Homeostasis: Mantenimiento del Equilibrio Interno

La homeostasis es la capacidad de los organismos para mantener un ambiente interno estable y constante, a pesar de las fluctuaciones externas. Algunos parámetros clave mantenidos en el cuerpo humano son:

• Glucosa: 70 – 100 mg/dl
• pH sanguíneo: Aproximadamente 7.4 (ligeramente alcalino)
• Temperatura corporal: 36 – 37°C (constante)
• Concentración iónica: Constante
• Oxígeno: Niveles constantes

Mecanismos de Retroalimentación

Retroalimentación Negativa (Feedback Negativo)

Es el mecanismo más frecuente para mantener la homeostasis. Si una variable se desvía de su punto de ajuste (sube o baja), el sistema desencadena una respuesta que contrarresta la desviación, devolviendo la variable a la normalidad.

Ejemplos:

• Aumento de Temperatura Corporal: Se activa la sudoración, lo que ayuda a enfriar el cuerpo y disminuir la temperatura.
• Aumento de Glucosa Sanguínea: Se libera insulina, que facilita la captación de glucosa por las células, disminuyendo así los niveles en sangre.
• Disminución de Glucosa Sanguínea: Se libera glucagón (no insulina hepática), que estimula al hígado a liberar glucosa almacenada, aumentando los niveles en sangre.

Retroalimentación Positiva (Feedback Positivo)

Es un mecanismo más específico y menos común que la retroalimentación negativa. En este caso, si una variable cambia, la respuesta del sistema amplifica ese cambio inicial, potenciándolo.

Importante: Generalmente, NO es un mecanismo homeostático, ya que aleja al sistema de su estado de equilibrio inicial. Suele estar involucrado en procesos que deben completarse rápidamente.

Ejemplos:

• Parto: La presión del bebé sobre el cuello uterino desencadena la liberación de oxitocina. La oxitocina provoca contracciones uterinas más fuertes, lo que aumenta la presión sobre el cuello uterino, liberando aún más oxitocina. Este ciclo continúa hasta que el bebé nace. (La oxitocina, en este contexto, no actúa como hormona homeostática).
• Coagulación Sanguínea: La activación inicial de plaquetas desencadena una cascada de reacciones que activan más plaquetas y factores de coagulación, formando rápidamente un coágulo para detener la hemorragia.

Tipos de Comunicación Celular

Comunicación Directa por Uniones GAP

Comunicación mediada por canales (conexones) que conectan directamente el citoplasma de células adyacentes. Permite el paso rápido de iones y moléculas pequeñas.

• Características: Es la más rápida y sencilla, pero no es tan frecuente como otros tipos.

Señalización por Contacto Directo

Requiere que las células estén físicamente juntas. Una molécula de señalización en la membrana de una célula se une a un receptor en la membrana de la célula adyacente.

• Mecanismo: Similar a una «llave» (molécula señal) en una célula y una «cerradura» (receptor) en la otra; deben «engancharse».
• Características: No tan rápida como la comunicación por uniones GAP, ya que puede requerir movimiento celular para establecer contacto.
• Ejemplo: Interacciones entre células del sistema inmune.

Comunicación a Distancia

Una célula (emisora) libera una molécula señal (ligando) que viaja una cierta distancia para unirse a un receptor en otra célula (diana), desencadenando una respuesta.

• Flexibilidad: La célula diana puede ser la misma célula emisora, una célula vecina o una célula lejana.
• Concepto Clave: Implica la liberación de una señal y la presencia de un receptor específico para esa señal.

Subtipos de Comunicación a Distancia:

• Intracrina: La señal actúa sobre receptores dentro de la misma célula que la produjo, sin ser liberada al exterior.
• Autocrina: La célula libera una señal que actúa sobre receptores en su propia membrana plasmática (la señal sale al espacio extracelular y luego se une a la misma célula).
• Paracrina: La célula libera una señal que actúa sobre células vecinas. La señal viaja a través del fluido intersticial. Es medianamente frecuente. La sinapsis química es un ejemplo especializado de señalización paracrina.
• Endocrina: La célula libera una señal (hormona) que viaja a través del torrente sanguíneo para alcanzar células diana lejanas en otras partes del cuerpo. Es la forma de comunicación a distancia más lenta pero de mayor alcance. Es muy frecuente en la regulación fisiológica.

Tipos de Receptores de Membrana

Receptores Ionotrópicos (Canales Iónicos Activados por Ligando)

Son canales iónicos que se abren o cierran en respuesta a la unión de un ligando específico (como un neurotransmisor).

