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Acidez sanguínea y huesos.

Acidez sanguínea y huesos.



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Al consumir alimentos ácidos, ¿podría uno hacer que su sangre se vuelva ácida y, por lo tanto, causar una reacción ácido + base entre la sangre y los huesos?

Pregunto esto porque recientemente descubrí que el hueso es una base, ya que su fórmula química se aproxima a California10(CORREOS4)6(OH)2 donde el (OH)2 sugiere que el hueso es básico y, por lo tanto, propenso a una reacción de neutralización con sangre ácida. Si es así, ¿qué sal se produciría?


Respuesta corta: Como mencionan los comentarios, este es un tema candente para que los pseudocientíficos lo utilicen como un punto de venta para sus suplementos. Existe evidencia limitada de que la ingesta de ácidos en la dieta altera significativamente la resorción ósea, especialmente en el contexto de la función renal normal. Este documento debe responder a todas sus preguntas (énfasis mía):

Frassetto, Banerjee, Powe, Sebastian. Equilibrio ácido, carga ácida de la dieta y efectos óseos: un tema controvertido. Nutrientes 2018. 10(4),517.

Abstracto: Las dietas occidentales modernas, con mayor contenido de animales en comparación con frutas y productos vegetales, tienen un mayor contenido de precursores ácidos que precursores básicos, lo que resulta en una carga neta de ácido para el cuerpo. Para prevenir la acumulación inexorable de ácido en el cuerpo y el aumento progresivo de los grados de acidosis metabólica, el cuerpo tiene múltiples sistemas para amortiguar y valorar el ácido, incluido el hueso que contiene grandes cantidades de sales alcalinas de calcio. Los estudios in vitro e in vivo en animales y humanos sugieren que la base ósea ayuda a neutralizar parte de la carga ácida neta de la dieta. Esto plantea la pregunta de si décadas de consumir una dieta alta en ácido podrían contribuir a la pérdida de masa ósea en la osteoporosis. Si esta idea es cierta, entonces la ingestión adicional de álcalis en forma de alimentos que producen una base neta o sales alcalinizantes podría potencialmente prevenir esta pérdida de hueso relacionada con el ácido. Actualmente, existen datos que apoyan tanto a los defensores como a los oponentes de esta hipótesis. Las revisiones bibliográficas recientes han tendido a apoyar tanto a un lado como al otro. Suponiendo que los datos citados por ambas partes sean correctos, sugerimos una forma de conciliar los hallazgos discordantes. Esta descripción general discutirá primero los ácidos y las bases de la dieta y la idea de cambios en el equilibrio ácido con el aumento de la edad, luego revisará la evidencia a favor y en contra de la utilidad de la terapia con álcalis como tratamiento para la osteoporosis, y finalmente sugerirá una forma de reconciliar estos dos puntos opuestos. de vista.

Este documento es de acceso abierto y le recomiendo que lo lea, pero las conclusiones resumen muy bien sus hallazgos:

7. Síntesis

Sugerimos que la forma de reunir toda esta información es acordar ... que el hueso por sí solo no puede amortiguar el balance ácido positivo que se puede calcular a partir de las medidas de producción y excreción de ácido. Además, la producción de ácido endógeno sube y baja en un intento por mantener el pH sanguíneo sistémico ...

Las dietas ricas en precursores ácidos aumentan la carga ácida del cuerpo. Para la mayoría de la gente consumir dietas típicas occidentales con cargas ácidas de ≤1 mmol / kg, cuya función renal y capacidad excretora de ácido es normal, las cargas de ácido en la dieta no serían un factor fácilmente detectable en la alteración de la densidad mineral ósea que conduce al desarrollo de osteoporosis. Otros factores como la edad, el sexo, la raza y la inmovilidad son factores cuantitativamente más importantes para determinar la masa ósea y la degradación ósea.

Sin embargo, la retención corporal de solo 1 o 2 mEq de ácido cada día, apenas detectable por las técnicas de medición actuales, amortiguada por el músculo y el riñón y titulada por la base esquelética durante décadas, podría potencialmente resultar en un agotamiento importante del mineral óseo. Por lo tanto, Sugerimos que aquellos sujetos mayores con función renal disminuida, capacidad excretora de ácido renal disminuida y capacidad amortiguadora menor debido a una masa muscular y / o ósea más baja, cuyas dietas contienen altas cargas netas de ácido podrían potencialmente beneficiarse más de las terapias alcalinas.


Respuesta larga: aunque hay una gran cantidad de pseudociencia en Internet relacionada con la acidemia y la composición ósea, hay algo de verdad en la idea de que el pH puede afectar a los huesos. Un modelo excelente para explorar este concepto es la enfermedad renal crónica, ya que la función renal deteriorada provoca una disminución de la secreción de H +, lo que resulta en una acidosis metabólica crónica:

Kopple, Kalantar-Zadeh, Mehrotra. Riesgos de la acidosis metabólica crónica en pacientes con enfermedad renal crónica. Kidney International. 2005. 67 (95), S21-27.

Acidosis metabólica

La acidosis metabólica crónica grave (es decir, la presencia de iones de hidrógeno en exceso en la sangre) tiene dos consecuencias sistémicas importantes bien reconocidas. Primero, la acidosis metabólica, o acidemia, induce un aumento del catabolismo de proteínas, una disminución de la síntesis de proteínas y un balance negativo de nitrógeno y proteínas corporales totales, que mejoran con la suplementación con bicarbonato. En segundo lugar, la acidosis metabólica provoca la disolución fisicoquímica del hueso y la resorción ósea mediada por células (inhibición de los osteoblastos y estimulación de la función de los osteoclastos).

Acidosis metabólica y enfermedad ósea

La acidosis metabólica ejerce múltiples efectos sobre los huesos. Provoca la disolución fisicoquímica del hueso y la resorción ósea mediada por células mediante la inhibición de la actividad de los osteoblastos y la estimulación de la función de los osteoclastos. Estos eventos están asociados con una pérdida de calcio y fósforo del hueso. La acidosis metabólica estimula a los osteoblastos a liberar prostaglandinas. Esto estimula la función de los osteoclastos e inhibe la actividad de los osteoblastos. Los glucocorticoides pueden inhibir la producción de prostaglandinas por los osteoblastos.

La acidosis metabólica también se asocia con una disminución en el contenido de bicarbonato óseo. Además, la suplementación con bicarbonato en mujeres posmenopáusicas se asocia con una disminución de los niveles urinarios de calcio, fósforo y aumento de los niveles de osteocalcina, lo que indica un efecto beneficioso. La figura 4 muestra los mecanismos que relacionan la acidosis metabólica con la enfermedad ósea.3. Estas observaciones sugieren que la acidosis metabólica no corregida tiene consecuencias adversas sobre la anatomía y fisiología ósea.

Figura 4. Los diversos mecanismos por los cuales la acidosis metabólica puede contribuir a la enfermedad ósea. (De3).

Desde aquí, se pueden responder sus preguntas:

P: Al consumir alimentos ácidos, ¿podría uno hacer que su sangre se vuelva ácida y, por lo tanto, causar una reacción ácido + base entre la sangre y los huesos?

A: Quizás. Es posible inducir una acidosis metabólica con la dieta:

Adeva, Souto. Acidosis metabólica inducida por la dieta. Nutrición Clínica. 2011. 30(4),416-21.

La dieta moderna de tipo occidental es deficiente en frutas y verduras y contiene un exceso de productos animales, lo que genera la acumulación de aniones no metabolizables y un estado de vida de acidosis metabólica pasada por alto, cuya magnitud aumenta progresivamente con el envejecimiento debido al deterioro fisiológico de la función renal. En respuesta a este estado de acidosis metabólica derivada de la dieta, el riñón implementa mecanismos compensadores destinados a restaurar el equilibrio ácido-base, como la eliminación de los aniones no metabolizables, la conservación del citrato y la mejora de la amoniagénesis renal y urinaria. excreción de iones amonio. Estos procesos de adaptación reducen el pH de la orina e inducen un cambio extenso en la composición de la orina, que incluye hipocitraturia, hipercalciuria y pérdida de nitrógeno y fosfato.

Y existen investigaciones sobre los efectos a corto plazo de la dieta alterada sobre el pH y la composición de la sangre y la orina, pero la relevancia clínica de estos valores es indeterminada:

Buclin, Cosma, Appenzeller, Jacquet, Décosterd, Biollaz, Burckhardt. Los ácidos y los álcalis de la dieta influyen en la retención de calcio en los huesos. Osteoporosis International. 2001. 12(6),493-99.

