ORGANIZACION FUNCIONAL Y CONTROL DEL MEDIO INTERNO

Dra. Trinidad MujicaDepartamento de Fisiología

OBJETIVOS

• Definición de Fisiología• Explicación de los factores físicos y químicos

responsables de la configuración del organismo a lo largo del origen, el desarrollo y la progresión de la vida.

• Identificación de los principales sistemas del organismo humano y sus funciones.

• Conocer y entender los procesos vitales.• Comprensión del concepto de homeostasis,

sistemas de retroalimentación y la relación entre homeostasis y enfermedad

Concepto de Fisiología

FISIOLOGÍA FUNCIONAMIENTO

Physiologia: Conocimiento de la Naturaleza.

Definición actual: Ciencia que estudia los fenómenos físicos y químicos que permiten el funcionamiento de los seres vivos y su adaptación a los cambios del entorno que los rodea

1. Introducción

¿Qué es la vida? Características fundamentales de los seres vivos: Reproducción, Nutrición, Organización, Crecimiento, Propósito específico, Excitabilidad y Motilidad, Adaptabilidad.

2. Niveles de organización funcional

3. Componentes químicos de la vida

AGUA: el componente más abundante (80%)

• Químico. Átomos y moléculas, los constituyentes de la materia viva.

• Celular. Célula, la unidad estructural y funcional básica.

• Tisular (hístico). Tejidos, grupos de células similares especializadas en en funciones especiales.

• Órganico. Órganos, estructuras de morfología definida formadas por diferentes tejidos, con funciones específicas

• Sistémico. Diferentes órganos unidos para desempeño de una función.

• Organismo. conjunto de sistemas integrados estructural y funcionalmente.

2. Niveles de organización funcional

Organización Estructural• Niveles:

– Químico: Atomos (C, H, O, N, Ca, K, Na) y moléculas (proteínas, carbohidratos, grasas y vitaminas) esenciales para mantenimiento de la vida.

– Celular: Unidad estructural y funcional básica

– Tisular: Tejidos, grupos de células similares.

– Sistémico: Diferentes órganos unidos para desempeño de una función

MEDIO INTERNO: LIQUIDO EXTRACELULAR E INTRACELULAR

• 56% del cuerpo humano adulto es líquido (2/3 intracelular y 1/3 extracelular)

• Se encuentra en constante movimiento

• Transportado rapidamente por la sangre circulante

• Contiene iones y nutrientes para mantenimiento de la vida celular

Liquido Extracelular

• Origen de los nutrientes– Sistema Respiratorio: El

O2– Tracto Gastrointestinal:

Hidratos de Carbono, ácidos grasos y aminoácidos

– Hígado: Órgano que se encarga de la conversión de algunas sustancias hacia formas manejables.

– Sistema muscular esquelético: Movilidad para autoprotección, mantenimiento de la temperatura y obtención de alimento

Liquido Extracelular

• Eliminación de los productos finales del metabolismo:– Pulmones: Elimina

CO2– Riñones: Elimina

úrea, ácido úrico, excesos de iones y agua

INTRACELULAR VS EXTRACELULAR

EXTRACELULAREXTRACELULAR•Contiene grandes cantidades de iones Contiene grandes cantidades de iones Na, Cl y bicarbonato, nutrientes como Na, Cl y bicarbonato, nutrientes como oxígeno, glucosa, ácidos grasos y oxígeno, glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. Contiene además CO2 y aminoácidos. Contiene además CO2 y otros productos celulares que van otros productos celulares que van hacia los riñones para su excreción.hacia los riñones para su excreción.

INTRACELULARINTRACELULAR• Contiene grandes cantidades de iones Contiene grandes cantidades de iones K, Mg, PO4.K, Mg, PO4.

