Virus: Agentes Infecciosos

VIRUS

¿Cuándo fue la última vez que estuviste resfriado o con gripe? ¿Recuerdas haber sido vacunado contra la poliomielitis o el sarampión cuando eras niño? Estas enfermedades (así como el VIH-SIDA, la parotiditis o paperas y la varicela) son causadas por virus. Los virus son partículas en extremo pequeñas que se reproducen por si mismas pero no son células. En consecuencia, no son realmente organismos y no se clasifican en reino alguno. Sin embargo, desempeñan un papel significativo en las vidas de los humanos y otros organismos.

Estructura de los virus

Figura 1. Estructura de los virus 

Un virus (palabra del latín que significa veneno) es una diminuta partícula infecciosa consistente en un ácido nucleico central (el material genético) envuelto en una cubierta proteínica llamada cápside (figura 1). 

Algunos virus también están rodeados por una envoltura membranosa externa que contiene proteínas, lípidos, carbohidratos y vestigios de metales (Figura 2). Un virus pequeño típico, como el de la poliomielitis (poliovirus), mide unos 20 nm (nanómetros) de diámetro, que es el tamaño aproximado de un ribosoma, mientras que un virus grande como el de la viruela (poxvirus) o el nuevo SARS-Cov-2 puede llegar a medir 200 nm.

Figura 2. Virus con envoltura 

A diferencia de los organismos, incluso de las bacterias más simples, los virus no tienen estructura celular y no pueden realizar actividades metabólicas de manera independiente. Carecen de los componentes necesarios para realizar la respiración celular o para sintetizar proteínas y otras moléculas, carecen de citoplasma, organelos o membrana que los aísle de su entorno.

Todas las formas de vida celulares contienen tanto ADN como ARN, pero un virus sólo contiene uno de los dos, no ambos. Los virus pueden reproducirse, pero solo dentro del complejo ambiente de las células vivas a las que infectan. En cierto sentido, los virus “cobran vida” sólo cuando infectan a una célula. Tienen suficiente información genética para obligar a la célula huésped a multiplicar el ácido nucleico viral y sintetizar los componentes de la cápside y la envoltura. La información genética contenida en un virus toma el control de los mecanismos de traducción o transcripción de la célula huésped.

Figura 3. Forma de los virus 

La forma de los virus es determinada por la organización de las subunidades proteínicas que constituyen la cápside, en tal sentido los virus pueden ser esféricos, cilíndricos, cúbicos y tener formas geométricas de muchos lados (poliédricos) (Figura 3).

Los virus son considerados parásitos  ya que infectan a las células y le causan daño en el proceso.

Clasificación de los virus

Los virus representan un reto taxonómico para los biólogos porque no tienen características que definen a los organismos vivos. Por esas razones, los virus no se clasifican en alguno de los tres dominios (Archeae, Eubacteria y Eukarya).

Los virus pueden clasificarse con base a su rango de huéspedes, los tipos de organismos que infectan. Se les puede referir como virus de plantas, virus de animales, virus bacteriales, etcétera. Los virus se clasifican de manera más formal en taxones de especies a órdenes. El Comité Internacional de Taxonomía de Virus (ICTV por sus siglas en inglés), un grupo de virólogos, decide los criterios específicos para clasificar y nombrar virus. Recientemente, con base en el rango de huéspedes y otras características, el ICTV clasificó los virus en 5 órdenes, 84 familias, 307 géneros y más de 2000 especies. Los nombres de las familias de virus incluyen el sufijo –viridae.

El sistema de clasificación de Baltimore clasifica los virus con base en el tipo de ácido nucleico que contienen, ya sea que el ácido nucleico sea de una sola cadena o de dos cadenas, y en como producen ARNm. Otros rasgos considerados en la clasificación viral son el tamaño y la forma del virus, la presencia de envoltura, y el método mediante el cual se transmite el virus de huésped a huésped.

Ciclos virales

Un ciclo reproductivo viral es lítico o lisogénico.

Ciclo lítico

 En un ciclo lítico, el virus lisa (destruye) la célula huésped susceptible, la obliga a utilizar su maquinaria metabólica para multiplicar partículas virales. Los virus con ciclo lítico se describen como virulentos (letales).

Cinco pasos son típicos de la reproducción viral (Figura 4):

Figura 4. Ciclo lítico

1.     Fijación (o absorción): El virus se une a receptores en la pared o membrana celular del huésped.

2.     Penetración: el ácido nucleico del virus es inyectado a través de la membrana plasmática en el citoplasma de la célula huésped. La cápside del fago (virus que infecta a bacterias)  permanece en el exterior. En contraste, muchos virus que infectan células animales entran intactos a la célula huésped.

3.     Multiplicación. El genoma viral contiene toda la información necesaria para producir nuevos virus. Una vez dentro, el virus induce a la célula huésped a sintetizar los componentes necesarios para su multiplicación.

