estómago que secreta gastrina célula granular célula especializada de la pared de las arteriolas aferentes y eferentes que secreta renina; también llamada célula yuxtaglomerular célula de la granulosa célula especializada que rodea un óvulo en desarrollo y facilita su desarrollo célula de Leydig célula de los testículos que secreta andrógenos célula marcapasos célula capaz de generar potenciales de marcapasos; en el músculo cardíaco o en el músculo liso, son las responsables de desencadenar las contracciones célula de memoria en el sistema inmunitario, célula de vida larga portadora de los receptores de membrana específicos para el antígeno que provocó la respuesta inmune célula nula linfocito que carece de ciertos componentes de la membrana, como los lugares de unión de los antígenos célula parietal célula de las glándulas gástricas que secreta iones de hidrógeno y factor intrínseco célula plasmática forma madura de célula B que secreta anticuerpos célula postsináptica célula que recibe comunicación de un neurotransmisor liberado por una sinapsis célula principal célula especializada de las glándulas gástricas que secreta pepsinógeno célula receptora olfativa neurona que responde a las sustancias odoríferas célula de Sertoli célula epitelial que reviste la pared de túbulo seminífero, cuya función primaria es facilitar el desarrollo del espermatozoide célula de Schwann neuroglia que forma mielina alrededor de los axones en el sistema nervioso periférico; una célula de Schwann aporta un segmento de mielina para un axón
célula T citotóxica célula T que interacciona con células infectadas por un virus, células mutantes y células trasplantadas, y que adquiere la capacidad de destruir las células infectadas o anormales célula T véase linfocito T célula T colaboradora célula T que secreta muchas citocinas diferentes y, por tanto, influye en la acción de otros linfocitos célula de la teca cada una de las célula que rodean a las células de la granulosa en un folículo célula yuxtaglomerular célula especializada de la pared de las arteriolas aferentes y eferentes que secreta renina; también llamada célula granular celulosa polisacárido de glucosa que se encuentra en las plantas y que los humanos son incapaces de ingerir o absorber centro de integración grupo de células, normalmente en el sistema nervioso central o en una glándula endocrina, que utiliza información sensorial para determinar una respuesta y comunicar órdenes a los efectores cerebelo estructura cerebral simétrica bilateral con una corteza externa y un núcleo interno, se encuentra bajo el prosencéfalo y posterior al tronco encefálico cerebro la estructura más grande del encéfalo que contiene sustancia blanca y gris; las zonas de sustancia gris incluyen la corteza cerebral en la superficie y los núcleos subcorticales profundos cetoacidosis acumulación de cetona en la sangre debida a la degradación de grasas almacenadas para obtener energía ciclo cardíaco conjunto de procesos mecánicos y eléctricos que se producen en el corazón durante un latido ciclo de Krebs vía metabólica cíclica que ocurre en la matriz mitocondrial en la que el acetil-CoA es un reactante primario y se producen el dióxido de carbono y las coenzimas reducidas; también llamado ciclo del ácido cítrico, ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo TCA ciclo menstrual secuencia de sucesos que implican cambios en la función reproductiva que tiene lugar en mujeres de forma regular con un período aproximado de 1 mes ciclo ovárico cambios cíclicos en la estructura y función ováricas; consiste en dos fases, la fase folicular y la fase lútea ciclo del puente transverso mecanismo que desencadena la contracción muscular ciclo uterino cambios cíclicos en la estructura del útero y las funciones del
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mismo que tienen lugar durante el ciclo menstrual cigoto óvulo fecundado antes de que empiece la segmentación cilio orgánulo celular filamentoso de algunas células epiteliales del tubo respiratorio y el oviducto cimógeno forma precursora inactiva de enzimas digestivas pancreáticas que se almacena en las células secretoras y se libera en la exocitosis cinetocilio gran estereocilio presente en la célula receptora para el equilibrio; la dirección en la que se inclina en respuesta a una aceleración del cuerpo determina la dirección de los potenciales receptores en las células receptoras cintilla óptica vía que contiene axones de células ganglionares de la retina y que transmite la información visual desde el quiasmo óptico hasta el núcleo geniculado lateral del tálamo circuito pulmonar parte de la vasculatura que incluye todos los vasos sanguíneos de los pulmones y los que conectan los pulmones con el corazón circuito sistémico parte de la vasculatura que engloba todos los vasos sanguíneos del organismo, salvo aquellos que pertenecen al circuito pulmonar circunvolución cada una de las irregularidades que se suceden en la sustancia gris de la corteza cerebral cisura hendidura muy contorneada de la sustancia gris de la corteza cerebral citocina péptido o proteína que normalmente secretan las células inmunológicas en respuesta a un estímulo citocinesis fase de la división celular durante la que se divide el citoplasma citoesqueleto entramado flexible de proteínas fibrosas que conforma la estructura y el apoyo de la célula citoplasma todo lo que se encuentra en el interior de la célula salvo el núcleo citosol contenido principal del citoplasma excluyendo los orgánulos rodeados de membrana cociente respiratorio cociente entre el dióxido de carbono que produce el organismo y la cantidad de oxígeno consumida cóclea estructura en forma de espiral del oído interno que contiene células receptoras para la audición codificación por frecuencia codificación de la intensidad de un estímulo por la frecuencia del potencial de acción de una neurona, en la que un estímulo de despolarización más fuerte que el umbral hace que aumente la frecuencia del potencial de acción
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código genético correspondencia entre los tripletes de ADN y un aminoácido específico que rige la expresión de toda la información genética codón secuencia de nucleótidos del mARN que codifica un aminoácido específico coenzima molécula que por sí misma no tienen actividad catalítica, pero que es necesaria para el correcto funcionamiento de las enzimas y participa directamente en las reacciones catalizadas por estas. Las coenzimas a menudo sirven para transferir algunos grupos químicos de un reactante a otro cofactor componente no proteico de algunas enzimas necesario para que estas tengan una conformación normal durante las reacciones metabólicas colateral ramificación de un axón colecistocinina (CCK) hormona que secreta el duodeno y el yeyuno que inhibe la secreción gástrica y la motilidad, y estimula la secreción de enzimas pancreáticas, la contracción de la vesícula biliar y la relajación del esfínter de Oddi colinacetiltransferasa (ChAT) enzima que cataliza la síntesis de la acetilcolina colinérgico perteneciente o relativo a la acetilcolina colon órgano del aparato digestivo que absorbe agua e iones del quimo y almacena heces; comprende el colon ascendente, el colon descendente, el colon transverso y el colon sigmoideo columna vertebral estructura ósea que rodea y protege la médula espinal complejo de motilidad migratoria patrón cíclico de motilidad intensa seguida de una relajación del estómago y el intestino delgado que limpia el contenido de la luz complejo principal de histocompatibilidad (CPH) tipo especial de proteínas en las células del organismo que presentan antígenos exógenos para que los receptores de los linfocitos T las puedan detectar; identifica a las células como propias complejo QRS en electrocardiograma, forma de la curva que representa la despolarización de los ventrículos componente contráctil filamentos finos del músculo; se compara con los componentes elásticos componente elástico en series tejido conjuntivo que está en serie con los sarcómeros del músculo esquelético condrocito célula que produce cartílago conducción transferencia energética térmica de un objeto a otro que tiene lugar cuando los objetos están en contacto directo entre sí; en el sistema nervioso,
propagación de los potenciales de acción a lo largo de un axón conducción electrotónica expansión activa de un potencial graduado desde su origen en el interior celular conducción saltatoria tipo de conducción de potencial de acción que ocurre en los axones mielinizados; el potencial de acción «salta» de nódulo a nódulo conductancia facilidad de movimiento; en electricidad, facilidad con la que se mueven los iones conducto auditivo externo canal auditivo conducto colector conducto que recoge el líquido de varios túbulos renales distintos y que lo hace llegar a la pelvis renal para su eliminación final conducto deferente conducto que sale de cada testículo al conducto eyaculador; transporta esperma y líquido conducto de Müller precursor rudimentario del aparato reproductor femenino conducto raquídeo canal largo, fino y cilíndrico que recorre la longitud de la médula espinal y se continúa con los ventrículos cerebrales; contiene líquido cefalorraquídeo conducto de Wolff precursor rudimentario del aparato reproductor masculino cono fotorreceptor que permite la visibilidad mientras haya luz brillante y que es responsable de la visión en color cono del axón lugar del cuerpo celular de una neurona donde se origina el axón y el punto de partida de los potenciales de acción; zona de activación conservación de la glucosa proceso por el que los tejidos no nerviosos empiezan a utilizar los ácidos grasos como energía en lugar de la glucosa, que se conserva para que la use el sistema nervioso central contracción respuesta mecánica de un músculo a un solo potencial de acción contracción isométrica contracción durante la cual el músculo genera fuerza, pero no se acorta contracción isotónica contracción durante la que un músculo se acorta y eleva una carga constante contracción isovolumétrica contracción de los ventrículos con todas las válvulas del corazón cerradas, como en la que el volumen de la sangre contenido en el ventrículo es constante; ocurre al principio de la sístole contractilidad capacidad de un músculo para generar fuerza contralateral relativo a las vías ascendentes y descendentes que están en el lado opuesto de su origen control extrínseco regulación de un órgano o tejido por señales neurales,
hormonas circulantes o cualquier otro factor que se origine fuera del órgano control de la fase cefálica en el aparato digestivo, regulación de la función digestiva gracias a los estímulos que se originan en la cabeza control de la fase gástrica regulación de la función digestiva por medio de estímulos que se originan en el estómago control de la fase intestinal regulación de la función digestiva por medio de estímulos que se originan en el intestino delgado control intrínseco regulación de un órgano o tejido por medio de factores que se originan dentro del propio órgano o tejido; también llamado autorregulación o regulación local convergencia transmisión de la información desde dos o más neuronas a una sola célula copulación apareamiento cordón umbilical estructura similar a una cuerda que va desde la placenta al feto; contiene vasos que suministran sangre al feto corion la capa más exterior que envuelve el embrión y que forma una cobertura dura aislándolo del exterior córnea estructura transparente del ojo que permite la entrada de las ondas de luz coroides capa media de los dos tercios posteriores del ojo, contiene pigmento que absorbe la luz corpúsculo renal lugar de la filtración glomerular; consiste en glomérulos y cápsula de Bowman corriente movimiento de cargas eléctricas; en sistemas biológicos, las corrientes están provocadas por el movimiento de iones corteza parte externa de un órgano como la corteza cerebral, la corteza suprarrenal o la corteza renal corteza auditiva zona del lóbulo temporal del cerebro que procesa la información auditiva corteza cerebral capa fina de sustancia gris que recubre el cerebro corteza motora primaria zona del lóbulo frontal en la que se inician los movimientos voluntarios corteza somatosensitiva primaria zona del lóbulo parietal de la corteza cerebral especializada en el procesamiento de la información sensorial somática corteza suprarrenal parte exterior de la glándula suprarrenal, secreta adrenocorticoesteroides cotransporte transporte mediado por un transportador por el que las dos sustancias transportadas se desplazan en la misma dirección
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CPH de clase I molécula de la superficie de todas las células nucleadas; identifica las células como propias; véase complejo principal de histocompatibilidad (CPH) CPH de clase II molécula que se encuentra en tipos de células especializadas como los macrófagos, las células B y T activadas, y las células del interior del timo; véase complejo principal de histocompatibilidad (CPH) cráneo calavera creatina fosfato compuesto de las células musculares que puede donar un fosfato con mucha energía al ADP para formar ATP cristalino objeto claro del ojo que enfoca la luz en la retina cromátida una de las dos cadenas de un par de cromosomas durante la división celular cromatina forma en la que existe el ADN, junto con sus proteínas asociadas, durante la mayor parte del ciclo celular; ADN laxo y proteínas esparcidas por todo el núcleo cromosomas sexuales cromosomas X e Y que determinan el sexo de una persona cuello del útero la parte más baja y estrecha del útero que contiene un canal central que desemboca directamente en la vagina cuerpo calloso haz primario de tejido nervioso que conecta los dos hemisferios cerebrales cuerpo celular parte de la neurona donde se encuentra el núcleo; también llamado soma cuerpo geniculado lateral núcleo del tálamo que transmite información auditiva a la corteza auditiva cuerpo geniculado medial núcleo del tálamo que transmite información a la corteza auditiva del lóbulo temporal cuerpo lúteo glándula que se desarrolla a partir de un folículo roto tras la ovulación y secreta progesterona y estrógeno cúpula zona gelatinosa dentro de la ampolla del oído interno; contiene células ciliadas que detectan la aceleración angular defensa no específica mecanismo que defiende contra sustancias potencialmente dañinas sin identificarlas expresamente demora sináptica tiempo entre la llegada de un potencial de acción al axón terminal de la célula presináptica y cuando ocurre una respuesta en la célula postsináptica dendrita cada una de las ramificaciones que se extienden desde el cuerpo celular de una neurona y reciben información de otras neuronas desmosoma unión filamentosa entre dos células adyacentes que facilita una unión
física fuerte entre ellas; permite que los tejidos soporten estiramientos sin que las células se separen entre sí desplazamiento de cloruros entrada de los iones de cloruro a los eritrocitos como intercambio por la salida del bicarbonato al plasma sanguíneo despolarización cualquier cambio del potencial de membrana en el que el interior de la célula se vuelve más positivo (menos negativo) que cuando está en reposo determinación del sexo función de los genes en la decisión del sexo de una persona diabetes mellitus enfermedad que consiste en un defecto en la producción de insulina o en la respuesta de las células a la misma diacilglicerol (DAG) segundo mensajero que libera el sistema fosfatidilinositol diafragma músculo inspiratorio primario para la respiración; tabique muscular que separa la cavidad abdominal de la torácica diástole período de relajación ventricular durante el ciclo cardíaco diencéfalo parte más baja del prosencéfalo; compuesta por el tálamo y el hipotálamo diferenciación sexual función de la testosterona y la sustancia inhibidora de Müller en la determinación de las características sexuales de una persona difusión movimiento pasivo de moléculas de un sitio a otro como resultado de su propio movimiento térmico difusión facilitada movimiento pasivo de moléculas a través de una membrana por medio de una proteína transportadora difusión simple movimiento pasivo de moléculas en respuesta a fuerzas químicas o eléctricas digestión descomposición que realizan las enzimas en la luz del tubo digestivo de las moléculas de nutrientes presentes en la comida en moléculas más pequeñas diploide referido al número de cromosomas de una célula, la posesión del juego completo de cromosomas disacárido hidrato de carbono que consiste en dos monosacáridos enlazados de forma covalente disco óptico punto en la retina donde se unen el nervio óptico y los vasos sanguíneos que irrigan el ojo disco intercalado unión especializada entre las células de músculo cardíaco que contienen desmosomas y uniones comunicantes distensibilidad medida de la capacidad de los vasos sanguíneos y otras estructuras huecas para estirarse a medida que aumenta la presión en su interior
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dolor lento sensación indeterminada, débil y molesta que produce la activación de los nocirreceptores; la transmiten las fibras C dolor rápido sensación aguda e intensa que se puede localizar fácilmente y está producida por la activación de nocirreceptores; lo transmiten las fibras A dolor referido percepción de un estímulo doloroso que se origina en un lugar del organismo distinto al que recibe el estímulo duodeno parte inicial del intestino delgado duramadre la más exterior de las tres meninges, cercana al hueso edema hinchazón de tejido causada por la acumulación de líquido en los espacios intersticiales efecto Bohr efecto de los iones de hidrógeno en la capacidad de enlace de la hemoglobina con el oxígeno efecto carbamino disminución de la afinidad de la hemoglobina con el oxígeno cuando el dióxido de carbono se une a la hemoglobina efecto Haldane efecto del oxígeno en el enlace del dióxido de carbono con la hemoglobina efector célula, tejido y órgano que responden a señales neuronales o químicas; en sistemas de regulación homeostática, célula, tejido u órgano que responden a señales de salida del centro de integración y provocan la respuesta final; también llamado órgano efector eicosanoides ácidos grasos modificados (todos derivados del ácido araquidónico) que intervienen en la comunicación intercelular electrocardiograma (ECG) registro de la actividad eléctrica del corazón obtenida a través de electrodos situados en la superficie del cuerpo electroencefalograma (EEG) sistema no invasivo de registrar la actividad eléctrica del encéfalo usando electrodos que se colocan en el cuero cabelludo eliminación medida del volumen de plasma sanguíneo del que el riñón ha retirado o «depurado» completamente una sustancia por unidad de tiempo embrión humano en desarrollo durante los primeros 2 meses de gestación emetropía capacidad visual normal emisión movimiento del semen al pene emulsión proceso en el que la acción de las sales biliares descompone los glóbulos de grasa en gotitas más pequeñas encefalina neuropéptido similar a la morfina que produce el sistema nervioso
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encéfalo parte del sistema nervioso central que se encuentra dentro del cráneo endocitosis captación de una sustancia en una célula a través de las vesículas que se desprenden de la membrana plasmática, facilita la entrada de macromoléculas y partículas grandes en la célula endocitosis mediada por receptor forma de endocitosis en la que las vesículas endocíticas contienen receptores que reconocen moléculas específicas en el líquido extracelular y se unen a ellas; permite que las células atrapen ciertas moléculas endolinfa líquido que se encuentra en la rampa media de la cóclea del oído interno endometrio capa más interna de tejido uterino compuesta de células epiteliales y una capa subyacente de tejido conjuntivo grueso endopeptidasa enzima que digiere las proteínas descomponiendo los enlaces peptídicos de las moléculas proteicas endorfina neuropéptido similar a la morfina que produce el sistema nervioso endotelio capa de células epiteliales que recubren la superficie interior de las paredes de todos los vasos sanguíneos y el corazón energía capacidad de trabajo energía de activación energía adicional que necesitan la moléculas para poder reaccionar; diferencia entre la energía del estado de transición y la energía de los reactantes o productos energía cinética energía asociada con el movimiento energía potencial energía almacenada enlaces transversos protrusiones en los dos extremos del filamento grueso que se unen a la actina y que son responsables de generar movimiento provocando la contracción muscular enterocito célula epitelial que se encuentra en la mucosa del estómago o del intestino; los hay de diferentes tipos enzima biomolécula, normalmente proteína, especializada para actuar como catalizador en las reacciones metabólicas enzima convertidora de la angiotensina (ACE) enzima que convierte la angiotensina I en angiotensina II eosinófilo leucocito que ataca invasores parasitarios demasiado grandes para ser engullidos epicardio membrana exterior que rodea el corazón epidídimo conducto adherido a la superficie exterior de los testículos; sirve de lugar para la maduración del espermatozoide
epiglotis colgajo de tejido sobre la glotis que evita que la comida o el agua entren en la laringe durante la deglución epitelio capa continua laminar de células que se encuentra en la piel y revestimientos de los órganos huecos; está especializado en la regulación de intercambio epitelio olfativo órgano de la cavidad nasal para oler epitelio pigmentado de la retina capa epitelial de la retina que absorbe las ondas de luz después de que pasen por la retina neural epítopo lugar en el que los anticuerpos reconocen un antígeno equilibrio estado sin variación del requerimiento de gasto energético; en las reacciones químicas, cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales erección proceso que tiene lugar durante la excitación masculina en la que el pene se hincha, alarga y se vuelve más firme y recto para facilitar su entrada en la vagina durante la copulación; también ocurre en el clítoris durante la excitación sexual femenina eritrocito glóbulo rojo; participa en el transporte de oxígeno y dióxido de carbono eritropoyesis síntesis de eritrocitos nuevos eritropoyetina hormona que libera el riñón en respuesta a la escasez de oxígeno; estimula la síntesis de eritrocitos esclerótica tejido conjuntivo duro que forma la parte blanca del ojo escroto bolsa en la que se alojan los testículos esfínter anillo de músculo que rodea un orificio y regula el paso de material a través de él alterando su diámetro esfínter anal externo anillo de músculo esquelético que regula la excreción de heces esfínter anal interno anillo de músculo liso que regula la excreción de las heces esfínter esofágico inferior anillo de músculo liso en la parte más distal del esófago que regula el flujo de comida del esófago hacia el estómago esfínter esofágico superior anillo de músculo esquelético que controla el movimiento de la comida desde la faringe al esófago esfínter ileocecal anillo de músculo liso que regula el movimiento del quimo desde el íleo al ciego esfínter de Oddi anillo de músculo liso que regula el flujo de bilis y jugo pancreático al duodeno esfínter pilórico anillo de músculo liso que regula el vaciado gástrico
esfínter precapilar músculo liso que rodea los capilares; regula el flujo sanguíneo a través de los lechos capilares esfínter uretral externo anillo de músculo esquelético que regula la excreción de la orina esfínter uretral interno anillo de músculo liso que regula la excreción de orina esófago tubo muscular cuya función principal es conducir la comida desde la faringe al estómago espacio intrapleural compartimento lleno de líquido situado entre los pulmones y la pared torácica; está unido a la pleura visceral y parietal espacio muerto anatómico zona conductora del tubo respiratorio; el aire de esta zona no participa en el intercambio gaseoso espacio subaracnoideo espacio entre la piamadre y el aracnoides relleno de líquido cefalorraquídeo espermatogenia producción de espermatozoides espermatogonia célula germinal indiferenciada que es precursora del espermatozoide espermatozoide célula espermática recién formada con cabeza, cuello y cola espirómetro instrumento para medir el volumen de los pulmones estado postabsortivo período entre comidas durante el que se movilizan los nutrientes almacenados estereocilio proyección parecida a un pelo en la parte superior de las células ciliadas en el oído interno, que se mueve en respuesta a las vibraciones sonoras o a la aceleración de la cabeza esteroide lípidos derivados del colesterol que consisten en tres anillos de seis átomos de carbono y un anillo de cinco átomos de carbono; muchos de ellos funcionan como hormonas estímulo adecuado forma energética o tipo de estímulo al que un receptor sensorial responde mejor estómago órgano del tubo digestivo que almacena comida y la libera al intestino delgado; las zonas anatómicas principales son el fondo, el cuerpo y el antro estrógeno tipo de hormona sexual que secretan los ovarios evaporación conversión de un líquido en gas; uno de los mecanismos de termorregulación excreción eliminación del organismo a través de los riñones (orina) o el tubo digestivo (heces) exocitosis transporte de sustancias al exterior de una célula a través de las vesículas que se fusionan con la membrana
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plasmática; proceso implicado en la secreción celular de moléculas hidrófilas exopeptidasa enzima que digiere las proteínas, separando los aminoácidos del extremo de un polipéptido eyaculación liberación de semen por el pene eyección ventricular salida de la sangre de los ventrículos facilitación presináptica fenómeno que tiene lugar en una sinapsis axoaxónica, como cuando la actividad de la neurona presináptica mejora la liberación de un neurotransmisor de la neurona postsináptica factor de coagulación proteína plasmática que forma coágulos sanguíneos cuando se activa factor de crecimiento proteína que estimula el crecimiento y la proliferación de un tipo especial de tejido factor de crecimiento parecido a la insulina (IGF) hormona peptídica que secreta el hígado en respuesta a la hormona del crecimiento; promueve la síntesis y crecimiento de proteínas; también llamado somatomedina factor estimulante de colonias sustancia que estimula la producción de un tipo de célula sanguínea específica factor intrínseco proteína que secretan las células parietales del estómago y que se une a la vitamina B12, es necesaria para la absorción de dicha vitamina en el intestino delgado factor tisular proteína que se encuentra en tejidos subendoteliales y que inicia la vía de coagulación extrínseca cuando se expone a la sangre factor de von Willebrand (vWF) proteína que ancla las plaquetas a las fibras de colágeno durante la fase de adhesión plaquetaria de la homeostasis fagocitosis proceso por el que una célula engulle un microorganismo, células anormales y partículas exógenas presentes en la sangre y los tejidos faringe pasillo desde la boca al esófago o laringe que sirve de conducto para la comida y el aire fase folicular etapa inicial del ciclo ovárico durante la que tiene lugar la maduración del folículo; termina con la ovulación fase lútea fase final del ciclo ovárico durante la que el cuerpo lúteo está activo fase menstrual fase del ciclo uterino durante la que se desprende el revestimiento del útero fase proliferativa fase de ciclo uterino durante la que el útero se renueva después de la fase menstrual
fase secretora fase del ciclo uterino durante la que el endometrio del útero se prepara para la posible llegada y consiguiente implantación de un óvulo fecundado fatiga disminución de la capacidad de un músculo para mantener una fuerza constante de contracción ante una estimulación repetitiva a largo plazo fecundación proceso por el que dos gametos (uno de cada padre) se fusionan entre sí para producir una nueva célula; en humanos se llama concepción fenómeno de la escalera aumento de la tensión muscular con contracciones repetidas feto humano en desarrollo después de los 2 meses de gestación fibra comisural fibra que conecta una región de la corteza cerebral con la correspondiente región del otro lado del cerebro fibra de asociación vía neural que conecta un área de la corteza cerebral con otra del mismo lado del cerebro fibra de conducción célula musculare especializada que conduce de forma rápida potenciales de acción a través del corazón fibra glucolítica rápida tipo de músculo esquelético con gran actividad de miosina-ATPasa y gran capacidad glucolítica fibra muscular célula muscular fibra nerviosa axón fibra de oxidación lenta célula muscular con una actividad de ATPasa lenta y una capacidad oxidativa alta fibra de proyección axones del sistema nervioso central que conectan la corteza cerebral con los niveles más inferiores del encéfalo o de la médula espinal fibra de Purkinje red extensa de fibras conductoras que se extiende por el miocardio ventricular fibra zonular tiras de tejido no conjuntivo en el ojo que conectan los músculos ciliares con el cristalino e intervienen en el ajuste de la forma del cristalino para enfocar la luz fibrina el último factor de coagulación activo de la cascada de coagulación, el cual forma polímeros filamento fino filamento compuesto de actina que forma parte del aparato contráctil de una célula muscular; también contiene troponina y tropomiosina en las células musculares estriadas filamento grueso filamento compuesto de miosina que forma parte del aparato contráctil de una célula muscular
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filamento intermedio proteína fibrosa con un diámetro intermedio entre los microfilamentos y los microtúbulos; son más fuertes y estables que los microfilamentos filtración movimiento de un líquido a través de las paredes de los capilares desde el plasma al intersticio filtración glomerular flujo de plasma sin proteínas desde los capilares glomerulares hacia la cápsula de Bowman fisiología estudio de los fenómenos de los organismos vivos flujo número de moléculas que atraviesan una membrana en un tiempo determinado; medida de la tasa a la que se transporta una sustancia flujo turbulento tipo de flujo sanguíneo en el que la sangre se mueve en diferentes direcciones en lugares distintos dentro de un vaso; aumenta la resistencia del flujo sanguíneo folículo estructura esférica del ovario que contiene un único óvulo en desarrollo folículo de De Graaf folículo completamente maduro justo antes de la ovulación folículo dominante folículo seleccionado para la maduración completa durante el curso de un ciclo menstrual folículo primordial folículo en la etapa más temprana de desarrollo formación reticular red difusa de núcleos situada en el prosencéfalo, que es vital en los ciclos de sueño-vigilia; alerta de la corteza cerebral y conciencia fosfatasa enzima que cataliza la desfosforilación fosfolípido molécula lipídica anfipática que consiste en una base de glicerol a la que se enlazan dos ácidos grasos y un grupo químico que contiene fosfato fosforilación adición de un grupo fosfato en una molécula fosforilación a nivel de sustrato mecanismo de síntesis de ATP en el que una enzima transfiere un grupo fosfato de un sustrato al ADP; ocurre en los pasos 7 y 10 de la glucólisis, y 5 del ciclo de Krebs fosforilación oxidativa proceso de síntesis de ATP aprovechando la energía que liberan los átomos de hidrógeno o electrones cuando se transportan a través de la cadena de transportes de electrones en la membrana mitocondrial interna fotopigmento molécula de los fotorreceptores que absorben luz, el primer paso para la fototransducción fotorreceptor célula situada en la retina del ojo que detecta ondas de luz; incluye conos y bastones
