Biología Compendio VII: Estructura y Fisiología Animal

"Como fisiólogo, me impresiona especialmente la ignorancia común acerca de los órganos corporales y sus funciones. Me parece… que es 'en extremo deshonroso que un Alma Razonable viva en una Mansión de construcción tan Divina como el Cuerpo en el que reside sin conocer en absoluto su exquisita estructura'."

W.B. Cannon, The Way of an Investigator (1945)

Homeostasis, organización y circulación animal

26.1 Homeostasis y regulación interna

La homeostasis se refiere a la tendencia de los procesos fisiológicos que mantienen las condiciones internas del organismo. El cuerpo animal contiene mecanismos de retroalimentación que operan en concierto como sistema coordinado e integrado.

• En la retroalimentación negativa un cambio activa una respuesta que contrarresta cualquier alteración y restaura las condiciones normales (ejemplo, regulación de temperatura o de sistemas hormonales).

• La retroalimentación positiva una variación da pie a sucesos que intensifican el cambio. Por ejemplo, las contracciones uterinas que llevan al parto.

26.2 Organización del cuerpo animal

El cuerpo animal se compone de sistemas que consisten en dos o más órganos, que a su vez, se componen de al menos dos tipos de tejidos que operan juntos. Un tejido es un grupo de células y de material extracelular que forma una unidad estructural y funcional, y se especializa para realizar una tarea específica. Los tejidos animales incluyen:

• El tejido epitelial forma cubiertas membranosas para superficies externas e internas del cuerpo y también da origen a glándulas (ejemplos: piel, glándulas salivales).

• El tejido conectivo normalmente contiene buena cantidad de material extracelular, sirven para unir y sostener órganos del cuerpo. Comprende dermis, hueso, cartílago, tejido adiposo y sangre.

• El tejido muscular se especializa en la ejecución de movimientos. Hay tres tipos de tejido muscular: estriado o esquelético ("carne"), cardiaco (corazón) y liso (paredes de órganos internos).

• El tejido nervioso se especializa en generar y conducir señales eléctricas mediante células nerviosas (neuronas).

Entre los sistemas de órganos en animales están: sistema circulatorio, linfático/inmunológico, digestivo, excretor, respiratorio, endocrino, nervioso, muscular, esquelético, reproductor.

26.3 Características y funciones de los sistemas circulatorios

Los sistemas circulatorios transportan sangre rica en nutrimentos disueltos y oxígeno a las inmediaciones de cada célula, donde se pueden liberar nutrimentos y absorber desechos por difusión; ayudan a regular la temperatura del cuerpo y lo defienden contra enfermedades. Los sistemas circulatorios tienen tres partes: (1) sangre, un líquido: (2) vasos sanguíneos, un sistema de canales para conducir la sangre; y (3) un corazón, una bomba que circula la sangre.

Casi todos los vertebrados tienen sistemas circulatorios cerrados; los invertebrados tienen sistemas cerrados o abiertos. En los sistemas cerrados, la sangre queda confinada al corazón y los vasos sanguíneos. En los sistemas abiertos, el corazón bombea sangre hacia un hemocele, donde baña directamente a los órganos internos.

26.4 La sangre

La sangre se compone de líquido y materiales celulares. El líquido, o plasma, consiste en agua que contiene proteínas, hormonas, nutrimentos, gases y desechos. (1) Los glóbulos rojos (eritrocitos) contienen una proteína (hemoglobina) que contiene hierro y transporta oxígeno; la hormona eritropoyetina regula el número de eritrocitos; proteínas en la membrana plasmática de los glóbulos rojos determinan el tipo de sangre. (2) Hay cinco tipos de glóbulos blancos (leucocitos) que combaten las infecciones. (3) Las plaquetas, que son fragmentos de grandes células (megacariocitos) que permanecen en la médula ósea, son importantes para la coagulación de la sangre.

Tabla 26.1 Principales sistemas de órganos de los vertebrados

26.5 Los vasos sanguíneos y sus funciones

La sangre que sale del corazón viaja (en orden) por arterias, arteriolas, capilares, vénulas, venas y regresa luego al corazón. Cada vaso sanguíneo está especializado para desempeñar su función.

