Informe 1 De Fisio

UNIVERSIDAD NACIONAL DE UCAYALI

FACULTAD DE MEDICINA HUMANA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS BÁSICAS Y PRE CLÍNICAS ASIGNATURA

: FISIOLOGIA.

PRACTICA Nº

: 01

NOMBRE DE LA PRÁCTICA

: Fisiología general y celular: F. Medio Interno osmosis

FECHA DE ENTREGA

: 09/11/09

PROFESOR

: Qf. NERY F. GRIMALDO CÓRDOVA.

ALUMNA

: Cindy Beth Tejada Quiliche

CÓDIGO

: 2070528

CICLO ACADÉMICO

: IV CICLO. Pucallpa-Perú 2009

Fisiología general y celular: F. Medio Interno – osmosis

I. Objetivos: 1. determinación de las fuerzas que producen el movimiento de las sustancias entre los compartimentos celulares. 2. Conocer el fenómeno de ósmosis y presión osmótica. 3. demostrar la ósmosis en los seres vivos: la membrana celular actúa como membrana semipermeable. I. Marco teórico: Cada célula del cuerpo está bañada en líquido tisular. El agua y la composición electrolítica de este líquido tiene una influencia vital sobre la actividad de la célula. AGUA En lo que el cuerpo humano se refiere, éste está formado por un 60% de agua; en el embrión está formado por un 97 % de agua, en el recién nacido puede ser mayor a 73%, en el niño es alrededor 74%, y va disminuyendo a 70% en la adolescencia, mientras que el anciano puede tener hasta un 50% de su peso corporal. Esta proporción de agua en nuestro organismo varía según el sexo y edad. Así, la mujer, al tener más tejido adiposo y menos masa muscular, tiene un contenido en agua algo menor, que oscila entre el 5055% de su peso total. El agua entra en el cuerpo principalmente por la absorción desde el aparato digestivo y lo abandona como orina que excretan los riñones. Estos pueden excretar varios litros de orina al día, o bien conservar el agua excretando menos de 500 ml diarios. En el cuerpo humano el agua está distribuida en el interior y exterior de las células. La que se encuentra en el interior de las células es, aproximadamente, el 50% de la totalidad que se halla en resto del cuerpo, pues todo lo que rodea al núcleo de la célula que es el citoplasma, está formado por un 90% de agua. El agua fuera de las células se encuentra formando parte de los diferentes líquidos corporales, como el intraocular, los diferentes ácidos del aparato digestivo, el plasma sanguíneo y el líquido intersticial, es decir, el que ocupa los espacios del cuerpo que no llenan los órganos, huesos y músculos. El agua es el nutriente básico del organismo humano. De allí que se puede soportar más la falta de comida que la falta de agua; una persona no soporta más de 12 días sin ingerir agua. Pero además de ser el nutriente básico, es el elemento que transporta los otros nutrientes; hay estimaciones que 50 litros de agua, aproximadamente, atraviesan las membranas celulares diariamente. 2

Compartimentos líquidos El agua dentro del cuerpo se mantiene en dos compartimentos mayores, que se designan intracelular y extracelular de acuerdo a los tipos de líquido que contienen. Estos compartimentos están separados por membranas semipermeables. El líquido intracelular (LIC) (agua dentro de las células) representa aproximadamente el 30 al 40% del peso corporal. Cada célula debe ser abastecida con oxígeno y con los nutrientes requeridos; además, el contenido de agua y sal debe mantenerse dentro de límites estrechos. El compartimento extracelular incluye el líquido intravascular o plasmático, el líquido intersticial y el líquido transcelular. El líquidoextracelular (LEC) - intravascular o plasmático (agua dentro de los vasos sanguíneos o agua intravascular contenida en el plasma) representa aproximadamente el 5% del peso corporal total del ser humano. El plasma, la porción líquida de la sangre, contiene proteínas, que normalmente permanecen dentro de las paredes de los vasos. El agua y las sales minerales que contiene pueden dejar los vasos e ingresar a los tejidos circundantes. En la salud el volumen líquido normal del plasma se mantiene dentro de límites relativamente estrechos. Si se produce deshidratación o hemorragia, el volumen se reducirá y el shock será evidente. Si se produce sobrehidratación, la acción cardíaca puede estar dificultada y el líquido se perderá de los vasos para producir edema de los tejidos subcutáneos o de los pulmones. El plasma contiene sales minerales en concentraciones diferentes de las del agua intracelular; los componentes predominantes son sodio y cloro. El líquido extracelular - líquido intersticial está entre los espacios vasculares y las células. Es similar al plasma excepto que contiene muy pocas proteínas. Cuando se produce enfermedad, un incremento en el líquido intersticial se refleja en edema; una falta de líquido intersticial produce deshidratación. El líquido intersticial es relativamente mayor en volumen en lactantes que en adultos. Aproximadamente el 25% del peso corporal del neonato es líquido intersticial. A los 2 años de edad el niño está alcanzando el nivel del adulto del 15% del peso corporal. El líquido extracelular - líquido transcelular es un tipo particular que incluye el líquido cefalorraquídeo, intraocular, pleural, peritoneal y sinovial. El líquido en el tracto gastrointestinal, aunque transcelular, también puede considerarse extracorpóreo. Las colecciones patológicas de trasudado transcelular se denominan de acuerdo al sitio: ascitis (cavidad peritoneal), derrame pleural (cavidad pleural) yderrame pericárdico o hidropericardio (saco pericárdico).

3

Cuadro comparativo del LEC y LIC.

EXTRACELULAR Contiene grandes cantidades de iones Na, Cl y bicarbonato, nutrientes como oxígeno, glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. Contiene además CO2 y otros productos celulares que van hacia los riñones para su excreción.

INTRACELULAR

Contiene grandes cantidades de iones K, Mg, PO4.

Regulación del agua corporal Además de la diferencia entre lactantes v adultos en la proporción de agua corporal total en los compartimentos celular y extracelular, el lactante ingiere y excreta más agua que el adulto cuando estas cantidades se expresan en mililitros por kilogramo de peso. Existen dos razones para estas diferencias: (1) la producción de calor basal por kilogramo es dos veces más alta en lactantes que en adultos. Debido a esto y porque el lactante tiene una superficie corporal mayor en proporción al tamaño, el lactante pierde dos veces más agua 4

por kilogramo que el adulto; (2) debido al mayor ritmo metabólico del lactante, los productos del metabolismo y su eliminación aumentan. El agua debe utilizarse para eliminar estos residuos metabólicos a través de mayor excreción urinaria.

Como la renovación diaria de agua en el lactante es aproximadamente la mitad del volumen de líquido extracelular, cualquier pérdida de líquido o falta de ingreso de líquido produce depleción del aporte de líquido extracelular rápidamente. El equilibrio de agua en el cuerpo está controlado a través de la regulación del ingreso y excreción corporal. Habitualmente el ingreso de agua es promovido por una sensación de sed. La sed, que está regulada por un centro en el hipotálamo medio, es una defensa mayor contra la depleción de líquido y la hipertonicidad. Los riñones también pueden estar involucrados en la regulación del ingreso de agua a través del sistema reninaangiotensina. El mecanismo de la sed y la liberación de hormona antidiurética (ADH) pueden estar relacionados. Se debe recordar que al menos algunos de los centros de la sed no están conectados funcionalmente y físicamente con aquellos involucrados en la liberación de ADH. La excreción del agua corporal está regulada principalmente por la variación del ritmo del flujo urinario. Una caída en la osmolalidad plasmática (normalmente 285 a 295 mOsm por kg. de H2O) indica un exceso de agua y produce un volumen aumentado de orina con una osmolalidad menor que la del plasma, restableciendo así la osmolalidad plasmática hacia lo normal. Cuando la osmolalidad plasmática está por encima de la normal, el volumen urinario cae y su osmolalidad se eleva por encima de la del plasma. El eje neurohipofisorrenal es en gran parte responsable de la regulación del volumen y 5

concentración urinaria. El flujo urinario también está bajo la influencia del filtrado glomerular (FG), la condición del epitelio tubular renal y las concentraciones plasmáticas de esteroides suprarrenales. La pérdida de agua del cuerpo como resultado de la evaporación en la piel está regulada no por la cantidad de agua corporal sino por factores independientes del agua corporal: temperatura corporal y ambiental, presión parcial de vapor de agua en el medio ambiente y frecuencia respiratoria. Balance Hídrico Es la relación entre las entradas y salidas de agua del cuerpo humano Balance hídrico

Pérdida de el cuerpo humano

líquidos

en

Estas pérdidas se estiman en unos 2,6 litros al día mediante distintos procesos fisiológicos: respiración (400 ml/día), sudoración (350 ml/día), orina (1.500 ml/día) y heces (150 ml/día). En condiciones normales, el exceso de líquidos, bien sea agua u 6

otras bebidas o el de alimentos ricos en agua (frutas y verduras), conduce a una pérdida extra de agua vía renal, produciendo una orina abundante pero diluida. Entre el 2% y el 3% de la perdida de agua, provoca malestar, sequedad en la boca y bajada del rendimiento físico (entre el 5% y el 10% fuente OMS) . Los músculos tienen más dificultades para realizar las contracciones. Alrededor del 4% provoca una caída drástica del rendimiento físico de hasta un 30% (fuente OMS), pueden aparecer calambres en los músculos sometiditos a contracciones y se inicia una bajada de la capacidad de concentración y calculo (fuente edu.co.eu) Entre el 5% y el 6% los fallos en el organismo son múltiples, la dificultad de concentración y cálculo se hace ostensible, pudiendo llegar a ver visiones y tener problemas para la retención de imágenes (fuente .tudiscovery.com). En el 6% aparecen fallos en la termorregulación del cuerpo. (fuente apuntes temario alimentación maestro en educación física). Por encima del 7%, en función del calor y el estrés los fallos multiorgánicos empiezan a aparecer, si se supera el 9/10% la muerte esta cercana.

