Retroalimentación en los sistemas biológicos
Corres en un partido de soccer en Phoenix y tu cuerpo empieza a calentarse. Sin pensarlo, sudas, la piel se enrojece y la temperatura central se mantiene cerca de $37\,^\circ\text{C}$. ¿Cómo "sabe" tu cuerpo cuándo frenar o acelerar cada respuesta? La clave es la retroalimentación: el resultado de un proceso vuelve a influir sobre ese mismo proceso. Al final de la página vuelves a este partido.
Retroalimentación negativa y homeostasis
La homeostasis es la capacidad de un organismo de mantener sus condiciones internas (temperatura, glucosa en sangre, pH) dentro de un rango estrecho. La herramienta principal es la retroalimentación negativa: cuando una variable se aleja del valor normal, el sistema produce una respuesta que reduce ese cambio y la devuelve hacia el valor normal.
Piensa en el termostato de una casa programado a $68\,^\circ\text{F}$. Si la habitación se enfría, enciende la calefacción. Cuando llega a $68\,^\circ\text{F}$, la apaga. La respuesta deshace el cambio, por eso es "negativa". No significa "mala": significa que se opone al cambio.
Todo circuito de retroalimentación tiene las mismas piezas:
| Parte | Qué hace | Termostato | Temperatura corporal |
|---|---|---|---|
| Punto de ajuste (set point) | Valor deseado | $68\,^\circ\text{F}$ | cerca de $37\,^\circ\text{C}$ |
| Estímulo | Cambio que se aleja del punto de ajuste | La habitación se enfría | La temperatura central sube o baja |
| Sensor | Detecta el cambio | Termómetro del termostato | Termorreceptores de la piel y del hipotálamo |
| Centro de control | Compara con el punto de ajuste y decide | Circuito del termostato | Hipotálamo |
| Efector | Ejecuta la respuesta | Calefacción | Glándulas sudoríparas, vasos sanguíneos, músculos |
Fíjate en que el sistema nunca se queda exactamente en el punto de ajuste: oscila un poco alrededor de él. Eso es normal.
Define retroalimentación negativa* y da un ejemplo del cuerpo humano. En tu respuesta indica si la respuesta reduce o aumenta el cambio original.
Define retroalimentación negativa y da un ejemplo del cuerpo humano. En tu respuesta indica si la respuesta reduce o aumenta el cambio original.
Un termostato de una casa está programado a 68 °F. Cuando la habitación se enfría por debajo del punto de ajuste, enciende la calefacción, y cuando la habitación llega…
Un termostato de una casa está programado a 68 °F. Cuando la habitación se enfría por debajo del punto de ajuste, enciende la calefacción, y cuando la habitación llega al punto de ajuste, la apaga. Relaciona las partes de este sistema con las partes de la regulación de la temperatura corporal humana (punto de ajuste cercano a 37 °C): el sensor, el centro de control y el efector. Luego indica si es retroalimentación positiva o negativa.
Después de una comida, la glucosa en sangre de una estudiante sube de 90 mg/dL a 160 mg/dL. En las siguientes dos horas vuelve a unos 90 mg/dL. Usando los papeles de la…
Después de una comida, la glucosa en sangre de una estudiante sube de 90 mg/dL a 160 mg/dL. En las siguientes dos horas vuelve a unos 90 mg/dL. Usando los papeles de la insulina y de las células del hígado y del músculo, explica cómo la retroalimentación negativa produce este regreso. Luego predice qué ocurriría con la glucosa en sangre después de una comida en una persona cuyas células ya no responden a la insulina.
Retroalimentación positiva
En la retroalimentación positiva, la respuesta aumenta el cambio original. El sistema se aleja cada vez más del punto de partida, como una bola de nieve. Por eso no mantiene la homeostasis. Se usa cuando el organismo necesita completar un proceso rápido y definitivo.
Ejemplos clásicos:
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Parto. El bebé estira el cuello uterino, y esto provoca la liberación de oxitocina. La oxitocina intensifica las contracciones, que estiran aún más el cuello uterino, y se libera más oxitocina. Las contracciones pasan de una cada 30 minutos a una cada 3 minutos. El ciclo termina con el nacimiento, cuando ya no hay estiramiento.
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Maduración de la fruta. Una manzana madura libera etileno, un gas que acelera la maduración de las frutas cercanas, que a su vez liberan más etileno. Por eso una manzana madura estropea la bolsa de frutas.
Sin un evento que lo detenga, un ciclo positivo se descontrola. Siempre hay un evento final (el nacimiento, la fruta madura) que lo corta.
Clasifica cada proceso como retroalimentación negativa o positiva: (a) la insulina reduce la glucosa en la sangre después de una comida; (b) la oxitocina intensifica las…
Clasifica cada proceso como retroalimentación negativa o positiva:
(a) la insulina reduce la glucosa en la sangre después de una comida;
(b) la oxitocina intensifica las contracciones del útero durante el parto;
(c) el etileno liberado por una manzana que madura acelera la maduración de la fruta cercana;
(d) el sudor enfría el cuerpo cuando sube la temperatura central.
Durante el trabajo de parto, el tiempo entre contracciones baja de unos 30 minutos al inicio a unos 3 minutos cerca del nacimiento. El estiramiento del cuello uterino…
Durante el trabajo de parto, el tiempo entre contracciones baja de unos 30 minutos al inicio a unos 3 minutos cerca del nacimiento. El estiramiento del cuello uterino desencadena la liberación de oxitocina, que intensifica las contracciones, las cuales estiran aún más el cuello uterino. (a) Describe este ciclo y explica por qué es retroalimentación positiva. (b) Explica por qué la retroalimentación positiva no mantiene la homeostasis. (c) Indica qué evento termina el ciclo.
