Fundamentos de Fisiología: Homeostasis, Señalización Celular y Transporte de Membrana

Introducción a la Fisiología

Fisiología: Estudio de la naturaleza y las funciones de los seres vivos, incluyendo cómo funcionan sus sistemas, órganos y células (mecanismos). Se considera sinónimo de la Física (relativo a la naturaleza).

Conceptos Generales

• Propiedad Emergente: Característica de un sistema que no puede explicarse por la suma de sus partes, sino que surge de la interacción entre ellas.
• Control: Capacidad de un sistema fisiológico para dirigir o influir en un proceso biológico con el fin de mantener su estabilidad.
• Modulación: Modificación de la actividad de un sistema fisiológico sin alterarlo completamente.
• Regulación: Conjunto de procesos fisiológicos que mantienen el equilibrio interno del organismo ante cambios del ambiente.
• Adaptación: Cambio genético y evolutivo que permite a una especie sobrevivir en su entorno a lo largo del tiempo.
• Ambientación: Proceso fisiológico mediante el cual un organismo ajusta temporalmente sus funciones a un nuevo entorno.
• Aclimatación: Adaptación fisiológica temporal a cambios ambientales específicos.

Antecedentes de la Fisiología

• Hipócrates (Observación).
• Aristóteles (Estructura – Función).
• Galeno (Fisiología “galénica”).
• Jean Fernel (El “galeno moderno”).
• William Harvey: Su trabajo sobre la circulación sanguínea, publicado en 1628, marca el inicio de la Fisiología Científica. Por primera vez se registró la verificación de una hipótesis creada a partir de observaciones y conocimientos previos.
• Sociedad de Fisiología: (símbolo de un perro rascándose) conformada por Michael Foster, William Sharpey, Charles Darwin, Ida Henrrieta Hyde. En el siglo XIX, Claude Bernard publica “Introducción a la Medicina Experimental” (identifica el medio interno y reconoce que su constancia es esencial para la vida independiente).

Arturo Rosenblueth y Norbert Wiener proponen los sistemas de retroalimentación negativa como el mecanismo de la homeostasis, dando las bases de la cibernética.

Mecanismos de Regulación en Fisiología

Homeostasis: Se refiere a los procesos fisiológicos encargados de mantener la constancia del medio interno, mediante un equilibrio dinámico entre este y el medio ambiente.

Componentes de la Homeostasis

• Receptor: Registra estímulos específicos (sus cambios) enviando información a otro sistema (impulso aferente).
• Centro de Control: Determina el punto de mantenimiento de alguna variable.
• Efector: Recibe el mensaje del centro de control (impulso eferente), emite una respuesta (efecto) para compensar el cambio inicial.

Tipos de Efectores de Retroalimentación

• Negativos: Respuesta inversa o contraria respecto al estímulo original (contrarresta).
• Positivos: Cuando la respuesta potencia el estímulo original (sinérgico). Es menos frecuente y puede llevar a “círculos viciosos o patologías”.

Reostasis: Mecanismos fisiológicos encargados de adaptar las funciones orgánicas a los cambios en las necesidades del mismo organismo o en las condiciones del ambiente (fisiología del cambio). Capaz de modificar el valor de referencia de los sistemas de retroalimentación negativa y permite la regulación homeostática en un nuevo nivel de ajuste. Mrosovsky (1990): Acuña el término Reostasis.

Tipos de Reostasis

• Predictiva o Programada: Ocurren en ciertas etapas del ciclo de vida del organismo, a pesar del ambiente (ello asegura que ocurran).
• Reactiva: Se presentan en respuesta a un determinado estímulo.
• Cronostasis: Regulación de los ritmos biológicos en función del tiempo.
• Alostasis: Proceso que mantiene la estabilidad a través del cambio en aras de adaptación.

Método Científico

Problema: (potencial de conocimiento, fenómeno sin explicación). Observación: (adquisición de información, recolecta datos a través de diversos métodos). Hipótesis: (conjetura que requiere ser verificada). Predicción: (anunciamos lo que se espera de acuerdo a la hipótesis). Diseño Experimental: (procedimiento organizado del “cómo” podemos manipular las variables a un efecto sobre nuestro objeto de estudio para identificar causas). Conclusión: (sometida a falsabilidad, reproducibilidad y repetibilidad).

Importante Distinguir

• Hipótesis: (afirmación que se supone cierta pero no se ha demostrado).
• Teoría: (cuando una hipótesis no sea refutada aún después de ser probada y ha contribuido a realizar predicciones exitosas).
• Ley: (regla que relaciona eventos de ocurrencia conjunta causal y se manifiesta siguiendo el método científico).

Composición y Estructura de las Membranas Celulares

Membranas Celulares: Estructuras que delimitan las células y regulan el intercambio de sustancias con el medio externo.

Composición

1. Bicapa Lipídica: Formada principalmente por fosfolípidos, que tienen una cabeza hidrofílica y colas hidrofóbicas. Permite la fluidez de la membrana y la entrada/salida de moléculas liposolubles.
2. Proteínas de Membrana:
   • Integrales: Atraviesan toda la membrana.
   • Periféricas: Adheridas a la superficie, participan en señales celulares.
3. Colesterol: Regula la fluidez de la membrana.
4. Glucolípidos y Glucoproteínas: Participan en el reconocimiento celular y adhesión.