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fóvea punto central de la retina ocular, en el que la agudeza visual es mayor fovéola orificio en el revestimiento del estómago que se comunica con las glándulas gástricas fracción de eyección (FE) fracción de volumen telediastólico expulsado durante un latido fragmentina proteína que liberan las células T citotóxicas y que entra en las células diana e induce la apoptosis frecuencia respiratoria frecuencia de las respiraciones fuerza de gradiente químico diferencia energética debida al gradiente de concentración que hace que una molécula se mueva desde una concentración alta a una baja fuerzas de Starling presión hidrostática y presión osmótica que existen a través de las paredes capilares y determinan la dirección del movimiento de un líquido gameto célula de reproducción producida en la meiosis que contiene la mitad del material genético de una persona, como los espermatozoides y los óvulos gametogenia producción de gametos por parte de un gran número de células germinales ganglio grupo de cuerpos celulares de las neuronas del sistema nervioso periférico ganglio autónomo sinapsis entre neuronas preganglionares y posganglionares del sistema nervioso autónomo ganglio colateral ganglio simpático independiente de la cadena simpática ganglio espinal grupo de cuerpos celulares de neuronas aferentes localizadas fuera de la médula espinal gasto cardíaco (GC) volumen de sangre que sale de cada ventrículo por minuto gastrina hormona que secreta el estómago y que regula muchas funciones digestivas, como la secreción del ácido gástrico gen fragmento de ADN que codifica una proteína o proteínas determinadas gen srY gen situado en el cromosoma Y que codifica el factor que determina los testículos generador central de patrones (GCP) en el aparato respiratorio, red de neuronas que se encarga de establecer el ritmo respiratorio gestación embarazo glándula bulbouretral glándula accesoria del aparato reproductor masculino glándula endocrina cada una de las glándulas que secretan hormonas hacia el líquido intersticial glándula exocrina glándula que está especializada en el transporte de
sustancias procedentes del medio interno del organismo hacia el medio externo glándula gástrica glándula en el revestimiento del estómago que secreta jugo gástrico glándula hipófisis glándula endocrina primaria conectada con el hipotálamo en la base del encéfalo; se divide en adenohipófisis y neurohipófisis glándula mamaria glándula productora de leche en las mamas femeninas glándula paratiroidea cada una de las glándulas endocrinas principales situadas en la superficie posterior de la glándula tiroides; secreta hormona paratiroidea (PTH) glándula pineal glándula endocrina primaria que está en el cerebro; secreta la hormona melatonina glándula prostática glándula accesoria del aparato reproductor masculino que secreta líquido a la uretra glándula salivar cada una de las glándulas que secretan saliva; se sitúan en la boca y la faringe glándula suprarrenal glándula primaria endocrina situada sobre el riñón; se divide en una corteza exterior y una médula interior glándula tiroides glándula endocrina primaria en forma de mariposa situada en la superficie ventral de la tráquea; secreta tiroxina, triyodotironina y calcitonina glicerol alcohol con tres átomos de carbono que funciona como la «columna vertebral» de un triglicérido o un fosfolípido glicina aminoácido neurotransmisor glomérulo en cada nefrona, grupo de forma redonda de capilares en el corpúsculo renal; lugar de la filtración glotis abertura de la laringe glucagón hormona peptídica que secretan las células alfa del páncreas; promueve los procesos metabólicos del estado postabsortivo glucocorticoides hormonas esteroideas que incluyen los estrógenos, la progesterona y los andrógenos que secretan la corteza suprarrenal y las gónadas, y que regulan la función reproductiva, promueven la gametogenia, el crecimiento y mantenimiento de los órganos reproductores glucogenia síntesis de glucógeno a partir de monómeros de glucosa glucógeno polímero de glucosa que se encuentra en células animales; funciona como almacén de energía glucogenólisis descomposición del glucógeno en monómeros de glucosa
glucólisis primera etapa de la oxidación de glucosa, que ocurre en el citosol, en la que cada molécula de glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato gluconeogenia proceso durante el que el hígado puede sintetizar, a partir precursores no glucídicos, moléculas nuevas de glucosa glucosa monosacárido más común, proporciona una importante fuente de energía celular glutamato aminoácido neurotransmisor gónada órgano reproductor primario; es el lugar de secreción de las hormonas sexuales y la gametogenia gonadotropina coriónica humana (hCG) hormona que secreta el corion y que mantiene el cuerpo lúteo durante los tres primeros meses de embarazo gonadotropinas dos hormonas, la hormona foliculoestimulante (FSH) y la hormona luteinizante (LH), secretadas por la adenohipófisis y que regulan la función de las gónadas en ambos sexos gradiente de concentración diferencia de concentración de una sustancia entre zonas gradiente electroquímico suma de los gradientes químicos y los gradientes eléctricos que estén actuando en una molécula cargada o ion gradiente de potencial eléctrico diferencia energética debida a la separación de la carga que actúa para mover iones desde energía alta a baja gradiente de potencial electroquímico suma del gradiente de potencial químico y eléctrico grupo respiratorio dorsal (GRD) centro del control respiratorio situado en la parte dorsal del bulbo raquídeo; contiene principalmente neuronas inspiratorias grupo respiratorio pontino (GRP) centro respiratorio de la protuberancia que contiene neuronas inspiratorias y espiratorias grupo respiratorio ventral (GRV) centro de control de la respiración en el bulbo; contiene neuronas inspiratorias y espiratorias habituación disminución de respuesta a un estímulo repetido; es una forma de aprendizaje haploide relativo al número de cromosomas de una célula, que posee la mitad del número de cromosomas del que encontramos en la mayoría de otras células del organismo haustración movimiento del colon para conseguir la mezcla de su contenido haz de His parte del sistema de conducción cardíaca situada en el tabique interventricular
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helicasa enzima que hace que una sección de ADN se desenrolle durante la replicación hematocrito parte del volumen sanguíneo que ocupan los glóbulos rojos hemisferio cerebral cada una de las dos mitades del cerebro hemofilia alteración genética que afecta al factor de coagulación y se asocia al sangrado excesivo hemoglobina proteína de los glóbulos rojos que transporta oxígeno y dióxido de carbono hemostasia proceso por el que se para de sangrar; incluye espasmos vasculares, formación de un tapón plaquetario y formación de coágulo sanguíneo hendidura recubierta invaginación de la membrana plasmática que termina formando una vesícula endocítica; su superficie interna está recubierta de proteínas específicas hendidura sináptica espacio extracelular ente el axón terminal de la célula presináptica y la célula postsináptica en una sinapsis hepatocito célula hepática hidrato de carbono biomolécula compuesta de carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción de 1:2:1 hidrólisis uso de agua para dividir otra molécula hígado glándula aneja del aparato digestivo que secreta bilis; también participa en la absorción de ciertos nutrientes y realiza muchas otras funciones hiperemia activa aumento del flujo sanguíneo desencadenado por un aumento de la actividad metabólica hiperemia reactiva aumento local del flujo sanguíneo que tiene lugar tras la terminación de una oclusión del flujo sanguíneo a la misma zona hiperglucemia concentración inusualmente alta de glucosa en la sangre hipermetropía defecto visual común del ojo que provoca mala visión de cerca hiperosmótico solución que tiene una osmolaridad que es mayor que otra hiperplasia aumento del número de células hiperpnea aumento de la ventilación alveolar para alcanzar la demanda metabólica hiperpolarización cualquier cambio en el potencial de membrana en el que el interior de la célula se vuelve más negativo que en reposo hipertensión presión arterial más alta de lo normal hipertermia estado en el que la temperatura corporal es más alta de lo normal
hipertónico solución que extrae agua de la célula, haciendo que la célula se retraiga hipertrofia aumento del tamaño de la célula hiperventilación aumento de la ventilación alveolar por exceso de demanda metabólica por parte de un tejido hiposmótico solución que tiene una osmolaridad menor que otra hipotálamo zona de la base del encéfalo que regula las funciones autónomas y secreta varias hormonas, la mayoría de las cuales regulan la actividad de secreción de la hipófisis hipotermia estado en que la temperatura corporal es más baja de lo normal hipotónico solución que condiciona que el agua entre en una célula, haciendo que se hinche hipoventilación disminución de la ventilación alveolar por falta de demanda metabólica de un tejido homeostasis mantenimiento de unas condiciones relativamente constantes dentro del medio interno del organismo homúnculo motor mapa que indica las zonas de la corteza primaria motora del lóbulo frontal que se corresponden con determinadas zonas del organismo homúnculo sensitivo mapa que indica qué zonas de la corteza somatosensitiva primaria se corresponden con determinadas zonas del organismo hormona mensajero químico que liberan las células o glándulas endocrinas en el líquido intersticial, donde difunde a la sangre y viaja hasta las células diana hormona adrenocorticotrópica (ACTH) hormona trópica que secreta la adenohipófisis y que estimula la secreción de glucocorticoides de la corteza suprarrenal hormona antidiurética (ADH) hormona que secreta la neurohipófisis y que regula la reabsorción de agua por los riñones; también llamada vasopresina hormona del crecimiento (GH) hormona peptídica que secreta la adenohipófisis y que es vital para el crecimiento normal hormona folículo estimulante (FSH) hormona gonadotrópica que estimula la gametogenia y regula otras funciones de las gónadas en ambos sexos hormona inhibidora de la hormona del crecimiento (GHIH) hormona trópica que libera el hipotálamo y evita que la adenohipófisis secrete la hormona del crecimiento; también conocida como somatostatina hormona liberadora de corticotropina (CRH) hormona trópica que libera el hipotálamo y que estimula la secreción de ACTH de la adenohipófisis
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hormona liberadora de gonadotropina (GnRH) hormona trópica hipotalámica que estimula a la adenohipófisis para que secrete gonadotropinas hormona liberadora de la hormona del crecimiento (GHRH) hormona trópica que libera el hipotálamo y estimula a la adenohipófisis para que secrete la hormona del crecimiento hormona liberadora de tirotropina (TRH) hormona trópica que secreta el hipotálamo y que estimula a la adenohipófisis para que secrete hormona estimulante del tiroides (TSH) hormona luteinizante (LH) hormona gonadotrópica que estimula la secreción de hormonas sexuales y regula otras funciones de las gónadas en ambos sexos hormona paratiroidea (PTH) hormona peptídica que liberan las glándulas paratiroideas y que regula el nivel de calcio en el plasma sanguíneo hormona sexual hormona esteroidea que abarca los estrógenos, la progesterona y los andrógenos que secretan la corteza suprarrenal y las gónadas; este tipo de hormonas regulan la función reproductiva, promueven la gametogenia, el crecimiento y mantenimiento de los órganos reproductivos y el desarrollo de las características sexuales secundarias hormona trópica hormona que regula la secreción de hormonas huesecillos tres huesos del oído medio que transmiten vibraciones sonoras desde el tímpano a la cóclea; son el martillo, el yunque y el estribo humor acuoso líquido de la cavidad anterior del ojo que nutre el cristalino y la córnea humor vítreo sustancia gelatinosa que se encuentra en la cámara vítrea del ojo, mantiene la estructura esférica del ojo huso muscular receptor sensorial dentro del músculo esquelético que detecta cambios en la longitud del músculo íleo parte terminal del intestino delgado implantación proceso por el que un embrión se adhiere y fija a la pared del útero inclusión partícula citosólica compuesta de triglicéridos o glucógeno; sirve de almacén energético para el metabolismo celular inervar establecer una conexión sináptica con un órgano efector inflamación serie compleja de sucesos que culminan con la acumulación de proteínas, líquido y fagocitos en la zona en la que el tejido ha sido dañado o se ha visto invadido por microorganismos
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inhibición lateral proceso durante el que un estímulo que excita mucho los receptores de un sitio determinado inhibe la actividad de las vías aferentes de otros receptores cercanos inhibición presináptica fenómeno que tiene lugar en una sinapsis axoaxónica, como cuando la actividad de la neurona presináptica disminuye la liberación de un neurotransmisor de la neurona postsináptica inhibición por retroalimentación mecanismo de regulación en el que una enzima en una vía metabólica se inhibe por un producto intermedio distal de la misma inhibidor plasmático del factor tisular sustancia que secretan las células endoteliales sanas para inhibir la vía de coagulación extrínseca inhibina hormona proteica que secretan las gónadas y que suprime la liberación de hormona folículo estimulante (FSH) por la adenohipófisis inmunidad capacidad del sistema inmunitario de defendernos contra las enfermedades, reconociendo y eliminando del organismo los agentes que la causan inmunidad activa tipo de protección inmunológica que depende de la capacidad del sistema inmunitario para preparar una respuesta inmunidad humoral respuesta inmunitaria específica que generan los linfocitos B y confieren los anticuerpos que circulan en la sangre y la linfa inmunidad mediada por células reacción de ciertos tipos de linfocitos T para destruir a las células corporales anormales o infectadas inmunidad pasiva inmunidad transmitida al huésped en forma de anticuerpos preparados inmunoglobulina (Ig) proteína presente en la sangre y en el líquido intersticial que tiene como objetivo un antígeno específico al que destruye; también conocida como anticuerpo inositol trifosfato (IP3) segundo mensajero que libera el sistema fosfatidilinositol y que estimula la liberación de calcio insulina hormona peptídica que secretan las células beta del páncreas; promueve los procesos metabólicos del estado absortivo integración neural suma de las entradas a una neurona que determina si la neurona tendrá un potencial de acción intercostal externo cada uno de los músculos inspiratorios de la pared torácica intercostal interno cada uno de los músculos respiratorios situados entre las costillas
interfase período del ciclo vital de la célula durante el que lleva a cabo sus funciones fisiológicas normales interferones grupo de proteínas relacionadas que interfieren en la replicación de virus interleucina citocina que comunica mensajes entre leucocitos interneurona neurona situada por completo en el sistema nervioso central; suponen el 99% de todas las neuronas del organismo intestino delgado órgano del tubo digestivo que consiste en un tubo enrollado de 2-3 m de largo; es el lugar principal de la digestión y absorción de todos los nutrientes de la comida ipsolateral relativo a las vías ascendentes y descendentes que comparten origen en el mismo lado iris músculo liso pigmentado del ojo que está delante del cristalino y regula el diámetro de la pupila para controlar la cantidad de luz que entra por el ojo isoosmótico se dice de dos soluciones con la misma osmolaridad isotónico solución que no altera el volumen celular isquemia estado en el que el flujo sanguíneo de un tejido es insuficiente para mantener la demanda metabólica jugo gástrico secreción acuosa del estómago que contiene ácido clorhídrico, pepsinógeno y mucosa jugo pancreático secreción acuosa del páncreas que contiene enzimas digestivas y bicarbonato lactancia producción de leche que se da en las glándulas mamarias lácteo vaso linfático que se encuentra en cada vellosidad en el revestimiento del intestino delgado lactógeno placentario hormona que secreta la placenta y que promueve el crecimiento de las mamas y la movilización del almacenamiento de energía en la madre lámina propria en la pared del tubo digestivo, capa de tejido conjuntivo dentro de la mucosa laringe conducto inicial del tubo respiratorio que contiene las cuerdas vocales lente convexa tipo de lente que hace que las ondas de luz paralelas converjan en un mismo punto leptina hormona que secretan las células adiposas y que es importante en la regulación fisiológica de la ingesta de alimentos leucocitos glóbulos blancos; participan en la respuesta inmunológica
ley de acción de masas argumenta que una reacción puede hacerse en ambos sentidos aumentando o disminuyendo las concentraciones de los reactantes en relación con los productos ley de Boyle ley que demuestra la relación inversa entre presión y volumen ley de emparejamiento de bases complementarias argumenta que cuando dos cadenas de ácidos nucleicos se mantienen juntas por dos enlaces de hidrógeno, G en una cadena siempre se empareja con C en la opuesta, y A siempre se empareja con T en el ADN (o con U en el ARN) ley de energías nerviosas específicas argumenta que un receptor sensorial dado es específico para una forma de energía o un tipo de estímulo específico ley de Starling del corazón ley que argumenta que, cuando hay un cambio en la frecuencia con la que fluye la sangre al corazón desde las venas, el corazón ajusta automáticamente el volumen que sale para que coincida con el que entra ley del todo o nada argumenta que los potenciales de acción ocurren por completo o bien no ocurren en absoluto linfa líquido que fluye por el sistema linfático linfocito leucocito que participa en la respuesta inmunitaria específica linfocito B célula que produce anticuerpos que marcan sustancias exógenas concretas para destruirlas; también llamado célula B linfocito T célula que mata las células anormales o infectadas del organismo; también llamado célula T lipasa enzima presente en el jugo pancreático que digiere los sustratos lipídicos lípido biomolécula que contiene principalmente átomos de hidrógeno y carbón unidos entre sí por enlaces no covalentes lipófilo perteneciente a una molécula liposoluble, o que no es hidrosoluble; hidrófobo lipófobo perteneciente a una molécula hidrosoluble (no liposoluble) lipogenia proceso por el que se sintetiza la grasa de los nutrientes no lipídicos, como las proteínas y los hidratos de carbono lipólisis primera etapa de la degradación de los lípidos; en relación con los triglicéridos, la separación de los ácidos grasos de la base de glicerol lipoproteína partículas que contienen proteínas y lípidos y que poseen un interior hidrófobo rodeado de una protección hidrófila; vehículo principal de transporte de lípidos en la sangre o el sistema linfático
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lipoproteína lipasa enzima que se encuentra en la superficie interior de los capilares por todo el organismo y que descompone los triglicéridos lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL) uno de los grupos de tipos de partículas de lipoproteínas, compuesto de lípidos y proteínas en diferentes proporciones; las lipoproteínas de muy baja densidad contienen una gran proporción de lípidos en relación con las proteínas, de ahí su baja densidad líquido cefalorraquídeo (LCR) líquido acuoso y claro que rodea y protege el sistema nervioso central, y cuya composición es parecida a la del plasma sanguíneo líquido extracelular (LEC) líquido situado fuera de las células que supone un tercio del agua total del organismo; véase medio interno líquido intersticial (LI) líquido extracelular que está presente fuera de la sangre y que baña la mayoría de células del organismo líquido intracelular (LIC) líquido interior de las células; supone dos tercios del agua total del organismo lisosoma orgánulo esférico pequeño rodeado de membrana que contiene numerosas enzimas degradativas; participa en la descomposición de sustancias intracelulares innecesarias o sustancias exógenas que ha entrado a la célula lóbulo frontal uno de los cuatro lóbulos del cerebro, se encuentra en su parte anterior; es vital para el control motor voluntario, el comportamiento y los rasgos de la personalidad lóbulo occipital uno de los cuatro lóbulos del cerebro, está situado en la parte posterior inferior del cerebro; es vital para el procesamiento de la información visual lóbulo parietal uno de los cuatro lóbulos del cerebro, situado inmediatamente detrás del lóbulo frontal; es vital en el procesamiento de las sensaciones somáticas y la integración sensorial lóbulo temporal uno de los cuatro lóbulos del cerebro situado al lado del lóbulo frontal y separado de este por un surco hondo; es vital en el procesamiento de la información auditiva y el lenguaje luz compartimento interior de un órgano o vaso hueco macrófago fagocito que filtra y elimina partículas de la linfa y los tejidos del organismo, incluyendo bacterias u otra sustancia exógena mácula densa grupo especializado de células epiteliales que se encuentran en el túbulo contorneado distal en la zona
adyacente a las arteriolas aferentes y eferentes mácula lútea depresión en el centro de la retina que contiene la fóvea; contiene una gran densidad de conos mastocitos grupo de células dispersadas por todos los tejidos conjuntivos del organismo que ayudan a señalar los primeros sucesos de inflamación liberando histamina matriz mitocondrial compartimento más interior de una mitocondria, rodeado por la membrana mitocondrial interna; contiene las enzimas del ciclo de Krebs mecanismo de deslizamiento de filamentos proceso de contracción muscular por el que los filamentos gruesos y finos se deslizan mecanorreceptor receptor sensorial que detecta fuerzas físicas, como la presión o la vibración medio interno líquido que rodea las células en el interior del organismo; incluye el líquido del flujo sanguíneo que rodea las células sanguíneas; véase líquido extracelular médula compartimento interno de algunos órganos, como la médula suprarrenal y la médula renal médula espinal parte del sistema nervioso central que recorre la columna vertebral médula suprarrenal parte interna de la glándula suprarrenal; secreta catecolaminas meiosis serie de dos divisiones celulares que generan una célula hija (gameto) con la mitad del número normal de cromosomas; implicada en la gametogenia membrana apical membrana lateral de una célula epitelial que mira hacia la luz de una cavidad del organismo; también llamada membrana luminal membrana basal capa de material no celular que es relativamente permeable a la mayoría de sustancias; se ancla en la membrana basolateral y proporciona soporte físico al revestimiento epitelial membrana basilar membrana de la cóclea en el oído interno que separa la rampa timpánica de la rampa media membrana basolateral membrana en el lado de una célula epitelial expuesto al medio interno y en contacto con el líquido intersticial; membrana en contacto con la sangre membrana nuclear barrera que separa el núcleo del citoplasma; compuesta por dos membranas membrana plasmática barrera que separa una célula del líquido extracelular; comprende fosfolípidos, proteínas y colesterol
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membrana respiratoria estructura a través de la que tiene lugar el intercambio gaseoso en los pulmones; barrera entre la sangre y el aire que consiste en células capilares endoteliales y sus membranas fundamentales, y células epiteliales alveolares y sus membranas fundamentales membrana tectoria membrana del órgano de Corti en la que se alojan las puntas de los estereocilios membrana timpánica tímpano membrana vestibular membrana de la cóclea del oído interno que separa la rampa vestibular de la rampa media memoria retención de información, destrezas o pensamientos memoria declarativa memoria de las experiencias aprendidas, incluyendo hechos y sucesos memoria a largo plazo memoria que se almacena y puede recordarse durante años memoria procedimental memoria de las destrezas motoras y comportamientos aprendidos meninges tres membranas que separan el tejido blando del SNC del hueso que lo rodea; duramadre, aracnoides y piamadre menopausia cese de la capacidad reproductiva en mujeres de mediana edad mensajero secundario molécula mensajera intracelular que se produce en respuesta a la unión de un mensajero extracelular (el primer mensajero) con un receptor menstruación desprendimiento de sangre y tejido que recubre el útero mesencéfalo parte más alta del tronco encefálico; conecta con el prosencéfalo mesenterio sistema de membranas finas y claras que interconectan la mayoría de los órganos abdominales y donde se alojan los nervios y vasos sanguíneos que van hacia ellos; ayuda a anclar los órganos en su sitio mesotelio capa de tejido epitelial que se encuentra en las superficies externas de los órganos del tubo digestivo metabolismo suma de todas las reacciones químicas que ocurren en el organismo metabolismo basal (MB) la tasa metabólica basal más lenta del organismo, indica la energía necesaria para mantener las funciones vitales metabolismo energético conjunto de reacciones que participan en el uso y almacenamiento de la energía micción eliminación de la orina del organismo microcirculación vasculatura que solo puede verse con un microscopio; incluye arteriolas, metaarteriolas, capilares y vénulas
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microfilamento filamento proteico de menor diámetro del citoesqueleto microtúbulo filamento proteico de mayor diámetro que el citoesqueleto, formado por largos tubos compuestos de tubulina microvellosidad proyección de membrana plasmática que aumenta su área superficial; a menudo se encuentra en células epiteliales especializadas en el transporte mielina capas de membrana plasmática de los oligodendrocitos y las células de Schwann que forman un aislante alrededor de los axones de las neuronas mineralocorticoide hormona esteroidea que secreta la corteza suprarrenal y que regula la reabsorción de sodio y la secreción renal de potasio; el mineralocorticoide principal es la aldosterona miocardio masa muscular cardíaca completa miofibrilla elementos en forma de bastones, con bandas que contienen la maquinaria contráctil de la fibra muscular mioglobina proteína que se une al oxígeno presente en determinadas células musculares miometrio capa de músculo liso de la pared uterina miopía defecto visual común del ojo que provoca mala vista de lejos miosina proteína contráctil que encontramos en los filamentos gruesos del músculo estriado miosina cinasa enzima que participa en el acoplamiento de excitación-contracción del músculo liso; fosforila los puentes trasversos de miosina; también llamada cadena ligera de la miosina cinasa (MLCK) mitocondria orgánulo de forma oval rodeado por dos membranas; principal localización de la síntesis de ATP en las células mitosis tipo de división celular que da origen a dos células hija que contienen el número normal de cromosomas; es necesaria para el crecimiento y la regeneración celular moco fluido viscoso y pegajoso que contiene unas glucoproteínas llamadas mucinas modalidad en el sistema sensitivo, la forma de energía de un estímulo modulador en la regulación alostérica, molécula específica que se une a un lugar de regulación de una molécula enzimática y regula su actividad monoaminooxidasa (MAO) enzima que degrada las aminas biógenas monocito leucocito capaz de realizar la fagocitosis; circulan en la sangre solo durante unas horas y luego migran a los
tejidos en los que aumentan de tamaño y se convierten en unas células fagocíticas que se llaman macrófagos monosacárido compuesto simple de azúcar de una sola unidad mórula etapa más temprana del embrión tras la división celular que consiste en una bola de células idénticas motilidad en el tubo digestivo, patrones de contracción del músculo liso motoneurona neurona eferente del sistema nervioso somático que sinapsa con las células del músculo esquelético; se origina en el asta ventral de la médula espinal o en estructuras análogas del prosencéfalo motoneurona inferior neurona que inerva el músculo esquelético; véase motoneurona motoneurona superior neurona de la vía piramidal que se origina en la corteza motora primaria y termina en el asta ventral de la médula espinal movimiento de masa movimiento similar al peristaltismo en el colon que propulsa su contenido hacia delante mucocito célula de las glándulas gástricas que secreta moco mucosa (capa) capa más interna de las cuatro capas principales que componen la pared del tubo digestivo; se compone de tres capas, que incluyen la mucosa, la lámina propria y la muscular de la mucosa mucosa (membrana) capa de células epiteliales que revisten el interior del tubo digestivo y otras cavidades huecas del organismo muscular externa una de las cuatro capas principales de la pared del tubo digestivo, situada entre la submucosa y la serosa; está compuesta principalmente de fibras de músculo liso muscular de la mucosa capa fina de músculo liso situada en la mucosa de la pared del tubo digestivo músculo órgano, tejido o célula especializada en la contracción y generación de fuerza músculo ciliar músculo liso del ojo adherido al cristalino por las fibras zonulares; regula la curvatura del cristalino para el enfoque de la luz músculo circular capa interna del músculo liso del iris; también llamado músculo constrictor músculo detrusor fibras de músculo liso de la vejiga músculo esquelético tipo de músculo que está unido normalmente al hueso músculo estriado músculo en el que las células tienen aspecto estriado, dada la presencia de sarcómeros; incluye músculo esquelético y cardíaco
músculo liso tipo de músculo que se encuentra en los órganos internos, vasos sanguíneos y otras estructuras que no se controlan de forma voluntaria; carece de estriaciones músculo liso multiunitario músculo liso que carece de uniones comunicantes, de forma que cada fibra actúa como una unidad músculo liso unitario músculo liso con uniones comunicativas que conectan las células entre sí para que funcionen como una unidad músculo radial capa exterior de músculo liso del iris; también llamado músculo dilatador nefrona unidad funcional de los riñones que filtra la sangre y forma la orina; cada una consiste en un corpúsculo renal (un glomérulo y una cápsula de Bowman) y un túbulo renal nervio grupo de axones del sistema nervioso periférico; conecta el sistema nervioso central con los órganos en la periferia nervio cervical cada uno de los nervios de la médula espinal cervical nervio coccígeo nervio de la médula espinal que nace en el cóccix nervio craneal nervio periférico cuyo origen directo se encuentra en el encéfalo; son un total de 12 nervio frénico nervio que inerva el diafragma nervio intercostal cada uno de los nervios raquídeos que inervan los músculos intercostales de la respiración nervio lumbar nervio de la médula espinal que se origina en la médula espinal lumbar nervio mixto grupo de axones que contienen tanto fibras aferentes como eferentes nervio olfativo nervio que contiene axones de células receptoras olfativas; nervio craneal I nervio óptico nervio que transmite información visual desde el ojo al quiasmo óptico; contiene axones de células ganglionares retinianas nervio raquídeo cada uno de los 31 pares de nervios que nacen en la médula espinal y que llegan hasta la periferia nervio sacro nervio raquídeo que nace en la médula espinal sacra nervio torácico cada uno de los nervios raquídeos que nacen en la médula espinal torácica nervio vago nervio parasimpático principal que se origina en el bulbo raquídeo e inerva muchas de las vísceras; nervio craneal X (NC X)