• Las arterias, elásticas y musculares, ayudan a bombear la sangre.

• Los capilares, de pared delgada, intercambian materiales entre las células del cuerpo y la sangre.

• Las venas ofrecen un camino de baja resistencia para regresar al corazón y tienen válvulas unidireccionales que mantienen en un mismo sentido el flujo de sangre.

26.6 El corazón de los vertebrados

El corazón de los vertebrados evolucionó desde uno de dos cavidades en los peces, a uno de tres en los anfibios y la mayoría de los reptiles, y a uno de cuatro en las aves y mamíferos de sangre caliente. La evolución de un transporte de oxígeno eficiente constituyó un apoyo para llevar estilos de vida activos y mantener altas tasas metabólicas y temperaturas corporales constantes.

• En el corazón de cuatro cavidades, la sangre se bombea por separado a los pulmones y al resto del cuerpo, manteniendo separación completa entre sangre oxigenada y desoxigenada. La sangre desoxigenada se recibe del cuerpo en la aurícula derecha y pasa al ventrículo derecho, el cual la bombea a los pulmones. La sangre oxigenada de los pulmones entra en la aurícula izquierda, pasa al ventrículo izquierdo y se bombea al resto del cuerpo.

• La aurícula y el ventrículo derechos se comunican por la válvula tricúspide; la aurícula y el ventrículo izquierdo lo hacen mediante la válvula mitral o bicúspide.

• La sangre es bombeada por dos movimientos: sístole (contracción) y diástole (relajación). Durante la sístole, el corazón se vacía de sangre que sale por las arterias; en la diástole, se llena de sangre que llega por las venas.

El ciclo cardiaco consta de dos etapas: contracción auricular, seguida de contracción ventricular. El nodo sinoatrial, que es el marcapasos del corazón, inicia y coordina las contracciones. El sistema nervioso y hormonas como la epinefrina pueden modificar el ritmo cardiaco.

26.7 El sistema linfático

El sistema linfático elimina el exceso de líquido intersticial que se filtra por las paredes de los capilares sanguíneos. Transporta grasas al torrente sanguíneo desde el intestino delgado y combate infecciones. Consta de vasos linfáticos, tonsilas, ganglios linfáticos, timo y bazo. El timo, que es más activo en niños pequeños, produce linfocitos (glóbulos blancos) que ingieren los antígenos (invasores como virus y bacterias). El bazo filtra sangre haciéndola pasar por macrófagos y linfocitos, que eliminan bacterias y células sanguíneas dañadas.

Respiración y excreción

27.1 El intercambio de gases

El sistema respiratorio sustenta la respiración celular. Aire rico en O2 es inhalado y suministra oxígeno a la sangre, la cual lo lleva a células de todo el cuerpo. La sangre también recoge CO2, producto de la respiración celular, y lo transporta a los pulmones, de donde es liberado a la atmósfera. La transferencia de gases entre el sistema respiratorio y los tejidos se efectúa en una serie de etapas que alternan el flujo masivo con la difusión.

• En entornos húmedos, los animales de cuerpo muy pequeño o aplanado dependen exclusivamente de la difusión a través de la superficie del cuerpo para el intercambio gaseoso.

• Los animales con baja demanda metabólica y/o sistemas circulatorios no muy desarrollados carecen de estructuras respiratorias especializadas. Animales más grandes y activos han desarrollado sistemas respiratorios especializados.

• Los que viven en entornos acuáticos han desarrollado branquias o agallas (peces y muchos anfibios).

• En tierra, las superficies respiratorias húmedas deben protegerse internamente. Esta necesidad ha dado pie al desarrollo evolutivo de tráqueas en insectos, y pulmones en vertebrados terrestres.

27.2 El sistema respiratorio humano

El sistema respiratorio humano consiste en una porción conductora y una de intercambio gaseoso. El aire ingresa por la porción conductora, que consiste en vías respiratorias (nariz y boca, faringe, laringe, tráquea, bronquios y bronquíolos), y llega a la porción de intercambio gaseoso, formada por alveolos pulmonares (bolsas microscópicas).

