Fisiologia Humana La Base De La Medicina 2 Ed

Citation preview

Gillian Pocock Christopher d . Richards

w

F I S I O L O G Í A ■ .......... ......... H U M A N A LA BASE DE LA M E D IC IN A

2.aedición

m MASSON

■............

Fisiología humana La base de la medicina

FISIOLOGIA HUMANA La base de la m edicina 2.a edición Gillian Pocock Senior Lecturer in Clinical Science, Canterbury Christ Church University College, Canterbury, Reino Unido

Christopher D. Richards Professor o f Experimental Physiology,

x

Department o f Physiology, University College, Londres

m

MASSON

MASSON, S.A. Travessera de Gràcia, 17-21 - 08021 Barcelona (España) Teléfono: (34) 93 241 88 00 www.masson.es MASSON, S.A. 21, rue Camille Desmoulins - 92789 Issy-les-Moulineaux Cedex 9 - Paris (francia) www.masson.fr MASSON S.P.A. Via Muzio Attendolo detto Sforza, 7/9 - 20141 Milano (Italia) www.masson.it MASSON DOYMA MEXICO, S.A. Santander, 93 - Colonia Insurgentes Mixcoac - 03920 México DE (México)

Traducción S a n tia g o M a d e r o G arc ía D octor en M edicina y C irugía Revisión científica J o r d i P a lé s A rg u lló s C atedrático de Fisiología, D epartam ento de Ciencias Fisiológicas I, F acultad de M edicina, U niv ersität de Barcelona Prim era edición 2002 R eim presión 2003 Segunda edición 2005 Reservados todos los derechos. No puede reproducirse, almacenarse en un sistema de recuperación o transmitirse en forma alguna por medio de cualquier procedimiento, sea éste mecánico, electrónico, de fotocopia, grabación o cualquier otro, sin el previo permiso escrito del editor. ©2005 MASSON, S.A. T ravessera de Grácia, 17-21 Barcelona (España) ISBN 84-458-1479-6 Versión española Fisiología hum ana. La base de la medicina (segunda edición) fue pub licad a o riginalm ente en inglés en 2004. Esta trad u cció n se publica p o r acu erd o con O xford U niversity Press. © O xford U niversity Press 2004 ISBN 0-19-858526-8 Edición original (hardback) 0-19-858527-6 Edición original (paperback) H uman Physiology. The basis o f Medicine (second edition) w as o riginally p u b lish ed in English in 2004 This tran slatio n is p u blish ed by arran g em en t w ith O xford U niv ersity Press. D epósito Legal: B. 25.234-2005 Com posición y com paginación: Fotoletra, S.A. - Passeig de Sant Joan, 198 Barcelona (2005) Im presión: BIGSA - Polígono In d u strial C ongost - A vda. Sant Juliá, 104-112 - G ranollers (Barcelona) (2005) P rinted in Spain

A Chris, D avid P., D avid R., Jam es, Sue , Rebecca, a Jo an y M ichael de Burgh Daly (1922-2002), in m em oriam

Prólogo a la primera edición

lis u n placer para mí q ue me hayan in v ita d o a red a c ta r el prólogo de la prim era edición de este libro de te x to q u e d escribe los p rin ­ cipios fundam entales de la fisiología hum ana, lista escrito p o r dos profesores con experiencia en este campo, y sólo a tra v és de los conocim ientos o btenidos a lo largo de los años se co m p ren d en las necesidades de los estudian tes. A lo largo del libro, los auto res han ten id o m uy p resen te la recom endación del G eneral M edical Council de q u e es preciso re d u cir la carga de inform ación a los es­ tu d ian tes para brin d arles la o p o rtu n id ad de in clu ir tem as que capten las capacidades críticas, filosóficas y creativas. Por esta ra ­ zón, los autores han p ro p orcio n ad o inform ación básica sobre el tem a, y un tex to q u e es fácil de leer y de seguir, ni dem asiado d i­ dáctico ni excesivam ente c o n tro v ertid o . Al mismo tiem po, evitan las com plejidades de las ecuaciones m atem áticas q u e disu ad en a cu alq u ier estudiante, excep to a los p red isp u esto s a a b o rd a r los problem as desde este prism a. Desde hace m ucho tiem po se consideran necesarios los cono­ cim ientos adecuados sobre la fisiología ju n to con una base de co­ nocim ientos sobre anatom ía funcional. W illiam H arvey (15781657), célebre m édico británico, se dio cu en ta m uchos años atrás de la im portancia de d isp o n er de u nos conocim ientos anatóm icos. A él se debe el d escubrim ien to de la circulación sanguínea y se le considera el prim er fisiólogo exp erim en tal. La com binación de las pru eb as experim entales y la aplicación de los conocim ientos ana­ tóm icos le perm itieron hacer este im p o rtan te d escubrim iento, qu e tu v o un im pacto considerable en la m edicina clínica. A p a rtir de estas p ru eb as experim en tales, d ed u jo correctam ente q u e ex is­ tían p equeños vasos sanguíneos q u e conectan las arterias y las ve­ nas y por los q ue la sangre fluye después de p e n e tra r en una e x ­ trem idad por las arterias y an tes de regresar, a trav és de las venas, al lado derecho del corazón. Sin em bargo, p u esto q u e en aquella época no se disponía de m icroscopio, no p u d o confirm ar esta de­ ducción. El d escubrim ien to ulterior de los capilares es u n buen ejem plo de la forma en q u e los estu d io s histológicos y, más tarde, de m icroscopía electrónica han c o n trib u id o a los avances de los conocim ientos fisiológicos. A lgunos aspectos de la bioquím ica y la farm acología tam bién han hecho co n trib u cio n es m u y valiosas. En mi opinión, estos tem as no p u ed en separarse de la fisiología,

como algunos desearían, y, p o r co nsiguiente, se ab o rd an cuando conviene en las d iferen tes p artes de la obra, lo q u e refuerza dicho p u n to de vista. Esta o b ra sigue el esquem a general de cu alq u ier lib ro de te x ­ to q u e ab o rd a los aspectos in d iv id u ales de la fisiología com o «sis­ tem as» prin cip ales. La ex p erien cia p revia ha dem ostrado q ue éste es uno de los m edios más sim ples de p re se n ta r el tem a, p ero los es­ tu d ia n te s han de co n sid erar q u e el funcionam iento del cuerpo com o u n to d o es más com plejo: está d eterm in ad o p o r la in teg ra­ ción del funcio n am ien to de dos o más sistem as sim ultáneam ente. En la presen te obra se hace hin cap ié en esta in tegración con n u ­ m erosas referencias a las secciones p ertin en tes. El lector en co n trará num erosos ejem plos de aplicaciones de la fisiología a problem as prácticos y a la m edicina clínica, ya que ex iste una tendencia cada vez m ayor de in clu ir más m aterial clí­ nico en los cursos preclínicos. Sin em bargo, este libro n o p u ed e ni p re te n d e ser u n tra ta d o d efin itiv o de fisiología clínica ni de fisio­ logía básica, ya q u e este tem a ju stifica p o r com pleto u n tra ta ­ m iento distin to . Por co nsiguiente, los au to res h an tra ta d o de al­ canzar — considero q u e satisfactoriam ente— u n difícil e q u ilib rio al p ro p o rcio n ar al estu d ian te una form ación científica sólida en fisiología al mismo tiem po q u e abarcan algunos de los problem as afro n tad o s en fisiología aplicada y en m edicina clínica. Como siem pre acaban p o r c o m p ren d er los estu d ia n te s de los cursos p re­ clínicos, la práctica de la m edicina se basa en u nos conocim ientos sólidos de fisiología. La m ayor p arte de cursos de fisiología consisten en series de conferencias form ales (au n q u e en ocasiones se facilitan apuntes), clases in d iv id u ales o en p eq u eñ o s g ru p o s y las co rresp o n dientes prácticas. Estos cursos p ro p o rcio n an a los e stu d ian tes b u enos co­ n ocim ientos sobre la fisiología como discip lin a ex p erim ental, pero tam b ién cum plen o tra función im portante: g u iar la lectura de los estu d ian tes sobre el tem a, lo cual hace in d isp en sab le este li­ bro de texto.

