Fisiología medica - Raff

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Fisiologia medica un enfoque por aparatos y sistemas raff lange

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Fisiología medica - Raff

  1. 1. Fisiologíamédica Unenfoqueporaparatosysistemas Hershel Raff, PhD Professor Departments of Medicine and Physiology Medical College of Wisconsin Endocrine Research Laboratory Aurora St. Luke’s Medical Center Milwaukee, Wisconsin Michael Levitzky, PhD Professor of Physiology and Anesthesiology Louisiana State University Health Sciences Center New Orleans, Louisiana Traducción: Dr. Bernardo Rivera Muñoz Dr. Germán Arias Rebatet a LANGE medical book MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA MADRID • NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO • SÃO PAULO AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI SAN FRANCISCO • SIDNEY • SINGAPUR • ST. LOUIS • TORONTO
  2. 2. Director editorial: Javier de León Fraga Editor de desarrollo: Manuel Bernal Pérez Supervisor de producción: Juan José Manjarrez de la Vega NOTA La medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirán cambios de la terapéutica. El(los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosificación medicamentosa sean precisos y acordes con lo establecido en la fecha de publicación. Sin embargo, ante los posibles errores humanos y cambios en la medicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya participado en la preparación de la obra garantizan que la información contenida en ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha información se obtengan. Convendría recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habrá que consultar la hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la información de esta obra es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contraindicaciones para su administración. Esto es de particular importancia con respecto a fármacos nuevos o de uso no frecuente. También deberá consul- tarse a los laboratorios para recabar información sobre los valores normales. FISIOLOGÍA MÉDICA. UN ENFOQUE POR APARATOS Y SISTEMAS Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS © 2013, respecto a la primera edición en español por, McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V. A subsidiary of the McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C. P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Reg. No. 736 ISBN: 978-607-15-0913-0 Translated from the first English edition of: Medical Physiology: A Systems Approach Copyright © 2011 by McGraw-Hill Companies, Inc. All Rights Reserved ISBN : 978-0-07-162173-1 1234567890 2456789013 Impreso en México Printed in Mexico
  3. 3. A nuestros estudiantes, maestros, colaboradores y familiares.
  4. 4. Características clave de Fisiología médica UN ENFOQUE POR APARATOS Y SISTEMAS Un enfoque conciso, con orientación clínica, para aprender importantes conceptos fisiológicos y correlaciones clínicas • NUEVA presentación a todo color • Refleja el mayor hincapié de la educación médica en proporcionar a los estudiantes de Medicina contenido con más orientación clínica durante sus dos primeros años de estudios • Se centra en los conceptos esenciales necesarios para entender la fisiopatología • Ofrece una perspectiva general sucinta pero integral de la fisiología, junto con una introducción a principios de ciencias básicas y su importancia para la expresión clínica de enfermedades • Detalla los principales procesos fisiológicos involucrados tanto en la salud como en la enfermedad • Excelente para la revisión del USMLE • Los cuadros y gráficas ilustran conceptos difíciles • Cada capítulo empieza con una lista de objetivos, y finaliza con un resumen y preguntas de estudio diseñados para probar el conocimiento de conceptos importantes cubiertos en ese capítulo • Casi todos los capítulos incluyen correlaciones clínicas que refuerzan los principios fisiológicos importantes cubiertos, y que ilustran su importancia para entender estados de enfermedad iv
  5. 5. CAPÍTULO 1 Conceptos fisiológicos generales 3 los centrosomas, que también tienen importancia en el movimiento de los cromosomas durante la división celular. Por último, el núcleo, también rodeado por una membrana bicapa lipídica llamada la envoltura nuclear, contiene cromatina, la cual está compuesta de DNA que contiene el código de ácidos nucleicos para la diferencia- ción, la función y la replicación celulares. El DNA contiene los genes que codifican para mRNA que se producen a partir del DNA mediante transcripción. El núcleo también contiene el nucléolo, que es el sitio de síntesis de ribosomas. Como se menciona en varios capítulos de este libro, la membrana celular contiene diferentes tipos de receptores, los cuales detectan señales extracelulares que son transformadas hacia señales intrace- lulares mediante transducción. Además, hay receptores dentro del citoplasma y el núcleo que responden a señales que entran a la célula. Los ejemplos de esas señales son hormonas esteroides, como los estrógenos y la testosterona, las cuales son lipofílicas (“que aman la grasa”) y, como resultado, pueden difundirse con facilidad a través de la membrana celular para ejercer una acción intracelular. ESTRUCTURA GENERAL DEL CUERPO En la figura 1-3 se presenta un diagrama del cuerpo humano. Los órganos (por ejemplo, cerebro y corazón) reciben nutrientes y elimi- nan productos de desecho por medio del sistema circulatorio. El corazón se ilustra en dos partes —derecha e izquierda— como una representación funcional, aun cuando en realidad es un solo órgano. El lado derecho del corazón recibe sangre parcialmente desoxigena- FIGURA 13 Organización general de los principales órganos del cuerpo. Las flechas muestran las direcciones de flujo sanguíneo y flujo de gases, nutrientes, hormonas y productos de desecho. Sistema nervioso central Nervios aferentes y eferentes Sangre venosa Sangre arterial Ingesta de alimentos y agua Lado derecho del corazón Lado izquierdo Tejidos Productos de desecho Nutrientes Glándulas endocrinas Hormonas Hígado Tracto GI Nutrientes Desecho Riñón Desecho Orina Heces Atmósfera Pulmón O2 CO2 del corazón O2 CO2 Síntesis Metabolismo Resorción Bilis Filtración 122 SECCIÓN IV Fisiología del sistema nervioso central/neural CORRELACIÓN CLÍNICA Una mujer de 55 años de edad, ejecutiva en una corporación grande, presentó una sensación de ardor en la palma de la mano derecha alrededor de seis meses antes. También notó hormi- gueo y entumecimiento en el pulgar y los dedos índice y medio derechos. Estos síntomas aparecieron después de pasar muchas y largas horas frente a la computadora preparando documentos del reporte anual para la corporación. Al inicio, los síntomas fueron más prominentes por la noche, e interrumpían el sueño de la paciente. El problema se ha intensificado a últimas fechas, y ahora tiene dolor en la muñeca derecha y dificultad para tomar objetos pequeños desde el escritorio. Visitó a su médico porque el trabajo en la computadora se había hecho cada vez más difícil. El médico llevó a cabo varias pruebas diagnósticas sencillas; cuando ejerció presión sobre el nervio mediano en la muñeca, la paciente experimentó una sensación parecida a descarga eléctrica (signo de Tinel). Cuando el médico le pidió que man- tuviera los antebrazos hacia arriba al apuntar con los dedos hacia abajo y presionar los dorsos de las manos uno contra otro, en el transcurso de un minuto la mujer sintió hormigueo y entumecimiento creciente en los dedos de la mano (signo de Phalen). Las pruebas de conducción nerviosa indicaron con- ducción lentificada en el nervio mediano. Se diagnosticó síndrome del túnel carpiano, que se debe a compresión (quizá debido a inflamación) del nervio mediano que pasa por el túnel. Es más prevaleciente en mujeres que en varones, y se diagnostica por lo regular en individuos que usan las muñecas en actividades repetitivas (operadores de compu- tadora, cajeros, músicos, pintores). Alrededor de 3% de las mujeres y 2% de los varones tienen probabilidades de que se les diagnostique este síndrome durante su vida. El nervio mediano proporciona información sensitiva proveniente del pulgar, y de los dedos índice y anular, y los nueve tendones que flexionan los dedos de las manos. El síndrome se caracteriza por dolor, pares- tesias y debilidad en la distribución del nervio mediano. El dolor en la muñeca o la mano, o el entumecimiento y hormi- gueo de los dedos de la mano (excepto el dedo meñique, que no está inervado por el nervio mediano) a menudo son los prime- ros síntomas. Los pacientes a veces informan debilidad en la mano, y una tendencia a dejar caer cosas. Los síntomas a menu- do aparecen primero por la noche más que durante la actividad. El mejor tratamiento suele ser la colocación de una férula en la muñeca, AINE o corticosteroides. Si el dolor persiste, puede requerirse intervención quirúrgica. RESUMEN DEL CAPÍTULO ■ Los receptores sensoriales por lo común se clasifican como mecanorreceptores, nociceptores, quimiorreceptores o fotorrecep- tores. ■ El tacto y la presión son detectados por cuatro tipos de mecano- rreceptores: corpúsculos de Meissner (que muestran respuesta a cambios de la textura y vibraciones lentas), las células de Merkel (que responden a presión y tacto sostenidos), los corpúsculos de Ruffini (que muestran respuesta a presión sostenida) y los corpúsculos de Pacini (que responden a presión profunda y vibraciones rápidas). ■ Los nociceptores y termorreceptores son terminaciones nerviosas libres sobre fibras no mielinizadas o un poco mielinizadas en piel con pelo y glabra, y tejidos profundos. ■ La hiperalgesia es una respuesta exagerada a un estímulo nocivo; la alodinia es una sensación de dolor en respuesta a un estímulo inocuo. ■ La conversión de un estímulo de receptor en una sensación reconocible se denomina codificación sensorial. Todos los sistemas sensoriales codifican para cuatro atributos elementales de un estímulo: modalidad, ubicación, intensidad y duración. ■ El tacto discriminativo, la propiocepción y las sensaciones vibratorias son transmitidos por medio de la vía de la columna dorsal (lemnisco medial) a SI. Las sensaciones de dolor y temperatura son mediadas por medio del tracto espinotalámico ventrolateral a SI. ■ Las vías descendentes desde la PAG mesencefálica inhiben la transmisión en vías nociceptivas. Esta vía descendente incluye una sinapsis en el núcleo del rafe y la liberación de opiáceos endógenos. ■ La morfina es un agente antinociceptivo eficaz que se une a receptores opiáceos endógenos en el mesencéfalo, el tallo encefálico y la médula espinal. PREGUNTAS DE ESTUDIO 1. Los corpúsculos de Pacini: A) son un tipo de termorreceptor. B) por lo general están inervados por fibras nerviosas Aδ. C) son receptores de tacto que se adaptan con rapidez. D) son receptores de tacto que se adaptan de manera lenta. E) son nociceptores. 2. La adaptación a un estímulo sensorial produce: A) una sensación disminuida cuando se suspenden otros tipos de estímulos sensoriales. B) una sensación más intensa cuando un estímulo dado se aplica de forma repetitiva. C) una sensación localizada a la mano cuando se estimulan los nervios del plexo braquial. D) una sensación disminuida cuando un estímulo dado se aplica repetidas veces con el tiempo. E) una tasa de activación disminuida en el nervio sensorial del receptor cuando se dirige la atención a otro tema. 3. ¿Los sistemas sensoriales codifican para cuál de los atributos que siguen de un estímulo? A) modalidad, ubicación, intensidad y duración B) umbral, campo receptivo, adaptación y discriminación C) tacto, gusto, audición y olfato D) umbral, lateralidad, sensación y duración E) sensibilización, discriminación, energía y proyección 4. Los termorreceptores: A) sólo son activados por frío o calor intenso. B) están ubicados sobre capas superficiales de la piel C) son un subtipo de nociceptor. D) están en terminaciones dendríticas de fibras Aδ y fibras C. E) todas las anteriores. 