Homeostasis• Definición: Mantenimiento del organismo

dentro de límites que le permiten desempeñar una función de manera adecuada

Condiciones esenciales Condiciones esenciales del medio interno:del medio interno:

Concentración óptima Concentración óptima de gases, elementos de gases, elementos nutritivos, iones y aguanutritivos, iones y agua

Temperatura óptimaTemperatura óptima

Volumen óptimoVolumen óptimo

Enfermedad: Alteración de la Enfermedad: Alteración de la homeostasishomeostasis

Regulacion de la homeostasis

• Sistemas nervioso y endocrino– S. nervioso: Detecta

alteraciones y envía señales en forma de impulsos nerviosos que producen cambios rápidos

S. Endocrino: S. Endocrino: detecta cambios y a detecta cambios y a través de la sangre través de la sangre envía los reguladores envía los reguladores químicos químicos (hormonas). Estos (hormonas). Estos cambios son lentos.cambios son lentos.Ambos mecanismos Ambos mecanismos se coadyuvan para se coadyuvan para lograr el equilibrio.lograr el equilibrio.

Sistemas de Retroalimentación

• Definición:

• Ciclo de eventos monitorizados constantemente y enviados a la región central

• Componentes:– Centro de control: Determina el punto de

mantenimiento de alguna función: ej. Presión arterial, frecuencia cardiaca, temperatura etc.

– Receptor: Monitoriza cambios producidos y envía información (impulso aferente). Ante cambios (stress) considerados como estimulo.

– Efector: Recibe mensaje (impulso eferente) y emite una respuesta (efecto)

Tipos:Tipos:Sistemas de retroalimentación positiva: Si la Sistemas de retroalimentación positiva: Si la respuesta potencia el estímulo original. Ejm. respuesta potencia el estímulo original. Ejm. Coagulación Sanguínea.Coagulación Sanguínea.Sistema de retroalimentación negativa: Si la Sistema de retroalimentación negativa: Si la respuesta invierte el estímulo original.respuesta invierte el estímulo original.

Enfermedad• Definición: Es la pérdida del

equilibrio o la capacidad del organismo para conservar sus funciones.

• Tipos:– Enfermedades locales: Afecta un área

determinada del organismo– Enfermedades sistémicas: Afectan

muchas partes del organismo o su totalidad.

• Tipos de alteraciones:– Subjetivas: Síntomas– Objetivas: Signos

AUTOMATICIDAD DEL ORGANISMO

• El organismo esta constituído por aprox. 100 billones de células organizadas en diferentes estructuras funcionales (órganos).

• Cada estructura funcional participa en el mantenimiento de las condiciones homeostáticas del medio interno

• Células participan activamente en la conservación de la homeostasis.

• La disfunción entre el medio interno y las células, pueden producir enfermedad (leve o moderada) y la muerte si esta es severa.

Fisiología• Determinacion de las funciones de cada uno

de los sistemas organicos• Relacion entre estructura y función• Divisiones:

– F. Celular F. sistémicaF. sistémicaS. NerviosoS. NerviosoS. MuscularS. MuscularS. EndocrinoS. EndocrinoS. CardiovascularS. CardiovascularS. RespiratorioS. RespiratorioS. RenalS. RenalS. ReproductorS. ReproductorS. DigestivoS. Digestivo

FISIOLOGIA CELULAR

Dra. Trinidad MujicaDepartamento de Fisiología

Fisiología Celular

• Célula y su función– Organización de la

célula;• Núcleo (membrana

nuclear)• Citoplasma

(membrana celular)

– Protoplasma: Compuesto básicamente por:

• Agua• Electrolitos• Proteínas• Lípidos• Hidratos de carbono

– Unidad viva básica del organismo– Nº total ~ 100 billones– Características similares: metabolismo, consumo de O2,

división celular…– Organización de la célula

• Núcleo: ADN empaquetado (cromatina) rodeado de membrana nuclear

• Citoplasma (rodeado de membrana celular)

4. La célula

Estructura física de la célula• Denominadas

organelas:– Membrana celular

Membrana nuclear

– Retículo endoplásmico

Aparato de GolgiAparato de Golgi

MitocondriaMitocondria

LisosomasLisosomas

CentriolosCentriolos

Estructuras membranosas de la célula

• Compuestas por:– Lípidos y proteínas

• Comprenden:– Membrana celular– Membrana nuclear– Membrana del

retículo endoplásmico

– Membrana mitocondrial

– Lisosomas– Aparato de golgi

Membrana Celular

• Características:– Delgada y elástica (7.5-10

nm grosor)– Formada en mayor

proporción por proteínas y lípidos

• 55% proteínas• 25% de fosfolípidos• 13% de colesterol• 4% de otros lípidos• 3% de hidratos de

carbono– Estructura básica, bicapa

lipídica (2 moléc. de grosor)

Parte hidrofóbica (porción ácido graso) e hidrofílica (porción fosfato)

– Grandes moléculas de prot. globulares intercalándose a lo largo de la lámina lipídica.

