Respiración, Entorno Interno, Coordinación y Tecnología Génica

Correr para alcanzar un autobús hace que tu cuerpo ejecute una sinfonía: los músculos queman glucosa más rápido, el corazón duplica su gasto cardíaco, la ventilación aumenta, comienza la sudoración y los riñones reconfiguran su recuperación de agua — todo controlado sin pensamiento consciente. Esta unidad sigue esa maquinaria: respiración a escala molecular, músculo y corazón a escala tisular, nervios y hormonas como controladores, y biología genética como la ventana moderna hacia ellos.

WBI15 Respiración, Ambiente Interno, Coordinación y Tecnología Genética es la segunda unidad IA2: 1 hora 45 minutos, 90 puntos. Evalúa el Tema 7 (Respiración, Músculos y Ambiente Interno) y el Tema 8 (Coordinación, Respuesta y Tecnología Genética), y una pregunta de 20 puntos se basa en un artículo científico previo: lo habrás estudiado con antelación.

La respiración libera energía en pasos, cada uno catalizado por una enzima específica. El resumen de la respiración aeróbica:

Las condiciones anaeróbicas detienen la cadena — el NAD reducido no puede reciclarse — por lo que el piruvato acepta su hidrógeno y se convierte en lactato en el músculo. Después del ejercicio, el lactato se transporta al hígado y se reconstruye en glucosa (necesitando oxígeno: la deuda de oxígeno).

Cociente respiratorio: $\mathrm{RQ} = \mathrm{CO_2}\ \text{produced} / \mathrm{O_2}\ \text{consumed}$. Carbohidrato 1.0, proteína 0.9, lípido ≈ 0.7 — el RQ de un organismo revela qué está quemando.

Ejemplo resuelto. Un respirometro muestra 60 cm³ de CO₂ producidos y 60 cm³ de O₂ consumidos en el mismo intervalo: RQ = 1.0 — carbohidrato. Una semilla germinante con RQ 0.7 está quemando reservas lipídicas.

Un tendón une el músculo al hueso; un ligamento une hueso con hueso a través de una articulación; los músculos trabajan en pares antagonistas. Una fibra muscular esquelética es una célula fusiforme multinucleada llena de miofibrillas de actina y miosina.

La contracción es el ciclo del filamento deslizante: un potencial de acción libera Ca²⁺; el calcio expone los sitios de unión de la actina; la cabeza energizada de miosina (su ATP se ha scindido) se une, tira de la actina y luego se desprende cuando se une nuevo ATP — miles de cabezas por segundo, cada movimiento de unos pocos nanómetros.

Fibras de contracción rápida: gruesas, pocas mitocondrias, rápidas y potentes, se fatigan pronto (sprints). Fibras de contracción lenta: muchas mitocondrias, rica vascularización, mioglobina — resistencia.

El músculo cardíaco es miogénico: late sin entrada nerviosa. El nodo sinoatrial marca el ritmo; la onda se propaga por las aurículas hacia el nodo auriculoventricular, luego a través de las fibras de Purkinje hasta los ventrículos: las aurículas se contraen primero, los ventrículos una fracción de segundo después.

El centro de control cardiovascular y el centro de ventilación en la médula oblongata ajustan ambos sistemas según la demanda: los receptores químicos detectan CO₂ y pH, los barorreceptores detectan presión.

Ejercicio resuelto. En reposo: 70 cm³ × 72 min⁻¹ ≈ 5.0 dm³ min⁻¹. Durante el ejercicio: 120 cm³ × 150 min⁻¹ = 18 dm³ min⁻¹ — el dato que prefieren los exámenes. La ventilación aumenta en proporción, leída de trazados de espirómetro (volumen tidal × frecuencia respiratoria = ventilación minuto).

Homeostasis mantiene el medio interno en equilibrio dinámico: no quietud, sino variables oscilando dentro de límites estrechos. La retroalimentación negativa corrige desviaciones en cualquier dirección (patrón del termostato); la retroalimentación positiva las amplifica (una espiral, no un bucle, como en un potencial de acción o fiebre incontrolada).