2 SECCIÓN I Introducción se muestra la estructura de la bicapa lipídica y las proteínas asociadas de la membrana celular. El interior de la célula está compuesto de citosol, que es un líquido que consta de agua, en la cual están disueltas proteínas, como meta- bolitos, combustible e iones inorgánicos (que se conocen como elec- trólitos). Dispersos en el citosol también hay diversas partículas subcelulares y organelos. En conjunto, la combinación de citosol y las estructuras intracelulares se llama el citoplasma. Los orgánulos incluyen el retículo endoplasmático, que es una extensa red de membranas dentro de las cuales hay proteínas y otras sustancias quí- micas importantes. El retículo endoplasmático tiene importancia en muchas funciones metabólicas y en el empaque de productos secre- tores. Los ribosomas están involucrados en la traducción, que es la síntesis de proteínas a partir del RNA mensajero (mRNA). Estos ribosomas se asocian con el retículo endoplasmático en una estruc- tura combinada llamada retículo endoplasmático rugoso (RER). El aparato de Golgi se vincula con el retículo endoplasmático, y empa- ca material sintetizado en el RER. Los lisosomas son estructuras intracelulares, rodeadas por membrana, y contienen enzimas diges- tivas que se sitúan en gránulos involucrados en el metabolismo intracelular. Los gránulos secretores contienen moléculas que la célula liberará hacia el líquido extracelular mediante exocitosis, en respuesta a estímulos. Algunas células contienen muchas gotitas de lípido, porque la grasa es hidrofóbica y no se disuelve con facilidad en el ambiente acuoso del citosol. Las mitocondrias tienen dos membranas de bicapa lipídica en aposición, y son los organelos que generan energía. A los orgánulos citoplasmáticos los mantienen en su posición filamentos y microtúbulos, los cuales surgen a partir de FIGURA 11 Diagrama que muestra una célula hipotética en el centro, observada con un microscopio óptico. (Adaptada, con autorización de Fawcett DW et al. The ultrastructure of endocrine glands, Recent Prog Horm Res. 1969;25:315-380.) Gránulos secretores Centríolos Retículo endoplasmático liso Aparato de Golgi Gotitas de lípido Retículo endoplasmático rugoso Lisosomas Mitocondria Cabezas globulares Envoltura nuclear Nucléolo FIGURA 12 Organización de la bicapa de fosfolípido y proteínas asociadas en una membrana celular biológica. (Reproducida con autorización de Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology, 11th ed. McGraw-Hill, 2008.) Líquido extracelular Líquido intracelular Carbohidrato de glucoproteína Proteínas integrales Regiones polares Regiones no polares Proteína periférica Fosfolípidos Proteínas transmembrana Canal sas piel vo; o es de a o de ca ca ue 125 INTRODUCCIÓN La unidad básica de la actividad refleja integrada es el arco reflejo. Este arco consta de un órgano de sentido, una neurona aferente, sinapsis dentro de una estación integradora central, una neurona eferente, y un órgano efector. Las neuronas aferentes entran al siste- ma nervioso central (SNC) por medio de las raíces dorsales espina- les o los nervios craneales, y tienen su cuerpo celular en los ganglios de la raíz dorsal o en los ganglios homólogos para los nervios cra- neales. Las fibras eferentes salen del SNC por medio de las raíces ventrales espinales o nervios craneales motores correspondientes. La actividad en el arco reflejo empieza en un receptor sensorial con un potencial generador cuya magnitud es proporcional a la fuerza del estímulo (figura 14-1). Esto genera potenciales de acción de todo o nada en el nervio aferente; el número de potenciales de acción es proporcional al tamaño del potencial generador. En el SNC, las respuestas de nuevo son graduadas en términos de poten- ciales postsinápticos excitadores (EPSP) y potenciales postsináp- ticos inhibidores (IPSP) en las uniones sinápticas (capítulo 7). Se generan respuestas de todo o nada en el nervio eferente; cuando éstas llegan al órgano efector, de nuevo establecen una respuesta gra- duada. Cuando el efector es músculo liso, las respuestas se suman para producir potenciales de acción en el músculo liso, pero cuando el efector es músculo esquelético, la respuesta graduada es adecuada para producir potenciales de acción que desencadenan contracción muscular. La actividad dentro del arco reflejo es modificada por las múltiples aferencias que convergen en las neuronas eferentes o en cualquier estación sináptica dentro del asa refleja. El arco reflejo más simple es el que tiene una sinapsis única entre las neuronas aferentes y eferentes. Dichos arcos son monosinápticos, y los reflejos que ocurren en ellos se llaman reflejos monosinápti- cos. Los arcos reflejos en los cuales hay una o más interneuronas interpuestas entre las neuronas aferentes y eferentes se llaman refle- jos polisinápticos. Puede haber desde dos, hasta cientos de sinapsis en un arco reflejo polisináptico. Como es evidente a partir de la descripción que se presenta más adelante, la actividad refleja se estereotipa y especifica en términos tanto del estímulo como de la respuesta; un estímulo particular des- encadena una respuesta particular. El hecho de que las respuestas reflejas se estereotipen no excluye la posibilidad de que sean modifi- cadas por la experiencia. Los reflejos son adaptables y pueden cam- biarse para realizar tareas motoras y mantener el equilibrio. Las aferencias descendentes que provienen de regiones más altas del cerebro desempeñan un papel importante en la modulación de refle- jos espinales y la adaptación de los mismos. REFLEJO MONOSINÁPTICO: EL REFLEJO DE ESTIRAMIENTO Cuando un músculo esquelético con inervación intacta es estirado, se contrae. Esta respuesta se llama reflejo de estiramiento. El es- tímulo que inicia el reflejo es estiramiento del músculo, y la respuesta es contracción del mismo músculo. El órgano de sentido (receptor) es una pequeña estructura que se parece a huso o fusiforme encapsula- da que se llama el huso muscular, el cual se ubica dentro de la parte C A P Í T U L O 14 O B J E T I V O S ■ Definir los componentes de un arco reflejo. ■ Describir los husos musculares y su función en el reflejo de estiramiento. ■ Explicar las funciones de los órganos tendinosos de Golgi como parte de un sistema de retroacción que mantiene la fuerza muscular. ■ Definir la inervación recíproca, el reflejo de estiramiento inverso, y el clono. ■ Describir los efectos a corto y largo plazo de la lesión de la médula espinal sobre los reflejos espinales. Reflejos espinales Susan M. Barman CARACTERÍSTICAS CLAVE v Nuevo diseño a todo color Cuadros y gráficas con información crucial Prácticas ayudas para el aprendizaje que propician retener información esencial
  6. 6. Acerca de los autores Hershel Raff Hershel Raff recibió su Ph.D. in Environmental Physiology en la Johns Hopkins University en 1981, y realizó adiestramiento posdoctoral en Endocrinology en la University of California en San Francisco. En 1983 ingresó al profesorado del Medical College of Wisconsin, y en 1991 ascendió al rango de Professor of Medicine (Endocrinology, Metabolism, and Clinical Nutrition) and Physiology. También es Director of the Endocrine Research Laboratory en Aurora St. Luke’s Medical Center. En el Medical College of Wisconsin, imparte fisiología y farmacología a estudiantes de medi- cina y graduados. Tiene una admisión inaugural a la Society of Teaching Scholars, recibió el Beckman Basic Science Teaching Award y el Outstanding Teacher Award, y ha sido uno de los MCW’s Outstanding Medi- cal Student Teachers cada año que se ha otorgado el pre- mio. El Dr. Raff fue electo para la Alpha Omega Alpha (AOA) Honor Medical Society como un maestro del profesorado en 2005. También es Adjunct Professor of Biomedical Sciences at Marquette University. Es Asso- ciate Editor of Advances in Physiology Education. Fue Secretary-Treasurer de la Endocrine Society y en la actualidad es Chair del Publications Committee de la American Physiological Society. En 2005 fue electo Fellow de la American Association for the Advancement of Science. La investigación básica del Dr. Raff se enfoca en la adaptación a oxígeno bajo (hipoxia). Su interés clí- nico se centra en enfermedades hipofisarias y suprarre- nales, con un enfoque especial en el diagnóstico de síndrome de Cushing. El Dr. Raff también es coautor de Vander’s Human Physiology (McGraw-Hill) actualmente en su 12ª edición, y de Physiology Secrets, en la actuali- dad en su 2ª edición. Michael Levitzky Michael Levitzky es Professor of Physiology and Anesthesiology en el Louisiana State University Health Sciences Center, y Director of Basic Science Curriculum en la LSU School of Medicine en New Orleans. En 1969 recibió un B.A. en la University of Pennsylvania, y en 1975 un Ph.D. en Physiology en el Albany Medical College. Ingre- só al profesorado de la LSU School of Medicine en 1975, y ascendió al rango de Professor en 1985. También ha sido Adjunct Professor of Physiology en la Tulane Uni- versity School of Medicine desde 1991. El Dr. Levitzky imparte fisiología a estudiantes de medicina, residentes, becarios y estudiantes graduados. Ha recibido muchos premios de enseñanza por parte de organizaciones estu- diantiles tanto en la LSU como en la Tulane University. En 1997 recibió el primer LSUHSC Allen A. Copping Award for Excellence in Teaching in the Basic Sciences, y en 1998 el American Physiological Society’s Arthur C. Guyton Teacher of the Year Award. Fue electo para la Alpha Omega Alpha (AOA) Honor Medical Society como un maestro del profesorado en 2006. El Dr. Levitzky ha prestado servicio en la American Physiolo- gical Society como miembro del Education Committee y del Steering Committee of the Teaching Section. De 2007 a 2011 prestó servicio como miembro del National Board of Medical Examiners United States Medical Licensing Examination (USMLE) Step 1 Physiology Test Material Development Committee. Es autor o coautor de varios otros libros, uno de los cuales, Pulmonary Phy- siology (Lange/McGraw-Hill), en la actualidad está en su 7ª edición. vi
  7. 7. vii Capítulo 10. Estructura y función del músculo cardiaco 93 Kathleen H. McDonough Capítulo 11. Estructura y función del músculo liso 99 Kathleen H. McDonough S E C C I Ó N IV FISIOLOGÍA DEL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL/NEURAL 105 Capítulo 12. Introducción al sistema nervioso 105 Susan M. Barman Capítulo 13. Sistemas sensoriales generales: tacto, dolor y temperatura 115 Susan M. Barman Capítulo 14. Reflejos espinales 125 Susan M. Barman Capítulo 15. Sentidos especiales I: visión 133 Susan M. Barman Capítulo 16. Sentidos especiales II: audición y equilibrio 147 Susan M. Barman Capítulo 17. Sentidos especiales III: olfato y gusto 159 Susan M. Barman Capítulo 18. Control de la postura y el movimiento 167 Susan M. Barman Capítulo 19. Sistema nervioso autónomo 177 Susan M. Barman Capítulo 20. Actividad eléctrica del cerebro, estados de sueño-vigilia y ritmos circadianos 185 Susan M. Barman Capítulo 21. Aprendizaje, memoria, lenguaje y habla 191 Susan M. Barman Contenido Colaboradores xi Prefacio xiii S E C C I Ó N I INTRODUCCIÓN 1 Capítulo 1. Conceptos fisiológicos generales 1 Hershel Raff y Michael Levitzky S E C C I Ó N II FISIOLOGÍA CELULAR 9 Capítulo 2. Células y mecanismos celulares 9 David Landowne Capítulo 3. Membranas celulares y mecanismos de transporte 15 David Landowne Capítulo 4. Canales y control del potencial de membrana 33 David Landowne Capítulo 5. Potenciales generadores sensoriales 43 David Landowne Capítulo 6. Potenciales de acción 47 David Landowne Capítulo 7. Sinapsis 59 David Landowne S E C C I Ó N III FISIOLOGÍA MUSCULAR 79 Capítulo 8. Perspectiva general de la función muscular 79 Kathleen H. McDonough Capítulo 9. Estructura y función del músculo esquelético 83 Kathleen H. McDonough
