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Bases biológicas de la salud
U1
Propiedades y función
celular
Programa desarrollado
Tercer semestre
Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 1
Bases biológicas de la salud
Propiedades y función celular U1
Propiedades y
función celular Célula. https://concepto.de/wp-content/uploads/2018/04/celula- e1523472422656.jpg Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 2
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Propiedades y función celular U1
Índice
Introducción ...................................................................................................................................................... 3
Competencia específica ............................................................................................................................. 4
Logros .................................................................................................................................................................... 4
1.1 Estructura, organización y función celular ............................................................................... 5
1.1.1 Fundamentos celulares ....................................................................................................... 6
1.1.2 Organelos..................................................................................................................................... 7
1.1.3 Funciones básicas y especializadas............................................................................. 11
1.1.4 Organización celular ............................................................................................................ 9
1.2 Homeostasis ............................................................................................................................................... 13
1.2.1 Intercambio celular .............................................................................................................. 13
1.2.2 Homeostasis ............................................................................................................................ 14
1.3 Microbiología de la salud pública ................................................................................................. 15
1.3.1 Mundo microbiano ............................................................................................................... 15
1.3.2 Aspectos benéficos de los microbios ...................................................................... 19
1.3.3 Enfermedad microbiana .................................................................................................. 21
Cierre de la unidad ...................................................................................................................................... 28
Para saber más .............................................................................................................................................. 29
Fuentes de consulta .................................................................................................................................... 31
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Propiedades y función celular U1
Introducción
Te damos la bienvenida a la asignatura Bases biológicas de la salud. En la presente Unidad se conocerán los aspectos más importantes de la estructura y función celular a la luz de la teoría celular como base para comprender el estudio de la vida, incluida la vida microbiana. Se reflexionará y discutirá en torno a los casos estudios y búsqueda de información sobre los avances en fisiología celular que nos han permitido crecer células fuera del cuerpo (in vitro) para entender procesos celulares y de desarrollar métodos de diagnóstico para agentes patógenos. En esta unidad se comprenderá que, para entender a los microbios, patógenos o no, primero es necesario conocer sobre el concepto básico de la biología, a saber, las células como la unidad básica de la vida. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 4
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Competencia específica
Identificar los factores que originan problemas de no sustentabilidad a través del análisis de los principios del desarrollo sustentable para seleccionar un problema específico en su comunidad.
Logros
1 Describe las principales partes de la célula y su función.
2 Describe los principios básicos del control homeostático celular.
3 Explica las características definitorias y ciclo de vida microbianas. .
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1.1. Estructura, organización y función celular
Las células son la unidad básica de la vida, ya sea que existan como una célula única o como un organismo multicelular, todas las células realizan funciones básicas necesarias para su propia supervivencia. Dentro de cada célula, las moléculas químicas se organizan en una unidad viva. A su vez, las células sirven como bloques de construcción para la función de tejidos, órganos y todo el cuerpo. Las células no son visibles para el ojo humano y no fue hasta la invención del microscopio a mediados del siglo XVII que los científicos fueron capaces de detectarlas. Los avances de hoy en día en microscopios de luz y más tarde en microscopía electrónica (100 veces más potente que los microscopios de luz) permitieron a los científicos comprender la increíble complejidad y diversidad de la célula. Además, se identificaron las estructuras internas de la célula y se conocieron las funciones específicas de estos componentes estructurales (CUADRO 1). Los avances modernos en fisiología celular nos han permitido crecer células fuera del cuerpo (in vitro) y han dado como resultado campos relacionados con la ingeniería celular y la genética.
Organelo
celular
Estructura Función
Membrana
plasmática
Proteínas a base de lípidos y que
contienen.
Barrera selectiva que controla
el transporte al interior y exterior de las células.
Núcleo Membrana de doble capa que
contiene el AND y proteínas especializadas.
Almacena el material genético.
Retículo
endoplásmico
Una red de túbulos llenos de
líquido y sacos aplanados.
Síntesis de proteínas y
transporte de material a través de la célula.
Aparato de
Golgi
Conjuntos de sacos curvos
aplanados que se apilan en capas.
