1.3: Homeostasis

Objetivos de aprendizaje

• Proporcionar una descripción general y algunos ejemplos de la homeostasis

Para funcionar correctamente, las células requieren condiciones apropiadas como temperatura, pH y concentración apropiada de diversos químicos. Estas condiciones pueden, sin embargo, cambiar de un momento a otro. Los organismos son capaces de mantener las condiciones internas dentro de un rango estrecho casi constantemente, a pesar de los cambios ambientales, a través de la homeostasis (literalmente, “estado estacionario”). Por ejemplo, un organismo necesita regular la temperatura corporal a través del proceso de termorregulación. Los organismos que viven en climas fríos, como el oso polar, tienen estructuras corporales que les ayudan a soportar bajas temperaturas y conservar el calor corporal. Las estructuras que ayudan en este tipo de aislamiento incluyen pelaje, plumas, grasa y grasa. En climas cálidos, los organismos tienen métodos (como la transpiración en humanos o el jadeo en los perros) que les ayudan a arrojar el exceso de calor corporal.

La homeostasis se refiere al estado relativamente estable dentro del cuerpo de un animal. Los órganos y sistemas de órganos de los animales se ajustan constantemente a los cambios internos y externos para mantener este estado estacionario. Ejemplos de afecciones internas mantenidas homeostáticamente son el nivel de glucosa en sangre, temperatura corporal, nivel de calcio en sangre. Estas condiciones se mantienen estables debido a procesos fisiológicos que dan como resultado relaciones de retroalimentación negativa. Si la glucosa en sangre o el calcio aumentan, esto envía una señal a los órganos encargados de bajar la glucosa en sangre o el calcio. Las señales que restablecen los niveles normales son ejemplos de retroalimentación negativa. Cuando los mecanismos homeostáticos fallan, los resultados pueden ser desfavorables para el animal. Los mecanismos homeostáticos mantienen al cuerpo en equilibrio dinámico ajustándose constantemente a los cambios que encuentran los sistemas del cuerpo. Incluso un animal aparentemente inactivo está manteniendo este equilibrio homeostático. Dos ejemplos de factores que se regulan homeostáticamente son la temperatura y el contenido de agua. Los procesos que mantienen la homeostasis de estos dos factores se denominan termorregulación y osmorregulación.

Homeostasis

El objetivo de la homeostasis es el mantenimiento del equilibrio alrededor de un valor específico de algún aspecto del cuerpo o de sus células llamado punto de ajuste. Si bien hay fluctuaciones normales desde el punto de ajuste, los sistemas del cuerpo generalmente intentarán remontarse a este punto. Un cambio en el entorno interno o externo se llama estímulo y es detectado por un receptor; la respuesta del sistema es ajustar las actividades del sistema para que el valor retroceda hacia el punto de ajuste. Por ejemplo, si el cuerpo se vuelve demasiado cálido, se hacen ajustes para enfriar al animal. Si los niveles de glucosa en la sangre suben después de una comida, se hacen ajustes para bajarlos y para llevar el nutriente a los tejidos que lo necesitan o para almacenarlo para su uso posterior.

Cuando ocurre un cambio en el ambiente de un animal, se debe hacer un ajuste para que el ambiente interno del cuerpo y las células se mantenga estable. El receptor que detecta el cambio en el ambiente es parte de un mecanismo de retroalimentación. El estímulo —temperatura, glucosa o niveles de calcio— es detectado por el receptor. El receptor envía información a un centro de control, a menudo el cerebro, que transmite señales apropiadas a un órgano efector que es capaz de provocar un cambio apropiado, ya sea hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la información que el sensor estaba enviando.

Termorregulación

Los animales se pueden dividir en dos grupos: los que mantienen una temperatura corporal constante ante diferentes temperaturas ambientales, y los que tienen una temperatura corporal que es la misma que su ambiente y por lo tanto varía con la temperatura ambiental. Los animales que no tienen control interno de su temperatura corporal se denominan ectotermos. La temperatura corporal de estos organismos es generalmente similar a la temperatura del ambiente, aunque los organismos individuales pueden hacer cosas que mantienen sus cuerpos ligeramente por debajo o por encima de la temperatura ambiental. Esto puede incluir enterrar bajo tierra en un día caluroso o descansar a la luz del sol en un día frío. Los ectotermos han sido llamados de sangre fría, término que puede no aplicarse a un animal en el desierto con una temperatura corporal muy cálida.

