Uno de los temas generales de la biología es que la estructura determina la función; la forma en que algo está dispuesto le permite realizar un trabajo específico. Lo vemos en todos los niveles de la jerarquía de la organización biológica, desde los átomos hasta la biosfera. Veamos algunos ejemplos en los que la estructura determina la función.

• Nivel molecular – proteínas. La forma (estructura) de una proteína determina su función. Por ejemplo, hay dos formas básicas para las proteínas: fibrosa y globular (redonda). Las proteínas fibrosas, como el colágeno (figura 18.1), tienen forma de cuerda y dan fuerza a nuestra piel para evitar que se desgarre. Las proteínas fibrosas son proteínas estructurales porque ayudan a dar forma y sostener la piel. Las proteínas globulares, como la hemoglobina (figura 18.2), sirven para transportar el oxígeno en la sangre. Otros ejemplos de proteínas globulares que tienen diferentes funciones son las enzimas (catalizan o aceleran las reacciones químicas en el organismo) y las proteínas de la membrana plasmática (pueden transportar sustancias a través de la membrana celular, desempeñan un papel en la comunicación celular, actúan como enzimas o ayudan a identificar la célula con el resto del organismo).

• Nivel celular – células musculares esqueléticas. La estructura de las células musculares esqueléticas les permite tener la función de contracción, que nos permite movernos. Por ejemplo, las células musculares esqueléticas que componen el músculo bíceps braquial están unidas a ambos extremos del hueso del húmero por tendones y están llenas de proteínas contráctiles (actina y miosina) (Figura 18.3). Cuando las proteínas contráctiles se contraen, acortan la célula muscular, que entonces tira de los extremos del húmero y permite flexionar el antebrazo (figura 18.4).

• Nivel individual (anatomía y fisiología). En el estudio de los seres humanos, la anatomía es el estudio de la estructura del cuerpo (por ejemplo, dónde se encuentra el músculo cuádriceps) y la fisiología es el estudio de cómo funciona el cuerpo (por ejemplo, cómo se contrae el músculo cuádriceps). Veamos la anatomía del corazón, que dicta su funcionamiento. El corazón consta de cuatro cámaras huecas (aurículas y ventrículos) y está formado por células musculares cardíacas (figura 18.5). Esta estructura permite que el corazón tenga la función de bombear sangre por todo el cuerpo. Si la estructura del corazón cambia (por ejemplo, algunas de las cámaras del corazón se estiran o se dilatan), la función del corazón disminuye, ya que el corazón ya no puede bombear tanta sangre, lo que acabará provocando una insuficiencia cardíaca congestiva.

• Nivel de ecosistema. Un ecosistema consiste en una comunidad de todas las diferentes especies que viven en un área geográfica particular, así como todos los componentes no vivos (ex- agua, arena, luz, oxígeno). Si observamos la estructura de un ecosistema de arrecife de coral, vemos que los corales, que son la especie base, proporcionan protección y hábitat a otras especies (Figura 18.6). El arrecife de coral protege a otras especies, como los peces, de las olas y las corrientes del océano y les proporciona un lugar donde esconderse de los depredadores.

10.2 Tipos de tejidos humanos

El término tejido se utiliza para describir un grupo de células similares que se encuentran juntas en el cuerpo y que actúan conjuntamente para realizar funciones específicas. Desde el punto de vista evolutivo, los tejidos aparecen en organismos más complejos.

Aunque hay muchos tipos de células en el cuerpo humano, se organizan en cuatro categorías de tejidos: epitelial, conectivo, muscular y nervioso. Cada una de estas categorías se caracteriza por funciones específicas que contribuyen a la salud general y al mantenimiento del cuerpo. La alteración de la estructura de un tejido es un signo de lesión o enfermedad. Tales cambios pueden detectarse mediante la histología, el estudio microscópico del aspecto, la organización y la función de los tejidos.

