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.