M. Dh Bukgh Daly Royal Free Hospital School of Medicine, Londres

Prefacio a la primera edición

La idea de este lib ro surgió a p a rtir de las reu n io n es h ab itu ales en ­ tre los autores cuando trabajábam os en el D epartam ento de Fisio­ logía del Royal Free H ospital School o f M edicine de L ondres. C onsiderábam os qu e se necesitaba u n lib ro de te x to de fisiología, m oderno y conciso, q u e abarcara todos los aspectos d e los cursos preclínicos de la fisiología. El te x to está escrito p rin cip alm en te para los estu d ian tes de m edicina y personas relacionadas, de modo q u e se hace hincapié delib erad am en te en las im plicaciones clínicas del tema. Sin em bargo, esperam os q u e el libro tam bién sea útil como m aterial básico p ara los e stu d ian tes de ciencias de los años prim ero y segundo. Hemos su p u esto u nos conocim ientos de quím ica y biología sim ilares a los p rev isto s p ara estu d ian tes b ritánicos con niveles «AS» en estos tem as. N uestra in ten ció n ha sido p ro p o rcio n ar explicaciones claras de los p rin cip io s básicos q ue determ inan los procesos fisiológicos del c u erp o h u m an o y m ostrar cómo estos prin cip io s se aplican a la com prensión de los procesos patológicos. El libro se inicia con la fisiología de la célula (con la inclusión de detalles de bioquím ica elem ental) y co n tin ú a co n sid eran d o cómo las células in teraccio n an tan to p o r contacto d irecto como por señalización a m ayores distancias. D esde este aspecto se a b o r­ dan el sistem a nervioso y el sistem a endocrino. Se d escribe la fi­ siología de ios principales sistem as corporales. F.stos capítulos ex ­ tensos se co n tin ú an con una serie de capítulos más b rev es q u e describen las respuestas fisiológicas in teg rad as, in clu y en d o el control del crecim iento, la regulación de la tem p eratu ra corporal, la fisiología del ejercicio y la reg u lació n del volum en de líquidos corporales. Los capítulos finales se dedican en su m ayor p arte a las aplicaciones clínicas de la fisiología, in c lu y en d o el e q u ilib rio ácido-base, la insuficiencia cardíaca, la h ip erten sió n , la in su fi­ ciencia hepática y la insuficiencia renal. Esta e stru c tu ra no refle­ ja la organización de u n curso concreto sino q u e tra ta de m ostrar cómo p u ed e llegarse a u n a explicación satisfactoria de la fu n ció n corporal co m prendiendo la form a en q u e fu n cio n an las células y cómo se in teg ra su actividad . Para p roporcionar descripciones claras de tem as específicos, en ocasiones es necesario om itir alg u n o s detalles o explicaciones alternativas. A pesar de q u e esta estrateg ia en ocasiones p resenta una perspectiva q ue es más clara de lo q u e las p ru e b a s g ara n ti­ zan, consideram os q u e está ju stificad o en aras de la claridad. Los p u n to s clave se ilustran con d ibujos sim ples q u e consideram os de u tilid ad para los estu d ian tes con el o b jetiv o de q u e co m p ren d an . recuerd en los conceptos im portantes. No hem os in clu id o d es­ cripciones ex h au stiv as de las técnicas exp erim en tales de fisiolo­ gía, pero hem os tratad o de dejar clara la im portancia de las p ru e ­

bas ex p erim entales en la d ilucidación de los m ecanism os su b y a ­ centes. Siem pre q u e ha sido posible, en el te x to se pro p o rcionan los valores norm ales en u n id ad es del SI, p ero las variables fisioló­ gicas im p o rtan tes tam b ién se ex p resan en u n id ad es tradicionales (p. ej., mm Hg para las d eterm inaciones de la presión). Cada capítulo está o rganizado de la mism a form a. En resp u es­ ta a la p etició n ta n ta s veces escuchada de « ¿qué es necesario co­ nocer?» hem os establecido los p rin cip ales objetiv o s de a p re n d i­ zaje p ara cada capítulo, lo q u e va seguido, cu an d o es co n v en ien ­ te, de una descrip ció n b rev e de los p rincipios físicos y quím icos necesarios para e n te n d e r los procesos fisiológicos c o rresp o n d ien ­ tes. Se describ en la anatom ía e histología esenciales, y a q u e la evaluación apropiada de cu alq u ier proceso fisiológico debe ba­ sarse en unos conocim ientos sobre las características anatóm icas de los órganos relacionados. A con tin u ació n se describen con de­ talle los prin cip ales aspectos fisiológicos. Para a y u d a r al estu d ian te en su aprendizaje, desp u és de cada ap artad o p rincipal se p ro p o rcio n an resúm enes num erados. C uan­ do es necesario, incluim os aspectos o p rin cip io s biológicos im por­ ta n te s como encabezam ientos de apartados. Esperam os q u e esto ay u d a rá a los e stu d ian tes a id en tificar con m ás clarid ad la razón de q u e se a b o rd e u n tem a concreto. La bibliografía recom endada al térm in o de cada capítu lo p reten d e tan to facilitar u n vínculo con otros tem as del p lan de estu d io s de m edicina com o p ro p o r­ cionar fu en tes a p a rtir de las q u e p u ed e o b ten erse inform ación más detallada. Con la presen tació n de p re g u n ta s con respuestas m últiples o problem as c u an titativ o s (o am bos) al térm in o de los capítulos se anim a al estu d ia n te a su autoev alu ació n . A co n tin u a­ ción se facilitan las resp u estas con las explicaciones p ertin en tes. Tam bién se p lan tean algunos problem as num éricos q u e p re te n ­ den fam iliarizar a los estu d ian tes con las fórm ulas clave y a len tar­ les para q u e piensen en térm inos cu an titativ o s. Deseamos e x p resar n u e stro ag radecim iento al Prof. M ichael de B urgh D aly y al Dr. T ed D cbnam , q u e n o sólo nos aconsejaron sobre los tem as en los q u e son especialistas sino q u e ley eron de­ ten id a y c o n stru ctiv am en te to d o el m anuscrito. A sum im os la res­ p o n sab ilid ad de cu alq u ier e rro r o exposición com pleja. El Prof. de B urgh Daly tam bién redactó am ablem ente el prólogo de este li­ bro. Por últim o, deseam os ex p re sa r n u e stro agradecim iento a la O xford U n iv ersity Press p o r creer en este p ro y ecto , p o r su pa­ ciencia cuand o el ritm o de la p rep aració n del libro se hacía más lento y p o r su ay u d a en la realización de la edición final. G. P o c o c k C. D. R i c h a r d s

Prefacio a la segunda edición

N uestro objetivo en esta nu ev a edición ha sido el mism o que en la p rim era: hem os in te n ta d o escrib ir u n libro de tex to d e fisiología m oderno y conciso qu e resuelva las necesidades de los estu d ia n ­ tes de m edicina. Para ello, a lo largo de toda la o b ra se h a n su b ra ­ y ado de m anera d eliberad a las im plicaciones clínicas de cada cuestión relevante. En cu alq u ier caso, esperam os q u e siga siendo ú til para los estu d ian tes de p rim er y seg u n d o años de ciencias q u e a b o rd an la fisiología y los aspectos de la biom edicina relacionados con ésta. N uestra in ten ció n ha sido la de ofrecer con claridad la explicación de los principio s básicos q u e co ntrolan los procesos fisiológicos del cuerpo hum an o y la de m ostrar cómo p u ed en apli­ carse estos principios al conocim iento de las enferm edades. En esta n u eva edición, hem os ap ro v ech ad o la o p o rtu n id ad de am pliar la exposición de num erosos aspectos. Se han incluido más de 50 nuevas figuras y se han red ib u jad o otra s m uchas. Casi todos los capítulos se han am pliado p ara in clu ir m aterial n u ev o y se ha a provechado la o p o rtu n id a d p ara elim inar los erro res q u e co n te­ nía la prim era edición, a pesar de la revisión rigurosa efectuada p or n u estro s colegas en aquel m om ento. Dado q u e la fisiología es una ciencia en desarrollo activo, tam bién se han actualizado di­ versas cuestiones específicas. Los cam bios prin cip ales h a n sido la inclusión de una sección sobre la meiosis y una exposición más detallada del m etabolism o en erg ético en el capítulo 3. Se ha am ­ p liado el abordaje de la fisiología del m úsculo (cap. 7) con in clu ­ sión de algunas figuras nuevas. El capítulo 8 se ha rev isad o en p ro fu n d id ad y se ha am pliado con u n a sección m ayor sobre el do­ lor y una b reve exposición de los aspectos m édicos más im por­ tan tes (y a m enudo olvidados) del p ru rito ; tam bién se ha am plia­ d o to d o lo relativo a la visión del color. El cap ítu lo 12 se ha rees­

crito casi p o r com pleto, con una exposición más detallada de los trasto rn o s en d o crin o s m ás com unes y con inclusión de alg unas lá­ m inas ilu strativ as. El cap ítu lo 15 se ha am pliado con un abordaje más detallad o del electrocardiogram a y de su origen. El cap ítu ­ lo 17 ha sido escrito casi totalm en te de n u ev o para m ejorar la ex­ posición del aclaram iento, in clu y en d o la co nsideración del aclaram iento de agua libre. El cap ítu lo 18 de esta n u ev a edición in ­ cluye la exposición de los trasto rn o s de la absorción. Se ha apro­ v echado la o p o rtu n id a d para a ñ ad ir u n n u ev o capitulo sobre n u tric ió n (cap. 19) y se han reorganizado y am pliado to d o s los as­ p ectos relativ o s a la fisiología de la rep ro d u cció n con u n a exposi­ ción más d etallada de la fisiología m aterna. El capítu lo sobre cre­ cim iento (cap. 23) se ha rev isad o y am pliado en to d o lo relativ o a la fisiología del hueso; tam bién se ha in clu id o una b rev e exposi­ ción del proceso de curación del hueso tra s una factura, fin a l­ m ente, en el capítulo 31 se ha in clu id o una b rev e consideración de las m odificaciones fisiológicas norm ales q u e tien en lu g ar a lo largo de la vida. Q uerem os ag rad ecer los num erosos y valiosos com entarios q u e hem os recibido de n u estro s lectores acerca de m uchos de los tem as a b o rd ad o s en este libro. D esafortunadam ente, n u estro m entor, el p rofesor M ichael de Burgh Daly, falleció poco tiem po desp u és de la finalización de esta seg u n d a edición. No obstante, realizó num erosas p ro p u estas co n stru ctiv as q u e se h an incorpo­ rado. Vamos a echar de m enos su ánim o, su inteligencia y su pers­ picacia. D edicam os esta edición a su mem oria. G. P