• Funcionamiento: Si el ligando no está unido, el canal está cerrado. Cuando el ligando se une al receptor, el canal se abre, permitiendo el paso de iones específicos a través de la membrana.
• Características: Generan respuestas rápidas y directas. Son un ejemplo de comunicación a distancia (paracrina/sináptica) que resulta en un flujo iónico directo.

Receptores con Actividad Enzimática

Estos receptores tienen un dominio intracelular que funciona como una enzima o está directamente asociado a una enzima. La unión del ligando activa esta actividad enzimática.

• Función: Catalizan reacciones químicas intracelulares (a menudo fosforilaciones) al ser activados.
• Definición de Enzima: Una proteína que actúa como catalizador biológico, acelerando (potenciando) una reacción química específica.
• Características: Son más específicos y sus respuestas suelen ser más lentas y duraderas que las de los receptores ionotrópicos.

Receptores Metabotrópicos (Acoplados a Proteínas G)

Estos receptores no son canales ni enzimas ellos mismos. Al unirse el ligando, activan una proteína intermediaria llamada proteína G, la cual a su vez modula la actividad de otras proteínas (canales iónicos o enzimas), a menudo generando segundos mensajeros.

• Mecanismo: Indirecto, involucra una cascada de señalización intracelular.
• Características: Permiten una gran amplificación de la señal y respuestas celulares diversas y complejas.

Rol del Calcio (Ca²⁺) como Segundo Mensajero

El ion calcio (Ca²⁺) es un potente segundo mensajero intracelular.

• Funciones Clave: Desencadena la contracción muscular y la exocitosis (liberación) de vesículas, como las que contienen neurotransmisores en las sinapsis.
• Mecanismo General: Un aumento en la concentración de Ca²⁺ intracelular facilita la fusión de vesículas con la membrana plasmática para liberar su contenido fuera de la célula.

Transporte a Través de la Membrana Plasmática

Principios de la Difusión Pasiva

La difusión es el movimiento neto de moléculas desde una zona de mayor concentración a una de menor concentración. La velocidad de difusión a través de una membrana depende de:

• Área de la Membrana: A mayor área, mayor difusión.
• Gradiente de Concentración: A mayor diferencia de concentración, mayor difusión.
• Permeabilidad de la Membrana: A mayor permeabilidad (más «facilidad» para cruzar, ej. por canales o liposolubilidad), mayor difusión.
• Grosor de la Membrana: A mayor grosor, menor difusión (y viceversa).

Tipos de Transporte Pasivo

• Difusión Simple: Movimiento directo a través de la bicapa lipídica. Para moléculas pequeñas y liposolubles (O₂, CO₂, lípidos). Su velocidad es linealmente proporcional al gradiente de concentración (representado a menudo en gráficos como una línea AZUL recta).
• Difusión Facilitada: Requiere la ayuda de proteínas de membrana (canales o transportadores) para cruzar. Para moléculas más grandes, polares o con carga (iones, glucosa, aminoácidos).
  • Por Canal: Proteínas que forman poros acuosos. Pueden estar siempre abiertos o ser regulados (abrirse/cerrarse en respuesta a estímulos).
  • Por Transportador (Carrier): Proteínas que cambian su forma (se deforman) para mover la sustancia a través de la membrana.
  Característica Clave: La velocidad de la difusión facilitada depende del número de proteínas transportadoras disponibles. Si la concentración del soluto aumenta mucho, los transportadores se saturan y la velocidad de difusión alcanza un máximo y se estanca (representado a menudo en gráficos como una curva ROJA que se aplana).

Ósmosis: Movimiento del Agua

La ósmosis es el movimiento neto de agua a través de una membrana semipermeable, desde una zona de menor concentración de solutos (mayor concentración de agua) hacia una zona de mayor concentración de solutos (menor concentración de agua). El agua busca «diluir» la solución más concentrada.

• Atracción del Agua: El agua tiende a moverse hacia donde hay mayor concentración total de solutos, especialmente hacia iones como el sodio (Na⁺) y hacia las proteínas.
• Tonicidad (Efecto sobre la Célula):
  • Solución Isotónica: La concentración de solutos fuera de la célula es igual a la de dentro. No hay movimiento neto de agua, la célula mantiene su forma.
  • Solución Hipotónica: La concentración de solutos fuera es menor que dentro. El agua entra en la célula, haciendo que se hinche (y pueda lisarse o romperse).
  • Solución Hipertónica: La concentración de solutos fuera es mayor que dentro. El agua sale de la célula, haciendo que se arrugue o crene.

