INTRODUCCIÓN A LA FISIOLOGÍA. SISTEMAS DE CONTROL Guido Ulate Montero, MD, PhD Catedrático Departamento de Fisiología Escuela de Medicina

Fisiología es el estudio de funciones o procesos El término del griego antiguo para la filosofía natural era  (fisis), raíz etimológica de los términos física, fisiología y en inglés physician. La fisiología y la física explican la manera en que las cosas funcionan. La práctica de la medicina es la tarea del médico: la fisiología proporciona las bases científicas de dicha práctica.

¿Porqué la sangre transporta oxígeno? Se podría contestar: 1. Porque las células del cuerpo necesitan oxígeno para sobrevivir. ó 2. Porque los glóbulos rojos presentes en la sangre poseen una sustancia llamada hemoglobina, la cual presenta una alta afinidad por el oxígeno. La primera respuesta explica la razón y no dice nada sobre cómo lo hacen. Corresponde a una explicación teleológica. La segunda respuesta se basa en un mecanismo o proceso. Corresponde a un enfoque mecanicista fisiológico.

Claude Bernard (1813-1878) Claude Bernard (1813-1878) La estabilidad del medio interno es la condición primaria que permite la existencia libre e independiente. (“Introduction a l´étude de la médecine expérimentale”, 1865)

Walter B. Cannon (1871-1945) Homeostasis: capacidad de autorregulación, definiéndola como: el mantenimiento de la constancia del organismo por acción coordinada de los procesos fisiológicos. (“The Wisdom of the body”, 1932) Walter B. Cannon (1871-1945)

Cada célula se beneficia de la homeostasis, y a cambio, cada célula contribuye al mantenimiento de la homeostasis Esta reciprocidad permite la vida independiente del organismo hasta que uno o más sistemas pierde su capacidad de contribuir en el mantenimiento de la homeostasis. Cuando ello ocurre las células sufren y se puede producir la enfermedad y hasta la muerte. Sherwood, L. HUMAN PHYSIOLOGY. 6th Ed. Thomson. pag. 10

Concepto de sistema Un conjunto de elementos Dinámicamente relacionados Que llevan a cabo una actividad Para alcanzar un objetivo Operando sobre datos/energía/materia Para proveer información/energía/materia (hay flujo de materia, energía e información) En el cuerpo humano, la mayoría de los sistemas se encuentran interconectados y por lo tanto la actividad de uno tendrá más o menos influencia en la de los otros. Existe además jerarquización y redundancia.

Tipos de sistemas Por su constitución: físicos (concretos) o abstractos (conceptos, planes, ideas, etc) Por su naturaleza: cerrados (no presentan intercambio con el medio ambiente) o abiertos (presentan intercambio con el ambiente) Por la variabilidad de su estado: dinámicos e inertes

Tipos de sistemas Si se puede predecir la información de salida del sistema: deterministas y sino, estocásticos. Los deterministas a su vez, dependiendo del tipo de función que describe su respuesta: lineales (efecto proporcional a la causa) y no lineales (con gran sensibilidad a las condiciones iniciales, p.e. los caóticos) Si la salida de información influye sobre la entrada: con retrocontrol (regulados) y sin retrocontrol

Los sistemas de control cerrados (retrocontrol) se clasifican en: De retrocontrol negativo: se atenúa el cambio inicial. La mayoría son de este tipo De retrocontrol positivo: se multiplica el cambio inicial. Son limitados por la disponibilidad de recursos. El estudio de la fisiología será más fácil si se identifican los muchos ejemplos de circuitos de retroalimentación negativa. La labor del médico se facilita si entiende estos mecanismos de homeostasis analizando las deficiencias de los controles de retroalimentación.

Un sistema de control cerrado Comando central perturbación señal de protoalimentación Sensor Modelo de referencia CONTROLADOR señal de error señal de gobierno Comparador Amplificador Efector señal de retroalimentación Sensor Variable controlada Representación gráfica de un sistema regulado cerrado. El modelo de referencia representa el valor empleado por el comparador para ajustar la variable controlada. La retroalimentación puede ser positiva o negativa. En el caso de la protoalimentación existen sensores para la detección de perturbaciones antes de que estas actúen sobre el sistema.

Algunas características de los sistemas de retrocontrol negativo La precisión de la regulación depende de: la excitabilidad de los sensores, la función de transferencia característica del controlador (ganancia del sistema: corregido/no corregido) y el margen de variación tolerado por el controlador [atenuación del error (Ae): (1/1+G) x100] El modelo de referencia determina la tolerancia de variación. La señal de error y la de gobierno caracterizan la función de transferencia. Velocidad de respuesta de c/u de los elementos del sistema determina la  (desfase entre la perturbación y su corrección).

En los sistemas, debe distinguirse entre el equilibrio y el estado estacionario: Se alcanza después de cierto tiempo en ausencia de fuerzas exteriores Para romperlo es imprescindible el aporte de energía al sistema Estado estacionario: La variable regulada se trata de mantener estable. Se debe adicionar energía al sistema constantemente para mantener estable la variable regulada

Reostasis o alostasis Procesos fisiológicos que permiten la ocurrencia de cambios en el modelo de referencia. Ocurre por señales de protoalimentación o por comandos centrales. En ambos casos se modifica el modelo de referencia. Las experiencias previas inciden en esta regulación. Incluye la cronostasis: variaciones periódicas (ritmos biológicos).