ocock

C. D.

R ic h a r d s

Prólogo a la segunda edición española

G. Pocock y C. D. R ichards, au to res de Fisiología humana. La base de la medicina, explicitan claram ente en el prefacio de la segunda edición de la obra q u e su o b jetiv o ha sido el de e scrib ir u n libro de tex to de fisiología, conciso, q u e cu b ra las necesidades de los estu d ian tes de m edicina. ¿Cuáles son estas necesidades en lo que a la fisiología se refie­ re? Para responder deberíam os p reg u n tarn o s p o r el papel que debe desem peñar la fisiología hum ana incluida en el cu rrículum de las facultades de m edicina. Por una p arte, es u n a ciencia básica q ue define las características del hom bre sano, en estado de salud, y sirve de base para el estudio de las desviaciones anorm ales, en el estado de enferm edad. E ncuadrada de este m odo, la enseñanza de la fisiología tiene como objetivos el conocim iento de las funciones del organism o, la adquisición de la m etodología necesaria para su estudio y el desarrollo de actitu d es fren te al m antenim iento de la salud de los in d iv id u o s y de la com unidad, y el tratam iento de la enferm edad. P or otra p arte, al igual q u e otras ciencias básicas, cum ple una función form ativa general m uy im p o rtan te. Es fu n d a ­ m ental para q ue los estudian tes ap re n d a n cómo se genera el cono­ cim iento científico y les enseña u n lenguaje q u e sirve para ex p re­ sar los hechos y las relaciones. La fisiología asum e una función de disciplina intelectual en la q u e se enseña a o b serv ar los fenóm enos y form ular hipótesis razonables acerca de éstos. Sin em bargo, no debem os o lv id a r q u e la constatación de la utilidad práctica de los conocim ientos es siem pre una m otivación p o ten te en estu d ian tes y fu tu ro s licenciados, y p o r ello debe te ­ nerse en cu en ta en su justa p ro p o rció n sin, p o r o tra p arte, co n d i­ cionar totalm ente el co nten id o básico y los objetiv o s de u n curso com pleto de fisiología. Al en señ ar fisiología en el co n tex to de la licenciatura de m edicina, debe hacerse énfasis en la descripción de una función a todos los niveles, in clu y en d o sus m ecanism os m oleculares, o en la discusión de u n a teoría; p ero tam bién d eb e­ mos in clu ir la exploración de u n órgano, la valoración funcional de un sistem a o ap arato o sus aspectos fisiopatológicos. En defini­ tiva, lo correcto es alcanzar u n eq u ilib rio ad ecu ad o e n tre los as­ pectos básicos y los aspectos aplicados. En este sen tid o creo que el p resen te libro de texto da u n a co b ertu ra m uy adecuada a am ­ bos aspectos y alcanza dicho eq uilibrio. A nalizando con m ás detalle el co n ten id o de la o b ra, podem os o b serv ar que los tem as iniciales q u e co rresp o n d en a lo q u e h abi­ túa lm ente conocem os como fisiología general están perfectam en ­

te desarrollados y actualizados y co n stitu y en u n a base esencial p ara la com prensión de g ra n p arte de las fu n cio n es q u e se tra ta n en los capítulos p osteriores. En éstos, las funciones de los dife­ ren te s órg an o s y sistem as se d escrib en de form a clara y concisa, ind ican d o al p rin cip io de cada uno los prin cip ales o b jetivos que se p re te n d e alcanzar; adem ás, perió d icam en te se d estacan, en forma de resúm enes, los aspectos más im p o rtan tes q u e deb e re ­ co rd ar el lector, lo cual resu lta de g ran ayuda para el ap rendizaje. Los cap ítulo s co n tienen u n g ran nú m ero d e figuras, esquem as y tab las con la inform ación necesaria e in d isp en sab le. Cabe resaltar tam bién la inclusión en varios capítulos de referencias a aspectos clínicos q u e p erm iten al estu d ia n te ap reciar m ejor la relevancia de los conceptos fisiológicos ap ren d id o s. Estos aspectos se com­ plem entan al final de la obra con u n cap ítu lo ded icad o a la fisio­ logía clínica, q u e ay u d a a m an ten er el e q u ilib rio al q u e a n tes alu­ díam os. Debem os destacar tam bién la inclusión, al final de la obra, de cap ítu lo s q u e a b o rd a n tem as de integración y q ue per­ m iten al lector a d q u irir una visión de c o n ju n to sobre d iferentes aspectos del funcionam iento del organism o y c o m p ren d er la idea de q u e el organism o hum an o debe ser siem pre considerado como u n todo. Asim ism o, al final de cada cap ítu lo se in clu y e u n a serie de ejercicios en form a de p re g u n ta s de elección m últiple y pro b le­ mas c u a n titativ o s con sus co rresp o n d ien tes resp u estas q u e p er­ m iten al estu d ia n te u n m ejor ap ren d izaje autónom o al facilitarle o p o rtu n id ad e s de autoevaluación. Sin d u d a, nos encontram os an te u n a obra q u e, p o r su form ato y contenidos, c u b re ad ecu ad am en te las necesidades de los e stu ­ d iantes de m edicina en n u estro e n to rn o . C onsiderando adem ás q u e vivim os u n n u ev o proceso de reform a cu rric u la r enm arcado en lo q u e se denom ina la convergencia eu ro p ea en educación su­ p erio r y q u e enfatiza el concepto de ap re n d e r fren te al de ense­ ñar, esta obra p u ed e ser de g ra n u tilid ad para los estu d iantes, al tiem po q u e p u ed e se rv ir p ara estim ular la utilización de libros de tex to en p reo c u p a n te ten d en cia a la dism inución p o r p arte de n u estro s alum nos. J o r d i P a lé s A r g ü lló s

Catedrático de Fisiología Facultad de Medicina Universidad de Barcelona

1

;

Qué es la fisiología ?

El objetivo del presente capítulo es explicar: •

El objeto de estudio de la fisiología

•

La organización jerárquica del organismo

•

El concepto de homeostasia

*¿ Qué

es la fisiología ?

O MASSON. S.A. Fotocopia» sin autorización e» un doltlo

1.1 Introducción La fisiología estudia las funciones de los seres v iv o s y la m anera con la que u n organism o lleva a cabo sus diversas actividades: cómo se n u tre , cómo se m ueve, cómo se ad ap ta a u n as circu n s­ tancias cam biantes, y cómo se rep ro d u ce. El tem a es m u y am plio y abarca toda la creación. El éx ito con q u e la fisiología explica cómo los organism os llevan a cabo su s funciones diarias se basa en el concepto de q ue éstos son aparatos in trin cad o s y exquisitos cuya función está determ in ad a p o r las leyes de la física y la q u í­ mica. A pesar de q ue algu n o s de los procesos son sim ilares a lo largo de to d o el espectro de la biología — p o r ejem plo, la replicación del código genético— , m uchos son específicos de d eterm i­ nados g ru p o s de organism os. Por esta razón, es necesario d iv id ir la m ateria en diversas partes: fisiología bacteriana, fisiología ve­ getal y fisiología anim al, p o r ejem plo. Este lib ro se centra en la fi­ siología de los m am íferos, en especial la del ser hum ano. Para estudiar cómo funciona u n anim al, prim ero es necesario saber cómo está form ado. El estudio com pleto de la fisiología de un organism o ha de basarse, p o r tanto, en conocim ientos sólidos so­ bre su anatom ía. P artiendo de estos conocim ientos pued en llevar­ se a cabo experim entos para establecer el m odo en q u e las diferen­ tes partes desarrollan sus funciones. A p esar de q u e se han hecho num erosas e im portantes investigaciones fisiológicas en seres h u ­ m anos voluntarios, la necesidad de ten e r u n control preciso sobre las condiciones experim entales ha hecho q u e buena p arte de los conocim ientos fisiológicos actuales pro ced an de estudios realiza­ dos en otros anim ales como ranas, conejos, gatos y perros. Cuando está claro q ue un proceso fisiológico específico tiene una base co­ m ún en una amplia v ariedad de especies anim ales, es razonable su­ poner q ue los mismos principios se ap licarán al ser hum ano. Los conocim ientos obtenidos a p artir de esta estrategia nos han a y u d a­ do a e n ten d e r m ejor la fisiología hum ana y nos h a n p roporcionado una sólida base para tratar eficazm ente num erosas enferm edades.

