I. Estrategias de control en fisiología

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1 I. Estrategias de control en fisiología
Guido Ulate Montero Catedrático Departamento de Fisiología Escuela de Medicina Universidad de Costa Rica

2 René Descartes (SXVII):
Principio cogito ergo sum “El cuerpo posee múltiples sistemas de control automático”

3 “La estabilidad del ambiente interno es la condición primaria para una existencia libre e independiente” “Muchas variables fisiológicas son reguladas automáticamente”

4 Walter Cannon (SXX)

5 La homeostasis es esencial para la sobrevida de un organismo.
Concepto de homeostasis Es la capacidad de “autorregulación” que poseen los organismos vivientes para mantener un estado estacionario dinámico mediante la activación de sistemas de control fisiológico. La homeostasis es esencial para la sobrevida de un organismo.

6 En los sistemas, debe distinguirse entre el equilibrio y el estado estacionario:
La variable regulada se trata de mantener estable. Se debe adicionar energía al sistema constantemente para mantener estable la variable regulada Equilibrio: Se alcanza después de cierto tiempo en ausencia de fuerzas exteriores Para romperlo es imprescindible el aporte de energía al sistema Los procesos fisiológicos nunca llegan al equilibrio que se alcanza en un tubo de ensayo. * El libro de texto lo llama equilibrio en estado estacionario.

7 Hay un estado de desequilibrio químico entre el LEC y el LIC.
Las concentraciones del LEC y del LIC se encuentran en estado estacionario el cual es posible gracias al aporte de energía. Ej.: Na +-K+ ATPasa Célula

8 Muchos de los constituyentes de nuestro cuerpo se encuentran en estado estacionario gracias a la ley del balance de masas.

9 Del metabolismo: CHO H2O + CO2 100 g de grasa : 100 mL 100 g de CHO : 60 mL 100 g de proteínas: 45 mL

10 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

11 Charles Scott Sherrington
Estudió los reflejos espinales Y los relaciona con la teoría de control de ingeniería. Norbert Wierner Se refiere por primera vez a la cibernética en fisiología. Enfatiza los conceptos sobre retrocontrol negativo.

12 Concepto de sistema Un conjunto de elementos
Dinámicamente relacionados Que operando sobre datos/energía/materia (input) llevan a cabo una actividad con el objetivo de alcanzar determinada meta. Proveen información de salida (output) datos/energía/materia. A través de ellos hay flujo de materia, energía e información

13 Cuando se debe mantener una variable muy bien regulada, suelen existir varios sistemas que la controlan, es decir, existe un cierto grado de redundancia que se traduce en un control más “robusto”. Sin embargo, la robustez impone más costo energético y . También existe cierta jerarquización.

14 Un sistema es controlado cuando se manipula la información que ingresa para producir determinada salida, la cual mantiene la variable controlada estable o permite que varíe de determinada manera. Hay 3 estrategias básicas para el control automático: la retroalimentación negativa, la regulación anticipada y la regulación adaptativa.

15 La retroalimentación negativa

16 Estrategias de control: retroalimentación, anticipación y adaptación
El controlador retroalimentado genera funciones forzadas (opuestas al cambio) al comparar el desempeño deseado (punto de ajuste) con el desempeño monitorizado por el asa de retroalimentación. El anticipado traduce metas, blancos e información sobre posibles alteraciones en comandos que son enviados al controlador retroalimentado. El controlador adaptativo evalúa el desempeño del sistema controlado y puede alterar las propiedades de los controladores, también recibe información de metas y blancos. Este último funciona más lentamente que los otros 2.

17 Desventajas de la retroalimentación: la compensación generalmente es incompleta, las respuestas pueden ser lentas y si hay mucha retroalimentación se produce inestabilidad. Lo que se corrige de la alteración inicial depende de la ganancia (G) del sistema: G = magnitud de lo corregido/lo no corregido. Y lo que no se corrige se llama: atenuación del error (Ae): Ae = 1/(1 + G) x 100 Los sistemas de control fisiológicos generalmente tienen ganancias modestas pero son bastante estables. La  también es importante: entre mayor sea, el sistema puede presentar una mayor G con mayor estabilidad.

