Fisiología Humana: Sistemas Cardiovascular, Digestivo, Renal, Endocrino y Respiratorio

1. Sistema Cardiovascular y Hemodinámica

Funciones Generales y Estructura Cardíaca

El sistema circulatorio cumple tres funciones básicas: transporte, regulación y protección. Se trata de un circuito cerrado que moviliza entre 5 y 15 litros de volumen sanguíneo por minuto.

El corazón está constituido principalmente por tejido miocárdico y revestido internamente por el endocardio; presenta cuatro cavidades (dos aurículas y dos ventrículos). El lado derecho maneja retorno venoso desoxigenado y el lado izquierdo impulsa sangre oxigenada. Su función se basa en la alternancia rítmica de sístole (contracción) y diástole (relajación) en aurículas y ventrículos. Las válvulas semilunares comunican ventrículos con arterias, mientras que las válvulas auriculoventriculares comunican aurículas con ventrículos, abriéndose y cerrándose simultáneamente de forma coordinada.

Circuitos Sanguíneos

• Circulación Pulmonar (Menor): La sangre desoxigenada de los tejidos entra a la aurícula derecha, pasa al ventrículo derecho, emerge por el tronco pulmonar hacia los pulmones para oxigenarse y retorna por las venas pulmonares hacia la aurícula izquierda.
• Retorno Venoso: La sangre desoxigenada abandona los órganos periféricos a través de las venas cavas para desembocar en la cavidad auricular derecha.
• Circulación Sistémica (Mayor): La sangre oxigenada proveniente de la aurícula izquierda pasa a través de la válvula mitral al ventrículo izquierdo y es expulsada a la aorta para irrigar todo el organismo.

El gasto cardíaco es el volumen de sangre bombeado por cada ventrículo por unidad de tiempo; en condiciones normales ambos ventrículos bombean volúmenes idénticos para mantener el equilibrio circulatorio, igualando el retorno venoso con la eyección sistémica.

Principios de Hemodinámica

La hemodinámica describe las fuerzas físicas que rigen la presión, el flujo, la resistencia y la distensibilidad vascular:

1. Presión: Es la fuerza hidrostática generada por el corazón contra las paredes vasculares (mayor en arterias que en venas). El movimiento de la sangre depende estrictamente de un gradiente de presión; sin gradiente, no existe flujo.
2. Flujo y Velocidad: Es el volumen que atraviesa un punto específico por unidad de tiempo. Puede ser laminar (capas concéntricas con perfil parabólico: velocidad máxima central y mínima contra la pared) o turbulento (flujo desordenado que rompe las láminas de desplazamiento).
3. Resistencia: Oposición que ofrece el lecho vascular al paso del fluido. Se relaciona directamente con la viscosidad y longitud vascular, e inversamente con el radio vascular a la cuarta potencia.
4. Distensibilidad: Capacidad pasiva de expansión de la pared vascular ante aumentos de presión interna, permitiendo cambios de volumen.

Estructura y Función de los Vasos Sanguíneos

La pared vascular típica consta de tres capas:

• Túnica Íntima: Formada por endotelio vascular (epitelio escamoso simple) soportado por una membrana basal.
• Túnica Media: Células de músculo liso fusiforme y fibras elásticas perimetrales; encargada de la vasoconstricción y vasodilatación.
• Túnica Adventicia: Capa externa de tejido conectivo rico en colágeno.

Clasificación funcional de los vasos:

• Arterias: Vasos de distribución de gran diámetro y paredes gruesas con abundante elastina, capaces de convertir el flujo pulsátil cardíaco en continuo.
• Arteriolas: Vasos de resistencia por excelencia; su gruesa capa de músculo liso actúa como compuerta de control hacia los lechos capilares, manteniendo la presión arterial.
• Capilares: Vasos microscópicos formados únicamente por una capa endotelial delgada; representan la superficie de difusión e intercambio de agua, nutrientes y metabolitos entre sangre y líquido intersticial.
• Vénulas y Venas: Vasos colectores y de reserva volumétrica (albergan entre el 60% y 70% del volumen sanguíneo); poseen paredes delgadas, baja resistencia, alta distensibilidad y válvulas unidireccionales que favorecen el retorno.