Modifica, empaqueta y
distribuye proteínas recién sintetizadas.
Lisosomas Sacos de membrana que
contienen enzimas hidrolíticas.
Digiere y elimina residuos
celulares.
Peroxisomas Sacos de membrana que
contienen oxidativas.
Desintoxica a la célula.
Mitocondria Cuerpos ovalados que tienen una
doble membrana externa, una membrana interna doblada (crestas) y un interior (matriz).
Principal sitio de producción
de ATP (energía).
Vesículas de
transporte
Paquetes cerrados por
membrana.
Mueven moléculas, por
ejemplo proteínas, desde el Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 6
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retículo endoplásmico rugoso al complejo de Golgi. Vaults Barriles octogonales. Puede transportar ARN mensajero o unidades ribosómicas desde el núcleo al citoplasma Cuadro 1. Resumen de las estructuras y funciones celulares. Estos avances nos han proporcionado una mayor capacidad para comprender, prevenir y tratar las principales enfermedades no transmisibles y transmisibles que afectan a la población mundial.
1.1.1 Fundamentos celulares
La mayoría de las células tienen tres partes principales: la membrana plasmática (célula), el núcleo y el citoplasma (FIGURA 1). La membrana celular proporciona una barrera selectiva al ambiente exterior. El fluido contenido dentro de la pared celular se conoce como fluido intracelular, mientras que el fluido fuera de la célula se conoce como fluido extracelular. La membrana celular controla todo el movimiento de las moléculas dentro y fuera de la célula. Por ejemplo, la membrana permite la entrada de nutrientes y la salida de productos de desecho, mientras que también sirve para mantener los elementos no deseados fuera de la célula. Figura 1. Célula animal. Fuente: Karp G. 2008. Biología celular y molecular. Conceptos y experimentos, 5e. McGraw-Hill. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 7
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Las dos estructuras primarias en el interior de la célula son el núcleo y el citoplasma. El núcleo celular es la unidad organizada única más grande de la célula y proporciona almacenamiento para el material genético de la célula: el ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN nuclear proporciona el modelo para la replicación celular. Actúa como el centro de control de la célula al dirigir la síntesis de ciertas proteínas que determinan la especificidad de la célula. Tres tipos de ácido ribonucleico (ARN) desempeñan un papel en dicha síntesis de proteínas: ARN mensajero, ARN ribosomal y ARN de transferencia. El código genético para una proteína específica se transcribe en ARN mensajero, que luego sale del núcleo y entrega el código al ARN ribosomal. El ARN ribosómico lee y traduce el código en una secuencia de aminoácidos y luego transfiere las secuencias de ARN dentro del citoplasma al sitio designado de producción de proteínas dentro de la célula. Además de proporcionar los códigos para la síntesis de proteínas, el ADN también sirve como un plan genético durante la replicación celular, asegurando así que la célula produzca células adicionales idénticas a sí mismas. En las células reproductivas, el modelo de ADN transmitirá características genéticas específicas a futuros descendientes. El citoplasma es la porción del interior de la célula que no está ocupada por el núcleo. El citoplasma comprende una masa compleja parecida a un gel llamada citosol, dentro de la cual se dispersan una variedad de estructuras encerradas en membranas altamente organizadas y distintas llamadas organelos. Casi todas las células contienen seis tipos principales de organelos: (1) el retículo endoplásmico; (2) el complejo de Golgi; (3) lisosomas; (4) peroxisomas; (5) mitocondrias; y (6) vaults. Cada tipo de organelo es un compartimiento interno especializado que contiene tipos específicos de productos químicos para realizar una función celular particular. Los organelos ocupan aproximadamente el 50% del volumen celular total. El resto del citoplasma no ocupado por organelos comprende citosol. El citosol es una masa semilíquida unida a una intrincada red de proteínas: el citoesqueleto. Este citoesqueleto es lo que le da forma a la célula, proporciona su organización interna y regula sus movimientos.