18 El controlador anticipado puede generar un comando correctivo que se anticipa a los cambios en la variable controlada. La estrategia anterior es ventajosa pues permite: 1. Disminuir la . 2. Disminuir la Ae. 3. Disminuir la inestabilidad. Desventajas: 1. Los procesos implicados son complejos. 2. Si el controlador comete un error de cálculo, este persiste. La segunda desventaja se puede corregir por medio de un controlador adaptativo que periódicamente ajuste al controlador anticipado.

19 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.

20 La labor de parto es un ejemplo de retroalimentación positiva

21 Reostasis o alostasis Procesos fisiológicos que permiten la ocurrencia de cambios en el modelo de referencia (punto de ajuste). Ocurre por controladores anticipados y adaptativos. Las experiencias previas inciden en esta regulación. Incluye la cronostasis: variaciones periódicas (ritmos biológicos).

22 II. Ritmos biológicos Guido Ulate Montero Catedrático
Departamento de Fisiología Escuela de Medicina Universidad de Costa Rica

23 Mean blood pressure (mm Hg)

24 Ritmos biológicos Permiten anticiparse a las fases específicas de los ritmos ambientales. Ocurren gracias a relojes biológicos que funcionan como controladores adaptativos. Son endógenos y 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 (dímero) estimula la transcripción de los per y los cry. 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. Se sincronizan con señales del medio ambiente conocidas como sincronizadores, Ej. el ciclo de luz-oscuridad, tiempos de alimentación, actividad física.

25 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

26 cryptochromo Proteina F-box Retinoid related orphan receptor

27 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 (maestro): NSQ; periféricos: múltiples. 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 y del NGL. 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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31 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 AANAT (arilalquilamina N acetiltransferasa)   liberación de MT

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

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

34 Síntesis de la melatonina
AANAT: arilalkilamina N-acetil transferasa Drucker R. Fisiología Médica. Manual Moderno. pag 514 34

35 Efecto del estímulo simpático en los pinealocitos
AANAT: arilalkilamina N-acetil transferasa ICER: inducible cAMP early repressor Tresguerres. Fisiología Humana. 4ta Ed. Pag. 922

36 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

37 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

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

40 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 6:00 12: : :00 Vander A. Human Physiology. 7ed. McGraw Hill. pag150

41 Sodio 12 18 24 6 12 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 41

42 Mean blood pressure (mm Hg)

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

44 Ejemplo de regulación local: NO y ACh en pared vascular
Boron, pag 365

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

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47 La Nación, 2 de agosto del 2012

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49 NFκB of IκB A-kinase-interacting protein 1

50 La activación de NF-κB se inicia a través de la degradación inducida por señal de proteínas IκB. Esto ocurre principalmente mediante la activación de una quinasa llamada IκB quinasa (IKK). La IKK está formada por un heterodímero de las subunidades catalíticas de IKK alfa e IKK beta y por una proteína reguladora “maestra” llamada NEMO (modulador esencial NF-κB) o IKK gamma.

51 Un sistema de control cerrado
perturbación Modelo de referencia Comparador Sensor Efector Amplificador Variable controlada señal de error señal de gobierno señal de protoalimentación señal de retroalimentación CONTROLADOR Comando central Representación gráfica de un sistema regulado cerrado. El modelo de referencia representa el valor empleado por el comparador (punto límite o “set point”) 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.

52 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).

53 Por la variabilidad de su estado: dinámicos e inertes
Tipos de sistemas Por su relación con el entorno: cerrados (no presentan intercambio con el medio ambiente) o abiertos (presentan intercambio con el ambiente) Por la variabilidad de su estado: dinámicos e inertes 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.