• La sangre dentro de una densa red de capilares que rodean a los alveolos libera CO2 y absorbe O2 del aire. Casi todo el oxígeno se une a la hemoglobina dentro de los glóbulos rojos. El CO2 se difunde hacia la sangre desde los tejidos y se transporta como: bicarbonato, unido a hemoglobina o disuelto en el plasma.

• La respiración implica succionar activamente aire hacia los pulmones contrayendo el diafragma y los músculos intercostales, lo que expande la cavidad torácica (inspiración). El relajamiento de esos músculos (espiración) hace que la cavidad torácica expulse el aire.

• El ritmo de la respiración es controlado mediante receptores nerviosos, que se originan en el centro respiratorio del bulbo raquídeo, y vigilan los niveles de CO2 en la sangre.

27.3 La excreción en los animales

El sencillo sistema excretor de una planaria consiste en una red de túbulos que se ramifican por todo el cuerpo y juntan desechos y agua en exceso para eliminarlos por poros excretores. Muchos de los invertebrados más complejos (como lombrices de tierra y moluscos) emplean nefridios para filtrar el líquido celómico; los desechos y el exceso de agua se expulsan por el poro excretor. Los vertebrados utilizan nefronas, unidades funcionales de los riñones, donde la sangre se filtra y se forma la orina,

27.4 El sistema urinario de los vertebrados

El sistema urinario consta de riñones, uréteres, vejiga y uretra. Los riñones producen orina, que los uréteres llevan a la vejiga, un órgano de almacenamiento. La distensión de la pared muscular de la vejiga activa la micción, durante la cual la orina sale del cuerpo a través de la uretra.

• Cada riñón consiste en más de un millón de nefronas individuales en una capa exterior. Cada nefrona es abastecida por una arteriola que se ramifica de la arteria renal, formando una masa de capilares con paredes porosas (glomérulo). Ahí, agua y sustancias disueltas se filtran de la sangre mediante presión.

• El filtrado se junta en la cápsula de Bowman, que tiene forma de taza, y se conduce por la porción tubular de la nefrona.

• El túbulo forma el asa de Henle, que crea un gradiente de concentración de sales en derredor suyo. El paso final del filtrado a través de este gradiente por el conducto colector permite concentrar la orina, que desemboca en la pelvis renal, de donde se dirige a los uréteres.

27.5 Funciones de los riñones humanos

• Los riñones son órganos importantes para la homeostasis: (1) eliminan sustancias tóxicas, (2) controlan el pH de la sangre, (3) regulan iones como sodio, cloruro, potasio y sulfato, (4) excretan el exceso de glucosa, vitaminas y aminoácidos.

• El contenido de agua de la sangre se regula con la hormona antidiurética (ADH) que se produce en el hipotálamo y es liberada por la pituitaria posterior. Un volumen bajo y una concentración osmótica alta de la sangre indican deshidratación y estimulan la liberación de ADH al torrente sanguíneo.

• La hormona eritropoyetina secretada por los riñones estimula la producción de globulos rojos, encargados de transportar el oxígeno a todas las células del cuerpo

Nutrición, digestión y control químico hormonal

28.1 Nutrimentos necesarios para los animales

Cada animal tiene requerimientos nutricionales específicos, los cuales incluyen moléculas que pueden desdoblarse para liberar energía (lípidos, carbohidratos), bloques químicos de construcción (proteínas), minerales y vitaminas que apoyan las diversas reacciones químicas del metabolismo.

Tabla 28.1 Principales fuentes de minerales y sus funciones en el ser humano

28.2 La digestión

Los sistemas digestivos realizan cinco tareas: ingestión, desdoblamiento mecánico de los alimentos seguido de desdoblamiento químico, absorción y eliminación de desechos. Estos procesos convierten complejas moléculas de los cuerpos de otros animales y plantas que han sido ingeridos en moléculas más simples que pueden aprovecharse.

• La digestión animal más simple es intracelular, como efectuada en las células individuales de una esponja.