4.     Ensamblaje. Los componentes virales recién sintetizados se ensamblan para formar nuevos virus.

5.     Liberación. Los virus ensamblados se liberan de la célula huésped. Esta suele ser destruida por enzimas líticas.

Los nuevos virus infectan otras células, y el proceso vuelve a empezar. El tiempo necesario para la multiplicación viral, desde la fijación a la bacteria (o célula) hasta la liberación de los nuevos virus, es de alrededor de 30 a 35 minutos.

Ciclo lisogénico.

Los virus templados no siempre destruyen a sus huéspedes. En un ciclo lisogénico, el genoma viral se integra al ADN de la bacteria huésped y se duplica con él (figura 5).

Figura 5. Ciclo lisogénico 

En el caso de algunos virus bacterianos, el ADN del fago se integra al ADN bacteriano huésped, y es entonces cuando se denomina profago (provirus). Las células que contienen profagos (células lisogénicas), en lugar de perder de inmediato el control, continúan realizando sus funciones normales durante algún tiempo. A medida que la célula huésped se reproduce, los profagos que contiene se duplican junto con el ADN del huésped. Un profago puede causar algunos cambios fenotípicos en su huésped, pues el ADN viral se transcribe y traduce para producir proteínas junto con los genes del huésped. El profago también evita que otros virus entren y destruyan al huésped. Cuando una célula que contiene un profago se expone a factores ambientales como rayos UV, rayos  o ciertos compuestos químicos, el profago  es estimulado para volverse activo. El ADN viral toma el control de la célula. Se producen nuevos virus, la célula huésped sufre lisis y los nuevos virus se liberan e invaden otras células. Se dice que las células que contienen profagos son lisogénicas, en otras palabras son propensas a la lisis.

Los virus tienen huéspedes específicos

Cada virus se especializa en atacar células huésped específicas. Hasta donde se sabe, ningún organismo es inmune a todos los virus, incluso las bacterias sucumben victimas de invasores virales, llamados bacteriófagos. Los bacteriófagos pronto se consideraran importantes para tratar enfermedades provocadas por bacterias, dado que muchas bacterias causantes de  enfermedades se han vuelto cada vez más resistentes a los antibióticos. Los tratamientos basados en bacteriófagos también podrían tomar ventaja de la especificidad de los virus, al atacar sólo bacterias específicas y no a las muchas  otras bacterias en el cuerpo que son inofensivas o benéficas.

En los organismos multicelulares, como plantas y animales, distintos virus se especializan en atacar tipos particulares de células. Los virus que provocan el resfriado común, por ejemplo, atacan membranas de las vías respiratorias. Un tipo de virus de herpes se especializa en las membranas mucosas de la boca y los labios, y produce fuegos labiales; mientras que un segundo tipo produce úlceras similares en o cerca de los genitales. Los virus del herpes se establecen de forma permanente en el cuerpo y brotan periódicamente (por lo general en momentos de estrés) como úlceras infecciosas. La devastadora enfermedad llamada SIDA (Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida), que inutiliza el sistema inmunitario del organismo, es causada por un virus que ataca un tipo específico de leucocitos que controlan la respuesta inmunitaria del cuerpo. Los virus también se han vinculado con ciertos tipos de cánceres, como la leucemia de células T (un cáncer de los leucocitos), el del hígado y el cervical.

Los virus causan severas enfermedades en plantas

Los virus causan muchas enfermedades importantes en plantas y son responsables de miles de millones de dólares en pérdidas agrícolas y menor calidad  de los cultivos en todo el mundo cada año. Los cultivos  infectados casi siempre producen cosechas más pobres.

Figura 6. Virus que infecta a plantas 

Por lo general, las infecciones virales no matan a las plantas, sino que evitan su crecimiento, producen cambios en la forma del follaje y pueden generar manchas, rayas o patrones moteados en hojas, flores o frutos (Figura 6). La mayoría de los virus de las plantas tienen cápsides, pero no poseen envolturas. El genoma de la mayoría de los virus de las plantas consiste de ARN de una sola cadena.

Los insectos son importantes vectores en las enfermedades vegetales. Mientras se alimentan de los tejidos vegetales, áfidos, saltamontes y muchos otros insectos dispersan enfermedades virales entre las plantas. Debido a las gruesas paredes celulares de las plantas, los virus no pueden penetrar las células vegetales a menos que estén dañadas. Los virus de las plantas también se pueden transmitir de una generación a la siguiente mediante semillas infectadas o por propagación asexual. Una vez infectada la planta, el virus se dispersa a lo largo de su cuerpo al pasar a través de los plasmodesmos (conexiones citoplasmáticas) que penetran las paredes de células adyacentes.