1.1.2 Organelos
El retículo endoplásmico (RE) es una fábrica de síntesis de proteínas que tiene ribosomas incrustados que sintetizan proteínas además de transportar materiales a través de la célula. Estas proteínas de membrana y secretadas se hacen en los ribosomas, que se encuentran en la membrana del RE rugoso. La mayoría de estas proteínas maduran en el aparato de Golgi antes de ir a su Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 8
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destino final. Algunas proteínas se envían para su exportación al exterior de la célula como productos de secreción (como hormonas o enzimas). Otras proteínas se transportan a sitios dentro de la célula para la construcción de nuevas membranas celulares o para otros componentes proteicos de orgánulos. El RE liso es una red de diminutos túbulos interconectados y no contiene ribosomas. Su función principal es transportar materiales a través de la célula. Algunas células especializadas tienen un RE liso más extendido que realiza funciones adicionales. Por ejemplo, algunas células que se especializan en el metabolismo de los lípidos son abundantes en el RE liso; en las células hepáticas, el RE liso tiene la capacidad de desintoxicar sustancias nocivas para que puedan eliminarse más fácilmente en la orina; y en las células musculares, el RE liso modificado (retículo sarcoplásmico) almacena calcio y juega un papel importante en las contracciones musculares. El complejo o aparato de Golgi consiste en conjuntos de sacos aplanados, curvados y cerrados por membranas que se apilan en capas. Las proteínas recién fabricadas que vienen del RE viajan a través de las capas de la pila de Golgi a la membrana celular. Durante este tránsito, se llevan a cabo dos funciones importantes e interrelacionadas: (1) las proteínas "en bruto" se modifican en su forma final, y (2) las proteínas modificadas se clasifican y se distribuyen a su destino final. Los lisosomas son sacos encerrados en membranas que contienen ácido hidrolítico. Son responsables de digerir y eliminar los productos de desechos celulares, como las bacterias, de la célula. Los lisosomas también pueden volver a empaquetar partes celulares dañadas, o materiales extracelulares que han sido engullidos por la célula, en partes celulares reutilizables. Cada célula contiene aproximadamente 300 lisosomas, y cada uno varía en tamaño y forma dependiendo de lo que digieren. Los peroxisomas también son sacos encerrados en la membrana que son más pequeños que los lisosomas y contienen varias enzimas oxidativas potentes. Estas enzimas usan oxígeno (O) para extraer el hidrógeno de moléculas específicas. Esta reacción sirve para desintoxicar varios productos de desecho producidos dentro de la célula, así como compuestos tóxicos extraños que han entrado en la célula, como el etanol de las bebidas alcohólicas. La mitocondria es la planta de energía de la célula. Su función es derivar la energía de los nutrientes ingeridos y convertir esa energía en una forma utilizable. El trifosfato de adenosina (ATP) es la "moneda" de la energía común del cuerpo y está formado por grupos de adenosina + 3 fosfato. Las celdas Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 9
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maquinaria celular. Cuando un enlace de alta energía (como el que une el fosfato terminal a la adenosina) se divide, se libera una cantidad sustancial de energía. El número de mitocondrias por célula varía (entre 100 y 2,000) según las necesidades energéticas de la célula. Los alimentos se digieren y se descomponen en unidades absorbibles que pueden transportarse desde la luz del tracto digestivo al sistema circulatorio. Estas moléculas se envían a las células y se transportan a través de la membrana plasmática hacia el citosol. El citosol contiene enzimas que son responsables de la glucólisis, un proceso químico que descompone la molécula de glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico para producir ATP. La glucólisis no es muy eficiente, sin embargo, con respecto a la extracción de energía. De hecho, una molécula de glucosa tiene un rendimiento neto de solo dos moléculas de ATP, que es insuficiente para satisfacer las necesidades energéticas del cuerpo. Aquí es donde las mitocondrias asumen la producción de energía. Las mitocondrias son estructuras en forma de varilla u óvalo que tienen el tamaño de una bacteria. Cada mitocondria está rodeada por una membrana doble: una membrana externa lisa y una membrana interna que forma una serie de pliegues llamados crestas. Estas crestas se proyectan en una cavidad interna llena de una solución similar a un gel que se llama matriz (FIGURA 2). El ácido pirúvico producido por la glucólisis en el citosol se puede transportar selectivamente a la matriz mitocondrial, donde se descompone para formar acetil coenzima