Potencial de Membrana y Excitabilidad Celular

Distribución Iónica y Potencial de Reposo

• Potasio (K⁺): Mayor concentración dentro de la célula.
• Sodio (Na⁺): Mayor concentración fuera de la célula.
• Cloro (Cl⁻): Mayor concentración fuera de la célula (principal anión extracelular).
• Proteínas Aniónicas (A⁻): Alta concentración dentro de la célula (principales aniones intracelulares, no pueden salir).

La membrana plasmática es semipermeable y posee canales iónicos que permiten el movimiento selectivo de iones, impulsado por gradientes de concentración (químicos) y diferencias de carga eléctrica.

En reposo, la membrana es mucho más permeable al K⁺ que al Na⁺. La salida pasiva de K⁺ (cargas positivas) hacia el exterior deja un ligero exceso de cargas negativas en el interior de la membrana y un ligero exceso de cargas positivas en el exterior. Esta separación de cargas crea una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana, llamado Potencial de Membrana en Reposo (Vm). Típicamente es negativo en el interior (ej., -70 mV en neuronas).

Estructura de la Membrana Plasmática

• Bicapa Lipídica: Formada por fosfolípidos.
  • Cabezas (Fosfato): Hidrofílicas (afinidad por el agua), orientadas hacia el exterior e interior acuosos.
  • Colas (Ácidos Grasos): Hidrofóbicas (repelen el agua), orientadas hacia el centro de la membrana.
• Semipermeabilidad: El centro hidrofóbico restringe el paso de sustancias polares e iónicas.
• Proteínas de Membrana: Incrustadas o asociadas a la bicapa, le confieren funcionalidad específica (canales, transportadores, receptores, enzimas).

Canales Iónicos y Fuerzas Impulsoras

El movimiento de iones a través de los canales depende de dos fuerzas:

• Fuerza Química: El gradiente de concentración (iones se mueven de alta a baja concentración).
• Fuerza Eléctrica: La diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana (iones son atraídos por cargas opuestas y repelidos por cargas iguales).

La combinación de ambas se denomina gradiente electroquímico.

Potenciales Graduados (Electrotónicos)

Son cambios locales y de corta duración en el potencial de membrana, cuya magnitud es proporcional a la intensidad del estímulo.

• Características:
  • Pueden ser despolarizantes (el potencial se vuelve menos negativo, ej., por entrada de Na⁺) o hiperpolarizantes (el potencial se vuelve más negativo, ej., por entrada de Cl⁻ o salida de K⁺). Nota: La hiperpolarización es fisiológica en muchos contextos, como durante la fase final del potencial de acción o en sinapsis inhibitorias.
  • La respuesta (cambio en Vm) es proporcional al estímulo: un estímulo pequeño genera una respuesta pequeña, un estímulo grande genera una respuesta mayor.
  • Se propagan pasivamente y disminuyen con la distancia (conducción decremental).
  • Pueden sumarse espacial y temporalmente.

Potencial de Acción (Impulso Nervioso)

Es un cambio rápido, transitorio y autopropagado en el potencial de membrana que ocurre en células excitables (neuronas, células musculares) cuando un estímulo despolarizante alcanza un cierto nivel crítico llamado umbral (típicamente alrededor de -55 mV).

• Principio del «Todo o Nada»: Si el estímulo alcanza el umbral, se dispara un potencial de acción completo, siempre con la misma amplitud y duración para esa célula. Si no alcanza el umbral, no se dispara ningún potencial de acción. La intensidad del estímulo supraumbral no afecta la amplitud del potencial de acción individual, pero sí puede afectar la frecuencia de disparo.
• Fases del Potencial de Acción:
  1. Potencial de Reposo: La membrana está a su Vm normal (ej., -70 mV).
  2. Despolarización: Un estímulo alcanza el umbral, provocando la apertura rápida de canales de Na⁺ dependientes de voltaje. El Na⁺ entra masivamente a la célula, haciendo que el interior se vuelva positivo (ej., hasta +30 mV).
  3. Repolarización: Los canales de Na⁺ se inactivan rápidamente. Se abren canales de K⁺ dependientes de voltaje (más lentamente que los de Na⁺). El K⁺ sale de la célula, llevando cargas positivas hacia afuera y devolviendo el potencial de membrana hacia valores negativos.
  4. Hiperpolarización (Postpotencial): Los canales de K⁺ se cierran lentamente. La salida de K⁺ continúa brevemente, haciendo que el potencial de membrana se vuelva transitoriamente más negativo que el potencial de reposo.
  5. Recuperación del Potencial de Reposo: Los canales de K⁺ dependientes de voltaje se cierran completamente. La Bomba Sodio-Potasio (Na⁺/K⁺ ATPasa) trabaja continuamente para restaurar y mantener los gradientes iónicos originales, bombeando 3 Na⁺ hacia afuera por cada 2 K⁺ hacia adentro, consumiendo ATP.
• Iones Clave: El potencial de acción depende fundamentalmente de los cambios en la permeabilidad al sodio (Na⁺) y al potasio (K⁺).