7

Agua Corporal

➢ Compartimiento extracelular: El extracelular está formado por el intravascular y el intersticial, de modo que habrá que buscar un indicador que, inyectado en una vena, salga de los capilares, se distribuya en ambos compartimientos por igual, pero que no entre a las células, Este papel lo cumplen sustancias como la inulina y el isótopo 35S, entre otros. - Compartimiento intersticial: No existe una sustancia que, inyectada por una vena, salga por los capilares y se quede atrapada SOLO en el intersticial. Entonces, se deben usar dos indicadores simultáneamente: uno que se distribuya en el intravascular y otro en el extracelular. ➢ Compartimiento intravascular. La resta del espacio de distribución de dará el volumen de este.

uno y otro

➢ Compartimiento intracelular: Para determinar el agua intracelular, en la medida en

que o existe un indicador que quede sólo en las células, se deben usar también dos indicadores: uno que mida el agua corporal total y otro el agua extracelular. La resta dará el intracelular. A estos compartimientos biológicos hay que agregar el volumen de los líquidos TRANSCELULARES, que comprenden el líquido cefaloraquídeo, el líquido sinovial, el humor acuoso, etc. Son, por lo general, productos de secreción celular y pueden considerarse una extensión del extracelular, aunque su velocidad de intercambio con el exterior es mucho más lenta

DISTRIBUCION DEL AGUA CORPORAL DE UN ADULTO DE 70 kg

8

ELECTROLITOS El movimiento de líquido en el cuerpo está determinado en gran parte por cambios en el equilibrio de electrólitos, especialmente la concentración de sodio; sin embargo, influyen otras fuerzas que no se conocen por completo. Es más fácil comprender la base científica para el equilibrio de líquido en el cuerpo que para, el de electrólitos. La siguiente explicación se da como una revisión. Los compuestos químicos en solución pueden permanecer intactos o pueden disociarse. Ejemplos de las moléculas que permanecen intactas son dextrosa, creatinina y urea. Son no electrólitos. Las que se disocian` en solución se degradan en partículas separadas conocidas como iones. Los compuestos que se comportan de esta forma se conocen como electrólitos. Han atravesado el proceso de ionización y tienen una función importante en el mantenimiento del equilibrio ácido-base. Cada una de las partículas disociadas, o iones, de un electrólito lleva una carga electrolítica, ya sea positiva o negativa. Existen varios electrólitos biológicamente importantes. Los cationes, o iones cargados positivamente, en el líquido corporal incluyen sodio (Na+), potasio (K+), calcio (Ca++) y magnesio (Mg++). Los aniones, o iones cargados negativamente, en el líquido corporal incluyen cloro (Cl-), bicarbonato (HCO3-,) y fosfato (HPO4-). Cada compartimento líquido tiene su propia composición electrolítica, que difiere de la del otro. Los miliequivalentes (mEq) indican el número de cargas iónicas o uniones electrovalentes en la solución ionizada en cada compartimento. En el tratamiento de un paciente particular, se obtienen los niveles sanguíneos de electrólitos. Estos niveles 9

miden los electrólitos en el compartimento intravascular pero no dan una medida verdadera de los electrólitos en el propio espacio celular. Concentración normal de electrolitos PLASMA

LíQUIDO INTERSTICIA L

(mg/dL (mEq/L ) )

(mEq/L)

CATIONES SODIO

326.0

142.0

144.0

POTASIO

16.0

4.0

4.0

CALCIO

10.0

2.5

2.5

MAGNESIO

2.5

1.5

1.5

354.5

150.0

152.0

CLORO

362.0

103.0

114.0

BICARBONATO

60.0

25.0

30.0

FOSFATO

3.5

2.0

2.0

SULFATO

1.5

1.0

1.0

ACIDOS ORGÁNICOS

15.0

5.0

5.0

PROTEÍNAS

7,000.0

14.0

0.0

ANIONES TOTALES

7,442.0

150.0

152.0

CATIONES TOTALES

ANIONES

Sodio 10

La mayor parte del sodio en el cuerpo es extracelular. El ingreso diario promedio de sodio iguala a la excreción. La dieta promedio cubre los requerimientos normales de sodio, pero si se requieren cantidades adicionales en terapia, pueden administrarse soluciones isotónicas de cloruro de sodio en 0,85 a 0,9% y sangre entera. Algo de sodio se excreta a través de los riñones y algo a través de la piel en la sudoración. Se excreta en grandes cantidades cuando la temperatura que rodea al cuerpo es relativamente alta y durante el ejercicio corporal, fiebre o tensión emocional. La pérdida de sodio a través de la piel no regula la excreción de sodio; es simplemente un subproducto de la regulación de la temperatura del cuerpo. Normalmente, la mayor parte de la excreción de sodio se realiza a través de los riñones, que son los principales reguladores del sodio corporal. Las hormonas tienen un efecto definido sobre la excreción de sodio. La hormona antidiurética hipofisaria (ADH) tiene influencia sobre la reabsorción de agua de los túbulos dístales. Las hormonas adrenocorticales, de las cuales la aldosterona es la más importante, influyen sobre la reabsorción de potasio y sodio y regulan la concentración de estos iones en el torrente sanguíneo. En el lactante, el intercambio de agua dentro y fuera de la célula es tres a cuatro veces más rápido que en el adulto. Como el intercambio de sodio es igualmente rápido, el mantenimiento del equilibrio de sodio en el lactante tiene problemas especiales. Potasio La principal porción de potasio que es intercambiable es intracelular. El potasio sérico varía entre aproximadamente 4 y 5,6 mEq por litro, dependiendo de la edad del lactante o el niño. La renovación, ingreso y excreción de potasio diarios están equilibrados. La dieta promedio cubre los requerimientos de potasio del cuerpo. El equilibrio de potasio puede mantenerse con un bajo ingreso. La excreción renal de potasio es acelerada por la ACTH, desoxicorticosterona y cortisona, mientras que el sodio puede ser retenido. La actividad de todas las células está bajo la influencia de la concentración de potasio en el líquido que las rodea. Una concentración sérica elevada de potasio produce un efecto clínico sobre el músculo cardíaco. Un nivel extracelular bajo de potasio puede producir síntomas de lasitud y debilidad, con pérdida del tono tanto del músculo liso como estriado. Puede observarse fallo circulatorio en un período de tiempo. No debe administrarse potasio a un paciente hasta que la función renal sea adecuada, de otro modo el potasio sérico puede elevarse hasta niveles altos. Las contraindicaciones principales para la terapia con potasio son la insuficiencia suprarrenal y la insuficiencia renal no aliviada por el tratamiento.

COMPOSICIÓN ELECTROLÍTICA DEL PLASMA: Es de color amarillo, está compuesto por agua (91,5%) y solutos (8,5%) siendo la mayoría (7%) proteínas.

11

Las proteínas que solo están en la sangre se denominan proteínas plasmáticas y son sintetizadas en su mayoría por el hígado (globulinas y , albúminas y fibrinógeno). El fibrinógeno interviene en la coagulación sanguínea y es lo que diferencia al plasma del suero. Las albúminas y las globulinas y intervienen en el transporte de las proteínas liposolubles y también actúan como tampón debido al carácter antipático de las proteínas. La alta concentración de proteínas también contribuye a los intercambios de líquido de la sangre debido a la presión coleidosmótica. Algunas proteínas plasmáticas se transforman en células productoras de gammaglobulinas que son anticuerpos o inmunoglobulinas. Estas proteínas se mantienen constantes incluso en ayuno prolongado. Hay patologías que afectan a la concentración de proteínas como las afecciones hepáticas y renales. Los otros solutos del plasma son los electrolitos, nutrientes, sustancias reguladoras (hormonas y enzimas) gases y productos de deshecho (urea, ácido úrico, creatinina, amoniaco, bilirrubina)

COMPOSICION ELECTROLÍTICA DEL LÍQUIDO INTERSTICIAL: Similar al plasma pero con menor concentración de proteínas (la pared capilar les limita el paso) y mayor concentración de Cloro. Esta concentración diferente de las proteínas condiciona la .presencia de una presión osmótica intravascular (presión oncótica del plasma).

COMPOSICIÓN ELECTROLÍTICA DEL LÍQUIDO INTRACELULAR: Principal catión: Potasio - Magnesio Principales aniones: Proteínas y fosfatos orgánicos.

COMPARACIÓN ENTRE LOS COMPARTIMIENTOS INTRA Y EXTRACELULAR:

El cloruro de sodio es el principal electrolito del líquido extracelular. El potasio y el magnesio, las proteínas, los fosfatos y el sulfato son los principales aniones intracelulares.