A (acetil CoA). Luego, el Acetil CoA ingresa en el ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo de Krebs), donde pasa por una serie cíclica de ocho reacciones bioquímicas separadas dirigidas por las enzimas de la matriz mitocondrial para producir dos moléculas más de ATP de cada molécula de glucosa. Estas dos moléculas de ATP adicionales siguen siendo un rendimiento inadecuado; sin embargo, el ciclo del ácido cítrico es un paso importante en la preparación de las moléculas portadoras de hidrógeno para su entrada en la cadena de transporte de electrones. La cadena de transporte de electrones es esencial para la respiración celular, la oxidación intracelular de nutrientes, y se produce en las crestas mitocondriales. El O2 respirado entra en las mitocondrias y se combina con iones de hidrógeno para formar agua. A medida que los electrones se mueven a través de esta cadena, desde niveles de alta energía hasta niveles de energía más bajos, liberan energía. Parte de esta energía se libera como calor, pero parte de ella es aprovechada por las mitocondrias para sintetizar ATP. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 10
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Figura 2. Estructura de una mitocondria. Fuente: Karp G. 2008. Biología celular y molecular. Conceptos y experimentos, 5e. McGraw-Hill. La célula es un convertidor de energía más eficiente cuando O2 está disponible. En condiciones anaeróbicas (sin O2), la descomposición de la glucosa no puede ir más allá de la glucólisis, misma que ocurre en el citosol como la descomposición de la glucosa en ácido pirúvico. Esta descomposición produce un bajo rendimiento de solo dos moléculas de ATP por molécula de glucosa. La energía restante dentro de la molécula de glucosa se enlaza dentro de los enlaces de la molécula de ácido pirúvico, que finalmente se convierten en ácido láctico. En contraste, cuando hay suficiente O2 (condiciones aeróbicas), el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones acumulan suficiente energía para producir 34 moléculas de ATP adicionales para un rendimiento total de 36 por molécula de glucosa (FIGURA 3). Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 11
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Figura 3. Metabolismo de los carbohidratos en las células eucariotas. Otros organelos son los vaults, que son estructuras octagonales en forma de barril que aparentemente transportan ARN mensajero o unidades ribosómicas desde el núcleo al citoplasma. Las vesículas de transporte pueden mover moléculas como proteínas desde la ER rugosa al aparato de Golgi. Estas vesículas son las principales responsables de dirigir el transporte intracelular y de regular los movimientos celulares. Las vesículas de transporte también desempeñan un papel en la regulación del crecimiento y la división celular. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 12
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1.1.3 Funciones básicas y especializadas
Todas las células realizan varias funciones básicas y comunes, necesarias para la supervivencia de la propia célula. Las funciones básicas incluyen: (1) obtener nutrientes y O2 del ambiente circundante; (2) convertir los nutrientes y O2 en energía, como se describió anteriormente; (3) eliminar los productos de desecho de tales conversiones; (4) sintetizar proteínas para el crecimiento celular, la estructura y la función; (5) controlar el intercambio de materiales dentro y fuera de la celda; (6) mover materiales alrededor de la celda; (7) monitorear el entorno que rodea a la célula; y (8) reproducirse, excepto en el caso de pérdida de células nerviosas o musculares por enfermedad o trauma. Las células realizan estas funciones básicas con notable similitud. En los organismos multicelulares, cada célula también realiza una función especializada, que generalmente implica alguna modificación de una de las funciones celulares básicas. Los ejemplos de funciones especializadas incluyen: (1) contracciones de las células musculares para el movimiento; (2) eliminación de residuos por células renales; (3) la secreción de enzimas digestivas por glándulas especializadas en el sistema digestivo; y (4) mensajes de células nerviosas al cerebro en respuesta a cambios en el entorno circundante. Un concepto importante aquí es que las funciones celulares básicas son importantes para la supervivencia de la célula individual, mientras que las funciones especializadas contribuyen a la supervivencia del sistema o de todo el cuerpo. El cuerpo se organiza progresivamente en cuatro niveles: células, tejidos, órganos y sistemas. Las células de estructura y función similares comprenden tejidos. El cuerpo contiene cuatro tipos diferentes de tejido: muscular, nervioso, epitelial y conectivo. Cada tipo de tejido consiste en células que tienen una
única función especializada.