Sinapsis: Comunicación Neuronal

La sinapsis es el punto de comunicación funcional entre una neurona (presináptica) y otra célula (postsináptica), que puede ser otra neurona, una célula muscular o una célula glandular. Las células del sistema nervioso se comunican principalmente mediante sinapsis (un tipo especializado de comunicación paracrina).

Sinapsis Eléctrica

• Mecanismo: Comunicación directa a través de uniones GAP que conectan el citoplasma de las células pre y postsináptica. Los iones fluyen directamente de una célula a la otra.
• Características:
  • Extremadamente rápida (prácticamente sin retardo sináptico).
  • Generalmente bidireccional (aunque puede haber cierta rectificación).
  • Permite la sincronización de poblaciones celulares.
  • Menos frecuente que la química en el sistema nervioso de mamíferos.
• Ejemplo: Músculo cardíaco, algunas neuronas en el SNC.

Sinapsis Química

• Mecanismo: Las neuronas están separadas por un pequeño espacio llamado hendidura sináptica. La comunicación es indirecta, mediada por mensajeros químicos llamados neurotransmisores.
  1. El potencial de acción llega al terminal axónico presináptico.
  2. La despolarización abre canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje.
  3. La entrada de Ca²⁺ provoca la fusión de vesículas sinápticas (que contienen neurotransmisores) con la membrana presináptica (exocitosis).
  4. Los neurotransmisores se liberan a la hendidura sináptica.
  5. Los neurotransmisores se difunden y se unen a receptores específicos en la membrana postsináptica.
  6. La unión neurotransmisor-receptor provoca un cambio en el potencial de membrana de la célula postsináptica (Potencial Postsináptico – PPS), que puede ser excitatorio (PPSE) o inhibitorio (PPSI).
  7. Los neurotransmisores son eliminados de la hendidura (por degradación enzimática, recaptación o difusión).
• Características:
  • Unidireccional (la información fluye de la neurona presináptica a la postsináptica).
  • Introduce un retardo sináptico (tiempo necesario para la liberación, difusión y unión del neurotransmisor).
  • Permite la modulación, integración y plasticidad de la señal (una neurona puede recibir múltiples entradas excitatorias e inhibitorias).
  • Es la forma de sinapsis más frecuente en el sistema nervioso.
  • Puede generar respuestas tanto excitatorias como inhibitorias, permitiendo una regulación fina de la actividad neuronal.

Sistema Nervioso: Componentes y Función

• Componentes Fundamentales: Neuronas (células especializadas en la transmisión de señales eléctricas y químicas) y Células Gliales (células de soporte, nutrición, aislamiento y defensa).
• Función: El sistema nervioso opera mediante la comunicación constante entre sus componentes para procesar información y coordinar respuestas.
• Comunicación Neuronal: Las neuronas conducen impulsos nerviosos (potenciales de acción) a lo largo de sus axones y se comunican con otras células en las sinapsis.
• Velocidad de Conducción: La velocidad de transmisión del impulso nervioso depende de factores como el diámetro del axón y la presencia de vainas de mielina (aislante lipídico formado por células gliales que acelera la conducción).
• Nervios: Haces de axones que pueden contener fibras:
  • Sensitivas (Aferentes): Llevan información desde los receptores sensoriales hacia el SNC.
  • Motoras (Eferentes): Llevan órdenes desde el SNC hacia los músculos o glándulas.
  • Mixtas: Contienen tanto fibras sensitivas como motoras.

Preguntas de Repaso

¿Qué fenómeno desencadena la fase de despolarización rápida del potencial de acción?

b) Apertura de canales de Na⁺ dependientes de voltaje.

¿Cuál es una diferencia clave entre una sinapsis eléctrica y una química?

a) En la sinapsis eléctrica hay flujo directo de iones entre células a través de uniones GAP.