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nervio vestibulococlear nervio que contiene aferentes para la audición y el equilibrio; nervio craneal VIII neumotórax cuadro en el que el aire entra en el espacio pleural, haciendo que se colapsen los pulmones y se expanda la pared torácica neuroglia células del sistema nervioso que facilitan varios tipos de ayuda a las neuronas, como el apoyo estructural y metabólico neurohipófisis lóbulo posterior de la glándula hipófisis; secreta hormona antidiurética (ADH) y oxitocina neurohormona tipo especial de hormona que secretan las células neurosecretoras neurona célula especializada del sistema nervioso que se comunica por vía eléctrica y señales químicas; también llamada célula nerviosa neurona aferente neurona que transmite información sensorial o información visceral al sistema nervioso central para un procesamiento más detallado neurona eferente neurona que transmite información desde el sistema nervioso central a los órganos efectores neurona espiratoria neurona del sistema nervioso central que aumenta su intensidad de descarga durante la espiración neurona inspiratoria neurona del sistema nervioso central que aumenta su intensidad de descarga durante la espiración neurona multipolar neurona con muchas proyecciones dendríticas desde el cuerpo celular y los axones neurona posganglionar neurona del sistema nervioso autónomo que viaja desde los ganglios autónomos a los órganos efectores neurona postsináptica en una sinapsis, la neurona que recibe señales de otra neurona neurona preganglionar neurona del sistema nervioso autónomo que viaja desde el sistema nervioso central a los ganglios autónomos, donde se comunica con las neuronas posganglionares neurona presináptica en una sinapsis, neurona que transmite señales a una neurona secundaria o célula efectora neuropéptido polipéptido que liberan las neuronas por exocitosis en las sinapsis neurotransmisor mensajero químico que libera el axón terminal de una neurona neutralización en el sistema inmunitario, el bloqueo de un anticuerpo de la actividad de un antígeno que se une a él neutrófilo leucocito más abundante en la sangre, capaz de realizar la fagocitosis
nocirreceptor receptor sensorial de la superficie del cuerpo que detecta estímulos que dañan tejidos; incluye los nocirreceptores mecánicos, que responden a estímulos mecánicos intensos, los nocirreceptores térmicos, que responden al calor intenso, y los nocirreceptores polimodales nódulo auriculoventricular (AV) parte del sistema de conducción cardíaca que se encuentra cerca de la válvula tricúspide nódulo linfático tejido linfoide periférico nódulo de Ranvier hueco en la mielina a lo largo de los axones nódulo sinoauricular (SA) zona de la pared del atrio superior derecho en la que se concentran las células marcapasos; suele determinar la frecuencia cardíaca núcleo en células, estructura rodeada por membrana que contiene el ADN de la célula; en el sistema nervioso central, conjunto de cuerpos celulares de neuronas que no sean los de la corteza cerebral núcleo basal núcleo especial situado en el interior del cerebro que es vital para la regulación de los movimientos voluntarios nucleótido biomolécula que contiene uno o más grupos fosfato, un hidrato de carbono de cinco átomos de carbono y una base nitrogenada que participa en el intercambio energético y en el almacenamiento y transmisión de la información genética en las células nutriente esencial cualquier biomolécula necesaria para el correcto funcionamiento del organismo que las células no pueden sintetizar y, por tanto, debe obtenerse de fuentes alimenticias oligodendrocito neuroglia que forma mielina alrededor de los axones en el sistema nervioso central; un oligodendrocito aporta segmentos de mielina para muchos axones onda lenta fluctuación cíclica en el potencial de membrana en reposo onda P en un electrocardiograma, la curva correspondiente a la despolarización auricular onda T en un electrocardiograma, la forma en onda que representa la despolarización ventricular opioide endógeno sustancia similar a la morfina, que es producida por el organismo opsonina proteína que se genera en la respuesta inmune y que se une fuertemente a sustancias exógenas y hace que sea más fácil que los fagocitos las engullan órgano grupo de diferentes tejidos que se unen para formar una estructura con una función específica
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órgano de Corti órgano sensorial del sonido; está situado encima de la membrana basilar de la cóclea del oído interno órgano endocrino primario órgano cuya función primaria es la secreción de hormonas órgano endocrino secundario órgano cuya secreción hormonal es secundaria a otra función órgano tendinoso de Golgi receptor sensorial situado cerca de la unión entre el músculo y el tendón, que detecta cambios en la tensión del músculo orgánulo unidades estructurales de células consistentes en biomoléculas; llevan a cabo funciones específicas de la célula orina líquido que producen los riñones y se elimina del organismo osmolaridad concentración total de partículas de soluto en una solución osmorreceptor receptor que detecta la osmolaridad de diferentes líquidos del organismo ósmosis movimiento pasivo de agua a través de la membrana a favor de su gradiente de concentración osteoblasto célula móvil dentro del hueso que secreta la matriz extracelular durante la formación ósea osteocito tipo de célula ósea que mantiene la matriz extracelular osteoclasto célula móvil responsable de la descomposición del tejido óseo osteoide sustancia orgánica gelatinosa que secretan los osteoblastos y que forma la matriz del hueso otolito pequeño cristal de carbonato cálcico dentro de la sustancia gelatinosa que se encuentra en los utrículos y sáculos ovario gónada femenina ovogenia producción de óvulos ovogonia células germinales sin diferenciar que son precursoras de los óvulos ovulación liberación de un ovocito que realiza el folículo ovárico óvulo célula tras la segunda división meiótica, que tiene lugar solo tras la fecundación oxidación eliminación de electrones de una molécula óxido nítrico gas que funciona como un mensajero químico óxido nítrico sintasa enzima que cataliza la síntesis de óxido nítrico oxitocina hormona que secreta la neurohipófisis y que regula las contracciones del útero y el flujo de leche de las mamas; funciona como neurotransmisor en algunas neuronas
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páncreas glándula situada en la cavidad abdominal que realiza funciones endocrinas y exocrinas; secreta el jugo pancreático y hormonas como la insulina y el glucagón papila gustativa estructuras de la lengua, paladar y faringe que contienen células receptoras del sabor paracrina tipo de mensajero químico que se comunica con las células vecinas por difusión simple pared torácica estructura que protege los pulmones y forma un compartimento hermético a su alrededor; está compuesta por el esternón y la caja torácica parto proceso de nacer pelvis renal zona en forma de embudo que forma la parte inicial de la uretra pene órgano masculino para copular pepsina forma completamente activa del pepsinógeno; actúa en la luz del estómago para comenzar la digestión de proteínas pepsinógeno precursor inactivo de la enzima pepsina que secretan las células principales péptido cadena corta de aminoácidos, normalmente menos de cincuenta péptido insulinotrópico dependiente de glucosa hormona que secreta el duodeno y el yeyuno, y que estimula al páncreas para que secrete insulina péptido natriurético auricular (ANP) hormona que secreta la aurícula y que regula el nivel de sodio en sangre percepción actividad mental consciente pérdida de agua obligatoria volumen mínimo de agua que debe excretarse en la orina para eliminar solutos perforina proteína que forma poros en la membrana de la célula, provocando su lisis perilinfa líquido que se encuentra en la rampa timpánica y en la rampa vestibular de la cóclea del oído interno período de absorción lapso de tiempo posterior a la comida durante el que se absorben los nutrientes período latente tiempo entre un estímulo y el comienzo de una respuesta; en fisiología muscular, el lapso de unos pocos milisegundos transcurrido entre el potencial de acción de un músculo y el comienzo de generación de fuerza del mismo período refractario período de excitabilidad de la membrana reducida; durante e inmediatamente después de un potencial de acción, cuando la membrana es menos excitable que en reposo período refractario absoluto período durante e inmediatamente después de un potencial de acción mientras el cual no se puede generar un segundo potencial
de acción como respuesta a un segundo estímulo, a pesar de su intensidad período refractario relativo período inmediatamente posterior al período refractario absoluto, durante el que es posible generar un segundo potencial de acción, pero solo con un estímulo mayor del necesario para alcanzar el umbral en estado de reposo peristaltismo onda de contracción momentánea que viaja a lo largo de la longitud de un vaso u órgano hueco, como el tubo digestivo peritoneo membrana que reviste el interior de la cavidad abdominal permeabilidad medida de la facilidad con la que las moléculas son capaces de moverse a través de la membrana celular permisividad fenómeno en el que se necesita una hormona para que otra hormona ejerza sus funciones peroxisoma orgánulo esférico rodeado por membrana que participa en la degradación de moléculas como los aminoácidos, los ácidos grasos y las sustancias exógenas piamadre la más interna de las tres meninges, adyacente al tejido nervioso pico de la hormona luteinizante (LH) rápido aumento de la secreción de LH que desencadena la ovulación píloro paso estrecho entre el estómago y el duodeno pinocitosis forma de endocitosis en la que la célula toma líquidos y moléculas disueltas a través de las vesículas endocíticas que atrapan la membrana plasmática placa epifisaria capa fina de tejido que separa la epífisis de un hueso largo de la diáfisis; desempeña una función fundamental en la elongación ósea durante el crecimiento placa motora terminal zona de la membrana plasmática del músculo esquelético especializada que se sitúa en la unión neuromuscular placenta estructura que consiste en tejidos fetales y maternos que permite el intercambio de gases, nutrientes y deshechos entre el aparato circulatorio de la madre y el aparato circulatorio del feto plaqueta fragmento celular que desempeña una función importante en la coagulación de la sangre plasma líquido de la sangre compuesto de agua y solutos disueltos, incluyendo proteínas; representa alrededor del 20% de volumen total de líquido extracelular plasminógeno proteína plasmática que disuelve los coágulos de la sangre plasticidad capacidad de cambio
pleura membrana que reviste la pared torácica y pulmonar, formando un saco pleural alrededor de cada pulmón plexo coroideo tejido vascularizado que recubre los ventrículos cerebrales y sintetiza el líquido cefalorraquídeo plexo mientérico una de las dos redes neurales que componen el sistema nervioso entérico; está situado en la muscular externa plexo submucoso una de las dos redes neurales que componen el sistema nervioso entérico; se sitúa en la submucosa polipéptido polímero que contiene aminoácidos unidos entre sí por enlaces peptídicos polisacárido polímero compuesto de muchos monosacáridos unidos entre sí por enlaces covalentes poro nuclear poro de la membrana nuclear que permite el movimiento selectivo de moléculas entre el núcleo y el citoplasma portador proteína transmembranosa que se enlaza a moléculas por un lado de la membrana y las transporta al otro lado por medio de un cambio conformacional poscarga presión que tienen que soportar los ventrículos para bombear sangre posthiperpolarización tercera fase del potencial de acción durante la que el potencial de membrana es más negativo que en reposo debido a la alta permeabilidad al potasio potencial de acción gran cambio en el potencial de membrana de las células excitables en el que el interior de la célula se vuelve positivo en relación con el exterior; permite la transmisión de la información a larga distancia en los axones potencial de equilibrio potencial de membrana en el que la fuerza de gradiente eléctrica es igual y opuesta a la fuerza de gradiente química, lo que determina un gradiente electroquímico de cero potencial generador cambio en el potencial de membrana, también llamado potencial receptor potencial graduado pequeños cambios en el potencial de membrana que ocurren cuando se abre o se cierra un canal iónico en respuesta a un estímulo, como la unión de un neurotransmisor a un receptor; la magnitud del cambio de potencial varía con la fuerza del estímulo potencial marcapasos despolarización espontánea del potencial de membrana en reposo potencial de membrana diferencia del potencial eléctrico o voltaje existente en la membrana de la mayoría de las células potencial de membrana en reposo voltaje que existe por la membrana celular cuando
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la célula no está transmitiendo señales eléctricas; la polaridad es tal que el interior de la célula es negativo respecto al exterior potencial postsináptico (PSP) cambio en el potencial de membrana de una neurona postsináptica que tiene lugar en respuesta a la unión entre neurotransmisores y receptores potencial de la placa terminal despolarización de la placa terminal motora de la fibra de un músculo esquelético provocada por el enlace de la acetilcolina con receptores colinérgicos nicotínicos potencial postsináptico excitatorio (PPSE) despolarización graduada provocada por la unión de un neurotransmisor a un receptor en la neurona postsináptica potencial postsináptico inhibidor (IPSP) hiperpolarización graduada provocada por un neurotransmisor que se une a un receptor en la neurona postsináptica potencial receptor potencial graduado provocado por la apertura o el cierre de los canales iónicos de los receptores sensoriales, están desencadenados por estímulos sensoriales precarga presión telediastólica ventricular presentación de antígeno movimiento de un antígeno desde el interior de una célula infectada hasta la superficie celular a través de las moléculas del complejo principal de histocompatibilidad (CPH) presión arterial presión que ejerce la fuerza de la sangre sobre las paredes arteriales presión arterial media (PAM) presión aórtica media durante el ciclo cardíaco presión atmosférica (Patm) presión ejercida por el aire; a nivel del mar es de 760 mmHg o 1 atmósfera presión diastólica (PD) presión aórtica mínima alcanzada durante el ciclo cardíaco; ocurre durante la diástole presión de la filtración glomerular (PFG) suma de las fuerzas de Starling que actúan para mover líquido a través de las paredes capilares del glomérulo presión intraalveolar (Palv) presión que ejerce el aire dentro de los alvéolos presión intrapleural (Pip) presión del líquido dentro del espacio pleural presión neta de filtración suma de las fuerzas de Starling que determinan la dirección del movimiento de líquido a través de las paredes de los capilares presión osmótica medida indirecta de la concentración de un soluto, se expresa en unidades ordinarias de presión presión parcial proporción de la presión de una mezcla gaseosa completa debida a la presencia de un gas individual presión sistólica (PAS) presión aórtica máxima alcanzada durante el ciclo cardíaco; ocurre durante la sístole
presión transpulmonar diferencia entre la presión intrapleural y la presión intraalveolar que representa la presión de distensión que actúa sobre los pulmones; Palv – Pip presión venosa central (CVP) presión de las venas grandes que desembocan en el corazón en la cavidad torácica principio del tamaño correspondencia entre el tamaño de las unidades motoras y la orden de reclutamiento procesamiento paralelo información neural similar que viaja por diferentes vías progesterona hormona sexual que secretan los ovarios, principalmente durante la fase lútea del ciclo menstrual propiorrecepción percepción de la posición de las extremidades y el organismo prosencéfalo parte más superior y grande del encéfalo, se divide en hemisferio izquierdo y derecho; comprende el cerebro y el diencéfalo prostaciclina eicosanoide que liberan las células endoteliales sanas y que inhibe la agregación plaquetaria proteína polímero que contiene aminoácidos unidos entre sí por enlaces peptídicos; normalmente se refiere a cadenas que contienen más de 50 aminoácidos proteína C proteína plasmática que inhibe la coagulación sanguínea proteína cinasa tipo de enzima que cataliza la fosforilación de una proteína diana proteína fosfatasa enzima que cataliza la desfosforilación de una proteína proteína G proteína de membrana con la capacidad de enlazarse a los nucleótidos de guanosina, participa en el acoplamiento de un mensajero extracelular con una respuesta dentro de la célula diana proteína integral de membrana proteína que está incrustada fuertemente en la bicapa lipídica proteína de membrana periférica proteína unida de forma laxa a la bicapa lipídica por medio de asociaciones con las proteínas de membrana integrales o los fosfolípidos proteína transmembranosa proteína membrana integral que se extiende sobre la bicapa lipídica, con superficies expuestas al citosol y al líquido intersticial proteína de unión a odorantes proteína del moco nasal que se une a las sustancias odoríferas y las transporta a los receptores sensoriales proteólisis proceso por el que se descomponen las proteínas en aminoácidos protuberancia porción media del prosencéfalo; está conectada con el cerebelo pubertad período de maduración sexual
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punto ciego en anatomía, el disco óptico de la retina en el que no hay fotorreceptores; en fisiología, el campo visual en el que la luz esquiva el disco óptico y, por tanto, no se puede detectar punto óptimo valor normal o ideal de la variable regulada en un sistema de regulación homeostática pupila agujero a través del que la luz puede entrar al ojo quiasma óptico parte de la vía neural visual en la que algunos axones de los nervios ópticos derecho e izquierdo cruzan al lado opuesto del cerebro quilomicrones partículas de lipoproteína formadas durante el proceso de absorción lipídica en el intestino delgado quimiorreceptor receptor que controla las concentraciones de ciertas sustancias químicas en diferentes ubicaciones del organismo quimiorreceptor central quimiorreceptor ubicado en el bulbo raquídeo que responde directamente a cambios en la concentración de iones de hidrógeno en el líquido cefalorraquídeo e indirectamente al PCO2 arterial; intervienen en la regulación de la ventilación quimiorreceptor periférico situado en la arteria carótida, responde a cambios en la PO2, la PCO2 y el pH, y participa en la regulación de la ventilación quimo mezcla de partículas de comida y secreciones digestivas; se encuentra en el estómago y los intestinos radiación transferencia energética térmica en forma de ondas electromagnéticas radiación óptica vía desde el cuerpo geniculado lateral hasta la corteza visual de cada lado raíz anterior punto en el que un nervio raquídeo se bifurca antes de unirse a la médula espinal, la ramificación más ventral de las resultantes; contiene fibras nerviosas eferentes raíz dorsal en un lugar en el que se bifurca un nervio raquídeo antes de unirse a la médula espinal, la ramificación más dorsal de las dos resultantes; contiene fibras nerviosas aferentes rampa media conducto lleno de líquido en la cóclea; también llamado conducto coclear rampa timpánica conducto lleno de líquido en la cóclea; también llamado conducto timpánico rampa vestibular conducto lleno de líquido en la cóclea; también llamado conducto vestibular reabsorción transporte de una sustancia a la sangre
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reacción acrosómica proceso por el que un acrosoma libera sus enzimas reactante molécula de una reacción química que se convierte en producto recaptación transporte activo de neurotransmisores hacia el interior de la neurona presináptica que los liberó receptor proteína de una célula diana que reconoce un mensajero químico y se une a él; en sistemas sensoriales, detecta estímulo receptor A tipo de receptor adrenérgico receptor B tipo de receptor adrenérgico receptor de adaptación lenta receptor que mantiene la capacidad de respuesta a un estímulo continuado; también llamado receptor tónico receptor de adaptación rápida receptor que disminuye la capacidad de respuesta a un estímulo continuo; también llamado receptor fásico receptor asociado a una enzima proteínas de la membrana plasmática que funcionan como un receptor y como una enzima receptor asociado a la proteína G receptor de la membrana plasmática que se empareja con una proteína G receptor de calor termorreceptor que aumenta la capacidad de respuesta con un aumento de la temperatura receptor de células T (RCT) receptores que detectan antígenos exógenos en las células del organismo receptor fásico véase receptor de adaptación rápida receptor de frío termorreceptor que aumenta la capacidad de respuesta a medida que la temperatura disminuye receptor ionotrópico proteína receptora que también funciona como un canal iónico que se abre o se cierra en respuesta a la unión de un mensajero químico receptor ligando a un canal proteína que funciona como un canal de iones y como un receptor; cuando un mensajero se une a la parte receptora de la proteína, se abre el canal receptor metabótropo cualquier receptor que actúa provocando cambios bioquímicos en lugar de provocar un cambio directo en la permeabilidad de la membrana receptor sensitivo estructura neuronal especializada que detecta una forma específica de energía tanto en el medio interno como en el externo receptor tónico véase receptor de adaptación lenta reclutamiento aumento del número de neuronas activas reducción adición de electrones a una molécula reflejo respuesta tipificada automática a un estímulo
reflejo barorreceptor circuito de retroalimentación negativa para regular la presión arterial reflejo de estiramiento reflejo monosináptico en respuesta a un estiramiento del músculo reflejo extensor cruzado extensión refleja de una extremidad cuando se aplica un estímulo nocivo a la extremidad del lado opuesto del organismo reflejo de retracción reflejo de retirada de una extremidad de un estímulo nocivo reflejo visceral cambio automático en las funciones de los órganos que ocurre en respuesta a cambios de las condiciones internas del organismo refracción oblicuidad de una onda de luz cuando pasa a través de medios de diferentes densidades con un ángulo no perpendicular regenerativo señal que se informa a sí misma por retroalimentación positiva regulación alostérica mecanismo de regulación en el que un modulador se une de forma reversible al sitio de regulación de una enzima, induciendo un cambio en su conformación y actividad regulación covalente mecanismo de regulación en el que un enlace covalente de un grupo químico específico a un sitio de la molécula de la enzima provoca cambios en la actividad de la misma; suele suponer el enlace a un grupo fosfato regulación miógena medio de autorregulación de la tasa de filtración glomerular por medio de la capacidad inherente del músculo liso de las arteriolas aferentes para contraerse cuando se estira relación ventilación/perfusión relación entre la ventilación y la perfusión en los alvéolos, o Va/Q relajación isovolumétrica relajación de los ventrículos con todas las válvulas del corazón cerradas, como en la que el volumen de sangre contenida en los ventrículos es constante; ocurre al principio de la diástole renina enzima que libera el riñón; convierte el angiotensinógeno en angiotensina I replicación duplicación de ADN anterior a la división celular repolarización recuperación del potencial de membrana de una célula al potencial en reposo que sigue a una despolarización resistencia oposición a un movimiento resistencia periférica total (RPT) en el circuito sistémico, la resistencia combinada de todos los vasos sanguíneos resorción descomposición del tejido óseo respiración proceso de intercambio gaseoso dentro del cuerpo; incluye la respiración interna y externa
respiración externa intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre la atmósfera y los tejidos del organismo; participan tanto el aparato respiratorio como el cardiovascular respiración interna respiración celular que tiene lugar en la mitocondria respuesta inmunitaria serie de sucesos que destruyen y eliminan sustancias anormales o exógenas del organismo respuesta inmunitaria específica mecanismo que busca y elimina sustancias específicas respuesta inmunitaria primaria respuesta de un linfocito inducida por un antígeno que ocurre cuando una persona se expone a un antígeno por primera vez respuesta inmunitaria secundaria respuesta linfocítica inducida por un antígeno provocada por la posterior exposición a un antígeno respuesta de lucha o huida conjunto de cambios fisiológicos que coordina el sistema nervioso simpático que prepara el organismo para afrontar situaciones de amenaza respuesta miógena capacidad inherente del músculo liso de contraerse cuando se estira retículo endoplásmico red compleja de membranas dentro de las células que contiene un único compartimento interno; engloba el retículo endoplásmico rugoso y el retículo endoplásmico liso retículo sarcoplásmico (RS) retículo endoplásmico liso modificado en las células musculares que rodea las miofibrillas y almacena calcio retina capa más interna del ojo; está compuesta de tejido neural y contiene fotorreceptores retorno venoso flujo sanguíneo al corazón retroalimentación negativa tipo de retroalimentación que suele utilizarse en el sistema de regulación homeostática en el que la respuesta de un sistema va en la dirección opuesta al cambio que estableció el movimiento retroalimentación positiva tipo de retroalimentación en la que la respuesta de un sistema va en la misma dirección que el cambio que estableció el movimiento retroalimentación tubuloglomerular mecanismo autorregulador en el que un cambio en la tasa de filtración glomerular está regulado por las sustancias paracrinas que secreta la mácula densa; está situado bajo el glomérulo ribosoma complejo de rARN y proteínas que participa en la síntesis de proteínas; se encuentra en el citosol y el retículo endoplásmico rugoso
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ritmo circadiano fluctuaciones endógenas en las funciones vitales que se suceden en ciclos de 24 h ritmo eléctrico básico patrón de la actividad eléctrica del músculo liso gastrointestinal en el que las ondas de despolarización se suceden a intervalos regulares saborizante sustancia química que da a los alimentos su sabor saco alveolar grupo de alvéolos en el extremo de un conducto alveolar saco pleural membrana que rodea cada pulmón sáculo estructura del oído interno; detecta la aceleración linear sal biliar derivado del colesterol procesado por el hígado y que encontramos en la bilis; su función es emulsionar los lípidos en el intestino delgado sangre venosa mixta sangre de la arteria pulmonar que incluye una mezcla de sangre que regresa de todas las venas sistémicas a la aurícula izquierda sarcolema membrana plasmática de la fibra muscular sarcómero unidad de repetición fundamental que compone las miofibrillas secreción movimiento de una sustancia desde el medio interno al externo transportada a través de un epitelio; movimiento de una sustancia desde el interior de una célula al exterior a través de la membrana plasmática secretar liberar una sustancia procedente de una célula, glándula o epitelio secretina hormona que secreta el duodeno y el yeyuno, y que inhibe la secreción gástrica y la motilidad, y estimula la secreción pancreática de bicarbonato secuencia líder secuencia inicial de aminoácidos que está presente en una cadena de polipéptidos recién sintetizada y que funciona dirigiendo el destino de la proteína final secuencia promotora secuencia base específica del ADN a la que se puede enlazar la enzima ARN polimerasa, iniciando, por tanto, la transcripción segmentación patrón de motilidad mixto del intestino delgado segmento anterior cámara del ojo frente al cristalino y el músculo ciliar selección clonal proliferación de linfocitos, activada por antígenos, necesaria para las respuestas inmunológicas específicas semivida tiempo que tarda en degradarse una molécula al 50% sensación somestésica sensación originada en los receptores cutáneos
sensibilización aumento de la capacidad de respuesta a un estímulo repetido; una forma de aprendizaje sentidos especiales sentidos de la vista, olfato, tacto, oído y equilibrio serosa la capa más exterior de las cuatro capas principales de la pared del tubo digestivo; está compuesta en su mayoría por tejido conjuntivo sinapsis eléctrica unión comunicante que aúna dos células de forma eléctrica sinapsis excitatoria lugar de comunicación en el que la actividad de la neurona presináptica provoca la despolarización de la neurona postsináptica sinapsis inhibidora lugar de comunicación por el que la actividad de la neurona presináptica disminuye la probabilidad de que ocurra un potencial de acción en la neurona postsináptica sinapsis química sinapsis en la que una neurona secreta un neurotransmisor al líquido extracelular como respuesta a un potencial de acción que llega al axón terminal sinérgico perteneciente al proceso en el que el efecto neto es mayor que la suma de los efectos individuales sistema del complemento proteínas que actúan para destruir microorganismos invasores, especialmente bacterias; son un total de 30 sistema de conducción cardíaca conjunto de células cardíacas especializadas que inician y conducen los potenciales de acción sistema endógeno de analgesia vías neurales que participan en el bloqueo de la transmisión de señales de dolor hacia el encéfalo, produciendo, por tanto, analgesia sistema fosfatidilinositol sistema de transducción de señales que produce dos mensajeros secundarios, diaglicerol e inositol trifosfato sistema límbico conjunto diverso de regiones corticales, núcleos subcorticales y vías del prosencéfalo estrechamente relacionados; interviene en el aprendizaje y las emociones sistema linfático red de vasos, o conductos, que recorren el cuerpo y contienen líquido linfático sistema nervioso autónomo división del sistema nervioso que engloba las neuronas eferentes con las que establece sinapsis y regula la función de los órganos internos y otras estructuras que no se controlan de forma voluntaria sistema nervioso central (SNC) división del sistema nervioso formada por el encéfalo y la médula espinal; consolida la información que se recibe de los órganos y
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desarrolla instrucciones para mandar a los mismos; también es el área de aprendizaje, memoria, emociones y cognición sistema nervioso entérico sistema de redes neurales en la pared del tubo digestivo que regula muchas funciones digestivas; también llamado sistema nervioso intrínseco sistema nervioso periférico división del sistema nervioso que contiene nervios que facilitan la comunicación entre el sistema nervioso central y los órganos del cuerpo; incluye ramificaciones aferentes y eferentes sistema nervioso somático división del sistema nervioso que engloba células nerviosas que regulan las contracciones de los músculos esqueléticos sistema de órganos grupo de órganos que trabajan juntos para realizar una tarea sistema somatosensitivo ramificación del sistema nervioso asociada con la percepción de las sensaciones somáticas; está asociado con los receptores de la piel y la propiorrecepción sístole período de contracción ventricular durante el ciclo cardíaco sitio de regulación lugar de unión de una molécula enzimática que es específica para las moléculas conocidas como moduladores somatostatina hormona trópica que libera el hipotálamo y que inhibe la secreción de la hormona del crecimiento de la adenohipófisis; también llamada hormona inhibidora de la hormona del crecimiento (GHIH) submucosa una de las cuatro capas principales de la pared del tubo digestivo situada entre la mucosa y la muscular externa; está compuesta en su mayoría de tejido conjuntivo subumbral en el sistema nervioso, un estímulo que es demasiado débil para generar un potencial de acción sueño de ondas lentas sueño caracterizado por etapas múltiples de ondas de baja frecuencia en el electroencefalograma sueño REM sueño que se caracteriza por las ondas de alta frecuencia en el electroencefalograma y movimientos rápidos periódicos de los ojos; REM son las siglas del inglés rapid eye movement suero plasma sin factores de coagulación suma en neurofisiología, la adición entre potenciales graduados que ocurre dentro de una neurona; en fisiología muscular, la adición de contracciones que ocurre cuando se estimula un músculo a alta frecuencia suma espacial suma de potenciales graduados generados en diferentes sitios