No hay curas conocidas para la mayoría de las enfermedades virales de las plantas, de modo que las plantas infectadas por lo general se queman. Muchos científicos agrícolas enfocan sus esfuerzos en la prevención de enfermedades virales al desarrollar cepas resistentes a virus de plantas de cultivo importantes.

Los virus causan enfermedades severas en animales

Cientos de diferentes virus infectan animales, incluido los humanos. Los virus animales causan peste porcina, fiebre aftosa, moquillo, influenza y ciertos tipos de cáncer (como leucemia felina y el cáncer cervical). Los virus causan varicela, herpes simplex, parotiditis, rubeola, sarampión, rabia, verrugas, mononucleosis infecciosa, influenza, hepatitis viral, SIDA y el actual COVID-19. La mayoría de los humanos sufren de dos a seis infecciones virales cada año, incluido el resfriado común.

La epidemia de influenza H1N1 en 2009 se contuvo por la rápida acción de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los centros para el Control y Prevención de Enfermedades (CDC por sus siglas en ingles) de Estados Unidos, y otras agencias de salud pública en todo el mundo. El sondeo cuidadoso y la voluntad de los países para compartir información ayudaron a minimizar la dispersión de esta pandemia. A toda velocidad se desarrollaron vacunas y protocolos de tratamiento efectivos.

La actividad humana, incluidos factores sociales como urbanización, viajes globales y guerras, contribuye a la distribución y expansión de  enfermedades infecciosas. Las condiciones de vida, incluida saneamiento, nutrición, estrés físico, nivel de atención a la salud y prácticas sexuales, son factores importantes en la dispersión de las enfermedades. Incluso con el nivel de conocimiento actual acerca de los virus y la epidemiología, ¿Cuán preparada está la humanidad para contener un virus particularmente virulento como el actual SARS-Cov-2? ¿Qué tan bien se contiene el SARS-Cov-2, que sigue infectando y matando a miles de personas en todo el mundo?

Desde los ataques terroristas a Estados Unidos el 11 de septiembre de 2001, el bioterrorismo se ha convertido en una gran preocupación mundial. El bioterrorismo es el uso intencional de microorganismos o toxinas derivadas de organismos vivientes para causar muerte o enfermedad en humanos, animales o plantas de las que depende la gente. Los terroristas podrían concebir iniciar epidemias de viruela, ántrax, peste y otras enfermedades potencialmente mortales. ¿Estaremos en presencia de un acto de bioterrorismo con el uso del SARS-Cov-2 causante de la enfermedad COVID-19?

La búsqueda de tratamientos y vacunas efectivos para dichas enfermedades adquirió nueva relevancia.

Las infecciones virales son difíciles de combatir

Puesto que los virus están estrechamente ligados a la maquinaria celular de su huésped, es muy difícil tratar las enfermedades  que ocasionan, ya que los antibióticos, que usualmente son efectivos contra muchas infecciones bacterianas, resultan inútiles contra los virus. Además, agentes antivirales pueden destruir tanto células huésped como virus. Sin embargo, a pesar de la dificultad de atacar a los virus que “se esconden” dentro de las células, se han desarrollado algunos medicamentos antivirales. Muchos de estos medicamentos destruyen o bloquean la función de las enzimas que los virus que se desea combatir requieren replicarse. 

Por desgracia, la mayoría de los medicamentos antivirales proporcionan beneficios limitados debido a que muchos virus rápidamente desarrollan resistencia a ellos. Las altas tasas de mutación entre los virus se deben en parte a que muchos virus carecen de mecanismos para corregir los errores ocurridos durante la replicación del material genético. Por lo tanto, es común que, cuando se ataca una población de virus con un antiviral, surja una mutación que les confiera resistencia al medicamento. Los virus resistentes prosperan y se replican en grandes cantidades, transmitiéndose a nuevos huéspedes humanos. Finalmente, los virus resistentes predominan, y el medicamento antiviral que antes resultaba eficaz se vuelve inútil.

¿Es posible que los virus hayan escapado de células?

¿De dónde vienen los virus? El origen de los virus es incierto. Algunos científicos consideran que la enorme variedad de mecanismos de autorreplicación que se da entre estas partículas refleja su condición de vestigios evolutivos de las etapas más antiguas de la historia de la vida, antes que la evolución se estableciera a partir de moléculas grandes y de doble hebra de ADN tal y como la conocemos hoy. La otra posibilidad es que los virus sean descendientes degenerados de células parasitarias (Hipótesis del origen celular), esta  hipótesis plantea que los virus son fragmentos de ácido nucleico que “escaparon” de organismos celulares. Según este punto de vista, el origen de algunos virus puede remontarse a células animales, el de otros, a células vegetales, y el de otros más, a células bacterianas. Sus múltiples orígenes podrían explicar por qué los virus son específicos de especie, quizá sólo infectan aquellas especies muy relacionadas con los organismos de los que se originaron. Esta hipótesis es respaldada por la similitud genética entre un virus y su célula huésped, una similitud entre un virus y otro.