Las propiedades acidificantes de la orina de los componentes alimentarios dependen de su contenido de ácidos o precursores no oxidables. Los componentes acidificantes como las proteínas animales pueden afectar negativamente al metabolismo del calcio y acelerar la resorción ósea, lo que representa un factor agravante para la osteoporosis ... la dieta formadora de ácido aumentó la excreción urinaria de calcio en un 74% en comparación con la dieta formadora de bases (p50.0001), ambas al inicio y después de la carga de calcio oral, y la excreción del telopéptido C en un 19% (p = 0,01), lo que sugiere un origen esquelético para el exceso de producción de calcio. Esta observación confirma que los ácidos excretados por vía renal derivados de los alimentos influyen en el metabolismo del calcio y que los nutrientes alcalinizantes inhiben la resorción ósea. Se necesitan más estudios para determinar el impacto clínico del asesoramiento dietético para evitar los ácidos de la dieta como medida preventiva contra la osteoporosis.

Pero la mejor evidencia reciente no respalda la idea de que la dieta pueda inducir cambios significativos en la composición ósea (consulte mi "Respuesta breve" más arriba).

P:… ¿qué sal se produciría?

Hay muchos ácidos metabólicos, pero para simplificar, consideraremos H+. Las bases óseas se almacenan como sales alcalinas (p.ej. carbonato de calcio, CaCO3, que es realmente Ca2+ y compañía32-). Entonces, si H+ entra en contacto con el carbonato de calcio, producirá ácido carbónico (con H+ desplazando Ca2+ para producir H2CO3 - excretas el Ca2+, dando lugar a la hipercalcuria descrita anteriormente). A través del sistema tampón de bicarbonato, que H2CO3 se convertirá en dióxido de carbono y agua, que excretas de tu cuerpo a través de la respiración.


14.2: Introducción al sistema esquelético

  • Contribuido por Suzanne Wakim & amp Mandeep Grewal
  • Profesores (Biología Molecular Celular y Ciencias Vegetales) en Butte College

El símbolo de la calavera y los huesos cruzados se ha utilizado durante mucho tiempo para representar la muerte, tal vez porque después de la muerte y la descomposición, los huesos son todo lo que queda. Mucha gente piensa que los huesos están muertos, secos y quebradizos. Estos adjetivos pueden describir correctamente los huesos de un esqueleto conservado, pero los huesos de un ser humano vivo están muy vivos. Los huesos vivos también son fuertes y flexibles. Los huesos son los órganos principales del sistema esquelético.

Figura ( PageIndex <1> ): bandera de calavera y huesos cruzados

los sistema esquelético es el sistema de órganos que proporciona un marco interno para el cuerpo humano. ¿Por qué necesitas un sistema esquelético? Intenta imaginar cómo te verías sin él. Serías un montón de piel suave y tambaleante que contiene músculos y órganos internos, pero no huesos. Puede parecer una babosa muy grande. No es que pudieras verte a ti mismo, sino que los pliegues de la piel se inclinarían sobre tus ojos y bloquearían tu visión debido a la falta de huesos del cráneo. Podrías apartar la piel del camino si solo pudieras mover los brazos, ¡pero también necesitas huesos para eso!

Componentes del sistema esquelético

En los adultos, el sistema esquelético incluye 206 huesos, muchos de los cuales se muestran en la Figura ( PageIndex <2> ). Los huesos son órganos hechos de tejidos conectivos densos, principalmente la proteína dura colágeno. Los huesos contienen vasos sanguíneos, nervios y otros tejidos. Los huesos son duros y rígidos debido a los depósitos de calcio y otras sales minerales dentro de sus tejidos vivos. Los lugares donde se unen dos o más huesos se denominan articulaciones. Muchas articulaciones permiten que los huesos se muevan como palancas. Por ejemplo, su codo es una articulación que le permite doblar y estirar el brazo.

Figura ( PageIndex <2> ): Algunos de los 206 huesos están etiquetados en el esqueleto humano adulto.

Además de los huesos, el sistema esquelético incluye cartílagos y ligamentos.

  • Cartílago es un tipo de tejido conectivo denso, hecho de fibras proteicas resistentes. Es fuerte pero flexible y muy suave. Cubre los extremos de los huesos en las articulaciones, proporcionando una superficie lisa para que los huesos se muevan.
  • Ligamentos son bandas de tejido conectivo fibroso que mantienen unidos los huesos. Mantienen los huesos del esqueleto en su lugar.

Esqueletos axiales y apendiculares

El esqueleto se divide tradicionalmente en dos partes principales: el esqueleto axial y el esqueleto apendicular, ambos representados en la Figura ( PageIndex <3> ).

  • El esqueleto axial forma el eje del cuerpo. Incluye el cráneo, la columna vertebral (columna vertebral) y la caja torácica. Los huesos del esqueleto axial, junto con los ligamentos y los músculos, permiten que el cuerpo humano mantenga su postura erguida. El esqueleto axial también transmite peso desde la cabeza, el tronco y las extremidades superiores por la espalda hasta las extremidades inferiores. Además, los huesos protegen el cerebro y los órganos del pecho.
  • El esqueleto apendicular forma los apéndices y sus uniones al esqueleto axial. Incluye los huesos de los brazos y las piernas, las manos y los pies, y las fajas pélvicas y de los hombros. Los huesos del esqueleto apendicular posibilitan la locomoción y otros movimientos de los apéndices. También protegen los principales órganos de digestión, excreción y reproducción.
Figura ( PageIndex <3> ): Esqueleto axial representado en azul Figura ( PageIndex <3> ): Esqueleto apendicular representado en azul

Hipofosfatasia

Estudios de rutina

Otras pruebas bioquímicas de rutina, incluidos los parámetros séricos de la función hepática o muscular (p. Ej., Bilirrubina, aspartato aminotransferasa, lactato deshidrogenasa, creatina quinasa, aldolasa), no presentan complicaciones en la HPP. La actividad de la fosfatasa ácida sérica es generalmente normal, 93 pero la fosfatasa ácida resistente al tartrato derivada de osteoclastos estuvo inexplicablemente elevada durante más de una década en una mujer afectada. 94 Se han descrito niveles elevados de prolina en sangre y orina en unos pocos pacientes, pero se desconoce la importancia. 95 Los marcadores de recambio óseo aún no se han detallado en informes publicados.


Contenido

La palabra homeostasis (/ ˌ h oʊ m i oʊ ˈ s t eɪ s ɪ s / [8] [9]) utiliza formas de combinación de homeo- y -estasis, Nuevo latín del griego: ὅμοιος homoios, "similar" y στάσις estasis, "quedarse quieto", dando lugar a la idea de "permanecer igual".

El concepto de regulación del ambiente interno fue descrito por el fisiólogo francés Claude Bernard en 1849, y la palabra homeostasis fue acuñado por Walter Bradford Cannon en 1926. [10] [11] En 1932, Joseph Barcroft, un fisiólogo británico, fue el primero en decir que la función cerebral superior requería el entorno interno más estable. Así, para Barcroft, la homeostasis no solo estaba organizada por el cerebro, sino que la homeostasis servía al cerebro. [12] La homeostasis es un término casi exclusivamente biológico, que se refiere a los conceptos descritos por Bernard y Cannon, sobre la constancia del entorno interno en el que viven y sobreviven las células del cuerpo. [10] [11] [13] El término cibernética se aplica a los sistemas de control tecnológico como los termostatos, que funcionan como mecanismos homeostáticos, pero a menudo se define de manera mucho más amplia que el término biológico de homeostasis. [5] [14] [15] [16]

Los procesos metabólicos de todos los organismos solo pueden tener lugar en entornos físicos y químicos muy específicos. Las condiciones varían con cada organismo y si los procesos químicos tienen lugar dentro de la célula o en el líquido intersticial que baña las células. Los mecanismos homeostáticos más conocidos en humanos y otros mamíferos son los reguladores que mantienen constante la composición del líquido extracelular (o el "ambiente interno"), especialmente con respecto a la temperatura, pH, osmolalidad y las concentraciones de sodio, potasio, glucosa. , dióxido de carbono y oxígeno. Sin embargo, muchos otros mecanismos homeostáticos, que abarcan muchos aspectos de la fisiología humana, controlan otras entidades del cuerpo. Cuando los niveles de variables son más altos o más bajos que los necesarios, a menudo se les antepone el prefijo hiper- y hipo-, respectivamente, como hipertermia e hipotermia o hipertensión e hipotensión.