Presión Arterial y Regulación Barorreceptora

La presión arterial varía con el ciclo cardíaco: alcanza su máximo durante la sístole ventricular (presión sistólica, aprox. 120 mmHg) y su mínimo durante la relajación diastólica (presión diastólica, aprox. 70 mmHg). La presión de pulso (PP) es la diferencia entre ambas (aprox. 50 mmHg). La Presión Arterial Media (PAM) se calcula como:

$$\text{PAM} = \text{PD} + \frac{1}{3}(\text{PS} - \text{PD})$$

También se define mediante el producto del gasto cardíaco y la resistencia periférica total ($\text{PAM} = \text{GC} \times \text{RPT}$). La medición puede ser directa (canulación intraarterial) o indirecta (esfigmomanómetro: primer ruido de Korotkoff indica sístole y su desaparición indica diástole).

Reflejo Barorreceptor: Los barorreceptores son mecanorreceptores ubicados en el seno carotídeo y en el cayado aórtico. Ante un aumento de la PAM, se activan y envían señales al bulbo raquídeo a través de los nervios glosofaríngeo y vago. Como respuesta:

• Disminuye la actividad simpática (menor liberación de noradrenalina), produciendo vasodilatación arteriolar periférica y venodilatación (menor retorno venoso y gasto).
• Aumenta la actividad parasimpática sobre el nodo sinoauricular, reduciendo la frecuencia cardíaca.

Microcirculación y Dinámica Capilar de Starling

El flujo hacia los lechos capilares está regulado por esfínteres precapilares y anastomosis arteriovenosas. Tipos de capilares:

• Continuos: Presentes en músculo, pulmón, tejido adiposo y sistema nervioso central (barrera hematoencefálica); cuentan con uniones estrechas e intercelulares continuas.
• Fenestrados: Presentan poros para el transporte rápido de solutos en riñones, glándulas endocrinas e intestino.
• Discontinuos o Sinusoides: Presentan poros amplios y discontinuidad endotelial en hígado, bazo y médula ósea.

El movimiento de fluidos depende de las Fuerzas de Starling: balance entre la presión hidrostática capilar ($P_c$, que empuja líquido hacia el intersticio), la presión hidrostática intersticial ($P_{if}$), la presión oncótica plasmática ($\pi_p$, que retiene líquido por proteínas plasmáticas) y la presión oncótica intersticial ($\pi_{if}$).

Sistema Linfático

Sistema unidireccional que recolecta el ultrafiltrado intersticial no reabsorbido por los capilares venosos (linfa) y lo devuelve a la circulación general a través del conducto torácico y la vena subclavia. Su bloqueo genera edema. Los ganglios linfáticos filtran la linfa y facilitan la respuesta inmunológica mediante linfocitos y macrófagos tisulares.

Electrocardiograma y Ciclo Cardíaco

El sistema de conducción especializado comprende: nodo sinoauricular (marcapasos fisiológico, automatismo por corriente marcapasos funny y entrada de $Ca^{2+}$), vías internodales, nodo auriculoventricular (retraso del impulso), haz de His y red de Purkinje.

El electrocardiograma estándar registra:

• Onda P: Despolarización auricular.
• Complejo QRS: Despolarización ventricular (la repolarización auricular queda oculta).
• Onda T: Repolarización ventricular.

El ciclo cardíaco se divide en 5 fases principales:

1. Diástole tardía: Llenado pasivo ventricular con apertura de válvulas AV.
2. Sístole auricular: Despolarización y contracción de las aurículas, aportando el último 20% del llenado ventricular.
3. Contracción ventricular isovolumétrica: Cierre de válvulas AV (primer ruido cardíaco, $R_1$). La presión se eleva sin cambio de volumen.
4. Eyección ventricular: Apertura de válvulas semilunares y salida forzada de sangre a las grandes arterias.
5. Relajación ventricular isovolumétrica: Cierre de las válvulas semilunares (segundo ruido cardíaco, $R_2$) al descender la presión intraventricular.