1.2 Organización del organismo humano Los pan lial, uno nen una

com ponentes básicos del cuerpo son las células, q u e se a g ru ­ form ando tejidos. Los principales tipos de tejidos son: ep ite­ conjuntivo, sanguíneo, linfoide, nervioso y m uscular, cada con sus propias características. Los tejidos con ju n tiv o s d ispo­ de u n núm ero relativam ente red u cid o de células inm ersas en m atriz extracelular extensa, m ientras q u e el m úsculo liso

consta de capas de células m usculares q u e se m antienen agrupadas de forma densa gracias a uniones celulares específicas. Órganos como el cerebro, el corazón, los pulm ones, los intestinos y el híga­ do están form ados p o r la agregación de d iferentes tipos de tejido. Los propios órganos son partes de d iferentes sistem as fisiológicos. El corazón y los vasos sanguíneos form an el sistem a cardiovascu­ lar; los pulm ones, la tráquea y los bronquios, ju n to con la pared torácica y el diafragm a, co n stitu y en el sistem a respiratorio; el es­ queleto y los m úsculos esqueléticos, el sistem a m usculoesquelético; el cerebro, la m édula espinal, los nervios autónom os y los gan ­ glios y n ervios som áticos periféricos, el sistem a nervioso, etc. Las células difieren am pliam ente p o r lo q u e respecta a su for­ ma y función, pero tien en algunas características com unes. En prim er lugar, están ro d ead as p o r una m em brana lim itante, la m em brana plasm ática. En seg u n d o lugar, tien en la capacidad de descom poner g ran d es m oléculas en otras más p equeñas p ara libe­ ra r energía para sus actividades. En tercer lu g ar, en algún mo­ m en to d e su ciclo vital poseen u n núcleo q u e contiene inform a­ ción genética en forma de ácido d esoxirribonucleico (ADN). En el cap itu lo 3 se considerarán detalles adicionales de la estru c tu ra de las células. Las células vivas transform an continuam ente los m ateriales. D egradan la glucosa y las grasas con el o bjetivo de sum inistrar energía p ara otras actividades como la m otilidad y la síntesis de las proteínas necesarias para crecer y reparar. Estos cam bios quím icos se denom inan, en su conjunto, metabolismo. El proceso de degra­ dación de m oléculas de gran tam año en m oléculas más peq u eñas se conoce como catabolismo, y la síntesis de g ran d es moléculas a p ar­ tir de m oléculas más pequeñas recibe el n om bre de anabolismo. En el curso de la evolución, las células em pezaron a diferen ­ ciarse para d esem peñar d iferen tes funciones. A lgunas d esarrolla­ ro n la capacidad de contraerse (células m usculares), y o tras la de co n d u cir señales eléctricas (neuronas); otro g ru p o desarrolló la capacidad de secretar d iferen tes sustancias, com o ho rm o nas (cé­ lulas endocrinas) o enzim as (p. ej., células acinares de las g lá n d u ­ las salivales). D urante el desarrollo em brionario, este proceso de diferenciación gen era m uchos tipos diferen tes de células, todas ellas form adas a p a rtir del h u ev o fecundado. La m ayor p arte de tejidos con tien en una com binación de diferen tes tipos de células. Por ejem plo, la san g re está form ada p o r hem atíes, q u e tra n sp o r­ tan el oxígeno p o r todo el cuerpo, leucocitos, q u e desem peñan un im p o rtan te papel en la defensa fren te a infecciones, y plaquetas, q u e son com ponentes v itales en el proceso de la coagulación san­ guínea. H ay d istin to s tipos de tejido co n ju n tiv o , pero todos ellos se caracterizan p o r p rese n ta r células d istrib u id a s en el seno de

4

I ¿Qué es la fisiología?

una ab u n d a n te m atriz acelular. 121 tejid o nerv io so contiene n e u ­ ro n as (de las qu e ex isten d iferen tes tipos) y células gliales.

¿cóm o se ab so rb e n los n u trie n te s in d iv id u a le s? , ¿cóm o se m ovi­ liza el alim en to a tra v és del tra c to g a stro in testin a l?, y ¿cóm o son elim inados del org an ism o los re sid u o s q u e n o se d ig ieren?

Principales sistemas orgánicos Riñones y tracto urinario Sistema cardiovascular Las células de los g ran d e s anim ales m ulticelulares n o p u ed en o b ­ te n e r d irectam en te el oxíg en o y los n u trie n te s q u e necesitan a p a rtir del m edio ex tern o . El o x íg en o y los n u trie n te s d eb en ser tra n sp o rta d o s hasta las células, Ésta es una de las prin cip ales fu nciones de la sangre, q u e circula d e n tro de los vasos san g u í­ neos g racias a la acción de bom beo q u e realiza el corazón. El co­ razón, los vasos sangu ín eo s y los tejid o s asociados form an el sis­ tem a cardiovascular. El corazón está c o n stitu id o p o r c u a tro cá­ m aras, dos au rícu las y dos v en trícu lo s, q u e form an u n p a r de m ecanism os de bom beo d isp u esto s en paralelo. El v en tríc u lo d e­ recho envía la sangre desoxigenada a los pulm ones en d o n d e a b ­ sorbe el oxigeno del aire, m ien tras q u e el v e n tríc u lo izq u ierd o bom bea la sangre oxig en ad a q u e v u elv e de los pulm o n es hacia el resto del organism o para el ap o rte de oxíg en o a los tejidos. Los fi­ siólogos estu d ian los factores q u e o rig in an el latid o cardíaco, el m ecanism o p o r el cual el corazón bom bea la san g re hacia la c ir­ culación, y la m anera com o la san g re se d is trib u y e p ara p e rfu n d ir los tejidos de acu e rd o con sus n ecesidades. El líq u id o in te r­ cam biado e n tre el plasma y los tejid o s pasa al sistem a linfático, q u e d ren a a la sangre.

Sistema respiratorio La energía necesaria p ara llev ar a cabo las d iv ersas activ id ad es del o rganism o proced e, en últim o térm in o , de la resp iració n . E ste proceso in clu y e la oxid ació n de los alim en to s (p rin c ip a l­ m ente azúcares y grasas) con la fin a lid a d de lib erar la energía q u e co n tien en . Los pulm o n es in co rp o ra n el o x íg en o necesario para este proceso a p a rtir del aire, y la san g re lo tra n sp o rta has­ ta los tejidos. El dió x id o de carb o n o p ro d u c id o com o c o n secu en ­ cia de la activ id ad resp irato ria de los tejidos es tra n sp o rta d o has­ ta los pulm ones a trav és de la san g re venosa, y elim in ad o a tr a ­ vés del aire espirado. Las p re g u n ta s básicas a las q u e h ay q u e resp o n d er son: ¿cóm o e n tra y sale el aire de los pulm ones?, ¿cóm o se ajusta el volum en de aire re sp ira d o a las n ecesidades del organism o?, y ¿cuáles son los lím ites de la cap tació n de o x í­ geno en los pulm ones?

Sistem a digestivo Los n u trie n te s q u e el org an ism o necesita p ro v ie n e n de la dieta. Las enzim as del tra c to g a stro in te stin a l d eg ra d a n los alim entos in g erid o s a trav és de la boca en sus d ife re n te s co m p o n en tes. Los p ro d u c to s de la d ig estió n son a b so rb id o s p o r la san g re a trav és de la p ared del in te stin o y alcanzan el h ígado a tra v é s d e la vena p o rta. G racias al h ígad o , los te jid o s p u e d e n asim ilar los n u trie n ­ tes y usarlos p ara su crecim ien to y re p aració n , así com o p a ra la p ro d u cció n de energía. En el caso del sistem a d ig estiv o , las p re ­ g u n ta s clave resp ecto a su fisiología son: ¿cóm o se in g ie re n los alim entos?, ¿cóm o se h id ro liz a n y se d ig ie re n los alim entos?.

La función p rincipal de los riñones es el control de la com posición del líquido extracelu lar (el líq u id o q u e baña las células). En el cu r­ so de este proceso, los riñones tam b ién elim inan p ro d u cto s de de­ secho no volátiles procedentes de la sangre. Para realizar estas fu n ­ ciones, los riñones pro d u cen orina de com posición variable que q u ed a alm acenada tem poralm ente en la vejiga antes de la micción. Las p reg u n tas fisiológicas clave en este caso son: ¿cómo regulan los riñones la com posición de la sangre?, ¿có m a elim inan los p ro ­ d uctos tóxicos de desecho?, ¿cómo resp o n d en a las situaciones de estrés como una deshidratación?, y ¿cuáles son los m ecanism os q u e p erm iten el alm acenam iento y la elim inación de la orina?

Sistema reproductor La rep ro d u cció n es una de las características fu n d am entales de los organism os vivos. Las gónadas (los testículos en el v aró n y los ovarios en la m ujer) p ro d u c e n células sexuales especializadas, co­ nocidas como gam etos. La función básica de la rep ro ducción se­ xual es la creación y fusión de los gam etos m asculino y fem enino, el esperm atozoide y el óvulo, com binándose así las características genéticas de los dos in d iv id u o s p rogenitores; de esta com bina­ ción su rg e un ser q u e difiere g en éticam ente de sus padres. Los as­ pectos fisiológicos fund am en tales son: ¿cómo se p ro d u cen los es­ perm atozoides y los óvulos?, ¿cuál es el m ecanism o de la fecun­ dación?, ¿cómo crece y se desarrolla el em brión?, y ¿cómo se n u tre el em b rió n hasta q u e p u ed e hacerlo p o r sí mismo?