Si una entidad está controlada homeostáticamente, no implica que su valor sea necesariamente absolutamente estable en salud. La temperatura central del cuerpo, por ejemplo, está regulada por un mecanismo homeostático con sensores de temperatura en, entre otros, el hipotálamo del cerebro. [17] Sin embargo, el punto de ajuste del regulador se restablece regularmente. [18] Por ejemplo, la temperatura corporal central en los seres humanos varía durante el transcurso del día (es decir, tiene un ritmo circadiano), siendo las temperaturas más bajas por la noche y las más altas por las tardes. Otras variaciones normales de temperatura incluyen las relacionadas con el ciclo menstrual. [19] [20] El punto de ajuste del regulador de temperatura se restablece durante las infecciones para producir fiebre. [17] [21] [22] Los organismos son capaces de adaptarse algo a condiciones variadas, como cambios de temperatura o niveles de oxígeno en la altitud, mediante un proceso de aclimatación.

La homeostasis no gobierna todas las actividades del cuerpo. [23] [24] Por ejemplo, la señal (ya sea a través de neuronas u hormonas) del sensor al efector es, necesariamente, muy variable para transmitir información sobre la dirección y magnitud del error detectado por el sensor. [25] [26] [27] De manera similar, la respuesta del efector debe ser altamente ajustable para revertir el error; de hecho, debe ser casi proporcional (pero en la dirección opuesta) al error que amenaza el entorno interno. [15] [16] Por ejemplo, la presión arterial en los mamíferos se controla homeostáticamente y se mide mediante receptores de estiramiento en las paredes del arco aórtico y los senos carotideos en los inicios de las arterias carótidas internas. [17] Los sensores envían mensajes a través de los nervios sensoriales al bulbo raquídeo del cerebro que indican si la presión arterial ha aumentado o disminuido, y en qué medida. El bulbo raquídeo luego distribuye mensajes a lo largo de los nervios motores o eferentes que pertenecen al sistema nervioso autónomo a una amplia variedad de órganos efectores, cuya actividad se modifica en consecuencia para revertir el error en la presión arterial. Uno de los órganos efectores es el corazón, cuya frecuencia se estimula para aumentar (taquicardia) cuando la presión arterial baja, o para disminuir (bradicardia) cuando la presión aumenta por encima del punto de ajuste. [17] Por lo tanto, la frecuencia cardíaca (para la que no hay un sensor en el cuerpo) no se controla homeostáticamente, sino que es una de las respuestas efectoras a los errores en la presión arterial. Otro ejemplo es la tasa de sudoración. Este es uno de los efectores en el control homeostático de la temperatura corporal y, por lo tanto, muy variable en proporción aproximada a la carga de calor que amenaza con desestabilizar la temperatura central del cuerpo, para la cual hay un sensor en el hipotálamo del cerebro.

Temperatura central Editar

Los mamíferos regulan su temperatura central utilizando la información de los termorreceptores en el hipotálamo, el cerebro, [17] [28] la médula espinal, los órganos internos y las grandes venas. [29] [30] Aparte de la regulación interna de la temperatura, puede entrar en juego un proceso llamado alostasis que ajusta el comportamiento para adaptarse al desafío de extremos muy calientes o fríos (y a otros desafíos). [31] Estos ajustes pueden incluir buscar sombra y reducir la actividad, o buscar condiciones más cálidas y aumentar la actividad, o acurrucarse. [32] La termorregulación del comportamiento tiene prioridad sobre la termorregulación fisiológica, ya que los cambios necesarios pueden verse afectados más rápidamente y la termorregulación fisiológica tiene una capacidad limitada para responder a temperaturas extremas. [33]

Cuando la temperatura central desciende, el suministro de sangre a la piel se reduce por una intensa vasoconstricción. [17] El flujo de sangre a las extremidades (que tienen una gran superficie) se reduce de manera similar y regresa al tronco a través de las venas profundas que se encuentran junto a las arterias (formando venas comitantes). [28] [32] [34] Esto actúa como un sistema de intercambio en contracorriente que cortocircuita el calor de la sangre arterial directamente en la sangre venosa que regresa al tronco, causando una mínima pérdida de calor de las extremidades en climas fríos. [28] [32] [35] Las venas subcutáneas de las extremidades están estrechamente contraídas, [17] no solo reducen la pérdida de calor de esta fuente, sino que también empujan la sangre venosa hacia el sistema contracorriente en las profundidades de las extremidades.

La tasa metabólica aumenta, inicialmente por termogénesis sin escalofríos, [36] seguida de termogénesis por escalofríos si las reacciones anteriores son insuficientes para corregir la hipotermia.

Cuando los termorreceptores detectan un aumento de la temperatura central, las glándulas sudoríparas de la piel se estimulan a través de los nervios simpáticos colinérgicos para secretar sudor sobre la piel, que, cuando se evapora, enfría la piel y la sangre que fluye a través de ella. El jadeo es un efector alternativo en muchos vertebrados, que enfría el cuerpo también por la evaporación del agua, pero esta vez de las mucosas de la garganta y la boca.

Glucosa en sangre Editar

Los niveles de azúcar en sangre están regulados dentro de límites bastante estrechos. [37] En los mamíferos, los sensores principales para esto son las células beta de los islotes pancreáticos. [38] [39] Las células beta responden a un aumento en el nivel de azúcar en sangre secretando insulina en la sangre y simultáneamente inhibiendo que las células alfa vecinas secreten glucagón en la sangre. [38] Esta combinación (niveles altos de insulina en sangre y niveles bajos de glucagón) actúa sobre los tejidos efectores, los principales de los cuales son el hígado, las células grasas y las células musculares. El hígado no puede producir glucosa, absorbiéndola y convirtiéndola en glucógeno y triglicéridos. El glucógeno se almacena en el hígado, pero los triglicéridos se secretan a la sangre en forma de partículas de lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL) que son absorbidas por el tejido adiposo y allí se almacenan como grasas. Las células grasas absorben glucosa a través de transportadores especiales de glucosa (GLUT4), cuyo número en la pared celular aumenta como efecto directo de la acción de la insulina sobre estas células. La glucosa que ingresa a las células grasas de esta manera se convierte en triglicéridos (a través de las mismas vías metabólicas que utiliza el hígado) y luego se almacena en esas células grasas junto con los triglicéridos derivados de VLDL que se produjeron en el hígado. Las células musculares también absorben glucosa a través de los canales de glucosa GLUT4 sensibles a la insulina y la convierten en glucógeno muscular.

Una caída de la glucosa en sangre hace que se detenga la secreción de insulina y que las células alfa secreten glucagón a la sangre. Esto inhibe la absorción de glucosa de la sangre por el hígado, las células grasas y los músculos. En cambio, el hígado es fuertemente estimulado para fabricar glucosa a partir del glucógeno (a través de la glucogenólisis) y de fuentes que no son carbohidratos (como lactato y aminoácidos desaminados) mediante un proceso conocido como gluconeogénesis. [40] La glucosa así producida se descarga en la sangre corrigiendo el error detectado (hipoglucemia). El glucógeno almacenado en los músculos permanece en los músculos y solo se descompone, durante el ejercicio, en glucosa-6-fosfato y, de ahí, en piruvato que se alimenta al ciclo del ácido cítrico o se convierte en lactato. Solo el lactato y los productos de desecho del ciclo del ácido cítrico son devueltos a la sangre. El hígado puede absorber solo el lactato y, mediante el proceso de gluconeogénesis que consume energía, lo convierte de nuevo en glucosa.

Niveles de hierro Editar

Regulación del cobre Editar

Niveles de gases en sangre Editar

Los cambios en los niveles de oxígeno, dióxido de carbono y pH plasmático se envían al centro respiratorio, en el tronco del encéfalo, donde se regulan. La presión parcial de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre arterial es monitoreada por los quimiorreceptores periféricos (SNP) en la arteria carótida y el arco aórtico. Un cambio en la presión parcial de dióxido de carbono se detecta como un pH alterado en el líquido cefalorraquídeo por los quimiorreceptores centrales (SNC) en el bulbo raquídeo del tronco encefálico. La información de estos conjuntos de sensores se envía al centro respiratorio que activa los órganos efectores: el diafragma y otros músculos de la respiración. Un mayor nivel de dióxido de carbono en la sangre, o un nivel disminuido de oxígeno, dará como resultado un patrón respiratorio más profundo y un aumento de la frecuencia respiratoria para devolver los gases sanguíneos al equilibrio.

Demasiado poco dióxido de carbono y, en menor medida, demasiado oxígeno en la sangre pueden detener temporalmente la respiración, una condición conocida como apnea, que los buceadores utilizan para prolongar el tiempo que pueden permanecer bajo el agua.