2. Sistema Digestivo

Organización Estructural y Capas Tisulares

El tubo digestivo se extiende por unos 9 metros e incluye boca, faringe, esófago, estómago, intestino delgado, intestino grueso y estructuras anexas (lengua, dientes, glándulas salivales, páncreas exocrino, hígado y vesícula biliar). De la luz hacia afuera presenta cuatro capas:

1. Mucosa: Epitelio de revestimiento, lámina propia (tejido conectivo con capilares y nódulos linfáticos) y muscular de la mucosa (pliegues para aumentar superficie).
2. Submucosa: Tejido conectivo vascularizado con glándulas y el plexo nervioso de Meissner (control de secreciones).
3. Muscular Externa: Capa circular interna y longitudinal externa con el plexo mientérico de Auerbach (control del peristaltismo y motilidad).
4. Serosa o Adventicia: Tejido conectivo y mesotelio escamoso simple.

Motilidad Gastrointestinal y Deglución

La deglución comprende tres etapas: bucal (voluntaria, bolo empujado por la lengua a la faringe), faríngea (involuntaria, cierre de vías aéreas mediante reflejo coordinado por el centro de deglución del tronco encefálico) y esofágica (involuntaria, impulsada por ondas peristálticas primarias y secundarias).

Los movimientos digestivos abarcan el peristaltismo (anillos coordinados de contracción y relajación para propulsión) y la segmentación (contracciones y relajaciones rítmicas adyacentes para fragmentación y mezcla del quimo).

Secreciones Digestivas y Digestión Química

• Saliva: Producida por las glándulas parótidas (serosa), submandibulares (mixta) y sublinguales (mucosa). Contiene agua, electrólitos, lisozima, IgA, mucina y amilasa salival (inicia la hidrólisis del almidón).
• Jugo Gástrico: Producido por las glándulas de la mucosa gástrica:
  • Células parietales (oxínticas): Secretan $HCl$ mediante la bomba $H^+/K^+$-ATPasa y factor intrínseco (esencial para absorber vitamina $B_{12}$).
  • Células principales: Secretan pepsinógeno, el cual se activa a pepsina por el medio ácido para degradar proteínas.
  • Células mucosas: Secretan moco protector y bicarbonato.
  • Células endocrinas: Células G (gastrina), células D (somatostatina) y células ECL (histamina).
• Jugo Pancreático: Rico en bicarbonato sódico (neutraliza el ácido gástrico duodenal) y enzimas digestivas: proteolíticas (tripsina, quimotripsina, elastasa en forma de proenzimas inactivas), amilasa pancreática, lipasa pancreática y colipasa, y nucleasas.
• Bilis: Producida por los hepatocitos y concentrada en la vesícula biliar. Contiene sales biliares, colesterol, lecitina, bilirrubina y bicarbonato. Las sales biliares emulsifican las grasas y forman micelas mixtas imprescindibles para la digestión y absorción lipídica.

Absorción Intestinal

El epitelio del intestino delgado posee pliegues circulares, vellosidades y microvellosidades en borde en cepillo para maximizar el área de transporte:

• Glúcidos: La glucosa y galactosa ingresan al enterocito por cotransporte activo secundario acoplado a sodio ($SGLT1$), mientras que la fructosa ingresa por difusión facilitada ($GLUT5$). Todas salen hacia los capilares mesentéricos vía $GLUT2$.
• Proteínas: Se absorben como aminoácidos libres (cotransporte dependiente de $Na^+$) y como dipéptidos/tripéptidos (cotransporte dependiente de $H^+$, transportador $PepT1$).
• Lípidos: Los ácidos grasos libres y monoglicéridos difunden pasivamente al enterocito, se resintetizan a triglicéridos en el retículo endoplásmico, se asocian con colesterol y apolipoproteínas formando quilomicrones y se excretan por exocitosis hacia los vasos quilíferos linfáticos.