12

Unidades para medir la concentración de solutos. La concentración de los solutos orgánicos puede ser expresada en diferentes unidades: miligramos por decilitro (mg/dl), milimoles por litro (mmol/L), miliequivalentes por litro (mEq/L) o miliosmoles por litro (mosmol/L). En el caso del sodio (Na+): 2.3 mg/L, 1 mmol/L, 1 mEq/L o 1 mosmol/L, son valores que representan la misma concentración de Na+. Todas estas unidades se emplean en la clínica, por lo que es fundamental comprender su nomenclatura, importancia y significado.

Mol: es la unidad con que se mide la cantidad de sustancia, una de las siete magnitudes físicas fundamentales del Sistema Internacional de Unidades. Dada cualquier sustancia (elemento químico, compuesto o material) y considerando a la vez un cierto tipo de entidades elementales que la componen, se define como un mol a la cantidad de esa sustancia que contiene tantas entidades elementales del tipo considerado, como átomos hay en 12 gramos de carbono - 12. Esta definición no aclara a qué se refiere con cantidad de sustancia y su interpretación es motivo de debates,1 aunque normalmente se da por hecho que se refiere al número de entidades. El número de unidades elementales – átomos, moléculas, iones, electrones, radicales u otras partículas o grupos específicos de éstas – existentes en un mol de sustancia es, por definición, una constante que no depende del material ni del tipo de partícula considerado. Esta cantidad es llamada número de Avogadro (NA) y equivale a:

OSMOL: Nº de Avogadro de partículas osmóticamente activas (que influyen en la presión osmótica) = 6'02 x 1023 partículas. 1 Osmol de Cl- = 6'02 x 1023 átomos de Cl1 Osmol de ClNa = 1 osmol de Cl- + 1 osmol de Na+ = 2 osmoles. Si una molécula se divide en cuatro partículas, un mol de esa molécula se divide en cuatro osmoles.

Práctica Nº 1: Osmosis y presión osmótica

13

I. Objetivos: 1. Conocer el fenómeno de ósmosis y presión osmótica. I. Marco teórico: Ósmosis La ósmosis u osmosis es un fenómeno físico-químico relacionado con el comportamiento del agua —como solvente de una solución— ante una membrana semipermeable para el solvente (agua) pero no para los solutos. Tal comportamiento entraña una difusión simple a través de la membrana del agua, sin "gasto de energía". La ósmosis es un fenómeno biológico importante para la fisiología celular de los seres vivos.

Mecanismo Se denomina membrana semipermeable a la que contiene poros, al igual que cualquier filtro, de tamaño molecular. El tamaño de los poros es tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes (normalmente del tamaño de micras). Por ejemplo, deja pasar las moléculas de agua que son pequeñas, pero no las de azúcar, que son más grandes. Este último fenómeno implica no sólo el movimiento al azar de las partículas hasta lograr la homogénea distribución de las mismas (y esto ocurre cuando las partículas que aleatoriamente vienen se equiparan con las que aleatoriamente van), sino el equilibrio de los potenciales químicos de ambas particiones. Los potenciales químicos de los componentes de una solución son menores que la suma del potencial de dichos componentes cuando no están ligados en la solución. Este desequilibrio genera un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial que se expresa como presión osmótica mensurable en términos de presión atmosférica (p. ej. "existe una presión 14

osmótica de 50 atmósferas entre agua desalinizada y agua de mar"), que está en relación directa con la osmolaridad de la solución. El solvente fluirá hacia el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que la presión hidrostática equilibre la presión osmótica El resultado final es que, aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay un flujo neto mayor de moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a la de alta. Dicho de otro modo: dado suficiente tiempo, parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración. Las moléculas de agua atraviesan la membrana semipermeable desde la disolución de menor concentración (disolución hipotónica) a la de mayor concentración (disolución hipertónica). Cuando el trasvase de agua iguala las dos concentraciones, las disoluciones reciben el nombre de isotónicas. Turgencia En biología, turgencia (del latín turgens- turgentis; hinchar) determina el estado de rigidez de una célula, es el fenómeno por el cual las células al absorber agua, se hinchan, ejerciendo presión contra las membranas celulares, las cuales se ponen tensas. De esto depende que una planta este marchite o firme. En términos médicos se denomina turgencia a la elasticidad normal de la piel causada por la presión hacia afuera de los tejidos y del líquido intersticial. Una parte esencial de la exploración física es la evaluación de la turgencia de la piel. Este fenómeno esta íntimamente relacionado con la ósmosis. La presión externa suele alcanzar en promedio 6 a 7 atmósferas, y a veces lo sobrepasa en mucho (una locomotora a vapor tiene entre 5 a 8 atmósferas de presión), con tanta presión interna las células se dilatan cuanto lo permite la elasticidad de las membranas, y por ende la resistencia de las células vecinas, es por eso que los órganos, como por ejemplo el pecíolo, el tallo, las hojas y frutos maduros se encuentren en ese estado de firmeza. Plasmólisis Como fenómeno contrario se puede citar la plasmólisis, las células al perder agua se contraen, separándose el protoplasto de la pared celular. Cuando por ejemplo se amputa un órgano de la planta este se marchita en un determinado tiempo. También si la planta se encuentra un tiempo extendido a los rayos solares se produce un exceso de transpiración, provocando de esta manera la eliminación de vapor de agua al medio. Las plantas dependen de la presión de turgencia para la elongación de sus células y por lo tanto para su crecimiento. Y usan este fenómeno para regular la transpiración a través de la apertura y cierre de las células estomáticas en estas mismas. Hipotónico

15

La presión osmótica es la presión hidrostática producida por una solución en un volumen dividido por una membrana semi-permeable debido a la diferencia en concentraciones del soluto. Una solución hipotónica, denominada también hipotona es una solución con baja concentración de soluto.

Biología En biología, una solucion hipotónica es aquella que tiene menor concentración de soluto en el medio externo en relación al medio citoplasmático de la célula. Una célula sumergida en una solución con una concentración más baja de materiales disueltos, está en un ambiente hipotónico; la concentración de agua es más alta (a causa de tener tan pocos materiales disueltos) fuera de la célula que dentro. Bajo estas condiciones, el agua se difunde a la célula, es decir, se produce ósmosis de líquido hacia el interior de la célula. Una célula en ambiente hipotónico se hincha con el agua y puede explotar; cuando se da este caso en los glóbulos rojos de la sangre, se denomina hemólisis. Los organismos que viven en suelos de arroyos y lagos habitan en agua de lluvia modificada, que es un ambiente hipotónico. Las celulas animales sufren el fenómeno de citólisis, que lleva a la destrucción de la célula, debido al paso del agua al interior de ella. Por otro lado, en las celulas vegetales ocurre el fenómeno de presión de turgencia: cuando entra agua, la célula se hincha pero no se destruye debido a la gran resistencia de la pared celular.

Isotónico

16

La presión osmótica es la presión hidrostática producida por una solución en un volumen dividido por una membrana permeable debido a la diferencia en concentraciones del soluto. El medio o solución isotónica es aquél en el cual la concentración de soluto está en igual equilibrio fuera y dentro de una célula. En hematología, se dice de las soluciones que tienen la misma concentración de sales que la grasa de la sangre, son isotónicas. Por tanto, tienen la misma presión osmótica que la sangre y no producen la deformación de los glóbulos rojos. Aplicando este término a la concentración muscular, se dice que una concentración es isotónica cuando la tensión del músculo permanece constante variando su obesidad. Hipertónico

La presión osmótica es la presión hidrostática producida por una solución en un volumen dividido por una membrana permeable debido a la diferencia en concentraciones del soluto. En biología, una solución hipertónica es aquella que tiene mayor concentración de soluto en el medio externo en relación al medio citoplasmático de la célula. Si una célula se encuentra en un medio hipertónico, sale agua de la célula hacia el exterior, con lo que esta se contrae y la célula puede llegar a morir por deshidratación carbónica. 17

La plasmólisis es el fenómeno mediante el cual la célula se contrae en un medio hipertónico. La salida del agua de la célula continúa hasta que la presión osmótica del medio y de la célula, sean iguales. Fenómenos similares ocurren al conservar alimentos en salmueras o jarabes concentrados de azúcar. Además este proceso hace parte de la ósmosis acompañado del proceso isotónico e hipotónico. La célula animal sufre el fenómeno de crenación como consecuencia de la salida de agua de la célula ("arrugándose"). A su vez, en las células vegetales se produce la plasmólisis: cuando el agua sale del medio intracelular, el protoplasma se retrae, produciéndose un espacio entre la membrana plasmática y la pared celular. En detalle es la célula animal que se encuentra en un medio "HIPERTÓNICO" es cuando esta hace crenación, en el otro caso al encontrarse una célula vegetal en este mismo tipo de medio tendrá una plasmolisis. En el caso contrario a la hipertonicidad se encuentra la "HIPOTONICIDAD" la cual obliga a la célula animal a hacer una citólisis (lisis=ruptura del cito=citoplasma) y en la célula vegetal ocurrirá el fenómeno de turgencia.