Un animal que mantiene una temperatura corporal constante ante los cambios ambientales se llama endoterma. Estos animales son capaces de mantener un nivel de actividad que un animal ectotérmico no puede porque generan calor interno que mantiene sus procesos celulares operando de manera óptima incluso cuando el ambiente es frío.

Vea este video de Discovery Channel sobre termorregulación para ver ilustraciones del proceso en una variedad de animales

Los animales conservan o disipan el calor de diversas maneras. Los animales endotérmicos tienen algún tipo de aislamiento. Tienen pelaje, grasa o plumas. Los animales con pelaje grueso o plumas crean una capa aislante de aire entre su piel y sus órganos internos. Los osos polares y las focas viven y nadan en un ambiente bajo cero y, sin embargo, mantienen una temperatura corporal constante y cálida. El zorro ártico, por ejemplo, utiliza su cola esponjosa como aislamiento adicional cuando se acurruca para dormir en clima frío. Los mamíferos pueden aumentar la producción de calor corporal al temblar, lo que es un aumento involuntario de la actividad muscular. Además, los músculos arrectores pili pueden contraerse haciendo que los pelos individuales se levanten cuando el individuo está frío. Esto aumenta el efecto aislante del cabello. Los humanos retienen esta reacción, que no tiene el efecto pretendido en nuestros cuerpos relativamente sin pelo; en su lugar causa “piel de gallina”. Los mamíferos también utilizan capas de grasa como aislamiento. La pérdida de cantidades significativas de grasa corporal comprometerá la capacidad de un individuo para conservar el calor.

Los ectotermos y endotermas utilizan sus sistemas circulatorios para ayudar a mantener la temperatura corporal. La vasodilatación, la apertura de las arterias a la piel por la relajación de sus músculos lisos, aporta más sangre y calor a la superficie corporal, facilitando la radiación y la pérdida de calor evaporativo, enfriando el cuerpo. La vasoconstricción, el estrechamiento de los vasos sanguíneos a la piel por contracción de sus músculos lisos, reduce el flujo sanguíneo en los vasos sanguíneos periféricos, forzando la sangre hacia el núcleo y los órganos vitales, conservando el calor. Algunos animales tienen adaptaciones a su sistema circulatorio que les permiten transferir calor de las arterias a las venas que fluyen una al lado de la otra, calentando la sangre que regresa al corazón. Esto se llama intercambio de calor a contracorriente; evita que la sangre venosa fría enfríe el corazón y otros órganos internos. La adaptación a contracorriente se encuentra en delfines, tiburones, peces óseos, abejas y colibríes.

Algunos animales ectotérmicos utilizan cambios en su comportamiento para ayudar a regular la temperatura corporal. Simplemente buscan áreas más frescas durante la parte más calurosa del día en el desierto para evitar que se calienten demasiado. Los mismos animales pueden trepar a las rocas por la noche para capturar el calor en una noche fría del desierto antes de entrar en sus madrigueras.

La termorregulación es coordinada por el sistema nervioso (Figura 1.2). Los procesos de control de temperatura se centran en el hipotálamo del cerebro animal avanzado. El hipotálamo mantiene el punto de consigna para la temperatura corporal a través de reflejos que provocan vasodilatación o vasoconstricción y escalofríos o sudoración. El sistema nervioso simpático bajo control del hipotálamo dirige las respuestas que efectúan los cambios en la pérdida o ganancia de temperatura que devuelven al cuerpo al punto de ajuste. El punto de ajuste se puede ajustar en algunos casos. Durante una infección, se producen compuestos llamados pirógenos y circulan hacia el hipotálamo restableciendo el termostato a un valor mayor. Esto permite que la temperatura del cuerpo aumente a un nuevo punto de equilibrio homeostático en lo que comúnmente se llama fiebre. El aumento del calor corporal hace que el cuerpo sea menos óptimo para el crecimiento bacteriano y aumenta las actividades de las células para que sean más capaces de combatir la infección.

Figura 1.2 El cuerpo es capaz de regular la temperatura en respuesta a las señales del sistema nervioso.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Cuando las bacterias son destruidas por los leucocitos, los pirógenos se liberan en la sangre. Los pirógenos restablecen el termostato del cuerpo a una temperatura más alta, lo que resulta en fiebre. ¿Cómo podrían los pirógenos hacer que la temperatura corporal suba? Nota: Los pirógenos aumentan la temperatura corporal al hacer que los vasos sanguíneos se contraigan, inducen escalofríos y evitan que las glándulas sudoríparas secreten líquido

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Qué es la homeostasis?

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

Describir un bucle homeostático termorregulador.

Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

Describir un bucle homeostático osmorregulador.