La presión parcial de dióxido de carbono es más un factor decisivo en el control del pH. [41] Sin embargo, a gran altitud (por encima de los 2500 m), el control de la presión parcial de oxígeno tiene prioridad y la hiperventilación mantiene constante el nivel de oxígeno. Con el nivel más bajo de dióxido de carbono, para mantener el pH en 7,4, los riñones secretan iones de hidrógeno en la sangre y excretan bicarbonato en la orina. [42] [43] Esto es importante en la aclimatación a grandes alturas. [44]

Contenido de oxígeno en sangre Editar

Los riñones miden el contenido de oxígeno en lugar de la presión parcial de oxígeno en la sangre arterial. Cuando el contenido de oxígeno de la sangre es crónicamente bajo, las células sensibles al oxígeno secretan eritropoyetina (EPO) en la sangre. [45] El tejido efector es la médula ósea roja que produce glóbulos rojos (glóbulos rojos) (eritrocitos). El aumento de los glóbulos rojos conduce a un aumento del hematocrito en la sangre y el consiguiente aumento de la hemoglobina que aumenta la capacidad de transporte de oxígeno. Este es el mecanismo por el cual los habitantes de gran altitud tienen hematocritos más altos que los residentes al nivel del mar, y también por qué las personas con insuficiencia pulmonar o derivaciones de derecha a izquierda en el corazón (a través de las cuales la sangre venosa pasa por alto los pulmones y pasa directamente al sistema sistémico). circulación) tienen hematocritos igualmente altos. [46] [47]

Independientemente de la presión parcial de oxígeno en la sangre, la cantidad de oxígeno que se puede transportar depende del contenido de hemoglobina. La presión parcial de oxígeno puede ser suficiente, por ejemplo, en la anemia, pero el contenido de hemoglobina será insuficiente y, posteriormente, también lo será el contenido de oxígeno. Con un suministro suficiente de hierro, vitamina B12 y ácido fólico, la EPO puede estimular la producción de glóbulos rojos y restaurar el contenido de hemoglobina y oxígeno a la normalidad. [46] [48]

Presión arterial arterial Editar

El cerebro puede regular el flujo sanguíneo en un rango de valores de presión arterial mediante vasoconstricción y vasodilatación de las arterias. [49]

Los receptores de alta presión llamados barorreceptores en las paredes del arco aórtico y el seno carotídeo (al comienzo de la arteria carótida interna) controlan la presión arterial. [50] Se detecta un aumento de la presión cuando las paredes de las arterias se estiran debido a un aumento en el volumen de sangre. Esto hace que las células del músculo cardíaco secreten la hormona péptido natriurético auricular (ANP) en la sangre. Este actúa sobre los riñones para inhibir la secreción de renina y aldosterona provocando la liberación de sodio y el agua que la acompaña en la orina, reduciendo así el volumen de sangre. [51] Esta información luego se transmite, a través de fibras nerviosas aferentes, al núcleo solitario en el bulbo raquídeo. [52] A partir de aquí, los nervios motores que pertenecen al sistema nervioso autónomo se estimulan para influir principalmente en la actividad del corazón y las arterias de menor diámetro, llamadas arteriolas. Las arteriolas son los principales vasos de resistencia en el árbol arterial y pequeños cambios de diámetro provocan grandes cambios en la resistencia para fluir a través de ellas. Cuando la presión arterial aumenta, las arteriolas se estimulan para que se dilaten, lo que facilita que la sangre salga de las arterias, desinflando así y haciendo que la presión arterial vuelva a la normalidad. Al mismo tiempo, el corazón se estimula a través de los nervios parasimpáticos colinérgicos para que lata más lentamente (lo que se denomina bradicardia), lo que garantiza que se reduzca el flujo de sangre hacia las arterias, lo que aumenta la reducción de la presión y la corrección del error original.

La presión baja en las arterias provoca el reflejo opuesto de constricción de las arteriolas y una aceleración de la frecuencia cardíaca (llamada taquicardia). Si la caída de la presión arterial es muy rápida o excesiva, el bulbo raquídeo estimula la médula suprarrenal, a través de los nervios simpáticos "preganglionares", para secretar epinefrina (adrenalina) en la sangre. Esta hormona intensifica la taquicardia y provoca una vasoconstricción grave de las arteriolas en todos los órganos del cuerpo excepto en los esenciales (especialmente el corazón, los pulmones y el cerebro). Por lo general, estas reacciones corrigen la presión arterial baja (hipotensión) de manera muy eficaz.

Niveles de calcio Editar

La concentración plasmática de calcio ionizado (Ca 2+) está estrechamente controlada por un par de mecanismos homeostáticos. [53] El sensor del primero está situado en las glándulas paratiroides, donde las células principales detectan el nivel de Ca 2+ por medio de receptores de calcio especializados en sus membranas. Los sensores del segundo son las células parafoliculares de la glándula tiroides. Las células principales paratiroideas secretan hormona paratiroidea (PTH) en respuesta a una caída en el nivel de calcio ionizado en plasma; las células parafoliculares de la glándula tiroides secretan calcitonina en respuesta a un aumento en el nivel de calcio ionizado en plasma.

Los órganos efectores del primer mecanismo homeostático son los huesos, el riñón y, a través de una hormona liberada a la sangre por el riñón en respuesta a los niveles elevados de PTH en la sangre, el duodeno y el yeyuno. La hormona paratiroidea (en altas concentraciones en la sangre) provoca la reabsorción ósea, liberando calcio al plasma. Esta es una acción muy rápida que puede corregir una hipocalcemia amenazante en cuestión de minutos. Las concentraciones elevadas de PTH provocan la excreción de iones fosfato a través de la orina. Dado que los fosfatos se combinan con los iones de calcio para formar sales insolubles (ver también mineral óseo), una disminución en el nivel de fosfatos en la sangre libera iones de calcio libres en la reserva de calcio ionizado en plasma. La PTH tiene una segunda acción sobre los riñones. Estimula la fabricación y liberación, por los riñones, de calcitriol a la sangre. Esta hormona esteroidea actúa sobre las células epiteliales de la parte superior del intestino delgado, aumentando su capacidad para absorber calcio del contenido intestinal en la sangre. [54]

El segundo mecanismo homeostático, con sus sensores en la glándula tiroides, libera calcitonina en la sangre cuando aumenta el calcio ionizado en sangre. Esta hormona actúa principalmente sobre los huesos, provocando la rápida eliminación del calcio de la sangre y depositándolo, en forma insoluble, en los huesos. [55]

Los dos mecanismos homeostáticos que funcionan a través de la PTH, por un lado, y la calcitonina, por el otro, pueden corregir muy rápidamente cualquier error inminente en el nivel de calcio ionizado en plasma, ya sea eliminando el calcio de la sangre y depositándolo en el esqueleto, o eliminándolo de él. . El esqueleto actúa como un depósito de calcio extremadamente grande (alrededor de 1 kg) en comparación con el depósito de calcio en plasma (alrededor de 180 mg). La regulación a más largo plazo se produce a través de la absorción o pérdida de calcio del intestino.

Otro ejemplo son los endocannabinoides mejor caracterizados como la anandamida (norte-araquidonoiletanolamida AEA) y 2-araquidonoilglicerol (2-AG), cuya síntesis se produce mediante la acción de una serie de enzimas intracelulares activadas en respuesta a un aumento de los niveles de calcio intracelular para introducir homeostasis y prevención del desarrollo tumoral a través de supuestos mecanismos protectores que previenen crecimiento y migración celular por activación de CB1 y / o CB2 y receptores adyacentes. [56]

Concentración de sodio Editar

El mecanismo homeostático que controla la concentración de sodio plasmático es bastante más complejo que la mayoría de los otros mecanismos homeostáticos descritos en esta página.

El sensor está situado en el aparato yuxtaglomerular de los riñones, que detecta la concentración de sodio plasmático de una manera sorprendentemente indirecta. En lugar de medirlo directamente en la sangre que pasa por las células yuxtaglomerulares, estas células responden a la concentración de sodio en el líquido tubular renal después de que ya ha sufrido una cierta modificación en el túbulo contorneado proximal y el asa de Henle. [57] Estas células también responden a la velocidad del flujo sanguíneo a través del aparato yuxtaglomerular, que, en circunstancias normales, es directamente proporcional a la presión arterial, lo que convierte a este tejido en un sensor de presión arterial auxiliar.