PRESION OSMOTICA La presión osmótica es una propiedad coligativa y es una de las principales características que deben tener en cuenta en las relaciones de los líquidos intersticiales e intravasculares que constituyen el medio interno de un ser vivo. Un comportamiento que contiene soluciones de distinta concentración al medio extracelular que la rodea, creando una barrera de control de solutos. Cuando una solución se pone en contacto con el solvente a través de una membrana semipermeable que deja pasar a las moléculas de solvente pero no las de soluto, las moléculas de solvente, que están en mayor concentración en el disolvente puro, difunden hacia la solución, donde su concentración es más pequeña. Se puede llegar a una situación de equilibrio contrarrestando esa tendencia mediante la aplicación de una cierta fuerza sobre la disolución, aumentando la presión (aplicación de fuerza en una determinada área, lo que se conoce como presión osmótica de la solución y representada con la letra griega Π). Al aumentar la presión osmótica, es posible detener el flujo de solvente (en general agua) a través de la membrana semipermeable e incluso revertirlo (hacer pasar solvente desde la solución al solvente puro, por ejemplo, transformando agua con algún soluto en agua pura). Al considerar como semipermeable a la membrana plasmática, las células de los organismos pluricelulares deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos tisulares. Esta viene dada en osmoles. Para calcular la osmolaridad de una solución se debe multiplicar el peso molecular de ésta por la cantidad de elementos en los que la misma se disocia.

18

Ejemplos:

En el caso del cloruro sódico (NaCl) en una concentración de 1 mol%: Peso molecular del sodio (Na) = 23 g/mol Peso molecular del Cloro (cloro) = 35,5 g/mol Peso molecular del Na + Cloro = 58,5 g/mol

Para el CaCl2 en una concentración de 1 mol%: Peso molecular del Calcio (Ca) = 40 g/mol Peso molecular del Cloro (Cl) = 35,5 g/mol, en este caso X2 ya que es CL_2 Peso molecular del CaCl2 = 111 g/mol.

19

II.Parte experimental: i. Materiales: ➢ Materiales: 1. 2. 3. 4. 5.

cristalizador mediano. tubo delgado de vidrio con boca ancha graduada. soporte universal. pinza con conexión. membrana semipermeable (intestino animal o vejiga de res). 6. sustancia problema solución concentrada. 7. cronómetro. Hilo pavilo.

i. Procedimientos: 1. tomar un tubo de vidrio con boca ancha graduada y atar bien a un extremo la membrana semipermeable. 2. Hacer el montaje del osmómetro: Fijar el tubo mediante una pinza a un soporte universal. 3. Tomar un cristalizador mediano y colocar por debajo del tubo de vidrio. 4. Colocar en el cristalizador hasta las ¾ partes de su volumen agua destilada (medir volumen exacto en ml) e introducir el extremo del tubo hasta obtener una distancia de un cm de su fondo. 5. Inmediatamente, agregar por la parte superior del tubo utilizando un embudo, la solución concentrada hasta obtener el mismo nivel con el agua destilada. 6. Luego, mediante un cronómetro controlar el tiempo y observar a los 10, 20, 30, 40, 60 minutos. ¿Qué sucede? Explicar. ¿Qué otras membranas se puede utilizar?

20

7. Graficar el experimento: Tiempo ver volumen.

i. Cálculos y resultados:

Tiempo estimado

Sucesos observados

A los 10 minutos

El volumen del líquido en el tubo de vidrio bajo de 25ml a 24,7ml.

A los 20 minutos

A los 30 minutos

El volumen del líquido en el tubo de vidrio disminuyo de 24,7ml a 24,4ml. El volumen del líquido en el tubo de vidrio descendió de 24,4ml a 24,2ml.

A los 40 minutos

El volumen del líquido en el tubo de vidrio decayó de 24,2ml a 23,7ml.

A los 60 minutos

El volumen del líquido en el tubo de vidrio se redujo de 23,7ml a 23,4ml.

¿Qué otras membranas se pueden utilizar?

Aparte de la membrana de la vejiga se puede utilizar la membrana de los intestinos tanto del intestino delgado como del intestino grueso, ya sea del cerdo o de la vaca, etc.

π

= MRT

21

NaCl = concentración 0.3M R = constante de gases en atmósfera T = temperatura ambiente

T = 28° + 273 K°= 304 K° R = 0.082 ó 62,4

π = 0.3 x 0.082 x 304 K°

ó 0.3 x 62.4 x 304

π = 7.4784 atm. ó 5690.88 mmHg

Graficar el experimento: tiempo vs. Volumen. VOLUMEN (ml)

22

2 5

2 4 Tiempo(m) 2 3

2 2

2 1 I. Discusión: 2 0 10’ 50’

20’ 60’

30’

40’

➢ Se observo que en un principio el

23

agua subió exageradamente e hincho la membrana permeable hasta casi reventarla.

➢ Con respecto al tiempo transcurrido, el líquido comenzó a descender luego de su abrupto ascenso.

➢ La velocidad de descenso era muchísimo mas lenta que la velocidad con la cual ascendió.

I. Conclusión:

➢El agua dentro del cuerpo se mantiene en dos compartimentos mayores, que se designan intracelular y extracelular de acuerdo a los tipos de líquido que contienen.

➢El líquidoextracelular (LEC) - intravascular o plasmático (agua dentro de los vasos sanguíneos o agua intravascular contenida en el plasma) representa aproximadamente el 5% del peso corporal total del ser humano.

➢El equilibrio de agua en el cuerpo está controlado a través de la regulación del ingreso y excreción corporal.

I. Recomendaciones: ➢

cada alumno deberá portar su mandil respectivo.

➢ Tener cuidado con el manejo de los reactivos, para asegurar así nuestra integridad física y tener el menor margen de error posible. ➢ Lavar antes y después de utilizar los instrumentos de laboratorio. 24

Práctica Nº 2: Osmosis en seres vivos: células animales (eritrocitos)

I. Objetivos: 1. Demostrar la ósmosis en los seres vivos: membrana celular actúa como membrana semipermeable. I. Marco teórico: Membrana celular Para llevar a cabo las reacciones químicas necesarias en el mantenimiento de la vida, la célula necesita mantener un medio interno apropiado. Esto es posible porque las células se encuentran separadas del mundo exterior por una membrana limitante, la membrana plasmática. Además, la presencia de membranas internas en las células eucariotas proporciona compartimientos adicionales que limitan ambientes únicos en los que se llevan al cabo funciones altamente específicas, necesarias para la supervivencia celular. La membrana plasmática se encarga de: aislar selectivamente el contenido de la célula del ambiente externo regular el intercambio de sustancias entre el interior y exterior celular (lo que entra y sale de la célula); comunicación intercelular La mayoría de las células tienen membranas internas además de la membrana plasmática, forman y delimitan compartimentos donde se llevan a a cabo las actividades bioquímicas de la célula. Las restantes membranas también constituyen barreras selectivas para el pasaje de sustancias.

FUNCION DE LAS MEMBRANAS CELULARES 25

COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS Todas las membranas biológicas de los seres vivos, tanto la membrana plasmática, como las de las organelas, están formadas por: A. Lípidos B.

Proteínas

C.

Glúcidos

La proporción de cada uno de estos componentes varía de acuerdo a la función que realiza cada tipo de membrana. Por ejemplo, las membranas mitocondriales tienen una proporción muy elevada de proteínas Composición de las membranas de diferentes células. (Los valores representados como % peso seco de la membrana) Glóbulos Rojos Humanos

Staphiloccoccus aureus

Mielina

Lípidos

30 a 40

20

60 a 70

Fosfolípidos

20 a 25

20

25 a 30

<1

-

0

5

-

5

Àcido fosfatídico Fosfatidiletanolamina

26

Fosfatidilcolina

7

-

10

Fosfatidilserina

5

-

5

Esfingomielina

6

-

5

Cerebrósidos

<1

-

10

Colesterol

12

<1

15

Otros Lípidos

3

-

15

60 a 70

40

20 a 30

7

40

Observada en cortes histológicos

Proteínas Glúcidos (o restos de glúcidos en glicoproteínas)

A. Lípidos La variedad de lípidos presentes en las membranas es muy amplia; sin embargo, todos poseen una característica en común: son moléculas anfipáticas. Esto significa que sus moléculas contienen una zona hidrofílica o polar y una hidrofóbica o no polar. Los fosfolípidos son los lípidos más abundantes en las membranas. Debido a su carácter anfipático, los fosfolípidos, en un medio acuoso se organizan espontáneamente conformando la denominada bicapa lipídica. Las cabezas polares están orientadas hacia el medio acuoso (intra y extracelular) y las colas hidrofóbicas hacia el medio lipídico, es decir, al interior de la bicapa, constituyendo la matriz de la membrana. A su vez, estas bicapas tienden a cerrarse espontáneamente sobre sí mismas formando vesículas, es decir, compartimientos cerrados en toda su extensión tridimensional, similares a una esfera.

27

Corte esquemático Esquema de un de una vesícula de fosfolípidos. fosfolípido.