De acuerdo con la hipótesis de coevolución, los virus aparecieron temprano en la historia de la vida, incluso antes de que divergieran los tres dominios. La evidencia para esta hipótesis proviene de las semejanzas encontradas en las estructuras proteínicas de algunos cápsides virales y de similitudes genéticas entre algunos virus que infectan arqueas y algunos que infectan bacterias. Los biólogos moleculares que estudian esta hipótesis consideran improbable que estas semejanzas evolucionaran de manera independiente.

De acuerdo con la hipótesis regresiva, los virus evolucionaron a partir de pequeñas células independientes que parasitaban células más grandes. Los genes que  no necesitaban, como los de la síntesis de proteínas, se perdieron gradualmente mediante evolución. La hipótesis regresiva es apoyada por ciertas bacterias (clamidia y  rickettsia) ya que son capaces de reproducirse solamente dentro de células huésped.

Cualquiera que haya sido el origen de estas partículas infecciosa y como siguen evolucionando, su éxito plantea un desafío permanente a los seres vivos.

A continuacion se  muestra una Red CTS en la que  se detallan los aspectos científicos, tecnológicos y sociales que están inmersos en el SARS-Cov-2 y en su enfermedad COVID-19. 

Coronavirus SARS-Cov-2 

Información sobre Coronavirus SARS-Cov-2 

¿Que significa aplanar la curva? 

¿Que es aplanar la curva?

Coronavirus: De enfermedad respiratoria a multisistémica

Sistema Inmunitario frente al SARS-Cov-2 

1. COVID-19 y envejecimiento

Pronunciamiento de la Academia de Ciencias Físicas, Matemáticas y Naturales sobre COVID-19 en Venezuela 

Estado actual del COVID-19 en Venezuela

DIVERSIDAD BIOLÓGICA

Biodiversidad

Los seres humanos no estamos solos en la tierra, ni estamos por encima de las leyes de la naturaleza; nuestras acciones tienen consecuencias. Somos parte de la misma biosfera que todos los demás organismos, y dependemos por completo de ella y estos para nuestra supervivencia. Por lo tanto, una de nuestras principales metas es encontrar formas para evitar perturbar los sistemas biológicos que nos mantienen.

Los organismos son recursos naturales cuya importancia no se aprecia del todo. La biodiversidad biológica o biodiversidad contribuye a un ambiente sostenible, que constituye un sistema de aporte vital que permite sobrevivir al ser humano y a otras especies.

La diversidad biológica o biodiversidad es la variedad de organismos y de ecosistemas en que estos viven, incluye el número de ecosistemas en que éstos viven, incluye el número de especies distintas (diversidad de especies), la variabilidad genética dentro de la especie (diversidad genética) y la variabilidad de interacciones dentro de ecosistemas y entre ellos (diversidad de ecosistemas).

El concepto de biodiversidad está referido a tres niveles fundamentales, que son:

Diversidad genética:

Es la variabilidad en la información genética entre los individuos de una misma especie, subespecie, raza o entre especies distintas. La variabilidad genética es la que permite que los individuos no sean idénticos entre sí, aunque pertenezcan a la misma especie; además, esta diversidad genética es la que hace posible producir nuevas razas de plantas y animales domésticos y permite a las especies silvestres adaptarse a las condiciones cambiantes del ambiente.

Diversidad de especies

Es la suma total de especies que habitan en las diferentes partes del planeta como mares, bosques, manglares, desiertos. No existe un conocimiento exacto del número de especies que habitan en la tierra y las divergencias son muy grandes en cuanto al cálculo del número total de especies, al punto de que oscilan entre 5 y 80 millones de especies.

Diversidad ecológica

Es la variedad de hábitats donde viven las especies y los procesos ecológicos que se dan en la biosfera. Las relaciones funcionales dentro y entre las comunidades y su ambiente son muy complejas y son los mecanismos de grandes procesos ecológicos como el ciclo del agua, la formación de los suelos y el flujo de energía. Estos procesos proveen el sostenimiento requerido por las comunidades vivientes y son de una interdependencia crítica.

Tomando en consideración lo explicado anteriormente, podemos concluir que la biodiversidad abarca el contenido vivo de la tierra y la encontramos en todos los niveles desde la molécula de ADN hasta los ecosistemas y la biosfera.

El valor de la biodiversidad

El desarrollo de las sociedades humanas se ha dado gracias a la utilización de los recursos naturales, entre los que se destaca la biodiversidad. En tal sentido, el valor de la biodiversidad es incalculable. Una forma de clasificar el valor de la biodiversidad es la de las cuatro E: ecológica, económica, estética y ética.