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que tiene lugar cuando se estimulan más o menos de forma simultánea suma temporal suma de los potenciales graduados generados en un lugar determinado que ocurre cuando se estimula a alta frecuencia supraumbral en el sistema nervioso, un estímulo que excede el umbral para generar un potencial de acción surfactante pulmonar sustancia similar al detergente que secretan las células alveolares de tipo II; disminuye la tensión de la superficie de los pulmones sustancia blanca zona del sistema nervioso central correspondiente principalmente a axones mielinizados; está especializada en la transmisión rápida de información a distancias relativamente largas en forma de potenciales de acción sustancia gris zona del sistema nervioso central compuesta principalmente por cuerpos celulares, dendritas y axones terminales de neuronas, donde tiene lugar la transmisión sináptica y la integración neural sustancia inhibidora de Müller (MIS) hormona que secretan los testículos y que inhibe el desarrollo de los conductos de Müller sustancia odorífera sustancia química que debe unirse a quimiorreceptores específicos para que podamos olerla sustancia P hormona que disminuye la motilidad digestiva; funciona como neurotransmisor en algunas neuronas sustrato reactante en una reacción de catalización de una enzima; se enlaza al sitio activo de una molécula enzima T3 triyodotironina, una de las hormonas tiroideas T4 tiroxina; una de las hormonas tiroideas tasa catalítica en las reacciones de catalización de enzimas, medida del número de reactantes convertidos en producto por unidad de tiempo tasa de filtración glomerular volumen de plasma filtrado por unidad de tiempo en todos los glomérulos renales combinados tasa metabólica cantidad de energía que gasta el organismo por unidad de tiempo tejido grupo de células similares que tienen una función específica tejido conjuntivo tejido cuya función primaria es facilitar soporte físico para otras estructuras, para anclarlas en su sitio o unirlas tejido eréctil masa esponjosa de tejido conjuntivo y músculo liso que contiene numerosos espacios vasculares interconectados; se encuentra en el pene, el clítoris y otras estructuras que se expanden cuando se llenan de sangre
tejido linfoide lugar en el que los leucocitos están expuestos a sustancias exógenas de la sangre o la linfa tejido linfoide central cada uno de los tejidos en los que los leucocitos se desarrollan hasta la madurez; son la médula ósea y el timo tejido linfoide periférico tejido que atrapa sustancias exógenas presentes en la sangre, incluyendo el bazo, los ganglios linfáticos, las amígdalas, las adenoides, el apéndice y las placas de Peyer temperatura central temperatura en la parte profunda del organismo tendón cordón de tejido conjuntivo elástico que transmite fuerza desde los músculos esqueléticos a los huesos terminación nerviosa libre receptor somatosensitivo de la piel que carece de estructuras especializadas identificables; contiene algunos mecanorreceptores, termorreceptores y nocirreceptores termorreceptor receptor sensorial que detecta la temperatura; pueden ser periféricos, que detectan la temperatura de la piel, o centrales, que detectan la temperatura interna del organismo termorregulación utilización del mecanismo de retroalimentación para mantener una temperatura corporal normal testículo gónada masculina tetania en un músculo estimulado con mucha frecuencia, la fase de meseta de la contracción, durante la que la tensión es relativamente constante timo glándula endocrina primaria cerca del corazón; secreta la hormona timosina; también es el lugar donde maduran los linfocitos T tono arteriolar vasoconstricción parcial de las arteriolas provocada por la actividad contráctil inherente del músculo liso unitario de las paredes de las arteriolas tono vasomotor grado de tensión que ejerce el músculo liso en las paredes de las venas; la distensibilidad venosa disminuye según aumenta el tono vasomotor transcitosis transporte de macromoléculas a través de células epiteliales; implica endocitosis de una membrana, seguida de exocitosis de la membrana opuesta transducción conversión de la forma de energía de un estímulo en una señal eléctrica en forma de cambios en el potencial de membrana transducción de señales proceso por el que la unión de un mensajero químico a un receptor desencadena una respuesta en la célula diana transporte activo cualquier método de transporte, dependiente de las proteínas,
de moléculas a través de una membrana que requiere aporte energético transporte activo secundario transporte activo de moléculas que utilizan un transportador que emplea como fuente de energía un gradiente de concentración o un gradiente electroquímico transporte máximo (Tm) tasa de transporte por las proteínas portadoras cuando tienen una saturación del 100% transporte mediado transporte de moléculas a través de una membrana utilizando proteínas transmembranosas transporte pasivo cualquier método de transporte de moléculas a través de una membrana que no necesita uso de energía transporte primario activo transporte activo de moléculas gracias a la utilización de proteína (bomba) que utiliza ATP como fuente de energía tráquea tubo cartilaginoso del tubo respiratorio situado entre la laringe y los bronquios triglicérido lípido compuesto de tres ácidos grasos enlazados a una base de glicerol; también llamado comúnmente grasa triplete secuencia de tres bases del ADN que codifica un aminoácido específico trombina uno de los factores de coagulación activos en la cascada de coagulación; reacciona con el fibrinógeno para convertirlo en fibrina y activar el factor XIII trombo coágulo de sangre tromboxano A2 (TXA2) eicosanoide que liberan las plaquetas agregadas y que promueve la hemostasia trompa de Eustaquio canal que conecta el oído medio con la faringe y que permite el equilibrio de la presión del aire a través del tímpano trompas de Falopio tubos que sobresalen de la parte superior del útero a cada lado y que participan en el transporte y fecundación del óvulo; también llamadas tubos uterinos u oviductos tronco del encéfalo parte más baja del encéfalo tropomiosina una de las dos proteínas reguladoras de los músculos estriados; molécula fibrosa larga que actúa para bloquear los sitios de unión de miosina de los filamentos finos cuando un músculo no se está contrayendo troponina una de las dos proteínas reguladoras de los músculos estriados; se une al calcio de forma reversible y es la responsable de comenzar el ciclo de los enlaces transversos sacando la tropomiosina de su posición de bloqueo tubo digestivo conjunto de órganos unidos en serie que forman una vía a través
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de la cual se conducen la comida y los productos de la digestión tubo respiratorio vías respiratorias que van desde la faringe a los pulmones túbulo contorneado distal parte de la nefrona más lejana del corpúsculo renal túbulo proximal parte del túbulo renal más cercana al corpúsculo renal; incluye el túbulo contorneado proximal y el túbulo recto proximal túbulo renal parte de la nefrona que consiste en un tubo largo enrollado túbulo seminífero cada uno de los tubos huecos y finos con forma de espiral situados en los testículos y en los que se produce el espermatozoide túbulo transversal (túbulo T) estructura que transmite los potenciales de acción desde el sarcolema al interior de la célula, haciendo que el retículo endoplásmico libere calcio umbral en una célula excitable, valor crítico del potencial de membrana al que la célula debe despolarizarse para desencadenar un potencial de acción umbral de activación uno de los dos umbrales que regulan la apertura y cierre de los canales de sodio dependientes del voltaje, representa la parte que se abre con la despolarización umbral de inactivación uno de los dos tipos de umbrales de los canales de sodio dependientes del voltaje; se cierra lentamente en respuesta a la despolarización umbral renal concentración plasmática de soluto a la que se excede el transporte máximo y aparece un exceso de concentración de soluto en la orina unidad motora motoneurona y todas las fibras musculares que inerva unidad sensitiva una sola neurona y todos los receptores sensoriales asociados a ella unión comunicante zona en la que dos células adyacentes se conectan entre sí por medio de proteínas de membrana llamadas conexones, que forman pequeños canales entre las células, permitiendo que los iones y las moléculas pequeñas se muevan libremente entre ellas unión estrecha unión que conecta entre sí dos células adyacentes, formando una barrera casi impenetrable que limita el paso de moléculas por ella unión neuromuscular sinapsis entre una motoneurona y una célula del músculo esquelético útero órgano hueco con forma de pera situado en el centro de la cavidad pélvica que sirve para alojar y nutrir el feto
utrículo estructura del oído interno que detecta la aceleración lineal hacia delante y hacia atrás vagina canal que va desde el cérvix al exterior del cuerpo, recibe al pene durante el coito; órgano femenino de copulación válvula auriculoventricular (válvula AV) válvula que separa la aurícula y el ventrículo en cada lado del corazón válvula bicúspide válvula auriculoventricular del lado izquierdo del corazón que posee dos cúspides, también llamada válvula mitral válvula mitral válvula auriculoventricular del lado izquierdo del corazón válvula semilunar válvula situada entre los ventrículos y las arterias en cada lado del corazón que evita que la sangre fluya de vuelta a los ventrículos cuando están relajados válvula semilunar aórtica válvula ubicada entre el ventrículo izquierdo y la aorta válvula semilunar pulmonar válvula situada entre el ventrículo derecho y la arteria pulmonar válvula tricúspide válvula AV a la derecha del corazón que tiene tres cúspides varicosidad engrosamiento de los axones de las neuronas posganglionares; almacena y libera neurotransmisores vasculatura todos los vasos sanguíneos del organismo vaso sanguíneo conducto por el que fluye la sangre vasoconstricción disminución del radio de un vaso sanguíneo vasodilatación aumento del radio de un vaso sanguíneo vasopresina hormona que secreta la neurohipófisis y que regula la salida de orina del riñón; estimula la reabsorción de agua de los riñones; también llamada hormona antidiurética (ADH) vaso recto lecho capilar que sale de la arteriola eferente de la nefrona yuxtamedular y rodea el asa de Henle; sirve para el mantenimiento del gradiente osmótico medular vault orgánulo de las células en forma de barril que podría participar en el transporte de moléculas a través de la envuelta del núcleo y puede tener otras funciones vellosidad pliegue de la superficie mucosa del intestino delgado que facilita el transporte de sustancias incrementando la superficie de la zona del epitelio vena vaso sanguíneo largo que lleva sangre por el corazón vena cava una de las dos venas grandes que llevan sangre a la aurícula derecha vena linfática cada uno de los conductos por los que fluye la linfa hacia el corazón
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vena pulmonar cada una de las venas que llevan sangre desde los pulmones al corazón vena renal devuelve la sangre desde los riñones a la circulación general ventana oval membrana entre el oído medio y el interno; transmite las ondas sonoras del oído medio al oído interno ventana redonda membrana entre el oído medio e interno; disipa las ondas de sonido en el oído medio ventilación alveolar medida del volumen de aire fresco que llega a los alvéolos cada minuto, y que es la ventilación-minuto correcta para el volumen de espacio muerto; también llamada ventilación alveolar por minuto ventilación pulmonar movimiento de aire hacia y desde los pulmones ventilación-minuto cantidad total de aire que entra o sale del aparato respiratorio en 1 min ventrículo en el corazón, cada una de las dos cámaras inferiores que bombean sangre a las arterias; en el encéfalo, cámaras que contienen líquido cefalorraquídeo vénula vaso sanguíneo que lleva sangre desde los capilares a las venas vesícula biliar pequeña bolsa muscular inmediatamente adyacente al hígado; almacena la bilis entre las comidas vesícula secretoria vesícula intracelular que contiene moléculas destinadas a la secreción en la célula vesícula seminal glándula accesoria del aparato reproductor masculino; las primeras en secretar fluido al aparato reproductor durante el transporte del espermatozoide vesícula sináptica vesícula en el axón terminal que contienen moléculas neurotransmisoras vía ascendente vía neural que transmite información desde la médula espinal o el tronco encefálico hacia el cerebro vía descendente vía que transmite información desde el encéfalo o el tronco encefálico hacia la médula espinal vía dorsal-lemniscal medial vía ascendente que transmite información sensorial del tacto, presión, vibración y propiorreceptores al tálamo vía espinotalámica vía somatosensitiva que transmite información desde los termorreceptores y nocirreceptores hasta el tálamo vía extrapiramidal vía de todo el control motor fuera del sistema piramidal; controla los movimientos de soporte vía internodal sistema de fibras conductoras que van desde el nódulo
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G LO S A R I O
sinoauricular hasta el nódulo auriculoventricular a través de las paredes auriculares vía metabólica secuencia de reacciones de catalización de enzimas vía piramidal vía directa desde la corteza motora primaria a la médula espinal; controla los movimientos voluntarios vías respiratorias superiores vías respiratorias de la cabeza y el cuello; son la cavidad nasal, la cavidad oral y la faringe vitamina molécula orgánica necesaria en ciertas cantidades para el organismo; a veces actúa como coenzima volumen corriente (VC) volumen de aire que entra y sale de los pulmones durante una respiración normal sin forzar volumen espiratorio forzado (VEF) medida del porcentaje de la capacidad vital forzada que se puede exhalar en un tiempo determinado
volumen pulmonar magnitud de la cantidad de aire que entra o sale de los pulmones bajo diversas circunstancias volumen de reserva espiratorio(VRE) volumen máximo de aire que se puede espirar al final de una espiración normal volumen de reserva inspiratorio (VRI) volumen máximo de aire que puede inspirarse al final de una inspiración normal volumen residual (VR) volumen de aire que permanece en los pulmones tras la espiración máxima volumen sistólico (VS) volumen de sangre que expulsa cada ventrículo en un latido volumen telediastólico volumen de sangre que contiene cada ventrículo al final de la diástole
volumen telesistólico (VTS) volumen de sangre que contiene cada ventrículo al final de la sístole vulva genitales externos de la mujer; incluye el monte de Venus, los labios mayores, los labios menores, el vestíbulo y las glándulas vestibulares yeyuno parte media del intestino delgado zona conductora parte superior del tubo respiratorio; conduce aire de la laringe a los pulmones; en ella no tiene lugar el intercambio gaseoso zona pelúcida capa gruesa de sustancia no celular que se forma entre un ovocito y las células de la granulosa que lo rodean zona respiratoria parte más inferior del tubo respiratorio donde tiene lugar el intercambio gaseoso dentro de los pulmones
Índice alfabético Los números en negrita indican términos en negrita dentro del texto. Las figuras (f), tablas (t) y cuadros (c) se marcan con cursiva. Absorbedor de masa, 524 Absorción, 7, 119, 120f, 568, 569f del agua, 588 de los hidratos de carbono, 582, 583f del hierro, 588 de los lípidos, 585, 589c a través de las paredes capilares, 414 de las proteínas, 582, 583f, 589c de las vitaminas y minerales, 587-8 Abstinencia sexual, 656c Accidente cerebrovascular, 222c Acción de masas, ley, 61, 62f, 559 Aceleración lineal, 293-5, 294f rotacional, 292, 293f Acetilcoenzima A (acetil-CoA), 76, 78f, 87 Acetilcolina (ACh), 130, 207, 207-8 acoplamiento excitación-contracción, 329, 330f degradación, 207f estrés, 697 liberación, 317, 318f, 463 como neurotransmisor, 309, 384 receptores, 309 síntesis, 207f transducción de la señal, 208f transferasa (CAT), 207 unión neuromuscular, 317 Acetilcolinesterasa (AChE), 208, 312, 312f, 318f Ácido(s),70c acetilsalicílico como anticoagulante y agente antiinflamatorio, 135c, 448 úlceras, 576c utilización como analgésico, 135c amortiguadores, 558c araquidónico, 131, 445 débil, 558c desoxirribonucleico (véase ADN fuerte), 558c gamma-aminobutírico (véase GABA [ácido gamma-aminobutírico]) graso(s), 21f, 586f insaturados, 21 monoinsaturado, 21-2 poliinsaturado, 22 saturados, 21 láctico conversión del piruvato, 75, 83-4 glucólisis, 333, 344-5 músculo liso vascular afectado, 409t nucleicos, 27 ADN (véase ADN) ARN (véase ARN) estructura, 28f pirúvico, 74
en la sangre, 556f secreción gástrica, 592-3 Acidosis, 501, 556 defensas, 557-61 metabólica, 557, 562 papel de la glutamina en la compensación renal, 561 respiratoria, 501, 556-7, 562 Ácinos, 576 Acomodación (ojo), 273, 273-4, 274f Acoplamiento excitación-conducción, 329, 329-31 calcio, 329-31, 331f, 375, 375f en las células contráctiles cardíacas, 375, 375f en músculo liso, 353, 353f tropomiosina, 329-31, 331f, 375, 375f troponina, 329-31, 331f, 375, 375f uniones neuromusculares, 329, 330f quimiosmótico, 77, 80, 80f Acromegalia, 161 Acrosoma, 643 Actina, 37, 323, 325 filamentos, 37f, 37-8 formas G y F, 37, 37f, 325 en el músculo liso, 353 unión y separación, miosina, 328f, 329 Actina F, 37f, 38, 325, 326f Activación anterógrada de la actividad enzimática, 72 del complemento, 680f proteolítica, 582 Activadores del plasminógeno, 448 tisular (TPA), 448 Actividad eléctrica en el corazón, 368-78 en la musculatura lisa gastrointestinal, 596f de ondas lentas, 595, 596f durante la vigilia y el sueño, 245-6 Acuaporinas, 107, 542 difusión de agua, 107, 542-3 Acuaporinas 2, 542, 544, 544f Acuaporinas 3, 542, 544f Acueducto cerebral, 219, 220f Acumulación venosa, 420 Adaptación de los receptores, 256 sensoriales, 256-7 Addison, enfermedad, 629 Adenilato ciclasa, 142 Adenina, 26, 27f-28f Adenosina, 409t trifosfato (ATP), 26, 72-4, 73 contracción muscular y producción, 331-3, 344-5 efectos del ejercicio, 333-4 estructura, 73f hidrólisis, 73, 73f, 81, 83-4 mitocondria, 34
como neurotransmisor, 207t, 210-11 en la oxidación de la glucosa, 75f-79f síntesis, 73, 73f, 81, 83-4, 210 ADH. Véase Hormona(s) antidiurética (ADH) Adherencia plaquetaria, 445, 445f Adhesión intercelular, 38-40, 41f Adicción, 247 Adipocitos, 606 funciones, 89 metabolismo energético, 610, 612 ADN apareamiento de bases complementarias, 28, 28f cromatina, 32 definición, 27 elemento de respuesta hormonal, 138 estructura de doble hélice, 28f genes, 42f (véase también Gen[es]) ligasa, 50 mitocondrial, 43c mutaciones, 50 polimerasa, 50 replicación, 5lf secuencias de tripletes, 42f transcripción, 42, 44f Adrenalina, 136, 149 Adrenocorticoides, 155 Aeroembolismo, 481c Afasia, 243 Aferentes viscerales, 254 Afinidad de las enzimas, 66c, 69, 69f del mensajero y el receptor, 136 Agentes patógenos descripción, 668 fagocitosis, 672f-673f, 673-4 Aglutinación, 680, 680f Agonistas, receptor, 138 Agotamiento por calor, 10c, 617c Agranulocitos, 443, 668. Véanse también Linfocito(s); Monocitos Agregación plaquetaria, 445, 445f Agua absorción, tubo digestivo, 588 compartimentos de líquido corporales, 8, 8f conservación, 525 corporal total, 7, 8f difusión, 107 equilibrio (véase Equilibrio hídrico) excreción (véase Excreción) filtración glomerular, reabsorción de solutos, 520t marina, 546c ósmosis, 112-16, 539f reabsorción, 520-1, 521f, 525, 539, 539f, 542-5 salada, 546c solubilidad de los gases, 479-80, 480f transporte epitelial, 120, 121f
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Agudeza de la localización, percepción del estímulo, 260, 262f Agujero interventricular, 219 Ahorro de glucosa, 611 Aire, presión parcial de los gases, 478-80, 481t, 482f Alanina, 24f Albúminas, 136, 437t Alcalosis, 501, 556 metabólica, 557, 562 respiratoria, 501, 556-7, 562 Alcohol, 211c Aldosa, 697 Aldosterona, 155, 548 efectos del potasio sobre la secreción, 161f equilibrio del sodio, 525, 548-50 Alelos, 633 Alérgenos, 469, 687 Alergias, 469, 687, 688f Alimentos. Véase también Dieta captación, utilización y almacenamiento energético, 605-6 (véase también Metabolismo energético) deglución del bolo, 597, 597f regulación de la ingesta, 591 Almidón, 20, 582f Alteraciones acidobásicas. Véanse también Acidosis; Alcalosis compensación, 561-3 renal, 559-61 fuentes metabólicas y respiratorias, 556-7 mecanismos de defensa, 557-61 pH de la sangre, 500-1, 556f Altitud, 441c, 503c Alvéolos, 457, 458f cambios de presión, 463f efectos del espacio muerto anatómico, 471 glándula mamaria, 663f presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono, 481t, 482f surfactante pulmonar, 466, 467c ventilación, 471-2 Alzheimer, enfermedad, 217 Ambiente adaptación del cuerpo, 1f externo, 6-7, 7f interno, 6-7 percepción de lo externo (véase Sistema[s] sensoriales) Amígdala, 234, 247 Amilasa(s), 581 pancreática, 577, 582f salival, 572, 577, 582f Aminas, 131 biogénicas, 207t, 208, 208-9, 210c como mensajeros químicos, 130t, 132 Aminoácido(s), 19, 23, 26. Véase también Proteína(s) absorción, 582 afectación de la secreción de glucagón, 615 de insulina, 615 desaminación, 88 digestión de las proteínas, 582, 583f esencial, 621 estructura, 24f gluconeogenia, 87 como mensajeros químicos, 130t, 130-2
metabolismo energético, 608-12 como neurotransmisor, 130t, 130-2, 207t, 209-11 líder, 46, 47f Aminopeptidasa, 582 Amortiguadores, 558c hemoglobina, 501 ion de bicarbonato, 501 de hidrógeno, 557-9 AMP cíclico (AMPc). Véase AMPc (adenosina monofosfato cíclico) AMPc (adenosina monofosfato cíclico) amplificación de señal, 144f fosfodiesterasa, 142 gusto, 296 inhibición, 310f olfato, 298 como sistema de segundo mensajero, 141-2, 143f, 383 Amplificación de la señal, sistemas de mensajeros químicos, 144, 144f Ampolla, 292, 293f Anabolismo, 40, 40, 604-5 Anafase (mitosis), 51, 52f, 632f Analgesia/analgésicos. 269 Andrógenos, 154-6, 635 efectos, varones, 642t influencia sobre el crecimiento, 624 Anemia(s), 441, 442c, 485, 585 aplásica, 442c por deficiencia de hierro, 441 hemolítica, 442c hemorrágica, 442c perniciosa, 441, 442c, 585 nutricionales, 442c Anestésicos locales, 192c Angina de pecho, 365c Angiogenia, 276. 698, 701 Angioplastia con balón, 365c Angiotensina, 11, 696 presión arterial media, influencia por liberación, 548, 549f, 550 resistencia arteriolar y efecto sobre la presión arterial media, 411, 427 Angiotensinógeno, 548 Anhidrasa carbónica, 438, 489 ácido gástrico, 592, 592f equilibrio acidobásico, 556, 560 reacción dióxido de carbono-bicarbonato, 438-9 transporte de dióxido de carbono en sangre, 438, 489 Anillos vaginales anticonceptivos, 656c Anión(es), 97, 658, 658f Ano, 575f, 580t Ansiedad, 211c Antagonismo hormonal, 162 Antagonistas, receptores, 138 Anticoagulantes, 447, 447-9 ácido acetilsalicílico, 135c, 448 uso de sanguijuelas, 448c Anticodón, 44 Anticoncepción, 656c Anticonceptivos orales, 656c Anticuerpos, 669. Véase también Inmunoglobulinas antígenos, 676, 676f autoanticuerpos, 687 cadenas ligera y pesada, 676f
clases, 680, 681t inmunidad humoral, 679, 680f pasiva, 686 mecanismos de eliminación de antígenos, 680, 680f de membrana, 677 papel de las células B, producción, 669, 678-9 regiones constante y variable, 676f Antidiurético, definición, 544 Antígeno(s), 669 dependientes de T, 679 especificidad de anticuerpo, 676, 676f independientes de T, 679 leucocitarios humanos (MHC clase I y MHC clase II), 682, 683f mecanismos de eliminación mediados por anticuerpos, 680, 680f memoria, 678 papel de las moléculas MHC, presentación, 682-3, 683f prostático específico (PSA), 640 receptores de células B, 677f de células T, 677f respuesta, 679f primaria, 679f secundaria, 679f tumor, 684 Antihistamínicos, 129c Antioxidantes, 82c Antro folicular, 649, 650f gástrico, 572f, 573 Antropología, 43c Aorta, 362f, 364, 367 durante el ciclo cardíaco, 380f, 380-2 flujo sanguíneo, 364 Aparato biliar, 578, 579f cardiovascular, 5, 6t, 360-450 componentes, 361- 3 corazón, 361-2, 362f, 366-91 (véase también Corazón) demanda durante el ejercicio y ajustes, 383,431c flujo sanguíneo, 363-6, 396-9 (véase también Flujo sanguíneo) gradientes de presión, 396-8 microcirculación, 399, 413f regulación (véase Regulación del aparato cardiovascular) resistencia, 398-9 sangre, 363 (véanse también Presión arterial; Sangre) sistema linfático, 421 vasos sanguíneos, 362-3, 399-400 (véase también Vasos sanguíneos) circulatorio (véase Aparato cardiovascular) digestivo, 5, 6t, 567- 602 anatomía funcional, 568-81 estructuras, 570f glándulas accesorias, 576-80 motilidad gastrointestinal, 595-9 órganos y funciones, 580t procesos digestivos, 568, 569f, 580-9 regulación, 589-95 secreción hormonal, 159t
Í N D I C E A L FA B É T I CO reproductor, 6t, 632-66, 635 componentes, 635 fecundación, implantación y embarazo, 655-60 femenino, 636f, 645-55, 647f anatomía, 646-8, 647f-648f aparato reproductor, 646, 647f características, 645 ciclo menstrual, 648-54 embarazo, 655-60 fecundación, 655-60 genitales externos, 646-8, 648f lactancia, 661-3 menopausia, 637 ovarios, 646, 647f ovulación, 649-51 óvulo, 648 parto, 661-3 regulación hormonal, 654-5 respuesta sexual, 648 fisiología, 633-8 lactancia, 661-3 masculino, 636f, 638-45, 639f, 640 anatomía, 638-40 disfunción eréctil, 645c esperma, 643-4 glándulas accesorias, 640 órganos, 638-40 regulación hormonal, 641-2 respuesta sexual, 644-5 parto, 661-3 respiratorio, 6t, 451-506 (véase también Ventilación pulmonar) anatomía, 452-60 circulación pulmonar, sinopsis, 476-8 control por quimiorreceptores de la ventilación, 429-30, 496-8 difusión de los gases, 478-80 funciones, 452, 453f homeostasis acidobásica, 500-1 intercambio de oxígeno y dióxido de carbono, 481-4 (véase también Intercambio gaseoso) regulación central, 491-5 transporte de gases en la sangre, 485-91 volúmenes respiratorios y flujo de aire, 469-72 urinario, 6t, 507f, 508-66 anatomía, 509-12 equilibrio acidobásico, 556-63 del calcio, 551-4, 553f, 555f hídrico, 537-46 del potasio, 550-1 del sodio, 546-50 estructuras, 509f función(es), 508-9 excretora, 525-31 intercambio renal, 512, 514-24 regulación hidroelectrolítica, 554-6 túbulos renales, 524-5 yuxtaglomerular, 512, 514f Apéndice vermicular, 575, 575f Apendicitis, 575 Apnea, 456c, 484t del sueño, 456c Apoproteínas, 589c Apoptosis, 678
Aporte sanguíneo. Véase también Flujo sanguíneo a los pulmones, 459f a los riñones, 512, 514f al sistema venoso central, 219-20 Aprendizaje, 247 asociativo, 248 no asociativo, 248 Aquiles, tendón, 348 Aracnoides, 218f, 219 Arco reflejo, 236, 236f Áreas de asociación, 232 ARN, 27 estructura, 28f mensajero (mARN), 42, 42f, 44 polimerasa, 44f ribosómico (rARN), 32, 42 de transferencia (ARNt), 42, 45f cargado, 44 libre, 45 traducción, 44, 46f Arritmia(s), 377f cardíacas, 377f sinusal respiratoria, 429 Arteria(s), 362, 400-4 arciformes, 512, 514f braquial, 402, 403f carótida, 423, 423f, 496f coronarias, 364, 365c, 365f, 589c distensibilidad, 402, 404c endurecimiento, 403 estructura, 40lf hepática, 575f interlobulares, 512, 514f muscular, 401 presión sanguínea, 402-4 (véase también Presión arterial media [PAM]) pulmonares, 364, 483 renales, 509, 509f, 512, 514f como reservorio de presión, 401, 402f segmentarias renales, 512, 514f y venas umbilicales, 659 uterinas, 659 uterina, 659 Arteriola, 362, 404-11 aferente, 510, 512, 512f, 514f características, 401f eferente, 510, 512, 512f, 514f flujo sanguíneo, 404-9, 410c presión arterial media, 409-11 pulmonar, 500t radio, 405f, 409-11 como reservorio de presión, 402f Articulaciones, actividad muscular, 348, 349f Artritis, 687 reumatoide, 687 Ascensor mucoso, 456 Asma, 469 Aspartato, 131, 209, 209f Asta(s) dorsal(es), 224 de la médula, 266, 266f lateral, 306 ventral, sustancia gris medular, 224 Astigmatismo, 274 Astrocitos, 172, 216, 217f Ataque al corazón. Véase Infarto de miocardio Aterosclerosis, 365c, 428c, 700 Atletas, 333c, 581c
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ATP. Véase también Adenosina trifosfato (ATP) ATP sintetasa, 78 Atropina, 311 Audición, 284-91 amplificación del sonido en el oído medio, 285-6, 286f, 288 anatomía, 284-5, 285f localización del sonido, 262f ondas sonoras, 285, 286f transducción de las señales del sonido, 286-91 vías neurales, 291 Aurícula anatomía, 362f definición, 362 presión durante el ciclo cardíaco, 378, 380f Autoanticuerpos, 687 Autocrino, 127 Autorreceptores, 209 Autorregulación, 383, 408-9 del flujo, 409 Autorritmicidad, 368, 373t Autosomas, 633 Autotolerancia, 678-9 Axón(es) (fibra nerviosa), 168, 169f amielínicos, 189f, 189-90 central, 170f, 171 fibras AB, 268 fibras AD, 267 fibras C, 267-8 mielínicos potencial de acción propagado, 190-1, 191f en la sustancia blanca, 222, 223f periférico, 170f, 171 potenciales de acción (véase Potencial[es] de acción) sustancia blanca, 223f, 224 terminal, 129, 168 velocidad de conducción en varios tipos, 191t Bacteria, lisis, 577, 675 Banda A, 325f Banda I, 325f, 327f Bandeo gástrico, 705c Barorreceptor(es), 254, 423 arteriales, 423, 423f de baja presión, 424 hormona antidiurética, 545, 545f presión baja, 424, 428-9 como receptores de presión, 545, 545f del volumen de sangre, 545, 545f sinoaórticos, 423 Barrera para la energía de activación, 62-5, 63f hematoencefálica, 220, 220-2, 221f hematotesticular, 638 impermeable, 39 mucosa gástrica, 573 Base(s), 26, 28f, 70c nitrogenadas en los ácidos nucleicos, 26, 28f Basófilos, 443t, 443, 444f, 668 Bastones (ojo), 271, 276, 277f características, 280t componentes, 278f espectro de absorbancia, 279f fototransducción, 278, 279f morfología, 278f en la retina, 277f Bazo, 439f, 441-2 Beta-bloqueantes, 428c
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Í N D I C E A L FA B É T I CO
Betaoxidación, 87 Bicapa de fosfolípidos, 23f, 29f Bicarbonato absorción, 587 anhidrasa carbónica, 438-9 como amortiguador, 501, 557-9 en duodeno, 594f en saliva, 577 tratamiento renal de iones de hidrógeno, 560f Biguanidas, 703 Bilirrubina, 435, 441, 577 Bilis descripción, 573, 576-7 secreción, 578, 580, 593-4 Biliverdina, 435 Biomoléculas, 19, 19-29 aminoácidos, 23-6, 25f, 28f átomos, 22c captación, utilización y almacenamiento energético, 605, 606f, 607t enlaces de hidrógeno, 31c fuerzas actuantes, 96-101 grupos funcionales, 19t hidratos de carbono, 19-20 lípidos, 20, 20-3 moléculas polares, 31c nucleótidos y ácidos nucleicos, 26-8, 27f -28f proteínas, 23-6, 25f, 28f Blastocele, 657f, 658 Blastocisto, 657f, 658 Bloqueantes de canales de calcio, 428c Bloqueo cardíaco, 377f de la polispermia, 657 Boca anatomía, 453, 454f, 572f descripción, 572-3 funciones, 580t Bohr, efecto, 488, 501 Bolo, 597, 597f Bomba, 95, 108, 112, 112f electrogénica, 176 muscular esquelética, 419f Na+/K+ (véase Bomba de sodio/potasio ([Na+/ K+]) respiratoria, 419 de sodio/potasio (Na+/K+), 26, 109 absorción activa, 587 estabilidad neural, 192-3 fugas pasivas, 112f hormonas tiroideas, metabolismo y aumento de la actividad, 627 iones de bicarbonato, 560f de hidrógeno, 560f potencial de la membrana en reposo, 176 reabsorción de potasio a nivel renal, 551, 552f de sodio a nivel renal, 539f, 547, 547f, 549f transporte activo, 112f primario, 109f, 110 epitelial de solutos, 119 Borde en cepillo intestino delgado, 574, 574f túbulo renal, 524, 524f Botón(es) axónico, 168 terminales, 317, 318f
Bowman cápsula, 510, 512f espacio, 515, 699 Boyle, ley, 461, 462c 2,3-BPG (bifosfoglicerato), 488 Bradicardia sinusal, 377f Bradicinina afectación del músculo liso vascular, 409t inflamación, 265, 672 Brazos de dineína, 38 Broca afasia, 243 área, 224, 232f, 242 Broncoconstricción, 468 Broncodilatación, 468 Broncodilatadores, 469 Bronquio(s), 454, 454f secundarios, 454, 454f terciarios, 454, 454f Bronquíolo(s), 454f, 455 control local del radio, 500t respiratorios, 457, 458f terminales, 454f, 455 Bronquitis crónica, 468c Brote de crecimiento posnatal, 621f puberal, 621f, 621 Buceo a escape libre, 475 Bulbo raquídeo, 229f, 230 centro(s) de control cardiovascular, 423-4, 426f respiratorio, 493, 493f salivares, 592 del vómito, 598 función autónoma, 313f, 314 quimiorreceptores centrales, 494, 496, 497f Cabeza y cola, mARN, 44 esperma, 642f Cadena(s) simpáticas, 306, 307f de transporte de electrones, 34, 78, 78-82 acoplamiento quimiosmótico, 80, 80f flujo de electrones, 79f Cafeína, 534, 581c Cage, Phineas, 235c Calcificación, hueso, 623 Calcio absorción, 587-8 canales iónicos (véase Canal[es] iónico[s] de calcio) rápidos regulados por ligando, 140f contracción del músculo esquelético, 323, 329, 331f, 336 homeostasis, 551-4 huesos, 552 liberación de neurotransmisores, 198, 199f músculo cardíaco, 373, 373f, 373t-374t, 375f regulación hormonal, 553f, 553-4, 555f como segundo mensajero, 142, 142t tratamiento renal, 551-4, 553f, 555f uniones neuroefectoras, 311, 311f Calcitonina, 554, 554, 625 Cálculos renales, 509, 510c Cálices mayores, 510 menores, riñón, 511f