El tejido muscular está compuesto por células especializadas para contraerse y generar fuerza. Los tres tipos de tejido muscular son esqueléticos, cardíacos y lisos. El músculo esquelético es responsable de mover el esqueleto. Una sola célula muscular esquelética, denominada fibra muscular, es alargada, tiene forma cilíndrica y contiene múltiples núcleos. Estas fibras musculares son estriadas (que contienen bandas de fibras) y están bajo control voluntario. Debido a las demandas de energía de las contracciones musculares y el movimiento, las fibras musculares contienen más mitocondrias en comparación con otros tipos de células. El tejido muscular cardiaco (corazón) Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 13
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también es estriado. Estas células aparecen ramificadas, con uno a tres núcleos centrales. El tejido cardíaco también tiene múltiples núcleos para soportar las demandas de energía del corazón y del sistema circulatorio, pero a diferencia del músculo esquelético, no está bajo control voluntario; más bien, está inervado por el sistema nervioso autónomo. El músculo liso no está estriado, está dispuesto en láminas y, como el músculo cardíaco, no está bajo control voluntario. Tanto las células musculares lisas como las esqueléticas son alargadas; sin embargo, las células del músculo liso son pequeñas, tienen forma de huso y contienen un solo núcleo. La mayoría del músculo liso se encuentra en las paredes de los órganos y tubos huecos (por ejemplo, el estómago, el útero, el intestino delgado). El músculo liso es responsable de ejercer presión y mover los contenidos hacia adelante a través de estas estructuras (piense en la digestión o el parto). El tejido nervioso comprende células (neuronas) especializadas para la iniciación y transmisión de los impulsos eléctricos necesarios para controlar el cuerpo. Una neurona típica consta de tres partes: el cuerpo celular, las dendritas y el axón. El núcleo y los orgánulos se almacenan en el cuerpo celular, desde el cual se proyectan numerosas extensiones, llamadas dendritas. Estas dendritas son similares a las antenas que llegan a recibir señales de otras células nerviosas; luego llevan estas señales hacia el cuerpo celular. El cuerpo celular y las dendritas, por lo tanto, comprenden la zona de entrada de la neurona porque reciben e integran las señales entrantes. En contraste, el axón es una prolongación tubular larga que retransmite la información desde el cuerpo celular hacia las células en otras partes del cuerpo. El cuello superior del axón (el más cercano al cuerpo de la célula) se conoce como el montículo del axón. La zona de activación de la neurona es el montículo de axones porque es el sitio donde se activan los potenciales de acción. Estos potenciales de acción se transportan desde el montículo del axón, a lo largo del axón hacia las múltiples ramas de los terminales del axón. Luego, los terminales liberan mensajes químicos en comunicación con otras células (como los músculos). En ese sentido, el axón es la zona conductora (es decir, aferente) de la neurona, mientras que los terminales del axón son su zona de salida (es decir, eferentes). El tejido nervioso dañado es bastante difícil de regenerar, y esto es especialmente cierto en el caso del tejido nervioso central (cerebro y médula espinal) en comparación con el tejido nervioso periférico. Los inhibidores del crecimiento nervioso, que aparecen durante el desarrollo fetal tardío en las vainas de mielina que rodean las fibras nerviosas centrales, trabajan para mantener la integridad del sistema nervioso central (SNC). Si bien esta acción inhibidora del crecimiento es ventajosa para estabilizar la estructura compleja Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 14