Sistema musculoesquelético Está form ado p o r los huesos del esqueleto, los m úsculos esqueléti­ cos y sus tejidos asociados. Su función p rincipal es p ro porcionar la capacidad de m ovim iento necesaria para la locomoción, para el m antenim iento de la p o stu ra y p ara la respiración. Tam bién pro­ porciona soporte físico p ara los órganos internos. En este caso, el aspecto clave es el m ecanism o de la contracción m uscular.

Sistem as endocrino y nervioso Las activ id ad es de los d iferen tes sistem as orgánicos h an de coor­ d in arse y reg u larse de m odo q u e actú en al unísono para satisfacer las necesidades del organism o. H an evo lu cio n ad o dos sistem as de coordinación: el nerv io so y el en d o crin o . Para p o d er tra n sm itir la inform ación con rapidez a células específicas, el sistem a nervioso utiliza señales eléctricas. Así, los n ervios tran sm iten estas señales a los m úsculos esqueléticos para c o n tro lar su contracción. El sis­ tem a endocrino, p o r o tro lado, secreta agentes quím icos, las hor­ monas, q u e viajan p o r el to rre n te circulatorio hasta las células so­ bre las q u e ejercen un efecto reg u lad o r. Las horm onas desem pe­ ñan un im p o rtan te papel en la regulación de m uchos órganos, y especialm ente en la del ciclo m enstrual y otros aspectos de la re­ p roducción.

1.3 Homeostosia

iil sistema inmune prop o rcio n a al organism o defensas fren te a infecciones, tanto p o r la via de la destrucción de los m icroorganis­ mos invasores como elim inando las células enferm as o alteradas. A pesar de q ue p ued e ser útil estu d iar cada órgano y cómo lle-. a a cabo sus funciones, es esencial reconocer q u e ía actividad del organism o como un lodo d epende de las interacciones e n tre los di­ ferentes sistem as orgánicos. Un fallo en una p arte del organism o '-.ene consecuencias en otros sistem as orgánicos. Por ejem plo, si el riñón empieza a fallar, se deteriora la regulación del medio interno, lo qu e a su vez da lugar a alteraciones funcionales en otras zonas.

1.3 Homeosíasia En la regulación de la com posición del líquido ex tracelu lar in te r­ vienen m ecanism os com plejos, y las células in d iv id u ales tienen :.im bién m ecanism os prop io s para re g u la r su com posición in te r­ na. Estas funciones regulad oras estabilizan el m edio in tern o a p e­ sar de las variaciones q u e se p ro d u cen en el m u n d o e x te rio r y en la activ id ad propia del anim al. El proceso de estabilización del m edio in tern o se denom ina homeostasia, y es esencial si las célu­ las del organism o han de fu n cio n ar norm alm ente. Pongam os u n ejem plo: el latido del corazón d e p en d e de las contracciones rítm icas de las células m usculares cardíacas. Esta actividad m uscular d ep en d e de señales eléctricas que, a su vez, dep en d en de la co n centració n de iones de sodio y potasio en los líquidos ex tracelu lar e intracelu lar. Si ex iste u n exceso d e potasio en el líq u id o ex tracelu lar, las células m usculares cardíacas se uelven dem asiado excitables y p u ed e o c u rrir que, en lugar de actu ar de m anera coordinada, se co n traig an en m om entos in a p ro ­ piados. Por consiguiente, para q u e el corazón lata norm alm ente la concentración de potasio en el liq u id o ex tracelu lar debe m an­ tenerse d en tro de unos estrechos m árgenes de variación.

5

to, en las m ujeres em barazadas y en los d ep o rtistas d u ra n te las prim eras etapas del en tren am ien to , el consum o diario de proteí­ nas es su p erio r al catabolism o norm al y el in d iv id u o m uestra un balance nitrogenado positivo. Este con cep to de balance se p u ed e aplicar a cu alq u iera de los co n stitu y en tes del cuerpo, in cluy en d o el agua y la sal (ClNa), y es im p o rtan te al co n sid erar los m ecanism os con los q u e el organism o regula su propia com posición. La ingesta debe coincidir con los requ erim ien to s, de m anera q u e cu alq u ier exceso d eb e ser elim i­ nado p ara q u e p u ed a m an ten erse la situación de equilib rio. A de­ más, cada c o n stitu y e n te quím ico del organism o p resen ta un ran ­ go de concen tració n idóneo q u e se m an tien e p or diferen tes m eca­ nism os de control. Por ejem plo, la co n centración de la glucosa en plasm a (la p a rte líquida de la sangre) es de ap ro x im ad am ente 43 mmol x 1 1 en períodos in terd ig estiv o s. Poco tiem po d espués de una com ida, la concen tració n plasm ática de glucosa aum enta por encim a de esta cifra, lo q u e estim ula la secreción d e insulina por p arte del páncreas; la insulina red u ce la concentración plasm ática de glucosa. A m edida q u e d ism in u y e la co n cen tració n de glucosa, tam b ién lo hace la secreción de insulina. En to d o s los casos, las m odificaciones en la co n centración de insulina circu lan te actúan (junto con otros m ecanism os) en el m anten im ien to de la concen­ tració n plasm ática de glucosa en niveles adecuados. Este tipo de regulación se denom ina retroalimentación negativa /Teedback ne­ gativo). D u ran te el perío d o de secreción de insu lin a, la glucosa queda alm acenada en forma de glucógeno (principalm ente en el hígado y los m úsculos) o de grasa (en las células especializadas del tejid o adiposo). Un circuito de retroalimentación negativa ffeedback negativo) (fig. 1-1) es u n sistema de control cu y o o b jetiv o es el m anteni­ m iento del nivel de una variab le d e n tro de u n ran g o dado, tras al­ g u n a m odificación de los factores q u e in flu y en en ésta. A u n q u e el

¿Cómo regula el organismo su propia composición?

O M A V iO N

'i A I OlOoopirtf *ln m iloii/rti lón un mi tlo lllo

El concepto de equilibrio En el tran scu rso de un día, u n ad u lto consum e aproxim adam ente 1 kg de alim entos y bebe 2-3 1 de líq u id o . Al cabo de u n mes, es­ tas cifras son de ap roxim ad am en te 30 k g de alim ento y 60-90 1 de Hquido. En general, el peso co rporal se m an tien e constante. Po­ dem os decir qu e estas personas m an tien en un equilibrio; el co n su ­ mo de alim ento y de líq u id o está en relación con la capacidad de generar energía para las activ id ad es h ab itu ales del organism o, y con las pérdidas q ue tienen lu g ar a trav és de la orina y las heces. En algunas circunstancias, com o en situaciones de inanición, el consum o de alim ento no c u b re las necesidades del ■rganism o y el tejido m uscular se degrada con el fin de p ro p o rcio n ar glucosa que perm ita la producción de energía. En este caso, la ingesta de p ro ­ teínas es inferior a su degradación y decim os q u e el in d iv id u o presenta un balance nitrogenado negativo (el n itró g en o es un com ­ ponente básico de los am inoácidos q u e co n stitu y en las proteínas; v. cap. 2). De la mism a m anera, si los tejidos co rporales están en período de form ación, tal como o cu rre en los n iñ o s en crecim ien-

(a)

(b) Fig. 1-1. Esquema de un circuito de control de retroalimentación nega­ tiva (a) comparado con un sencillo sistema de calefacción (b).

6

1 ¿Qué es la fisiología?

ejem plo señalado se refiere a la glucosa plasm ática, este mismo p rin cip io básico se puede aplicar a o tras variables fisiológicas, como la tem p eratu ra corporal, la presión arterial y la osm olalidad del plasm a. U n circu ito de retroalim en tació n n eg ativ a re q u ie re un sensor de a lg ú n tip o q u e resp o n d a a la v ariab le en cuestión, pero n o a otras variables fisiológicas. Por co n sig u ien te, u n o sm o rrecep to r resp o n d e a los cam bios de osm olalidad de los líq u id o s c o rp o ra­ les, pero no a los cam bios de tem p e ra tu ra o de p resió n arterial. La inform ación p ro ced en te del sensor debe com pararse con el n ivel deseado (conocido com o « p u n to de aju ste» o «de referen cia» del sistem a) m ediante alguna form a de comparador. Si am bas in fo r­ m aciones no encajan, se tran sm ite una señal de e rro r hasta un efector, q ue es un sistem a q u e actú a restab le cien d o los niveles deseados de la variable. Las características básicas del circu ito de retroalim entación n egativ a se resu m en en la figura 1-1. Estas ca­ racterísticas de la retroalim en tació n n egativa p u ed e n co m p ren ­ derse ex am in an d o un sim ple sistem a calefactor. La v ariab le con­ tro lad a es la tem p eratu ra am b ien te detectada p o r u n term ostato. El efector es algún tip o de calen tad o r. C uando la tem p eratu ra am biente d ism in u y e por debajo del p u n to de ajuste, el term o sta­ to detec ta la diferencia de te m p e ra tu ra y pone en m archa el ca­ len tad o r, q u e hace su b ir la tem p era tu ra de la h ab itació n hasta q u e alcanza el nivel preestab lecid o ; en este p u n to , el calen tad o r se apaga de nuevo. A u n q u e la retroalim en tació n negativa es el p rin cip al m ecanis­ mo para m antener un m edio in te rn o constante, p resen ta algunas desventajas. En prim er lugar, sólo se p uede ejercer u n control de retroalim entación negativ a cuan d o se ha p ro d u cid o una altera­ ción de la variable controlada. En segundo lugar, la corrección qu e h ay q u e aplicar sólo p u ed e evaluarse a p a rtir de la m agnitud de la señal de e rro r (es decir, la diferencia e n tre el valor deseado y el valor registrado de la variable en cuestión). En la práctica, esto significa q ue el sistem a de retroalim entación negativa p ro ­ porciona una corrección incom pleta. En tercer lugar, si la correc­ ción es excesiva existe el riesgo potencial de p ro v o car oscilacio­ nes en la v ariable controlada. En los sistem as fisiológicos, estas desventajas se su p eran gracias a una regulación m últiple. En el ejem plo m encionado anterio rm en te, la glucosa sanguínea se m an­ tiene d en tro de unos estrechos m árgenes de variación m ediante la acción de dos m ecanism os q u e actúan en oposición (push-pull). La insulina actúa red u cien d o los niveles plasm áticos de glucosa, m ientras qu e otra horm ona p ancreática, el glucagón, actúa m ovi­ lizando glucosa a p a rtir de los d epósitos corporales. A u n q u e es difícil destacar todavía más la im portancia de los circuitos de control de retroalim entación negativa de los m ecanis­ mos hom eostáticos, en determ inadas circunstancias frecuentes es­ tos circuitos son reajustados o superados. Por ejem plo, la presión arterial es m onitorizada p o r unos receptores, conocidos como barorreceptores, qu e se localizan en las paredes del cayado aórtico y