Calmodulina, 139, 353, 353f Calorías, 60 Calorímetro, 607 Calostro, 662 Cámara vítrea (ojo), 271 Cambio conformacional, 67, 105 Campo(s) receptores del ganglio retiniano, 282, 282f de las neuronas aferentes, 257f, 260f visual, 272 binocular, 283-4, 283f Canal(es), 40, 107 características, 111t curiosos, 372, 373t, 386 difusión, 107 de entrada rectificadores, 374 de goteo, 168, 178 para los iones de potasio conducción del sonido y papel, 289, 290f función cardíaca, 386 gusto, 296 potenciales de acción, 183, 184, 185f inhibidores postsinápticos, 202f iónico(s) de agua (véase Acuaporinas) de calcio actividad eléctrica en el músculo cardíaco, 372, 373f, 373t-374t, 375f conducción sonora, 290f contracción muscular, 329, 331f fototransducción, 278, 279f gusto, 296 unión neuromuscular, 318f cambios en el potencial de membrana relacionados con la apertura/cierre, 180f curiosos, 372, 373t, 384 difusión, 107 de goteo, 168 lentos regulados por ligando, 139, 142f, 199, 200f en las neuronas, 168-9 proteínas G que afectan a los lentos regulados por ligandos, 142f regulados por ligando, 168 (véase también Canal[es] regulados por ligando) mecánicamente, 179 neurotoxinas y defectuosos, 180c tipos, 179 umbral de voltaje (véase Canal[es] de umbral de voltaje) tipos T y L, 373, 373t-374t, 384 de umbral de voltaje, 169 (véase también Canal[es] de umbral de voltaje) del parto, 646 rápidos regulados por ligando, 139, 139f-140f, 141 rectificadores tardíos, 374 $C (véase Gradiente de concentración [$C]) $E (cambios energéticos en la reacción), 60 $G (diferencias energéticas), 96c $P (véase Gradiente de presión [$P]) $V (cambio de volumen), 404c regulados de forma mecánica, 179, 289, 290f por ligando, 139, 168, 179 lentos, 139, 142f, 199, 200f rápidos, 139, 139f-140f, 141, 199, 200f
Í N D I C E A L FA B É T I CO para el sodio fototransducción, 278, 279f gusto, 296 potenciales de acción, 183, 184, 185f de umbral de voltaje, 180c de tipo L, 373, 373t-374t de tipo T, 373, 373t de umbral de voltaje, 169, 179 alivio del dolor y bloqueo, 192c efecto de las neurotoxinas, 180c liberación de neurotransmisores, 198, 199f modelo, 184f músculo cardíaco, 374, 375f potencial de acción, 184-5, 186t transducción del sonido y calcio, 290f unión neuromuscular, 311, 311f Canalículo(s) biliares, 579f tejido óseo, 622, 623f Cáncer como división celular incontrolada, 53c vaults y quimioterapia, 36c Cansancio, 345, 345-6 Capa leucocitaria, 436 Capacidad inspiratoria (CI), 470 pulmonar total, 469, 470 vital (CV), 470 forzada (CVF), 471 Capilar(es), 8, 362. Véase también Lecho capilar anatomía, 411-12, 412f características estructurales, 401f cerebro, 220f continuos, 412f, 414f fenestrados, 412f, 413 glomerulares, 510, 512, 514f, 515 en el intestino delgado, 574, 574f linfáticos, 421 paso de sustancias a través de la pared, 413-18 peritubular, 512, 514f permeabilidad, 671-2, 672f pulmonares intercambio de gases en función de la longitud, 483f y transporte de oxígeno y dióxido de carbono, 477f, 482f, 490f, 490 sistémicos, 477f, 482f, 486f, 489-90, 490f Capuchón cervical, 656c Cara cis, aparato de Golgi, 34f, 48f trans, aparato de Golgi, 34f Características sexuales secundarias, 637 Carbaminohemoglobina, 488 Carboxipeptidasa, 582, 583f Carga eléctrica, 98f filtrada, 517 Cartílago, 623 Cascada de la coagulación, 446 de reacciones, 144f, 145 Catabolismo, 40, 538c Catalasa, 35 Catálisis, 65-72 Cataratas, 274 Catecol-O-metiltransferasa (COMT), 209 Catecolaminas, 131, 209 liberación, cápsula suprarrenal, 306 síntesis, 132f Cateterismo cardíaco, 365c
Cationes, 97 Cavidad abdominal, 366 amniótica, 658, 658f nasal, 453, 454f oral (véase Boca) torácica estructuras, 457, 459f localización del corazón, 366f Cayado aórtico, 423, 423f CCK. Véase Colecistocinina (CCK) Ceguera el color, 284c Célula(s), 2, 3-6, 18-55 absortivas, 571 alveolares de tipo I, 457, 458f de tipo II, 457, 466 amacrinas, retina, 276, 277f autorrítmicas, 368 (véase también Célula[s] marcapasos; Fibra[s] de conducción) basales olfativas, 297f beta, 156, 704 blancas de la sangre (véase Leucocitos) biomoléculas, 19-29 (véase también Biomoléculas) cambio de volumen, soluciones hipo- e hipertónicas, 117f canales rápidos regulados por ligando y propiedades eléctricas, 139f caliciformes, 455, 571 cerebro, 2, 3f en cesta, 3f ciliadas, 455, 457f órgano de Corti, 288, 289-91, 290f citolíticas naturales (NK), 444, 669, 674, 680f colaboradoras T activación, 683 descripción, 679, 682, 684f secreción de citocinas, 679, 683, 685t comunicación entre células a larga distancia, 145-6 (véanse también Sistema[s] endocrino; Sistema[s] nervioso) intercelular, 41 (véase también Comunicación intercelular) contráctiles cardíacas, 369 actividad eléctrica, 373-4, 375f bases iónicas de los potenciales de acción, 374t cromafines, 155, 306, 307f dendríticas, 670 diana, 41 acciones hormonales, 157, 160-1 efecto de las hormonas lipófilas, 138f de los mensajeros químicos, 128 respuesta, 137f, 137-8 diploides, 633, 634f división (véase División celular) endocrinas, 571 efectoras, 677 ependimarias, 172, 219 epiteliales, 4, 4f de capilares glomerulares, 515 polarizadas, 119 de túbulos renales, 524f, 525, 537 estrelladas, 3f estructura, 29-38, 39t excitables, 167 (véase también Neurona[s]) exocrinas, 570 foliculares, tiroides, 626f
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funciones, 39t, 40-1 granulares, 512, 514f de la granulosa, 640t, 646, 647f haploides, 633, 634f horizontales, retina, 276, 277f intercaladas, 537 madre hematopoyéticas (formadoras de sangre), 439, 440f, 670 marcapasos, 368 actividad eléctrica, 372, 373f, 373t control del latido cardíaco, 370 de memoria, 678 metabolismo (véase Metabolismo celular) mioepiteliales, 663f mitrales, 298 mucosas del cuello, 572f, 573 muerte programada, 678 musculares, 3, 323-7 (véase también Fibra[s] musculares) cardíacas, 4f esquelético, 4f, 323, 324f, 609, 612 estructura molecular, 323-7 excitabilidad, 329-31 fascículos, 323, 324f metabolismo, 331-3 músculo liso, 4f producción de ATP, 332 nerviosas, 2 (véase también Neurona[s]) neurosecretoras, 130 nulas, 444, 668 parietales, 572f, 573 plasmática, 669, 679 piramidal, 3f postsináptica, 130 presentadoras de antígeno (CPA), 683 principales, 537, 544f, 572f, 573 receptoras olfativas, 298 satélite, 347 síntesis de proteínas, 41-9 (véase también Síntesis de proteínas) sistema(s) nervioso, 167-72 (véase también Neurona[s]) orgánicos, 5-6 de soporte, olfativas, 297f supresoras T, 682 de la teca, 646, 647f tejido(s), 3-5 conjuntivo, 4f uniones intercelulares, 38-40 yuxtaglomerulares, 512, 514f Células A, 156 Células C, tiroides, 554, 625 Células D, 156 Células G, 573 Células NK. Véase Célula(s) citolíticas naturales (NK) Celulosa, 20, 580 Centríolos, 36-7 Centro(s) de control cardiovascular, 313f, 423-4, 425f-426f de la deglución, 597, 597f integrador, 12 neumotáxico, 493 del placer, encéfalo, 247 termorregulador, 430, 618 del vómito, 598 Centrómero, 51, 52f Cerebelo, 229f, 230, 241-2
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Í N D I C E A L FA B É T I CO
Cérvix descripción, 646, 647f maduración, 661 Cetoacidosis, 616 diabética, 695-6 Cetonas, 88, 89f, 612 Cianosis, 483 Cicatrización de las heridas, 701-3, 702f Ciclo(s) del(de los) ácido(s) cítrico (véase Krebs, ciclo) tricarboxílicos (ATC) (véase Krebs, ciclo) cardíaco, 378, 378-82 fases, 378, 379f, 380 presión aórtica, 380-2 auricular y ventricular, 380 sonidos audibles, 379f, 382 volumen ventricular, 381-2, 382f celular, 51-2 de enlaces transversos de ATP, 332 en músculo esquelético, 327, 328f, 329 menstrual, 637, 645, 648-54 cambios hormonales, 652-4 ciclo ovárico, 648-50 uterino, 651-4 ovárico, 648, 648, 650f de sueño-vigilia, 243-5 uterino, 648, 651, 652f Ciclooxigenasa (COX), 134, 135c Cierre de la placa epifisaria, 624 Cigoto, 633, 657, 657f Cilios, 38 microtúbulos, 38f respiratorios, 456 Cimógeno, 582 Cinasa de la cadena ligera de la miosina (MLCK), 353, 353 Cinetocilio, 292, 293f, 295 Cinetosis, 314 Cintilla olfativa, 298 óptica, 283, 283f Circuito(s) eléctricos en los sistemas biológicos, 176c pulmonar, 363 flujo, 363f, 364 gradientes de presión, 398f intercambio y transporte de oxígeno y dióxido de carbono, 477f, 482f de retroalimentación negativo y positivo, 12f positiva, 12f regulación de hormonas hipotalámica e hipofisarias anteriores, 154, 154f sistémico flujo de sangre, 363f, 364 gradientes de presión, 397-9, 398f intercambio y transporte de dióxido de carbono, 477f, 482f, 489-90 de oxígeno, 477f, 482f, 489-90 presión arterial media, 397 (véase también Presión arterial media [PAM]) tamaño de los vasos y dirección del flujo, 400f Circulación enterohepática, 585, 586f portal, 366
pulmonar control por quimiorreceptores de la ventilación, 496-8 difusión de los gases, 478-80 homeostasis acidobásica, 500-1 intercambio de oxígeno y dióxido de carbono, 481-4 perfusión, 499-500 regulación central de la ventilación, 491-5 sinopsis, 476-8 transporte de gases en la sangre, 485-91 ventilación, 499-500 renal, 366, 512, 514f Circunvolución(es), 230f, 231 del cíngulo, 234 lateral (cisura de Silvio), 231 del parahipocampo, 234 Cisterna, aparato de Golgi, 34f, 48f Cisuras, 230f, 230-1 Citocinas, 26, 27f-28f, 129 células T colaboradoras, secreción, 679, 683, 685t factor de necrosis tumoral alfa (TNF-A), 674 inflamación, 668, 671, 674 interleucinas (véase Interleucina[s]) plaquetas, secreción, 701 Citocinesis, 52, 52 Citocromos, 78 Citoesqueleto, 31, 35f, 37, 37-8 Citoplasma, 29, 52f Citosol, 29 contenidos, 32 liberación de calcio, 374 Clítoris, 648, 648f Clon (células hijas), 634 Cloruro absorción, 587 fibrosis quística producida por fallo en el transporte de membrana, 122c producción en las glándulas sudoríparas ecrinas, 619 sinapsis inhibitorias y canales, 202, 202f Clostridium tetani, 680 Coágulo ácido acetilsalicílico como anticoagulante, 448 de fibrina, 446, 446f factores limitantes en la formación, 447-8 papel de los factores de la coagulación en trastornos, 448 formación, 446f, 446-8, 447f a partir de un espasmo vascular, 445 de un tapón plaquetario, 445f, 445-6 trastornos, 448 Cociente respiratorio, 476 ventilación-perfusión, 498, 499f Cóclea, 285, 285f amplificación del sonido, 285, 286f anatomía, 286, 287f, 288 codificación de la intensidad y tono del sonido, 291f Codificación de frecuencia, 205 para la intensidad del estímulo sensorial, 259, 259f potenciales de acción, 188f población, estímulo sensorial, 259, 259f sensorial, 258-63 para la intensidad del estímulo, 259f para la localización del estímulo, 259-62, 262f
sinestesia y alteración, 260c para el tipo de estímulo, 258-9 Código genético, 42, 42, 42f Codón, 42f, 656c iniciador, 42, 45 de terminación, 42, 45 Coenzima, 67 Coenzima A (CoA), 68 Coenzima Q, 78 Coenzima 2H, 84 Cofactores, 67 Cola de caballo, 224 espermatozoide, 642f Colágeno, 5, 26, 26f, 400 Colecistocuinina (CCK), 590, 590t, 591, 593, 594f, 697 Cólera, 141c Colesterol descripción, 23, 24f esteroides derivados, 131 lipoproteínas, 589c en la membrana plasmática, 30, 30f Colipasa, 584 Coloides, 415 Colon anatomía, 575f ascendente, 574-5, 575f definición, 574 descendente, 575, 575f enfermedad diverticular, 600c funciones, 580t haustras, 599f motilidad, 599 transverso, 575, 575f Columna de células intermediolaterales, 225, 306 vertebral, 217, 218f Coma hiperosmolar no cetósico, 696 hipoglucémico, 696 Comisuras, 171 Compartimento(s) basal, 638 de los líquidos corporales, 7-8, 8f rodeados de membrana, transporte de sustancias, 117-18 Complejo activador de la protrombina, 446 de ataque de la membrana (CAM), 675f calcio-calmodulina, 139 de motilidad migratorio, 598 principal de histocompatibilidad (MHC), moléculas, 682, 682-3, 683f Complejo QRS, 376 Componente contráctil (CC), 335 elástico en serie (CEES), 336 Composición iónica del plasma, 508 Comunicación intercelular, 41, 127-8 directa, 127f indirecta, 127f, 128 (véanse también Mensajeros químicos; Transducción de la señal) transducción de la señal, 136-45 Concentración de enzimas, 68-9 ley de acción de masas y moléculas, 61-2, 559 de soluciones, 62c
Í N D I C E A L FA B É T I CO de sustratos, 69f velocidad de reacciones químicas, 64 Condrocitos, 624 Conducción, 618 electrónica, 181, 190c saltatoria, 191, 191f Conductancia (g) eléctrica, 176, 176c, 191t Conducto(s) alveolares, 457, 458f auditivo externo, 284, 285f biliares, 579f cervical, 646 colectores, renales, 510, 511f reabsorción de agua, 542-5 y solutos, 537 tratamiento renal de iones hidrogeno y bicarbonato, 560f, 560-1 colédoco, 578, 579f deferente, 640 eferentes, 640 eyaculadores, 640 hepático común, 579f linfáticos, 421 mesonéfricos (conductos de Wolff), 637 mullerianianos (paramesonéfricos), 636f, 637, 637 pancreático, 577, 578f raquídeo, encéfalo, 219, 219f semicirculares, 285, 292 anatomía, 293f transducción de la rotación, 292 torácico, 421 Conexinas, 40, 41f, 127 Conexiones clínicas ácido acetilsalicílico e inhibidores de la COX-2 en el alivio del dolor, 135c adenomas pituitarios, 164c aeroembolismo (enfermedad por descompresión), 481c agentes GABAérgicos y ansiedad y trastornos del sueño, 211c agotamiento por calor y golpe de calor, 10c anemia, 442c, 485, 585 anestésicos locales, 192c antioxidantes y radicales libres, 82c apnea del sueño, 456c cáncer, 53c depresión, 210c diabetes mellitus, 616 diálisis, 523c disfunción eréctil, 645c distrofia muscular, 348c edema pulmonar, 484c enfermedad diverticular, 600c pulmonar obstructiva crónica, 468c esclerosis múltiple, 689c fibrosis quística, 122c herpes zóster, 678c hipertensión, 428c ictus, 222c insuficiencia cardíaca, 417c intolerancia a lactosa, 588c isquemia miocárdica, 365c miastenia grave, 319c neurotoxinas, 180c osteoporosis, 553c quistes ováricos, 651c ricina, 49c sinestesia, 260c
terapia génica de la SCID, 690c tétanos, 340c trastornos por estrés postraumático, 245c úlceras, 576c Conos (ojo), 271, 277f características, 280t definición, 276 distribución, 277f espectro de absorción, 279f morfología, 278f visión del color, 280 Constricción pupilar, 239, 276f Contracción(es), 334, 334-6 de la célula mesangial, 519 fases, 334, 334f isométrica, 335, 335-6 duración, 338f frecuencia de estimulación, 337-9 e isotónica, 335, 335f, 337 isotónica, 335, 335f, 336, 336 isovolumétrica, 379f, 380 lenta, 335, 344 muscular(es), 323, 334-43 a través de las articulaciones, 348-9 acoplamiento excitación-contracción, 329-31 ciclo de los puentes transversos, 327-9 contracción, 334-6, 344 efectos del tétanos, 337, 340c esquelético, 350-1, 350f-351f física, 338c-339c generación de fuerza, 337-41 huesos como palancas, 338c-339c metabolismo de las células musculares, ATP, 317, 331-3 miogénicas, 355, 368-9 modelo de los filamentos deslizantes, 327 en el músculo cardíaco, 355, 368-9 (véase también Músculo[s] cardíaco) potenciales de acción, 329-31 regulación de la generación de fuerza por los músculos enteros, 341-3 neural del liso, 353-4 velocidad, 344 de acortamiento, 343, 343f rápida, 335, 344 Contractilidad, 386 ventricular, 386-7 Contractura mandibular, 340c Contratransporte (antiporte), 110 Control extrínseco, 383 de la filtración glomerular y el flujo sanguíneo renal, 519f del radio de la arteriola y la presión arterial media, 409-11 de la fase gástrica del aparato digestivo, 590, 593f intestinal del aparato digestivo, 590 humoral de la secreción hormonal, 160, 161f intrínseco, 383 de la distribución del flujo a los órganos, 405-9 de la filtración glomerular, 517-19 motor voluntario, 239-42 cerebelo, 241-2 componentes neurales, 239-40 para facilitación, 239-40
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control cortical, 240f, 240-1 de los movimientos voluntarios, 240f, 240-1 de la postura por el tronco del encéfalo, 241 núcleos basales, 242 sistema nervioso somático, 316-18 tronco del encéfalo y control de la postura, 241 neural de la frecuencia cardíaca, 385f de la función cardiovascular, 423-4, 425f de la presión arterial media, 423-5 de la respiración, 492, 492f del parto, 656c Contusión (hematoma), 435 Convección, 538c, 618 Convergencia neural, 203f, 203-4 Cooperatividad positiva, 486 Cópula, 635 Corazón, 361, 361-2, 362f actividad eléctrica, 368-78 base iónica, 372-5 células contráctiles cardíacas, 373-4 extensión de la excitación, 369f, 369-72, 372f registro electrocardiográfico, 376-8 sistema de conducción, 368-71 aferencias autónomas, 383, 384f-385f anatomía, 366-7, 368f arterias (véase Arteria[s]) aumento de tamaño, 389 base, 362 ciclo cardíaco, 378, 378-82 derecho, 362-3 eferencias, 382-91 frecuencia (véanse Frecuencia cardíaca [FC]; Latido cardíaco) insuficiencia, 389 irrigación, 412f izquierdo, 362-3, 363 localización, 366f mal funcionamiento, 365c, 417c, 428c músculo (véase Músculo[s] cardíaco) pared, 366-7 punta, 362 secreciones hormonales, 156, 159t sonidos, 379f, 382f válvulas, 367-8, 368f volumen sistólico (véase Volumen/volúmenes sistólico [VS]) Cordón umbilical, 659 Corion, 658, 658f Córnea, 271, 271f, 272, 273f Coroides, 271, 271f Corona radiada, 649, 650f Corpúsculo renal, 510 anatomía, 512f, 515f filtración (véase Filtración glomerular [FG]) Corriente eléctrica, 176, 176c Corteza auditiva, 291 cerebral, 224, 231-2 áreas, 231-2, 232f sensoriales, 257f homúnculo motor y sensorial, 232, 233f lateralización del encéfalo, 232 movimiento voluntario, 239f, 240-1
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Corteza (cont.) organización, 231-2, 232f somatosensitiva, 231, 232f, 265 gustativa, 297 motora descripción, 232, 232f movimiento voluntario, 240f, 240-1 primaria, 232, 232f renal, 510, 511f somatosensitiva, 265 primaria, 232, 232f suprarrenal, 155, 156f, 159t visual, 231, 232f Corti, órgano, 288 anatomía, 287f, 288-9 transducción del sonido por las células ciliadas, 289-91, 290f Corticoesteroides, 469 Cortisol, 23, 136, 155 efectos metabólicos, 629t factores, 628f secreción, 160, 245c, 627-8 Cotransporte (simporte), 110 Coxsackie B, virus, 694 Cráneo, 217, 218f Creatina, 333, 333c cinasa, 332 Creatina/sistema creatina fosfato, 332 Creatinfosfato, 332, 581c Crecimiento, 620-5 corporal, 621 curva de crecimiento humano, 621f hormonas tiroideas, 161, 625, 626f insulina, 624 lineal, 621 óseo, 622-3, 623f-625f Cresta, mitocondria, 35f Cretinismo, 627 Cristalino (ojo), 271, 271f, 272, 273f Cromátidas, 51, 52f hermanas, 634 Cromatina, 32, 32f Cromosoma(s), 51f autosomas, 633 homólogos, 633-4 sexuales, 633, 633-4 meiosis, gametogenia, 634f, 635 Cromosoma X, 633-4 ceguera para el color, 284c determinación del sexo, 635 sexuales, 633-4 Cromosoma Y, 633-4, 635 sexuales, 633-4 Crotoxina, 318 Cubierta nuclear, 30, 32, 32f Cuerdas tendinosas, 368 Cuerpo(s), 2-8. Véanse también Célula(s); Órgano(s) aórticos, 496 blanco, 650, 650f calloso, 224 carotídeos, quimiorreceptores periféricos, 496, 496f celular (soma) de la neurona, 168 ciliar, 271, 27lf crecimiento, 621f, 620 densos, 353, 353f geniculado lateral, 283, 283f medial, 291
homeostasis, 8-13 (véase también Homeostasis) humano (véase Cuerpo[s]) lúteo, 649, 650, 650f mapa (véase Mapa del cuerpo) percepción de sensaciones (véase Sistema[s] somatosensitivo) temperatura (véase Termorregulación) umbral de discriminación entre dos puntos, 262t Cúmulo oóforo, 649, 650f Cúpula, 292, 293f Curare, 318, 319c Curva carga-velocidad, 343f de disociación oxígeno-hemoglobina, 485-7, 487f de función cardíaca (curva de Starling), 388-9, 389f longitud-tensión, 340f, 388 Cushing, enfermedad, 164c, 628 Dalton, ley, 478c De Graaf, folículo, 649, 650f Decibelios, 285, 288c Defecación, 575, 599 Defensas inespecíficas, 670-5, 671 barreras físicas, 671 células citolíticas naturales, 674 inflamación, 671-4 interferones, 674 sistema del complemento, 674-5 Deficiencia de adenosina desaminasa, 688 Degeneración macular, 276 Delirio, 617c Demencia, 242 Dendritas, 168, 169f Depósito óseo, 622-3, 623 Depresión, 210c Derivación(es), 413 biliopancreática, 705c gástrica, 705c Dermatómeros, 226f Dermis, 264f interna como defensa inespecífica, 671 Descarboxilasa del ácido glutámico, 132 Desfase horario, 162c Desfosforilación, 58 Desgranulación de los gránulos citoplásmicos, 668 Deshidroepiandrosterona (DHEA), 659 Desmosomas, 39, 41f, 369, 369f Desoxihemoglobina, 485 Desoxirribosa, 27f, 28 Determinación del sexo, 635, 637f Determinantes antigénicos, 676 Dextrinas límite, 581 Dextrinasa, 581 Diabetes gestacional, 14, 660 insípida, 14-15, 545-6 mellitus agentes hipoglucemiantes orales, 703 alteración en la curación de las heridas, 701-3 angiogenia, 701 de aparición juvenil, 14 beneficios del ejercicio, 706c cirugía bariátrica, 705c-706c clasificación, 14-15, 694-5
complicaciones crónicas, 696-700 definición, 614 dependiente de insulina, 161, 616 descripción, 616 diagnóstico, 15 efectos agudos, 695-6 en la salud, 347c enfermedad cardiovascular, 449 factores de riesgo, 347c gestacional, 14, 660 hiperglucemia, 614, 616, 695-8 infecciones virales como causa, 694 insulina, 703 insulinodependiente, 14 investigación, 704 macrovascularización afectada, 700-1 microvascularizacion afectada, 697-700 no insulinodependiente (DMNID), 616 obesidad, 13-14, 347c, 704 pie diabético, 703f prediabetes, 14 prevalencia, 13, 13f, 13t progresión, 700-1 síntomas, 15 de tipo 1, 14, 14t, 694-5, 695t, 703 de tipo 2, 14, 14t, 347c, 695, 695t, 704 transporte de glucosa, 706c tratamiento, 15, 704 no farmacológico, 704 Diacilglicerol (DAG), 142, 143, 143f, 310 Diafragma(s), 366, 457, 459f anticonceptivo, 656c en hendidura, 515 Diálisis, 523c Diapédesis, 672 Diástole, 378, 379f, 402f auricular, 378 Diencéfalo, 229f, 230, 233-4 Dieta. Véase también Alimentos anemia nutricional, 442c necesidades para el ejercicio, 581c suplementos de creatina, 333c trastornos acidobásicos, 556f, 557 Diferenciación sexual, 636f-637f, 637, 637 Difusión, 102 facilitada, 105, 105-7 características, 111t factores que afectan a la velocidad, 106-7 transportadores, 105-6 de gases, 478-80 simple, 95, 102, 102-6 base, 102-3 características, 111t factores que afectan a la velocidad, 103-5 ley de Fick, 105c a través de las paredes capilares, 414, 414f Digestión, 568, 569f, 580 del agua, 587-8 de los hidratos de carbono, 580-2, 583f de los lípidos, 583-5, 589c de minerales, 587-8 de las proteínas, 582, 583f, 589c química, 580 (véase también Digestión) de vitaminas, 587-8 l,25-dihidroxicolecalciferol, 553, 555f 1,25-dihidroxivitamina D3, 23, 156
Í N D I C E A L FA B É T I CO Dilatación cervical, 661, 662f pupilar, 276f Dióxido de carbono (CO2) anhidrasa carbónica y reacción del carbónico, 438-9 efecto sobre la musculatura vascular lisa, 409t intercambio gaseoso del oxígeno, 480-1 presión parcial (PCO2) afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, 488 en el aire, 479, 481t, 482f en los alvéolos, 483-4 efectos de la carga y descarga de oxígeno, 491f en los sitios corporales, 481t solubilidad en agua, 480f Disacáridos, 20 Disco(s) bicóncavos, 437 intercalares, 369, 369f óptico, 271 Discriminación entre dos puntos, 261 campos receptores pequeños y grandes, 262f umbrales, áreas corporales determinadas, 262t Disestesia, 699 Disfunción eréctil (DE), 645c Disnea (esfuerzo respiratorio), 469, 484t Disolvente, 62c Dispositivo intrauterino (DIU), 656c Distancia focal, 272 Distensibilidad, 402 de los pulmones, 466 de los vasos sanguíneos, 402, 404c Distrofia muscular, 348c Diuresis, 412, 544 Divergencia neural, 203, 203f División aferente del sistema nervioso, 167, 168f (véase también Sistema[s] sensoriales) celular, 49-52 cáncer y defectuosa, 53c ciclo celular, 51-2 fases, 52f hormona del crecimiento, 621 meiosis, 50, 634f mitosis y fase de citocinesis, 49-52, 52f (véase también Mitosis) replicación del ADN, 50-1 craneosacra del sistema nervioso autónomo, 308 eferente del sistema nervioso, 167, 168f (véanse también Sistema[s] nervioso autónomo; Sistema[s] nervioso somático) toracolumbar del sistema nervioso autónomo, 306 Diyodotirosina (DIT), 625 Dolor ácido acetilsalicílico, 135c anestésicos locales, 192c inhibidores de COX-2, 135c lento, 267, 267 miembro fantasma, 270c modulación, 268f, 268-70, 269f neurotransmisores, 196, 267 percepción, 229, 267-70 rápido, 267, 267 referido, 267f, 268 visceral, 267f
Donantes y receptores universales de sangre, 686 Dopadecarboxilasa, 132, 132f Dopaje con sangre, 441c Dopamina, 132, 209, 306 B-hidroxilasa, 132 Drepanocitosis, 442c Duodeno, 573, 574f, 594f Duración, vida humana, 637 Duramadre, 218f, 219 Ecuación GHK (Goldman, Hodgkin, Katz), 178c Edema, 414 alveolar, 484c inflamación, 671 insuficiencia cardíaca, 417c intersticial, 484c pulmonar, 417c, 483, 484c Efecto(s) aditivos de las hormonas, 163 calorigénico, 627 carbamino, 488 sinérgicos de las hormonas, 163 Efector(es), 12 Eicosanoides, 23, 23f como mensajeros químicos, 130t, 132 síntesis, 134f Einthoven, Willem, 376 triángulo, 376f Ejercicio adrenalina, 131c aeróbico, 250c, 346, 347c (véase también Ejercicio) afectación del encéfalo, 250c alimentación previa, 581c consideraciones dietéticas, 581c en diabetes mellitus, 706c edema cerebral por baja osmolaridad plasmática, 538 efectos en la ventilación, 472c flujo sanguíneo, 410c hidratación, 538c ingesta hídrica, 581c mensajeros químicos, 131c niveles de glucosa afectados, 347c, 706c rehidratación, 538c respiración, 495c respuesta de la fibra muscular, 345 del sistema nervioso simpático, 388c Elastina, 5, 400 Electrocardiograma (ECG), 376, 376-8 Electroencefalograma (EEG), 243, 246f, 456c Electrofisiología, 322 Electrolitos, 554-6. Véase también el electrolito específico Elemento de respuesta hormonal (ERH), 138 Eliminación, 525, 525-8 estimaciones de la filtración glomerular, 527-8 glucosa, 528, 529f inulina, 527f PAH, 528 solutos en los túbulos renales, 528 de sustancias comunes, 528t usos clínicos, 526-8 Embarazo cambios hormonales, 659-60 desarrollo embrionario y fetal, 657-9
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descripción, 635 diabetes gestacional, 14, 660 métodos de control de la natalidad, 656c Embrión desarrollo, 657f, 657-9 diferenciación sexual, 635, 637f implantación, 657-8 Eméticos, 598 Emetropía, 274, 274, 275f Emisión masculina, 645 Emociones funcionamiento del sistema nervioso central, 247, 247f respuesta al dolor, 267 sistema nervioso autónomo, 314 Emulsificación, 584, 585f Enanismo, 624 Encefalinas, 196, 212, 269 Encéfalo, 230, 229f, 230-6. Véase también Corteza cerebral anatomía, 216-24 barrera hematoencefálica, 220-2 capilares, 22lf células, 2, 3f, 216-17 cerebelo, 230-1 corteza cerebral, 231-2 daño, 235c diencéfalo, 233-4 efectos del ejercicio, 250c escindido, 232 funciones autónomas ligadas, 313, 313f lóbulos, 231, 23lf neurogenia, 170c núcleos subcorticales, 233 prosencéfalo, 229f, 230-1 respiración, 492-4 sistema límbico, 234-6 (véase también Sistema[s] límbico) sustancia blanca, 222, 222, 223f, 224 gris, 222, 222, 223f, 224, 227f subcortical, 234f termorregulación, 12, 12f trastornos, 235c, 242 ventrículos, 219f vigilia y sueño, 245-6 Endocannabinoides, 212 Endocitosis mediada por receptor, 117, 117, 118f Endocitosis, 34, 117, 117, 118f, 414 Endolinfa, 288 Endometrio, 646, 647f, 651 Endometriomas, 651c Endopeptidasas, 582 Endorfinas, 196, 212 Endosomas, 117 Endotelina-l, 409t Endotelio, 401f Endurecimiento de la arterias, 403 Energía, 59 de activación, 62-4, 63 captación, utilización y almacenamiento, 605-6 cinética, 59 formas, 607f libre, 96c libre de las soluciones, 96c del movimiento (cinética), 60 potencial, 59
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Energía (cont.) reacción(es) de acoplamiento durante la transferencia, 74f metabólicas y cambios, 59-64 químicas, 59-62, 60f de las soluciones, 96c Enfermedad(es), 688 arterial coronaria, 589c autoinmunitarias, 319c, 668, 687-88, 689c cardiovascular, 449 cinetosis, 314 descompresión, 481c drepanocítica, 442c del ovario poliquístico, 651c pulmonar(es) obstructiva(s), 468c, 471 crónica (EPOC), 468c renal terminal (ERT), 449, 523c y trastornos acromegalia, 161 agotamiento por calor, 10c, 617c alergias, 687, 688f anemia, 442c, 485 apendicitis, 575 apnea del sueño, 456c artritis, 687 asma, 469 aterosclerosis, 365c cáncer, 36c, 53c cinetosis, 314 corea de Huntington, 242 cretinismo, 627 culebrilla, 678c defectos de visión, 274, 275f depresión mental, 210c diabetes insípida, 545-6 mellitus (véase Diabetes mellitus) disfunción inmunitaria, 689 distrofia muscular, 348c diverticular, 600c drepanocitosis, 442c edema pulmonar, 417, 483, 484c enanismo, 624 enfermedad de Addison, 629 de Alzheimer, 217 arterial coronaria, 589c autoinmunitaria, 319c, 668, 687-8, 689c de Cushing, 164c, 628 de Hodgkin, 688 por inmunodeficiencia, 688, 689c, 690c de Parkinson, 217, 242 pulmonar obstructiva crónica, 468c renal terminal, 523c fibrosis quística, 122c gigantismo, 164c, 624 golpe de calor, l0c hemofilia, 448 hiperglucemia, 614, 616 hipertensión, 222c, 311, 420, 426, 428c ictericia, 441 ictus, 222c infarto de miocardio, 365c, 417c, 428c insuficiencia cardíaca, 389, 417c renal, 507, 523c intolerancia a lactosa, 588c intoxicación por agua, 116c miastenia grave, 317, 319c mononucleosis, 667
neumotórax, 461 neurodegenerativa, 217 osteoporosis, 553c peritonitis, 575 pirosis, 567, 573 quistes ováricos, 651c respuesta inmunitaria, 684-9 sida, 683 síndrome de dificultad respiratoria infantil, 466 tétanos, 340c úlceras, 576c ulcerosa péptica, 576c Enfisema, 468c Enlace(s) covalentes, 26 fosfato rico en energía, 73 hidrófilos (polares), 31c hidrófobos (no polares), 31c hidrógeno, 26, 31c iónicos, 26 no polares (hidrófobos), 31c peptídico, 25f polares (hidrófilos), 31c químicos, 26, 31c polares e hidrógeno, 31c transverso, 325, 326f Enterocitos, 570, 571f Enterogastronas, 590 Enteropeptidasa, 582, 583f Enzima(s), 65, 65-72 activadora, 70 amplificadoras, 141 borde en cepillo, 574, 581-2 cofactores y coenzimas, 67-8 convertidora de angiotensina (ECA), 411, 548 inhibidores, 428c SRAA, 548, 549f forma complementaria, 67 mecanismos de acción, 65, 67 proteínas globulares, 26 proteolíticas, 133 regulación, 70-2 regulada por proteína G, 141, 142t substratos, 65, 65f, 67-8 velocidad de las reacciones catalizadas, 68-9 Eosinófilos, 443, 443t, 444f, 668 Epicardio, 366 Epidermis como defensa inespecífica, 671 mecanorreceptores, 264f Epidídimo, 639f, 640 Epidural, 224 Epífisis, 623 Epiglotis, 453, 454f Epinefrina (adrenalina), 131, 149, 155 broncodilatación, 469 efecto(s) del ejercicio en los niveles sanguíneos, 131c metabólicos, 629t formación de trombos, 444 gasto cardíaco, 386 liberación en la glándula suprarrenal, 306, 307f metabolismo energético, 615-16 presión arterial media, 427 respuesta al estrés, 615-16, 628, 697 (véase también Estrés) de lucha o huída, 628 unión a receptores adrenérgicos, 209, 310f, 311
Epitelio(s), 4 estructura, 119, 119f impermeables, 119 olfativo, 297, 297f permeables, 119 pigmentario retiniano, 271 retina pigmentaria, 271 de los túbulos distales, 524f, 525 proximales, 524f, 525 Epítopos, 676, 676f Equilibrio, 292-5 aceleración lineal de la transducción, 293-5 aparato vestibular, 292f canales semicirculares, 292, 293f difusional, 102f energético, 603, 606-8 aporte energético, 607 consumo energético, 607 metabolismo, 607-8 negativo, 608 positivo, 608 hídrico, 537-46 contenido en el plasma, 535, 536f factores influyentes, 537f gradiente osmótico medular, 539-46 osmolaridad y desplazamiento del agua, 537-9 positivo, 537 osmótico, 537 en reacciones metabólicas, 61 sáculo, 293-5 utrículo, 293-5, 294f vías neurales, 295 Erección, pene, 640, 644 acontecimientos responsables, 644f disfuncional, 645c Eriksson, Peter, 170c Eritrocitos (células rojas de la sangre), 2, 363, 436, 437-42 anemia, 442c, 485 ciclo celular, 439-43 composición de la sangre incluida, 443t destrucción hepática, 577 filtración y destrucción esplénica, 439f, 441-2 ósmosis del agua hacia dentro/fuera, 113f producción, 439, 440f, 441 transporte de dióxido de carbono, 438-9 de oxígeno, 438-9 Eritropoyesis, 439 Eritropoyetina anemia renal, 442c descripción, 2, 156, 159t, 439, 441c Escalera muscular, 337, 338f Esclerosis múltiple, 217, 687-8, 689c Esclerótica, 271, 271f Escroto, 638f, 640 Esfigmomanómetro, 402, 403f Esfínter, 573 anal, 575f externo, 575, 575f interno, 575, 575f esofágico, 572f, 573 ileocecal, 575, 575f pilórico, 573 precapilar, 413 uretral, 528 externo, 528 interno, 528