Ritmos biológicos Permiten anticiparse a las fases específicas de los ritmos ambientales. Son endógenos y se sincronizan con señales del medio ambiente conocidas como sincronizadores, Ej. el ciclo de luz-oscuridad. Están determinados genéticamente (se presentan aun cuando el individuo está aislado de los estímulos sincronizadores). Genes: bmal1, clock, per1, per2, per3, cry 1, cry 2. El producto de los 2 primeros estimula la transcripción de los per. El producto de los per junto con el producto de los cry desplaza al complejo CLOCK/BMAL inhibiendo la transcripción de los per y los cry.

cryptochromo Proteina F-box Retinoid related orphan receptor

Componentes de los ritmos biológicos 1. Osciladores o marcapasos biológicos: poseen la capacidad de medir el tiempo y crear un orden temporal interno, y poner en fase las diferentes funciones. En humanos, marcapaso circadiano principal: NSQ. 2. Componente de entrada: percibe señales del medio ambiente y lleva esa información a los marcapasos. Ej. para el NSQ: información de luminosidad por medio del tracto retinohipotalámico, del NGL y otros. 3. Componente de salida: modifica el punto de ajuste (modelo de referencia) de los sistemas responsables de las diferentes funciones. Ej. regulación de la liberación de hormonas hipofisiarias.

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Tipos de ritmos biológicos Duración Ejemplo Circadiano 1 ciclo por día (24 h) Secreción de cortisol, HC, melatonina, temperatura, etc. Ultradiano Más de 1 ciclo por día Secreción pulsátil de LH Infradiano Menos de 1 ciclo por día Ciclos estrales Circalunares Mes lunar Ciclo menstrual Circanuales Un año Hibernación y ciclos reproductivos de numerosas especies

La glándula pineal En vertebrados inferiores funciona como un “tercer ojo” pues contiene fotorreceptores los cuales son rudimentarios en los mamíferos. Por esta razón, ha perdido su función de marcapaso independiente y está bajo control del NSQ. Contiene células llamadas pinealocitos que secretan melatonina (MT) ante un estímulo noradrenérgico. En la oscuridad:  NE  activa Rs 1 en pinealocitos  activa NAT   liberación de MT Para la MT existen receptores de membrana: MT1(Gi) y MT2 (Gq) e intracelulares.

Relaciones anatómicas de la pineal y el NSQ Nervios coronarios cervical superior Drucker R. Fisiología Médica. Manual Moderno. pag 513

Células ganglionares con melanopsina (420-440 nm) Acetilcolina Glutamato GABA Células ganglionares con melanopsina (420-440 nm) Norris, Vertebrate Endocrinology, 4th ed, pag. 157-158

Grupo etáreo (hombres) Niveles plasmáticos pico de melatonina (pg/mL) 1-3 años 250 8-15 años 120 20-27 años 70 67-84 años 30 Norris, Vertebrate Endocrinology, 4th ed, pag. 160

Síntesis de la melatonina Drucker R. Fisiología Médica. Manual Moderno. pag 514 24

Funciones de la melatonina Regulación del sueño Sincronización de los ritmos biológicos con los ciclos luz-oscuridad Inhibición de la secreción de gonadotrofinas, (especialmente en individuos jóvenes). En algunas especies regula ciclos de reproducción, migración e hibernación Se ha utilizado para tratar: jet lag, algunos tipos de insomnio y para prevenir aquellas enfermedades que tienen un importante componente de estrés oxidativo

Ritmo de actividad locomotora en el hámster Cardinali D. Manual de Neurofisiología. 9a ed. pag 215

Ritmos circadianos de algunos parámetros fisiológicos Ritmos circadianos de algunos parámetros fisiológicos. En la barra superior se muestran en negro las horas de oscuridad. (mEq/dL) 6:00 12:00 18:00 24:00 6:00 12:00 18:00 24:00 Vander A. Human Physiology. 7ed. McGraw Hill. pag150

Sodio 18 24 6 Ritmos circadianos de algunos parámetros fisiológicos. Las barras verticales oscuras muestran las horas de oscuridad. Córdova A. Fisiología Dinámica. Masson, 2003, pag 710 28

Niveles fisiológicos de regulación 1. Nivel intracelular. 2. Nivel local. 3. Nivel sistémico (arcos reflejos) Centro Integrador Vía Aferente Eferente RECEPTOR EFECTOR ESTÍMULO RESPUESTA

Ejemplo de regulación local: NO y ACh en pared vascular Libro de texto, pag 365

Ejemplo de regulación intracelular: liberación de insulina en las células beta del páncreas.

El sistema responsable de la cronostasis Modelo de referencia Comparador Sensor Efector Amplificador señal regulada señal de error señal de gobierno señal de retroalimentación CONTROLADOR Estímulos cíclicos ambientales Oscilador biológico señal de sincronización temporalización Variable controlada