Los tres componentes principales de la homeostasis son un receptor, un centro de control y un efector. El receptor recoge información del entorno y la transmite al centro de control. El centro de control, a su vez, procesa la información y envía señales al efector. El efector, entonces, produce una respuesta basada en la señal del centro de control.
Tabla de contenidos
La homeostasis es la tendencia a no desviarse del rango de condiciones internas favorables o ideales. Dichas condiciones deben mantenerse constantes. Mantener una condición interna estable es crucial para cualquier forma de ser vivo. Se emplean diferentes estrategias fisiológicas para mantener el buen funcionamiento de un sistema a pesar de la dinamicidad del entorno externo. De hecho, esta capacidad es una de las características de estar vivo. En lugar de no hacer nada, actúa y resiste el efecto de los factores externos para no desviarse del estado de equilibrio, estabilidad o balance que favorece. En el ser humano, la homeostasis se mantiene a través de mecanismos reguladores, cada uno de los cuales consta de tres componentes generales: un receptor, un centro de control y un efector. El mecanismo homeostático puede adoptar la forma de un bucle, que puede ser positivo o negativo. La retroalimentación positiva conduce a una mayor estimulación o aceleración del proceso, mientras que la retroalimentación negativa conduce a la inhibición de la (fuente de) estímulo o a la desaceleración del proceso. Ejemplos de retroalimentación positiva son las contracciones del parto, la coagulación de la sangre y la generación de potencial de acción. Ejemplos de retroalimentación negativa son la termorregulación, la regulación de la glucosa en sangre, el barorreflejo en la presión sanguínea, la homeostasis del calcio, la homeostasis del potasio y la osmorregulación.
Definición de homeostasis
La definición de homeostasis en biología es la capacidad o la tendencia del cuerpo o de una célula a buscar y mantener una condición de equilibrio -un entorno interno estable- mientras hace frente a los cambios externos. Utiliza controles de retroalimentación y otros mecanismos de regulación para mantener un entorno interno constante. Puede interpretarse como una habilidad de un organismo vivo en su esfuerzo por mantenerse dentro del rango óptimo a pesar de las condiciones ambientales fluctuantes. Por lo tanto, en el contexto biológico, la palabra homeostasis implica múltiples mecanismos fisiológicos para mantener y estabilizar el estado funcional y normal de un organismo.
Etimología: El término homeostasis proviene del griego antiguo ὅμοιος (hómoios, que significa «similar»), de στημι (hístēmi, «estar quieto») y stasis, de στάσις (stásis, que significa «estar de pie»). El concepto de homeostasis fue descrito por primera vez en 1865 por el fisiólogo francés Claude Bernard. Sin embargo, el término fue acuñado posteriormente, en 1962, por el fisiólogo estadounidense Walter Bradford Cannon. Variante: homoeostasis.
Un organismo necesita un sistema que interconecte eficazmente varios procesos y funciones biológicas. El cuerpo humano, por ejemplo, tiene órganos corporales formados por células que funcionan al unísono. Estos órganos, aunque distintos entre sí, tienen que trabajar conjuntamente para mantener un conjunto de condiciones internas dentro del rango ideal. Existen varios procesos homeostáticos y cada uno de ellos funciona regulando determinadas variables del medio interno.
La homeostasis en el cuerpo humano
El cuerpo humano no podría funcionar eficazmente si se produjera un desequilibrio prolongado en las condiciones físicas internas y en la composición química. Al igual que cualquier otro ser vivo, el cuerpo humano emplea varios mecanismos homeostáticos para mantener su funcionamiento óptimo.
Variables como la temperatura corporal, el pH, el nivel de sodio, el nivel de potasio, el nivel de calcio y el nivel de azúcar en sangre tienen que mantenerse dentro del rango homeostático. El rango homeostático se define como los límites superior e inferior permitidos para una variable concreta. Si se sobrepasa este rango, el cuerpo no podrá realizar sus tareas y se volverá disfuncional. Para que el organismo mantenga estas variables dentro de unos límites eficaces, se emplean diversos mecanismos de regulación y cada uno de ellos está formado por tres componentes generales.