Fundamentos de la Función Principal de las Membranas

Función: La membrana regula el paso de sustancias, manteniendo el equilibrio.

• Difusión: Movimiento de moléculas de una zona de mayor a menor concentración.
• Ósmosis: Difusión del agua a través de una membrana semipermeable, desde donde hay menor concentración de solutos hacia donde hay mayor concentración.
• Permeabilidad: Capacidad selectiva de la membrana para permitir o restringir el paso de sustancias.

Tipos de Transporte y sus Principales Características

1. Transporte Pasivo (Sin Gasto de Energía): Ocurre a favor del gradiente de concentración.
   • Difusión Simple: Sustancias liposolubles atraviesan directamente la bicapa (ejemplo: O₂, CO₂).
   • Difusión Facilitada: Sustancias hidrofílicas requieren proteínas transportadoras o canales (ejemplo: glucosa con transportadores GLUT).
   • Ósmosis: Paso de agua a través de acuaporinas.
2. Transporte Activo (Requiere Energía, ATP): Mueve sustancias en contra del gradiente de concentración.
   • Transporte Activo Primario: Utiliza ATP directamente (ejemplo: bomba de sodio-potasio Na⁺/K⁺).
   • Transporte Activo Secundario: Usa la energía de otro gradiente iónico (ejemplo: cotransporte de glucosa con sodio).
3. Endocitosis y Exocitosis (Transporte de Macromoléculas)
   • Endocitosis: Entrada de moléculas grandes mediante vesículas.
     • Fagocitosis: Captura de partículas grandes.
     • Pinocitosis: Entrada de líquidos.
     • Endocitosis Mediada por Receptor: Selectiva (ejemplo: absorción de colesterol).
   • Exocitosis: Expulsión de sustancias fuera de la célula mediante vesículas.

Tipos de Transportadores en la Membrana

1. Canales Iónicos: Permiten el paso selectivo de iones.
2. Transportadores Pasivos: Mueven moléculas sin gasto de energía.
3. Bombas Iónicas: Transportan iones en contra del gradiente usando ATP.
4. Cotransportadores:
   • Simporte: Dos sustancias en la misma dirección.
   • Antiporte: Dos sustancias en direcciones opuestas.

Generalidades sobre Señalización Celular

Señalización Celular: Proceso mediante el cual las células se comunican entre sí para coordinar funciones biológicas. Esto permite el crecimiento, la respuesta a estímulos y la homeostasis.

Elementos Clave de la Señalización Celular

• Célula Emisora: Produce y libera la señal.
• Molécula Mensajera: Transporta la señal.
• Receptor: En la célula diana, capta la señal.
• Vía de Transducción: Convierte la señal en una respuesta celular.
• Respuesta Celular: Activación de procesos fisiológicos.

Tipos de Señalización

• Autocrina: La célula emite y recibe su propia señal (ejemplo: células inmunitarias).
• Paracrina: La señal viaja a células cercanas (ejemplo: neurotransmisores en la sinapsis).
• Endocrina: La señal (hormona) viaja por la sangre a células distantes (ejemplo: insulina).
• Yuxtacrina: Requiere contacto directo entre células (ejemplo: comunicación por uniones gap).

Tipos de Mensajeros

• Mensajeros Lipídicos: Pueden atravesar la membrana y unirse a receptores intracelulares. Ejemplo: hormonas esteroides como cortisol o estrógenos.
• Mensajeros Proteicos o Peptídicos: No atraviesan la membrana, actúan en receptores de superficie. Ejemplo: insulina, glucagón.
• Neurotransmisores: Median la comunicación en el sistema nervioso. Ejemplo: dopamina, serotonina, acetilcolina.
• Gases: Pueden difundir a través de la membrana y activar señales rápidas. Ejemplo: óxido nítrico (NO).

Tipos de Receptores

1. Receptores de Membrana (Para Mensajeros Hidrofílicos)
   • Receptores Acoplados a Proteínas G (GPCRs): Activan segundos mensajeros (ejemplo: receptores adrenérgicos).
   • Receptores Tirosina Quinasa (RTK): Activan cascadas de señalización intracelular (ejemplo: receptor de insulina).
   • Canales Iónicos Activados por Ligando: Permiten el paso de iones cuando el mensajero se une (ejemplo: receptor de acetilcolina).
2. Receptores Intracelulares (Para Mensajeros Lipofílicos)
   • Se encuentran en el citoplasma o núcleo.
   • Regulan la transcripción de genes.
   • Ejemplo: receptores de hormonas esteroides como los de estrógenos o cortisol.

Características Generales de los Mensajeros Secundarios

Los mensajeros secundarios son moléculas dentro de la célula que amplifican y transmiten la señal iniciada por un receptor.

Características Principales:

• Son moléculas pequeñas y difusibles.
• Amplifican la señal inicial.
• Actúan en cascadas de señalización.
• Pueden activarse o inhibirse según la necesidad celular.

Ejemplos de Mensajeros Secundarios:

• AMP Cíclico (AMPc): Activa la proteína quinasa A (PKA), regulando procesos metabólicos.
• Calcio (Ca²⁺): Controla contracción muscular, secreción de hormonas y neurotransmisores.
• Inositol Trifosfato (IP₃) y Diacilglicerol (DAG): Activan la liberación de Ca²⁺ y proteínas quinasa C (PKC).
• Óxido Nítrico (NO): Actúa como señal gaseosa en la relajación muscular y vasodilatación.