La termorregulación se regula a través del hipotálamo: pérdida de calor por vasodilatación y sudoración; conservación de calor por vasoconstricción, escalofríos y erección del vello. La adrenalina prepara la respuesta de lucha o huida: frecuencia cardíaca, glucosa sanguínea y vías aéreas responden simultáneamente.

La sangre entra al glomérulo del nefrona a alta presión —la arteriola aferente es más ancha que la eferente— y las moléculas pequeñas son forzadas a través de los podocitos y la membrana basal hacia la cápsula de Bowman (ultrafiltración: todo excepto células y proteínas grandes). El túbulo contorsionado proximal reabsorbe toda la glucosa y aminoácidos, además de la mayoría de sales y agua (transporte activo seguido de ósmosis). El asa de Henle establece un gradiente de potencial hídrico descendente en la médula mediante multiplicación en contracorriente. El túbulo colector toma la decisión final: la ADH de la hipófisis inserta acuaporinas para reabsorber más agua: orina concentrada cuando hay deshidratación, diluida cuando no.

Los aminoácidos en exceso son desaminados en el hígado; el amoníaco tóxico se convierte en urea para su excreción.

Ejercicio resuelto. Presencia de ADH → paredes del túbulo colector permeables → agua sale a favor del gradiente hacia la sangre medular → volumen pequeño, orina concentrada. El alcohol suprime la ADH: volumen grande, orina diluida.

Un factor de transcripción se une al promotor de un gen y activa o silencia la transcripción. Las hormonas esteroideas difunden a través de la membrana y actúan directamente como factores de transcripción: un mismo gen puede servir a varios tejidos. La epigenética silencia genes sin cambiar la secuencia de bases: metilación del ADN y modificación de histonas (acetilación) compactan el ADN fuera del alcance de la maquinaria de transcripción. Los fallos son importantes: un gen supresor de tumores metilado no puede detener la división celular; errores en el imprinting explican el síndrome de Prader–Willi.

La neurona en reposo bombea Na⁺ hacia afuera y K⁺ hacia adentro (la bomba sodio-potasio), manteniendo el interior a aproximadamente −70 mV. Un estímulo que supera el umbral (aproximadamente −55 mV) abre canales de sodio: un potencial de acción todo-o-nada asciende hasta +30 mV, luego los canales de potasio repolarizan; el período refractario impide el viaje inverso y fija una frecuencia máxima.

En neuronas mielinizadas el impulso salta de nodo en nodo (conducción saltatoria): mucho más rápido. En la sinapsis, la entrada de calcio desencadena vesículas de neurotransmisores que se fusionan con la membrana presináptica; el neurotransmisor difunde y se une a receptores postsinápticos; enzimas eliminan luego el espacio. Los fármacos actúan aquí: los ISRS bloquean la recaptación de serotonina, prolongando la señal; la lidocaína bloquea canales de sodio; la éxtasis (MDMA) inunda la hendidura con serotonina y luego la agota.

El sistema nervioso se divide: SNC (cerebro, médula espinal) y SNE — somático (voluntario) y autónomo (involuntario; simpático acelera, parasimpático calma). Los receptores son transductores: bastones (luz tenue, muchos por célula bipolar —sensibilidad), conos (color, uno-a-uno —agudeza), además de termorreceptores, quimiorreceptores, barorreceptores y nociceptores (dolor). El arco reflejo espinal transmite sensorial → relé → motora en la sustancia gris de la médula: rápido, involuntario, protector. La habitualización es una respuesta decreciente ante un estímulo repetido e inocuo.

Fitoromo alterna entre Pr (absorbe rojo) y Pfr (absorbe infrarrojo lejano); el sesgo rojo de la luz solar deja dominante al Pfr, controlando la germinación y floración por duración del día. La auxina alarga células acidificando paredes; las giberelinas inducen enzimas (amilasa en la capa aleurónica) que movilizan almidón en la germinación.