3. Sistema Renal

Funciones Homeostáticas y Endocrinas

Los riñones mantienen el volumen y osmolaridad de los fluidos corporales, el equilibrio ácido-base y el balance electrolítico ($Na^+$, $K^+$, $Cl^-$, $Ca^{2+}$, $PO_4^{3-}$). Asimismo, excretan productos terminales del metabolismo como urea, ácido úrico, creatinina y metabolitos farmacológicos. Poseen funciones endocrinas esenciales: producción de renina (regulación de la presión arterial), conversión a calcitriol (forma activa de la vitamina $D_3$) y síntesis de eritropoyetina (estímulo de la eritropoyesis).

Estructura de la Nefrona y Filtración Glomerular

La nefrona consta del corpúsculo renal (glomérulo y cápsula de Bowman) y un sistema tubular: túbulo contorneado proximal, asa de Henle (ramas descendente delgada y ascendente gruesa), túbulo contorneado distal y túbulo colector. Existen dos tipos de nefronas: corticales (asas cortas) y yuxtamedulares (asas largas que se sumergen profundamente en la médula, responsables de generar el gradiente osmótico medular).

La tasa de filtración glomerular (TFG) normal es de aproximadamente $125\text{ ml/min}$ ($180\text{ l/día}$). La barrera de filtración glomerular está compuesta por:

1. Endotelio capilar fenestrado (impide el paso de células sanguíneas).
2. Membrana basal glomerular de carga negativa (restringe el paso de proteínas como la albúmina).
3. Capa visceral de podocitos con prolongaciones pedicelares y hendiduras de filtración.

Procesos Tubulares: Reabsorción, Secreción y Excreción

La excreción urinaria final es el resultado de:

$$\text{Excreción} = \text{Filtración} - \text{Reabsorción} + \text{Secreción}$$

• Reabsorción: Recuperación de solutos desde la luz tubular hacia los capilares peritubulares. El túbulo proximal reabsorbe cerca del 65% del agua y sodio filtrados, y el 100% de la glucosa y aminoácidos mediante transporte acoplado al sodio.
• Secreción: Transporte activo o pasivo de sustancias desde los capilares peritubulares hacia el lumen tubular (ej. iones $K^+$, $H^+$ y fármacos xenobióticos).

Hormona Antidiurética (ADH) y Mecanismo de Micción

La hormona antidiurética (ADH/vasopresina) se sintetiza en los núcleos supraóptico y paraventricular del hipotálamo y se libera en la neurohipófisis ante aumentos de la osmolaridad plasmática o hipovolemia detectada por barorreceptores. La ADH promueve la inserción de canales de acuaporina-2 en la membrana apical de las células principales del túbulo colector, concentrando la orina y ahorrando agua.

La micción consiste en el vaciado vesical coordinado por un arco reflejo espinal e influenciado por centros corticales superiores: ante la distensión del músculo detrusor vesical, la estimulación parasimpática provoca su contracción y la relajación del esfínter uretral interno (involuntario), mientras que el esfínter uretral externo (músculo estriado voluntario) se relaja conscientemente para expulsar la orina.

4. Sistema Endocrino

Naturaleza Química y Transporte de Hormonas

Las hormonas son mensajeros químicos transportados por la sangre para regular las funciones de células y tejidos diana específicos:

• Hormonas Peptídicas y Proteicas: (Ej. insulina, glucagón, ACTH, TSH). Sintetizadas como pre-prohormonas en el retículo endoplásmico rugoso, procesadas en el aparato de Golgi y almacenadas en vesículas secretoras. Son hidrosolubles, viajan libres en plasma y tienen vidas medias cortas.
• Hormonas Esteroideas: (Ej. cortisol, aldosterona, testosterona, estrógenos). Derivadas del colesterol, lipofílicas; se sintetizan según demanda, no se almacenan en vesículas, difunden por la membrana celular y circulan unidas a proteínas plasmáticas con vidas medias más prolongadas.
• Hormonas Aminas: Derivadas de tirosina o triptófano. Comprenden las catecolaminas (adrenalina, noradrenalina; hidrosolubles) y las hormonas tiroideas ($T_3$ y $T_4$; lipofílicas, unidas a proteínas de transporte).