Valor ecológico

La biodiversidad cumple muchas funciones ecológicas vitales. Para explicarlas,  necesitamos partir del concepto de biosfera, la cual es la parte del planeta en la que viven todos los seres vivos. Además, es un sistema que resulta de la interacción entre los componentes abióticos y bióticos. Esto quiere decir,  que en la biosfera existe una compleja interdependencia en todos los niveles, lo que permite el equilibrio. De esta manera vemos que los organismos autótrofos transforman la energía solar en energía química, que se transfiere, a través de las cadenas alimentarias, a  otros organismos. Los organismos descomponedores transforman la materia orgánica en inorgánica, incorporándola de nuevo en el ciclo de nutrientes y contribuyendo a la generación y conservación de los suelos. Muchas especies de aves ayudan a controlar a los insectos y los grandes felinos controlan numéricamente a sus presas. Los murciélagos, aves e insectos facilitan la polinización y favorecen la dispersión de las semillas.

También los bosques cumplen una función importante en el clima tropical, regional y mundial ya que, por ejemplo, contribuyen con una gran parte de la humedad del aire a través de la transpiración; asimismo, la vegetación cumple un importante papel en el ciclo del carbono, del nitrógeno y del oxígeno. Los bosques también ofrecen una protección contra los contaminantes del aire, tales como polvo y óxidos de azufre, por el obstáculo mecánico que representa la masa arbórea; la vegetación, además, protege contra el ruido, ya que al chocar contra los árboles, las ondas sonoras pueden ser absorbidas.

Los lechos de agua forestados actúan como grandes esponjas, lo que retarda el escurrimiento, absorben y retienen agua, o sea influye en la estabilidad del suelo al regular el escurrimiento del vital líquido.

Resumiendo lo anterior, tenemos que los ecosistemas actúan como sistemas sustentadores de la vida, manteniendo la calidad de la atmósfera, regulando la temperatura y los suministros de agua, la eliminación de residuos y el reciclaje de nutrientes.

Valor económico  y médico

En el  aspecto económico, la diversidad biológica posee un enorme valor como fuente de alimento, vestido, materiales para la construcción, medicinas, entre otros. La humanidad ha tomado sus alimentos de la naturaleza, ya sea mediante su recolección en estado natural o a través de su cultivo o cría en cautiverio. La mayor parte de las plantas que en la actualidad suministran el 90% del alimento mundial fueron domesticadas a partir de plantas en estado silvestre de los trópicos.

Actualmente, el hombre depende de unas treinta especies vegetales para satisfacer su necesidad de alimento. Esta cantidad está muy lejos de las 80.000 plantas potencialmente comestibles. Si analizamos la situación relacionada con el mundo animal, vemos que un número menor de animales cubre las necesidades humanas.

Otro valioso beneficio proveniente de la biodiversidad son los productos son los productos químicos, con una amplia aplicación, fundamentalmente medicinal. Cerca de la mitad de las medicinas que se fabrican hoy día contienen ingredientes activos extraídos de organismos, lo que representa millones de dólares en el mercado farmacéutico. Así, tenemos que la aspirina se desarrolló a partir de una sustancia química de la corteza de los sauces y la píldora anticonceptiva procede de la sustancia diosgenina, aislada del ñame.

Otro producto que se obtiene de la biodiversidad son los biocidas naturales. En la batalla que se libra contra los insectos que destruyen las cosechas, los investigadores están concentrando su atención en letal arsenal de venenos desarrollados naturalmente por las plantas, bacterias, hongos e insectos.

Muchas especies animales son fuente inapreciable para la investigación científica. Son utilizadas para probar fármacos, vacunas, procedimientos quirúrgicos, lo que nos ha permitido incrementar nuestro conocimiento sobre las enfermedades humanas. Así tenemos que el cachicamo se está empleando para estudiar la lepra y se extrae de esta especie una droga que ayuda a combatir esta enfermedad. Los ratones, chimpancés y monos se utilizan para examinar posibles agentes cancerígenos y sustancias toxicas.

Valor estético

La naturaleza es una fuente de belleza, gozo, admiración y recreación para gran  número de personas. En este sentido, es importante aprovechar el atractivo de la gran variedad de paisajes que se encuentran en Venezuela, tales como cataratas, ríos, tepuyes, arrecifes, entre otros, en beneficio del desarrollo del turismo. Además, estos son lugares de paz espiritual, sobretodo para el habitante de las grandes ciudades.

Por tal razón, debemos incentivar actividades tales como la observación de aves, fotografía y otras formas de actividades recreativas, no destructivas, que nos permitan disfrutar de las bellezas naturales.

Valor ético.

Fundamentalmente, las razones que se esgrimen para preservar la vida silvestre se basan en la utilidad real o potencial que estas especies representan como recursos para los humanos. Sin embargo, debemos pensar que cada especie cumple una función en la naturaleza y tiene además el derecho a existir, tenga o no algún valor para el hombre. Por esta razón, en términos éticos, es incorrecto acelerar o promover la extinción de cualquier especie.