  8. 8. viii CONTENIDO S E C C I Ó N V FISIOLOGÍA CARDIOVASCULAR 199 Capítulo 22. Perspectiva general del sistema cardiovascular 199 Lois Jane Heller y David E. Mohrman Capítulo 23. Células de músculo cardiaco 211 Lois Jane Heller y David E. Mohrman Capítulo 24. La bomba cardiaca 223 Lois Jane Heller y David E. Mohrman Capítulo 25. Evaluaciones de la función cardiaca 235 Lois Jane Heller y David E. Mohrman Capítulo 26. Sistema vascular periférico 251 David E. Mohrman y Lois Jane Heller Capítulo 27. Control vascular 263 David E. Mohrman y Lois Jane Heller Capítulo 28. Retorno venoso y gasto cardiaco 275 David E. Mohrman y Lois Jane Heller Capítulo 29. Regulación de la presión arterial 285 David E. Mohrman y Lois Jane Heller Capítulo 30. Respuestas cardiovasculares al estrés fisiológico 295 Lois Jane Heller y David E. Mohrman S E C C I Ó N VI FISIOLOGÍA PULMONAR 305 Capítulo 31. Función y estructura del sistema respiratorio 305 Michael Levitzky Capítulo 32. Mecánica del sistema respiratorio 313 Michael Levitzky Capítulo 33. Ventilación alveolar 331 Michael Levitzky Capítulo 34. Perfusión pulmonar 341 Michael Levitzky Capítulo 35. Relaciones ventilación- perfusión e intercambio de gases respiratorio 353 Michael Levitzky Capítulo 36. Transporte de oxígeno y dióxido de carbono 363 Michael Levitzky Capítulo 37. Regulación acido-básica y causas de hipoxia 375 Michael Levitzky Capítulo 38. Control de la respiración 385 Michael Levitzky S E C C I Ó N VII FISIOLOGÍA RENAL 397 Capítulo 39. Funciones, procesos básicos y anatomía renales 397 Douglas C. Eaton y John P. Pooler Capítulo 40. Flujo sanguíneo renal y filtración glomerular 409 Douglas C. Eaton y John P. Pooler Capítulo 41. Depuración 417 Douglas C. Eaton y John P. Pooler Capítulo 42. Mecanismos de transporte tubular 423 Douglas C. Eaton y John P. Pooler Capítulo 43. Manejo renal de sustancias orgánicas 429 Douglas C. Eaton y John P. Pooler Capítulo 44. Procesos renales básicos para sodio, cloruro y agua 437 Douglas C. Eaton y John P. Pooler Capítulo 45. Regulación de la excreción de sodio y agua 449 Douglas C. Eaton y John P. Pooler Capítulo 46. Regulación del equilibrio de potasio 463 Douglas C. Eaton y John P. Pooler Capítulo 47. Regulación del equilibrio acidobásico 471 Douglas C. Eaton y John P. Pooler Capítulo 48. Regulación del equilibrio de calcio y fosfato 485 Douglas C. Eaton y John P. Pooler S E C C I Ó N VIII FISIOLOGÍA GASTROINTESTINAL 491 Capítulo 49. Perspectiva general del sistema gastrointestinal: anatomía funcional y regulación 491 Kim E. Barrett Capítulo 50. Secreción gástrica 507 Kim E. Barrett
  9. 9. CONTENIDO ix Capítulo 51. Secreciones pancreática y salival 517 Kim E. Barrett Capítulo 52. Absorción y secreción de agua y electrólitos 527 Kim E. Barrett Capítulo 53. Aspectos inmunitarios y ecológicos de la mucosa intestinal 535 Kim E. Barrett Capítulo 54. Motilidad intestinal 543 Kim E. Barrett Capítulo 55. Anatomía funcional del hígado y el sistema biliar 559 Kim E. Barrett Capítulo 56. Formación, secreción y almacenamiento de bilis 565 Kim E. Barrett Capítulo 57. Manejo de la bilirrubina y el amoniaco por el hígado 575 Kim E. Barrett Capítulo 58. Digestión y absorción de carbohidratos, proteínas y vitaminas hidrosolubles 583 Kim E. Barrett Capítulo 59. Asimilación de lípidos 593 Kim E. Barrett S E C C I Ó N IX ENDOCRINOLOGÍA Y FISIOLOGÍA METABÓLICA 601 Capítulo 60. Principios generales de fisiología endocrina 601 Patricia E. Molina Capítulo 61. Hipotálamo y adenohipófisis 613 Patricia E. Molina Capítulo 62. Adenohipófisis 623 Patricia E. Molina Capítulo 63. Glándula tiroides 633 Patricia E. Molina Capítulo 64. Glándula paratiroides y regulación del calcio y fosfato 643 Patricia E. Molina Capítulo 65. Glándula suprarrenal 655 Patricia E. Molina Capítulo 66. Páncreas endocrino 671 Patricia E. Molina Capítulo 67. Aparato reproductor masculino 683 Patricia E. Molina Capítulo 68. Aparato reproductor femenino 695 Patricia E. Molina Capítulo 69. Integración endocrina del equilibrio energético y electrolítico 715 Patricia E. Molina S E C C I Ó N X FISIOLOGÍA INTEGRATIVA 729 Capítulo 70. Control de la temperatura corporal 729 Hershel Raff y Michael Levitzky Capítulo 71. Hipoxia e hiperbaria 735 Michael Levitzky y Hershel Raff Capítulo 72. Ejercicio 745 Michael Levitzky y Kathleen H. McDonough Capítulo 73. Envejecimiento 753 Hershel Raff Respuestas a las preguntas de estudio 757 Índice 761
  10. 10. xi Colaboradores Susan M. Barman, PhD Professor Department of Pharmacology & Toxicology and Neuroscience Program Michigan State University East Lansing, Michigan Kim E. Barrett, PhD Professor of Medicine and Dean of Graduate Studies University of California, San Diego La Jolla, California Douglas C. Eaton, PhD Distinguished Professor and Chair of Physiology and Professor of Pediatrics Department of Physiology and Center for Cell & Molecular Signaling Emory University School of Medicine Atlanta, Georgia Lois Jane Heller, PhD Professor Department of Physiology and Pharmacology University of Minnesota Medical School Duluth, Minnesota David Landowne, PhD Professor Department of Physiology and Biophysics University of Miami, Miller School of Medicine Miami, Florida Michael Levitzky, PhD Professor of Physiology and Anesthesiology Louisiana State University Health Sciences Center New Orleans, Louisiana Kathleen H. McDonough, PhD Professor Department of Physiology Associate Dean, School of Graduate Studies Louisiana State University Health Sciences Center New Orleans, Louisiana Patricia E. Molina, MD, PhD Richard Ashman, PhD Professor and Head of Physiology Department of Physiology Louisiana State University Health Sciences Center New Orleans, Louisiana David E. Mohrman, PhD Associate Professor, Emeritus Department of Physiology and Pharmacology University of Minnesota Medical School Duluth, Minnesota John P. Pooler, PhD Professor of Physiology Emeritus Emory University School of Medicine Atlanta, Georgia Hershel Raff, PhD Professor Departments of Medicine and Physiology Medical College of Wisconsin Endocrine Research Laboratory Aurora St. Luke’s Medical Center Milwaukee, Wisconsin
  11. 11. xii Asesora para la revisión científica de la edición en español Dr. med. Nancy Esthela Fernández Garza Jefe del Departamento de Fisiología Facultad de Medicina Universidad Autónoma de Nuevo León
  12. 12. xiii Prefacio Fisiología médica: un enfoque por aparatos y sistemas tiene el pro- pósito de proporcionar a estudiantes de primer año de medicina y graduados, y estudiantes de pregrado avanzados la base de los princi- pales procesos fisiológicos necesarios para entender tanto la salud como la enfermedad. Los planes de estudios de muchas escuelas de medicina están cambiando: casi todas ellas han pasado por una tran- sición desde un enfoque de bloque, con un curso propio para cada disciplina,haciaunaestructuraintegrada verticalmente, o se encuen- tran en dicha transición. Uno de los objetivos de un plan de estudios integrado es la presentación de mucho más material clínico durante los primeros dos años de estudios de medicina, así como el reforza- miento de conceptos básicos durante los dos años principalmente clínicos. Como resultado, hay un enfoque creciente en los conceptos esenciales necesarios para entender fisiopatología. En consecuencia, este libro es considerablemente más corto que el tratado de fisiología estándar completo. Se enfoca en conceptos fisio- lógicos y correlaciones clínicas importantes, y deja los detalles espe- cíficos para libros de mayor tamaño. Casi todo este libro evolucionó a partir de las series de monografías Lange Physiology Series. La sec- ción sobre el sistema nervioso central surgió a partir de la 23ª edi- ción de Ganong. Fisiología médica. Finalmente, la introducción, así como las secciones de fisiología muscular y de fisiología integrativa son nuevas. Cada capítulo empieza con una lista de objetivos y concluye con un resumen. Casi todos los capítulos también finalizan con una correlación clínica que refuerza los principios fisiológicos principa- les que acaban de aprenderse, e ilustra su importancia para entender estados de enfermedad. Cada capítulo termina con preguntas de opción múltiple diseñadas para probar el conocimiento de algunos de los conceptos importantes cubiertos. Los autores estamos en deuda con nuestros mentores, quienes nos proporcionaron un fundamento para los avances en educación fisio- lógica durante el siglo XXI. También agradecemos a nuestros estu- diantes por proporcionarnos una caja de resonancia para los métodos pedagógicos explotados en este libro. Los autores agrade- cen a Michael Weitz, Karen Davis y Brian Kearns de McGraw-Hill por su sobresaliente ayuda editorial. Finalmente, un agradecimiento especial a nuestras familias: Judy y Jonathan; y Elizabeth, Edward y Sarah. Hershel Raff Michael Levitzky
  13. 13. 1 INTRODUCCIÓN La fisiología es la ciencia que estudia la función de los organismos. El objeto de la fisiología es explicar cómo los sistemas, las células, e incluso las moléculas, interactúan para mantener una función nor- mal. La característica distintiva de la fisiología es el concepto de la homeostasis, que es el mantenimiento de un ambiente interno nor- mal ante perturbaciones externas o internas, de modo que se manten- gan las funciones de las células y los sistemas de cuerpo. Esto se logra sobre todo por medio de sistemas de retroalimentación, de modo que cuando un sistema queda alterado, varias respuestas locales, reflejos sistémicos (reacciones rápidas, automáticas, a estímulos) y ajustes a largo plazo se activan para regresar el sistema a su valor establecido normal. Al entender cómo funcionan las cosas en condiciones nor- males, es posible apreciar cuándo hay un mal funcionamiento y por qué. Esto se llama fisiopatología —una alteración duradera de la fun- ción normal causada por enfermedad o lesión. Por ende, la fisiología es uno de los fundamentos de las ciencias de la salud. LA CÉLULA La célula es el bloque de construcción básico de los órganos del cuer- po. Los detalles de la fisiología celular se cubren en la sección II. En la figura 1-1 se muestra la estructura general de una célula nucleada (eucariota); está rodeada por una membrana celular compuesta de una bicapa lipídica, proteínas de membrana, y carbohidratos en asociación con lípidos (glucolípidos) o proteínas (glucoproteínas). La membrana celular es el portero para cualquier cosa que entre o salga de la célula, y es una barrera que ayuda a mantener la composi- ción interna de la célula. Algunas proteínas y glucoproteínas de mem- brana funcionan como sensores, o receptores, que detectan el ambiente y señales químicas externos, y después emiten señales al interior de la célula, por lo general mediante sustancias químicas que actúan como segundos mensajeros, o por medio de cambios de la actividad eléctrica de la membrana. Otras proteínas de membrana funcionan como transportadores, que regulan la entrada o la salida de sustancias hacia la célula o hacia afuera de la célula. En la figura 1-2 SECCIÓN I INTRODUCCIÓN C A P Í T U L O 1 Conceptos fisiológicos generales Hershel Raff y Michael Levitzky O B J E T I V O S ■ Entender las propiedades generales de una célula eucarionte. ■ Explicar la organización general de los órganos internos del cuerpo. ■ Comparar y contrastar la composición del líquido extracelular con la del intracelular. ■ Describir los diferentes tipos de transporte de membrana. ■ Entender los conceptos generales de presión, flujo, resistencia y adaptabilidad. ■ Explicar el equilibrio de masas. ■ Definir la retroalimentación negativa y positiva.