La bicapa de fosfolípidos funciona principalmente como armazón estructural de la membrana y como barrera que impide el pasaje de sustancias hidrosolubles a través de la misma; esto último es debido al carácter fuertemente hidrofóbico de la matriz de la membrana. Los fosfolípidos más frecuentes de las membranas son la fosfatidiletanolamina, la fosfatidilcolina, la fosfatidilserina y la esfingomielina. Los fosfolípidos de las membranas son DIACILGLICERIDOS. La estabilidad de las bicapas lipídicas esta dada por: ➢ interacciones hidrofóbicas entre las colas hidrocarbonadas. ➢ fuerzas de van der Waals entre las colas hidrofóbicas. ➢ fuerzas electrostáticas y puentes hidrogeno entre las cabezas polares de los lípidos, ya sea entre ellos mismos y con las moléculas de agua de los medios extra e intracelular. Como se notará todas estas son uniones débiles (no covalentes) y le confieren simultáneamente estabilidad y fluidez a la membrana. Las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos que forman parte los fosfolípidos (también denominadas “colas” o grupos acilo), pueden presentarse: ➢ saturados (sin dobles enlaces) ➢ monoinsaturados (con un único doble enlace) ➢ poliinsaturados (más de un doble enlace) En general, los lípidos de membrana contienen un grupo acilo insaturado y otro saturado en su estructura.

28

Fosfatidiletanolamina-(fosfolípido de membrana)

Esquema de un fosfolípido con una cola saturada y una no saturada.

La presencia de ácidos grasos insaturados aumenta la fluidez de la membrana, debido al ”quiebre” de las colas a la altura de los dobles enlaces. Esto impide, o al menos dificulta, que las colas hidrocarbonadas se compacten, restringiendo así las interacciones entre ellas. El hecho de que uno de los grupos acilo de los fosfolípidos esté saturado y el otro no, garantiza una buena fluidez dentro del rango de temperaturas fisiológicas. Por otro lado, cuando las cadenas hidrocarbonadas son cortas, tienen menor superficie para interactuar entre sí; esto último también favorece la fluidez de las membranas. El colesterol es un esteroide que se encuentra en un alto porcentaje en la membrana plasmática de las células animales. Su concentración varía mucho de un tipo de membrana a otro; en animales hay membranas donde el colesterol constituye hasta el 50% del total de los lípidos. Contrariamente, la mayoría de las células vegetales y bacterianas carecen de colesterol. El colesterol, al ser también una molécula anfipática, presenta una orientación similar a la de los fosfolípidos: el grupo hidroxilo (polar) se orienta hacia el exterior de la bicapa y el sector hidrofóbico hacia el interior de la misma.

29

Esque ma de la ubicación del colesterol en la membrana plasmática Las funciones del colesterol se pueden resumir de la siguiente mane ➢ Inmoviliza los primeros carbonos de las cadenas hidrocarbonadas. Esto hace a la membrana menos deformable y menos fluida, es decir, la estabiliza. Sin colesterol, la membrana necesitaría de una pared celular que le otorgue contención mecánica. ➢ Previene el compactamiento de las cadenas hidrocarbonadas a bajas temperaturas, ya que evita que las colas se junten, aumenten las interacciones débiles entre las mismas y se “cristalicen” (adopten una estructura muy compacta). La cardiolipina es un derivado de los fosfolípidos que se encuentra en la membrana interna de la mitocondria. El dolicol es un lípido que se halla en el REG e interviene en la glicosilación de las proteínas. B. Proteínas Mientras que los lípidos ejercen principalmente una función estructural, las proteínas no sólo desempeñan un rol estructural sino que además son las responsables de las funciones específicas de las membranas biológicas. Estas según su función pueden agruparse en: enzimáticas, de transporte, receptoras y de reconocimiento. Diferentes membranas tienen distinta proporción y composición de proteínas, de acuerdo a sus funciones. En otras palabras, son justamente las proteínas las que le otorgan distintas funciones a las membranas. Estas en su mayoría son proteínas globulares (estructura terciaria o cuaternaria). Según su ubicación en la membrana se clasifican en: -Proteínas intrínsecas, integrales o transmembrana: Pueden atravesar total o parcialmente la bicapa, asomando a una o ambas superficies de la misma. Únicamente pueden ser extraídas de la membrana por medio de detergentes que rompen la bicapa. Tienen un sector hidrofóbico, que es el que esta insertado en la membrana y una o dos regiones hidrofílicas, expuestas a los medios intra y extracelulares (ambos acuosos). De 30

lo anterior se deduce que estas proteínas son moléculas anfipáticas. La porción que atraviesa la membrana suele presentar una estructura de alfa hélice con una elevada proporción de aminoácidos hidrofóbicos que interaccionan con las colas hidrocarbonadas de la matriz de la membrana. El sector proteico (también llamado dominio) expuesto a los medios acuosos suele tener estructura globular e interacciona con las cabezas polares de los fosfolípidos y con otras moléculas a través de uniones iónicas y puente de hidrógeno. Dentro de las proteínas integrales encontramos: ➢ Proteínas monopaso: La proteína “atraviesa” una sola vez la membrana. ➢ Proteínas multipaso: La cadena polipeptídica atraviesa dos o más veces la bicapa lipídica. Por lo tanto, esta posee varias regiones hidrofóbicas insertadas en la matriz de la membrana alternadas con sectores hidrofílicos que se exponen hacia los medios acuosos.

Asociación de proteínas de membrana con la bicapa lipídica: Transmembrana, atraviesan la membrana como -helice o como láminas plegadas cerradas. Periféricas unidas a proteínas transmembrana por interacciones no covalentes débiles y Periféricas unidas a lípidos mediante uniones covalentes. Algunas proteínas multipaso atraviesan muchas veces la membrana y forman un cilindro hueco con un interior hidrofílico por el que pueden pasar moléculas pequeñas solubles en agua. Este es el principio de las proteínas canal que se analizaran mas adelante. Las proteínas integrales pueden difundir lateralmente y rotar sobre su propio eje, pero no pueden realizar movimientos a través del plano de la membrana, o más sencillamente movimiento flip-flop. Las proteínas integrales suelen desplazarse acompañadas de los lípidos que las rodean ya que estos le ayudan a mantener su conformación. Sin embargo, algunas proteínas integrales están ancladas a componentes del citoesqueleto y no pueden trasladarse. De esta manera intervienen en la morfología de la célula, por ejemplo alargada (o ahusada), cúbica, cilíndrica, etc. 31

-Proteínas extrínsecas o periféricas: Se encuentran sobre la cara externa o también interna de la membrana y pueden estar ligadas tanto a las proteínas integrales como a los fosfolípidos por uniones débiles. Se pueden extraer fácilmente con tratamientos no drásticos. Cuando estas se ubican del lado citoplasmático de la membrana suelen interactuar con el citoesqueleto. C. Hidratos de carbono Las membranas celulares contienen entre un 2-10% de glúcidos. Estos se asocian covalentemente a los lípidos (glicolípidos) y a las proteínas (glicoproteínas). Los glicolípidos (o glucolipidos) presentes en las membranas son los gangliósidos y cerebrósidos. Los gangliósidos se forman por la unión de un oligosacárido con la ceramida. La estructura de los cerebrósidos es similar, sólo que el hidrato de carbono no es un oligosacárido sino una galactosa o una glucosa. Los hidratos de carbono de los glucolípidos y las glucoproteínas, en su mayoría oligosacáridos, suelen ubicarse en la cara no citosólica de la membrana plasmática formando una estructura llamada glicocálix (Fig. 4.9 y 4.10), cuyas funciones se pueden resumir de la siguiente manera: ➢ Proteger a la superficie de la célula de agresiones mecánicas o físicas. Como ejemplo podemos citar a las células situadas en la luz del intestino delgado que presentan un glicocálix muy pronunciado. ➢ Poseer muchas cargas negativas, que atraen cationes y agua del medido extracelular. ➢ Intervenir en el reconocimiento y adhesión celular. Actúan como una “huella dactilar” característica de cada célula, que permite distinguir lo propio de lo ajeno. ➢ Actuar como receptores de moléculas que provienen del medio extracelular y que traen determinada información para la célula, por ejemplo, receptores de hormonas y neurotransmisores.

32

Esquema del glicocalix de una célula eucariota

PERMEABILIDAD DE LAS MEMBRANAS CELULARES

Como ya se ha mencionado la membrana plasmática es una barrera con permeabilidad selectiva que regula el intercambio de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. Sus propiedades aseguran que las sustancias esenciales, como la glucosa, los aminoácidos y los lípidos entren a la célula fácilmente, que los intermediarios metabólicos permanezcan en la célula y que los productos de desecho, como la urea, abandonen la misma. Todo esto permite a la célula mantener el medio interno relativamente constante. La membrana, debido a sus características hidrofóbicas, es impermeable a la mayor parte de las moléculas hidrosolubles, como la glucosa, los aminoácidos y los iones en general. En cambio, las moléculas hidrofóbicas, siempre y cuando su tamaño no sea demasiado grande, pueden atravesarla fácilmente. que únicamente atravesarán la membrana las moléculas no polares y pequeñas como el O2, CO2, N2 e incluso el CO (tóxico), compuestos liposolubles como los ácidos grasos y esteroides y, además, a pesar de ser moléculas polares, el glicerol, la urea y el agua. El resto de las moléculas se transfiere de un lado a otro de la membrana gracias a proteínas integrales que actúan como transportadores; sin estos transportadores dichas moléculas no pueden difundir a través de las membranas.