Componentes de la homeostasis
Los componentes de la homeostasis son: (1) un receptor, (2) un centro de control y (3) un efector. El receptor, como su nombre indica, es la parte de un sistema homeostático que recibe información sobre el estado del organismo. Vigila y percibe los cambios en su entorno, tanto el interno como el externo. Tiene la forma de una terminal nerviosa sensorial que recibe la información (es decir, el estímulo) y luego responde produciendo un impulso nervioso según el tipo, la presencia/ausencia o el alcance de la estimulación. Los ejemplos de receptores en el cuerpo humano son los siguientes:
- Fotorreceptores, es decir, receptores que reaccionan a los estímulos luminosos
- Células receptoras olfativas, es decir, receptores en el epitelio olfativo en el techo de la nariz que reaccionan a los olores o al olfato
- Receptores de gustación, es decir.e. receptores del gusto
- Células receptoras auditivas, es decir, receptores en el epitelio del órgano de Corti que reaccionan a los estímulos sonoros
- Termorreceptores, es decir, receptores en una célula sensorial sensible a los cambios de temperatura
- Mecanorreceptores, es decir.e. receptores en la piel que reaccionan a diversos estímulos mecánicos
- Interoceptores, es decir, receptores que responden a estímulos dentro del cuerpo
- Nociceptores, es decir, receptores responsables de detectar o responder al dolor
- Quimiorreceptores periféricos, es decir.e. receptores que responden a los cambios químicos en la sangre, por ejemplo, la concentración de oxígeno
- Waddingtoniano homeostasis
- Homeostasis genética
- Equilibrio homeostático
- Mecanismo de retroalimentación
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Los centros de control pertenecen al componente homeostático que procesa los impulsos transmitidos por los receptores. Algunos ejemplos son el centro respiratorio y el sistema renina-angiotensina. Los efectores son el objetivo de la respuesta homeostática que provocaría la reversión de las condiciones al rango óptimo o normal. A nivel tisular u orgánico, están ejemplificados por el músculo o la glándula. A nivel celular, son los receptores de un nervio, incluidos los receptores nucleares.
Estos tres componentes funcionan detectando primero y respondiendo después a la información (es decir, al estímulo) por los receptores de las células sensoriales. Responden al cambio detectado en el entorno transmitiendo la información al centro de control para su procesamiento, o directamente a un efector objetivo concreto. El procesamiento en el centro de control implica la deliberación y la determinación de la respuesta adecuada a los estímulos transmitidos. A continuación, envía este mensaje a los efectores. Los efectores, al recibir el mensaje, provocan la supuesta respuesta que revertirá en el rango homeostático normal. A nivel celular, los receptores nucleares activados actuarán regulando al alza (o a la baja) la expresión de ciertos genes. La proteína producida a partir de la expresión del gen ejercería entonces su efecto en el órgano diana.
Mecanismos homeostáticos
Los mecanismos homeostáticos que responden a una perturbación pueden tener la forma de un mecanismo de bucle (llamado mecanismo de retroalimentación) que puede ser positivo o negativo. La retroalimentación positiva mantiene la dirección del estímulo. Tiende a acelerar o promover el efecto del estímulo. Algunos ejemplos son las contracciones del parto, la coagulación de la sangre y la generación de potenciales de acción. La retroalimentación negativa es un sistema de autorregulación y se emplea en varios sistemas biológicos. Invierte la dirección del estímulo y tiende a inhibir la fuente de estímulo o a ralentizar el proceso metabólico. Algunos ejemplos son la termorregulación, la regulación de la glucosa en sangre, el barorreflejo en la presión arterial, la homeostasis del calcio, la homeostasis del potasio y la osmorregulación.
Contracciones del parto
La contracción del parto durante el mismo es una retroalimentación positiva ya que la contracción inicial del músculo uterino conduce a más contracciones. En lugar de inhibir la contracción, el cuerpo tiende a producir más contracciones. En el parto, la hipófisis posterior libera oxitocina, que estimula la contracción muscular. En el parto, la liberación de oxitocina aumenta aún más, intensificando las contracciones musculares hasta que el neonato es empujado fuera del canal de parto.
Coagulación de la sangre
La formación de un coágulo de sangre es un ejemplo de retroalimentación positiva. La conversión de la sangre de un líquido a una forma sólida conlleva la activación en serie de los factores de coagulación. En cuanto se activa un factor de coagulación, se activa el siguiente, lo que da lugar a la formación de un coágulo de fibrina. En este proceso se mantiene la dirección del estímulo.