Í N D I C E A L FA B É T I CO Esófago, 572f, 573, 580t Espacio(s) intermembrana, 34 intrapleural, 457, 459f, 461f muerto, 455, 500c anatómico, 471, 471f fisiológico, 500c (véase también Espacio[s] muerto anatómico) paracelulares, 119 peritubular, 520 subaracnoideo, 218f, 219 Espasmo vascular, 445 Especificidad de los receptores para los mensajeros químicos, 136f de la respuesta inmunitaria, 676-7 Espectrina, 438 Espectro electromagnético, 272f Esperma, 642-4 anatomía, 642f fecundación del óvulo, 655f formación, 643f Espermátidas, 644 Espermatocito primario, 643-4 secundario, 643-4 Espermatogenia, 641, 643, 643f Espermatozoides, 633 Espiración (respiración) activa, 464 cambios de la presión alveolar, 463f en el volumen respiratorio, 463f descripción, 463-5 efecto de la resistencia de la vía respiratoria, 466f músculos, 464f volumen y cambios de presión, 465f Espirometría, 469, 470f Espirómetro, 469 Esqueleto fibroso, corazón, 367 Estadio antral precoz, 649 tardío, 649 preantral, 649 Estado absortivo, 608, 609-10 insulina, 612-13 metabolismo energético, 609-10 reacciones metabólicas, 610f regulación del metabolismo, 612-16 estacionario del potencial de la membrana en reposo, 176, 177f postabsortivo, 608, 611-12 insulina, 612-13 reacciones metabólicas, 611f regulación del metabolismo, 612-16 de transición, 62, 63f Estereocilios, 288, 289-91, 290f Esterilización quirúrgica, 656c tubárica, 656c Esteroides, 23, 24f, 155, 158c anabolizantes, 158c como mensajeros químicos, 130t, 134 síntesis y liberación, 134f Estímulo adecuado, 255 intensidad, 259, 259f
localización, 259-62, 262f modalidad, 254 subumbral, 186, 186f, 188f supraumbral, 186, 186f, 188f tipo, 258-9 Estómago, 573 actividad de la pepsina, 573, 582, 583f anatomía, 572f, 573 funciones, 580t secreciones de ácido y pepsinógeno, 582, 583f, 592-3 úlceras, 573, 576c Estradiol, 23, 156, 635 Estrés calor, 10c ejercicio (véase Ejercicio) oxidativo, 82c, 697 respuesta inmunitaria, 688-9 secreciones hormonales en respuesta, 160, 245c, 615-16, 627-8 sistema nervioso simpático y reacciones, 211c trastorno por estrés postraumático, 245c Estribo, 284, 285f, 286f Estrógenos ciclo menstrual, 649, 652f-653f, 653t descripción, 12, 153f, 154, 635 en el embarazo, 659f, 659-60 función reproductiva en la mujer, 654-5 Estructura celular, 29-38 funciones, 39t membrana plasmática, 30-8 orgánulos no membranosos, 36-8 visión tridimensional, 29f cuaternaria de las proteínas, 25f, 26 primaria de las proteínas, 25f, 26 secundaria de las proteínas, 25f, 26 terciaria de las proteínas, 25f, 26 Etanol, 221 Etapas de la catálisis, acción enzimática, 65 Eustaquio, trompa, 284, 285f Evaporación, 538c, 618 Excreción descripción, 7, 515, 525-31 eliminación, 526-8 micción, 528, 530-1 regulación del agua, 545 velocidad, 525, 526f Exocitosis, 117 Exones, 43 Exopeptidasas, 582 Extrasístole, 378 auricular (ESA), 377f Extremo 3´, ADN, 44, 44f, 50 Extremo 5´, ADN, 44f, 45, 50 Eyaculación, 640, 644-5 Eyección de la leche, 662 ventricular, 379f, 380 Facilitación presináptica, 206, 206f Factor(es) de la coagulación, 128, 446, 446-8 de crecimiento, 128, 153, 153f básico de fibroblastos, 701 hematopoyéticos (HGF), 441 parecidos a la insulina (IGF), 153, 153f, 156, 578, 622 determinante del testículo, 635 de enfriamiento por viento, 618
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estimulantes del colon, 439 intrínseco, 573, 585 de necrosis tumoral alfa (TNF-A), 674 plaquetario 3 (PF3), 447, 447f tisular (factor III), 447 Factor XII (factor Hageman), 447 Factor XIII (factor estabilizador de fibrina), 446-7 FAD (flavina adenina dinucleótido), 26, 68 FADH2, 78, 80, 84 Fagocitos, 668. Véase también Fagocitosis Fagocitosis, 117, 118f, 672f-673f, 673-4 Fagolisosoma, 117 Fagosoma, 117, 674 Falopio, trompas, 646, 647f trompas uterinas, 646, 647f Faringe (garganta) anatomía, 284, 285f, 453, 454f, 572f, 572-3 funciones, 580t Fascículo(s) arciforme, 224 músculo, 323, 324f Fase(s) cefálica de control del aparato digestivo, 590, 592 de contracción, contracción muscular, 334f foliculares, ciclo ovárico, 649, 650f, 651c, 652f, 652-3, 653f- 654f luteínica del ciclo ovárico cambios hormonales, 654, 654f descripción, 50, 650f, 652f menstrual del ciclo uterino, 651, 652f proliferativa del ciclo uterino, 651, 652f de relajación, contracción muscular, 334f secretora del ciclo uterino, 652, 652f Fatiga, 345, 345-6 neuromuscular, 346 Fecundación, 633, 655 determinación y diferenciación sexual, 635, 637f etapas, 655 implantación, 657f, 657-8 Fenilefrina, 138 Feniletanolamina N-metil transferasa (PNMT), 132 Fenoxibenzamina, 138 Feocromocitoma, 428c Ferritina, 588 Feto, 635 desarrollo, 658-9, 658f parto, 661 FG. Véase Filtración glomerular (FG) Fibra(s) de asociación, 223f, 224 axonales de la sustancia blanca, 224 comisurales, 224 de conducción, 369, 369 extrafusales, 350, 350f fusiformes, 38 glucolíticas, 344f, 344-5 intrafusales, 350, 350f musculares, 3, 4f, 317, 317f, 323 (véase también Célula[s] musculares) de contracción lenta, 335, 344 rápida, 335, 344 esquelético, 323, 324f, 325-7, 344-7 en fascículos, 323, 324f generación de fuerza, 337-41 glucolíticas y oxidativas, 344-5 rápidas, 345, 345t, 345-7
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Fibra(s) (cont.) oxidativas, 344f, 344-5 lentas, 345, 345t, 345-7 rápidas, 345, 345t, 345-7 posmitóticas, 347 producción de ATP, 344-5 propiedades de las distintas fibras, 345t respuesta relacionadas con el ejercicio, 345 velocidad de contracción y tipo, 344 nerviosas, 168, 191t (véase también Axón[es] [fibra nerviosa]) oxidativas, 344 de proyección, 223f, 224 zonulares, 271, 271f Fibras AD (Adelta), 267 Fibras C, 267, 268 Fibrilación ventricular, 377f Fibrina, 446 Fibrinógeno, 437t, 446 Fibroblastos, 701 Fibrosis quística, 122c Fick, ley, 105c Fiebre, 129, 620 del heno, 687, 688f Filamentos finos, 325 actinas G y F, 325, 326f estructura, 326f proteínas reguladoras, 325 gruesos, 325, 325, 326f intermedios, 38 músculo, 323, 325, 326f Filtración, 7, 414 glomerular, 510, 515-19, 516 carga filtrada, 516, 516f, 517 efecto de la presión arterial media, 517f fracción de filtración, 516, 516f fuerzas de Starling, 515, 516f medidas y estimaciones de la eliminación, 527-8 reabsorción del agua y los solutos, 520t regulación, 517-19 de la excreción de agua ligada a cambios, 545 velocidad, 516, 520t renal, 510 Fimbrias, 646 Fisiología, 1-17 Flagelo, 38, 38f Flavina adenina dinucleótido (FAD), 26, 68 mononucleótido (FMN), 79 Flujo, 102 menstrual, 651 neto en la difusión facilitada, 106f efectos de la permeabilidad de membrana, 106f flujo direccional de moléculas, 102f gradiente de concentración, 104f, 106f paralelo de sangre, 364f, 365 plasmático renal, 528 renal, 528 sanguíneo, 363-6 (véase también Aporte sanguíneo) a través del aparato cardiovascular, 363f-364f área, 412f arteriolas, 404-5 autorregulación, 408-9 en el corazón y los vasos, 412f
efecto del tamaño de los vasos sanguíneos, 400f ejercicio, 410c factores, 405-9, 406f flujo paralelo dentro de los circuitos pulmonar y sistémico, 364f, 364-6 gradientes de presión, 396, 397f hiperemia reactiva, 408, 408f en el lecho capilar, 413 renal, 519 respuesta del músculo liso vascular a los cambios, 408-9 velocidad, 412f en serie, 363f, 364 unidireccional, 102 de una vía, 102 Folículo(s) dominante, 649 ovario, 646, 647f primordial, 646, 647f Fondo gástrico, 572f, 573 Forensía, 43c Formación reticular, 230, 241 lateral, 269 Fórnix, 234 Fosfatasa, 71, 72 Fosfatidilinositol, l4, 143 Fosfatidilinositol-3-cinasa, 706c Fosfodisterasa, 278, 278f Fosfolipasa A2, 134, 134f Fosfolipasa C, 143 Fosfolípidos, 22, 23f Fosfoproteína fosfatasa, 142 Fosforilación, 58 ATP, 73 a nivel de sustrato, 73, 332 oxidativa, 73, 77-81, 82f cadena de transporte de electrones, 78, 78-82 resumen, 80-1, 82f, 83 síntesis de ATP, 73, 77-8, 332 Fotopigmentos, 277 Fotorreceptores, 255, 271 blanqueado, 281 características, 255t espectro de absorbancia para los distintos fotorreceptores, 279f morfología, 277, 278f Fototransducción descripción, 271, 277, 277-9 de la luz, 279f Fóvea, 271, 271f, 276, 277f Fovéolas gástricas, 572f, 573 Fracción de eyección (FE), 382 de filtración, 516, 516f Fragmentinas, 684 Franklin, Benjamin, 322 Frecuencia cardíaca (FC), 383 control hormonal, 385-6 neural, 385f eferencias cardíacas afectadas por cambios, 383-6 integración de los controles, 386 presión arterial media, 422, 422f Fructosa, 20f Fuerza(s), 334 eléctricas, 97-9, 174 acciones, iones afectados, 98, 101f dirección y amplitud, 98f, 99
efectos de la valencia iónica, 99f potencial de membrana, 97-8, 98f-99f electroquímica, 99, 99-101, 174 acciones, paso de iones potasio a través de la membrana celular, 101f dirección, 99-100, 101f potencial de equilibrio, 99 significado, 100-1 químicas, 96, 97f, 101f, 174 rectoras sobre las moléculas, 96-101, 104f Fugas, membrana, 112, 112f, 176 G-Actina, 37, 37f, 325, 326f GABA (ácido gamma-aminobutírico) en la ansiedad y los trastornos del sueño, 211c descripción, 131, 209, 209f Gage, Fred, 170c Galactosa, 20f Galvani, Luigi, 322 Gametogenia, 633, 634f, 634-5 Gametos, 633, 633-5, 646 Ganglio(s), 171, 171 autónomos, 305, 306f cadena dorsal, 224 colaterales, 306, 306 linfático, 421 de la raíz dorsal, 224 en la retina, 276, 277f, 282, 282f Garganta. Véase Faringe (garganta) Gas(es) en el aire, 478-80 ley de Dalton, 478c de Henry, 479c, 479-80 presión parcial, 478-9 solubilidad, 479-80, 480f transporte sanguíneo, 485-91 Gasto cardíaco (GC), 383, 382-91 aferencias autónomas, 383, 384f, 391f cambios del ritmo cardíaco, 383-6 factores influyentes, 391 volumen sistólico, 386-91 Gastrina, 573, 590, 590t, 592 GDP (guanosina difosfato), 140 Gemelos dicigóticos (fraternos), 650 fraternos (dicigóticos), 649, 650 idénticos (monocigóticos), 658 monocigóticos, 658 Gen(es), 633 selección y empaquetamiento, gametogenia, 634f, 634-5 Gen srY, 635, 637 Generador central de patrones, 493-4, 494 Genitales diferenciación, 635, 636f, 637 mujer, 648, 648f varón, 638f, 640 Genoma humano, 50 Gestación, 635. Véase también Embarazo Gigantismo, 164c, 624 Glándula(s), 4. Véase también Hipófisis accesorias, 568, 576-80 estructura, 577f glándulas salivales, 4, 576, 577f hígado, 577-80 páncreas, 577, 578f apocrinas, 538c, 620 bulbouretrales, 638f, 640
Í N D I C E A L FA B É T I CO ecrinas, 620, 621f endocrinas, 4, 5f liberación de hormonas, 130 riñón, 508 exocrinas, 4, 5f gástricas, 572f, 573 hipófisis, 4, 149f, 150, 150-4 adenomas, 164c hipotálamo, 150-4, 152f secreciones hormonales, 152-4, 153f, 158t mamarias, 660, 660, 662-3, 663f paratiroideas, 154, 155, 159t pineal, 154, 154, 159t, 234 prostática, 638f, 640 salivales descripción, 4, 576, 576-7 funciones, 580t localización, 577f sebáceas, 642, 671 sublinguales, 576, 577f submandibulares, 576, 577f sudoríparas, 4, 538c, 618, 619-20 suprarrenales, 4, 155, 155-6 anatomía, 155, 156f funciones, 306, 307f inervación simpática, 306, 307f secreciones, 306, 307f tiroides, 155, 159t vestibulares, 648 Glaucoma, 274 Glicerol, 21f, 87 Glicina, 132, 209, 209f Globina, 485 Globo pálido, 233 Globulinas, 437t transportadora de corticoesteroides, 136 de tiroxina, 625 Glomérulo neuronas, 298 riñón, 510, 512f, 534f Glotis, 451, 453, 454f Glucagón, 156, 614 acciones, 614, 614f efectos metabólicos, 629t factores que afectan a la secreción, 613t, 614, 615 función cardíaca y efectos, 386 glucemia, 614-15 metabolismo energético, 603, 614 Glucoamilasa, 581 Glucocáliz, 32f Glucocinasa, 90 Glucocorticoides, 155, 155, 627-8 acciones, 628 efecto de la secreción anormal, 628 factores que afectan a la secreción, 627-8 respuestas de estrés y efecto del cortisol, 160, 245c, 627-8 Glucogenia, 86 Glucógeno, 20f, 86, 86-7, 87f Glucogenólisis, 87, 612 Glucólisis, 74, 74-5 ácido láctico producido, 333, 344-5 ciclo de Krebs, 76, 76f reacciones, 75f resumen, 76f Gluconeogenia, 87, 88f, 611 hígado, 612 Glucoproteínas, 26
Glucosa, 20 efectos del ejercicio, 347c hepáticos, 612 eliminación, 528, 529f equilibrio positivo y homeostasis, 535 homeostasis, 535 metabolismo (véase Oxidación de la glucosa) monitorización, 15 reabsorción, 521f, 522f sangre (véase Glucosa sanguínea) sanguínea efecto de la función renal, 522f del hígado, 612 eliminación, 528, 529f equilibrio, 536 glucagón, 536, 614-15 insulina, 536, 614-15 metabolismo energético, 609-10 transporte, 106f, 522, 706c Glucosa-1-P, 90 Glucosaminoglucanos, 701 Glucosilación, 47, 697, 700-1 Glucosuria, 616 GLUT-4, 222, 613 Glutamato, 24f, 209, 209f gusto, 296 mecanismo de potenciación a largo plazo, 249, 249f como mensajero químico, 132 toxicidad, 217 Glutamina, 561, 561f GMP cíclico (GMPc). Véase GMPc (guanosinamonofosfato cíclico) GMPc (guanosinamonofosfato cíclico), 140 fototransducción, 278, 279f como sistema de segundo mensajero, 142t, 143 Goldman, Hodgkin, Katz, ecuación (GHK), 178c Golgi aparato, 33, 34f órgano tendinoso (OTG), 350, 351, 351f Golpe de calor, 10c, 617c Gónadas, 156, 159t, 635. Véanse también Ovario[s]; Testículo Gonadotropina(s), 641 coriónica humana (hCG), 659, 659f Gould, Elizabeth, 170c Gradiente de concentración ($C), 96 acoplamiento quimiosmótico y transporte de hidrógeno a través de la membrana mitocondrial, 80, 80f flujo neto, 104f, 106f como fuerza química, 96, 97f movimiento térmico de las moléculas que permite el desplazamiento, 103f electroquímico, 101 osmótico, 120 medular, 539-46 multiplicador de contracorriente, 541, 541f reabsorción de agua, 542-5 urea, 541 vasos rectos, 542f de presión ($P), 396-8 a través del circuito pulmonar, 398f distribución del flujo a los órganos afectados, 406f en el flujo de sangre, 396, 397f osmótica (P), 113f, 114
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Grandes alturas, 441c, 503c Granulocitos, 443, 668. Véanse también Basófilos; Eosinófilos; Neutrófilos Gránulos citoplásmicos, 443 Grapado gástrico, 705c Grasa(s). Véase también Lípidos absorción, 587f captación, utilización y almacenamiento energético, 605-6, 606f, 607t metabolismo, 85-8, 89f parda, 619 Grupo(s) acetilo, 68 catecol, 208 fosfato libre (Pi), 58, 71, 73 funcionales en biomoléculas, 19t hemo, 78, 438f, 485 respiratorio dorsal (GRD), 493, 493f pontino, 493, 493f ventral (GRV), 493, 493f sanguíneos, 686 GTP (guanosina trifosfato), 140 Guanina, 26, 27f-28f Gustducina, 296 Gusto(s), 295-7 amargos, 296, 297f transducción de la señal, 296-7, 297f vía neural, 297 Habituación, 248 Haces, axón, 171 Haldane, efecto, 491 «Hambre de aire», 495 Haustras, 599, 599f Hebra líder, ADN, 50 rectora, 50 Helicasa, 50 Hélice alfa, 25f, 26 Helicobacter pylori, 576c Helicotrema, 287f, 288 Hematíes. Véase Eritrocitos (células rojas de la sangre) Hematócrito, 436, 436f, 436-7, 441c Hematoma (contusión), 435 Hemisferios cerebrales, 223f, 224, 229f, 230 Hemodiálisis, 523c Hemofilia, 448 Hemoglobina, 25f, 78, 363, 435, 438 afinidad del oxígeno, 488-9 como amortiguador, 501 curva de disociación del oxígeno, 485-7 estructura molecular, 438f papel en el transporte de oxígeno, 438-9, 485 saturación, 487f transporte de dióxido de carbono, 438-9 Hemoglobina Alc,15 Hemólisis, 442c Hemorragia control renal de la pérdida de agua, 556 equilibrio hidroelectrolítico, 555 respuesta de barorreceptores, 426, 427f solución de salino isotónico, 114 Hemostasia, 444, 444-8 espasmo vascular, 445 formación del coágulo de sangre, 446-8 tapón plaquetario, 445, 445f Henderson-Hasselbalch, ecuación, 501, 502c, 561
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Hendidura dícrota, 381 sináptica, 198, 199f Henle, asa, 511 conservación del agua, 525 multiplicador contracorriente, 541, 541f secciones, 511 Henry, ley, 479c, 479-80 Hepatocitos, 578, 579f Hercios (Hz), 285 Hidratos de carbono, 19, 19, 20f absorción, 580-2, 583f captación, utilización y almacenamiento energético, 605, 606f, 607t digestión, 580-2, 583f en la membrana plasmática, 32 metabolismo, 85-6, 88f, 608-12 (véase también Oxidación de la glucosa) Hidrógeno (H) concentración de iones (véase pH) plasmática de iones, 508 iones amortiguadores, 557-9 sabor amargo e iones, 296 tratamiento renal de los iones bicarbonato, 560f-561f Hidrólisis, 58 Hidroxiapatita, 622-3 Hígado descripción, 576, 577-80 funciones, 580t metabolismo energético, 609-10, 612 secreciones, 159t, 577 Hilio renal, 509f Himen, 648, 648f Hiperalgesia, 269 Hipercalcemia, 552 Hipercapnia, 484t Hiperemia activa, 407, 407, 407f- 408f reactiva, 408, 408, 408f Hiperglucemia, 614, 616, 695-8 Hiperlipidemia, 616 Hipernatremia, 546 Hiperopía, 274, 274, 275f Hiperplasia, 621 Hiperpnea, 484, 484t, 495c Hiperpolarización, 179 Hiperpotasemia, 550 Hipersecreción, 161, 163f Hipertensión, 420, 428c, 699 endocrina, 428c esencial (primara), 428c ictus, 222c primaria (esencial), 428c reflejo barorreceptor, 426 renal, 428c tratamiento, 311, 428c Hipertermia, 617 Hipertiroidismo, 553c Hipertrofia, 621 Hiperventilación, 484, 484t afectación de la ventilación minuto, 498f «buceo a pulmón libre», 475 Hipervolemia, 537 Hipo (singultus), 451 Hipocalcemia, 552 Hipocampo, 170c Hipocapnia, 484t Hipófisis, 150. Véase también Glándula(s), hipófisis
Hipoglucemia, 614 Hipoglucemiantes orales, 703 Hiponatremia, 547 Hipopotasemia, 550 Hiposecreción de hormonas, 161, 163f Hipotálamo, 150, 150-4, 209, 229f, 230, 233, 233-4 emociones, 247 forma de las secreciones hormonales, 152-4, 153f, 158t función autónoma y función, 233-4, 313, 313f cardiovascular, 424 glándula pituitaria anterior, 150-4 posterior, 150, 152f Hipotensión ortostática, 395, 420 reflejo barorreceptor, 426 Hipotermia, 64, 617 Hipoventilación, 484, 484t, 498f, 562 Hipovolemia, 537, 696 Hipoxemia, 484t, 503c Hipoxia, 407, 484t, 503c His, haz, 370, 370f Histamina, 129, 131 antihistamínicos, 129c broncoconstricción, 468 filtración capilar, 417 liberación celular, 265, 671 inducida por inflamación, 129, 671 como neurotransmisor, 209 respuesta alérgica, 687, 688f secreción, 592 Histiocitos, 668 Histonas, 50 Hodgkin, enfermedad, 688 Homeostasis, 8-13, 9 acidobásica, 500-1, 556-63 amortiguadores, 501, 558c aparato respiratorio, 500-1 agotamiento por calor, 10c aparato urinario, 536-66 composición del plasma, 536, 537f concepto de equilibrio, 535, 536f equilibrio acidobásico, 556-63 del calcio, 551-4, 553f, 555f hídrico, 537-46 del potasio, 551 del sodio, 546-50 de solutos, 537 regulación hidroelectrolítica, 554-6 concepto, 535-7 control mediante retroalimentación negativa, 10-13 efectos de la cafeína, 534 golpe de calor, 10c riñones (véase Homeostasis, aparato urinario) sistema nervioso autónomo, 304, 312-14 Homeotermo, 617 Homúnculo motor, 232, 233f sensorial, 232, 233f Hormona(s), 4, 130 acciones, 157, 160-1 adrenocorticotrópica (ACTH), 627
antidiurética (ADH), 41, 150, 411, 544 (véase también Vasopresina) diabetes insípida, 14 reabsorción de agua, 525, 544, 544f secreción, 544, 545f ciclo menstrual, 649, 652f-653f, 653t-654t concentraciones de calcio, 553f, 553-4 en sangre, 159, 160-1 contractilidad ventricular, 387 del crecimiento (GH), 26, 153, 153f, 621 cantidades anómalas, 624 crecimiento óseo, 622-4 efectos, 620-4 metabólicos, 629t factores que afectan a la secreción, 621-2, 622f digestivas, 590, 590t embarazo y cambios, 659-60 esteroideas, 158c estimuladora(s), 150 de los folículos (FSH), 153f, 154, 639 ciclo menstrual, 652f, 652-3, 654f función reproductiva en el varón, 641 de la tiroides (TSH), 153, 626 en la función reproductora femenina, 654-5 masculina, 641-2 inhibidora(s), 150 de la hormona del crecimiento (GHIH), 153, 153f, 622, 622f de prolactina (PIH), 153, 153f, 663 interacciones, 162-3 lactancia, 660, 662-3, 663f liberadora de corticotropina (CRH), 153, 153f, 160f, 627, 661 de gonadotropina (GnRH), 153f, 154, 641 de hormona del crecimiento (GHRH), 153, 153f, 622, 622f de prolactina (PRH), 153, 153f de tirotropina (TRH), 153, 153f, 212, 626 ligadas a proteínas transportadoras, 135f, 135-6 lipófilas, 138f luteinizante (LH), 12, 153f, 154 ciclo menstrual, 652f, 652-4, 654f función reproductora masculina, 641 pico, 654 como mensajero químico, 128f, 130t paratiroidea (PTH), 155, 553, 553, 553f regulación del crecimiento, 620-5 resistencia arteriolar, 411 secreción anómala, 161-2 y modificación hepática, 578 sexuales, 153f, 154, 155 (véanse también Andrógenos; Estrógenos; Progesterona; Testosterona) afectación del crecimiento, 624-5 femenina, 649, 652f-653f, 653t-654t masculina, 641, 642t tiroideas, 625-7 acciones, 628 efectos sobre el crecimiento, 625 metabólicos, 629t función cardíaca, 386 secreción, 161, 163f, 626f-627f, 625-6 trópicas, 150, 150, 152-4
Í N D I C E A L FA B É T I CO Huesecillos, 284, 285, 285f-286f Hueso(s) calcificación, 623 crecimiento, 622-4 depósito, 623, 623f equilibrio de calcio, 552, 552f-553f estructura, 624f largo, 624f- 625f osteoporosis, 553c como palancas, 338c-339c remodelado, 623 unión del músculo, 323, 324f, 338f, 348, 349f Humor acuoso, 271 vítreo, 271 Huntington, corea, 242 Huso(s) mitótico, 37 musculares, 350, 350f Ictericia, 441 Ictus accidente cerebrovascular, 222c por calor, 10c hemorrágico, 222c oclusivo, 222c Íleon, 573, 574f Implantación, óvulo fecundado, 655, 657, 657f Impotencia, 645c Incisión, cesárea, 661 Inclusiones, citosol, 32 Incompatibilidad, grupo sanguíneo, 686 Índice de masa corporal, 14 Inervación dual o doble, sistema nervioso autónomo, 304, 305f de los órganos sensoriales, 167 Infarto de miocardio ataque cardíaco, 365c, 417c, 428c silente, 701 Inflamación, 129, 671, 671-4 cicatrización de las heridas, 701 contención de las sustancias extrañas, 672, 672f dilatación y permeabilidad capilar, 671-2 efectos del ácido acetilsalicílico, 135c de los glucocorticoides, 628 eliminación continuada de la infección por los leucocitos reclutados, 672f, 673-4 emigración y proliferación de los leucocitos, 672f, 672-3 fagocitosis, 668, 671- 3, 673f liberación de histamina, 129, 671 local, 672f Información sensorial, 167 visceral, 167 Infundíbulo, 150, 646 Inhibición de la actividad enzimática por el producto final, 72 enzima, 70 lateral, 260, 261, 261f presináptica, 206, 206f Inhibidor(es) de A-glucosidasa, 703 de monoamino oxidasa, 210c selectivos de la recaptación de serotonina (ISRS), 210c de la vía del factor tisular, 447
Inhibina, 154, 640, 641 Inicio de traducción, 45f Injertos tisulares, 686-87 Inmunidad, 668 activa, 685, 685 adquirida, 678 celular, 674, 675, 681-4 activación de células T citotóxicas, 683-4, 684f colaboradoras, 683 linfocitos T, 682 humoral, 675, 680-1 estructura y función de los anticuerpos, 680-1, 681t linfocitos B y producción de anticuerpos, 677f, 678-9 a largo plazo, 685f leucocitos, 443t mediada por células (véase Inmunidad celular) pasiva, 686, 686 Inmunodeficiencia, 688, 690c combinada severa (SCID), 688, 690c Inmunoglobulinas, 669, 679, 681t. Véase también Anticuerpos Inositol trifosfato (IP3), 142, 143, 310 Inserción, 348, 349f celular, 671 fagocitosis, 671, 673f inflamación, 671 de músculos al hueso, 323, 324f, 338f, 348, 349f Inspiración, 463 acontecimientos, 465f cambios de presión, 465f alveolar y volumen respiratorio, 463f de volumen, 465f efectos de la resistencia de la vía respiratoria, 466f músculos, 464f Insuficiencia cardíaca, 389, 417c congestiva, 417c renal, 507, 523c Insulina acciones, 613, 613f administración, 704 afectación del metabolismo celular, 89-90 descripción, 107, 130, 156, 591, 612 diabetes mellitus, 614, 616 efectos sobre el crecimiento, 624 metabólicos, 629t función cardíaca y efectos, 386 glucemia, 160, 161f, 614-15 metabolismo energético, 603, 612-13 secreción, 612- 13, 615 supresión del hambre, 697 Integración neural, 203-5 Integrinas, 672 Intercambio de cloruro, 489 energético, 57 (véase también Metabolismo energético) gaseoso, 452, 475, 477f, 481-4 determinantes de la PO2 y PCO2 alveolar, 483-4 efectos de la altura elevada, 503c longitud del capilar pulmonar, 483f pulmones, 481-3 en los tejidos que respiran, 482f, 483 a través de la pared capilar, 414f sodio-protones, 110
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Interfase (ciclo celular), 51, 52f Interferones, 671, 674 Interferones [A] y [B], 674, 685t Interferones [T], 674 Interleucina(s), 439, 674, 685t Interleucina l (IL-l ), 674 Interleucina 10 (IL-10), 685t Interleucina 2 (IL-2), 674, 679, 685t Interleucina 4 (IL-4), 685t Interleucina 5 (IL-5), 685t Interleucina 6 (IL-6), 553c Interneuronas, 171 Intervalo P-Q, 376 Intervalo P-R, 376 Intervalo Q-T, 376 Intervalo R-R, 376 Intestino delgado anatomía, 573-4, 574f definición, 573 funciones, 580t motilidad, 598-9 secreciones, 159t, 573-4, 582, 584f grueso, 575, 575f Intolerancia a la lactosa, 588c Intoxicación por agua, 116c Intrones, 44 Inulina, 527f Ion(es) potasio, 550-1 potencial de membrana y fuerzas eléctricas, 98, 99f regulación renal de la composición iónica del plasma, 508 Iris, 271, 271f, 276f Ishihara, registros, 284c Islotes pancreáticos, 577, 578f Isquemia, 407 miocárdica, 365c Jenner, Edward, 685 Jugo gástrico, 573 pancreático descripción, 573, 573-4, 577 secreción, 593-5 Korotkoff, sonidos, 402-3 Krebs, ciclo, 74-7, 75 glucólisis, 76, 76f reacciones, 77f resumen, 78f Kupffer, células, 444, 668 Laberinto membranoso, 292 óseo, 292 Labios mayores, 648, 648f menores, 648, 648f Lactancia, 660, 662-3, 663f Lactante parto, 661 reflejo miccional, 530 Lactasa, 581, 588c Lactato, 75, 84, 87 deshidrogenasa (LDH), 84 Lactógeno placentario, 660 Lactosa, 20f Lámina propria, 571, 571, 571f
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Í N D I C E A L FA B É T I CO
Langerhans, islotes, 156, 157f Laplace, ley, 390c, 467c Laringe, 453, 454f Lateralización del encéfalo, 232 Latido cardíaco, 367 autorritmicidad, 368 control, marcapasos, 370 frecuencia (véase Frecuencia cardíaca [FC]) iniciación y conducción de los impulsos, 370, 370f Leber, neuropatía óptica hereditaria, 43c Leche, mama, 660, 662-3, 663f Lecho capilar, 363, 412-13 Lemnisco medial, 266 Lenguaje, 242-43 Leptina, 591 Leucocitos, 363, 436, 443-4 células dendríticas, 669-70 composición de la sangre, 443t emigración, 672f, 672-3 fagocitos, 668 (véase también Fagocitosis) inflamación, 672f, 672-3 inmunidad, 443t, 668-70 linfocitos, 668-79 mastocitos, 669-70 producción, 440f tipos, 443t, 443-4 Leucocitosis, 673 Leucotrienos, 134 Ley de la acción de masas, 61, 62f, 559 del apareamiento de bases complementarias, 28, 28f de las energías nerviosas específicas, 255 de los gases ideales, 462c de la termodinámica, primera, 59 Leydig, células (células intersticiales), 638, 639f LH. Véase Hormona(s) luteinizante (LH) Liberación de calcio inducida por calcio, 374 Lieberkühn, criptas, 574, 574f Ligamentos, 5 Ligandos, 66c, 128 Línea(s) isoeléctrica, 376 marcadas, 257 Líneas Z, 325f, 327f Linfa (líquido linfático), 421 Linfocito(s), 443t, 444, 668-9 células citolíticas naturales, 444, 669, 674 función inmunitaria, 444f, 668-9 nulos, 444, 668 producción, 440f selección clonal y activación, 677 Linfocitos B (células B), 444, 668, 676, 684f autotolerancia, 678-9 memoria, 677f en la producción de anticuerpos, 669, 679 receptores antigénicos, 676-7, 677f selección clonal, 677f Linfocitos T (células T) autotolerancia, 678-9 citotóxicos, 669, 682, 683-4 activación, 683-4, 684f descripción, 669, 682, 684f colaboradores, 682, 683 descripción, 155, 441, 444, 669, 675-6 inmunidad celular, 681-3 memoria, 678 moléculas MHC, 682-3, 683f receptores antigénicos, 677, 677f supresores, 682
Lipasa(s), 583, 584, 586f gástrica, 583 lingual, 583 pancreáticas, 577, 584, 586f Lípidos, 19, 20, 20-3. Véase también Grasa(s) absorción, 585 captación, utilización y almacenamiento energético, 605-6, 606f, 607t colesterol plasmático, 589c digestión, 583-5, 589c eicosanoides, 23, 23f esteroides, 23, 24f fosfolípidos, 22-3, 23f metabolismo, 87-8, 89f energético, 608-12 síntesis, 87 solubilidad, 104, 105 triglicéridos, 21f, 21-2, 87, 89f, 583-5 Lipogenia, 88 Lipólisis, 88, 695 Lipooxigenasa, 134 Lipoproteína(s), 26, 585, 589c, 606 de alta densidad (HDL), 589c, 700 de baja densidad (LDL), 589c, 697, 700 lipasa, 606 de muy baja densidad (VLDL), 589c, 610, 610 Líquido(s). Véase también Equilibrio (balance) hídrico amniótico, 658 cefalorraquídeo (LCR), 219, 219t equilibrio, 537, 554-6 extracelular (LEC), 8, 8f, 95t ingesta durante el ejercicio, 581c intersticial (LI), 8, 8f, 508 intracelular (LIC), 7-8, 8f concentraciones de solutos, 95t efecto de los procesos renales, 508 intrapleural, 457 ley de Henry, 479c, 479-80 peritubular, 520 solubilidad de los gases, 479-80, 480f velocidad de movimiento, aparato digestivo, 594-5, 595f Lisina, 24f Lisosoma(s), 35, 35f secundario, 674 Lisozima, 577 Lissauer, tracto, 266 Llenado ventricular, 378, 379f Lóbulo anterior, adenohipófisis, 150 hipotálamo, 150-4 secreción hormonal, 152-4, 158t frontal, cerebro, 231, 231f, 235c occipital, 231, 231f parietal, 231, 23lf posterior, neurohipófisis, 150, 150, 152f, 159t temporal, 231, 231f Lugar de unión, ligando-proteína, 66c Lupus eritematoso sistémico, 687 Luz, 4, 39 del estómago, 573 vasos sanguíneos, 399 Macroadenomas, 164c Macrófagos, 421, 444, 667f alveolares, 457, 458f fagocitosis, 672f- 673f, 673 fijos, 668
función inmunitaria, 444f, 701 libres (móviles), 668 Macromoléculas, 40, 117-18 Mácula densa, 512, 514f, 528 lútea, 276, 277f Malnutrición, 706c Maltasa, 581, 583f Maltosa, 583f Mamas embarazo y glándulas mamarias, 660 lactancia, 660, 662-3, 663f Manosa, 83 Mapa del cuerpo, 6-8, 7f Marcadores de lo propio, 682 Marcapasos idioventriculares, 370 Marea roja, 180c Martillo, 284, 285f, 286f Masa celular interna, 657f, 658 corporal magra, 621 Masticación, 572 Mastocitos, 129, 669 Matriz extracelular, 5 mitocondrial, 34 Mecanorreceptores, 254, 263 en el aparato digestivo, 590, 591f características, 255t en la piel, 263t, 263-4 Médula espinal, 224, 224-8 dermatómeros, 226f nervios, 224 sustancia gris y blanca, 224-8 glándula suprarrenal (véase Médula suprarrenal) ósea descripción, 2, 624 producción de eritrocitos, 440f transplante, 687 riñón, 510, 511f suprarrenal, 155, 159t, 306, 603f Megacariocitos, 444 Meiosis, 50, 634 espermatogenia, 643f fecundación, 657 meiosis II, 634f, 635 ovogenia, 648, 648 primera división (meiosis I), 634f selección y empaquetamiento de genes, 634f, 634-5 Meissner, corpúsculos, 264f Melanopsina, 281 Melatonina, 154, 162c, 234 Membrana apical, 39. 119 basal, 4f, 119 basilar, 287f, 288 basolateral, 39, 119, 121f celular, 7, 104 (véanse también Membrana plasmática; Permeabilidad de la membrana) glomerular (barrera de filtración), 515 que mira hacia la luz (apical), 119 mucosa, 570, 571f, 671 orientada hacia la sangre (basolateral), 119 plasmática, 23, 29 colesterol, 30, 30f estructura, 30-8
Í N D I C E A L FA B É T I CO permeabilidad (véase Permeabilidad de la membrana) potencial (véase Potencial[es] de membrana[Vm]) transporte (véase Transporte celular de membrana) respiratoria, 457, 458f, 477f selectivamente permeable, 7 tectorial, 288 timpánica, 284, 285f, 286f vestibular, 287f, 288 Memoria, 247, 248 a corto plazo, 248 declarativa, 248 episódica, 248 implícita, 248 a largo plazo, 248 de procedimiento, 248, 248 Meninges, 218f, 219 Menopausia, 637 Mensajeros hidrófilos, 135f hidrófobos, 135f químicos, 126-48 (véase Neurotransmisores) amplificación de señal, 144, 144f clasificación, 128f, 128-31, 130t comunicación intercelular indirecta, 128 mecanismos de comunicación intercelular, 127-8 de transducción de la señal, 136-45 (véase también Transducción de la señal) propiedades, 145t proteínas globulares, 26 síntesis y liberación, 132-5 sistema endocrino y hormonas, 145-6, 146t nervioso, 145-6, 146t transporte, 135-6 vida media, 136 Menstruación, 645. Véase también Ciclo(s) menstrual Merkel, discos, 264 Mesencéfalo, 229f, 230 Mesenterios, 572 Mesotelio, 572 Metabolismo, 40, 57, 81c, 607, 607-8 anabolismo, 604-5 basal (MB), 607 celular, 40, 56-93 (véase también Metabolismo energético) efectos de la insulina, 89-90 energía, 59-64 estrés oxidativo, 82c en la fase absortiva, 609 postabsortiva, 611-12 de las grasas, 85-90 de los hidratos de carbono, 85-90 oxidación de la glucosa, 72-84 de las proteínas, 85-90 reacciones metabólicas, 57-9, 64-72 clases (véanse Anabolismo; Catabolismo) corporal, 604-5 (véase también Metabolismo energético) energético, 57 absortivo, 612-16 captación, utilización y almacenamiento energético, 605-6, 607t