Puntos de referencia y funciones: hemisferios cerebrales (voluntarios, pensamiento), cerebelo (coordinación, equilibrio), hipotálamo y hipófisis debajo de ellos (homeostasis, hormonas), bulbo raquídeo (corazón, respiración). La RMN muestra la estructura; la fRMN muestra actividad mediante el flujo de sangre oxigenada; la TC realiza escáneres estructurales rápidos; la PET mide el metabolismo con trazadores radiactivos.

Primero la química: la enfermedad de Parkinson es un déficit de dopamina — se trata con L-Dopa, que atraviesa la barrera hematoencefálica y se convierte en dopamina en el cerebro. Los niveles bajos de serotonina se asocian a la depresión — objetivo de los ISRS.

ADN recombinante: una enzima de restricción corta el ADN en su secuencia de reconocimiento, dejando extremos cohesivos; el gen humano (obtenido sin intrones a partir de ARNm) se inserta en un plásmido con ligasa de ADN; el plásmido transforma bacterias huésped; los genes marcadores (resistencia a antibióticos o fluorescencia) seleccionan las células que lo han absorbido. Se escala en un fermentador y las bacterias secretan insulina humana — más limpia y segura que extraerla de cerdos. Los animales transgénicos producen proteínas humanas en la leche; los riesgos y beneficios de los cultivos GM (resistencia, rendimientos frente al flujo génico a parientes silvestres) son la evaluación estándar.

Microarrays identifican genes activos: la muestra de ARNm hibridiza con sondas complementarias en el chip; los puntos que fluorescen marcan los genes que están siendo transcritos. La bioinformática compara secuencias entre especies e individuos — cómo se mide ahora la relación filogenética.

1. Nombra la etapa de la respiración que ocurre en la matriz mitocondrial y uno de sus insumos.
2. Los músculos de un corredor producen lactato. Explica por qué, y qué sucede después con el lactato.
3. Las cabezas de miosina no pueden despegarse sin ATP. Explica qué significa esto para los músculos tras la muerte.
4. Calcula el gasto cardíaco para un volumen sistólico 85 cm³ y frecuencia cardíaca 140 min⁻¹.
5. Explica por qué la arteriola aferente es más ancha que la arteriola eferente.
6. Enuncia dos diferencias entre retroalimentación negativa y positiva, con un ejemplo de cada una.
7. ¿Por qué la mielización aumenta la velocidad de conducción?
8. El umbral de un axón es −55 mV. Un estímulo lo lleva a −60 mV. ¿Qué sucede y por qué?
9. La luz roja convierte la fitocromo en qué forma?
10. Explica por qué se administra L-Dopa en lugar de dopamina directamente.
11. Un punto de microarray fluoresce intensamente. ¿Qué indica eso?
12. ¿Por qué el gen de insulina humana debe sintetizarse a partir de ARNm y no de ADN genómico al insertarlo en bacterias?

Respuestas: 1 la reacción de enlace (o ciclo de Krebs) —entrada piruvato (o acetilo); 2 falta de oxígeno por lo que el NAD reducido se recicla reduciendo el piruvato a lactato; después el lactato va al hígado y se convierte de nuevo en glucosa, usando oxígeno; 3 sin ATP la miosina permanece unida a la actina —rigor mortis; 4 $85 \times 140 = 11\,900\ \text{cm}^3\,\text{min}^{-1} = 11.9\ \text{dm}^3\,\text{min}^{-1}$; 5 la diferencia de presión impulsa la ultrafiltración del plasma hacia la cápsula de Bowman; 6 retroalimentación negativa devuelve una variable hacia su punto fijo (termorregulación); positiva la empuja más lejos (fiebre ascendente); 7 el impulso salta entre los nodos de Ranvier en lugar de despolarizar toda la membrana —pasos menos, pero más grandes; 8 nada —no se alcanza el umbral, por lo que no hay potencial de acción (todo o nada); 9 Pfr; 10 la dopamina no cruza la barrera hematoencefálica pero la L-Dopa sí, y se convierte en dopamina dentro del cerebro; 11 ese gen estaba siendo transcrito activamente —su ARNm estaba presente e hibridado; 12 las bacterias no pueden empalmar intrones, por lo que el gen debe provenir de ARNm maduro que ya carece de ellos.