Generación del potencial de acción
En la señalización de las neuronas, la retroalimentación positiva se demuestra durante la despolarización de la membrana. A medida que el impulso nervioso se transmite a lo largo del axón de la neurona, los canales de sodio activados por voltaje se abren en serie a lo largo del axón. La primera serie de canales de sodio activados por voltaje se abre, dando lugar a la entrada de iones de sodio. Esto, a su vez, provoca la despolarización de la zona circundante, lo que significa que el siguiente conjunto de canales de sodio con voltaje se abrirá.
Termorregulación
La termorregulación es un ejemplo de retroalimentación negativa. Se refiere a la regulación homeostática de la temperatura corporal. El cuerpo humano tiende a mantener una temperatura interna de unos 98,6 grados Fahrenheit (98,6 ˚F, equivalente a 37 ˚C), también denominada punto de ajuste. La temperatura central está regulada principalmente por el sistema nervioso, en particular el hipotálamo anterior y el área preóptica del cerebro.
Cuando la temperatura ambiente es inferior a la temperatura de la piel, se produce una pérdida de calor. Esto significa que en entornos más fríos (por ejemplo, durante la estación fría de invierno) el cuerpo pierde calor principalmente por las manos y los pies. Como resultado, la temperatura central desciende. El centro termorregulador del cerebro lo detecta y pone en marcha mecanismos de control para devolver la temperatura central al punto de referencia. Uno de los mecanismos homeostáticos consiste en temblar para generar calor. El centro termorregulador del cerebro envía señales a los músculos para que tiemblen. Dado que el cuerpo permanece inmóvil mientras tiembla, se disipa menos calor al entorno.
Por otro lado, cuando la temperatura ambiente es superior a la de la piel, el cuerpo gana calor y, en consecuencia, la temperatura central aumenta. Esto ocurre durante los calurosos días de verano. El centro de control de la termorregulación en el cerebro responde, por ejemplo, estimulando las glándulas sudoríparas ecrinas para que segreguen sudor para enfriar el cuerpo (por enfriamiento evaporativo).
La termorregulación es un importante mecanismo homeostático no sólo en los seres humanos, sino también en los mamíferos. Los mamíferos mantienen una temperatura corporal constante que los hace característicamente de sangre caliente. El cuerpo mantiene una temperatura central óptima a través de la regulación interna mediante un sistema corporal compuesto por termorreceptores en el hipotálamo, el cerebro, la médula espinal, los órganos internos y las grandes venas.1 Otra forma es la alostasis, que es una forma conductual de regulación homeostática. Por ejemplo, cuando hace calor, tienden a buscar lugares más frescos y sombreados, y/o no se mueven mucho. Durante la estación fría, buscan lugares cálidos y tienden a aumentar su actividad. Algunas especies, como los pájaros, se acurrucan o anidan juntos para calentarse.2 Los humanos, por su parte, idearon ciertas herramientas, sistemas y equipos para ayudar a conseguir una temperatura ambiente tolerable o ideal dentro de sus refugios. Por ejemplo, la calefacción radiante en forma de radiadores de vapor, calefacción radiante en el suelo, calefacción en la pared, calentadores de mampostería y calefacción solar pasiva, pueden calentar superficies y objetos de manera eficiente y producir un calor uniforme y confortable. Lea más datos sobre la calefacción radiante.