Membrana Celular

– Constituye una barrera fundamental impermeable a iones, glucosa y úrea. El O2, CO2 y alcohol (liposolubles) atraviesan esta porción de la membrana con facilidad.

– Posee moléculas de colesterol que se encuentran disueltas en la bicapa lipídica. Contribuye a la determinación del grado de permeabilidad a los constituyentes hidrosolubles de los líquidos corporales.

Membrana Celular

– Proteínas:

• Conformadas por Glucoproteínas.

• Tipos de proteínas: – Integrales (toda la

membrana): proporcionan canales estructurales (poros), proteínas transportadoras, enzimas.

– Periféricas (ancladas a la superficie de membrana, en la parte interna y unidas a las integrales), actúan como enzimas u otro tipo de reguladores.

Membrana Celular

– Carbohidratos (glucocáliz celular)

• Se encuentran en forma de glucoproteínas y glucolípidos. La porción gluco, sobresalen hacia el exterior de la célula.

• Posee proteoglicanos (sust. Hidrocarbonadas unidas por pequeños grupos proteícos)

Membrana Celular

• Funciones de las moleculas de hidratos de carbono (glucocáliz):

– Están cargadas negativamente.

– Punto de anclaje con otras células– Actúan como receptores de membrana,

activando a los segundos mensajeros

– Participan en acciones inmunitarias

Membranas

• Compuestas por:– Lípidos (fosfolípidos,

colesterol) y proteínas

• Tipos:– Membrana plasmática– Membrana nuclear– Membrana del retículo

endoplásmico– Membrana mitocondrial– Lisosomas– Aparato de Golgi

4. La célula

Citoplasma

• Agua • Proteínas disueltas• Electrolitos (Na+, Cl-, K+…)• Glucosa• Pequeñas cantidades de

compuestos lipídicos• Fibrillas de actina, tubulina…

(citoesqueleto)• Glóbulos de lípidos, gránulos de

glucógeno, vesículas secretoras• Orgánulos: Ribosomas, Retículo

endoplásmico, aparato de Golgi, mitocondrias, lisosomas.

4. La célula

Retículo Endoplasmico

• Estructuras tubulares aplanadas interconectadas que rodean al núcleo– Paredes formadas por bicapa

lipídica membranosa – El interior contiene la matriz

endoplásmica. – 2 tipos

• Con ribosomas: retículo endoplásmico rugoso (granular)

• Sin ribosomas: retículo endoplásmico agranular o liso

4. La célula

Ribosomas y retículo endoplásmico rugoso

• Ribosomas: – Se encuentran anclados a

las superficies externas de muchas regiones del retículo endoplásmico rugoso

– Compuestos por una mezcla de ARNr y proteínas

– Encargados de la síntesis proteica.

4. La célula

Retículo endoplásmico agranular o liso (REL)

• Carece de ribosomas acoplados

• Actúa en la síntesis de sustancias lipídicas, en el procesamiento de las proteínas y otros procesos enzimáticos celulares (p.e. glicosilación de proteínas, detoxificación de xenobióticos).

4. La célula

Aparato de Golgi

– Intimamente relacionado con el retículo endoplásmico

– Posee membranas celulares parecidas a las del REL

– Consta de un apilamiento varias capas de vesículas cerradas y planas.

– Es importante en células secretoras. Estas expulsan las sustancias a secretar (p.e., hormonas).

– Conjuntamente con el retículo endoplásmico forman los lisosomas, vesículas secretoras u otros componentes citoplasmáticos.

4. La célula

Lisosomas

• Orgánulos vesiculares formados en el aparato de golgi y dispersas a lo largo del citoplasma.

• Proporcionan un sistema digestivo intracelular (sustancias y estructuras intracelulares, especialmente las dañadas, partículas alimenticias ingeridas por las celulas, bacterias…)

4. La célula

Mitocondria

• Centrales energéticas• Respiración celular (oxidación de glucosa, AG y AAs)• Cadena de transporte de electrones• Síntesis de ATP: moneda energética celular

4. La célula

Respiración celular • Glucólisis → citosol

• Ciclo de Krebbs → matriz mitocondrial

• Cadena transportadora → crestas de electrones mitocondriales

Cómo producen energía otros nutrientes

5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos.