en el seno carotídeo. Estos receptores son los sensores de un cir­ cuito de retroalim entación negativa q u e m antiene los valores de presión arterial d en tro de determ inados lím ites. Si la presión arte­ rial aum enta, se p roducen cam bios com pensatorios q u e tien d en a restablecer valores norm ales. Sin em bargo, cuando se está hacien­ do ejercicio este m ecanism o se reajusta. Si no se reajustara, la can­ tidad de ejercicio que podríam os practicar se vería m uy lim itado. Los circu ito s de retroalim entación neg ativ a o p eran para m an­ te n e r u n a variab le concreta d en tro de unos lím ites específicos. Son la fuerza estábil iza dora de la econom ía del organism o. Sin em bargo, en algunas circu n stan cias se p ro d u ce una retroalimen taciún positiva. En este caso, el circuito de retroalim entación es in ­ h eren tem en te inestable, ya q u e la señal de erro r actúa au m en tan ­ do la desviación inicial. Un ejem plo de la vida cotidiana es el del ru id o q u e se p ro d u ce c u an d o se coloca u n m icrófono cerca de uno de los altavoces de u n sistem a para d irigirse al público. El m icró­ fono cap ta el sonido inicial, q u e es am plificado p or el circuito electrónico. Esto lleva al am plificador a em itir un sonido más fuerte, q u e es cap tad o nuev am en te p or el m icrófono y am plifica­ do, de m odo q u e el am plificador em ite u n sonido cada vez más fu erte hasta q u e el circu ito de am plificación alcanza el lím ite de su p otencia y las personas q u e están cerca deben salir corriendo. Un ejem plo de interacción en tre m ecanism os de retroalim enta­ ción negativos y positivos es la regulación horm onal del ciclo m enstrual. Las alteraciones cíclicas de los niveles plasm áticos de dos horm onas procedentes de la hipófisis, la gonadotropina foliculoestim ulante (FSH) y la g o n adotropina luteinizante (LH) se relacio­ nan con la regulación de la fecundidad. Las horm onas esteroideas de los ovarios pueden ejercer u n control de retroalim entación, tan ­ to negativa como positiva, sobre la secreción de FSH y LH, depen­ diendo de la concentración horm onal presente. Los niveles bajos o m oderados de una horm ona denom inada 17p-estradiol tienden a in h ib ir la secreción de FSH y LH (retroalim entación negativa). Sin em bargo, si el 17p-estradiol está presente en altas concentraciones d u ran te varios días, estim ula la secreción de FSH y LH (retroali­ m entación positiva). Como resultado, ju sto antes de la mitad del ci­ clo m enstrual aum enta considerablem ente la secreción de FSH y LH. Este aum ento es el responsable de la ovulación; una vez que ésta ha tenido lugar, los estrógenos d ism inuyen drásticam ente y la producción de FSH y LH dism inuye tam bién a m edida que la re­ troalim entación negativa vuelve a ser el mecanism o de control.

Bibliografía recomendada Houk JC. Homeostasis and control principies. En: M ountcastle VB, editor. Medical physiology (cap. 8). 14th ed. St. Louis: Mosby, 1980; p. 246-267.

Patón WDM. Man and mouse. Animáis in medical research. 2nd ed. Oxford: Oxford University Press, 1993.

2 l

É

l

s

t

"* ■•.

. , •

■■

Constitución química del organismo El objetivo del presente capítulo es explicar: *

La composición química del organismo

•

Las propiedades del agua como solvente biológico: sustancias polares y no polares

•

La presión osmótica y la tonicidad de las soluciones acuosas

•

La estructura y las funciones de los hidratos de carbono

•

La naturaleza química y las funciones de los lipidos

•

La estructura de los aminoácidos y las proteínas

•

La estructura de los nucleótidos y los ácidos nucleicos

*

'

Constitución química del organismo

2.1 Introducción Ej organism o hum ano está form ado p rin cip alm en te p o r cuatro - em entos: oxígeno, carbono, h idrógeno y n itrógeno. Estos ele­ m entos se com binan de form as m u y diversas y dan lu g ar a una in ­ mensa v ariedad de sustancias quím icas. Los p rincipales co n stitu ­ y entes orgánicos (es decir, q u e co ntienen carbono) de las células de los m am íferos son los hidratos de carbono, las grasas, las proteí­ nas y los ácidos nucleicos, qu e se form an a p a rtir de p equeñas mo­ léculas p ertenecientes a g ru p o s principales: azúcares, ácidos g ra­ sos, am inoácidos y nucleótidos. A lrededor del 60% del cu erp o de u n ho m b re ad u lto es agua, y el 40% restan te está form ado p o r grasas, pro teín as, h id rato s de carbono y m inerales. Las m ujeres tien en una m ayor pro p o rció n de grasa corporal, de m anera q u e el total de agua co rporal re p re ­ senta alred ed o r del 50% de su peso. T an to en h om bres como en m ujeres, los tejidos corporales m agros son en u n 70% agua, en un 15% grasas, en u n 12% pro teín as, en un 2 % ácidos nucleicos y en un 0 ,5 % h id rato s de carb on o (glúcidos). El resto son m inerales de diversos tipos, com o calcio, hierro, m agnesio, fosfato, potasio y sodio. La com posición quím ica del organism o ex p resad a en la tabla 2-1 se ha ob ten id o haciendo u n prom edio ap ro x im ad o de los valores de todos los tejidos de un ad u lto . Las pro p o rcio n es de

T ab la 2-1.

C o n stitu c ió n q u ím ic a a p r o x im a d a d el o r g a n ism o

© MASSON. S.A. Fotocopiar sin autorización es un delito.

(to d o s lo s v a lo r e s se e x p resa n c o m o p o rcen ta je d el p e so co rp o ra l)

Oxigeno Carbono Hidrógeno Nitrógeno Total minerales; Na' K' C1 MgJCa:‘ Fósforo Azufre Fe2" ’" Zn*

65 18 10 3,4 3,6 0,17 0,28 0,16 0,05 1,5 1,2 0,25 0,007 0,002

F.l organismo contiene pequeñas cantidades de otros elementos, además de los arriba mencionados.

los diferentes co m ponentes varían d ep e n d ie n d o de los tejidos y se m odifican d u ra n te el desarrollo.

2.2 Agua corporal El agua es el p rin cip al co n stitu y e n te del cu erp o hum ano y es esencial para la v ida. T am bién es el p rin cip al solv en te de las cé­ lulas vivas. Las m oléculas de interés biológico p u ed en d iv idirse en aquellas q u e se d isu elv en fácilm ente en agua y las q u e no. Las sustancias q u e se disu elv en fácilm ente en agua se d enom inan po­ lares o hidrófilos, m ientras q u e las insolubles en agua recib en el no m b re de no polares o hidrófobas. Ejem plos de sustancias polares son el clo ru ro sódico, la glucosa y el etanol, y ejem plos de su sta n ­ cias no polares, las parafinas y el benceno. H ay num erosas m olé­ culas q u e tien en p ro p ied ad es m ixtas, de m odo q u e una p arte es polar y la otra n o polar. Se conocen con el no m b re de sustancias anfifílicas. Son ejem plos de sustancias anfifílicas los ácidos grasos de cadena larga, el colesterol y las sales biliares.