33

Permeabilidad de la membrana a los diferentes solutos

MECANISMOS DE TRANSPORTE TRANSMEMBRANA

Distintos mecanismos y estructuras utilizados por los solutos para atravesar las membranas de una célula. Antes de continuar con los mecanismos de transporte es preciso hacer una breve aclaración acerca del fenómeno de difusión. Si colocamos un soluto en un solvente, las moléculas de soluto, debido a la energía cinética de las moléculas presentes en la solución, difundirán desde la zona donde se encuentran en mayor concentración hacia la zona donde se hallan en menor concentración. Al cabo de un tiempo toda la solución presentará la misma concentración de soluto. Por ejemplo, si agregamos una gota de tinta a un vaso con agua, la tinta difundirá a través del líquido y al cabo de un tiempo todo el vaso presentara una tinción pareja. 34

Difusión de una sustancia disuelta en un solvente. Para lograr esto no se requiere aporte externo de energía, sino que es suficiente con la energía cinética propia de las moléculas. Si tenemos en cuenta que la temperatura de un medio es, de alguna manera, un índice de la energía cinética de las moléculas presentes en el mismo, es fácil deducir que a mayor temperatura, más importante será el fenómeno de difusión. Podemos definir entonces a la difusión como el movimiento de moléculas desde una zona de mayor concentración hacia una de menor concentración. A la diferencia de concentración que existe entre una zona y otra se la denomina gradiente. a)

DIFUSION SIMPLE

Cuando la difusión se realiza entre compartimientos separados por una membrana permeable a ese soluto, se denomina difusión simple y, no requiere de otra energía adicional que no sea el movimiento de las moléculas, desplazándose éstas a favor de su gradiente de concentración. En otras palabras, la difusión simple no requiere gasto de ATP, ya que es un fenómeno espontáneo. Las moléculas que se movilizan por difusión simple a través de la membrana son las no polares y pequeñas, las liposolubles y las polares pequeñas, pero sin carga eléctrica neta, como el H2O. En el caso particular del H2O, la difusión simple se denomina ósmosis. El pasaje de agua a través de la membrana u ósmosis se lleva a cabo siempre en forma espontánea y muy rápidamente. El H2O difundirá desde el compartimiento de menor concentración de solutos o medio hipotónico, al de mayor concentración de solutos o medio hipertónico, de modo tal de igualar las concentraciones en ambos compartimientos. Al cabo de un tiempo, el resultado serán dos medios isotónicos, o sea, la concentración a ambos lados de la membrana será la misma.

35

Efecto del proceso osmótico sobre una célula viva. Si colocamos una célula, por ejemplo un glóbulo rojo, en una solución hipertónica (agua salada, por ejemplo) el H2O tenderá a salir por ósmosis hacia el medio extracelular, encogiendo o crenando al glóbulo rojo. En cambio, si el medio extracelular es hipotónico (agua destilada, por ejemplo) el H2O penetrará en la célula, hinchándola y, finalmente, ocasionando su ruptura o lisis. Cabe hacer aquí una breve aclaración: un medio no es por sí mismo ni hipertónico ni hipotónico; siempre que se use esta terminología lo que se esta haciendo es comparar un medio con respecto a otro. Por ejemplo, A puede ser hipertónico con respecto a B y, al mismo tiempo, A también puede ser hipotónico con respecto a C. Es decir, A tiene una concentración de solutos intermedia. Por otra parte, se dice que dos medios son isotónicos cuando su concentración de solutos es la misma.

Osmosis. Efecto de los cambios de concentración de soluto en

36

(a) células animales y (b) células vegetales

b) DIFUSIÓN FACILITADA Aquellas moléculas que no pueden atravesar fácilmente las membranas por difusión simple debido a su polaridad y/o a su tamaño (por ej. glucosa, aminoácidos, iones, etc.), podrán hacerlo si están presentes sus respectivos transportadores. Dichos transportadores son proteínas integrales de membrana y se los puede agrupar del siguiente modo: ·

Proteínas canal o canales iónicos

·

Proteínas “carrier” o permeasas

La difusión facilitada ocurre siempre a favor del gradiente, por lo tanto no requiere gasto de energía adicional. Sin embargo, puede tratarse de un gradiente de concentración (las moléculas se dirigen del compartimiento de mayor concentración hacia el de menor concentración) o de un gradiente de potencial eléctrico (el soluto con carga eléctrica, independientemente de su signo, se desplazará de una zona donde la carga sea mayor hacia otra donde la carga sea menor). Estas proteínas transportadoras presentes en las membranas presentan características muy similares a las enzimas: ·

Saturabilidad (se saturan al alcanzar la máxima velocidad de transporte)

·

Especificidad (reconocen a sus ligandos a través de un sitio específico)

·

Pueden ser inhibidas por determinadas sustancias.

Cuando las proteínas transportadoras se saturan de solutos a transportar, alcanzan su máxima velocidad de transporte y por lo tanto las moléculas a ser transportadas deberán esperar a que se desocupen los sitios de unión. b1) Canales iónicos: Los canales iónicos son “poros” o “túneles” formados por una o varias proteínas transmembrana. En general, son de tipo multipaso, con un interior hidrofilico. Existen canales iónicos en todas las células, tanto en la membrana plasmática como en las membranas de los organoides. Son altamente selectivos, porque cada canal sólo puede transportar un tipo de ion (K+, Na+, etc.). Los iones se mueven a través del canal a una velocidad muy elevada (108 iones por segundo). El transporte de un ion es impulsado por el gradiente electroquímico. O sea que un ion puede difundir de un lado a otro de la membrana, gracias a la diferencia de concentración como a la diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana.

37

La mayoría de los canales no permanecen abiertos permanentemente, sino que se abren en respuesta a estímulos. Estos estímulos pueden ser tanto la presencia de una sustancia inductora como una modificación de la carga eléctrica de la membrana (modificación del potencial eléctrico). Los canales que se abren o cierran en presencia de sustancias inductoras (ligandos) son llamados dependientes de ligando y los otros, dependientes de voltaje. b2)

Carriers o permeasas: Al igual que los canales iónicos, las permeasas están formadas por proteínas transmembrana multipaso. Suelen transportar una gran variedad de iones como el HCO3- y otras moléculas polares sin carga como la glucosa. Este tipo de proteínas fijan una única molécula de sustrato (o unas pocas) a la vez, y a continuación sufren un cambio conformacional reversible que les permite transportar el soluto de un lado al otro de la membrana (translocación). Aquí vale hacer otra aclaración: para entender la difusión facilitada no hay que pensar si una sustancia “entra o sale” de la célula, lo importante es considerar que se está movilizando algo a favor del gradiente (químico o eléctrico) gracias a la acción de proteínas transportadoras. Por esta razón es que no se requiere de energía adicional, no se requiere gasto de ATP, ya que es el propio gradiente el que impulsa el pasaje a través de los transportadores. Este tipo de transporte es siempre sin gasto de energía y a favor del gradiente electroquímico. La velocidad de transporte es muy inferior al de los canales iónicos.

38

Transporte facilitado por medio de una permeasa.

Casos particulares de transporte pasivo: Ionóforos y Aquaporinas IONOFOROS

Mecanismo de pasaje de iones a través de ionóforos transportadores móviles Estas sustancias tienen la propiedad de poder incorporarse a las membranas y aumentar la permeabilidad a ciertos iones. En general son fabricados por bacterias como mecanismos defensivos. Existen dos tipos distintos: ➢ -Transportadores móviles: Se unen reversiblemente a un ion que se encuentra en el medio con mayor concentración, giran en la bicapa y lo liberan en el otro lado de la membrana. Ejemplo: Valinomicina. ➢ Formadores de canales: Son proteínas con estructura helicoidal, en cuyo interior de la hélice hay una región hidrofílica que permite el paso de iones monovalentes (con una sola carga eléctrica). Ejemplo: Gramidicina.

39

Esquema de la estructura del canal de gramicidina ACUAPORINAS Son canales especiales con estructura helicoidal que permiten el paso selectivo de H20. No son canales iónicos. En ciertas clases de células, por ejemplo en algunas células renales, se requiere un mayor transporte de H20 que el logrado exclusivamente con la difusión simple (osmosis). La estructura de las acuaporinas es semejante a la de los ionoforos formadores de canales. c) TRANSPORTE ACTIVO Las células no pueden depender únicamente del transporte pasivo dado que deben importar, por un lado, moléculas que están en menor concentración en medio extracelular que en el citoplasma y, por otro, necesitan mantener constante la composición iónica intracelular. Ambas funciones se llevan a cabo por medio del transporte activo. Es un transporte que se realiza en contra del gradiente, ya sea este de concentración o eléctrico y, en consecuencia, se requerirá gasto de energía en forma de ATP. El transporte activo se realiza por medio bombas y también presenta formas de monotransporte, cotransporte y contratransporte. Posee las mismas características de especificidad y saturabilidad que la difusión facilitada, aunque difiere de ésta por realizarse contra el gradiente electroquímico. El transporte activo esta desfavorecido termodinámicamente (es endergónico) y se da solamente cuando está acoplado (directa o indirectamente) a un proceso exergónico como, por ej., la conversión de ATP a ADP + Pi. Debido a esto, las bombas se suelen denominar ATPasas de transporte. Existen muchos tipos de ATPasas distintas. Aquí vamos a hablar de las más importantes, que son la Bomba de Na+-K+ (bomba sodio –potasio)y la de K+/H+.