En respuesta a una disminución de la concentración plasmática de sodio, o una disminución de la presión arterial, las células yuxtaglomerulares liberan renina a la sangre. [57] [58] [59] Renin is an enzyme which cleaves a decapeptide (a short protein chain, 10 amino acids long) from a plasma α-2-globulin called angiotensinogen. This decapeptide is known as angiotensin I. [57] It has no known biological activity. However, when the blood circulates through the lungs a pulmonary capillary endothelial enzyme called angiotensin-converting enzyme (ACE) cleaves a further two amino acids from angiotensin I to form an octapeptide known as angiotensin II. Angiotensin II is a hormone which acts on the adrenal cortex, causing the release into the blood of the steroid hormone, aldosterone. Angiotensin II also acts on the smooth muscle in the walls of the arterioles causing these small diameter vessels to constrict, thereby restricting the outflow of blood from the arterial tree, causing the arterial blood pressure to rise. This, therefore, reinforces the measures described above (under the heading of "Arterial blood pressure"), which defend the arterial blood pressure against changes, especially hypotension.

The angiotensin II-stimulated aldosterone released from the zona glomerulosa of the adrenal glands has an effect on particularly the epithelial cells of the distal convoluted tubules and collecting ducts of the kidneys. Here it causes the reabsorption of sodium ions from the renal tubular fluid, in exchange for potassium ions which are secreted from the blood plasma into the tubular fluid to exit the body via the urine. [57] [60] The reabsorption of sodium ions from the renal tubular fluid halts further sodium ion losses from the body, and therefore preventing the worsening of hyponatremia. The hyponatremia can only be corregido by the consumption of salt in the diet. However, it is not certain whether a "salt hunger" can be initiated by hyponatremia, or by what mechanism this might come about.

When the plasma sodium ion concentration is higher than normal (hypernatremia), the release of renin from the juxtaglomerular apparatus is halted, ceasing the production of angiotensin II, and its consequent aldosterone-release into the blood. The kidneys respond by excreting sodium ions into the urine, thereby normalizing the plasma sodium ion concentration. The low angiotensin II levels in the blood lower the arterial blood pressure as an inevitable concomitant response.

The reabsorption of sodium ions from the tubular fluid as a result of high aldosterone levels in the blood does not, of itself, cause renal tubular water to be returned to the blood from the distal convoluted tubules or collecting ducts. This is because sodium is reabsorbed in exchange for potassium and therefore causes only a modest change in the osmotic gradient between the blood and the tubular fluid. Furthermore, the epithelium of the distal convoluted tubules and collecting ducts is impermeable to water in the absence of antidiuretic hormone (ADH) in the blood. ADH is part of the control of fluid balance. Its levels in the blood vary with the osmolality of the plasma, which is measured in the hypothalamus of the brain. Aldosterone's action on the kidney tubules prevents sodium loss to the extracellular fluid (ECF). So there is no change in the osmolality of the ECF, and therefore no change in the ADH concentration of the plasma. However, low aldosterone levels cause a loss of sodium ions from the ECF, which could potentially cause a change in extracellular osmolality and therefore of ADH levels in the blood.

Potassium concentration Edit

High potassium concentrations in the plasma cause depolarization of the zona glomerulosa cells' membranes in the outer layer of the adrenal cortex. [61] This causes the release of aldosterone into the blood.

Aldosterone acts primarily on the distal convoluted tubules and collecting ducts of the kidneys, stimulating the excretion of potassium ions into the urine. [57] It does so, however, by activating the basolateral Na + /K + pumps of the tubular epithelial cells. These sodium/potassium exchangers pump three sodium ions out of the cell, into the interstitial fluid and two potassium ions into the cell from the interstitial fluid. This creates an ionic concentration gradient which results in the reabsorption of sodium (Na + ) ions from the tubular fluid into the blood, and secreting potassium (K + ) ions from the blood into the urine (lumen of collecting duct). [62] [63]

Fluid balance Edit

The total amount of water in the body needs to be kept in balance. Fluid balance involves keeping the fluid volume stabilized, and also keeping the levels of electrolytes in the extracellular fluid stable. Fluid balance is maintained by the process of osmoregulation and by behavior. Osmotic pressure is detected by osmoreceptors in the median preoptic nucleus in the hypothalamus. Measurement of the plasma osmolality to give an indication of the water content of the body, relies on the fact that water losses from the body, (through unavoidable water loss through the skin which is not entirely waterproof and therefore always slightly moist, water vapor in the exhaled air, sweating, vomiting, normal feces and especially diarrhea) are all hypotonic, meaning that they are less salty than the body fluids (compare, for instance, the taste of saliva with that of tears. The latter has almost the same salt content as the extracellular fluid, whereas the former is hypotonic with respect to the plasma. Saliva does not taste salty, whereas tears are decidedly salty). Nearly all normal and abnormal losses of body water therefore cause the extracellular fluid to become hypertonic. Conversely, excessive fluid intake dilutes the extracellular fluid causing the hypothalamus to register hypotonic hyponatremia conditions.

When the hypothalamus detects a hypertonic extracellular environment, it causes the secretion of an antidiuretic hormone (ADH) called vasopressin which acts on the effector organ, which in this case is the kidney. The effect of vasopressin on the kidney tubules is to reabsorb water from the distal convoluted tubules and collecting ducts, thus preventing aggravation of the water loss via the urine. The hypothalamus simultaneously stimulates the nearby thirst center causing an almost irresistible (if the hypertonicity is severe enough) urge to drink water. The cessation of urine flow prevents the hypovolemia and hypertonicity from getting worse the drinking of water corrects the defect.

Hypo-osmolality results in very low plasma ADH levels. This results in the inhibition of water reabsorption from the kidney tubules, causing high volumes of very dilute urine to be excreted, thus getting rid of the excess water in the body.

Urinary water loss, when the body water homeostat is intact, is a compensatory water loss, correcting any water excess in the body. However, since the kidneys cannot generate water, the thirst reflex is the all-important second effector mechanism of the body water homeostat, correcting any water deficit in the body.

Blood pH Edit

The plasma pH can be altered by respiratory changes in the partial pressure of carbon dioxide or altered by metabolic changes in the carbonic acid to bicarbonate ion ratio. The bicarbonate buffer system regulates the ratio of carbonic acid to bicarbonate to be equal to 1:20, at which ratio the blood pH is 7.4 (as explained in the Henderson–Hasselbalch equation). A change in the plasma pH gives an acid–base imbalance. In acid–base homeostasis there are two mechanisms that can help regulate the pH. Respiratory compensation a mechanism of the respiratory center, adjusts the partial pressure of carbon dioxide by changing the rate and depth of breathing, to bring the pH back to normal. The partial pressure of carbon dioxide also determines the concentration of carbonic acid, and the bicarbonate buffer system can also come into play. Renal compensation can help the bicarbonate buffer system. The sensor for the plasma bicarbonate concentration is not known for certain. It is very probable that the renal tubular cells of the distal convoluted tubules are themselves sensitive to the pH of the plasma. [ cita necesaria ] The metabolism of these cells produces carbon dioxide, which is rapidly converted to hydrogen and bicarbonate through the action of carbonic anhydrase. [64] When the ECF pH falls (becoming more acidic) the renal tubular cells excrete hydrogen ions into the tubular fluid to leave the body via urine. Bicarbonate ions are simultaneously secreted into the blood that decreases the carbonic acid, and consequently raises the plasma pH. [64] The converse happens when the plasma pH rises above normal: bicarbonate ions are excreted into the urine, and hydrogen ions released into the plasma.

When hydrogen ions are excreted into the urine, and bicarbonate into the blood, the latter combines with the excess hydrogen ions in the plasma that stimulated the kidneys to perform this operation. The resulting reaction in the plasma is the formation of carbonic acid which is in equilibrium with the plasma partial pressure of carbon dioxide. This is tightly regulated to ensure that there is no excessive build-up of carbonic acid or bicarbonate. The overall effect is therefore that hydrogen ions are lost in the urine when the pH of the plasma falls. The concomitant rise in the plasma bicarbonate mops up the increased hydrogen ions (caused by the fall in plasma pH) and the resulting excess carbonic acid is disposed of in the lungs as carbon dioxide. This restores the normal ratio between bicarbonate and the partial pressure of carbon dioxide and therefore the plasma pH. The converse happens when a high plasma pH stimulates the kidneys to secrete hydrogen ions into the blood and to excrete bicarbonate into the urine. The hydrogen ions combine with the excess bicarbonate ions in the plasma, once again forming an excess of carbonic acid which can be exhaled, as carbon dioxide, in the lungs, keeping the plasma bicarbonate ion concentration, the partial pressure of carbon dioxide and, therefore, the plasma pH, constant.