  14. 14. 2 SECCIÓN I Introducción se muestra la estructura de la bicapa lipídica y las proteínas asociadas de la membrana celular. El interior de la célula está compuesto de citosol, que es un líquido que consta de agua, en la cual están disueltas proteínas, como meta- bolitos, combustible e iones inorgánicos (que se conocen como elec- trólitos). Dispersos en el citosol también hay diversas partículas subcelulares y organelos. En conjunto, la combinación de citosol y las estructuras intracelulares se llama el citoplasma. Los orgánulos incluyen el retículo endoplasmático, que es una extensa red de membranas dentro de las cuales hay proteínas y otras sustancias quí- micas importantes. El retículo endoplasmático tiene importancia en muchas funciones metabólicas y en el empaque de productos secre- tores. Los ribosomas están involucrados en la traducción, que es la síntesis de proteínas a partir del RNA mensajero (mRNA). Estos ribosomas se asocian con el retículo endoplasmático en una estruc- tura combinada llamada retículo endoplasmático rugoso (RER). El aparato de Golgi se vincula con el retículo endoplasmático, y empa- ca material sintetizado en el RER. Los lisosomas son estructuras intracelulares, rodeadas por membrana, y contienen enzimas diges- tivas que se sitúan en gránulos involucrados en el metabolismo intracelular. Los gránulos secretores contienen moléculas que la célula liberará hacia el líquido extracelular mediante exocitosis, en respuesta a estímulos. Algunas células contienen muchas gotitas de lípido, porque la grasa es hidrofóbica y no se disuelve con facilidad en el ambiente acuoso del citosol. Las mitocondrias tienen dos membranas de bicapa lipídica en aposición, y son los organelos que generan energía. A los orgánulos citoplasmáticos los mantienen en su posición filamentos y microtúbulos, los cuales surgen a partir de FIGURA 11 Diagrama que muestra una célula hipotética en el centro, observada con un microscopio óptico. (Adaptada, con autorización de Fawcett DW et al. The ultrastructure of endocrine glands, Recent Prog Horm Res. 1969;25:315-380.) Gránulos secretores Centríolos Retículo endoplasmático liso Aparato de Golgi Gotitas de lípido Retículo endoplasmático rugoso Lisosomas Mitocondria Cabezas globulares Envoltura nuclear Nucléolo FIGURA 12 Organización de la bicapa de fosfolípido y proteínas asociadas en una membrana celular biológica. (Reproducida con autorización de Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology, 11th ed. McGraw-Hill, 2008.) Líquido extracelular Líquido intracelular Carbohidrato de glucoproteína Proteínas integrales Regiones polares Regiones no polares Proteína periférica Fosfolípidos Proteínas transmembrana Canal
  15. 15. CAPÍTULO 1 Conceptos fisiológicos generales 3 los centrosomas, que también tienen importancia en el movimiento de los cromosomas durante la división celular. Por último, el núcleo, también rodeado por una membrana bicapa lipídica llamada la envoltura nuclear, contiene cromatina, la cual está compuesta de DNA que contiene el código de ácidos nucleicos para la diferencia- ción, la función y la replicación celulares. El DNA contiene los genes que codifican para mRNA que se producen a partir del DNA mediante transcripción. El núcleo también contiene el nucléolo, que es el sitio de síntesis de ribosomas. Como se menciona en varios capítulos de este libro, la membrana celular contiene diferentes tipos de receptores, los cuales detectan señales extracelulares que son transformadas hacia señales intrace- lulares mediante transducción. Además, hay receptores dentro del citoplasma y el núcleo que responden a señales que entran a la célula. Los ejemplos de esas señales son hormonas esteroides, como los estrógenos y la testosterona, las cuales son lipofílicas (“que aman la grasa”) y, como resultado, pueden difundirse con facilidad a través de la membrana celular para ejercer una acción intracelular. ESTRUCTURA GENERAL DEL CUERPO En la figura 1-3 se presenta un diagrama del cuerpo humano. Los órganos (por ejemplo, cerebro y corazón) reciben nutrientes y elimi- nan productos de desecho por medio del sistema circulatorio. El corazón se ilustra en dos partes —derecha e izquierda— como una representación funcional, aun cuando en realidad es un solo órgano. El lado derecho del corazón recibe sangre parcialmente desoxigena- FIGURA 13 Organización general de los principales órganos del cuerpo. Las flechas muestran las direcciones de flujo sanguíneo y flujo de gases, nutrientes, hormonas y productos de desecho. Sistema nervioso central Nervios aferentes y eferentes Sangre venosa Sangre arterial Ingesta de alimentos y agua Lado derecho del corazón Lado izquierdo Tejidos Productos de desecho Nutrientes Glándulas endocrinas Hormonas Hígado Tracto GI Nutrientes Desecho Riñón Desecho Orina Heces Atmósfera Pulmón O2 CO2 del corazón O2 CO2 Síntesis Metabolismo Resorción Bilis Filtración
  16. 16. 4 SECCIÓN I Introducción da que regresa desde los tejidos, y bombea sangre hacia los pulmo- nes. En los pulmones, el oxígeno se difunde hacia la sangre desde la fase gaseosa para uso en la respiración celular en el cuerpo, y el dióxido de carbono, un producto de desecho de la respiración celu- lar, se elimina mediante difusión desde la sangre hacia la fase gaseosa. El lado izquierdo del corazón recibe sangre oxigenada desde los pul- mones, y bombea la sangre hacia el árbol arterial para regar los órga- nos del cuerpo. Los nutrientes, minerales, vitaminas, y el agua, son introducidos mediante la ingestión de alimentos y líquidos, y absor- ción en el tracto gastrointestinal (GI). El hígado, que por lo general se considera parte del sistema GI, procesa sustancias absorbidas hacia la sangre desde el tracto GI, y sintetiza también nuevas molécu- las, como glucosa a partir de precursores. Los productos de desecho metabólicos se eliminan a través del sistema GI en las heces, y por los riñones en la orina. Los dos controladores integrativos principales del ambiente interno son los sistemas nervioso y endocrino. Cere- bro, médula espinal, sistemas sensoriales y nervios conforman el sis- tema nervioso. El sistema endocrino está constituido de glándulas sin conductos y células secretoras dispersas que se distribuyen en todo el cuerpo, las cuales liberan hormonas hacia la sangre en respues- ta a señales metabólicas, hormonales y nerviosas. La función de los sistemas nervioso y endocrino es coordinar la conducta y las interac- ciones de los sistemas descritos en todo el libro. El agua es la molécula más abundante en el cuerpo; constituye alrededor de 50 a 60% del peso corporal total. Todas las células y órganos existen en un ambiente acuoso. El agua intracelular es el principal componente del citosol. El agua también es el principal componente del líquido extracelular. Este último incluye el líquido intersticial, que baña las células del organismo; el plasma sanguí- neo, es el componente líquido de la sangre; el líquido cefalorraquí- deo sólo se encuentra en el sistema nervioso central; el líquido sinovial, se encuentra en articulaciones como la rodilla, y la linfa es un líquido que se forma a partir del líquido intersticial, el cual fluye de regreso hacia el sistema circulatorio por medio del sistema linfá- tico. Hay diferencias importantes en la composición de los líquidos intracelular y extracelular, que tienen importancia en varios aspectos de la función celular (cuadro 1-1). FACTORES Y CONCEPTOS FÍSICOS GENERALES No es un accidente que las palabras “fisiología” y “física” provengan de la misma palabra griega physis (“naturaleza”). Es importante que los estudiantes de fisiología entiendan las fuerzas y los factores físi- cos que rigen la función del cuerpo. TRANSPORTE DE MEMBRANA Hay varios mecanismos con los cuales las moléculas cruzan la mem- brana celular, sea para entrar a la célula o para salir de ella. Todos ellos se describen con detalle en la Sección II. El más simple es la difusión, en la que la tasa a la cual una molécula cruza la membrana celular está regida por el gradiente de concentración y la facilidad con la cual cada molécula puede pasar por la membrana celular (permeabilidad); no se requiere de manera directa gasto de energía para la difusión, razón por la cual a veces se llama difusión pasiva. También hay transportadores proteínicos, los cuales se ubican en la membrana celular que media la difusión facilitada de moléculas que son demasiado grandes o hidrofílicas como para permear la membrana mediante difusión simple. La difusión facilitada no requiere energía, y mueve moléculas en favor de un gradiente de concentración. En contraste, el transporte activo es un proceso que consta de movimiento de moléculas a través de una membrana celu- lar contra un gradiente de concentración; puede considerarse una bomba que usa energía para hacer trabajo. El movimiento de moléculas de agua a través de la membrana celular también ocurre mediante difusión desde una “concentra- ción” de agua más alta hacia una más baja. Esto se llama ósmosis; el agua se mueve desde un compartimiento con menos partículas osmóticamente activas (concentración más alta de agua) hacia un compartimiento con más partículas osmóticamente activas (concen- tración más baja de agua). Los ejemplos de partículas osmóticamen- te activas son iones como sodio, potasio y cloruro, y moléculas orgánicas como glucosa y aminoácidos. AMORTIGUACIÓN Y pH Una de las variables más controlada en el organismo es la concentra- ción del ion hidrógeno de los líquidos intracelular y extracelular. Esto se debe a que casi todas las proteínas tienen función óptima dentro de un rango de pH muy estrecho. Recuérdese que el pH es el logarit- mo negativo (base 10) de la concentración de ion hidrógeno en uni- dades molares —cuando el pH es bajo, el líquido es ácido; cuando el pH es alto, el líquido es alcalino—. El cuerpo tiene varios mecanis- mos para mantener un pH normal; éstos se explican en las Secciones CUADRO 1-1 Composición de los líquidos extracelular e intracelular. Concentración extracelular (mM) Concentración intracelular (mM) Na+ 140 12 K+ 5 150 Ca2+ 1 0.0001 Mg2+ 1.5 12 Cl– 100 7 HCO3 – 24 10 Aminoácidos 2 8 Glucosa 4.7 1 Proteína 0.2 4 Las concentraciones intracelulares son un poco diferentes para distintos tejidos. Las concentraciones de Ca2+ mostradas son los iones libres, biológicamente activos, no unidos a proteínas. El Ca2+ total (unido más libre) es considerablemente más alto en los líquidos extracelular (2.5 mM) e intracelular (1.5 mM). Reproducido con autorización de Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology, 11th ed. McGraw-Hill, 2008.