efectos de la adrenalina, 615-16 del sistema nervioso simpático, 615-16 equilibrio energético, 606-8 en estados absortivo y postabsortivo, 608-12 de las grasas, 85-90 de los hidratos de carbono, 85-90 hormonas, 629t metabolismo de todo el organismo, 604-5 oxidación de la glucosa, 72-84 postabsortivo, 612-16 de las proteínas, 85-90 energía, 59-64 estrés oxidativo, 82c de la glucosa (oxidación de la glucosa), 72-84 de las grasas, 85-90 de los hidratos de carbono, 85-90 de las hormonas, 161 músculo esquelético, 317 de las proteínas, 85-90 resumen, 604-5 tipos de reacciones, 57-9 velocidades de reacción, 64-72 vías de regulación, 605 Metafase (mitosis), 51, 52f Método de dilución del helio, 470 del ritmo para la anticoncepción, 656c MHC. Véanse Complejo principal de histocompatibilidad (MHC), Moléculas; Moléculas MHC Miastenia grave, 317, 319c Micción, 528, 528, 530-1, 530f Micela, 23f, 584 Microadenomas, 164c Microcirculación, 399, 413f Microfilamentos, 37, 37, 37f Microglía, 172, 217, 217f Microtúbulos, 38, 38f Microvellosidades, 37, 37f, 574f Mielina, 172, 172f esclerosis múltiple, 217, 689c resistencias de la membrana, conducciones electrotónicas, 190c Milivoltios (mV), 97 Minerales, absorción, 587-8 Mineralocorticoides, 155 Miocardio, 366, 366-7. Véase también Músculo(s) cardíaco auricular, 366 células marcapasos, 368-9 fibras de conducción, 369 ventricular, 367 Miocardiopatía diabética, 701 Miofibrillas, 323, 324f filamentos finos y gruesos, 323 sarcómeros, 325f Mioglobina, 26, 26f, 344, 345 Miometrio, 646, 647f Miopía, 274, 274, 275f Miosina, 26, 26f, 38, 323, 325 actina, 326f, 328f, 329 contenido energético, 327, 328f filamentos musculares gruesos, 325, 326f lenta, 344 y rápida, 344 en el músculo liso, 353 rápida, 344 rica en energía, 327
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Mitocondrias, 34, 35f, 56f, 80, 80f Mitosis, 49, 51, 52f, 632f, 643 Moco, 571, 577 Modalidad de los estímulos, 254 Modelo de ajuste inducido de enzima y sustrato, 67 de los filamentos deslizantes, contracción muscular, 327, 327f de la llave en la cerradura, 67 Modulación presináptica, 205-7, 206f Molécula(s). Véase también Biomoléculas de adhesión celular, 39 anfipáticas, 21 átomos, 22c enlaces de hidrógeno y polares, 31c químicos, 31c fuerzas, 96-101 iones y enlaces iónicos, 33c lipófilas, 130 lipófobas, 130 movimiento térmico, 103f polares, 31c secretadas, 32, 32 soluciones y concentraciones, 62c transporte (véase Transporte celular de membrana) Moléculas MHC. Véase también Complejo principal de histocompatibilidad (MHC), moléculas de clase I, 682, 683f de clase II, 682, 683f Monoamino oxidasa (MAO), 209, 312 Monocitos, 443t, 444, 444f, 667f, 668 Monoglicéridos, 586f Mononucleosis, 667 Monosacáridos, 20f, 581-2 Monóxido de carbono, unión del oxígeno a la hemoglobina, 489 Monoyodotirosina (MIT), 625 Morfina, 196 Mórula, 657, 657f Mosaico fluido, 30, 30f Motilidad digestiva, 568, 570f, 595-9 actividad eléctrica en el músculo liso, 596f masticación, deglución, 597-8 motilidad del colon, 599 gástrica, 598 del intestino delgado, 598-9 peristaltismo y segmentación, 596-7 gástrica, 598 Motivación, 247 Motoneuronas, 167, 239. Véase también Unidad motora alfa, 350, 350f- 35lf y gamma, 350, 350f-351f contracción muscular, 314, 329-31, 342, 343f, 350-1 control de la respiración, 492, 492f gamma, 350, 350f-351f inferiores, 239 sistema nervioso somático, 316-17, 317f superiores, 240, 240f Movimiento de masa, colon, 599, 599 paracelular, 39 térmico, 59 voluntario, 239-42
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Í N D I C E A L FA B É T I CO
Mucinas, 571 Mucosa, 570, 571 Muerte celular programada, 678 Mujer(es) aparato reproductor (véase Aparato reproductor femenino) determinación y diferenciación sexual, 635, 637, 637f métodos de control de la natalidad, 656c Müller, sustancia inhibidora (MIS), 637 Multiplicador contracorriente, 539-41, 541f Muscular externa, 570, 571f, 571-2 de la mucosa, 571, 571, 571f Músculo(s), 323, 323-59 antagonistas, 348, 349f atrofia, 347, 348c cardíaco, 4, 323, 351, 354-5 (véase también Miocardio) acoplamiento de excitación-contracción, 374, 375f actividad eléctrica, 376-8 base iónica de la actividad eléctrica, 372-5 células de contracción, 373-4 marcapasos, 369, 370, 372-3 contractilidad miogénica, 355, 368-9 desmosomas, 39, 41f, 369, 369f estímulo eléctrico, 369f, 369-70, 371f, 371-2 fibras de conducción, 369 músculo esquelético, 352f, 356t liso, 352f, 356t potenciales de acción, 355f, 369, 369f, 371, 371f, 373f, 374t, 375f, 376 ciliar, 271, 271f circular (iris), 276 constrictor (iris), 276 contracción (véase Contracción[es] muscular) del corazón (véase Músculo[s] cardíaco) cuerpo, 323, 324f detrusor, 528, 528, 530f dilatador (iris), 276f esquelético(s), 3, 322-59, 323 células, 322f, 609, 612 contracción, 334-43 control de la actividad, 348-51 estructura, 323-7, 324f fibras, 343-7 generación de fuerza, 327-34 inserciones óseas, 323, 324f, 338f, 348, 349f micción, 528, 530 movimiento voluntario, 239-42 músculo cardíaco, 356t liso, 356t naturaleza neurógena, 368 respiratorios, 464f, 492 sistema nervioso somático, 316-18 utilización de la glucosa, 706c vías metabólicas, 332f estriado, 323 intercostales, 457, 459f externos, 457, 459f internos, 457, 459f liso, 4f, 323, 351-4 acoplamiento excitación-contracción, 352-3 actividad marcapasos, 354 arteriolar, 408-9
contracción, 353-54 filamentos musculares finos y gruesos, 353f monounitario, 354, 354f multiunitario, 354, 354f músculo cardíaco, 352f, 356t esquelético, 352f, 356t tubo digestivo, 596f uterino, 660 vascular actividad metabólica y cambios en la respuesta, 406 cambios del flujo, 408-9 estiramiento del músculo liso arteriolar, 408-9 mensajeros químicos secretados a nivel local y respuesta, 409t en los vasos, 400, 401f micción y vejiga urinaria, 528, 530f, 531 miógeno frente a neurógeno, 355 neurogénico, 355 papilares, 368 radial (iris), 276 rojo, 344 Mutaciones, ADN, 50-1 Mutágenos, 53c NAD (nicotinamida adenina dinucleótido), 26, 67-8 NAD+ (nicotinamida adenina dinucleótido), 74, 84, 84f NADH, 74, 78, 80, 84 Nefrona(s), 510 anatomía, 510, 512f cortical, 511-12, 513f procesos de intercambio, 514f, 512, 514-15, 526f yuxtamedulares, 511-12, 513f Nefropatía diabética, 523, 698-9, 699f Nernst, ecuación, 100c Nervio(s), 171 cervical, 224, 224, 225f coccígeo, 224, 225f coclear (par craneal VIII), 291 facial (VII par craneal), 308 frénico, 492, 492, 492f glosofaríngeo (nervio craneal IX), 297, 308 intercostal, 492, 492f lumbares, 224, 225f oculomotor (nervio craneal III), 308 olfativo (nervio craneal I), 298 óptico, 282, 283f raquídeos, 224, 224, 225f sacros, 224, 225f torácico, 224, 225f vago (nervio craneal X), 297, 308 vestibulococlear, 285, 285f Neumotórax, 461, 46lf espontáneo, 461 Neurogenia, 170c Neuroglia descripción, 145, 167, 172 enfermedades neurodegenerativas, 217 en la neuropatía diabética, 699 tipos, 172, 216, 217f Neurohormonas, 130, 150 Neurona(s), 2, 3, 4f, 129, 166f, 167-72, 215f aferentes, 171, 171f campos receptores, 257f, 260f primer orden, 258, 258f autónomas, 353 bipolar, 169, 170f
canales iónicos, 168-69 clasificación, 169, 170f-171f, 171 colaterales, 168 colinérgicas, 207-8 eferentes, 171, 171f motoneuronas, 239 uniones neuroefectoras como sinapsis, 311, 311f-312f espiratorias, 492, 494f estabilidad, 192-3 estructura, 168, 169f, 171 inspiratorias, 492, 494f y espiratorias, 492, 494f intrínsecas, 305 mixtas, 493, 493f motoras (véase Motoneuronas) multipolar, 170f, 171 neurotransmisores liberados (véase Neurotransmisores) posganglionares, 305, 306f postsináptica, 196, 198f, 199f potencial de acción, 186t de membrana en reposo, 175-7, 177f preganglionares, 305, 306f y posganglionares, 305, 306f presinápticas, 129, 197, 198f-199f, 249f, 250 y postsinápticas, 128-9, 197-8, 198f, 199f de primer orden, 258, 258f, 266 producción de nuevas (neurogenia), 170c receptoras, aparato digestivo, 590, 591f en reposo, 177-8, 186t de segundo orden, 258, 258, 258f, 266 señales eléctricas (véanse Potencial[es] de acción; Potencial[es] graduados) seudounipolares, 169, 170f sinapsis químicas (véase Sinapsis química) de tercer orden, 258, 258f, 266 transmisión de señales, 145f como unidad funcional del sistema nervioso, 167 Neuropatía diabética, 314, 699-700, 700t periférica, 191-2 Neuropéptidos, 207t, 211, 211-12 Neurotoxinas, 179. Véase también Toxinas Neurotransmisores, 128f, 129, 130t, 132-5, 207t, 207-12 acetilcolina, 207-8 aminas biogénicas, 208-9 aminoácidos, 209-10 clases, 207t dolor, 196 (véase también Dolor) neuropéptidos, 212 del sistema nervioso autónomo, 309f, 309-11, 311f-312f varicosidades, 311, 311f-312f vesículas sinápticas y almacenamiento, 198, 199f Neutralización, función de los anticuerpos, 679, 680f Neutrofilia, 443 Neutrófilos, 443, 443t, 444f, 668 Nicotina, 208 Nicotinamida adenina dinucleótido. Véase NAD (nicotinamida adenina dinucleótido) Niños, 621 Nitrógeno (N) en el aire, 478 «embolia gaseosa», concentración excesiva en sangre, 481c
Í N D I C E A L FA B É T I CO Nocirreceptores, 238, 263 activación, 265, 267 mecánicos, 265 en la piel, 263t, 265 polimodales, 265 térmicos, 265 Nódulo(s) auriculoventricular (AV), 355, 369, 370f linfoides, 571 sinoauricular (nódulo SA), 355, 369 efectos del reflejo barorreceptor, 426, 426f del sistema nervioso autónomo, 385f Nódulo AV. Véase Nódulo auriculoventricular (AV) Nódulo SA. Véase Nódulo sinoauricular (nódulo SA) Noradrenalina, 131, 136 depresión causada por deficiencia, 210c como neurotransmisor, 306, 309 unión a los receptores adrenérgicos, 209, 309, 310f, 311 Normovolemia, 537 Nucleasas, 577 Núcleo(s) de la base (ganglios basales), 233, 242 caudado, 233 célula, 29, 32f de la columna dorsal, 266 de los cuerpos neuronales, 171 gustativo (bulbo), 297 paraventricular, 150 del rafe magno, 269 rojos, 241 subcorticales, 224, 233 supraóptico, 150 supraquiasmático, 234 vestibulares, 241, 295 Nucléolo, 32 Nucleótido(s) cíclicos, 27, 27f descripción, 19, 26, 27f difosfato, 27f monofosfato, 26, 27f trifosfato, 26, 27f Nutrientes absorción, 580-9 contenido energético, 607 digestión, 580-9 energía producida por la oxidación, 607f esenciales, 89, 89 hígado y procesamiento metabólico, 577 Obesidad cirugía bariátrica, 705c-706c diabetes mellitus, 13-14, 347c, 704 Ocludinas, 39, 40f Oddi, esfínter, 578, 579f 1,25-(OH)2D3, 553, 555f Ohm, ley, 176, 176c Oído audición, 284-91 amplificación de los sonidos en el oído medio, 285-6, 286f, 288 anatomía, 284-5, 285f ondas sonoras, 285, 286f, 288c transducción de la señal, 286-91 vías neurales, 291 equilibrio, 292-5 aparato vestibular, 292 conductos semicirculares, 292, 293f
sáculo, 293-5 transducción de la aceleración lineal, 293-5 utrículo, 293-5, 294f vías neurales, 295 externo, 284, 285f interno, 241, 285, 285f medio, 285f-286f, 285-6, 288 Ojo(s) anatomía, 270-1, 271f fotorreceptores y fototransducción, 271, 277-9 reflejo de la luz pupilar, 239, 276 regulación de la cantidad de luz entrante, 276, 276f visión (véase Visión) Okazaki, fragmentos, 50 Olfato, 234, 297-9 anatomía, 297f localización del olor, 262f transducción de la señal, 298 vía neural, 298, 299f Oligodendrocitos, 172, 172f Olor. Véase Olfato Oncogén, 53c Onda(s) alfa, 246f beta, encéfalo, 246f cerebrales, 243 delta, 246f lumínicas características, 272 espectros de absorbancia, 279f regulación de la cantidad, ojo, 276, 276f sonoras amplificación, 285-6, 286f, 288 conducción, 289f decibelios (dB), 288c naturaleza, 285, 286f transducción de señales, 286-91 vías neurales para la audición, 291 Ondas P, 376 Ondas T, 376 Opioides endógenos, 212 Opsina, 278, 281 Opsoninas, 673 Opsonización, 673, 680f Organelas, 29 membranosas, 32-5 no membranosas, 36-8 Organización somatotópica, 232, 232f tonotópica, 291 Órgano(s), 2, 5-6 digestivo, 572-6, 580f efectores, 167, 167f, 197, 304 endocrinos, 150-7 primarios, 150, 150-6 glándula(s) paratiroideas, 155 pineal, 154 suprarrenales, 155-6 tiroides, 155 gónadas, 156 hipotálamo e hipófisis, 150-4 páncreas, 156, 157f secreciones, 158t-159t hormonales, 158t-159t timo, 155 secundarios, 150, 151f, 156, 159t
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irrigación, 405, 406f, 406-9 reproductores, 638f-639f, 640, 646-8, 647f-648f accesorios, 635, 640 desarrollo, embriones, 635, 636f femeninos, 646-8, 647f-648f masculinos, 638f-639f, 640 Orgánulos membranosos, 29, 32-5 no membranosos, 29, 36-8 centríolos, 36-7 citoesqueleto, 37-8 ribosomas, 36 vaults, 36, 36c Orgasmo, 644-5, 648 Origen, 348, 349f Orina, 508, 510, 523 Osmolaridad, 113 equilibrio de agua, 537-9 del plasma, 508 tonicidad, 114f, 116t Osmorreceptores, 544, 590, 591f Ósmosis, 112, 112-16 condiciones celulares, 113f osmolaridad, 113, 116t presión osmótica, 113-14, 115c reabsorción de agua, 539f tonicidad, 114-16 Osteoblastos, 553c, 623, 623f Osteocito, hueso, 623, 623f Osteoclastos, 553c, 623, 623f Osteoide, 623 Osteoporosis difusa, 553c Osteoporosis, 553c, 655 primaria, 553c secundaria, 553c Otolitos, 293, 294f Ovario(s) descripción, 635, 636f, 646, 647f dominante, 649 secreciones hormonales, 159t Oviductos (trompa uterina), 646, 647f Ovocitos, 648, 649 primarios, 648, 649 secundarios, 648, 649 Ovogenia, 648, 649 Ovogonias, 648, 649 Ovulación, 12, 646 Óvulo, 633, 648 desarrollo, 648, 649 fecundación, 633, 655 Oxidación, 58, 607f de la glucosa, 58, 72-84 ATP como medio de intercambio energético, 72-3, 73f cadena de transporte de electrones, 78, 78-82 conversión de piruvato a ácido láctico, 83-4 fase del ciclo de Krebs, 75-7 de la fosforilación oxidativa, 77-8, 80, 82f glucolítica, 74-5 intercambio energético, 72-3 resumen, 83, 83f Óxido nítrico, 207t, 212, 409t sintetasa, 212 Oxígeno (O2) afectación del músculo liso vascular, 409t en el aire, 478
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Oxígeno (O2) (cont.) conversión del piruvato a ácido láctico, 83-4 demanda metabólica y transporte, 83 efectos de las grandes alturas, 503c intercambio de gases de dióxido de carbono, 490-1 metabolismo, 82c presión parcial (PO2) en el aire, 478, 481t, 482f altitud, 503c en los alvéolos, 483-4 carga y descarga de dióxido de carbono y oxígeno, 491f transporte en la sangre, 485 ventilación afectada, 497f solubilidad, 480f transporte (véase Transporte de oxígeno en la sangre) Oxihemoglobina, 485 Oxitocina, 150, 212, 660, 663 Pabellón auricular, 284, 285f Pacini, corpúsculos, 256, 264f PAH (ácido paraaminohipúrico), 528, 529f Páncreas, 156, 577 anatomía, 157f, 578f endocrino, 156, 157f, 577, 578f exocrino, 156, 157f, 577, 578f funciones y secreciones, 159t, 580t Papilas, pirámides renales, 511f Paracrinas, 128, 128f, 130t Parada meiótica, 648 Pared gastrointestinal estructura, 69, 570-2, 571f mucosa, 570-1 muscular externa, 571-2 serosa, 572 submucosa, 571 torácica, 457, 459f Pares (nervios) craneales, 224, 230 clasificación, 231t III (nervio motor ocular), 308 VII (nervio facial), 297, 308 VIII (nervio vestibulococlear), 285, 291 IX(nervio glosofaríngeo), 297, 308 X (nervio vago), 297, 308 Parestesias, 699 Parkinson, enfermedad, 217, 242 Parótidas, 576, 577f Partícula(s) de lipoproteínas, 577 de soluto, 113 Parto, 635, 635, 661-2, 662f de nalgas, 661 Paso de unión, acción enzimática, 65 Pavlov, Ivan, 236 PCO2. Véase Dióxido de carbono, presión parcial (PCO2) Pedicelos, capilares glomerulares, 515 Pelvis renal, 510, 511f Pene, 638f, 640 Pepsina, 67, 573, 582, 583f Pepsinógeno, 573, 582, 583f, 592-3 Péptido(s), 24 absorción, 582 digestión de las proteínas a pequeños péptidos, 582, 583f inhibidor gástrico (PIG), 598
insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP), 590, 590t liberación, 133f como mensajeros químicos, 130t, 132-3, 133f natriurético auricular (PAN) descripción, 156, 550 equilibrio de sodio, 525, 550, 551f síntesis, 133f Percepción, 254. Véase también Sistema(s) sensoriales Pérdida de calor descripción, 617 en un medio cálido, 619-20 mecanismos, 538c, 638 insensible de agua, 618 obligatoria de agua, 543, 546c Perforinas, 674 Perfusión, 499-500 Pericardio, 366 Perilinfa, 288 Período latente, contracción muscular, 334, 334f refractario, 187 absoluto, 187, 187f en los nódulos auriculoventriculares, 370 potenciales de acción, 187, 187f relativo, 187, 187f Peristaltismo, 596, 596f, 596-7 Peritoneo, 510, 572, 572 Peritonitis, 575, 576c Permeabilidad de la membrana, 7, 103, 103 para el agua, 542- 3 en la difusión facilitada, 106-7 simple, 103-5 ley de Fick, 105c semipermeable, 114, 115c para los solutos, 114 Peroxisomas, 35 Personalidad, 235c Peyer, placas, 571, 670 Pez globo, 180c neurotoxinas, 180c pH, 70c actividad enzimática, 69 afinidad de la hemoglobina por oxígeno y efectos, 488 equilibrio acidobásico en la sangre, 500-1, 556f, 557 ventilación afectada por cambios, 497f Piamadre, 218f, 219 Pico, LH, 12, 654 Piel como defensa inespecífica, 671 discriminación entre dos puntos, 261-2, 262f glabra, 264 receptores sensoriales, 263t, 264, 264f Pieza media (esperma), 642f Pigmentos biliares, 577 Píloro gástrico, 573 Pinocitosis, 117, 118f Pirámides medulares, 241 renales, 511f Pirimidinas, 26, 27f
Pirógenos, 620 endógenos, 674 Pirosis, 129c, 567, 573 Piruvato conversión de ácido láctico, 83-4, 84f glucólisis y formación, 74-5 Placa(s) ateroscleróticas, 589c epifisaria, 623 motora terminal, 317, 318f, 329 Placenta, 156, 159t, 658, 659, 659f Plaquetas, 363, 436, 443t, 444-8 composición de la sangre, 443t espasmo vascular y respuesta, 445 formación del coágulo de sangre, 446-8 producción, 440f secreción de citocinas, 701 tapón, 445f, 445-6 Plasma, 8, 8f, 363, 436, 437 colesterol, 589c composición, 219t, 437t concentraciones de glucosa (véase Glucosa, efectos) eliminación de desechos, 508 de sustancias, 525- 9 homeostasis y composición, 534-5, 536f procesos de intercambio renal y regulación de la composición, 508 proteínas (albúminas, globulinas, fibrinógeno), 437 sanguíneo (véase Plasma) Plasmina, 448 Plasminógeno, 448 Pleura, 457, 459f parietal, 457, 459f visceral, 457, 459f Plexo coroideo, 219 mientérico (de Auerbach), 571 submucoso (de Meissner), 571 PO2. Véase Oxígeno, presión parcial (PO2) Podocitos, 515 Poiquilotérmico, 617 Poiseuille, ley, 399c Policitemia, 437, 503c Polidipsia, 546 Polispermia, 655 Polifagia, 697 Polioles, 697 Polipéptidos, 24, 42, 45, 47f. Véase también Síntesis de proteínas Polirribosoma, 45 Poliuria, 546, 696 Poros alveolares, 457, 458f de hendidura, 515 nucleares, 32, 32f Poscarga, 386, 390 Posparto, 661 Posthiperpolarización, 182f, 183, 186t Postura, 241 Potasio (K+) absorción, 587 actividad eléctrica en los músculos cardíacos, 372, 373, 373t-374t aldosterona, 161f, 551 bomba (véase Bomba de sodio/potasio [Na+/K+]) canales iónicos (véase Canal[es] iónico[s] de calcio)
Í N D I C E A L FA B É T I CO fuerzas que actúan sobre los iones, membrana, 101f homeostasis y equilibrio, 550-1 músculo liso vascular, 409t potenciales de equilibrio, 173-5 de membrana de las células permeables, 174, 174f tratamiento renal, 550-1 Potenciación, 249, 249f, 594 a largo plazo (PLP), 249, 249f Potencial(es) de acción, 167, 168, 179-80, 181-91 base iónica y fases, 182f, 183 canales iónicos de umbral de voltaje, 184-85, 185f, 186t codificación de frecuencia, 188f (véase también Codificación de frecuencia) en la contracción muscular, 329, 330f, 331f en el músculo cardíaco, 355f, 369, 369f, 371, 371f, 373f, 373t-374t, 375f, 376 neuronas en reposo y en las fases, 186t períodos refractarios, 187-8 potenciación a largo plazo, 249, 249f potenciales graduados, 179, 182f, 183t propagación, 189-91, 191f de despolarización de membrana, 179 fototransducción, 278, 279f potenciales de acción, 182f, 183, 186t eléctrico (voltaje), 97 (véanse también Potencial[es] de acción; Potencial[es] graduados) en neuronas (véase Potencial[es] de membrana [Vm]) en sistemas biológicos, 173t, 174c endococlear, 288 de equilibrio, 99 ecuación de Nernst, 100c iones de potasio, 173-5 de sodio, 173-5 potencial de membrana residual, 173-5 generadores, 255 graduados, 180f, 179-81 excitatorios, 181 inhibidores, 181 potenciales de acción, 183t propiedad(es), 181f decreciente, 180, 181f suma(s) espacial, 181, 182f, 204-5 temporales, 181, 182f, 204-5 marcapasos, 354, 372, 373f de membrana (Vm), 97, 97-8 acción, 181-91 (véase también Potencial[es] de acción) cierre/apertura de los canales iónicos y cambios, 180f descripción de los cambios, 179-80 efectos de la valencia iónica, fuerza eléctrica, 99f fuerza eléctrica, 98-9 graduados, 179-81 mantenimiento de la estabilidad neural, 192-3 en reposo, 173, 173-9 ecuación GHK, 178c estado estacionario, 176, 177f
de las neuronas, 175-7, 177f en reposo, 177-8, 186t potenciales de equilibrio para los iones potasio y sodio, 173-5 transmisión de señales eléctricas mediante cambios, 179-92 umbral, 181 de ondas lentas, 354, 571 de la placa terminal (PPT), 317, 329 postsináptico (PSP), 200 excitatorio (PPSE), 200, 200-1, 249, 317 inhibidor (PPSI), 201-3 receptores, 255, 255 Precarga (presión telediastólica), 389, 390 Prediabetes, 14 Prepropéptido, 133, 133f Presbiopía, 274 Presentación de antígeno, 682, 682-3, 683f Presión arterial, 378, 380f, 395, 402, 402-4 alta (véase Hipertensión) barorreceptores, 428-9 control autonómico, 313, 313f, 395 descenso, vasos, 404, 405f determinación, 402-3, 403f leyes físicas, 396-9 media (PAM), 423-8 control extrínseco, 409-11, 429t hormonal, 411, 427 neural, 423-5 descripción, 381, 397, 399, 402, 421-9 determinantes, 422 factores que afectan a la presión venosa, 420f fórmula para estimar, 403 hemorragia y recuperación, 426-7, 427f liberación de angiotensina II, 548, 549f, 550 de renina estimulada por la reducción, 550f presión arterial, 428c, 428-9 reflejo barorreceptor, 424-7 medida, 402, 403f en las venas (véase Presión venosa central [PVC]) atmosférica (Patm), 460 de distensión, 404c, 423 diastólica (PD), 380, 403 diferencial, 403 de filtración glomerular, 515, 516f hidrostática capilar (Pcap), 414, 415f glomerular (PHCG), 515 cápsula de Bowman (PCB), 515, 516 desplazamiento a través de las paredes capilares, 414 del líquido intersticial (PIF), 414, 415f intraalveolar (Palv), 460, 462-3, 463f intrapleural (Pip), 460 neta de filtración (PNF), 415, 415-16 osmótica ($), 113, 113-1 4 capilar (PCAP), 414, 415f cápsula de Bowman (PCB), 515-16 coloide, 415 determinación, soluciones, 115c glomerular (PCG), 516
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del líquido intersticial (PLI), 414, 415f movimiento a través de las paredes capilares, 415 parcial de los gases, 478, 478-9 en los alvéolos, 483-4 del dióxido de carbono (PCO2) (véase Dióxido de carbono, presión parcial [PCO2]) grandes alturas, 503c ley de Dalton, 478c de oxígeno (PO2) (véase Oxígeno, presión parcial [PO2]) pulmonar, 460f, 460-1 sistólica (PAS), 381, 403 telediastólica (precarga), 389-90 transpulmonar, 460 venosa central (PVC), 390, 397, 397-8 ventricular, 380, 380f Primer cuerpo polar, 648, 649 Primera ley de la termodinámica, 59 Principio del tamaño, 342, 342f del todo o nada, 186, 186 Procesamiento neural en la retina, 281-2 paralelo, 241, 283 tras la traducción, 47, 48f tras la transcripción, 44f Proceso(s) de intercambio renales, 512, 514-24 diálisis como tratamiento ante el fracaso, 523c filtración glomerular, 515-19 reabsorción, 514, 519-23 secreción, 515, 523-4 en los túbulos renales, 514f, 515 (véase también Túbulo[s] renales) de internalización en la fagocitosis, 673, 673f Producción de fuerza por el músculo, 327-34, 337-43. Véase también Tensión acoplamiento excitación-contracción, 329-31 capacidad de generar fuerza y diámetro, 339-40 ciclo de los puentes transversos, 327-9 estímulo de la fibra muscular, 337-9 longitud de las fibras musculares, 340-1 modelo de deslizamiento filamentoso, 327 regulación, 341-3 Productos finales de la glucosilación avanzada, 697 de las vías metabólicas, 58 intermedios en las vías metabólicas, 58 Profase (mitosis), 51, 52f Progesterona, 153f, 154, 635 acciones, 654t ciclo menstrual, 649, 652f, 653f embarazo, 659, 659f función reproductora a largo plazo en la mujer, 655 Prolactina, 660 Prolongaciones neurales, 168 Prometafase (mitosis), 51, 52f Propiorrecepción, 232, 254 Propiorreceptores, 424 Prostaciclinas, 134, 409t, 446 Prostaglandinas, 23, 134, 135c, 265 Proteasas, 49, 577, 582, 584f Proteasoma, 49
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Proteína(s), 19, 23, 23-6 aminoácidos, 45-6 (véase también Aminoácido[s]) captación, utilización y almacenamiento energético, 605, 606f, 607t cinasa, 71, 139 activada por AMP, 250c, 704 cinasa A, 142 cinasa C, 143, 698, 706c complemento, 676 contráctiles, 325 (véanse también Actina; Miosina) degradación, 49 desacoplantes, 80, 81c digestión y absorción, 582, 583f estructura tridimensional (conformación), 25f-26f, 26 de fase aguda, 674 fibrosas, 26, 26f y globulares, 26, 26f globulares, 26, 26f con hierro-azufre, 78 integrales de la membrana, 30 interacciones entre ligandos, 66c intercambiables, 414 ligadoras del olfato, 298 mayor de vault (MVP), 36c como mensajeros químicos, 130t, 132-3 de membrana, 30-2 periférica, 32 metabolismo, 85-6, 88-9, 90f energético, 608-12 niveles estructurales, 25f, 26 plasmáticas, 578 reguladoras en las fibras musculares, 325 síntesis (véase Síntesis de proteínas) transmembranosas, 30 canales, 107 transportadores, 106-7 transportadoras, 40, 105, 105-6, 110-11, 135 de andrógenos, 639 en la difusión facilitada, 105-6 proteínas globulares, 26 transporte de calcio, 552 de glucosa, 106f, 521f de mensajeros químicos, 135-6 unión de hormonas, 160 de transporte (véase Proteína[s] transportadoras) de unión olfatoria, 298 Proteína C, 447 reactiva, 674 Proteína G, 31, 140, 298, 544 acciones, 139, 142f, 200f cólera, 141c estimuladora, 141 fototransducción, 278, 278f gustducina y sentido del gusto, 296 inhibidoras, 141 inhibitoria, 141 receptores adrenérgicos acoplados, 209, 310f, 311 colinérgicos muscarínicos, 208, 208f sinapsis excitadoras, 201f tipos y grupos, 141 Proteoglucanos, 701 Proteólisis, 88 Protooncogenes, 51, 53c
Protuberancia, 229f, 230 centros de control respiratorio, 493, 493f función autónoma y papel, 313f, 314 Proyecto Genoma Humano, 694 Prueba(s) de función pulmonar, 471 de tolerancia oral a la glucosa, 15 Pubertad, 624, 637 Pudendo, 648 Puente disulfuro, 26 Pulmón descripción, 7, 451f, 452, 453f distensibilidad, 466 intercambio de gases, 481-3, 490f irrigación, 459f presiones pulmonares, 460f surfactante pulmonar, 466 tensión superficial, 466, 467c ventilación alveolar, 471, 471f Punción lumbar, 222, 224 Punto ciego, 271, 271f fijo, 11 focal, 272 Pupila (ojo), 271, 271f, 276, 276f Purinas, 26, 27f, 210, 688 Purkinje célula, 3f fibras, 370, 370f Putamen, 233 Queratina, 38, 671 Queratinocitos, 701 Quiasma óptico, 283 Quilíferos, 574, 574f Quilomicrones, 585, 589c Quimiorreceptor(es), 12, 254, 494 características, 255t centrales, 494, 496, 496, 497f control de ventilación pulmonar, 496-8 función cardiovascular, 424, 429-30 periféricos, 494, 496, 496f respiración, 494, 494f en el tubo digestivo, 590, 591f Quimiotaxis, 672 Quimioterapia, 53c Quimo, 573 Quimotripsina, 582, 583f Quistes de «chocolate», 651c dermoides, 651c foliculares, 651c hemorrágicos, 651c luteínicos, 651c ováricos, 651c Radiación(es), 538c, 618 ópticas, 283, 283f Radicales libres, 82c Radioterapia, 53c Raíces dorsales, médula espinal, 226 ventrales, médula espinal, 226 Rama(s) ascendente gruesa, asa de Henle, 511 descendente (asa de Henle), 511 del haz, 370 Ramo blanco, 306, 307f gris, 306, 307f
Rampa media, 287f, 288 timpánica, 287f, 288 vestibular, 287f, 288 Ranvier, nódulos, 172, 172f Reabsorción hueso, 552, 623 renal, 7, 514, 519-23 del agua, 520-1, 521f barreras, 520f de la glucosa, 521f, 522f no regulada, 524f, 524-5 regulada, 525 del sodio, 539f de solutos, 520-1, 521f transporte máximo, 522-3 velocidad de filtración, 520t Reacción(es) acrosómica, 655 anabólicas, 57, 61 de catabolismo, 57, 61 de condensación, 24, 58 de derivación, 86 endergónica, 60 exergónicas, 60 de hipersensibilidad, 687 injerto contra anfitrión, 687 metabólicas catabólicas y anabólicas, 57 energía, 59-64 del estado absortivo, 610f postabsortivo, 611f estrés oxidativo, 82c de las grasas, 85-90 de los hidratos de carbono, 85- 90 de la oxidación de la glucosa, 72- 84 de las proteínas, 85- 90 reactantes, 57 respuesta del músculo liso vascular, 407, 407f tipos, 57-9 velocidades, 64-72 de oxidación-reducción, 58-9 químicas (véase también Reacción[es] metabólicas) acoplamiento, transferencia energética, 74f cascada, 144f, 145 descripción, 64 direcciones, 57, 61 enzimas, 65-72 equilibrio, 61 intercambios energéticos, 59-62 reactivos y productos, 57 velocidad, 64-72 transfusional, 686 Reactantes, 57, 64 Receptor(es), 41, 128 adaptación, 256-7 lenta (tónicos), 256, 256f rápida (fásicos), 256 adrenérgicos, 136, 209, 309 adrenalina, 209, 310f alfa (A), 209, 310, 310f, 312t beta (ß), 209, 310, 310f, 312t noradrenalina, 209, 310f sistema nervioso simpático, 310-11 agonistas y antagonistas, 138 alfa adrenérgicos, 209, 310, 310, 310f, 312t
Í N D I C E A L FA B É T I CO de antígenos en los linfocitos B y T, 676-7, 677f autorreceptores, 209 betaadrenérgicos descripción, 209, 310, 311, 312t, 383 unión de adrenalina, 310f de calor, 264, 265f de las células T (TCR), 677, 677f colinérgicos, 208, 208, 208f, 309, 309, 309-10 mecanismos de transducción de la señal, 208f muscarínicos, 208, 208f, 309, 310 nicotínicos, 208, 208f, 309, 310 de dihidropiridina (DHP), 329 endocitosis, 117 especificidad, 136f, 676f de estiramiento pulmonares, 494 fásicos (de adaptación rápida), 256 fisiología, 254-7 del folículo piloso, 263-4 fotorreceptores (véase Fotorreceptores) glucosa, 615 ionotrópico (ligado a canales), 199, 199, 200f irritantes, 494 ligado a canales, 139, 139, 199, 199, 200f a enzimas, 139, 139-40 a proteína G, 140, 140, 140-4 AMPc, 142, 143f-144f enzimas reguladas por proteína G, 141, 142t GMPc, 143 sistema de segundo mensajero de fosfatidilinositol, 143f, 143-4 magnitud de la respuesta celular dirigida y unión, 137f, 137-8 metabotrópico, 200, 200 olfativo, 257, 298 propiedades, 136-8 proteínas globulares, 26 purinérgicos, 210 receptividad, 136f de rianodina, 329 sensoriales, 171, 254, 254, 254-6 para la actividad muscular coordinada, 350-1 adaptación, 256-7 características, 255t estructura, 256f función, 256f en la piel, 263t, 264, 264f transducción sensorial, 255-6 del sistema nervioso autónomo, 309-11 somatosensitivos, 263t, 263-5 térmicos, 264, 265f tónicos (adaptación lenta), 256, 256f en el tubo digestivo, 590, 591f viscerales, 171, 254 visuales (véase Retina) de volumen, 424, 430 Reclutamiento, 341-2 principio del tamaño, 342-3, 342f de unidades motoras, 342 Recto, 575f, 580t Red de espectrina, 438 Reducción, 58 Redundancia frente a procesamiento paralelo, 241
Reflejo(s), 236, 236-9 autónomos, 236 barorreceptor, 424, 424-7 control hormonal, 429t hemorragia, 426, 427f hipertensión, hipotensión, 426, 428c presión arterial media, 424, 426f clases, 237t colocolónico, 599 condicionados, 236 craneales, 236 cruzado extensor, 238, 238, 238f defecación, 599 deglución, 597, 597f estiramiento, 237f, 237-8 del huso muscular, 237, 237, 237f gastrocólico, 599 gastroileal, 599 ileogástrico, 599 innatos, 236 intestinointestinal, 599 lumínico pupilar, 239 miccional, 530, 530f monosinápticos, 236 polisinápticos, 236 pupilar lumínico, 239, 276 quimiorreceptor, 497-8 raquídeos, 236 respuesta al dolor, 267 de retirada, 238, 238, 238f y extensor cruzado, 238, 238f salivación, 236, 248 somáticos, 236 tendinoso, 351 visceral, 236, 313, 313, 313f del vómito, 598 Reflexión (luz), 272 Reflujo gástrico, 567, 572f, 573 Refracción (luz), 272, 272f, 273f Regulación. Véanse también Control extrínseco; Control intrínseco de la actividad enzimática, 70-2 alostérica de la actividad enzimática, 70, 71f al alza, 137 del aparato cardiovascular arritmia sinusal respiratoria, 429 bulbo raquídeo y vías neurales, 423-4, 425f control del gasto cardíaco, 383, 384f, 391f de presión arterial, 396-9, 428-9 flujo de sangre, 396-9 presión arterial media, 423-8 reflejos quimiorreceptores, 429-30 respuestas termorreguladoras, 430 digestivo, 589-92 a la baja, 137 de los cambios hormonales en las fases reproductoras femeninas, 653f, 654f de la circulación y ventilación pulmonar, 491-5 de la contracción del músculo liso, 353-4 control neural (véase Control neural) covalente de la actividad enzimática, 70, 70-1 durante el ejercicio, 410c de la filtración glomerular, 517-19 del flujo de sangre durante el ejercicio, 410c de la fuerza generada por los músculos en su conjunto, 341-3