Cerebrospinal fluid Edit

Cerebrospinal fluid (CSF) allows for regulation of the distribution of substances between cells of the brain, [65] and neuroendocrine factors, to which slight changes can cause problems or damage to the nervous system. For example, high glycine concentration disrupts temperature and blood pressure control, and high CSF pH causes dizziness and syncope. [66]

Neurotransmission Edit

Inhibitory neurons in the central nervous system play a homeostatic role in the balance of neuronal activity between excitation and inhibition. Inhibitory neurons using GABA, make compensating changes in the neuronal networks preventing runaway levels of excitation. [67] An imbalance between excitation and inhibition is seen to be implicated in a number of neuropsychiatric disorders. [68]

Neuroendocrine system Edit

The neuroendocrine system is the mechanism by which the hypothalamus maintains homeostasis, regulating metabolism, reproduction, eating and drinking behaviour, energy utilization, osmolarity and blood pressure.

The regulation of metabolism, is carried out by hypothalamic interconnections to other glands. [69] Three endocrine glands of the hypothalamic–pituitary–gonadal axis (HPG axis) often work together and have important regulatory functions. Two other regulatory endocrine axes are the hypothalamic–pituitary–adrenal axis (HPA axis) and the hypothalamic–pituitary–thyroid axis (HPT axis).

The liver also has many regulatory functions of the metabolism. An important function is the production and control of bile acids. Too much bile acid can be toxic to cells and its synthesis can be inhibited by activation of FXR a nuclear receptor. [4]

Regulación genética Editar

At the cellular level, homeostasis is carried out by several mechanisms including transcriptional regulation that can alter the activity of genes in response to changes.

Energy balance Edit

The amount of energy taken in through nutrition needs to match the amount of energy used. To achieve energy homeostasis appetite is regulated by two hormones, grehlin and leptin. Grehlin stimulates hunger and the intake of food and leptin acts to signal satiety (fullness).

A 2019 review of weight-change interventions, including dieting, exercise and overeating, found that body weight homeostasis could not precisely correct for "energetic errors", the loss or gain of calories, in the short-term. [70]

Many diseases are the result of a homeostatic failure. Almost any homeostatic component can malfunction either as a result of an inherited defect, an inborn error of metabolism, or an acquired disease. Some homeostatic mechanisms have inbuilt redundancies, which ensures that life is not immediately threatened if a component malfunctions but sometimes a homeostatic malfunction can result in serious disease, which can be fatal if not treated. A well-known example of a homeostatic failure is shown in type 1 diabetes mellitus. Here blood sugar regulation is unable to function because the beta cells of the pancreatic islets are destroyed and cannot produce the necessary insulin. The blood sugar rises in a condition known as hyperglycemia.

The plasma ionized calcium homeostat can be disrupted by the constant, unchanging, over-production of parathyroid hormone by a parathyroid adenoma resulting in the typically features of hyperparathyroidism, namely high plasma ionized Ca 2+ levels and the resorption of bone, which can lead to spontaneous fractures. The abnormally high plasma ionized calcium concentrations cause conformational changes in many cell-surface proteins (especially ion channels and hormone or neurotransmitter receptors) [71] giving rise to lethargy, muscle weakness, anorexia, constipation and labile emotions. [72]

The body water homeostat can be compromised by the inability to secrete ADH in response to even the normal daily water losses via the exhaled air, the feces, and insensible sweating. On receiving a zero blood ADH signal, the kidneys produce huge unchanging volumes of very dilute urine, causing dehydration and death if not treated.

As organisms age, the efficiency of their control systems becomes reduced. The inefficiencies gradually result in an unstable internal environment that increases the risk of illness, and leads to the physical changes associated with aging. [5]

Various chronic diseases are kept under control by homeostatic compensation, which masks a problem by compensating for it (making up for it) in another way. However, the compensating mechanisms eventually wear out or are disrupted by a new complicating factor (such as the advent of a concurrent acute viral infection), which sends the body reeling through a new cascade of events. Such decompensation unmasks the underlying disease, worsening its symptoms. Common examples include decompensated heart failure, kidney failure, and liver failure.

In the Gaia hypothesis, James Lovelock [73] stated that the entire mass of living matter on Earth (or any planet with life) functions as a vast homeostatic superorganism that actively modifies its planetary environment to produce the environmental conditions necessary for its own survival. In this view, the entire planet maintains several homeostasis (the primary one being temperature homeostasis). Whether this sort of system is present on Earth is open to debate. However, some relatively simple homeostatic mechanisms are generally accepted. For example, it is sometimes claimed that when atmospheric carbon dioxide levels rise, certain plants may be able to grow better and thus act to remove more carbon dioxide from the atmosphere. However, warming has exacerbated droughts, making water the actual limiting factor on land. When sunlight is plentiful and the atmospheric temperature climbs, it has been claimed that the phytoplankton of the ocean surface waters, acting as global sunshine, and therefore heat sensors, may thrive and produce more dimethyl sulfide (DMS). The DMS molecules act as cloud condensation nuclei, which produce more clouds, and thus increase the atmospheric albedo, and this feeds back to lower the temperature of the atmosphere. However, rising sea temperature has stratified the oceans, separating warm, sunlit waters from cool, nutrient-rich waters. Thus, nutrients have become the limiting factor, and plankton levels have actually fallen over the past 50 years, not risen. As scientists discover more about Earth, vast numbers of positive and negative feedback loops are being discovered, that, together, maintain a metastable condition, sometimes within a very broad range of environmental conditions.

Predictive homeostasis is an anticipatory response to an expected challenge in the future, such as the stimulation of insulin secretion by gut hormones which enter the blood in response to a meal. [38] This insulin secretion occurs before the blood sugar level rises, lowering the blood sugar level in anticipation of a large influx into the blood of glucose resulting from the digestion of carbohydrates in the gut. [74] Such anticipatory reactions are open loop systems which are based, essentially, on "guess work", and are not self-correcting. [75] Anticipatory responses always require a closed loop negative feedback system to correct the 'over-shoots' and 'under-shoots' to which the anticipatory systems are prone.

The term has come to be used in other fields, for example:

Risk Edit

An actuary may refer to risk homeostasis, where (for example) people who have anti-lock brakes have no better safety record than those without anti-lock brakes, because the former unconsciously compensate for the safer vehicle via less-safe driving habits. Previous to the innovation of anti-lock brakes, certain maneuvers involved minor skids, evoking fear and avoidance: Now the anti-lock system moves the boundary for such feedback, and behavior patterns expand into the no-longer punitive area. It has also been suggested that ecological crises are an instance of risk homeostasis in which a particular behavior continues until proven dangerous or dramatic consequences actually occur. [76] [ fuente autoeditada? ]

Estrés Editar

Sociologists and psychologists may refer to stress homeostasis, the tendency of a population or an individual to stay at a certain level of stress, often generating artificial stresses if the "natural" level of stress is not enough. [77] [ fuente autoeditada? ]

Jean-François Lyotard, a postmodern theorist, has applied this term to societal 'power centers' that he describes in The Postmodern Condition, as being 'governed by a principle of homeostasis,' for example, the scientific hierarchy, which will sometimes ignore a radical new discovery for years because it destabilizes previously accepted norms.


Concept in Action

View micrographs of musculoskeletal tissues as you review the anatomy.

Tipos de células en los huesos

El hueso consta de cuatro tipos de células: osteoblastos, osteoclastos, osteocitos y células osteoprogenitoras. Osteoblastos son células óseas responsables de la formación ósea. Los osteoblastos sintetizan y secretan la parte orgánica e inorgánica de la matriz extracelular del tejido óseo y las fibras de colágeno. Los osteoblastos quedan atrapados en estas secreciones y se diferencian en osteocitos menos activos. Osteoclastos son células óseas grandes con hasta 50 núcleos. Eliminan la estructura ósea al liberar enzimas lisosomales y ácidos que disuelven la matriz ósea. Estos minerales, que se liberan de los huesos a la sangre, ayudan a regular las concentraciones de calcio en los fluidos corporales. El hueso también puede reabsorberse para remodelarlo, si las tensiones aplicadas han cambiado. Osteocitos son células óseas maduras y son las células principales del tejido conectivo óseo que estas células no pueden dividirse. Los osteocitos mantienen la estructura ósea normal reciclando las sales minerales en la matriz ósea. Células osteoprogenitoras son células madre escamosas que se dividen para producir células hijas que se diferencian en osteoblastos. Las células osteoprogenitoras son importantes en la reparación de fracturas.