Mecanismos de Acción Celular

• Hormonas Lipofílicas: Atraviesan la bicapa lipídica y se unen a receptores citosólicos o nucleares. El complejo ligando-receptor actúa como factor de transcripción sobre secuencias promotoras de ADN modificando la síntesis proteica.
• Hormonas Hidrofílicas: Se fijan a receptores de membrana acoplados a proteínas G triméricas ($G_s, G_i, G_q$). La activación de $G_s$ estimula la adenilato ciclasa elevando el $AMP$ cíclico ($AMPc$), activando la proteína quinasa A ($PKA$). La activación de $G_q$ estimula la fosfolipasa C ($PLC$), degradando $PIP_2$ en inositol trifosfato ($IP_3$, que libera $Ca^{2+}$ del retículo) y diacilglicerol ($DAG$, que activa la proteína quinasa C, $PKC$).

Eje Hipotálamo-Hipofisario

El hipotálamo segrega hormonas liberadoras e inhibidoras hacia el sistema porta hipofisario para controlar la adenohipófisis:

• CRH: Estimula la secreción de ACTH (corteza suprarrenal: cortisol).
• TRH: Estimula la secreción de TSH (tiroides: $T_3$ y $T_4$).
• GnRH: Estimula la secreción de FSH y LH (gónadas: gametogénesis y hormonas sexuales).
• GHRH / GHIH (somatostatina): Estimulan o inhiben la hormona de crecimiento (GH).
• PRH / Dopamina: Regulan la secreción de prolactina.

La neurohipófisis almacena y libera hormonas sintetizadas en el hipotálamo: oxitocina (contracción uterina y eyección de leche) y ADH/vasopresina.

Fisiología Tiroidea, Suprarrenal y Pancreática

• Tiroides: Las células foliculares sintetizan $T_4$ (tetrayodotironina) y $T_3$ (triyodotironina), que estimulan la tasa metabólica basal, el consumo de oxígeno y la transcripción génica. Las células parafoliculares (células C) secretan calcitonina, hormona hipocalcemiante que inhibe la resorción ósea. Por el contrario, la hormona paratiroidea (PTH) eleva el calcio sérico mediante resorción ósea, reabsorción tubular renal y activación de vitamina D.
• Corteza Suprarrenal: Dividida en tres zonas: glomerular (secreta mineralocorticoides como aldosterona), fascicular (secreta glucocorticoides como cortisol) y reticular (secreta andrógenos suprarrenales). La médula suprarrenal libera catecolaminas (adrenalina y noradrenalina) como extensión del sistema simpático.
• Páncreas Endocrino: Los islotes de Langerhans contienen células $\beta$ productoras de insulina (hormona anabólica que facilita la captación de glucosa celular y síntesis de glucógeno y lípidos) y células $\alpha$ productoras de glucagón (hormona catabólica que promueve glucogenólisis y gluconeogénesis hepática).

5. Sistema Respiratorio

Mecánica de la Ventilación Pulmonar

La ventilación pulmonar moviliza aire entre la atmósfera y los alvéolos mediante gradientes de presión regidos por la Ley de Boyle ($P_1 V_1 = P_2 V_2$ a temperatura constante):

• Inspiración (activa): La contracción del diafragma y los intercostales externos amplía el volumen de la cavidad torácica, haciendo que la presión alveolar se vuelva negativa en relación con la atmosférica ($-1\text{ mmHg}$), forzando el ingreso de aire. En inspiración forzada intervienen músculos accesorios (esternocleidomastoideos, escalenos).
• Espiración (pasiva en reposo): Resulta de la relajación muscular y de la retracción elástica tisular del pulmón, lo que reduce el volumen e incrementa la presión alveolar por encima de la atmosférica ($+1\text{ mmHg}$), expulsando el aire. En espiración forzada se contraen los músculos abdominales e intercostales internos.