La humanidad tiene el derecho de hacer uso de los recursos naturales, pero siempre asegurando su existencia de manera sostenida. De allí la responsabilidad que tenemos de asumir con visión de futuro el uso racional de los recursos de la biodiversidad.

Mapa conceptual. Valor de la Biodiversidad

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Fermín, A.; Hernández, D.; Müller, G.; Alfonzo, A. y Toledo, V (2003). Ciencias Naturales I. Serie Azul. Caracas: Universidad Pedagógica Experimental Libertador.

Solomon,E.; Berg, L. y Martin, D. (2001). Biología (5 ed). México: McGraw-Hill Interamericana

EQUILIBRIO INTERNO DE LOS SERES VIVOS: LA HOMEOSTASIS

Mantenimiento del equilibrio interno: La Homeostasis.

En un ser vivo complejo, miles de millones de células están organizadas en tejidos, órganos, aparatos y sistemas. El organismo funciona de manera eficaz debido en parte a que mecanismos de control muy precisos conservan la homeostasis. Para que el organismo sobreviva y funcione, la composición de los líquidos que bañan las células debe ser regulada de manera cuidadosa. Todo el tiempo debe estar disponible una concentración adecuada de nutrientes, oxígeno y otros gases, iones y compuestos necesarios para el metabolismo. Además, temperatura interna y presión deben mantenerse dentro de límites relativamente estrechos.

Figura 1. Homeostasis

La homeostasis es un concepto básico de fisiología. Acuñado por primera vez en los 1860s, cuando el fisiólogo Claude Bernard (1813-1878) describió la capacidad que tiene el cuerpo para mantener y regular sus condiciones internas. El termino homeostasis proviene del griego homoios “lo mismo” y stasis “permanencia”. Esta homeostasis es crítica para asegurar el funcionamiento adecuado del cuerpo, ya que si las condiciones internas están reguladas pobremente, el individuo puede sufrir grandes daños o incluso   la muerte (Fig. 1)

Posteriormente, en 1933, Walter B. Cannon (1871-1945) acuñó la palabra homeostasis para describir los mecanismos que mantienen constantes las condiciones del medio interno de un organismo, a pesar de grandes oscilaciones en el medio externo. Esto es, funciones como la presión sanguínea, temperatura corporal, frecuencia respiratoria y niveles de glucosa sanguínea, entre otras, son mantenidas en un intervalo restringido alrededor de un punto de referencia, a pesar de que las condiciones externas pueden estar cambiando.

En realidad el ambiente interno nunca permanece sin cambio. La homeostasis es amenazada de manera continua por los factores estresantes, cambios en el ambiente interno o el externo que afectan las condiciones normales del cuerpo. Los mecanismos homeostáticos interactúan de manera continua para controlar el estrés, y mantienen el ambiente interno dentro de los límites fisiológicos que permiten la vida. Todos los aparatos y sistemas participan en estos mecanismos regulatorios, pero la mayor parte de ellos son controlados por los sistemas nervioso y endocrino, en el caso de los animales.

La homeostasis es un estado dinámico, un interjuego entre las fuerzas externas que tienen a cambiar el medio interno y los mecanismos de control interno que se oponen a dichos cambios. Los sistemas de control homeostáticos de un animal mantienen las condiciones internas dentro de un rango donde los procesos metabólicos de la vida pueden presentarse.

¿Cómo funcionan los mecanismos homeostáticos?

Muchos son sistemas de realimentación, a veces llamados sistemas de biorrealimentación. Un sistema de este tipo consiste en un ciclo de acontecimientos en el cual se envía a una parte anterior del sistema información acerca de un cambio (por ejemplo en temperatura) de modo que el regulador (en este caso el centro regulador de la temperatura en el cerebro) puede controlar el proceso (regulación de la temperatura). La condición deseada (temperatura corporal normal) se denomina valor predeterminado. Cuando la temperatura corporal aumenta o disminuye mucho, el cambio es señal que hace que el regulador contrarreste el cambio. El regulador activa mecanismos que devuelven la normalidad. El regreso a la temperatura normal es la señal que hace que el centro de regulador de la temperatura “apague” los mecanismos homeostáticos (Fig. 2)

Figura 2. Sistema de biorrealimentación

En este tipo de sistema de realimentación la respuesta contrarresta el cambio inapropiado, de modo que reestablece el estado estable. Este es un sistema de realimentación negativa, porque la respuesta del regulador es opuesta (negativa) a la salida o el resultado final. La mayor parte de los mecanismos conocidos de control de la homeostasis se basan en una realimentación negativa. Cuando un factor se desvía mucho del estado estable (se hace demasiado alto o demasiado bajo), un sistema de control con realimentación negativa devuelve la condición estable.