Ejemplos de mantenimiento de la homeostasis a través de retroalimentación negativa

La retroalimentación negativa es un mecanismo que invierte una desviación del punto de ajuste. Por lo tanto, la retroalimentación negativa mantiene los parámetros corporales dentro de su rango normal. El mantenimiento de la homeostasis por retroalimentación negativa continúa en todo el cuerpo en todo momento, y una comprensión de la retroalimentación negativa es, por lo tanto, fundamental para una comprensión de la fisiología humana. Un sistema de retroalimentación negativa tiene tres componentes básicos (Figura 1.3a). Un sensor, también denominado receptor, es un componente de un sistema de retroalimentación que monitorea un valor fisiológico. Este valor se reporta al centro de control. El centro de control es el componente en un sistema de retroalimentación que compara el valor con el rango normal. Si el valor se desvía demasiado del punto de ajuste, entonces el centro de control activa un efector. Un efector es el componente en un sistema de retroalimentación que provoca un cambio para revertir la situación y devolver el valor al rango normal.

Figura 1.3. Bucle de retroalimentación negativa. En un ciclo de retroalimentación negativa, un estímulo, una desviación de un punto de ajuste, se resiste a través de un proceso fisiológico que devuelve al cuerpo a la homeostasis. (a) Un bucle de retroalimentación negativa tiene cuatro partes básicas. b) La temperatura corporal está regulada por retroalimentación negativa.

Para poner el sistema en movimiento, un estímulo debe impulsar un parámetro fisiológico más allá de su rango normal (es decir, más allá de la homeostasis). Este estímulo es “escuchado” por un sensor específico. Por ejemplo, en el control de la glucosa en sangre, las células endocrinas específicas del páncreas detectan el exceso de glucosa (el estímulo) en el torrente sanguíneo. Estas células beta pancreáticas responden al aumento del nivel de glucosa en sangre liberando la hormona insulina en el torrente sanguíneo. La insulina señala a las fibras del músculo esquelético, las células grasas (adipocitos) y las células hepáticas para que absorban el exceso de glucosa, eliminándolo del torrente sanguíneo. A medida que disminuye la concentración de glucosa en el torrente sanguíneo, la disminución de la concentración, la retroalimentación negativa real, es detectada por las células alfa pancreáticas y la liberación de insulina se detiene. Esto evita que los niveles de azúcar en la sangre sigan bajando por debajo del rango normal.

Los humanos tienen un sistema de retroalimentación de regulación de temperatura similar que funciona promoviendo la pérdida de calor o la ganancia de calor (Figura 1.3b). Cuando el centro de regulación de temperatura del cerebro recibe datos de los sensores que indican que la temperatura del cuerpo excede su rango normal, estimula un grupo de células cerebrales conocido como el “centro de pérdida de calor”. Esta estimulación tiene tres efectos principales:

• Los vasos sanguíneos en la piel comienzan a dilatarse permitiendo que más sangre del núcleo corporal fluya a la superficie de la piel permitiendo que el calor irradie al ambiente.
• A medida que aumenta el flujo sanguíneo a la piel, las glándulas sudoríparas se activan para aumentar su producción. A medida que el sudor se evapora de la superficie de la piel hacia el aire circundante, lleva calor con él.
• La profundidad de la respiración aumenta, y una persona puede respirar a través de la boca abierta en lugar de a través de los conductos nasales. Esto aumenta aún más la pérdida de calor de los pulmones.

Por el contrario, la activación del centro de ganancia de calor del cerebro por la exposición al frío reduce el flujo sanguíneo a la piel, y la sangre que regresa de las extremidades se desvía hacia una red de venas profundas. Esta disposición atrapa el calor más cerca del núcleo del cuerpo y restringe la pérdida de calor. Si la pérdida de calor es grave, el cerebro desencadena un aumento en las señales aleatorias a los músculos esqueléticos, haciendo que se contraigan y produciendo escalofríos. Las contracciones musculares del escalofrío liberan calor mientras consumen ATP. El cerebro activa la glándula tiroides en el sistema endocrino para liberar la hormona tiroidea, lo que aumenta la actividad metabólica y la producción de calor en las células de todo el cuerpo. El cerebro también señala a las glándulas suprarrenales que liberen epinefrina (adrenalina), una hormona que provoca la descomposición del glucógeno en glucosa, la cual puede ser utilizada como fuente de energía. La descomposición del glucógeno en glucosa también da como resultado un aumento del metabolismo y la producción de calor.

Mira este video para conocer más sobre la concentración de agua en el cuerpo.