Los cuatro tipos de tejidos

El tejido epitelial, también denominado epitelio, se refiere a las láminas de células que cubren las superficies exteriores del cuerpo, revisten las cavidades y conductos internos y forman ciertas glándulas. Algunos ejemplos de tejido epitelial son la piel, las membranas mucosas, las glándulas endocrinas y las glándulas sudoríparas. El tejido conectivo, como su nombre indica, une las células y los órganos del cuerpo y funciona en la protección, el apoyo y la integración de todas las partes del cuerpo. El tejido conectivo es diverso e incluye hueso, tendones, ligamentos, cartílago, grasa y sangre. El tejido muscular es excitable, responde a la estimulación y se contrae para proporcionar movimiento, y se presenta en tres tipos principales: músculo esquelético (voluntario), músculo liso y músculo cardíaco en el corazón. El tejido nervioso también es excitable, lo que permite la propagación de señales electroquímicas en forma de impulsos nerviosos que se comunican entre diferentes regiones del cuerpo (Figura 18.7).

El siguiente nivel de organización es el órgano, donde dos o más tipos de tejidos se unen para realizar funciones específicas. Al igual que conocer la estructura y la función de las células le ayuda en su estudio de los tejidos, el conocimiento de éstos le ayudará a comprender el funcionamiento de los órganos.

Figura 10.7 Cuatro tipos de tejidos: Cuerpo Los cuatro tipos de tejidos se ejemplifican en el tejido nervioso, el tejido epitelial escamoso estratificado, el tejido muscular cardíaco y el tejido conectivo en el intestino delgado. En el sentido de las agujas del reloj, desde el tejido nervioso, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Micrografías facilitadas por los Regentes de la Facultad de Medicina de la Universidad de Michigan © 2012)

10.3 Sistemas de órganos humanos

Un sistema de órganos es un grupo de órganos que trabajan juntos para realizar las principales funciones o satisfacer las necesidades fisiológicas del cuerpo. La figura 18.8 muestra los once sistemas de órganos distintos del cuerpo humano. La asignación de órganos a sistemas orgánicos puede ser imprecisa, ya que los órganos que «pertenecen» a un sistema también pueden tener funciones integradas en otro sistema. De hecho, la mayoría de los órganos contribuyen a más de un sistema. En este curso, discutiremos algunos, pero no todos estos sistemas de órganos.

La tabla 10.1 que aparece a continuación enumera los 11 sistemas de órganos, sus componentes y funciones.

10.4 Homeostasis

Antes de pasar a discutir los sistemas de órganos individuales, es importante revisar el concepto de homeostasis. La homeostasis se refiere al mantenimiento de un estado relativamente estable dentro del cuerpo. Los órganos y sistemas orgánicos humanos se ajustan constantemente a los cambios internos y externos para mantener este estado estable. Ejemplos de condiciones internas que se mantienen en homeostasis son el nivel de glucosa en sangre, la temperatura corporal y el nivel de calcio en sangre. Estas condiciones se mantienen estables gracias al control por retroalimentación negativa. Si la glucosa o el calcio en sangre se elevan, se envía una señal a los órganos responsables de reducir la glucosa o el calcio en sangre. Las señales que devuelven la variable al rango normal (también llamado punto de ajuste) son ejemplos de retroalimentación negativa. Cuando los mecanismos homeostáticos fallan, la persona enferma y puede morir.

Control de la homeostasis

Cuando se produce un cambio en el entorno de una persona, debe realizarse un ajuste. Un receptor (a menudo una neurona) percibe el cambio en el entorno, luego envía una señal al centro de control (en la mayoría de los casos, el cerebro) que a su vez genera una respuesta que es señalada a un efector, que devuelve la variable regulada al rango normal. El efector es un músculo (que se contrae o se relaja) o una glándula que secreta. La homeostasis se mantiene mediante bucles de retroalimentación negativa. Los bucles de retroalimentación positiva en realidad empujan al organismo más allá de la homeostasis, pero pueden ser necesarios para que haya vida. La homeostasis está controlada por los sistemas nervioso y endocrino.

Mecanismos de retroalimentación negativa

Cualquier proceso homeostático que cambie la dirección del estímulo hacia el rango normal es un bucle de retroalimentación negativa. Puede aumentar o disminuir el estímulo, pero no se permite que el estímulo continúe como lo hacía antes de que el receptor lo percibiera. En otras palabras, si un nivel es demasiado alto, el cuerpo hace algo para bajarlo, y a la inversa, si un nivel es demasiado bajo, el cuerpo hace algo para que suba. De ahí el término retroalimentación negativa. Un ejemplo es el mantenimiento de los niveles de glucosa en sangre. Después de que una persona haya comido, los niveles de glucosa en sangre aumentan. Las células especializadas del páncreas lo detectan y el sistema endocrino libera la hormona insulina. La insulina hace que los niveles de glucosa en sangre disminuyan, como cabría esperar en un sistema de retroalimentación negativa, como se ilustra en la figura 18.9. Sin embargo, si una persona no ha comido y los niveles de glucosa en sangre disminuyen, esto se detecta en otro grupo de células del páncreas, y se libera la hormona glucagón que hace que los niveles de glucosa aumenten. Esto sigue siendo un bucle de retroalimentación negativa, pero no en la dirección esperada por el uso del término «negativo». Los bucles de retroalimentación negativa son el mecanismo predominante utilizado para mantener la homeostasis.