Homeostasis de la sangre
La sangre humana está compuesta por elementos celulares y plasma. Mientras que los elementos celulares incluyen las células sanguíneas y las plaquetas, el plasma está formado principalmente por agua, aproximadamente un 95% en volumen, y el porcentaje restante incluye proteínas disueltas (por ejemplo, albúminas séricas, globulinas, fibrinógeno), glucosa, factores de coagulación, electrolitos, hormonas, dióxido de carbono y oxígeno. Los niveles de estos componentes en el plasma sanguíneo pasan por una regulación homeostática. Por ejemplo, el nivel de azúcar en la sangre se regula para establecer la concentración de glucosa en sangre dentro del límite tolerable. El cuerpo mantiene la homeostasis en este sentido en gran medida a través del páncreas. El páncreas es una estructura glandular compuesta por dos tipos principales de células: las alfa y las beta. Las células alfa producen y segregan glucagón, mientras que las células beta, insulina. El glucagón y la insulina son hormonas del páncreas que regulan la concentración de glucosa en la sangre. La insulina, en particular, reduce los niveles de azúcar en sangre incitando a los músculos esqueléticos y a los tejidos grasos a captar la glucosa del torrente sanguíneo. También incita a las células del hígado a captar glucosa y almacenarla en glucógeno. A la inversa, el glucagón eleva el nivel de azúcar en sangre estimulando al hígado para que convierta el glucógeno almacenado en glucosa mediante la glucogenólisis o produzca glucosa mediante la gluconeogénesis y la libere en el torrente sanguíneo. Así, cuando el nivel de glucosa es alto en la circulación sanguínea (por ejemplo, al consumir un alimento rico en carbohidratos), las células beta del páncreas segregan insulina e inhiben a las células alfa de segregar glucagón. Pero cuando el nivel de glucosa desciende (por ejemplo, durante un entrenamiento que exige energía), las células alfa secretan glucagón y la secreción de insulina se detiene.
Otro ejemplo de retroalimentación negativa es la regulación homeostática de la presión arterial. La presión arterial es la fuerza que ejerce la sangre circulante al chocar con las paredes arteriales. La presión proviene del corazón cuando crea un acto de pulsación. Esta presión sanguínea se regula dentro del rango homeostático a través del centro cardiovascular. Este centro de control tiene tres actividades distintas relacionadas con la regulación de la presión sanguínea3:
(1) El centro cardíaco envía impulsos nerviosos a los nervios cardíacos simpáticos para aumentar el gasto cardíaco (aumentando la frecuencia cardíaca).
(2) El centro cardíaco que envía impulsos nerviosos a los nervios vagos parasimpáticos para disminuir el gasto cardíaco (mediante la disminución de la frecuencia cardíaca).
(3) El centro vasomotor que regula el diámetro de los vasos sanguíneos.
El centro cardiovascular recibe información sobre los cambios de la presión sanguínea de los receptores, por ejemplo, los barorreceptores. Los barorreceptores son los receptores que se encuentran principalmente en el seno carotídeo. Son sensibles a los cambios de la presión arterial. Por ejemplo, cuando la pared arterial se estira por un aumento del volumen de sangre, los barorreceptores detectan el consiguiente aumento de la presión arterial. Envían señales a las células del músculo cardíaco auricular para que secreten péptido natriurético auricular (PNA) en el torrente sanguíneo. El PNA es un potente vasodilatador cuyas acciones incluyen la reducción de la presión arterial. En este sentido, su órgano diana es el riñón que, además de la función principal de excretar los desechos del cuerpo en forma de orina, también desempeña un papel importante en la gestión del volumen sanguíneo a través del sistema renina-angiotensina-aldosterona. En concreto, el PNA estimula al riñón para que deje de segregar renina.
La renina es una enzima que convierte el angiotensinógeno del hígado en angiotensina I. La angiotensina I es convertida a continuación por la enzima convertidora de angiotensina en los pulmones en un potente péptido vasoconstrictor, la angiotensina II. Este último hace que el vaso sanguíneo objetivo se contraiga, aumentando así la resistencia periférica. El aumento de la resistencia periférica provoca un aumento de la presión arterial. La angiotensina II también actúa sobre las glándulas suprarrenales estimulándolas para que secreten aldosterona. La aldosterona reduce la producción de orina. Lo hace al entrar en las células principales del túbulo distal y del conducto colector de la nefrona renal para unirse al receptor nuclear de mineralocorticoides. Esto activa la célula para que libere iones de sodio (Na+) a través de las bombas basolaterales de Na+/K+. Tres iones de Na+ son liberados fuera de la célula hacia el líquido intersticial. Al mismo tiempo, 2 iones K+ entran en la célula desde el líquido intersticial. Como resultado, un gradiente de concentración hace que los iones de Na+ y el agua entren en el torrente sanguíneo (en cuanto a los iones de K+, son secretados desde el lumen del conducto colector hacia la orina). La reabsorción de iones de Na+ y agua en la sangre aumenta el volumen sanguíneo.