La concentración de agua en el cuerpo es crítica para el correcto funcionamiento. El cuerpo de una persona conserva un control muy estricto sobre los niveles del agua sin un control consciente por parte de la persona. ¿Qué órgano tiene control primario sobre la cantidad de agua en el cuerpo?

Ejemplos de mantenimiento de la homeostasis a través de retroalimentación negativa

La retroalimentación positiva intensifica un cambio en la condición fisiológica del cuerpo en lugar de revertirla. Una desviación del rango normal da como resultado más cambios, y el sistema se aleja más del rango normal. La retroalimentación positiva en el cuerpo es normal solo cuando hay un punto final definido. El parto y la respuesta del cuerpo a la pérdida de sangre son dos ejemplos de bucles de retroalimentación positiva que son normales pero que se activan solo cuando es necesario.

El parto a término completo es un ejemplo de una situación en la que no se desea el mantenimiento del estado corporal existente. Se requieren enormes cambios en el cuerpo de la madre para expulsar al bebé al final del embarazo. Y los eventos del parto, una vez iniciados, deben progresar rápidamente hasta una conclusión o la vida de la madre y el bebé están en riesgo. El trabajo muscular extremo del trabajo de parto y el parto son el resultado de un sistema de retroalimentación positiva (Figura 1.4).

Figura 1.4. Bucle de retroalimentación positiva. El parto normal es impulsado por un ciclo de retroalimentación positiva. Un ciclo de retroalimentación positiva da como resultado un cambio en el estado del cuerpo, en lugar de un retorno a la homeostasis.

Las primeras contracciones del parto (el estímulo) empujan al bebé hacia el cuello uterino (la parte más baja del útero). El cuello uterino contiene células nerviosas sensibles al estiramiento que monitorean el grado de estiramiento (los sensores). Estas células nerviosas envían mensajes al cerebro, lo que a su vez hace que la glándula pituitaria en la base del cerebro libere la hormona oxitocina al torrente sanguíneo. La oxitocina causa contracciones más fuertes de los músculos lisos en el útero (los efectores), empujando al bebé más abajo por el canal del parto. Esto provoca un estiramiento aún mayor del cuello uterino. El ciclo de estiramiento, liberación de oxitocina y contracciones cada vez más contundentes se detiene solo cuando nace el bebé. En este punto, el estiramiento del cuello uterino se detiene, deteniendo la liberación de oxitocina.

Un segundo ejemplo de retroalimentación positiva se centra en revertir el daño extremo al cuerpo. Después de una herida penetrante, la amenaza más inmediata es la pérdida excesiva de sangre. Menos circulación sanguínea significa disminución de la presión arterial y reducción de la perfusión (penetración de la sangre) al cerebro y otros órganos vitales. Si la perfusión se reduce severamente, los órganos vitales se apagarán y la persona morirá. El cuerpo responde a esta catástrofe potencial liberando sustancias en la pared del vaso sanguíneo lesionado que inician el proceso de coagulación de la sangre. A medida que se produce cada paso de coagulación, estimula la liberación de más sustancias coagulantes. Esto acelera los procesos de coagulación y sellado de la zona dañada. La coagulación está contenida en un área local basada en la disponibilidad estrechamente controlada de proteínas coagulantes. Esta es una cascada de eventos adaptativa que salva vidas.

Ejercicio\(\PageIndex{5}\)

Después de comer, las células nerviosas del estómago responden a la distensión (el estímulo) resultante de la comida. Transmiten esta información a ________.
a. un centro de control
b. un punto de ajuste
c. efectores
d. sensoriales

Ejercicio\(\PageIndex{6}\)

La estimulación del centro de pérdida de calor causa ________.
a. vasos sanguíneos en la piel para estrechar
b. respiración para volverse lento y superficial
c. glándulas sudoríparas para aumentar su producción
d. Todo lo anterior

Ejercicio\(\PageIndex{7}\)

¿Cuál de los siguientes es un ejemplo de un proceso fisiológico normal que utiliza un bucle de retroalimentación positiva?
a. regulación de la presión arterial
b. parto
c. regulación del equilibrio de líquidos
d. regulación de la temperatura

Ejercicio\(\PageIndex{8}\)

Identificar los cuatro componentes de un ciclo de retroalimentación negativa y explicar qué pasaría si la secreción de una sustancia química corporal controlada por un sistema de retroalimentación negativa se volviera demasiado grande.

Ejercicio\(\PageIndex{9}\)

¿Qué procesos regulatorios utilizaría tu cuerpo si estuvieras atrapado por una ventisca en una cabina sin calefacción y sin aislamiento en el bosque?