Figura 10.9 Los niveles de glucosa en sangre están controlados por un bucle de retroalimentación negativa. (crédito: modificación del trabajo de Jon Sullivan)

Termorregulación

Otro ejemplo del uso de la retroalimentación negativa para mantener la homeostasis es la termorregulación. Los animales, como los humanos, que mantienen una temperatura corporal constante frente a las diferentes temperaturas ambientales, se denominan endotermos. Somos capaces de mantener esta temperatura generando calor interno (un producto de desecho de las reacciones químicas celulares del metabolismo) que mantiene los procesos celulares funcionando de forma óptima incluso cuando el entorno es frío.

Los termorreceptores (formados por neuronas) de los órganos internos, la columna vertebral y el cerebro envían información sobre la temperatura corporal al centro de control del hipotálamo en el cerebro. El hipotálamo actúa como termostato del cuerpo y puede subir o bajar la temperatura corporal para mantenerla en el rango normal (alrededor de 98,6 ºF o 37 ºC). Si la temperatura corporal es superior a la normal, el hipotálamo envía señales a las glándulas sudoríparas para provocar la sudoración y al músculo liso que rodea los vasos sanguíneos de la piel para provocar la vasodilatación. La vasodilatación, es decir, la apertura de las arterias hacia la piel por la relajación de sus músculos lisos, lleva más sangre y calor a la superficie del cuerpo, facilitando la pérdida de calor y enfriando el cuerpo. A la inversa, si la temperatura corporal está por debajo del rango normal, el hipotálamo indicará a los músculos esqueléticos que se contraigan para provocar escalofríos, lo que generará calor corporal. También se envían señales al músculo liso que rodea los vasos sanguíneos de la piel para provocar la vasoconstricción. La vasoconstricción, el estrechamiento de los vasos sanguíneos de la piel por la contracción de sus músculos lisos, reduce el flujo sanguíneo en los vasos sanguíneos periféricos, forzando la sangre hacia el núcleo y los órganos vitales, conservando el calor.

El rango normal (punto de ajuste) de la temperatura corporal puede cambiar durante una infección. Algunas de las células del sistema inmunitario liberan unas sustancias químicas denominadas pirógenos, que hacen que el hipotálamo restablezca el intervalo normal de la temperatura corporal a un valor más alto, lo que da lugar a la fiebre. El aumento del calor corporal hace que el cuerpo sea menos óptimo para el crecimiento bacteriano y aumenta las actividades de las células del sistema inmunitario para que sean más capaces de combatir la infección.

Retroalimentación positiva

Un bucle de retroalimentación positiva empuja la variable regulada más lejos del rango normal. La retroalimentación positiva no se utiliza a menudo en el cuerpo, pero se utiliza en la coagulación de la sangre, en los estornudos y en la generación de señales nerviosas. Otro ejemplo de retroalimentación positiva son las contracciones uterinas durante el parto, como se ilustra en la figura 18.11. La hormona oxitocina, producida por el sistema endocrino, estimula la contracción del útero. Esto empuja la cabeza del bebé hacia el cuello uterino, estirándolo. El cuello del útero estirado envía una señal a la glándula pituitaria del cerebro para que libere más oxitocina. El aumento de oxitocina provoca contracciones uterinas más fuertes, que empujan al bebé hacia el cuello uterino, estirándolo más. La mayor liberación de oxitocina, las contracciones uterinas más fuertes y el mayor estiramiento del cuello uterino continúan hasta que el bebé nace y el bucle de retroalimentación positiva se desactiva porque el cuello uterino ya no se estira tanto.

Figura 10.11 El nacimiento de un bebé humano es el resultado de la retroalimentación positiva. (Crédito: Openstax Biology 2e)

Adaptado de Openstax Human Biology and Biology 2e

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