• Las células han de diferenciarse para ejercer su función

• Diferenciación: cambios estructurales y funcionales de las células a medida que proliferan en el embrión para formar los diferentes tejidos y órganos.

• Consecuencia de la represión selectiva del genoma.

• Una célula normal expresa menos de la mitad de su genoma (nº genes ~ 25000).

• Células con funciones similares se agrupan formando TEJIDOS (NERVIOSO, EPITELIAL, MUSCULAR, CONJUNTIVO).

• Los ORGANOS están normalmente formados por los 4 tipos de tejido

5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos.

Tejido muscular

Miocitos especializados en la contracción→ función mecánica

5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos.

Tejido epitelial

• Las células epiteliales forman estructuras membranosas.

• Funciones:

- Revestimiento (epitelios simples o estratificados).

- Secretoras ( glándulas de moco, hormonas…).

5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos.

Tejido conjuntivo (conectivo)

• Conjunto heterogéneo de tejidos derivados del mesodermo, formados por células rodeadas de grandes cantidades de material extracelular

• Función de sostén y separación de los diferentes elementos tisulares y también se convierte en un medio logístico (p.e. plasma de la sangre).

• Tipos: - No especializado (TC propiamente dicho)- Especializado (adiposo, cartílago, hueso, médula ósea, sangre)

5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos.

Tejido conjuntivo (conectivo)

Tejido Nervioso

• Neuronas, especializadas en generar y conducir impulsos eléctricos.

• Células de la glía: sostén

5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos.

1. Membrana celular: estructura y composición.

2. Transporte a través de la membrana.

3. Transporte pasivo.

3.1. Difusión simple.

3.2. Difusión facilitada.

4. Transporte activo.

5. Endocitosis y exocitosis.

6. Comunicación intercelular: mensajeros y receptores.

Funciones de las membranas celulares. Paso de sustancias. Mensajeros químicos. Receptores.

1. Membrana plasmática

• Barrera física entre el LIC y el LEC• Otras funciones: transporte, comunicación, reconocimiento, adhesión

Fosfolípidos mayoritarios en las membranas eucariotas

1. Membrana plasmática

COLESTEROL

1. Membrana plasmática

• El colesterol amortigua la fluidez de la MP (= menos deformable)• Disminuye la permeabilidad de la MP al agua

La mayoría de las membranas celulares constituyen un “mosaico fluido” de fosfolípidos y proteínas.

1. Membrana plasmática

• Las características funcionales de la MP dependen de las proteínas que contiene.

• Muchas proteínas de membrana son glucoproteínas.

• Tipos (por la forma en la que están dispuestas en la MP):

- Periféricas: incluidas de manera parcial en una de las superficies de la membrana, unidas covalentemente a lípidos o asociadas a ellos mediante un dominio hidrofóbico.

- Integrales: abarcan todo el espesor de la membrana. Son anfipáticas.

1. Membrana plasmática

Segmento hidrófoboBarriles formados por diferente número de

cadenas que configuran un canal o

poroGlicosilación de

proteínas y formación depuentes disulfuro

entre cisteínas

1. Membrana plasmática

Ejemplos de estructuras de proteínas de membrana

2. Transporte a través de la membrana.

• La MP tiene una permeabilidad selectiva.

• A ↓ tamaño y ↑ hidrofobicidad, ↑difusión a través de la bicapa.

• Moléculas hidrosolubles y cargadas no pueden atravesar la bicapa (la mayoría).

• Es necesario un sistema de transporte para las moléculas impermeables a la

bicapa: proteínas transportadoras de membrana

2. Transporte a través de la membrana.

TRANSPORTE ACTIVO

TRANSPORTE PASIVO

DIFUSIÓN SIMPLE DIFUSIÓN FACILITADA

Tipos de transporte:

• T Pasivo: No necesita energía (ATP).

• La difusión simple ocurre a través de la bicapa (inespecífico) o por poros (específico).

• Ocurre a favor de gradiente.