La estabilidad alveolar está asegurada por el surfactante pulmonar (dipalmitoilfosfatidilcolina y apoproteínas sintetizadas por neumocitos tipo II), que reduce la tensión superficial e impide el colapso alvéolo-capilar.

Espirometría: Volúmenes y Capacidades Pulmonares

• Volumen Corriente (VC): Volumen inspirado o espirado en ventilación tranquila ($\approx 500\text{ ml}$).
• Volumen de Reserva Inspiratoria (VRI): Volumen máximo adicional que se puede inspirar ($\approx 3000\text{ ml}$).
• Volumen de Reserva Espiratoria (VRE): Volumen máximo espirable forzadamente tras espiración basal ($\approx 1100\text{-}1200\text{ ml}$).
• Volumen Residual (VR): Volumen remanente en pulmones tras espiración máxima ($\approx 1200\text{ ml}$).
• Capacidad Vital (CV): $\text{VC} + \text{VRI} + \text{VRE}$ ($\approx 4600\text{ ml}$).
• Capacidad Pulmonar Total (CPT): $\text{CV} + \text{VR}$ ($\approx 5800\text{-}6000\text{ ml}$).

Intercambio de Gases y Difusión Alvéolo-Capilar

El intercambio gaseoso a través de la membrana alvéolo-capilar ocurre por difusión simple pasiva descrita por la Ley de Fick:

$$\text{Tasa de Difusión} = \frac{\text{Área} \times \Delta P \times \text{Solubilidad}}{\text{Espesor} \times \sqrt{\text{PM}}}$$

En el alvéolo, la $PO_2$ es de aproximadamente $100\text{ mmHg}$ y en la sangre venosa aferente al capilar es de $40\text{ mmHg}$, lo que impulsa el ingreso del oxígeno. Para el dióxido de carbono, la $PCO_2$ en sangre venosa es de $46\text{ mmHg}$ frente a $40\text{ mmHg}$ en el alvéolo, facilitando su difusión hacia el espacio alveolar para ser exhalado.

Transporte Sanguíneo de Oxígeno y Dióxido de Carbono

El oxígeno se transporta un 98.5% fijado a la hemoglobina ($Hb$) formando oxihemoglobina, y solo un 1.5% disuelto físicamente en el plasma. La curva de disociación de la hemoglobina presenta morfología sigmoidea debido a la unión cooperativa. Factores que desvían la curva a la derecha (menor afinidad, mayor entrega de $O_2$ a los tejidos):

• Aumento de la temperatura corporal.
• Disminución del pH o aumento de $PCO_2$ (efecto Bohr).
• Aumento de la concentración de 2,3-bisfosfoglicerato ($2,3\text{-DPG}$).

El dióxido de carbono se transporta en tres modalidades:

1. Disuelto físicamente en plasma (aproximadamente 7-10%).
2. Como compuestos carbamínicos unidos a proteínas y globina (carbaminohemoglobina, aprox. 20-23%).
3. Como ion bicarbonato ($HCO_3^-$), responsable del 70% del transporte, gracias a la enzima anhidrasa carbónica eritrocitaria:

$$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$$

Regulación Central de la Respiración

El ritmo respiratorio basal se genera en el tronco del encéfalo:

• Grupo Respiratorio Dorsal (GRD): Localizado en el bulbo raquídeo, regula los impulsos inspiratorios rítmicos hacia el diafragma vía nervio frénico.
• Grupo Respiratorio Ventral (GRV): Interviene en la respiración activa o forzada.
• Centro Neumotáxico: Limita la duración de la inspiración, aumentando la frecuencia respiratoria.

La ventilación se modula por quimiorreceptores centrales (bulbo raquídeo, altamente sensibles a cambios en el pH y $PCO_2$ del líquido cefalorraquídeo) y quimiorreceptores periféricos (cuerpos carotídeos y aórticos, estimulados principalmente por hipoxemia arterial severa, hipercapnia y acidosis metabólica). El reflejo de Hering-Breuer, mediado por mecanorreceptores de estiramiento en la pared bronquial, inhibe la inspiración excesiva para evitar la sobredistensión pulmonar.