Role of vasculature in bone regeneration and fracture healing

Orthopaedic surgeons have long appreciated the role of the blood supply in bone growth and healing (2,3). The trauma of a fracture or other major bone injury also damages the blood supply, resulting in local hypoxia, which may be maintained by the subsequent inflammation (34). In rabbits, for example, pO2 in the fracture hematoma is <1% (35) and in the medullary cavity following osteotomy between about 1–3% (36). The HIF-a pathway, which is activated in hypoxia, is reported to be a key mechanism for coupling bone growth to angiogenesis, via increased expression of VEGF, the major angiogenic cytokine expressed by hypoxic osteoblasts. Mice selectively overexpressing HIFa in their osteoblasts had high levels of VEGF expression and extremely dense, highly vascularised bones (37,38). These mice also produced more bone in response to tibial osteotomy and distraction osteogenesis, whereas mice lacking HIF-1a in osteoblasts had impaired VEGF-dependent angiogenesis and bone healing (39). The role of HIFs in osteogenesis may be quite complex, however. A recent report indicates that HIF-1a may also activate expression of sclerostin (the key bone-specific inhibitor of Wnt signaling) in osteoblasts, thus potentially reducing osteogenesis (40). The VEGF homologue, PIGF (placental growth factor), which acts through the VEGF receptor, also appears to play a significant role in promoting fracture healing (34). VEGF stimulates the regrowth of blood vessels into the injury site, so that oxygen and nutrient levels can begin to return to normal values.

The general pattern of bone cell activity following fracture or osteotomy is broadly consistent with the known responses of osteoblasts and osteoclasts to changes in pO2: the early hypoxic phase favours osteoclast recruitment, whilst inhibiting osteoblasts (which may survive locally in a quiescent state), whereas revascularisation will progressively favour osteoblast function (proliferation, differentiation and bone formation). Osteoblast precursors could also move into developing and fractured bones along with invading blood vessels (41). Bone microdamage, induced by fatigue loading, has also been shown to increase local vascularity and blood perfusion, probably as a repair mechanism to reconstruct a disrupted lacuno-canalicular network (42). It is worth noting that application of early or delayed functional loading has been shown to respectively inhibit or stimulate neovascular growth in a rat model of large bone defect regeneration (43). This suggests that biomechanical stimulation could modulate vascular growth and remodelling during bone repair, partially overriding the normal sequence of cellular responses described above.


Biology of MBD and the emerging role of osteocytes

Physiological bone remodeling is highly dependent on the fine-tuned interactions among the bone matrix, osteocytes, osteoclasts, osteoblasts, and immune cells. 6 MBD is characterized by significant deregulation in all these aspects the ultimate effect is increased osteoclast activity and suppressed osteoblast function, leading to bone loss. Osteocytes play a major role in these pathways through the secretion of receptor activator of NF-κB ligand (RANKL), sclerostin, Dickkopf-1 (DKK-1), and other factors that have not been well studied (Figure 1). 7-9 MM cells lead osteocytes to apoptosis to alter the bone marrow microenvironment and provide a premetastatic niche for the MM cells. 10 Indeed, MM patients have reduced number of viable osteocytes, which is associated with increased bone disease burden. 11 In contrast, proteasome inhibitors, which have a positive effect on bone formation in MM, have been shown to restore osteocyte viability by reducing autophagy and apoptosis in MM patients. 12

Schematic overview of MBD. The intercellular interactions between bone marrow stromal cells (BMSCs) and MM cells, along with the involvement of immune cells, such as Th17 cells, induce cytokine release (interleukin-1b [IL-1b], IL-3, IL-6, IL-11, and IL-17) and secretion of proosteoclastogenic factors such as tumor necrosis factor α (TNF-α), chemokine (C-C motif) ligand 3 (CCL3), stromal cell derived factor-1α (SDF-1α), and annexin 2 in the bone marrow microenvironment. These cytokines promote increased osteoclast activity and inhibit osteoblastogenesis. Adhesion molecules such as vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1) on BMSCs and very late antigen-4 (VLA-4) on MM cells mediate cell-to-cell contact. Notch, expressed by MM cells, binds to Jagged, expressed by neighboring MM cells and BMSCs, and activates intracellular cascades favoring RANKL production. RANKL, expressed by both BMSCs and MM cells, binds directly to RANK on osteoclast precursors and promotes osteoclastogenesis. Syndecan-1 on MM cells binds and inactivates osteoprotogerin (OPG), the RANKL soluble decoy receptor. Osteoclasts also produce factors sustaining MM cell growth and survival, such as osteopontin. Furthermore, osteocytes and MM cells produce soluble factors that inhibit osteoblastogenesis such as DKK-1, sFRP-2, and sclerostin. Activin-A secreted by BMSCs also impedes osteoblast production. EphB4 on osteoblasts and BMSCs binds to EphrinB2 on osteoclasts and results in bidirectional signaling that ultimately induces osteoclastogenesis and impedes osteoblastogenesis. Moreover, myeloma cells and osteoclasts produce semaphorin-4D (Sema-4D) and further inhibit the osteoblasts. Osteocyte apoptosis increases RANKL and sclerostin production to increase osteoclast activity, suppress osteoblast differentiation, and increase myeloma growth through bidirectional Notch signaling. BAFF, B cell–activating factor HGF, hepatocyte growth factor. Professional illustration by Somersault18:24.

Schematic overview of MBD. The intercellular interactions between bone marrow stromal cells (BMSCs) and MM cells, along with the involvement of immune cells, such as Th17 cells, induce cytokine release (interleukin-1b [IL-1b], IL-3, IL-6, IL-11, and IL-17) and secretion of proosteoclastogenic factors such as tumor necrosis factor α (TNF-α), chemokine (C-C motif) ligand 3 (CCL3), stromal cell derived factor-1α (SDF-1α), and annexin 2 in the bone marrow microenvironment. These cytokines promote increased osteoclast activity and inhibit osteoblastogenesis. Adhesion molecules such as vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1) on BMSCs and very late antigen-4 (VLA-4) on MM cells mediate cell-to-cell contact. Notch, expressed by MM cells, binds to Jagged, expressed by neighboring MM cells and BMSCs, and activates intracellular cascades favoring RANKL production. RANKL, expressed by both BMSCs and MM cells, binds directly to RANK on osteoclast precursors and promotes osteoclastogenesis. Syndecan-1 on MM cells binds and inactivates osteoprotogerin (OPG), the RANKL soluble decoy receptor. Osteoclasts also produce factors sustaining MM cell growth and survival, such as osteopontin. Furthermore, osteocytes and MM cells produce soluble factors that inhibit osteoblastogenesis such as DKK-1, sFRP-2, and sclerostin. Activin-A secreted by BMSCs also impedes osteoblast production. EphB4 on osteoblasts and BMSCs binds to EphrinB2 on osteoclasts and results in bidirectional signaling that ultimately induces osteoclastogenesis and impedes osteoblastogenesis. Moreover, myeloma cells and osteoclasts produce semaphorin-4D (Sema-4D) and further inhibit the osteoblasts. Osteocyte apoptosis increases RANKL and sclerostin production to increase osteoclast activity, suppress osteoblast differentiation, and increase myeloma growth through bidirectional Notch signaling. BAFF, B cell–activating factor HGF, hepatocyte growth factor. Professional illustration by Somersault18:24.

Increased osteoclast activity

A cardinal signaling cascade regulating osteoclast maturation and activation is the RANK/RANKL pathway. RANKL is produced mainly by osteocytes, but also by activated lymphocytes, BMSCs, and endothelial cells, and promotes osteoclast activity by binding to RANK on the membrane of osteoclastic lineage cells. OPG is secreted by osteoblasts, BMSCs, and osteocytes and antagonizes the interaction between RANKL and RANK. 13,14 MM cells degrade OPG through the membrane syndecan-1 system. 15 Therefore, the increased RANKL/OPG ratio favors bone destruction, and importantly, it affects prognosis of NDMM patients. dieciséis

Another aberrant pathway inducing osteoclast activity is the Notch signaling pathway. Both members of the Notch family and their Jagged ligands are expressed in the membranes of MM cells, enabling homotypical and heterotypical interactions with the same or adjacent cells, respectively. The subsequently activated intracellular cascade ultimately results in the increase of RANKL production by MM cells. However, in the myeloma microenvironment, BMSCs and osteocytes remain the main sources of RANKL. 17,18 Other factors favoring osteoclastogenesis and osteoclast-mediated bone loss include chemokines such as CCL3, SDF-1α, osteopontin, interleukins, annexin 2, members of the transforming growth factor β (TGFβ) superfamily such as activin-A, and members of the TNF superfamily such as TNF-α and BAFF (Figure 1). 19-26