• La capacidad de difundir a través de la bicapa depende de:

- La diferencia de concentración a través de la membrana

- La permeabilidad de la membrana a la sustancia (hidrofobicidad = lipofilia)

- La Tª: determina la energía cinética de las moléculas

- La superficie de la membrana

• Ej.: O2 y CO2, EtOH, NH3, fármacos liposolubles

3. Transporte pasivo: difusión simple.

• Agua: aquaporinas (permiten el paso por ósmosis).

• Iones (Na+, K+). La apertura del canal está regulada por:

-Ligando, su unión a una determinada región del canal provoca la transformación estructural que induce la apertura. - Voltaje (tema siguiente).

3. Transporte pasivo: difusión simple.

Difusión simple a través de canales:

3. Transporte pasivo: difusión facilitada.

• T Pasivo: No necesita energía.

• Ocurre a favor de gradiente.

• La difusión facilitada es específica y saturable: mediada por proteínas transportadoras.

• Implica un cambio conformacional en la proteína.

• Ejemplos: glucosa, algunos aminoácidos…

4. Transporte activo

• Necesita energía (ATP) y proteínas transportadoras (receptor + ATPasa).

• Es contra gradiente (“contracorriente”).

• Mantiene las diferencias de concentración entre el LEC y el LIC (p.e. K+, Na+, Ca+2…), permite la absorción de micronutrientes en intestino y la reabsorción en el riñón… y la generación y transmisión del impulso nervioso

•Tipos:

- TA primario: la energia procede directamente del ATP…

- TA secundario o acoplado: la energía procede del gradiente generado por el TA primario.

4. Transporte activo primario

Bomba de Ca+2 Bomba de Na+/K+

Mantiene ↓[Ca+2]LIC

Mantiene ↓[Na+]LIC

↑[K+]LIC

LEC

LIC

• Transporte de iones: Na+, K+, Ca+2, H+, Cl-…

• Ocurre en todas las células, fundamental en miocitos y neuronas

4. Transporte activo primario

- Proporciona energía para el transporte 2º de otras moléculas.

- Las células nerviosas y musculares utilizan el gradiente K+/Na+ para producir impulsos eléctricos.

- La salida activa de Na+ es importante para mantener el equilibrio osmótico celular.

Funciones de la bomba de Na+/K+ :

4. Transporte activo secundario

• La difusión de Na+ hacia el interior celular (a favor de gradiente) impulsa el movimiento de otra molécula en contra de su gradiente.

- Simporte: la otra molécula se mueve en la misma dirección que el Na+

- Antiporte: en dirección opuesta

• Ejemplos: transporte acoplado al Na+ de glucosa y AAs en células epiteliales del intestino delgado y de los túbulos renales, antiporte de H+ y Ca+2

4. Transporte activo secundario

4. Transporte activo secundario

5. Endocitosis y exocitosis: transporte masivo

Endocitosis

Exocitosis

• Transporte de moléculas grandes• Ingestión de partículas y microorganismos (fagocitosis)

Liberación (secreción) de hormonas y neurotransmisores

6. Comunicación intercelular

Tipos de comunicación intercelular

• La comunicación celular es la capacidad que tienen todas las células de intercambiar información fisicoquímica con el medio ambiente y con otras células.

Miocitos Neuronas Inflamación HormonasPor ejemplo…

Coagulación

6. Comunicación intercelular: mensajeros y receptores

Receptores: proteínas o

glicoproteínas presentes en la membrana plasmática, en la membrana de las organelas o en el citosol celular, a las que se unen específicamente moléculas señalizadoras

(ligandos o mensajeros):

• Hormonas• Neurotransmisores• Citoquinas• Factores de crecimiento• Moléculas de adhesión• Componentes de la matriz extracelular

Receptor = cerraduraLigando = llave

Receptores de membrana

• Receptores con actividad tirosina quinasa

• Receptores acoplados a proteína G- Sistema adenilato ciclasa-AMPc-Sistema fosfolípidos de membrana- Sistema del calcio

• Los mensajeros hidrosolubles (p.e., hormonas) interaccionan con receptores de la superficie de las células diana.

• El acoplamiento ligando-receptor desencadena una señal intracelular mediada por SEGUNDOS MENSAJEROS. TIPOS:

6. Comunicación intercelular: mensajeros y receptores