  17. 17. CAPÍTULO 1 Conceptos fisiológicos generales 5 VI y VII. El organismo puede deshacerse de ácido al aumentar la eliminación de dióxido de carbono desde los pulmones, lo cual se debe a que el dióxido de carbono y el ion hidrógeno están enlazados por medio de reacciones químicas al bicarbonato, uno de los princi- pales amortiguadores en el cuerpo. Un amortiguador es un com- puesto iónico que atenúa cambios del pH al combinarse con iones hidrógeno o liberarlos. Los riñones también pueden eliminar ion hi- drógeno del organismo por medio de los complejos procesos involu- crados en la producción de orina. Por último, los cambios del pH intracelular y extracelular pueden evitarse con diversos amortigua- dores además del bicarbonato. FUERZAS HIDROSTÁTICAS Y PRESIÓN, RESISTENCIA Y ADAPTABILIDAD Presión se define como fuerza por unidad de área. La presión en el fondo de una columna de líquido aumenta con la altura de la colum- na y depende también de la densidad del líquido y de la gravedad. La presión en cualquier punto en una columna de líquido se llama pre- sión hidrostática, y es la diferencia de presión entre ese punto y la parte superior de la columna. Las diferencias de presión hidrostática tienen muchas consecuencias fisiológicas importantes, en particular en los vasos sanguíneos (Sección V). El flujo de un fluido (un líquido o gas) se cuantifica como el volu- men de fluido que se mueve a través de un conducto por unidad de tiempo. Las relaciones entre presión, flujo y la resistencia ofrecida por los conductos a través de los cuales fluye un fluido pueden ser complejas, pero se simplifican como sigue. La tasa de flujo de líquido a través de un tubo es proporcional a la diferencia de presión entre los dos extremos del tubo, e inversamente proporcional a la resisten- cia al flujo a través del tubo. La resistencia no puede determinarse de manera directa, sino que se calcula a partir de la presión y el flujo. En ausencia de cambio de la resistencia, el incremento de la desigualdad de presión a través de un tubo aumentará el flujo. Si la diferencia de presión de un extremo del tubo al otro no cambia, el incremento de la resistencia disminuirá el flujo. Si el flujo a través del tubo no cambia, aumentar la resistencia incrementará la desigualdad de presión entre los extremos del tubo. La diferencia de presión entre los dos extre- mos del tubo representa la conversión de energía en calor por la fric- ción interna del fluido con sí mismo y con la pared del conducto. El lector notará que la relación entre presión, flujo y resistencia para líquido que fluye a través de un tubo es análoga a la ley de Ohms para la electricidad, en la cual la disminución de voltaje a través de un circuito (análogo a una caída de presión en el tubo con líquido flu- yendo a través de él) es proporcional al producto de la corriente (análoga al flujo) y la resistencia. Casi todos los vasos o cavidades en el cuerpo se distenderán de manera pasiva si la diferencia de presión a través de sus paredes aumenta; esto da lugar a incremento del volumen del vaso. Tal capa- cidad para distenderse en respuesta a un aumento en la diferencia de presión transmural (a través de la pared) aumentada se llama adap- tabilidad. Un término menos específico para adaptabilidad es dis- tensibilidad. El inverso de la adaptabilidad es la elasticidad, por ende, la com- plianza puede considerarse la resistencia a la distensión cuando la diferencia de presión transmural aumenta, o como la capacidad de un vaso para volver a su volumen original después de que se elimina la diferencia de presión transmural aumentada. Esto se relaciona de manera directa con la ley de Hooke de la elasticidad para resortes mecánicos. EQUILIBRIO DE MASAS Y METABOLISMO A fin de alcanzar el estado estable que define la homeostasis, la can- tidad de cualquier sustancia que ingrese al cuerpo debe ser casi igual a la cantidad de la sustancia que sale del cuerpo, más la eliminada por el metabolismo (figura 1-4). El flujo de entrada de una sustancia es la suma de la captación en los pulmones, la absorción en el tracto GI, la síntesis en el organismo (p. ej., síntesis hepática de glucosa a partir de precursores moleculares), y liberación a partir de células (p. ej., liberación de ácidos grasos a partir de tejido adiposo). El flujo de salida de una sustancia es la suma del metabolismo, la captación FIGURA 14 Concepto de equilibrio de masas. El compartimiento central por lo general es líquido extracelular (que incluye plasma sanguíneo); recibe sustancias por ingestión, síntesis y liberación desde células, y pierde sustancias por excreción, metabolismo y captación hacia células. En el estado estable, cuando se dice que una sustancia está“en equilibrio”, la ingesta y la excreción son casi iguales. (Reproducida con autorización de Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology, 11th ed. McGraw-Hill, 2008.) Metabolismo FONDO COMÚN Depósitos de almacenamiento Incorporación reversible hacia otras moléculas Tracto GI GANANCIA NETA HACIA EL CUERPO DISTRIBUCIÓN DENTRO DEL CUERPO PÉRDIDA NETA DESDE EL CUERPO Excreción desde el cuerpo por medio de los pulmones, el tracto GI, los riñones, piel, flujo menstrual Aire Alimento Síntesis en el cuerpo Pulmones
  18. 18. 6 SECCIÓN I Introducción hacia células, las pérdidas por medio del tracto GI, el sistema respi- ratorio, sudor y excreción urinaria. En el estado estable, la diferencia entre los flujos de entrada y de salida totales debe ser muy cercana a cero. De un minuto a otro, hay grandes diferencias entre el flujo de entrada y el flujo de salida, pero después de días a semanas, cuando la sustancia, por lo general, está en equilibrio, la desigualdad debe estar cerca de cero. Los ejemplos de esto son el equilibrio de sodio descrito en la SecciónVII, y los equilibrios de calcio y fosfato descri- tos en la Sección IX. EXCITABILIDAD Las células vivas tienen una diferencia de carga eléctrica a través de la membrana celular, creada por diferencias de la concentración de iones y el movimiento de los mismos entre el exterior y el interior de la célula (Secciones II a IV; cuadro 1-1). Como resultado, las membra- nas tienen un potencial eléctrico en reposo que puede ser cambiado por diversas entradas. Los cambios notorios del flujo de iones a tra- vés de la membrana celular llevan a grandes modificaciones del potencial eléctrico que pueden dar por resultado respuestas celulares importantes. Por ejemplo, la contracción muscular descrita en la Sección III se produce por la despolarización de la membrana celu- lar muscular que es transducida hacia una señal química dentro de la célula, la cual lleva a la generación de fuerza y movimiento. INTERACCIONES ENTRE UNA CÉLULA Y OTRA Las células interactúan entre sí localmente (Secciones II a IV, VIII y IX). Un mecanismo es mediante contacto directo entre células a tra- vés de uniones intercelulares estrechas (zonas de oclusión) y unio- nes intercelulares comunicantes (conexiones comunicantes). Otro es la sinapsis, en la cual las neuronas pueden liberar sustancias quí- micas que se llaman neurotransmisores para alterar la función de una célula vecina. Por último, hay diversas señales químicas median- te las cuales las células pueden comunicarse con células vecinas por medio de difusión. Un ejemplo de esto es la comunicación paracri- na con la cual una célula libera factores humorales que se difunden a través del líquido intersticial y se unen a un receptor en una célula vecina dentro del mismo tejido. SISTEMAS DE CONTROL El enfoque principal de la fisiología es el entendimiento de los meca- nismos con los cuales las células, los órganos y los sistemas mantie- nen la homeostasis. Esto se logra por medio de retroalimentación negativa. El concepto general es que el organismo trata de aumentar una variable cuando está por debajo de su nivel óptimo (lo cual se denomina valor establecido), y disminuye una variable cuando está por arriba de su nivel óptimo. Esto es análogo al termostato que con- trola la temperatura ambiente al ajustar el calentamiento, el enfria- miento, o ambos, de la habitación. Por ejemplo, si se abre una ventana en un día frío, la temperatura ambiente disminuye desde el valor establecido del termostato; lo anterior se llama perturbación. El ter- mostato contiene un sensor que detecta la diferencia entre la tempe- ratura ambiente y el valor establecido. El termostato emite señales al aparato calefactor para que genere calor, y la temperatura ambiente es devuelta a lo normal. La diferencia entre el punto bajo de la tempera- tura ambiente y la temperatura ambiente final a estado estable se lla- ma corrección. Puesto que la ventana se deja abierta en este ejemplo, la temperatura ambiente no vuelve por completo al valor estableci- do; la diferencia restante entre la temperatura ambiente final y su valor establecido termostático se llama error. La capacidad del siste- ma de control para restituir el sistema a su valor establecido se llama ganancia, que es representada con la ecuación que sigue: Ganancia = Corrección (1) Error restante Un ejemplo clásico se presenta en la figura 1-5, que muestra la respuesta del sistema cardiovascular a la pérdida rápida de sangre (hemorragia). En este ejemplo, la pérdida rápida de 1 L de sangre lleva a un decremento de la presión arterial media desde el valor estable- cido de 100 a 75 mmHg. El sistema cardiovascular tiene sensores que se conocen como barorreceptores, los cuales detectan la presión arterial (capítulo 29). Estos sensores cambian sus aferencias nervio- sas hacia el cerebro para activar reflejos sistémicos para restituir la presión arterial a lo normal. En este ejemplo, estos reflejos restituyen la presión arterial a 95 mmHg; por consiguiente, la corrección es de 20 mmHg, y el error restante es de 5 mmHg. Al usar la ecuación (1), se proporciona una ganancia de alrededor de 4. Aunque los médicos por lo general no calculan la ganancia cuando atienden a pacientes, es una manera conveniente de pensar acerca de la capacidad de los FIGURA 15 Hemorragia moderada como un ejemplo de la ganancia de un sistema de control por retroacción. Mientras más alta es la ganancia de un sistema, más capaz es de restituir una variable controlada a su valor establecido en respuesta a una perturbación. Pérdida rápida de sangre Presión arterial final Error restante Corrección debida a reflejos Perturbación original Corrección Error restante 20 5 4 Punto más bajo Tiempo (min) Ganancia = 100 – 95 = 5 95 – 75 = 20 = = Valor establecido 100 95 75 Presión arterialmedia(mmHg)