Líquidos intracelulares y extracelulares El agua co rporal es la sum a de la ex isten te d en tro de las células, agua intracelular, y la q u e hay fuera de las células, agua extracelular. El agua ex tracelu lar se rep arte, adem ás, e n tre el plasm a, el agua in tersticial y el agua tran scelu lar (fig. 2-1). El agua in te rsti­ cial se en c u e n tra fu era de los vasos sanguíneos y baña las células. Adem ás, un p eq u eñ o p o rcentaje de agua corporal co n stitu y e el lí­ q u id o linfático. En el capítu lo 28 se tra ta n los m ecanism os p o r los cuales se m an tien e el e q u ilib rio del agua corporal. El agua corporal contiene gran cantidad de sustancias en diso­ lución; los solutos y el agua del espacio extracelular constituyen el llamado líquido extracelular y el líquido del interior de las células se denom ina líquido intracelular. El líquido ex istente en los espacios de tipo seroso, como los ventrículos cerebrales, la cavidad peritoneal, las articulaciones y el interior del ojo, se denom ina líquido transcelular y constituye aproxim adam ente el 2,5% del agua cor­ poral total. El líquido intracelular está separado del extracelular por la m em brana plasmática de cada célula individual, que está forma­ da p o r lípidos (grasas) y tiene una p arte central n o polar (v. cap. 3). En consecuencia, las moléculas polares no pueden cruzar fácilm en­ te desde el liquido ex tracelular hasta el intracelular. En realidad, esta barrera se utiliza para crear gradientes de concentración que las células aprovechan para realizar diversas funciones.

10----- 2 Constitución química del organismo

-------1

----------------------------Agua transcelular (0,8 I)

Agua intersticial

(10.4 I)

Plasma (2,8 I)

Agua intracelular

(281) Fig. 2-1. Distribución del agua corporal en los diferentes compartimen­ tos, en un hombre de 70 kg de peso.

Difusión C uando una sustancia (el soluto) se disuelve en un solvente y se forma una solución, las m oléculas in dividuales de soluto se dis­ persan d en tro del solvente y son libres de m overse al azar. En una solución acuosa, las moléculas de agua y de soluto están en conti­ nuo m ovim iento y colisionan frecuentem ente en tre si. Este p roce­ so conduce a la difusión, es decir, a la dispersión al azar de las mo­ léculas de la solución. La difusión no se lim ita a las soluciones acuosas, sino qu e tiene lu g ar a trav és de m em branas celulares for­ m adas en su m ayor p arte por lipidos (v. más adelante). Cuando se añade una gota de una solución concentrada (p. ej„ glucosa al 5% P/V) a un volum en de agua pura, el m ovim iento al azar de las moléculas de glucosa da lugar a su lenta dispersión por todo el volumen. Si la solución al 5% se añadiese a una solución de glucosa al 1% , se produciría el mismo proceso de dispersión de las moléculas de glucosa hasta que la concentración de toda la solución fuese uniforme. La glucosa (o cualquier otro soluto) tiene tendencia a difundir desde una zona de alta concentración hasta una de concen­ tración inferior (es decir, a favor de un gradiente de concentración). La tasa de difusión en un solvente depen d e de la tem peratura (es más ráp id a a m ayor tem peratura), la m ag n itu d del g rad ien te de concentración y el área sobre la q u e se p ro d u ce la difusión, y tam bién se ve afectada por las características m oleculares del so­ lu to y del solvente. En general, las moléculas g ran d es d ifu n d en más lentam ente qu e las pequeñas. Las citadas características se re ­ flejan en una con stan te física denom inada coeficiente de difusión.

Presión osmótica de los líquidos corporales Cuando una solución acuosa está separada del agua pura a través de una m em brana perm eable al agua pero no al soluto, el agua atra­

viesa la m em brana hacia la solución en v irtu d de u n proceso cono­ cido con el nom bre de osmosis. Este m ovim iento puede contrarres­ tarse aplicando una presión hidrostática a la solución. La presión que resulta ser suficiente para p rev en ir el desplazam iento de agua se conoce con el nom bre de presión osmótica de la solución. La presión osm ótica de una solución se expresa como osmolalidad y g u ard a relación con el núm ero de p artículas p o r kilogra­ mo de solución, con in d ep en d en cia de su naturaleza quím ica. Un gram o mol de una sustancia, q ue no se disocia, en u n kilogram o de solución ejerce una presión osm ótica de 1 osmol. P or consi­ guiente, la presión osm ótica ejercida p o r 1 mol de glucosa (masa m olecular relativa [Mr] = 180) es la misma q ue la ejercida por 1 mol de albúm ina (M r — 67.000). Las soluciones salinas acuosas son u na im p o rtan te excepción a esta norm a: las sales se disocian en sus iones co n stitu y en tes, de m odo q u e una solución de cloru­ ro sódico ejercerá una presión osm ótica eq u iv alen te al doble de su concentración molal, es decir, 100 mm ol • kg 1 de solución de clo­ ruro sódico en agua ten d rán una presión osmótica de 200 mosmol • ■kg de los cuales la m itad se deb en a los iones de sodio y la otra m itad a los iones cloruro. La osm olalidad total de una solución es la sum a de la osmolalidad debida a cada u n o de sus constitu y en tes. El líq u id o extracelu lar y el plasm a tien en un a osm olalidad aproxim ada de 300 mosmol ■k g '1. Los iones principales (N a', K ', Cl", etc.) con­ trib u y e n aproxim adam ente en 290 mosmol • kg 1(alrededor de un 96%), mientras que la glucosa, aminoácidos y otras pequeñas sustan­ cias no iónicas contribuyen aproximadam ente con 10 mosmol • kg Las p roteínas sólo c o n trib u y e n con alrededor del 0 ,5 % a la osm o­ lalidad total del plasm a y con un p o rcentaje todavía in ferio r a la osm olalidad del líq u id o ex tracelu lar (que apenas contiene p ro te í­ nas). Esto qued a claro a p a rtir de los siguientes cálculos: el plas­ ma sanguíneo contiene alrededor de un 95% de agua, 6,42 g de cloruro sódico y 45 g de albúm ina p o r litro. Estas cifras corres­ po n d en a 6,76 g de cloruro sódico y 47,4 g de albúm ina p o r kilo­ gram o de agua plasm ática. La presión osmótica ejercida p o r 6,76 g de cloruro sódico (Mr = 58,4) es igual a: (2 x 6 ,7 6 ): 58,4 = 0,231 osmol • kg ' o 231 mosmol • kg 1 La presión osmótica ejercida p o r 47,4 g de albúm ina es igual a: 47,4 : 67.000 = 7,1 x 10 "1 osmol ■ k g '1 o 0,71 mosmol ■k g ‘* Por consiguiente, la presión osm ótica ejercida por 47 g de alb ú ­ mina sólo es el 0 ,3 % de la ejercida p o r 6,7 g de cloruro sódico. Está claro q ue ¡a presión osmótica ejercida por las proteínas es m e­ nor que la ejercida por los principales iones de los líquidos biológicos. No o bstante, la pequ eñ a presión osm ótica q ue ejercen las p ro teí­ nas (conocida como presión osmótica coloidal o presión oncótica) desem peña u n im p o rtan te papel en el intercam bio de líquidos en tre com partim entos corporales. A pesar de qu e las m em branas lipídicas son hidrófobas, son más perm eables al agua q ue los iones, de m odo q ue la osm olalidad del líq u id o in tracelu lar es la misma q u e la del líq u id o extracelular (es decir, am bos líquidos tienen una osm olalidad de alrededor de 300 mosmol • kg~‘ y, p o r consiguiente, son isoosmóticos). Si la p re­ sión osm ótica en un com partim ento es m ayor que en otro, el agua se desplazará desde el área de m enor presión osm ótica hasta la de m ayor presión osm ótica hasta q ue am bas se igualen.