Retroalimentación en hormonas y en rutas metabólicas
Ejes hormonales
Muchas hormonas se regulan en cadena. La hipófisis libera TSH, que estimula a la tiroides para liberar T4, y la T4 en sangre inhibe la liberación de TSH. Es retroalimentación negativa.
Esto permite interpretar análisis de sangre:
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T4 baja y TSH alta: la tiroides falla (está dañada). Con poca T4, no hay inhibición, así que la hipófisis libera más TSH para intentar compensar.
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T4 alta y TSH baja: puede ser una tiroides hiperactiva que produce T4 sin depender de la TSH. La T4 alta inhibe a la hipófisis y la TSH baja. También podría ser una persona que toma demasiada hormona tiroidea como medicamento.
Inhibición por producto final
Las células también regulan sus rutas metabólicas. Considera la ruta $A \xrightarrow{E_1} B \xrightarrow{E_2} C \xrightarrow{E_3} D$. Si el producto final D se une a un sitio alostérico de la enzima 1 y reduce su actividad, entonces:
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Cuando hay mucho D, la ruta se frena. Cuando D baja, la enzima 1 se activa.
-
La célula no desperdicia el compuesto A ni energía fabricando D de más.
Si una mutación impide que D se una al sitio alostérico, el freno desaparece. D se acumula sin control y se consume más A del necesario. Una gráfica de $[\text{D}]$ en el tiempo subiría sin estabilizarse, en lugar de nivelarse en una meseta.
La hormona tiroidea (T4) normalmente inhibe la liberación de TSH por la hipófisis, y la TSH estimula a la tiroides para que libere T4. Dos pacientes se hacen análisis de…
La hormona tiroidea (T4) normalmente inhibe la liberación de TSH por la hipófisis, y la TSH estimula a la tiroides para que libere T4. Dos pacientes se hacen análisis de sangre:
| Paciente | Nivel de T4 | Nivel de TSH |
|---|---|---|
| A | Bajo | Alto |
| B | Alto | Bajo |
Para el paciente A, supón que la propia glándula tiroides está dañada. Usa la retroalimentación negativa para explicar por qué la TSH es alta. Luego sugiere una posible explicación para los resultados del paciente B.
En una vía metabólica, la enzima 1 convierte el compuesto A en B, la enzima 2 convierte B en C y la enzima 3 convierte C en el producto final D. D se une a un sitio…
En una vía metabólica, la enzima 1 convierte el compuesto A en B, la enzima 2 convierte B en C y la enzima 3 convierte C en el producto final D. D se une a un sitio alostérico de la enzima 1 y reduce su actividad. (a) Explica por qué esto es retroalimentación negativa y qué logra para la célula. (b) Una mutación cambia el sitio alostérico de la enzima 1 de modo que D ya no puede unirse. Predice y justifica qué ocurre con la concentración de D a lo largo del tiempo y con el suministro del compuesto A. (c) Describe con palabras cómo sería una gráfica de la concentración de D en el tiempo para la célula normal en comparación con la mutante.
Analizar datos de un circuito de retroalimentación
El examen AP te pide leer tablas y gráficas. Con este ejemplo practicas el método. Un excursionista camina en Arizona:
| Tiempo (min) | Temperatura central ($^\circ\text{C}$) | Sudoración (L/h) |
|---|---|---|
| 0 | 37.0 | 0.1 |
| 10 | 37.8 | 0.5 |
| 20 | 38.2 | 0.9 |
| 30 | 37.9 | 0.9 |
| 40 | 37.2 | 0.3 |
En un golpe de calor, la temperatura sube tanto que daña proteínas y células, incluidas las del propio sistema de control. La regulación falla y el calor se acumula: se pasa de retroalimentación negativa a un ciclo de tipo positivo.
Volvemos al partido en Phoenix: los termorreceptores detectan que la temperatura central sube, el hipotálamo compara con el punto de ajuste y las glándulas sudoríparas y los vasos de la piel enfrían el cuerpo. Cuando baja la temperatura, la respuesta disminuye. Es retroalimentación negativa.
Se miden la temperatura corporal central y la tasa de sudoración de un excursionista durante una caminata en un día caluroso en Arizona. | Tiempo (min) | Temperatura…
Se miden la temperatura corporal central y la tasa de sudoración de un excursionista durante una caminata en un día caluroso en Arizona.
| Tiempo (min) | Temperatura central (°C) | Tasa de sudoración (L/h) |
|---|---|---|
| 0 | 37.0 | 0.1 |
| 10 | 37.8 | 0.5 |
| 20 | 38.2 | 0.9 |
| 30 | 37.9 | 0.9 |
| 40 | 37.2 | 0.3 |
(a) Identifica el punto de ajuste, el estímulo y la respuesta del efector en este sistema. (b) Explica por qué la tasa de sudoración se retrasa respecto al cambio de temperatura y por qué disminuye después del minuto 30. (c) En un golpe de calor, la temperatura alta puede dañar las células, lo cual puede deteriorar aún más la regulación de la temperatura. Explica cómo esto podría convertir un ciclo de retroalimentación negativa en un peligroso ciclo de retroalimentación positiva.