  19. 19. CAPÍTULO 1 Conceptos fisiológicos generales 7 reflejos para restituir a lo normal, por medio de retroalimentación negativa, un sistema perturbado. Mientras mayor es la ganancia, más alta es la proporción entre la corrección y el error restante, y mejor es el sistema de control para restituir el sistema a su valor establecido; así, por ejemplo, el control de la temperatura corporal tiene una ganancia muy alta (capítulo 70). Muchos sistemas de retroalimentación incluyen un cambio de conducta. Por ejemplo, beber agua extra cuando el volumen sanguí- neo está disminuido ayuda a restituir el volumen plasmático. Poner- se ropa caliente y acurrucarse ayuda a minimizar la pérdida de calor en un ambiente frío; por último, los valores establecidos de sistemas de control pueden cambiar. Los ejemplos de esto son reajustar el valor establecido del barorreceptor durante aumentos crónicos de la presión arterial (hipertensión) (capítulo 29), y durante la aclimata- ción a la baja de oxígeno ambiente, característica de la altitud eleva- da (hipoxia) (capítulo 71). Aunque casi todos los sistemas de control del organismo son retroalimentación negativa, hay algunos ejemplos de retroalimenta- ción positiva, que son asas de retroalimentación que se amplifican por sí mismas. En el capítulo 68 se presentan varios ejemplos de esto. Uno es la estimulación de la hormona de la parte anterior del hipófi- sis, la hormona luteinizante (LH), por estrógeno justo antes de la ovulación, que causa un aumento grande de la LH, que después esti- mula más liberación de estrógeno, y así sucesivamente. Otro ejemplo es el parto, durante el cual la distensión del cuello del útero estimula la liberación de oxitocina desde la parte posterior de la hipófisis que, a su vez, estimula contracciones uterinas más fuertes. Esto causa dis- tensión cervical adicional, más liberación de oxitocina, y mayores contracciones del útero. La retroalimentación positiva también cau- sa efectos perjudiciales en el cuerpo. Un ejemplo es la insuficiencia cardiaca, durante la cual el bombeo del corazón se reduce debido a, por ejemplo, una infección del músculo cardiaco. La disminución resultante de la presión arterial lleva a reflejos que estimulan al cora- zón para que bombee más fuerte en un esfuerzo por aumentar la presión arterial. Tal estrés adicional sobre el corazón en realidad hace que funcione menos bien, y la insuficiencia cardiaca se alimen- ta por sí misma. Otro concepto importante en el control homeostático es la poten- ciación, lo cual tiene lugar cuando una sustancia incrementa la res- puesta a otra sustancia, aun cuando la primera sustancia no ejerce una respuesta importante por sí misma. Un ejemplo de esto es la liberación de las hormonas GI desde el intestino en respuesta a una comida (capítulos 49 y 66). Dichas hormonas pueden potenciar la respuesta pancreática de insulina a la glucosa absorbida; ese es un ejemplo de potenciación por anteroacción, porque estas hormonas GI “anuncian” el aumento inminente de la glucosa en sangre antes de que en realidad ocurra la absorción de glucosa en el intestino delga- do. Cuando la glucosa llega por medio del torrente sanguíneo al pán- creas, hay una respuesta de insulina potenciada, de modo que se evita la hiperglucemia. RESUMEN DEL CAPÍTULO ■ La célula está rodeada por una membrana que regula la composi- ción intracelular y el flujo de moléculas hacia adentro de la célula y hacia afuera de la misma. ■ El agua es la molécula más abundante en el cuerpo, y su concen- tración y equilibrio están altamente regulados. ■ Hay gradientes de concentración importantes entre los líquidos intracelular y extracelular para sodio, potasio, calcio, magnesio, cloruro y bicarbonato, así como para compuestos orgánicos. ■ Las moléculas pueden entrar a la célula mediante difusión pasiva, y por medio de transportadores que no usan energía celular (transporte facilitado) y que usan de manera directa dicha energía (transporte activo). ■ La tasa de flujo de un líquido a través de un tubo está determinada por la diferencia de presión entre el flujo de entrada y el flujo de salida, y por la resistencia del tubo al flujo. ■ Las sustancias más importantes en el cuerpo están en equilibrio; los flujos de entrada y de salida son casi iguales con el tiempo. ■ Casi todos los sistemas están controlados mediante retroalimen- tación; la variable controlada es capaz de suspender su propia liberación de modo muy parecido a la manera en que un termostato controla la temperatura ambiente. PREGUNTAS DE ESTUDIO 1. ¿Cuál de los organelos que siguen es el principal responsable de la generación de energía? A) aparato de Golgi B) mitocondrias C) lisosomas D) ribosomas 2. ¿Cuál de los siguientes tiene una concentración mucho más alta en el líquido intracelular que en el extracelular? A) ion sodio B) ion cloruro C) glucosa D) ion potasio 3. ¿Cuál de los siguientes daría lugar a un incremento del flujo de un líquido a través de un tubo? A) aumento de la resistencia B) aumento de la presión en el extremo de salida del tubo C) aumento de la presión en el extremo del flujo de entrada del tubo D) aumento de la longitud del tubo 4. ¿Cuál de los siguientes tiene la ganancia de retroacción más alta? A) presión arterial inicial = 100; punto bajo de presión arterial = 70; presión arterial final después de corrección por retroalimentación = 90 B) temperatura corporal inicial = 37.2 °C; punto alto de temperatura corporal = 38.9 °C; temperatura corporal final después de corrección por retroalimentación = 37.4 °C C) glucosa sanguínea inicial = 80 mg/dL; punto alto de glucosa en sangre = 110 mg/dL; glucosa en sangre final después de corrección por retroacción = 85 mg/dL D) osmolalidad plasmática inicial = 280 mOsm/kg; punto bajo de osmolalidad plasmática = 270 mOsm/kg; osmolalidad final después de corrección por retroacción = 278 mOsm/kg
  20. 20. 9 INTRODUCCIÓN La vida es celular, y las células son las unidades fundamentales de la vida. Sin células, no habría seres vivos. Todas las células de un indi- viduo dado se derivan de un huevo fecundado único. Casi todas las células de organismos multicelulares residen dentro de sus tejidos y órganos. Este capítulo se centra en los mecanismos celulares, y deja la discusión de su organización superior a capítulos dedicados a los diversos sistemas. Se introducen fármacos, toxinas y enfermedades para ilustrar los mecanismos celulares. COMUNICACIÓN Mecanismos celulares dinámicos apoyan la percepción sensorial del ambiente, la comunicación y la integración de información dentro de células y entre las mismas, así como su expresión, o acciones sobre el ambiente. Se trata de los procesos que permiten a la célula contribuir al funcionamiento de tejidos, órganos e individuos. Tales mecanismos constituyen uno de los fenómenos de las células —la excitabilidad—. Los otros, la reproducción y el metabolismo, no se cubren a profundidad aquí. La percepción, integración y expresión pueden considerarse mejores eventos fisiológicos en términos de entradas, procesos y salidas (figura 2-1). Los procesos complejos pueden fragmentarse en procesos más simples; las salidas de uno o más procesos se convierten en las entradas del siguiente. Para estudiar los procesos que se comentan aquí, es útil considerar un modelo de tres células del cuerpo. En la figura 2-2 se muestran una neurona (o célula nerviosa) sensorial, una neurona motora, y una célula de músculo esquelético. Estas células representan el soporte físico que el cuerpo usa para llevar a cabo los mecanismos celulares dinámicos descritos en el párrafo previo. Las células tienen porciones especializadas para los diferentes procesos. Empezando desde la izquierda, la célula sensorial tiene un extremo que se espe- cializa en la transducción de un estímulo hacia una señal celular. Los diversos sentidos tienen diferentes especialidades para lograr esta transducción. Además de los cinco sentidos clásicos (tacto, audición, visión, gusto y olfato), hay sensores o propioceptores dentro del organismo que detectan parámetros internos —por ejemplo, la tem- peratura corporal, la presión arterial, la concentración de oxígeno en sangre, o la longitud de diversos músculos. Si es suficientemente grande, la señal inicial hace que otra señal se propague por el axón (la porción cilíndrica larga de la célula nervio- sa) hasta que llega al otro extremo, donde la neurona sensorial hace una conexión sináptica con dendritas de la neurona motora, que se ubica en el sistema nervioso central (SNC). El mensaje se SECCIÓN II FISIOLOGÍA CELULAR C A P Í T U L O 2 O B J E T I V O S ■ Reconocer los tipos de eventos electrofisiológicos, y describirlos. ■ Describir los tipos de canales de membrana y sus funciones. ■ Describir sistemas fisiológicos de control. Células y mecanismos celulares David Landowne
  21. 21. 10 SECCIÓN II Fisiología celular transmite de la célula presináptica a la célula postsináptica, donde se integra o se evalúa junto con otros mensajes provenientes de otras neuronas que hacen sinapsis en la misma neurona motora. En el organismo completo, esta integración y comparación ocurren en muchas células a distintos niveles dentro del SNC, de modo que la decisión de moverse o no moverse se puede tomar al considerar más de una aferencia, y cualquier cosa que el organismo haya aprendido en el pasado. Si la neurona motora es excitada lo suficiente, enviará otro mensa- je a lo largo del axón que va a una sinapsis en una célula muscular. En personas sanas, esta sinapsis neuromuscular lleva a una señal que se propaga a todo lo largo de la célula muscular y activa la contrac- ción, que puede actuar sobre el ambiente. Otras acciones sobre el ambiente son efectuadas por las secreciones de diversas glándulas; éstas también pueden estar controladas por conexiones sinápticas. Estos músculos y glándulas pueden actuar internamente (p. ej., para controlar la frecuencia cardiaca o la presión arterial) o externa- mente (para locomoción o comunicación con otras personas). Todas estas señales son eléctricas; representan cambios de la dife- rencia de potencial eléctrico a través de las diversas membranas celulares. Cada célula viva tiene una membrana de superficie que separa sus espacios intracelular y extracelular. Todas las células, no sólo las de nervios y músculos, son eléctricamente negativas en su interior respecto del exterior. Esto se llama potencial de membra- na. Cuando las células están “en reposo” —es decir, no emiten seña- les— su potencial de membrana se llama potencial de reposo. En el capítulo 4 se abordan los orígenes del potencial de reposo. Aun cuando las señales antes descritas son cambios de potencial, por lo general se denominan potenciales nombrados. En la parte izquierda de la figura 2-2 se muestra un potencial generador sen- sorial, que tiene dos propiedades para distinguirlo de la siguiente señal, el potencial de acción. El potencial generador sensorial es local; sólo ocurre dentro de algunos milímetros de la terminación sensorial. El potencial de acción es propagado; viaja de la termina- ción sensorial a la terminal presináptica, quizás a más de 1 m de distancia. El potencial generador sensorial también es graduado; un estímulo de mayor amplitud produce un potencial generador sensorial de mayor amplitud. En contraste, el potencial de acción tiene amplitud y duración estereotipadas; es una respuesta de todo o nada. La información acerca del estímulo está codificada en el número de potenciales de acción, o el número por segundo. Un es- tímulo de mayor amplitud dará lugar a una frecuencia más alta de potenciales de acción, cada uno con la misma amplitud estereotipa- da. Dado que la característica de todo o nada de las neuronas es similar a la característica de cierto o falso de las proposiciones lógi- cas, los especialistas en cibernética (quienes estudian el control y la comunicación en el animal y en la máquina) consideran que los eventos neurales y las relaciones entre ellos pueden tratarse median- te lógica proposicional. Los capítulos 5 y 6 se dedican a potenciales generadores sensoriales y potenciales de acción, respectivamente. Entrada Salida Proceso FIGURA 21 El marco estructural entrada-proceso-salida es una especificación de relación causal en un sistema. Los sistemas complejos pueden considerarse compuestos de unidades simples. (Modificada con autorización de Landowne D: Cell Physiology. New York: Lange Medical Books/McGraw-Hill, 2006.) Soporte físico Señales (potenciales) Canales Cibernética Terminación sensorial Generador sensorial Local Graduado Mecano- sensible Entrada Axón Acción Propagado Todo o nada Sensible a voltaje Transmisión Axón Acción Propagado Todo o nada Sensible a voltaje Transmisión Músculo Placa terminal Local Graduado Quimio- sensible Salida Sinapsis Sináptico Local Graduado Quimio- sensible Proceso FIGURA 22 Los mecanismos celulares de un organismo de tres células hipotético. Diferentes tipos de canales sustentan distintos mecanismos fisiológicos que apoyan las funciones de entrada-proceso-salida, de animales, incluso seres humanos. (Modificada con autorización de Landowne D: Cell Physiology. New York: Lange Medical Books/McGraw-Hill, 2006.)