Hay pocos sistemas de regulación positiva en el organismo; en ellos, la variación respecto al estado estable activa una serie de cambios que intensifican (en lugar de revertir) tal variación. Así, aunque muchos sistemas de realimentación positiva son benéficos, no mantienen la homeostasis. Un ejemplo es el ciclo de realimentación positiva que se observa durante el nacimiento de un bebé (Figura 3). Cuando la cabeza de éste empuja contra la abertura (cuello) del útero, una acción refleja hace que este se contraiga. La contracción fuerza la cabeza contra el cuello uterino, lo que da por resultado otra contracción, y el ciclo de realimentación positiva se repite una y otra vez hasta que se da a luz al neonato. Algunas consecuencias de realimentación positiva (como la que agrava el choque circulatorio en caso de hemorragia intensa) desembocan en la interrupción de estados estables e incluso en la muerte.

Figura 3. Homeostasis del parto. 

El termómetro corporal: Regulación de la temperatura o termorregulación

La mayor parte de los animales no pueden regular su temperatura corporal, y se avienen de manera pasiva a los cambios térmicos en su ambiente. Otros en cambio se termorregulan. La termorregulación es la capacidad de mantener la temperatura corporal dentro de determinados límites, aunque la temperatura ambiental sea muy distinta.

La temperatura corporal de los animales acuáticos, anfibios y reptiles es parecida a la de su ambiente (ectodermos), mientras que la temperatura de aves y mamíferos es muy constante (ectodermos). Los primeros no poseen mecanismos de regulación y realizan actividades para captar y aprovechar la cantidad de luz solar necesaria para calentar sus cuerpos; cuando alcanzan una temperatura máxima buscan la sombra y se refugian en cuevas construidas especialmente para ello sencillamente buscan protección en lugares alejados de la luz solar hasta que baje la temperatura corporal.

Las mariposas en las mañanas baten sus alas para calentarse y prepararse para el vuelo. Los nidos de las aves y de los ratones producen calor aprovechando la cercanía entre sus individuos; muchos animales como los osos o los hámsters hibernan durante este lapso y sus temperaturas y procesos metabólicos disminuyen;  cuando baja la temperatura ambiental; las aves y los mamíferos evitan la perdida de calor gracias a la presencia de estructura como plumas y pelos.

Figura 4. Termorregulación

Tal como se muestra en la figura 4 en el ser humano, receptores presentes en la piel, el hipotálamo y otras regiones específicas son sensibles a los cambios en la temperatura corporal. La información sobre esta última es enviada al centro regulador de la temperatura situado en el hipotálamo. Determinados nervios envían a los músculos la señal para que se estremezcan (tiriten) o permiten al individuo mover los músculos de manera voluntaria para incrementar la temperatura corporal. Cuando esta aumenta, los nervios incrementan la actividad de las glándulas sudoríparas (figura 5) 

El sistema nervioso también ayuda a regular la temperatura corporal dilatando los vasos sanguíneos de la piel cuando el individuo tiene calor. El aumento del flujo sanguíneo hacia la piel lleva calor corporal a la superficie. La piel actúa como radiador y permite que el cuerpo pierda calor. Cuando el sujeto tiene frío, los vasos sanguíneos de la piel se constriñen, con lo que reducen la perdida de calor.

Figura 5. Regulación de temperatura
frente al descenso del calor

Figura 6. Regulación de temperatura
corporal frente aumento del calor 

El control  de la concentración de azúcar en sangre  

La fuente principal de energía para los vegetales es la luz solar y para los animales son los alimentos, tanto de origen vegetal, como animal o mineral. Los carbohidratos y las proteínas mediante el proceso de la digestión son transformados en glucosa. Esta es aprovechada por el organismo para realizar actividades que requieren energía. Un excedente de glucosa es almacenada en el hígado en forma de glucógeno.

El páncreas produce dos hormonas que desempeñan un gran papel en la administración de las reservas de energía corporales. Una de las hormonas es la insulina la cual es producida por racimos de células pancreáticas especializadas denominadas islotes. Los islotes que se conocen como células beta sintetizan y segregan la insulina. Los islotes de otro tipo llamados células alfa, secretan una hormona glucagón. La insulina y el glucagón controlan el mantenimiento de un equilibro homeostático preciso entre la cantidad de combustible celular disponible, la glucosa, en la sangre, y la cantidad de glucosa almacenada en el polímero glucógeno en las células corporales.

Como se muestra en la figura 7, la insulina y el glucagón son antagónicos, encontrándose en un circuito de retroalimentación que administra de manera precisa el almacenamiento de combustible y su uso mediante las células corporales. Por retroalimentación negativa, la concentración de glucosa en la sangre determina las cantidades relativas de insulina y glucagón que secretan los islotes.