• La digestión extracelular, utilizada por animales más complejos, se efectúa en una cavidad del cuerpo. La forma más simple es una cavidad gastrovascular con forma de bolsa en organismos como planarias e hidras. Otros animales más complejos utilizan un compartimento tubular con cámaras especializadas donde el alimento se procesa en un orden bien definido.

Tabla 28.2 Fuentes de vitaminas y funciones en el ser humano

28.3 Digestión en los mamíferos

En el ser humano, el sistema digestivo consta de dos partes: tubo digestivo (boca, faringe, esófago, estómago, intestinos delgado y grueso) y glándulas anexas (glándulas salivales, hígado, páncreas).

Tabla 28.3 Estructuras y secreciones digestivas

• La digestión comienza en la boca, donde el alimento se desdobla físicamente por masticación y la saliva inicia la digestión química. La mezcla de alimentos y saliva forma el bolo alimenticio.

• El alimento es llevado al estómago mediante ondas peristálticas del esófago. El olor y el sabor de la comida, y la masticación, estimulan secreción de saliva (en la boca) y producción de gastrina (en el estómago), la cual estimula la producción de ácido gástrico.

• En el entorno ácido del estómago, el alimento se deshace formando partículas pequeñas (quimo) y se inicia la digestión de proteínas.

• Gradualmente, el quimo pasa al intestino delgado, donde bicarbonato de sodio producido por el páncreas lo neutraliza. Secreciones del páncreas, hígado y células del intestino delgado completan el desdoblamiento de proteínas, grasas y carbohidratos.

• Al ingresar el quimo en el intestino delgado, las células intestinales producen otras tres hormonas: secretina (estimula la producción de bicarbonato de sodio), colecistocinina (estimula la liberación de bilis y hace que el páncreas secrete enzimas digestivas), y péptido inhibidor gástrico (inhibe la producción de ácido y el peristaltismo del estómago, para que sea lenta la transferencia de alimento al intestino). La mezcla del quimo con todos esos jugos se llama quilo.

• En el intestino delgado, los productos moleculares simples de la digestión se absorben al torrente sanguíneo para distribuirse a las células del cuerpo. El intestino grueso absorbe el agua restante y convierte el material indigerible en heces.

• En el recto, última porción del intestino grueso, se almacena la materia fecal durante corto tiempo; para ser eliminada, posteriormente, a través del ano.

Tabla 28.4 Algunas hormonas digestivas importantes

28.4 Las hormonas animales

Una hormona es una sustancia secretada por las glándulas endocrinas (cúmulos de células embebidas en una red de capilares) y que es transportada en el torrente sanguíneo a una parte del cuerpo donde afecta la actividad de células blanco específicas.

• Las hormonas se secretan al líquido extracelular y se difunden al interior de los capilares.

• Son sintetizadas a partir de aminoácidos (hormonas peptídicas y derivadas de aminoácido), o a partir de lípidos (esteroides y prostaglandinas).

La acción hormonal generalmente se regula por retroalimentación negativa: la hormona causa cambios que inhiben la secreción ulterior de esa hormona. Las hormonas actúan sobre sus células blanco de dos maneras.

• Hormonas peptídicas y derivadas de aminoácido se unen a receptores en la superficie de las células blanco y activan a segundos mensajeros intracelulares, como el AMP cíclico, que a su vez alteran el metabolismo de la célula.

• Hormonas esteroideas se unen a receptores superficiales o atraviesan por difusión la membrana plasmática de su célula blanco y así se unen a receptores en el citoplasma; el complejo hormona-receptor se dirige al núcleo, donde se unen a receptores asociados a los cromosomas, y promueve la transcripción de genes específicos.

28.5 El sistema endocrino de los mamíferos

• Las principales glándulas endocrinas (que liberan hormonas) del cuerpo humano son: el complejo hipotálamo-pituitaria, glándulas tiroides y paratiroides, páncreas, órganos sexuales y glándulas suprarrenales.

• Las glándulas pueden ser exócrinas, cuando no se asocian a las redes capilares y sus secreciones se liberan hacia superficies internas o externas del cuerpo (glándulas salivales y sudoríparas, hígado).