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del SNC, es claramente una desventaja cuando las fibras nerviosas centrales se dañan (como en las lesiones traumáticas del cerebro o la médula espinal), ya que estas fibras nunca pueden regenerarse. El tejido epitelial está especializado para el intercambio de materiales entre la célula y su entorno y está organizado en dos tipos de estructuras: láminas epiteliales y glándulas secretoras. Las láminas epiteliales comprenden células que cubren y alinean varias partes del cuerpo. La capa externa de la piel es tejido epitelial, y también lo es el revestimiento del tracto digestivo. Estas hojas sirven como límites entre el cuerpo y el entorno exterior (como en la piel), así como entre el cuerpo y el contenido de ciertas cavidades que se comunican con el entorno exterior (por ejemplo, el tracto digestivo). Solo se permite la transferencia de ciertos materiales entre las regiones separadas por el tejido endotelial, y el tipo y la extensión de este intercambio controlado dependerán de la ubicación y función del tejido epitelial. Por ejemplo, se pueden intercambiar muy pocos materiales entre el cuerpo y el entorno exterior a través de la piel. Por otro lado, el tejido epitelial que recubre el tracto digestivo está especializado para la absorción de nutrientes y, por lo tanto, es bastante permeable. Las glándulas secretoras son tejidos epiteliales especializados para la secreción de la célula en respuesta a una señal dada, y pueden ser glándulas exocrinas o endocrinas. Las glándulas exocrinas se secretan a través de los conductos hacia el exterior del cuerpo, y las glándulas salivares y sudoríparas son ejemplos de esto. Las glándulas endocrinas liberan sus secreciones (hormonas) en la sangre. Por ejemplo, la glándula tiroides secreta la tiroxina, que controla la tasa metabólica del cuerpo. El tejido conectivo contiene células especializadas para conectar, soportar y anclar diferentes partes del cuerpo. Comprende tejido conectivo suelto, que une el tejido epitelial a las estructuras subyacentes; tendones que sujetan el músculo esquelético a los huesos; Hueso, que soporta y protege el cuerpo; y la sangre, que transporta diversos materiales por todo el cuerpo. Dos o más tipos de tejido que realizan funciones similares forman un órgano. Diferentes órganos están organizados de manera similar en sistemas que realizan funciones relacionadas necesarias para la supervivencia. Por ejemplo, el sistema circulatorio comprende el corazón, los vasos sanguíneos y la sangre; todos cooperan para proporcionar O2 vital, nutrientes, desechos, electrolitos y hormonas en todo el cuerpo. El cuerpo se divide arbitrariamente en 11 sistemas corporales principales: reproductivo, digestivo, nervioso, respiratorio, renal, musculoesquelético, tegumentario, inmune, endocrino, cardíaco y circulatorio. Una variedad de sistemas intercoordinados y regulados se unen para formar todo el cuerpo, un solo ser humano que vive independientemente. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 15
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1.2 Homeostasis
1.2.1 Intercambio celular
Las células realizan intercambios vitales con el entorno externo a través del entorno interno. Este intercambio es posible debido a un entorno interno líquido que está fuera de la célula, pero dentro del cuerpo. Este entorno consiste en un fluido extracelular que contiene tanto plasma como fluido intersticial (que rodea las células). Los diferentes sistemas también trabajan para lograr intercambios entre los entornos internos y externos. El sistema digestivo suministra el nutriente de los alimentos que ingerimos al plasma a través del proceso de absorción. El sistema respiratorio transfiere O2 del aire que respiramos al plasma. El sistema circulatorio luego entrega estos nutrientes y O2 a todo el cuerpo. Los materiales se intercambian entre el plasma y el fluido intersticial a través de las paredes porosas de los capilares. Las células luego hacen intercambios vitales con el fluido intersticial para apoyar su existencia. De manera similar, los productos de desecho generados por las células son forzados a regresar al fluido intersticial, recogidos por el plasma y llevados al órgano responsable de la eliminación de desechos del ambiente interno al externo.
1.2.2 Homeostasis
La homeostasis es necesaria para que cada célula sobreviva, y cada célula contribuye a la homeostasis de un sistema organizado. La homeostasis se refiere al mantenimiento de un entorno interno relativamente estable. Con respecto a la célula, la composición química y el estado físico de su entorno interno no pueden desviarse más allá de un límite muy estrecho. De hecho,quotesdbs_dbs23.pdfusesText_29
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