Figura 7. Mecanismo de regulación de glucosa en sangre

Cuando usted se despierta en la mañana, su concentración de glucosa en la sangre (o glucemia) es  de unos 90 mg de azúcar/100 mL de sangre. Quizá usted disfrute de un buen desayuno con arepa rellena de queso y café. Muchos de los almidones  y azucares contenidos en su desayuno son digeridos y convertidos en glucosa. Esta es absorbida después por el aparato circulatorio, lo que hace que la concentración de glucosa en la sangre aumente.

Tal aumento de glucosa en sangre estimula a las células beta del páncreas para que secreten más insulina, que hace que las células corporales extraigan glucosa de la sangre. Las células hepáticas (células del hígado) y las células musculares esqueléticas toman gran cantidad de glucosa y la utilizan para formar glucógeno, el cual almacenan. La insulina también estimula a las células para que metabolicen la glucosa para un uso energético inmediato, para almacenar la energía en las grasas o para sintetizar las proteínas. Cuando el nivel de glucosa en la sangre disminuye por debajo del punto establecido, las células beta pierden los estímulos para secretar insulina.

Figura 8. Mecanismo de regulación de la glucosa

Después de algunas horas, cuando la concentración sanguínea de glucosa comienza a descender por debajo del valor normal, como puede suceder entre comidas o durante un ejercicio extenuante, el páncreas (específicamente en las células alfa) responde secretando la hormona glucagón. Este es un movilizador de combustible que hace que las células hepáticas desdoblen el glucógeno en glucosa y la libera en la sangre. También hace que las células hepáticas conviertan los ácidos grasos y los aminoácidos en glucosa. Más tarde, cuando el nivel de glucosa en la sangre regresa al punto establecido, las células alfa disminuyen la secreción del glucagón (figura 8). 

hormonas de las tiroides y paratiroides mantienen la homeostasis de calcio

  Un nivel adecuado de calcio en la sangre y el líquido intersticial es esencial para muchas funciones del organismo. Sin el calcio, las señales nerviosas no se transmiten de una célula a otra, los músculos no pueden funcionar de manera adecuada, la sangre no se coagula y las células no pueden transportar moléculas a través de sus membranas. Las glándulas tiroides y paratiroides funcionan en la homeostasis de los iones de calcio (Ca²⁺), manteniendo la concentración de los iones dentro de un estrecho margen (cerca de 9-11mg/100mL de sangre).

Existen cuatro glándulas paratiroides, todas embebidas en la superficie de la tiroides. Dos hormonas peptídicas, la calcitocina de la glándula tiroides y la hormona paratiroidea (PTH), secretada por la paratiroides y que regula el nivel de calcio. Se dice que la calcitocina y la PTH son hormonas antagónicas debido a que tienen efectos opuestos. La calcitocina disminuye el nivel de calcio en la sangre, mientras que la PTH lo eleva.

Según la figura 9, estas dos hormonas antagónicas, operan mediante sistemas de retroalimentación que mantienen el nivel de calcio cerca del punto fijo homeostático aproximadamente de 10mg de Ca²⁺/100 mL de sangre. Podrá observar que un aumento en el nivel de  Ca²⁺ en la sangre por encima del valor normal induce a que la glándula tiroides secrete calcitocina, la cual tiene a su vez tres efectos: (1) Provoca que se deposite más Ca²⁺ en los huesos, (2) Hace que los intestinos absorban menos Ca²⁺ de la dieta y (3) promueve que los riñones reabsorban menos Ca²⁺ mientras forman la orina. El resultado es un nivel menor de Ca²⁺ en la sangre.

Figura 9. Mecanismos de regulación del Calcio

Iniciando desde el recuadro amarillo en la parte derecha, ahora continuamos por la parte inferior del diagrama para ver como la PTH de las glándulas oparatiriodes revierten los tres efectos de la calcitocina. Cuando el nivel de Ca²⁺ cae por debajo de los 10 mg/100 mL de sangre, la paratiroides libera PTHen la sangre. Ella estimula la liberación de iones de calcio desde los huesos y aumenta la toma de Ca²⁺ por los riñones y los intestinos. El diagrama también indica el papel  importante que desempeña la vitamina D en la homeostasis de calcio. Sintetizada en una forma inactiva por la piel expuesta al sol, la vitamina D es transportada en la sangre hacia el hígado y riñones, en donde se convierte en la forma activa. La forma activa  permite a la PTH incrementar la toma de calcio en los intestinos.

Resumiendo, un sistema de equilibrio sensible mantiene la homeostasis del calcio. El sistema de control de la retroalimentación en lo que participan dos hormonas antagónicas. La falla del sistema puede tener efectos de largo alcance en el organismo. Por ejemplo, una disminución de PTH provoca que el nivel de calcio en la sangre caiga de forma dramática, provocando contracciones convulsivas de los músculos esqueléticos.  Si no se revisa, esta condición conocida como tétanos, resulta fatal.