40

Esquema de la ATPasa. I. Parte experimental: i. Materiales: ➢ Materiales: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

frasco de suero fisiologico. microscopios binoculares (4). paquete de algodon hidrofilico. Alcohol yodado. estiletes esteriles descartables. laminas portaobjetos y cubreobjetos (12). embudos de vidrios pequeños y medianos. agua destilada. Palitos mondadientes.

i. Procedimientos: 1. Un alumno (a) proporcionará una gota de sangre.

41

2. limpiar el pulpejo de un dedo con algodón empapado de alcohol yodado. 3. luego pinchar para obtener una gota pequeña de sangre y colocar sobre una lamina porta objeto limpio y seco, que contiene dos gotitas de agua destilada. Mezclar uniformemente con un palito mondadientes. 4. Rápidamente observar al microscopio, primero con objetivo 10x, luego con 40x; teniendo en cuenta los siguientes tiempos: 2, 4, 6, 8, 10 minutos, indicar ¿que sucede? Explicar. 5. En otra lamina porta objeto limpia y seca que contiene dos gotitas de solución concentrada de cloruro de sodio, colocar una gotita pequeña de sangre. Mezclar uniformemente. Repetir el paso 4. 6. seguidamente, en otra lámina porta objeto, limpia y seca que contiene dos gotitas de suero fisiológico, colocar una gotita pequeña de sangre. Mezclar uniformemente. Repetir el paso 4. 7. Graficar su experimento mediante campos microscópicos.

i. Cálculos y resultados: - Solución isotónica: sangre y agua destilada.

A 40 x

42

A los 2 minutos No presentan ningún cambio

A los 4 minutos

Por tener la misma concentración de solutos que el plasma sanguíneo, se mantendrán constantes

A los 10 minutos

Se mantienen

- Solución hipertónica:

A 40 x

43

A los 2 minutos Se observa que los hematíes permanecen en un estado normal. Aun no presenta cambios, pero si hay movimientos

A los 4 minutos

Los glóbulos rojos, tienen aspecto de ir inflándose, cada vez más A los 6 minutos

A medida que pasa el tiempo se van oxigenando cada vez mas, teniendo un aspecto hinchado A los 8 minutos

Como presenta en su estado máximo de oxigenación se hincharan este proceso se denomina TURGENCIA 44

A los 10 minutos

Los glóbulos rojos después de tanto hincharse hicieron PLASMOLISIS que empezaran a arrugarse y a tomar apariencia de pasa. - Solución hipotónica:

A 40x A los 2 minutos Aquí los glóbulos rojos no presentaran aun cambios, solo presentaran movimientos

A los 4 minutos Los hematíes se vuelven más largos y delgados, ya que ira perdiendo agua 45

A los 6 minutos

Presentaran un aspecto aun mas deshidratado

A los 8 minutos

Los glóbulos rojos ya empiezan a destruirse

A los 10 minutos

Ya presentaran un aspecto de riego de sangre por la extrema deshidratación que ésta presenta. 46

I. Discusión: ➢ A los pocos minutos de colocada la muestra se observo que los hematíes permanecieron en un estado normal. Aun no presentaban cambios, pero si había movimientos. ➢ Conforme iba transcurriendo el tiempo los hematíes iban inflándose cada vez más hasta que llegaron al punto de turgencia. ➢ Luego de alcanzar un grado máximo de turgencia los eritrocitos terminaron por hacer plasmólisis.

I. Conclusión: ➢ La variedad de lípidos presentes en las membranas es muy amplia; sin embargo, todos poseen una característica en común: son moléculas anfipáticas. Esto significa que sus moléculas contienen una zona hidrofílica o polar y una hidrofóbica o no polar. ➢ la membrana plasmática es una barrera con permeabilidad selectiva que regula el intercambio de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. ➢ la difusión se realiza entre compartimientos separados por una membrana permeable a ese soluto, se denomina difusión simple y, como ya se dijo, no requiere de otra energía adicional que no sea el movimiento de las moléculas, desplazándose éstas a favor de su gradiente de concentración.

I. Recomendaciones: ➢

cada alumno deberá portar su mandil respectivo.

47

➢ Tener cuidado con el manejo de los reactivos, para asegurar así nuestra integridad física y tener el menor margen de error posible. ➢ Lavar antes y después de utilizar los instrumentos de laboratorio.

I. Bibliografía: ➢ GANONG, William. Fisiología Médica. Decimosexta edición. Editorial. El Manual Moderno S.A. de C.V. México D.F. 1998. ➢ HARPER. BIOQUÍMICA ILUSTRADA.Murray Granner Rodwell. 17º edición. Editorial Manual Moderno. 2007. ➢ http://www.urologia.tv/icua/es/diagnostics.aspx?cod=9 ➢ GUYTON, Arthur; Hall, Jhon. Tratado de Fisiología Médica. Novena Edición. Editorial Interamericana. Mc Graw-Hill. Madrid, España. 1998. ➢ http://books.google.com.pe/books? id=3tdLbY3FA4AC&pg=PA470&lpg=PA470&dq=composicion+electrolitica+en+el+ cuerpo+humano&source=bl&ots=kaJkH8NVgA&sig=ouMUyTysmEspJ_MbB5zPatCd4k&hl=es&ei=kLX3SqqZLsTj8QaDqTzCQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CAgQ6AEwAA ➢ http://bioquimed.castpost.com/COMPOSICION_DEL_SER_HUMANO_1.ppt

48

Cuestionario:

1. tratar sobre la composición electrolítica de líquidos en el cuerpo humano LEC – plasma y líquido intersticial y LIC. El complejo edificio del equilibrio hidroelectrolítico, ácido-base y osmático es tan autónomo que merece el calificativo de sistema, no constituye un todo en equilibrio inmutable, sino que por el contrario sus elementos estructurales tienen variaciones tan extensas que aún en el terreno de la normalidad, le imprimen al sistema un dinamismo único en el campo de la fisiología. La estructura de esta organización tiene como substracto fundamental el agua, donde se encuentra disueltas en suspensión varias sustancias, de las cuales sólo intervienen activamente aquellas que al disolverse en el agua sufren la disociación electrolítica, es decir, aquellas que fragmentan todas o parte de sus moléculas en partículas dotadas de carga eléctrica llamadas iones. En el agua corporal se halla disueltos elementos químicos denominados electrólitos. Esta composición electrolítica del compartimiento intracelular, varía de un territorio orgánico a otro, lo que condiciona una cierta dificultad para su valoración, sin embargo en forma general podemos tener una idea aproximada de la composición del espacio intracelular, las sales de potasio forman la mayor parte de los solutos activamente osmóticos, cuya concentración fluctúa alrededor de 155 mEq/l., le sigue en importancia el magnesio con 30 mEq/l.; sodio 15 mEq/l.; calcio 5 mEq/l.. Los aniones más importantes son las proteínas con 55 mEq/l. Fosfatos 95 mEq/l.; Sulfatos 20 mEq/l; en menor proporción los ácidos grasos, bicarbonato y cloro. Los valores de electrólitos en el espacio extracelular tienden a mantenerse en niveles constantes para que se produzca un desenvolvimiento normal de la vida celular, las sales de sodio constituyen la mayor parte de los solutos. Son evidentes las notables diferencias entre la composición química de ambos compartimientos, estas diferencias se mantienen debido a procesos de transporte activo y pasivo, responsables de

49

1) el movimiento de agua y solutos entre el medio ambiente y el individuo a través del tracto gastrointestinal y los riñones. 2) el movimiento del agua y solutos a través de todas las células corporales. Los iones principales del líquido extracelular son el sodio y el cloro. Los del líquido intracelular son el potasio y el fosfato. La composición iónica de los dos reservorios de líquido extracelular (intravascular e intersticial) es similar; la diferencia principal es que el líquido intravascular (plasma) tiene mayor cantidad de proteínas que el líquido intersticial. Las partículas de proteínas tienen dificultad para pasar a través de las membranas vasculares (capilares) al interior del líquido intersticial. Los demás electrolitos se mueven con facilidad entre estos dos compartimentos extracelulares. La cantidad de proteínas en el plasma juega un papel significativo en el mantenimiento del volumen de líquido intravascular y de la T.A. Cuando la cantidad de proteínas es baja en el organismo, el volumen sanguíneo disminuye considerablemente y da como resultado un estado de hipotensión. Esto se pone en manifiesto en personas con enfermedades hepáticas que son incapaces de producir cantidades suficiente de proteínas plasmáticas.

50

La composición electrolítica del líquido extracelular, correspondiente al espacio intersticial o medio interno que rodea a las células, es distinta a la composición electrolítica del líquido intracelular. La membrana de las células es la barrera que separa el líquido intracelular del líquido extracelular. La tendencia espontánea y entrópica es que la composición electrolítica de ambos compartimentos se iguale, sin embargo en la membrana de todas las células se llevan a cabo procesos que consumen energía para disminuir la entropía y mantener diferenciado y en desequilibrio al líquido intracelular en relación al líquido extracelular. El fenómeno químico del transporte activo hace que exista 30 veces más potasio y diez veces menos sodio, adentro que afuera de la célula. El fenómeno del transporte activo se basa en el consumo de energía para sacar el ión sodio de la célula e intercambiarlo por el ión potasio. La membrana celular es 50 veces más permeable al ión potasio que al ión sodio.