Al inhibir la secreción de renina por parte del riñón, también se inhibirían sus efectos y los acontecimientos subsiguientes. Como resultado, el volumen sanguíneo disminuye y la presión arterial baja.
Homeostasis del calcio
Las células principales de las glándulas paratiroides y las células parafoliculares de las glándulas tiroideas son células sensoriales sensibles a los niveles de iones de calcio (Ca2+). El descenso de los iones de calcio en el plasma incita a las células principales a secretar la hormona paratiroidea, mientras que el aumento de los iones de calcio incita a las células parafoliculares a secretar calcitonina.4
Un descenso del nivel de Ca2+ provoca la liberación de la hormona paratiroidea. El aumento de esta hormona que circula en la sangre incita a la resorción ósea. Además, la hormona provoca la excreción de iones de fosfato a través de la orina. La excreción de iones de fosfato impedirá que éstos se unan al Ca2+. De este modo, el Ca2+ no unido puede ser liberado al plasma, corrigiendo el nivel de Ca2+. Además, la hormona también actúa en los riñones. Estimula al riñón para que libere calcitriol en la sangre. El calcitriol se dirige a las células epiteliales del duodeno y del yeyuno del intestino delgado para que aumenten su capacidad de absorción del calcio desde la luz intestinal y lo liberen a la sangre. 5
El aumento de Ca2+ hace que las células parafoliculares secreten calcitonina en la sangre. Esta hormona, a su vez, se dirige a las células óseas, estimulando a estas últimas para que absorban el calcio y lo conviertan en una forma insoluble dentro del hueso, eliminando así el exceso de Ca2+ en la sangre.
El organismo corrige los niveles de potasio mediante la acción del complejo suprarrenal. Una concentración elevada de potasio en el plasma conduce a la despolarización de la membrana de la zona glomerulosa en la corteza suprarrenal.6 Esto incita a la liberación de aldosterona en la sangre. Esta hormona actúa sobre el riñón. Estimula la excreción del exceso de iones de potasio en la orina. Lo hace a través de las bombas basolaterales de sodio/potasio de las células epiteliales tubulares. Cada una de estas bombas funciona liberando tres iones de sodio fuera de la célula y tomando dos iones de potasio en la célula. Debido al gradiente de concentración iónica resultante, los iones de sodio se reabsorben en la sangre y luego los iones de potasio se secretan en el lumen del conducto colector, para su excreción final a través de la orina.
Osmorregulación
Los fluidos corporales del cuerpo humano son de dos tipos principales: el fluido intracelular (fluido dentro de la célula) y el fluido extracelular (fluido fuera de la célula). Ambos tipos están formados principalmente por agua. La cantidad de moléculas de agua entre estos dos fluidos necesita ser regulada y estabilizada. El organismo lo hace mediante la osmorregulación. El mecanismo homeostático lo inician los osmorreceptores del hipotálamo. Estos receptores son sensibles a los cambios de presión osmótica. Cuando estos receptores detectan hipertonicidad (más solutos) o hiperosmolalidad en el medio extracelular, se libera vasopresina en la circulación. En el caso de la osmorregulación, la vasopresina se dirige al riñón para que ejerza una respuesta antidiurética, en particular promoviendo la reabsorción de agua, con lo que se inhibe una mayor pérdida de agua. Además de la liberación de vasopresina, el hipotálamo también estimula el centro de la sed del cerebro para aumentar la necesidad de beber agua. En caso de hipoosmolalidad en el ambiente externo, hay un nivel bajo de vasopresina en el plasma. En consecuencia, el agua no se reabsorbe en los túbulos renales y, por tanto, se excreta en la orina.
Importancia biológica de la homeostasis
La homeostasis es importante para mantener y sostener la vida. Sin estos mecanismos homeostáticos que aseguren que las variables innatas se mantengan dentro de los valores óptimos o adecuados, habría inestabilidad en el organismo. El sistema no podría funcionar de forma adecuada y eficiente. A la larga, el individuo enfermaría, o peor aún, se enfrentaría a la muerte por la incapacidad del organismo de rectificar las variables erróneas que impiden al sistema funcionar como debería.
Lee: Homeostasis fisiológica y mecanismos homeostáticos y comunicación celular
Términos relacionados
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