Guido Ulate MonteroCatedrático

Departamento de FisiologíaEscuela de Medicina

Universidad de Costa Rica

Principio cogito ergo sum

René Descartes (SXVII):

“El cuerpo posee múltiples sistemas de control automático”

“La estabilidad del ambiente interno es la condición primaria para una existencia libre e independiente”

“Muchas variables fisiológicas son reguladas automáticamente”

Walter Cannon (SXX)

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.

Concepto de homeostasis

En los sistemas, debe distinguirse entre el equilibrio y el estado estacionario:

• Equilibrio:– 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

* El libro de texto lo llama equilibrio en estado estacionario.

Los procesos fisiológicos nunca llegan al equilibrio que se alcanza en un tubo de ensayo.

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

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

Del metabolismo:

CHO H2O + CO2

100 g de grasa : 100 mL

100 g de CHO : 60 mL

100 g de proteínas: 45 mL

Sherwood, L. HUMAN PHYSIOLOGY. 6th Ed. Thomson. pag. 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.

Norbert WiernerSe refiere por primera vez

a la cibernética en fisiología.Enfatiza los conceptos sobre

retrocontrol negativo.

Charles Scott SherringtonEstudió los reflejos espinales

Y los relaciona con la teoría decontrol de ingeniería.

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

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.

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.

La retroalimentación negativa

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.

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 100Los 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.

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.

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.

La labor de parto es un ejemplo de retroalimentación positiva

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).

Reostasis o alostasis

Guido Ulate MonteroCatedrático

Departamento de FisiologíaEscuela de Medicina

Universidad de Costa Rica

Me

an

blo

od

pre

ss

ure

(m

m H

g)

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.

Tipos de ritmos biológicos

Tipo 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

cryptochromo

Retinoid related orphan receptor

Proteina F-box

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.

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

Relaciones anatómicas de la pineal y el NSQ

Drucker R. Fisiología Médica. Manual Moderno. pag 513

cervical superior

Células ganglionares con melanopsina (420-440 nm)

Glutamato

GABA

Acetilcolina

Norris, Vertebrate Endocrinology, 4th ed, pag. 157-158

Síntesis de la melatonina

Drucker R. Fisiología Médica. Manual Moderno. pag 514

AANAT: arilalkilamina N-acetil transferasa

Efecto del estímulo simpático en los pinealocitos

ICER: inducible cAMP early repressor

AANAT: arilalkilamina N-acetil transferasa

Tresguerres. Fisiología Humana. 4ta Ed. Pag. 922

Norris, Vertebrate Endocrinology, 4th ed, pag. 160

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

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. En la barra superior se muestran en negro las horas de oscuridad.

6:00 12:00 18:00 24:00 6:00 12:00 18:00 24:00

(mE

q/d

L)

Vander A. Human Physiology. 7ed. McGraw Hill. pag150

Ritmos circadianos de algunos parámetros fisiológicos. Las barras verticales oscuras muestran las horas de oscuridad.

Sodio

18 24 6

Córdova A. Fisiología Dinámica. Masson, 2003, pag 710

12 12 24 618

Me

an

blo

od

pre

ss

ure

(m

m H

g)

Niveles fisiológicos de regulación

1. Nivel intracelular.

2. Nivel local.

3. Nivel sistémico (arcos reflejos)

Centro Integrador

VíaAferente

VíaEferente

RECEPTOR EFECTOR

ESTÍMULO RESPUESTA

Ejemplo de regulación local: NO y ACh en pared vascular

Boron, pag 365

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

La Nación, 2 de agosto del 2012

NFκB

of IκB

A-kinase-interacting protein 1

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.

Un sistema de control cerrado

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.

perturbación

Modelo de referencia

Comparador

Sensor

EfectorAmplificador

Variable controlada

señal de error

señal de gobierno

Sensor

señal de protoalimentación

señal de retroalimentación

CONTROLADOR

Comando central

Algunas características de los sistemas de retrocontrol negativo

1. 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]

2. El modelo de referencia determina la tolerancia de variación. La señal de error y la de gobierno caracterizan la función de transferencia.

3. Velocidad de respuesta de c/u de los elementos del sistema determina la (desfase entre la perturbación y su corrección).

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.