  22. 22. CAPÍTULO 2 Células y mecanismos celulares 11 Las terminales presinápticas contienen un mecanismo para libe- rar el contenido de vesículas que incluyen transmisores químicos que se difunden a través de la hendidura sináptica estrecha y reac- cionan con la célula postsináptica para producir un potencial post- sináptico, éste también es local y graduado. Sólo se observa dentro de algunos milímetros del sitio de la terminación presináptica, y su amplitud depende de qué tanto transmisor se libera. Hay potencia- les postsinápticos excitadores (EPSP) y potenciales postsinápticos inhibidores (IPSP), dependiendo de si el potencial postsináptico hace que la célula tenga más o menos probabilidades de iniciar un potencial de acción. Si hay suficiente excitación como para abrumar cualquier inhibición que pueda estar ocurriendo, se iniciará un potencial de acción en la célula postsináptica. Hay muchas células presinápticas que terminan en cada neurona postsináptica, así como diferentes neurotransmisores en distintas sinapsis. Estos transmiso- res, el mecanismo de liberación, y los potenciales postsinápticos resultantes, se comentan en el capítulo 7. El potencial de acción en la neurona motora y la sinapsis con el músculo son similares a la sinapsis entre una neurona y otra antes comentada. Al microscopio óptico, la unión neuromuscular tiene el aspecto de una pequeña placa; de ahí que la unión a menudo se denomine una placa terminal, y el potencial postsináptico un potencial de placa terminal. La unión neuromuscular difiere de casi todas las otras sinapsis porque sólo hay una célula presináptica, su efecto siempre es excitador y —en personas sanas— el potencial de placa terminal siempre es suficientemente grande como para iniciar un potencial de acción en la célula muscular. El potencial de acción muscular se propaga a lo largo de la célula y hacia el interior mediante túbulos transversos pequeños, cuyas membranas son continuas con la membrana celular. La excitación del potencial de acción está acoplada a la contracción muscular median- te procesos descritos en el capítulo 10, donde también se comenta el control de las células de músculo cardiaco y liso. El potencial de reposo, los potenciales generadores sensoriales, los potenciales de acción y los potenciales sinápticos ocurren mediante la abertura y el cierre de canales en las membranas celulares. Estos canales están hechos de proteínas, las cuales están embebidas en la membrana que conecta los espacios intracelular y extracelular, y que la abarcan. Cada una tiene un pequeño poro en la parte central que se puede abrir o cerrar, y que es lo bastante grande como para permi- tir que iones específicos fluyan a través de ellos, al tiempo que es lo bastante pequeño como para evitar que metabolitos y proteínas flu- yan hacia afuera de la célula. Hay muchos canales, y buena parte del capítulo 3 se dedica a su descripción. En general, se denominan por el ion que pasa a través de ellos o por el agente que hace que se abran. Hay tres clases de canales que actúan para producir los cambios de potencial descritos en la figura 2-2. Todos estos canales se comenta- rán de manera individual en el capítulo 3, y después de nuevo en el contexto de los diversos potenciales en capítulos subsiguientes. Los canales sensibles a la deformación mecánica ayudan a las sensaciones de tacto y audición, y a los muchos propioceptores que proporcionan información sobre la longitud de músculos, la tensión de músculos, la posición de articulaciones, la orientación y la acele- ración angular de la cabeza, y la presión arterial. Estos canales se abren cuando la membrana de la terminación sensorial está disten- dida, fluyen iones sodio a través de los canales, y el potencial de membrana cambia. Los canales sensibles a voltaje sustentan los potenciales de acción. Se abren en respuesta a un cambio del potencial de membrana. Cuando están abiertos, fluyen iones a través de ellos, y esto también cambia el potencial de membrana. El potencial generador o los potenciales sinápticos activan estos canales, y después ellos abren los canales restantes sensibles a voltaje adyacentes. Esto explica la propagación y la calidad estereotipada, de todo o nada, de los poten- ciales de acción. Los potenciales de acción de nervios y de músculo esquelético los produce la activación sucesiva de canales de sodio sensibles a voltaje, seguidos por canales de potasio sensibles a vol- taje. También hay canales de calcio sensibles a voltaje en las termi- naciones nerviosas presinápticas. Cuando el potencial de acción llega a la terminal presináptica, estos canales de calcio se abren y permiten que entre calcio a la célula. El calcio se une a componentes intracelulares e inicia la liberación de transmisores sinápticos. Los potenciales sinápticos dependen de canales quimiosensiti- vos. Los transmisores se unen a estos canales, lo que hace que se abran. Hay diferentes canales para distintos transmisores, y diferen- tes canales para EPSP e IPSP. Los canales quimiosensitivos también ayudan a los sentidos químicos del olfato y el gusto. Asimismo, hay canales que se abren o se cierran en respuesta a sustancias químicas intracelulares como el trifosfato de adenosina (ATP) o los nucleóti- dos cíclicos, monofosfato de adenosina cíclico (cAMP) o mono- fosfato de guanosina cíclico (cGMP). La visión es apoyada por una serie de reacciones por las cuales la absorción de luz lleva a un decre- mento de cGMP, que produce un cierre de canales sensibles a nucleótido cíclico (quimiosensitivos). Cuando iones sodio dejan de fluir por estos canales, el potencial de membrana cambia. Desde un punto de vista cibernético, la figura 2-2 indica que el cuerpo tiene mecanismos para dar entrada a información, transmi- tirla dentro del cuerpo, procesarla y proporcionar salida; este tipo de análisis aparece con frecuencia en fisiología. Gran parte de lo que el lector aprenderá puede fraccionarse en diversos pasos, donde la sali- da de un proceso se torna en la entrada para el siguiente. Por ejemplo, los potenciales generadores sensoriales son una entrada para el pro- ceso de generación de potencial de acción, y el potencial de acción es la entrada para el canal de calcio sensible a voltaje, que permite que entre calcio a la terminal presináptica. Este calcio es la entrada para el proceso de liberación de transmisor, y así sucesivamente. CONTROL Si bien casi todo este libro se centra en aislar los diferentes procesos de modo que sea más fácil analizarlos, un entendimiento del valor y la importancia verdadera de cada cualidad fisiológica debe referirse al organismo entero. Un tema recurrente en toda la fisiología es el mantenimiento de un ambiente interno estable por medio de homeostasis. Muchas propiedades internas (p. ej., la temperatura corporal o la concentración de glucosa en sangre) están controladas de manera homeostática dentro de límites estrechos por medio de sistemas de control por retroacción. La homeostasis es una propiedad de muchos sistemas abiertos complejos. El control por retroalimentación es la característica fun- damental de la actividad organizada. Un sistema homeostático (p. ej., una célula, el cuerpo, un ecosistema) es un sistema abierto que se mantiene a sí mismo al controlar muchos equilibrios dinámicos. El sistema mantiene su equilibrio interno al reaccionar a cambios en
  23. 23. 12 SECCIÓN II Fisiología celular el ambiente con respuestas de dirección opuesta a las que crearon la alteración. El equilibrio se mantiene por medio de retroalimenta- ción negativa. Quizá el sistema de control por retroalimentación negativa más familiar es el termostato, que controla la temperatura de una habitación (capítulo 1). Los pasos básicos (figura 2-3A) en el control por retroalimenta- ción negativa de cualquier parámetro medible son la medición con un sensor, comunicación de esa medición a un comparador, hacer la comparación, y comunicar la comparación a un efector que cam- bia el parámetro de interés. La retroalimentación se llama negativa porque la señal al efector va en la dirección opuesta a cualquier alteración, y reduce la diferencia entre el valor medido y el valor deseado. Las tres células en la figura 2-2, dispuestas como un asa de retro- alimentación negativa (figura 2-3B), representan el proceso que se usa para controlar la longitud de los músculos tanto para mantener la postura como para lograr movimiento en respuesta a señales que provienen del cerebro. Esta asa de retroalimentación puede demos- trarse por medio del reflejo de estiramiento —es decir, el reflejo rotuliano (capítulo 14)—. Cuando se estira un músculo, se abren canales sensibles a la deformación mecánica en órganos sensoriales, lo cual cambia potenciales de membrana en las terminaciones senso- riales que inducen la propagación de potenciales de acción hacia la médula espinal. Se libera transmisor, que excita el nervio que va de regreso al músculo, donde el proceso sináptico se repite y el músculo se acorta para compensar el estiramiento inicial. Hay algunos sistemas de retroalimentación positiva que tienen importancia fisiológica. Un sistema de retroalimentación positiva es inestable; la señal que proviene del sensor aumenta el efecto, lo que incrementa la señal desde el sensor en un “círculo vicioso”, que sólo se limita por la disponibilidad de recursos. La propiedad de todo o nada de los potenciales de acción se debe a un asa de retroalimenta- ción positiva. En el capítulo 1 se describieron algunos ejemplos de retroalimentación positiva. RESUMEN DEL CAPÍTULO ■ La comunicación en células excitables ocurre por medio de señales eléctricas dentro de las células y mediante señales químicas en sinapsis entre las células. ■ Hay dos clases de señales eléctricas: las que son locales y gradua- das y las que son propagadas y estereotipadas, o de todo o nada. Músculo A B Efector Comparador Desde centros superiores Valor deseado Parámetro controlado Sensor Huso muscularNeurona sensorial Motoneurona FIGURA 23 Homeostasis y control por retroalimentación. A y B) Al tener entradas que detectan la salida y alimentan información de regreso al controlador, las máquinas y los seres humanos pueden tener control de sus condiciones de operación. (Modificada con autorización de Landowne D: Cell Physiology. New York: Lange Medical Books/McGraw-Hill, 2006.)
  24. 24. CAPÍTULO 2 Células y mecanismos celulares 13 ■ Los transmisores químicos son liberados en el espacio presinápti- co, y producen una señal eléctrica en la célula postsináptica. ■ Tres clases de canales iónicos producen las señales eléctricas: canales sensibles a la deformación mecánica, quimiosensitivos y sensibles a voltaje. ■ La homeostasis mediante control por retroacción negativa es una característica importante de los sistemas vivos. ■ Un asa de retroalimentación negativa tiene tres elementos básicos: un sensor, un comparador, un efector y dos enlaces de comunica- ción que los conectan. PREGUNTAS DE ESTUDIO 1. ¿Cuál de los cambios que siguen en el potencial eléctrico requiere canales sensibles a voltaje? A) potenciales sinápticos excitadores B) potenciales generadores sensoriales mecánicos C) potenciales de acción propagados D) potenciales generadores sensoriales a la luz E) potenciales sinápticos inhibidores 2. Los sistemas de control por retroalimentación negativa no A) mejoran la confiabilidad del control. B) requieren la detección o medición del proceso controlado. C) requieren comunicación entre partes separadas del sistema. D) regulan la presión arterial y la temperatura corporal. E) causan la propiedad de todo o nada del potencial de acción.