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de la función cardiovascular (véase Regulación del aparato cardiovascular) reproductora femenina, largo plazo, 654-5 masculina, hormonas, 641-2 del sistema nervioso autónomo, 312- 14 del gasto y el ritmo cardíaco, 383, 384f, 385f, 391f de la glucemia, 614-15 hidroelectrolítico, 554-6 hormonas hipotalámicas y adenohipofisarias, 154, 154f de la lactancia, 660, 663f del metabolismo energético durante los estados absortivo y postabsortivo, 612- 16 miogénica de la filtración glomerular, 517, 517-18, 518f de la motilidad del colon, 599 digestiva, 598 del intestino delgado, 599 de la perfusión y ventilación, 499-500 de la presión arterial media (PAM), 423-8 de la reabsorción y secreción renal, 524f, 525 del ritmo respiratorio en el tronco del encéfalo, 492-4 de las secreciones digestivas, 592-5 de la síntesis de proteína, 47 de la transcripción, 47, 49 Rehidratación, 538c Relajación isovolumétrica, 379f, 380 receptora, 598 Remodelado del tejido, 701 Rendimiento,12 Renina, 411, 512, 548, 550 Replicación del ADN, 50, 5lf semiconservadora del ADN, 50 Repolarización de los potenciales de membrana, 179, 182f, 183,186t Reproducción sexual. Véase también Aparato reproductor determinación y diferenciación sexual, 635-7 gametos, 633-4 mujeres, 645-63 patrones de actividad, 637 selección y empaquetamiento de genes en la gametogenia, 634-5 varones, 638-45 Reservas energéticas, 610 Reservorios de presión, 381, 401, 402f Resfriado paradójico, 264 Resistencia aparato cardiovascular, 398-9 arteriolas y resistencia al flujo, 404-5 circulación sistémica relacionada con los gradientes de presión, 399 distribución del flujo de sangre a los órganos, 406f vasos, 398-9, 399c eléctrica, 176, 176c a múltiples fármacos, 36c periférica total (RPT), 399 presión arterial media, 422, 422f resistencia de la vía respiratoria, 466 vía respiratoria, 466, 468-9
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Respiración, 452, 461-6. Véase también Aparato respiratorio control neural, 492, 492f disnea (dificultosa), 469 espiración, 463-5, 465f externa, 452, 452, 453f (véase también Ventilación pulmonar) funciones, 452 gradientes de presión, ley de Boyle, 461, 462c impulsos periféricos hacia los centros respiratorios, 494-5 inspiración, 463, 465f interna, 452, 452, 453f motoneuronas, 492, 492f músculos respiratorios, 463, 464f presión intraalveolar, 462-3, 463f quimiorreceptores y control, 429-30 ritmo, 492-4 tranquila, 492f, 494, 494f Respuesta(s) decidual, 658 al dolor, 267 inmunitaria, 668 autotolerancia, 676, 678-9 disfuncional, 689 diversidad, 677-8 específica, 671 (véanse también Inmunidad celular; Inmunidad humoral) autotolerancia, 678-9 diversidad, 677-8 memoria, 678 especificidad, 676f, 676-7 estrés, 688-9 memoria, 678 primaria, 678, 678, 679f secundaria, 678, 678, 679f tipos (véanse Inmunidad celular; Inmunidad humoral) en las transfusiones y los trasplantes, 686-7 vacunas, 685f, 685-6 frente a los virus, 684f intracelulares mediadas por receptor, 138 de lucha o huída, 304, 424, 628 mediadas por receptor, 138-44 ligado a la membrana, 138-44 amplificación de la señal, 144-5 receptores ligados a los canales, 139 a enzimas, 139-40 a proteína G, 140, 140-4, 144f miogénica, 408, 408f, 408-9 sexual femenina, 648 masculina, 644-5 Rete testis, 640 Retículo endoplásmico, 32, 32, 34f, 47, 48f liso, 32, 34f rugoso, 32, 34f sarcoplásmico, 323, 324f acoplamiento excitación-contracción, 329, 330, 330f control de los canales para el calcio, 331f Reticulocito, 441 Retina, 271, 271f anatomía, 276, 277f bastones, 277f conos, 277f
fototransducción, 271, 277-9 procesamiento neural, 281-2 Retinopatía diabética, 698 Retorno venoso, 378 Retraso en el nódulo AV, 370, 370f sináptico, 199 Retroalimentación inhibitoria de actividad enzimática, 71 negativa, 10 de asa, 12f corta y larga, 154 control de la variable regulada, 10-13, 12f de la glucemia, 614-15 en la homeostasis, 12, 12f en la regulación de la presión arterial media, 423 en la secreción de hormonas hipotalámicas y adenohipofisarias, 154f positiva, 12 tubuloglomerular, 518, 518, 518f Ribosa, 26, 27f Ribosomas, 32, 32, 34f-35f, 45 Ricina, 49c Riñón, 508, 509f. Véase también Aparato urinario anatomía, 509-12, 511f diálisis, 523c donado, 507 edema, 417 efectos de la hiperglucemia, 698 enfermedades, 523c equilibrio acidobásico, 503c, 556-63 del calcio, 551-4, 553f, 555f hídrico, 537-46 del potasio, 550-1 del sodio, 546-50 excreción (véase Excreción) filtración capilar, 417 función endocrina, 508 homeostasis y papel (véase Homeostasis, aparato urinario) hormonas secretadas, 156, 159t irrigación, 366, 512, 514f procesos de intercambio, 508-9, 512, 514-24 regulación de la glucemia, 508 hidroelectrolítica, 554-6 túbulos renales (véase Túbulo[s] renales) Ritmo circadiano, 154 aferencias lumínicas, 281 desfase horario, 162c eléctrico basal (REB), 595 Rodopsina, 278, 278f Roux, derivación gástrica en Y, 705c Ruffini, terminaciones, 264f Sabor ácido, 296, 297f dulce, 296, 297f salado, 296, 297f Sacarasa, 581 Sacarosa, 20f, 296, 297f Sacos alveolares, 457, 458f pleural, 457, 459f Sáculo, 292 anatomía, 294f transducción de la aceleración lineal, 293, 295
Sales biliares, 573, 584 acción, 584, 585f representativas, 584f Salino isotónico, 114 Saliva, 572, 576 componentes, 577 regulación de la secreción, 592 Salud, 684- 9 Sangrado. Véase Hemostasia Sangre, 4f, 361, 363, 435-50 azul (desoxigenada) (véase Sangre desoxigenada [azul]) composición, 436-7, 443t desoxigenada (azul), 364, 364f, 453f, 477f, 482f efectos de las grandes alturas en los niveles de oxígeno, 503c durante el ejercicio, 704- 5 equilibrio acidobásico, 500-1, 556f, 557-61 eritrocitos, 2, 363, 436, 437-42 exceso de nitrógeno, 481c fetal, 659 flujo (véase Flujo sanguíneo) hematócrito, 436f, 436- 7 leucocitos, 363, 436, 443t, 443-4 materna, 659 niveles hormonales, 159, 160-1 oxigenada (roja), 364, 364f, 453f, 477f, 482f y desoxigenada, 363, 364f, 453f pH, 500, 556f plaquetas, 363, 435f, 436, 443t, 444-8 plasma, 363, 436, 437t (véase también Plasma) resistencia, 398-9 roja (oxigenada) (véase Sangre oxigenada [roja]) suministro (véase Aporte sanguíneo) transporte de dióxido de carbono, 489-91 de mensajeros químicos, 135, 135f de oxígeno, 485-9 venosa mezclada, 483 mixta, 483 Sangría, 448c Sanguijuelas, 448c Sarcolema, 323, 324f, 329, 330f Sarcómero, 325 componente contráctil, 336 contracción y relajación, 327f estructura, 325f filamentos finos y gruesos y enlaces transversos, 326f Saxitoxina (STX), 180c Schwann, células, 172, 172f Sebo, 671 Secreción(es), 7, 119 aparato digestivo, 568, 569f, 592-5 del citosol, 32 gástricas, 573, 592-5 renal, 515, 523-4 Secretina, 590, 590t, 593, 594f Secuencia líder, 46, 47f promotora, 42 Segmentación, 596, 596f Segmento anterior (ojo), 271 posterior (ojo), 271 Segmento T-Q, 376 Segundo cuerpo polar, 648, 649 mensajero, 139, 141-3, 142t, 143f
Í N D I C E A L FA B É T I CO Selección clonal, linfocitos B, 677, 677f independiente, 634 Selectinas, 672 Semen, 645 Semillas de ricino, producción de ricina, 49c Semivida de los mensajeros químicos, sangre, 136 Señales de saciedad, 591 Señalización eléctrica mediante cambios en el potencial de membrana, 179-92 Sensaciones somestésicas, 232, 254 Sensibilización, 248 Sentidos especiales, 167, 254 somáticos, 167 Separación de las cargas a través de la membrana celular, 97, 98f celular, 657, 657f Serosa, 570, 571f, 572 Serotonina, 245c depresión mental y deficiencia, 210c formación del coágulo de sangre, 445 Sertoli, células, 638, 639f, 640t, 643 Shock anafiláctico, 687 Sida, 683 Sigma, 575, 575f, 600c Silvio, cisura (cisura lateral), 231 Sinapsis, 129, 168, 169f, 196f axoaxónica, 198, 205-6, 206f modulación presináptica, 205-7, 206f colinérgica, 207f eléctricas, 197, 197 excitatoria, 200, 200-1, 20lf inhibidora, 201, 201-3, 202f química, 197, 197-203 (véase también Neurotransmisores) anatomía, 197-9, 199f excitadora, 200-1 inhibidora, 201-3 transducción de la señal, 199-200 (véase también Transducción de la señal) vesículas sinápticas, 198, 199f Síndrome de dificultad respiratoria del lactante, 466 de inmunodeficiencia adquirida (sida), 683 de vaciamiento rápido, 706c Sinestesia, 260c Singultus (hipo), 451 Síntesis de proteínas, 41-9 código genético, 42 degradación de proteínas, 49 destino de las proteínas, 45-7 hormona del crecimiento, 621 procesamiento y empaquetado de las proteínas tras la traducción, 47, 48f regulación, 47 retículo endoplásmico, 32, 47, 48f ribosomas, 32, 36, 45 traducción, 42, 45-6, 49 transcripción, 42-4, 47, 49 Sinusoides, 579f Sistema(s) de activación reticular ascendente (SARA), 244, 244f de analgesia endógenos, 269, 269f auditivo, 284 (véase también Audición)
del complemento, 671, 674-5, 675f de conducción, corazón, 368-71, 369 células marcapasos del miocardio, 369-70 fibras de conducción del miocardio, 369 inicio y conducción del impulso durante el latido cardíaco, 370, 370f transmisión de la excitación entre células, 369-70 endocrino, 6t, 149-65, 603- 31 (véase también Glándula[s] endocrinas) captación, utilización, almacenamiento y regulación energética, 605-6 características, 146t comunicación a larga distancia, 145-6 control digestivo, 590-1 glucocorticoides, 627-8 hormonas, 159, 160-3, 620-5, 629t (véase también Hormona[s]) tiroideas, 625-7 metabolismo absortivo regulado, 612-16 energético, 604-5, 608-12 postabsortivo regulado, 612-16 órganos primarios, 150-6, 151f, 158t-159t secundarios, 150, 151f, 156, 159t inmunitario, 6t, 667-92 anatomía, 668-70 defensas inespecíficas, 671 esclerosis múltiple como enfermedad autoinmunitaria, 217, 687, 689c inmunidad celular, 675, 681-4 humoral, 675, 680-1 leucocitos, 443t, 668-70 tejidos linfoides, 670, 670f terapia génica para las enfermedades, 690c límbico, 234, 234f emociones, 247, 247f, 313 función autónoma, 314 linfático, 416, 421, 421f musculoesquelético, 6t nervioso, 6t, 167-95 autónomo, 167, 168f, 304-15 anatomía, 304-8 áreas cerebrales relacionadas, 313f, 313-14 composición mixta de los nervios, 308 control digestivo, 589, 59lf división craneosacra, 308 parasimpática, 167, 168f, 304, 305f simpática, 167, 168f, 304, 305f, 424 función del aparato cardiovascular, 383, 384f-385f, 391f, 424 hipotálamo, 233-4 inervación, 314t-315t doble, 304, 305f neurotransmisores y receptores, 309-11 propiedades, 320t regulación cardíaca, 383, 384f-385f, 391f, 424 de funciones autónomas, 312-14 respuesta al dolor, 267 sexual, 644, 648
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secreción de insulina, 612-13 uniones neuroefectoras, 311f-312f, 311-12 características, 146t células, 167-72 central (SNC), 167, 168f, 215-52 anatomía, 216-24 aprendizaje y memoria, 247-50 barrera hematoencefálica, 220-2 cerebro, 230-6 control digestivo, 589-90, 591f motor voluntario, 239-42 emociones y motivación, 247 irrigación, 219-20 lenguaje, 242-43 médula espinal, 224-8 neuroglia, 216, 217f plasticidad, 248-50 reflejos, 236-39 sinapsis eléctrica, 197 sistema de vías sensoriales, 258f soporte físico y protección, 217-19 sueño, 243-6 sustancia gris y blanca, 222, 223f, 224 entérico control digestivo, 590, 591f descripción, 167, 168f, 571 estabilidad neural, 192-3 integración neural, 203-5 intrínseco, 571 involuntario (véase Sistema[s] nervioso autónomo) modulación presináptica, 205-6, 206f neurotransmisores, 207-12 (véase también Neurotransmisores) organización, 167, 168f parasimpático, 167, 168f, 304 anatomía, 308f corazón, 384f, 386 inervación dual, 304, 305f vías neurales, 308f periférico, 167, 168f neurotransmisores, 309 vías de los sistemas sensoriales, 258f plasticidad, 248-50 potenciales de acción (véase Potencial[es] de acción) de membrana en reposo establecido, 173-9 regulación (véase Control neural) simpático, 167, 168f, 304 anatomía, 306- 8 control cardiovascular, 424 de la contractilidad ventricular, 386-7, 387f del radio arteriolar, 410-11 corazón, 384f, 386 efectos de la adrenalina, 615-16 de la inervación, 314t-315t inervación doble, 304, 305f metabolismo energético, 615- 16 regulación del flujo sanguíneo cutáneo, 619 respuestas al ejercicio, 388c de estrés, 211c, 615-16, 628 vía neural, 306f
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Sistema(s) (cont.) sinopsis, 167, 168f sistemas sensoriales (véase Sistema[s] sensoriales) somático, 167, 168f, 304, 316-18 anatomía, 316-17, 317f defectos en la función, 319c propiedades, 320t uniones neuromusculares, 316-18 transmisión de señales eléctricas mediante cambios en el potencial de membrana, 179-92 sináptica (véase Sinapsis) voluntario, 316 (véase también Sistema[s] nervioso somático) orgánicos, 5, 6t renina-angiotensina-aldosterona (SRAA), 548-50 de segundos mensajeros del fosfatidilinositol, 143,143f, 310, 310f sensoriales, 167, 168f, 253-302 gusto, 295-7 oído, 284-95 olfato, 297-9 principios fisiológicos relacionados, 254-63 sistema sensoriales (sensibilidad corporal), 263-70, 270c visión, 270-84 somatosensitivo, 254, 263-70 corteza somatosensitiva, 232, 232f, 265 dolor (véase Dolor) receptores, 263t, 263-5 vías, 265-7 tegumentario, 6t vascular porta hipotálamo-hipofisario, 150, 150, 152, 153f vestibular, 284, 285, 292, 292f (véase también Equilibrio [balance]) Sístole, 378, 379f, 402f auricular, 378 Sitio A, 45 Sitio P, 45 Sitio regulador, enzima, 70 Sobrecruzamiento, 634 Sodio (Na) absorción, 547f, 547-8, 587 actividad eléctrica en los músculos cardíacos, 372, 373f, 374, 374t canales iónicos (véase Canal[es] para el sodio) homeostasis, 546-50 péptido natriurético auricular, 550, 551f potenciales de equilibrio, 173-5 de membrana de las células permeables, 174-5, 175f reabsorción, túbulo proximal, 539f sabor salado, 296 Solución(es) concentración, 62c energía libre, 96c hiperosmóticas, 113 hipertónicas, 114, 117f hipoosmóticas, 113 hipotónicas, 114, 117f isoosmóticas, 113 hiperosmótica e hipoosmótica, 113 isotónica, 114 hipertónica e hipotónica, 114, 117f presión osmótica, 115c de salino, 114
Soluto(s), 62c composición del plasma, 535-6 concentraciones de algunos seleccionados en los líquidos intra- y extracelulares, 95t eliminación de solutos en los túbulos renales, 525-9 filtración glomerular y reabsorción del agua, 520t homeostasis, 536-7 reabsorción, 520-1, 521f transporte epitelial, 119, 120f Somatostatina, 153f, 154, 156 Somnambulismo, 243 Sorbitol, 697 Staphylococcus aureus, 669 Starling curva, 388, 389f efecto, 387-8 fuerzas, 414 filtración glomerular, 515, 516f a través de las paredes capilares, 414, 415f ley, 387, 389 Submucosa, 570, 571f Sudor características, 116c definición, 618 producción, 116c Sudoración, 116c, 538c, 617c Sueño, 243-6 actividad eléctrica en la vigilia, 245-6 agentes GABAérgicos en la ansiedad, 211c ciclos sueño-vigilia, 230, 243-5 estadios, 246f funciones, 243 de ondas lentas, 243, 243, 244t, 246, 246f paradójico, 246 Sueño REM, 243, 243, 244t, 246, 246f Suero, 437 Sulfonilureas, 703 Suma, 204-5, 337 contracción muscular, 337, 338f espacial, 181, 181, 182f, 204f, 205 temporal, 181, 181, 182f, 204f, 204-5 Superficie(s) cóncavas, luz, 273f convexas, luz, 273f de membrana, 104 Suplementos, 581c Supresión del apetito, 591 Surfactante pulmonar, 466, 466, 467c Sustancia(s) blanca, 222, 223f encéfalo, 222, 223f, 224 médula espinal, 224, 227, 227f gris, 222, 223f encéfalo, 234f médula espinal, 224, 227f periacueductal, 269 negra, 242 con sabor, 296 Sustancia P, 212, 267, 269 Sustrato, 65 concentraciones, 68-9 especificidad, 65f, 67 forma complementaria, 67 T3 (3, 5, 3’-triyodotironina), 626 T4 (tiroxina), 625
Tabique corazón, 362 interauricular, 362 interventricular, 362 Tálamo, 229f, 230, 233, 266 Taquicardia sinusal, 377f Taquipnea, 484c, 484t tARN cargado, 45 tARN libre, 45 Tejido(s), 5 adiposo, 87 conjuntivo, 3-5 submucosa, pared digestiva, 571 en los vasos sanguíneos, 400, 401f epitelial, 5 (véase también Epitelio[s]) eréctil, 638f, 640 linfoide(s), 668, 670, 670, 670f periféricos, 670, 670f nervioso, 5 subendotelial, 445 respiración, intercambio de gases, 482f, 483 tipado, 686-7 Telofase (mitosis), 52, 52f Temblor intencional, 242 Temperatura actividad enzimática, 69 afinidad de la hemoglobina por el oxígeno y efectos, 487 corporal, 618f, 618-20 cuerpo, regulación (véase Termorregulación) difusión simple, permeabilidad de la membrana, 104 velocidad de las reacciones químicas, 64 Tendones, 5, 323, 351, 351f Tenedor de replicación, 51f TENS (estimulación nerviosa eléctrica transcutánea), 269 Tensión muscular, 334-6 máxima, 335f, 338f órganos tendinosos de Golgi, 351, 351f tetánica máxima, 337 tetánica máxima, 337 Teoría del control mediante compuerta, modulación del dolor, 268, 268f del proceso oponente, 280-1 Terapia génica, 690c Terminaciones nerviosas libres, 263 Terminal anuloespiral, 350, 350f Termodinámica, primera ley, 59 Termogenia sin temblor, 619 por tiritona, 619 Termorreceptores, 12, 263, 430 centrales, 618 periféricos, 618 de la piel, 263t, 264, 265f Termorregulación, 617, 617-20 acontecimientos, 619f como proceso regulador cardiovascular, 430 en la zona termoneutra, 619 Test rápido de glucosa plasmática, 15 Testículo, 159t, 636f, 637, 638, 639f Testosterona, 23, 24f, 637 diferenciación sexual, 637 función reproductora masculina, 641-2 Tetania fusionada, 338f, 337 no fusionada, 338f, 337
Í N D I C E A L FA B É T I CO Tétanos, 338f, 337-9, 337, 340c, 680 Tetrayodotironina (T4), 155 Tetrodotoxina (TTX), 180c Tiazolidinediona, 15, 704 Timina, 26, 27f-28f Timo, 155, 159t, 441 Timosina, 155 Tipo de sangre, 686 tisular HLA, 682 Tiroglobulina (TG), 625 Tirosina, 24f, 132 B-hidroxilasa, 132, 132f Tiroxina (T4 ), 625 Titina, 326 Tonicidad descripción, 114-16 hipertonicidad, 114 hipotonicidad, 114 isotonicidad, 114, 117f osmolaridad, 114f, 116t Tono(s) arteriolar, 405 cardíacos, 379f, 382f del músculo liso, 354 venomotor, 420, 420f Tos, 494 Totipotencial, 657 Toxinas, 49c, 317-18, 319c, 680. Véase también Neurotoxinas Trabajo mecánico, producción de energía, 607 químico, 607 de transporte, energía, 607 Tracción por disolvente, 587 Traducción, 44-6, 46f ARN de transferencia, 45f iniciación, 45f regulación, 49 Transcitosis, 121, 121f, 414, 414f Transcripción, 42-4, 44f, 47, 49 Transducción, 255 sensorial, 255, 255-6, 277-9 de la señal, 128, 136-45 (véase también Mensajeros químicos) fototransducción, 277-9 para el gusto, 296, 297f mecanismos, mensajeros químicos seleccionados, 144t olfatoria, 298 receptores, 136-8 intracelulares, 138 unidos a la membrana, 138-44 en las sinapsis químicas, 199-200, 200f para el sonido, 286-91 transducción sensorial, 255-6 en la unión neuromuscular, 317, 318f Transducina, 278, 278f Transferencia de calor, 618 Transferrina, 442, 588 Transfusión(es), 686-7 sanguíneas, 686-7 de señales sinápticas, 129 Transportadores de glucosa, 110f, 706c Transporte activo, 95, 108-12 bombas, mecanismo, 108-9, 111-12 (véase también Bomba) características, 111t factores de afectación, 111
primario, 108, 109-10, 111t reabsorción renal, 521, 521f secundario, 108, 110f, 110-11, 111t frente a transporte activo, 95-6 celular de membrana, 40, 94-125 bombas, canales, 112 (véase también Bomba) dentro de los compartimentos rodeados de membrana, 117-18 difusión simple, 95 factores que afectan al sentido, 95- 101 ósmosis, 112-16 pasivo, 96, 102-8 transporte activo, 95, 108- 12 epitelial, 118-21 velocidad, 101-2 de dióxido de carbono en sangre, 438-9, 476-7, 489-91 anhidrasa carbónica, 489 en capilares pulmonares y venas, 477f, 482f, 490, 490f sistémicos y venas, 477f, 489-90, 490f efectos del oxígeno, 490-1, 491f de la presión parcial, 491f unión de oxígeno a la hemoglobina, 438 ventilación influida por cambios, 497f epitelial, 118-21 del agua, 120, 121f estructura epitelial, 119, 119f fibrosis quística, 122c de solutos, 119, 120f transcitosis, 121f de gases en sangre, 485- 91 dióxido de carbono, 489-91 oxígeno, 485-9 de glucosa ligado al sodio, 110f máximo (Tm), 522, 522 mediado, 105, 111t (véanse también Difusión facilitada; Transporte activo; Transporte pasivo) a través de las paredes capilares, 414, 414f de membrana, 41 (véase también Transporte celular de membrana) de mensajeros químicos, sangre, 135, 135f de moléculas fuera de la célula, 118f, 119f de oxígeno en la sangre, 438-9, 476-7, 485-9 anemia y capacidad reducida, 442, 442c, 485 en los capilares pulmonares, 477f sistémicos, 477f curva de disociación de la hemoglobinaoxígeno, 485-7,487f factores que afectan a la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, 488-9 unión a la hemoglobina, 438, 485 paracelular, 119, 525 a través de las paredes capilares, 413-18 pasivo, 95, 102-8 bombas y fugas, 111-12 características, 111t difusión a través de canales, 107 facilitada, 106-7 simple, 102-5 ósmosis del agua, 112-16 reabsorción de solutos, 521, 52lf transporte activo, 95-6 transepitelial, 39
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Transtiretina, 626 Tráquea, 453, 454f Trasplante, 686-7 de órganos, 686-87 Trastorno por estrés postraumático, 245c TRH (hormona liberadora de tirotropina), 153, 153f, 212 Tricíciclos, 210c Triglicéridos, 21, 21f, 21-2 digestión, 583-5 metabolismo, 87, 89f Triplete (secuencia de pares de bases del ADN), 42, 42f Triyodotironina (T3), 155, 626 Trofoblasto, 657f, 658 Trombina, 446, 446f Trombo, 444. Véase también Coágulo Trombocitos, 445. Véase también Plaquetas Trombomodulina, 447 Tromboxano, 23, 134 Tromboxano A2 (TXA2), 135c, 445 Tronco(s) del encéfalo aminas biogénicas, 209 anatomía, 229f, 230 control postural, 241 regulación del ritmo respiratorio, 492-4 pulmonar, 362f, 367 simpáticos, 306, 307f Tropomiosina acoplamiento excitación-contracción (músculos), 329, 331f, 375, 375f descripción, 26, 325, 326f Troponina acoplamiento excitación-contracción (músculos) y papel, 329, 331f, 337, 375 descripción, 325, 326f Tubérculo olfativo, 298 Tubo digestivo (aparato digestivo), 568, 568-78 absorción, 580-9 de agua, 588 digestión, 580-9 motilidad, 595-9 neuronas receptoras, 590, 591f órganos, 572-6 pared gastrointestinal, 570-2 pirosis, 129c, 567, 573 regulación, 589-92 secreciones, 592-5 Túbulo(s) contorneado distal definición, 511 hidrogeniones, 560f, 560-1 iones de bicarbonato, 560f reabsorción, 524f, 525 de agua, 520-1, 537, 542-5 de solutos, 520-1, 537, 542-5 secreción, 524f proximal, 511, 520-1 proximal, 511 (véase también Túbulo[s] contorneado proximal) iones hidrógeno y bicarbonato, 560f reabsorción de agua y sodio, 520f, 520-1 no regulada, 524f, 524-5 de sodio, 539f, 547, 547f transporte de potasio, 551, 552f recto proximal, 511
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Túbulo(s) (cont.) renales, 510, 524-5, 534f anatomía, 511f, 512, 512f, 514f asa de Henle (véase Henle, asa) células epiteliales, 524f, 525, 537 composición del plasma y papel, 536-7 distal (véase Túbulo[s] contorneado distal) equilibrio acidobásico, 559-61 homeostasis (véase Homeostasis) mecanismos de reabsorción del sodio, 547-50 procesos de intercambio, 514f, 515 reabsorción de agua, 519-23, 539-46 no regulada proximal, 524f, 524-5 y secreción regulada, 524f, 525 de sustancias, 524t solutos, 519-23, 528, 529f, 539-46 transporte de potasio, 550-1, 552f velocidades de eliminación, 528, 529f seminíferos, 638, 639f transversos (túbulos T), 323, 329, 330f Tucididas, 676 Tumor(es) antígenos, 684 feocromocitoma, 428c Ubicuitina, 49 Úlcera(s), 573, 576c perforante, 576c del pie, 703f Umami, 296 Umbral de activación, 184, 184f para la discriminación entre dos puntos, 261-2, 262t de inactivación, 184, 184f potencial de membrana, 181, 185-6, 186f, 188f renal, 522 Unidad motora, 317 activa, 341, 342f contracción, 334-6 sensorial, 257, 257f Unión(es) comunicantes, 40 comunicación intercelular directa, 127f, 128 en músculo cardíaco, 41f, 372 liso, 353 estrechas, 39 barrera hematoencefálica, 221f estructura epitelial, 40f intercelulares, 38-40 desmosomas, 39, 41f unión(es) comunicantes, 39, 4lf estrechas, 39 neuroefectoras, 197, 311f-312f, 311-12 neuromuscular, 303f, 317, 317, 317-18 acoplamiento excitación-contracción en los músculos, 329, 330f alteración de la transmisión de la señal, 317, 319c anatomía, 318f Uracilo, 26, 27f Urea, 114, 541
Útero, 646, 647f embarazo y cambios en el músculo liso, 660 flujo, 659 en el parto, 661 Utrículo, 292 anatomía funcional, 294f transducción de la aceleración lineal, 293, 295 Vaciamiento gástrico, 573 Vacunación(es), 685f, 685-6, 686 Vagina, 646, 647f Válvula(s) aórtica, 368, 368f auriculoventriculares, 367 bicúspide (mitral) y tricuspídea, 368 funcionamiento, 368f bicúspide (mitral), 368 cardíacas, 367-8, 368f mitral, 368 semilunar(es), 368, 368f pulmonar (válvula pulmonar), 368 tricuspídea, 368 Van der Waals, fuerzas, 26 Van’t Hoff, ecuación, 96c Variable regulada, control mediante retroalimentación negativa, 10-13, 12f Varicela (virus del herpes zóster), 678c Varicosidades de las uniones neuroefectoras, 311, 311f, 312f Varón determinación y diferenciación sexual, 635, 636f-637f, 637f métodos de control de la natalidad, 656c reservas energéticas, 611t Vasculatura, 363. Véanse también Flujo sanguíneo; Vasos sanguíneos arterias, 400-4 arteriolas, 404-11 capilares, 411-18 presiones, 404, 405f resumen, 399-400, 400f venas, 418-21 vénulas, 411-18 Vasectomía, 656c Vasoconstricción, 398 cambios en la actividad metabólica, 407, 407f formación del coágulo, 445 Vasodilatación, 398 cambios en la actividad metabólica, 407, 407f inflamación e incremento, 671 Vasopresina, 130, 150, 212, 411, 427. Véase también Hormona(s) antidiurética (ADH) Vasos rectos, 512, 514f, 542f sanguíneos, 361, 362-3 (véase también Vasculatura) aeroembolismo, 481c arterias (véase Arteria[s]) arteriolas (véase Arteriola) capilares (véase Capilar[es]) dilatación, 131c efectos del flujo sanguíneo, 400f estructura, 401f gradientes de presión, 399 resistencia, 398-9, 399c sistema linfático, 421, 421f tipos, 40lf vasodilatación y vasoconstricción (véanse Vasoconstricción; Vasodilatación)
venas (véase Vena[s]) vénulas, 362, 401f, 418 Vater, ampolla, 578, 579f Vaults, 36, 36c Vejiga urinaria, 528, 530f, 530-1 Vellosidades aracnoideas, 219, 219f coriónicas, 659, 659f intestino delgado, 574, 574f Velocidad de acortamiento muscular, 343, 343f catalítica, 68 de las enzimas, 8, 68 difusión facilitada, 106-7 excreción, 525, 526f filtración glomerular, 516, 520t neta (velocidades de reacción), 64 reacciones químicas, 64-72 transporte en la membrana celular, 101-2, 103-5, 108, 111 Vena(s), 363, 418-21 cavas, 364, 364 estructura, 401f factores que influyen sobre la presión y el retorno venoso, 418-21 interlobulares, 512, 514f linfáticas, 421, 421 mesentéricas, 574, 575f porta, 366 hepática, 575, 575f y hepática, 575, 575f portales, 366 presión venosa central (véase Presión venosa central [PVC]) pulmonares, 364, 364 renal(es), 509, 509f arciforme, 512, 514f como reservorios de volumen, 418f tono venomotor y constricción, 420f, 420-1 uterinas, 659 Veneno, 317-18, 319c Ventana oval (oído), 284, 285f redonda (oído), 284, 285f Ventilación alveolar, 471, 471 por minuto, 471, 472t, 498f pulmonar, 452 alveolar, 471-2 anatomía del aparato respiratorio, 452-60 control por quimiorreceptores, 496-8 respiratorio durante la respiración tranquila, 494, 494f distensibilidad pulmonar, 466, 467c efectos del ejercicio, 472c homeostasis acidobásica, 500-1 mecánica respiratoria como fuerza, 461-6 presión pulmonar como fuerza, 460-1 regulación central, 491-5 local de la perfusión, 499-500 resistencia de la vía respiratoria, 466, 468-9 volúmenes respiratorios, flujos de aire, 469-72 Ventrículos cerebro, 219, 220f corazón, 362, 362f, 367f, 380, 380f
Í N D I C E A L FA B É T I CO Vénula, 363 capilares, 418 características estructurales, 401f Venus, monte, 646, 648f Vértice cardíaco, 362 Vesícula(s) biliar descripción, 578, 578f-579f funciones, 580t secretoras, 32, 32, 117 seminales, 638f, 640 sinápticas, 198, 199f (véase también Neurotransmisores) transporte, 47, 48f Vestíbulo, 648 Vía(s) alternativa, activación del sistema del complemento, 674-5 ascendente, médula espinal, 227, 228f axón, 171 contralateral, 229 corticoespinal, 224 de ciclooxigenasa, 134 de la columna dorsal-lemnisco medial, 266, 266f descendentes de la médula espinal, 227, 228f espinotalámicas, 266f extrapiramidales, 240f, 241 de inactivación, 184, 184f interauriculares, 370, 370f internodulares, 370, 370f ipsolateral, 229 de la lipoxigenasa, 134 metabólicas, 57, 57-8 del metabolismo de las proteínas, glucógeno y grasas, 86f-90f en el músculo esquelético, 332f de la oxidación de la glucosa, 75f, 77f, 79f productos finales e intermedios, 58 regulación, 60 neurales ascendentes, 227-8, 228f para el control digestivo, 589-92 descendentes, 227-8, 228f para el equilibrio, 295 para la función cardiovascular, 423-4, 425f para el gusto, 297 ipsolaterales y contralaterales, 229 para los movimientos del músculo esquelético, 239-42 para el olfato, 298, 299f sensoriales, 257-8, 258f sistema nervioso autónomo, 306f, 308f parasimpático, 308f
somatosensitivas, 265-7 para el sonido y la audición, 291 para la vista, 282-3 piramidales, 227, 227f, 240f, 241 refleja corta, 591f larga, 591f respiratorias, 452, 452-7 anatomía, 454f fibrosis quística, 122c zona de conducción, 453-7, 457f respiratoria, 457, 458f respiratorias superiores, 452, 452, 454f sensoriales, 257-8 somatosensitivas, 265-7 Vibrio cholerae, 141c Vigilia, 245- 6 Viruela, 685 Virus, respuesta inmunitaria, 684f Visión, 270-84 acomodación, 273f anatomía ocular, 270-1 blanqueamiento de los fotorreceptores con la luz, 281 del color, 280-1 defectos clínicos, 274, 275f escotópica, 279 fotópica, 279 fototransducción, 277-9 mesópica, 279 ondas luminosas, 272 percepción de la profundidad, 283f, 283-4 procesamiento neural en la retina, 281-2 en paralelo en el sistema visual, 283 de profundidad, 283f, 283-4 regulación de la cantidad de luz que entra en el ojo, 276 retina, 276, 277f (véase también Retina) vías neurales, 282-3 Vitamina(s), 67 absorción, 585 liposolubles, 585 Vitamina D3 (calcitriol), 509 Vitamina K, 448 Volumen/volúmenes y capacidades pulmonares, 469, 469-71 corriente (VC), 469 espiratorio forzado (VEF), 471 plasmático, 508 de reserva espiratorio (VRE), 470 inspiratorio (VRI), 469
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residual (VR), 470 respiratorios y flujo de aire, 469-72 ventilación alveolar, 471-2 volúmenes y capacidades pulmonares, 469-70, 470f de sangre en el aparato cardiovascular, 418f en arterias y venas, 418f barorreceptores de baja presión, 424, 428-9 caída, reflejos barorreceptores, 428-9 presión venosa y afectación del retorno venoso, 419-20 venas como reservorio, 418 sistólico (VS), 381, 386-91 efectos de la contractilidad ventricular, 386-7 de la poscarga, 390 del volumen telediastólico, 387-90 factores, 390-1, 391f presión arterial media, 422, 422f telediastólico (VTD), 381, 386-90 telesistólico (VTS), 381 ventricular, 382f, 381-2 Vómitos, 598 Von Willebrand, factor (vWf), 445 Vulva, 648, 648f Wernicke afasia, 243 área, 224, 232f, 242 Wolff, conductos (mesonéfricos), 636f, 637, 637 Yemas gustativas, 253f, 295, 295-6, 296f Yeyuno, 573, 574f Yunque, 284, 285f, 286f Zona(s) de conducción del aparato respiratorio, 453, 453-7, 455f desnuda de los filamentos gruesos del músculo, 326 erógenas, 644 glomerulosa, 155, 156f pelúcida, 155, 156f, 649, 650f, 655 respiratoria de las vías respiratorias, 453, 457 anatomía, 458f características anatómicas, 455f reticular, 155, 156f termoneutra, 619 Zona H, 325f, 327f Zóster, herpes, 678c
ERRNVPHGLFRVRUJ
Principios de fisiología humana es un libro que facilita al estudiante, en la medida de lo posible, el aprendizaje de la fisiología humana a la vez que proporciona una perspectiva general sólida y amplia sobre el tema. En la presente edición, se enfatiza la comprensión de conceptos por encima de la mera memorización de hechos y se proporcionan herramientas a los estudiantes que cuentan con diversos niveles de preparación en terrenos como la biología, la química, la física y ciencias afines para ayudarles en su estudio individual. Se han realizado una serie de mejoras teniendo estos objetivos en cuenta. Al mismo tiempo, se han mantenido las características del libro que han demostrado tener éxito: un estilo de escritura claro y preciso, un programa diseñado para maximizar el aprendizaje del estudiante y cualidades pedagógicas que estimulan el interés del lector, le ayudan a pensar en procesos fisiológicos de una manera integral y refuerzan los conceptos más importantes.
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