2.3 Glútidos

11

la m em brana. Este proceso se denom ina filtración y es accionado po r el g rad ien te de presión ex isten te e n tre am bos lados de la m em brana. C uando la filtración separa solutos d e gran tam año, ' - r.i suspensión de hem atíes se introduce en una solución de clocomo las pro teín as, de solutos de tam año m enor, como la glucosa sodico que tiene una osm olalidad de 260 mosmol • kg los he­ y los iones inorgánicos (Na- , K~, Cl~, etc.), el proceso se denom ina n i l e s se hincharán más y más a m edida que el agua se introduzca ultrafiltración. _3s relulas para igualar la presión osm ótica a través de la memLas paredes de los capilares no suelen ser perm eables a las p ro ­ rrana celular. Esta concentración de cloruro sódico es hipotónica teínas plasm áticas (p. ej., la albúm ina), p ero sí lo son a los solutos 7. respecto a las células. Si, p o r el contrario, se in tro d u cen las céde peq u eñ o tam año. La acción de bom ba q u e ejerce el corazón ge­ —¿s en una solución de cloruro sódico q u e tiene una osm olalidad nera un g rad ien te de presión a través de las paredes de los capila­ ;e J60 mosmol - kg 1, éstas se contraerán a m edida que el agua salres, lo q u e tien d e a forzar el líq u id o desde éstos hacia el espacio in ­ ; í de ellas. En este caso, el líquido es hipertónico. Las células introtersticial. Este proceso tien e lugar en todos los lechos vasculares, ; _ ;:cas en una solución acuosa de cloruro sódico al 0,9% (es decir, pero es de especial im portancia en los capilares glom erulares del - g de cloruro sódico en 100 mi de agua) n o se hinch arán ni se riñón, q u e filtran g ran d es volúm enes de plasm a cada día. -traerán . Esta concentración tiene una osm olalidad de aproxim an m e n te 310 mosmol • kg"1 y se dice q u e es isotónica con las célu| En ocasiones nos referim os a esta solución como «suero fisioló­ gico», pero sería m ejor llamarla suero fisiológico isotónico.) No todas las soluciones isoosm óticas con respecto al líq u id o inLos glúcidos son la principal fu en te de energía para las reacciones --c e lu la r lo son en relación con las células. Una solución q u e con­ celulares. T ienen la fórm ula general C„(H,0)m y en la figura 2-2 se d ene 310 mosmol • kg 1 de urea es isoosmótica tan to con el suero m u estran algunos ejem plos. Los q u e tienen tres átom os de carbo­ • biológico como con el líquido in tracelular, p ero no es isotónica ya no se conocen con el n om bre de triosas, los q u e tienen cinco car­ - ue las células in tro d u cid as en esta solución se h in ch arían y esta­ bonos son las pentosas y los q u e tienen seis son las hexosas. Ejem­ carían (un proceso denom inado tisis). Esta co nducta se explica p or plos de h id rato s de carbono son el gliceraldehído (una triosa), la _. hecho de q u e la urea p u ede p e n etra r en la m em brana celular con ribosa (una pentosa), la fructosa y la glucosa (ambas hexosas). ::erta libertad; cuando lo hace, difu n d e a lo largo de su g rad ien te Cuando se u n en dos m oléculas glucídicas y se elim ina u n a molé­ j e concentración y a continuación lo hace el agua (de o tro m odo, cula de agua, se forma u n disacárido. La fructosa y la glucosa se i osm olalidad del líquido intracelular au m entaría y éste se volvecom binan form ando sacarosa, m ientras q u e la glucosa y la galac­ -¡a hiperosmótico). Dado q ue hay u n exceso de urea en el ex terio r tosa (otra hexosa) form an lactosa, el principal azúcar de la leche. de las células, ésta sigue en tran d o y atray en d o agua m ediante os­ Cuando se u n en m uchas m oléculas glucídicas se forma u n polisamosis y, p o r ello, las células se h in ch an hasta q u e estallan. cárido. Ejemplos de polisacáridos son el alm idón, q u e es un im por­ ta n te c o n stitu y en te de la dieta, y el glucógeno, q u e es el principal depósito de h id rato s de carbono de los m úsculos y el hígado. Filtración A u n q u e los g lúcidos son la p rin cip al fu en te d e energía de las células, tam bién son los co m ponentes de u n a serie de m oléculas Cuando u n líq u id o atraviesa u n a m em brana perm eable deja de­ im p o rtan tes. Los ácidos nucleicos: deso x irrib o n u cleico (ADN) y trás las p artículas que tien en u n diám etro m ayor q u e los p oros de ribon u cleico (ARN), resp ectiv am en te, co ntienen las pentosas 2-desoxirribosa y ribosa. La ribosa tam bién es uno de los com po­ n en tes de los nu cleó tid o s p u rín ico s q u e desem peñan un papel Resumen esencial en el m etabolism o celular. (En el ap artad o 2.6 se d esarro­ lla con detalle la e stru ctu ra de los nucleótidos.) 1. El agua es el principal solvente del organismo y representa el 50A lgunas hexosas tien en u n g ru p o am ino en lugar de u no de 60% de la masa corporal. Se dice que las sustancias que se di­ los g ru p o s h idroxilo. Estas hexosas se conocen con el n om bre de suelven fácilmente en agua son polares (o hidrófitas) mientras azúcares am ino o hexosaminas, y se en c u e n tran en las glucoproteíque las que son insolubles en agua son no polares (o hidrófobas).

Tonicidad de las soluciones

O M A 3 S U N , Li A I o l n c o p m i sin a u l o i l / u t ittn un un i.lolllu

2.3 Glúcidos

2.

3.

4.

El agua puede clasificarse en agua intracelular (la que se encuentra dentro de las células) y agua extracelular. Los solutos y el agua del interior de las células constituyen el líquido intracelular, mientras que el del exterior de las células es el liquido extracelular. Cuando una sustancia se disuelve en agua ejerce una presión os­ mótica que depende de su concentración molal. La presión osmó­ tica de una solución se expresa como osmolalidad, que se relacio­ na con el número de partículas por kilogramo de solución, con in­ dependencia de su naturaleza química. La osmolalidad total de una solución es la suma de la osmolalidad debida a cada uno de los componentes. La osmolalidad del liquido intracelular es la misma que la del lí­ quido extracelular (es decir, ambos líquidos son isoosmóticos).

Resumen 1.

2.

Los hidratos de carbono, en especial la glucosa (una hexosa), se descomponen con el objetivo de suministrar energía para las reacciones celulares. Hl cuerpo almacena hidratos de carbono para el metabolismo energético en forma de glucógeno, que es un polisacárido. Aunque los glúcidos son la principal fuente de energía de las cé­ lulas, también son los componentes de gran número de moléculas de importancia biológica, como los nucleótidos purínicos y los ácidos nucleicos.

12

2 Constitución química del organismo

Triosa

Fig. 2-2. Estructura de los hidratos de carbono más representativos. El glucógeno es un polisacárido que consta de muchas moléculas de glucosa unidas por enlaces 1-4, conocidos como enlaces glucosidicos, para formar una cadena larga. Una serie de cadenas de glucosa unidas por enlaces 1-6 forman una sola molécula de glucógeno.

CHO

I

CHOH

I

CHzOH Gliceraldehído

Pentosa

hoch2

HO OH

OH

D-ribosa Hexosa

\O H

H/

H

OH

l0>—Y

HOH

D-glucosa Disacáridos

CH OH

HOH

CH.OH

Polisacárido

Enlace 1-4

Glucógeno

ñas (= azúcar + proteín a) y en lo sglucolípidos (= azú car -t- lípido). En las glucoproteínas, u n a cadena de polisacáridos está u nida a una p ro teín a p o r un enlace covalente; las g lu co p ro teín as son com ponentes im portan tes del hueso y del tejid o co n ju n tiv o . Los g lucolípidos consisten en una cadena de polisacáridos u n id a al re­ siduo de glicerol de u n lípido esfingosina (v. más adelante) y se identifican en las m em branas celulares, en especial en las de la sustancia blanca del cerebro y la m édula espinal.

2.4 Lípidos Los lípidos son u n g ru p o de sustancias q u ím icam ente diversas q u e com parten la p ro p ied ad de ser insolubles en agua pero solu­ bles en solventes orgánicos como el é te r y el cloroform o. Cum plen una g ran varied ad de funciones: • Son el p rin cip al elem ento estru ctu ra l de las m em branas celula­ res (v. cap. 3).

2.4 Lipidos

13

H,C COOH Ácido graso saturado (ácido esteárico)

COOH Ácido graso insaturado (ácido oleico)

Colesterol

Progesterona Esteroides

COOH C H 3

Ácido araquidónico Ácidos grasos

C -O —

-O —CH I -o -c h 2

ch2

C -O -C H ,

H„C

I

2

I

HO — CH,

2

- O —CH

Diglicérido

Triglicérido (tristearina) Glicéridos

Fig. 2-3.

Estructura química de los ácidos grasos, los glicéridos y los esteroides.

O MAISON, S A Fotocopiar »In auton/aclón os un dolilo

• C onstituyen una im p o rtan te reserv a de energía. • A lgunos actúan como señales quím icas (p. ej., horm onas esteroideas y prostaglandinas). • Por debajo de la piel, p ro p o rcio n an una capa de aislam iento fren te al calor. • A lgunos actúan como aislantes eléctricos en la conducción de los im pulsos nerviosos. Los triglicéridos o triacilgliceroles son el p rin cip al depósito energético del organism o y p u e d e n acum ularse en el tejid o adi­ poso en cantidades prácticam en te ilim itadas. Consisten en tres ácidos grasos unid o s al glicerol p o r enlaces éster, tal com o se m uestra en la figura 2-3. Los diglicéridos se caracterizan p o r ten er dos ácidos grasos u n id o s al glicerol, m ien tras q u e los monoglicéridos sólo p resen tan uno. Los ácidos grasos tien en la fórm ula gene­ ral CH,(CH2)nCOOH, y e n tre los más típ ico s podem os citar el ácido acético (2 átom os de carbono), el ácido b u tírico (4 átom os de car­ bono), el ácido palm ítico (16 átom os de carbono) y el ácido esteá­ rico (18 átom os de carbono). En general, los trig licérid o s contie­ nen ácidos grasos con num erosos átom os d e carb o n o (p. ej., ácido palm ítico y esteárico), y la cadena m edia de ácidos grasos acos­ tu m b ra a ten er u n ácido graso in satu ra d o como el ácido linoleico (18 átom os de carbono con dos dobles enlaces) y el ácido araqui­ dónico (20 átom os de carbo n o con c u atro dobles enlaces). A u n q u e los m am íferos, in clu y en d o el ser hum ano, no p u ed en sintetizar ácidos grasos insaturados, éstos desem peñan u n im p o rta n te papel en el m etabolism o celular. En consecuencia, estos ácidos, cono­ cidos como ácidos grasos esenciales, d eben su m in istrarse a través de la dieta. Su im portancia radica tam b ién en q u e son los p re c u r­ sores de un g ru p o de lípidos conocidos como p ro stag lan d in as (v. más adelante).

Los lípidos estructurales son e