Suppressed osteoblast activity

The Wingless-type (Wnt) and β-catenin pathway is a principal regulator of osteoblast differentiation and bone homeostasis. 27 Osteocytes and MM cells express Wnt antagonists such as sclerostin, DKK-1, and soluble frizzled-related proteins and suppress osteoblast activity. 28,29 Sclerostin is an osteocyte product associated with abnormal bone remodeling it impedes the activation of the canonical Wnt pathway and inhibits osteoblast maturation, impairs bone mineralization, and induces osteoblast apoptosis through caspase cascade activation. 30,31 Sclerostin inhibition with monoclonal antibodies in preclinical MM models restores the deregulated bone metabolism and decreases bone fragility. 29,32 DKK-1 has a synergistic effect with sclerostin and disrupts autocrine Wnt signaling and, subsequently, suppresses osteoblast differentiation and activity. 28,33 Other regulatory factors of the Wnt pathway that are found deregulated in MM include periostin, runt-related transcription factor 2, and growth factor independence-1. 34-36 Furthermore, members of the TGFβ and TNF superfamilies along with interleukins are also implicated in favoring osteoblast suppression, whereas osteoclasts and myeloma cells further inhibit osteoblasts through semaphorin-4D (Figure 1). 37-39 Interestingly, proteasome inhibitors promote osteoblast differentiation by upregulating the intracellular β-catenin pathway independently of Wnt signaling thus, they have an anabolic effect on myelomatous bone. 40-42

Bone marrow microenvironment

In the bone marrow microenvironment, there is a constant crosstalk among the different cell subtypes. 43 Homing of MM cells is favored by their adhesion to BMSCs through the VLA-4/VCAM-1 integrin system. 44 Notch bidirectional signaling also mediates interactions among MM cells, BMSCs, and osteocytes and leads to significant alterations in the bone marrow microenvironment, promoting MM proliferation and bone destruction. 17,18 The dysregulated EphrinB2/EphB4 signaling in MM also impairs the normal interaction between osteoclasts and osteoblasts, which finally results in increased bone loss. 45 Osteoclasts potentiate the immunosuppressive microenvironment by promoting the expansion of Th17 lymphocytes and myeloid-derived suppressor cells, whereas they inhibit the cytotoxic T and NK cells against MM cells. 46,47 The upregulation of immune checkpoint molecules and T-cell metabolism regulators provides the rationale for targeted monoclonal antibodies against programmed death ligand 1 and CD38. 47,48 Interestingly, the interplay between MM cells and mature osteoblasts may provide a unique niche for MM cells to be maintained in quiescence, whereas osteoblast dysfunction or osteoclast remodeling of the endosteal niche allows their reactivation. 49-51


Why Are Ketone Bodies Formed?

When glucose levels are high in your body, it is busy storing the excess as fats, building proteins, and in general growing. This is known as the absorptive state. When you fast, or are being starved, the glucose levels in your blood quickly decrease. This triggers the body to enter the postabsorptive state. In this state, the body starts converting fat back into fatty acids, glycogen into glucose, and even starts breaking down amino acids for energy.

While glycogen is just a storage product of glucose and can be quickly converted back, only so much glycogen is stored in the body (mainly in the liver). Once these stores are depleted, the body must resort to the other breakdown products for energy. Luckily, most of the cells in the body can survive off of fatty acids, created from the breakdown of fat. This is not true, however, for the brain and liver. The brain and liver prefer glucose as a source of energy.

The liver, in order to keep supplying the brain with glucose, must convert amino acids, glycerol, pyruvate, and lactate into glucose. This process is called gluconeogenesis, and also produces the two ketone bodies acetoacetate and beta-hydroxybutyrate. It releases these ketone bodies, along with glucose, into the bloodstream to feed the brain. By this point, the muscles and other organs have mainly switched to fatty acids for energy, conserving the glucose for the brain. Esto se conoce como glucose sparing and is very important for animals that must undergo long periods of fasting or starvation.

The brain prefers glucose as a source of energy but will begin to switch to ketone bodies after about 4 days of starvation. This greatly increases the amount of time an organism can go without food, however it can also begin to cause negative side-effects. If food is not eaten to replenish the glucose supply, ketone bodies can begin to build up. While ketone bodies are removed by your kidneys, if they are produced at a high rate they can overwhelm the kidney.


Biology, Physiology, and Morphology of Bone


Osteoblasts are the bone-forming cells that derive from the mesenchymal stem cells of the bone marrow, which also form chondrocytes, myocytes, and adipocytes. Osteoblasts are cuboid-shaped cells that form clusters covering the bone surface. They are metabolically highly active, synthesizing the collagenous and noncollagenous bone matrix proteins, which are excreted and then deposited between the osteoblasts and the bone surface. This newly built matrix, which is not yet calcified, is termed the osteoid. The lag phase between osteoid deposition and its mineralization is approximately 10 days. Osteoblast differentiation depends on the expression of two key transcription factors, Runx2 and its target Osterix 1, which confer the differentiation of these cells into osteoblasts in response to external stimuli. 1 Prostaglandin E 2 (PGE 2 ), insulin-like growth factor (IGF)-1, parathyroid hormone (PTH), bone morphogenic proteins (BMPs), and Wingless and Int-1 (Wnt) proteins are key stimuli for osteoblast differentiation. 2, 3 Prostaglandin E2, for instance, is an important anabolic factor for bone and induces the expression of bone sialoprotein and alkaline phosphatase in mesenchymal cells. Bone morphogenic proteins (BMPs) and transforming growth factor (TGF)-β, which shares structural similarities with BMPs, foster osteoblast differentiation by activating intracellular Smad proteins. Finally, Wnt proteins, a family of highly conserved signaling molecules, are potent stimulators of osteoblast differentiation. Wnt proteins bind to surface receptors on mesenchymal cells such as Frizzled and LRP5, eliciting activation and nuclear translocation of the transcription factor β-catenin, which induces the transcription of genes involved in osteoblast differentiation. Wnts thereby act not only in close synergy with BMPs but also cross-talk to the receptor activator of nuclear factor κB ligand (RANKL)-osteoprotegerin (OPG) system, which is involved in the differentiation and function of bone-resorbing osteoclasts.

Osteoclasts are multinucleated cells containing up to 20 nuclei and are unique in their ability to resorb bone. 6, 7 They are directly attached to the bone surface and build resorption lacunae (Howship’s lacunae). Apart from their multiple nuclei, another characteristic of the osteoclast is the ruffled border, a highly folded plasma membrane facing the bone matrix and designed to secrete and resorb proteins and ions into the space between the osteoclast and bone surface (Figure 4-2). The space between this ruffled border and the bone surface is the place where bone resorption occurs. It is sealed by a ring of contractible proteins and tight junctions because it represents one of the few regions of the human body, where a highly acidic milieu is found. Bone degradation by osteoclasts comprises two major steps: first, demineralization of inorganic bone components, and second, removal of organic bone matrix. To demineralize bone, osteoclasts secrete hydrochloric acid through proton pumps into the resorption lacunae. This proton pump requires energy, which is provided by an ATPase allowing the enrichment of protons in the resorption compartment, which, in fact, represents an extracellular lysosome. In addition to protons and chloride, osteoclasts release matrix-degrading enzymes including tartrate resistant acid phosphatase (TRAP), lysosomal cathepsin K, and other cathepsins. Cathepsin K can effectively degrade collagens and other bone matrix proteins. Consequently, inhibitors of cathepsin K block osteoclast function and slow down bone resorption.


Blood acidity and bones - Biology

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Conclusión

Bone biology is a scientific field that requires an understanding of complex, interrelated areas of study. Detailed knowledge of the anatomy, histology, and physiology of bone tissue has developed dramatically in the last few decades. Our understanding of the process of osteogenesis is constantly under revision, because our knowledge of the genetic and molecular mechanisms controlling bone cell differentiation and growth continues to expand. Much of the impetus behind current bone research is in order to understand the pathogenesis and treatment of diseases such as osteoporosis. Factors such as cytokines, prostaglandins, and mechanical loading, all of which influence and control the local formation and remodeling of bone, have potential to change the way osteoporosis is treated. Future studies are needed to help uncover the mechanobiological rules that help to govern bone response to mechanical loading. 55 A better understanding of these rules will allow physical therapists to be more prescriptive with exercise and level of weight-bearing activity to capitalize on a bone’s inherent ability to remodel.

Both authors provided concept/idea/project design. Dr Downey provided writing. Dr Siegel provided project management and consultation (including review of manuscript before submission).