• Las prostaglandinas, a diferencia de otras hormonas, no son secretadas por glándulas distintas; se sintetizan en muchas células del cuerpo, que entonces las liberan.

• Otras estructuras que producen hormonas son la glándula pineal, el timo, los riñones, el corazón, el estómago, el intestino delgado y las células grasas.

Tabla 28.5 Glándulas endocrinas y hormonas de los mamíferos

Acción y sostén: Los músculos y el esqueleto

29.1 Funcionamiento de los músculos

Los músculos de los vertebrados sólo pueden contraerse activamente. Las fibras de los músculos esqueléticos (células musculares) consisten en subunidades (miofíbrillas) rodeadas por el retículo sarcoplásmico.

• Los sarcómeros dentro de cada fibrilla incluyen filamentos gruesos de miosina y filamentos delgados de actina que se alternan, además de dos proteínas accesorias. Al ser estimulados por neuronas motoras en las uniones neuromusculares, los músculos esqueléticos producen potenciales de acción.

• Cuando un potencial de acción invade la fibra muscular, hace que se libere calcio almacenado en el retículo sarcoplásmico. El calcio hace que las proteínas accesorias se separen de los sitios de unión de miosina en las moléculas de actina de los filamentos delgados.

• Una vez que los sitios de unión quedan al descubierto, los puentes cruzados de la miosina se unen a ellos. Con la energía del ATP, los puentes cruzados se flexionan, se sueltan y se vuelven a unir, deslizando los filamentos uno respecto al otro y acortando la fibra muscular.

• Tanto la fuerza como el grado de las contracciones musculares dependen del número de fibras musculares estimuladas y de la frecuencia de los potenciales de acción en cada fibra. Una descarga rápida produce una contracción máxima.

29.2 Organización del sistema muscular

El conjunto de músculos del cuerpo humano suman alrededor de 500 y constituyen el sistema muscular. Las propiedades de los músculos son: excitabilidad, elasticidad, contractibilidad, y tonicidad.

Tabla 29.1 Ubicación, características y funciones de los tres tipos de músculos

• El músculo cardiaco consta de sarcómeros que contienen filamentos gruesos y delgados alternantes. Sus células se contraen forma rítmica y espontánea, sincronizadas mediante señales eléctricas producidas por fibras musculares especializadas del nodo sinoatrial; esto permite la contracción coordinada.

• El músculo liso carece de sarcómeros organizados, y sus células están acopladas eléctricamente mediante nexos intercalados. El músculo liso rodea a los órganos huecos (útero, tracto digestivo, vejiga) y vasos sanguíneos, y produce contracciones lentas, sostenidas y rítmicas que por lo regular son involuntarias.

Los principales músculos en el cuerpo humano se encuentran organizados en la cabeza (frontal, nasales, buccionadores, risorios, orbiculares la párpados y labios, maseteros), en el tronco (pectorales, intercostales, trapecios, dorsales, diafragma, abdominales), en extremidades superiores (deltoides, bíceps, triceps, flexores y extensores de dedos), y en extremidades inferiores (glúteos, cuadriceps, bíceps femoral, gastrocnemio, gemelos)

29.2 El esqueleto

Los animales presentan tres tipos de esqueletos: (1) los esqueletos hidrostáticos (en los cnidarios, moluscos y gusanos) consisten en un líquido confinado en una cámara y rodeado por músculo; (2) los exoesqueletos (presentes en los artrópodos) son cubiertas externas con articulaciones flexibles; (3) los endoesqueletos, que incluyen el esqueleto óseo de vertebrados, están presentes en los equinodermos y en los cordados.

• El esqueleto de los vertebrados proporciona sostén al cuerpo, sitios de unión para músculos y protección para órganos internos. Los glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas se forman en la médula de los huesos. El hueso actúa como almacén de calcio y fósforo.

• El esqueleto axial incluye el cráneo, la columna vertebral y la caja torácica. El esqueleto apendicular incluye los cinturones pectoral y pélvico y los huesos de los brazos, manos, piernas y pies.