  25. 25. 15 Toda célula viva tiene una membrana de superficie que define sus límites y la conectividad de los compartimientos intracelular y extra- celular. Las membranas celulares miden alrededor de 10 nm de gro- sor, y constan de una bicapa lipídica de 3 a 4 nm de grosor, con diversas proteínas embebidas que pueden sobresalir hacia uno u otro compartimiento (véase figura 1-2). Las membranas también delimitan organelos intracelulares, incluso la envoltura nuclear, el aparato de Golgi, el retículo endoplasmático (ER), las mitocondrias, y diversas vesículas (véase figura 1-1). La bicapa lipídica es imper- meable a sustancias cargadas o polares. Las proteínas manejan el transporte de iones o moléculas específicos a través de las membra- nas y, así, controlan la composición de diferentes soluciones a ambos lados. Apoyan la comunicación a través de las membranas y a lo lar- go de la superficie de la célula, y proporcionan acoplamiento mecá- nico entre células. LÍPIDOS Casi todos los lípidos de membrana son glicerofosfolípidos, que tie- nen un esqueleto glicerol con dos de sus tres grupos —OH esterifi- cados por ácidos grasos, y el tercero esterificado a un grupo fosfato que, a su vez, es esterificado a una molécula pequeña que da su nom- bre a toda la molécula (figura 3-1). Los glicerofosfolípidos más comunes son la fosfatidilcolina (PC), la fosfatidiletanolamina (PE), y la fosfatidilserina (PS). Las membranas también contienen fosfatidilinositol (PI), que desempeña un papel importante en la emisión de señales dentro del citoplasma. Nótese que la PS y el PI tienen una carga negativa neta. Las membranas de células animales también pueden contener esfingolípidos, incluso fosfoesfingolípi- do, esfingomielina, que tienen dos cadenas acilo y una cabeza de colina enlazada a fosfato, unida a un esqueleto de serina, y glucoes- C A P Í T U L O 3 O B J E T I V O S ■ Comprender la composición molecular de membranas biológicas. ■ Definir las propiedades funcionales biofísicas de membranas biológicas. ■ Describir clases de canales iónicos, su estructura molecular y sus propiedades biofísicas. ■ Detallar la organización molecular, las propiedades, el control y los papeles funcionales de canales célula-célula. ■ Explicar el movimiento y transporte de sustancias a través de membranas biológicas mediante procesos pasivos. ■ Describir el movimiento y transporte de sustancias a través de membranas biológicas por medio de procesos activos. ■ Entender la importancia fisiológica de dos ejemplos de transporte activo y dos ejemplos de transporte pasivo. ■ Definir presión osmótica. ■ Calcular la osmolaridad de soluciones simples. ■ Estimar los cambios de la osmolaridad en compartimientos corporales causados por beber diversas soluciones simples. ■ Describir los mecanismos fisiológicos para regular la osmolaridad. Membranas celulares y mecanismos de transporte David Landowne
  26. 26. 16 SECCIÓN II Fisiología celular fingolípidos, los cuales tienen azúcares en el grupo cabeza. Las mem- branas también contienen colesterol, mismo que tiene una estructura en anillo esteroide. Todos estos lípidos son anfipáticos porque tienen grupos cabeza hidrofílicos, que “aman el agua”, y colas acilo hidrofóbicas, que “temen al agua”. El grupo —OH del colesterol es hidrofílico, y el res- to es hidrofóbico. Un efecto hidrofóbico surge por la falta de interac- ciones de hidrocarburos con agua y la fuerte atracción del agua por sí misma. Así, cuando se colocan en un ambiente acuoso, estos lípi- dos se montan de manera espontánea hacia vesículas de membrana bicapa cerradas. Los lípidos están relativamente libres para difundirse en dirección lateral dentro del plano de las membranas, pero —con la excepción del colesterol— tienen pocas probabilidades de bascular (flip-flop) desde una mitad de la bicapa hacia la otra debido a la hidrofilicidad de los grupos cabeza. La bicapa es asimétrica; los fosfolípidos que contienen colina, PC y esfingomielina están en la mitad externa, y los que contienen amino, PE y PS, en la mitad interna. Además, los glucoesfingolípidos están en la mitad no citoplasmática, y el PI está mirando hacia el citoplasma. La disposición asimétrica se produce a medida que las membranas son ensambladas en el ER. Los fosfolípi- dos son sintetizados e insertados en el lado citoplasmático de la membrana; a continuación un translocador de fosfolípidos o “fli- pasa” transfiere PC al lado no citoplasmático. La esfingomielina y los glucoesfingolípidos son producidos en el aparato de Golgi en el lado no citoplasmático. La facilidad de difusión lateral, o fluidez de membrana, aumenta por la presencia de insaturación o dobles enlaces en las colas de hidrocarburo. Esto forma un codo en la cola y, por ende, empaque menos apretado. A las concentraciones que por lo general se encuen- tran en membranas biológicas, el colesterol reduce la fluidez debido a su estructura en anillo rígida. Los grupos cabeza glucoesfingolípi- dos tienden a asociarse uno con otro y reducen la fluidez. Las inte- racciones de lípidos y proteínas también pueden reducir la fluidez. Hay microdominios colesterol-esfingolípido, o “balsas de lípido” involucrados en el tráfico intracelular de proteínas y lípidos. PROTEÍNAS Las proteínas intrínsecas de la membrana apoyan el movimiento selectivo de iones y moléculas pequeñas desde un lado de la mem- brana hacia el otro, detectan un ligando en un lado de la membrana y transmiten una señal al otro lado, y proporcionan enlace mecánico para otras proteínas a ambos lados de la membrana. Las proteínas que mueven materiales a través de la membrana pueden dividirse, desde el punto de vista funcional, en canales, bombas y transporta- dores. Los canales pueden ser específicos y se pueden abrir y cerrar, pero, cuando están abiertos, facilitan el movimiento de materiales sólo en favor de sus gradientes electroquímicos. Los canales iónicos controlan el flujo de corriente eléctrica a través de la membrana. Las bombas mueven iones en contra de su gradiente electroquímico a + + + O O O C = O C = O R O N(CH3)3 NH3 HCH HCH HCH HCH NH3 COO – OH OH Fosfatidilinositol (PI) Fosfatidilserina (PS) Fosfatidiletanolamina (PE) Fosfatidilcolina (PC) OH OH HO HCH O P O– FIGURA 31 Glicerofosfolípidos. Junto con el colesterol, forman la bicapa que separa el interior de las células, y apoya las proteínas de membrana embebidas. (Modificada con autorización de Landowne D: Cell Physiology, New York: Lange Medical Books/McGraw-Hill, 2006.)
  27. 27. CAPÍTULO 3 Membranas celulares y mecanismos de transporte 17 expensas del consumo de ATP. Las bombas mantienen los gradientes que permiten a los canales y los transportadores hacer su trabajo. Los transportadores pueden enlazar el movimiento de dos (o más) sustancias, y pueden mover una de ellas contra su gradiente a expen- sas de mover la otra en favor de su gradiente. Una proteína es el producto de la traducción de un gen; es una secuencia enlazada y plegada de aminoácidos α elegidos a partir de una paleta con 20 posibles cadenas laterales diferentes. El enlace peptídico entre aminoácidos —CO—NH— tiene una transconfor- mación planar; el plegamiento ocurre de acuerdo con los ángulos de torsión entre el grupo amino y el carbono α (Φ), y entre el carbono α y el grupo carboxilo (ψ). El eje de la hélice α y la hoja β son estruc- turas secundarias, con ángulos de torsión particulares, que se encuentran en proteínas. La conformación o estructura terciaria de toda la proteína es la relación tridimensional de todos sus átomos. Las proteínas tienen regiones de diversas estructuras secundarias conectadas por enlaza- dores con estructura menos fácil de caracterizar. Casi todas las pro- teínasquesecomentanenestelibrotienenmásdeunaconformación. Así, por ejemplo, un canal puede estar abierto o cerrado. Las estruc- turas secundarias locales no cambian mucho durante estos cambios conformacionales; más bien el cambio ocurre en la relación entre porciones de mayor tamaño de la molécula. También hay un nivel de organización supramolecular o cuaterna- rio. Algunos canales están hechos de una cadena polipeptídica úni- ca, mientras que otros de 4 a 6 cadenas. Muchos canales también tienen proteínas accesorias que modulan su función. Además, la matriz lipídica impone restricciones estructurales sobre las proteínas embebidas. En general, las proteínas son anfipáticas y tienen regiones que son más hidrofóbicas o hidrofílicas, dependiendo de la naturaleza de las cadenas laterales. Las proteínas de membrana ya citadas tienen uno o más segmentos helicoidales α transmembrana (TM) con cadenas laterales hidrofóbicas en contacto con el hidrocarburo del lípido. Si hay más de una hélice involucrada, es posible que tenga residuos hidrofóbicos que miran hacia el lípido y otros grupos que se miran uno a otro en las partes más interiores de la proteína. El patrón gene- ral es que la proteína cruce varias veces la membrana, con asas intra- celulares y extracelulares entre los segmentos TM. También hay una región N terminal antes del primer segmento y una región C termi- nal después del último; en la figura 3-3 se muestra un ejemplo. La región N terminal puede estar en uno u otro lado, pero la región C terminal, por lo general, es citoplasmática. Una u otra región termi- nal, o ambas, pueden ser bastante grandes en comparación con las regiones TM. El plegado TM ocurre conforme la proteína es sintetizada en el ER. Las porciones no citoplasmáticas de la proteína pueden ser glu- cosiladas en el aparato de Golgi antes de que sean insertadas en la membrana celular. El montaje de la subunidad también puede ocu- rrir en el ER o en el aparato de Golgi. Para casi todas las proteínas de membrana, sólo se conoce la secuencia primaria. La estructura secundaria puede predecirse mediante análisis de secuencia. La presencia de hélices hidrofóbicas putativas de suficiente longitud se toma como una sugerencia de un segmento TM. Es posible predecir propiedades topológicas o patrón de asas y segmentos TM; esa predicción se ha probado para muchas proteínas al preparar anticuerpos para las porciones extracelulares putativas. Análisis de secuencia de genomas enteros sugieren que alrededor de 20% de las proteínas contiene uno o más segmentos TM y, así, son proteínas de membrana. Sólo algunas proteínas de membrana se cristalizaron y sujetaron a análisis de difracción de rayos X. Estos cristales deben incluir moléculas de lípido o detergente para satisfacer las necesidades hidrofóbicas de los segmentos TM. Casi todas las estructuras resuel- tas son de proteínas bacterianas que se modificaron genéticamente para aumentar la cristalización. Una homología de secuencia fuerte entre la molécula cristalizada y parte de la proteína del ser humano se toma para indicar que tienen estructuras similares. Los canales, las bombas, los transportadores, receptores y molécu- las de adhesión celular vienen en muchas variedades para desempe- ñar varias funciones. En las cinco secciones que siguen se describirán una clasificación taxonómica y las características anatómicas de ejemplos de cada clase funcional. Quizá sea útil volver a esta sección mientras se lee la última parte de este capítulo y las partes del resto del libro en donde se describe la función de estas moléculas en pro- cesos fisiológicos. CANALES En el capítulo previo, los canales se distinguieron por el mecanismo mediante el cual se abren. Hay canales mecanosensitivos involucra- dos en procesos sensoriales, canales sensibles a voltaje que participan en la propagación de potenciales de acción, y canales quimiosensiti- vos comprendidos en la transmisión sináptica. También hay canales que por lo general están abiertos, como los canales que mantienen el potencial de reposo, los canales de agua y canales célula-célula espe- cializados que conectan el citoplasma de una célula con el de otra. En esta sección se describen algunos canales que apoyan diversos meca- nismos celulares que se comentarán más adelante en el libro. Esto no es exhaustivo; hay muchos canales y clases de canales que no se men- cionan. La actual es una “edad de oro” en el estudio de canales ióni- cos. La electrofisiología y las biologías molecular y estructural revelan algunas proteínas de membrana asombrosas. Muchos canales iónicos son selectivos y se nombran de acuerdo con el ion que pasa a través de ellos. El primer canal que se cristalizó es el de potasio de potencial de reposo, también conocido como rec- tificador interno o hacia adentro, o Kir. La razón de este nombre se comenta en el capítulo siguiente, junto con su función. El Kir es un tetrámero con cuatro subunidades idénticas, dispuestas con simetría radial, y un poro que permite el flujo iónico en el eje (figura 3-2A). Cada monómero tiene dos segmentos TM con un asa P extracelular en medio (figura 3-2B; figura 3-4, segmentos 5 y 6). Las cuatro asas P se vuelven a sumergir en la membrana, y juntas forman el revesti- miento de un poro que entra hasta alrededor de una tercera parte de la membrana. Este poro se vacía hacia una cavidad intramembrano- sa de mayor tamaño que se comunica con el espacio citoplasmático. Las ocho hélices forman una pared para la cavidad y rodean también las asas P insertadas. Las hélices TM forman una estructura cónica con la punta hacia el citoplasma. La sel