Electrólitos............Fluido intercelular...........Fluidos extracelular

51

CATIONES Sodio (Na+) ................15 mEq/l. ............................. 140 mEq/l Potasio (K+) ...............155 mEq/l .............................. 5 mEq/l Calcio (Ca++) .............5 mEq/l.....................................5 mEq/l. Magnesio (Mg++)........30 mEq/l. .................................2 mEq/l. ANIONES Cloro (Cl-) ...................... 2 mEq/l..................................102 mEq/l. Bicarbonato (HCO3-)….. 8 mEq/l................................ 24 mEqL. Proteínas ....................... 55 mEq/l.............................. 16 mEq/l. Fosfatos (HPO4)............ 95 mEq/l............................... 2 mEq/l. Sulfatos (SO4) .............. 20 mEq/l............................... 1 mEq/l. Aniones orgánicos.......... 6 mEq/l La concentración del ión potasio es mayor adentro que afuera de la célula, debido a que el equilibrio osmótico se logra por efecto de un mecanismo que recibe el nombre de «la bomba de sodio», por medio del cual el ión sodio es «sacado» de la célula activamente e intercambiado por el ión potasio que ingresa a la célula.

El catión más abundante es el espacio extracelular es el del sodio, mientras que el catión más abundante en el espacio intracelular es el del potasio. El anión más abundante en el espacio extracelular es el del cloro, mientras que los aniones más abundantes en el espacio intracelular son los fosfatos y las proteínas. El líquido intersticial, por su parte, tiene, en lo que a electrolitos se refiere, una composición muy similar a la del plasma. Esto es debido a que el agua y los electrolitos pueden difundir libremente a través del endotelio de los capilares, equilibrándose las 52

concentraciones. Las proteínas plasmáticas, por el contrario, no atraviesan esta barrera (o lo hacen en muy pequeña cantidad). Si las proteínas fueran moléculas eléctricamente neutras, como la glucosa o la urea, no habría problema en aceptar que las composiciones iónicas del plasma y el líquido intersticial son exactamente iguales. Sin embargo, las proteínas son ANFOTEROS que se comportan como ANIONES a un determinado pH y como CATIONES a otro. Al pH del plasma (7,4) las proteínas se comportan como aniones y se las suele representar como Pr-. Sin embargo, no deben ser consideradas como monovalentes, a pesar de que se las indica con sólo una valencia negativa. En estas condiciones, si hay Pr - en el plasma y no hay Pr - en el intersticio, cabe preguntarse cómo es que ambas son soluciones eléctricamente neutras. Si no hay otra sustancia que reemplace a las proteínas en el intersticio, lo único que puede haber ocurrido es UNA DISTRIBUCION de iones entre el plasma y el intersticio.

Esta redistribución haría que el “espacio” negativo dejado por las proteínas en el intersticio sea cubierto por la llegada de otros iones negativos desde el plasma. Obviamente, estos iones deben ser DIFUSIBLES a través de la membrana endotelial. La redistribución iónica ocurre de acuerdo al llamado EQUILIBRIO DONNAN, que será tratado, con todo detalle, al hablar de los potenciales de equilibrio. Aquí, muy sencillamente, podemos imaginar que la ausencia de Pr - en el intersticial debe determinar que allí haya una mayor cantidad de ANIONES no proteicos o DIFUSIBLES que en el plasma. Siendo el Cl- , el anión que se encuentra en mayor concentración, podemos suponer que la concentración de Cl- será algo MAYOR en el intersticio que en el plasma. Inversamente, el Na+ tiene una concentración en plasma un poco mayor que la concentración en el líquido intersticial. De un modo muy general, se puede decir que la concentración de iones DIFUSIBLES en el intersticio es algo mayor que la concentración de iones difusibles en el plasma.

PERDIDA DE ELECTROLITOS POR VIA PULMONAR Y CUTANEA.Son obligadas y constantes. Tienen un mínimo del cual no desciende, cualquiera que sean las circunstancias del medio interno, por lo tanto hay que tenerlas siempre en cuenta como pérdidas inexorables y no visibles. En el adulto fluctúa entre 700 a 1.100 ml. en las 24 horas, puede aumentar en dos circunstancias: estado febril y disnea. La fiebre 53

produce un aumento de la pérdida acuosa, por ocasionar una mayor rapidez de evaporación y una mayor frecuencia respiratorio. Se acepta como norma general que por grado centígrado de temperatura mantenido durante 24 horas, aumenta la pérdida acuosa en 150 ml. durante el mismo período de tiempo. La disnea sin fiebre incrementa la pérdida acuosa por evaporación en forma variable según el tipo de la misma, siendo mayor en la taquipnea superficial. Se admite que por cada 5 respiraciones por minuto, determinan una pérdida de agua de 100 ml. En algunos casos fisiológicos o patológicos, la pérdida cutánea se intensifica con la eliminación del sudor. El sudor condiciona una depleción no solo de agua, sino también de electrólitos, de los cuales los mas importantes son el sodio y el cloro. El contenido en el sudor de cloro es de 50 mEq/l; sodio 50 mEq/l.; y potasio 14 mEq/l. Con respecto a la cantidad de sudor eliminado en 24 horas, se puede calcular tomando en cuenta que una sudoración manifiesta y continua durante todo ese tiempo, la pérdida significará unos 500 ml. Si esta sudoración es copiosa, hasta el punto de mojar el pijama y la ropa de cama, se puede calcular en 1.000 ml. en 24 horas. PERDIDAS DE ELECTROLITOS POR VIA RENAL Las pérdidas a través del riñón son variadas en cuento a la cantidad y contenido de electrólitos y son influenciadas por tres circunstancias diferentes: El riñón sano.El riñón sano cumple una función muy importante, es el encargado de mantener dentro de los límites normales el equilibrio hidroelectrolítico del organismo, fisiológicamente en el adulto el riñón es capaz de eliminar hasta 1.500 ml. de agua. Cloro 130 mEq/l; Sodio 140 mEq/l; y Potasio 35 mEq/l. El riñón es capaz de eliminar una orina abundante o escasa, concentrada o diluida, ácida o alcalina, con el objeto de conservar los niveles normales de sales del medio interno, a pesar de las variaciones en el ingreso, de acuerdo a los hábitos, uso y costumbres en la alimentación. Se observa una diuresis disminuida, después de una sudoración profusa, o aumentar el contenido de sodio y cloro en la orina después de una comida salada, o disminuir el pH urinario después de un ejercicio muscular violento. El riñón elimina diariamente unos 35 grs. de elementos sólidos, si el riñón es capaz de concentrar la orina hasta una densidad de 1035, esos 35 gramos podrán ser eliminados en unos 500 ml., pero si únicamente puede concentrar hasta 1010 de densidad, se requerirá unos 1.400 ml. de agua para poder eliminar esos elementos sólidos. PERDIDAS DE ELECTROLITOS POR VIA DIGESTIVA Normalmente a través de las deposiciones se pierde una cantidad pequeña de agua y electrólitos, que prácticamente carecen de importancia en el balance general. Así en las 24 horas, elimina 200 ml. de agua con contenido mínimo de electrólitos. Pero en 54

determinadas circunstancias patológicas , esas pérdidas pueden hacerse muy considerable, como sucede en las diarreas copiosas (cólera), donde la pérdida de agua puede alcanzar varios litros al día. En los vómitos repetidos o la aspiración nasogástrica, se pierde agua y electrólitos, su composición es variable, dependiendo del grado de acidez de cada individuo y según el estado general del paciente. La cantidad de agua y electrólitos acumulados en la luz intestinal, han pasado del medio interno, sin que la misma pueda ser medida, sin embargo se podrá apreciar la magnitud de la misma, por la dilatación de las asas intestinales y los niveles que se observa en la placa radiográfica de abdomen. Esa pérdida interna condiciona un estado importante de deshidratación. La bilis se pierde principalmente por fístula cutáneo biliar, o también por un tubo Kerr, generalmente la cantidad no rebasa los 500 ml. en las 24 horas

INGRESOS ELECTROLITICOS La ingestión normal de alimentos proporciona a nuestro organismo cantidades adecuadas de agua y sales, principios activos y vitaminas. El agua ingresa a nuestro organismo en dos formas: como líquido y formando parte de los alimentos sólidos, con referencia al sodio y cloro, también ingresa en dos formas: como cloruro de sodio como parte integrante de la sal común y en los alimentos como parte de los mismos. De acuerdo a las necesidades, ingerimos agua para cubrir los requerimientos básicos hidroelectrolíticos, que en las 24 horas fluctúan de agua entre 2.000 a 2.800 ml. y 12 gramos de cloruro de sodio (198 mEq/L. Cl- y 214 de Na+). A esta cantidad ingerida se debe añadir el agua endógena, que es el resultado de la oxidación de los hidratos de carbono, grasas y proteínas, se estima que la cantidad fluctúa entre 300 a 500 ml.

AFECCIONES POR DESEQUILIBRIOS ELECTROLITICOS

55

2. indicar tabularmente el tamaño de Giones hidratados u otras sustancias de interés biológico en la permeabilidad de la membrana celular. El líquido extracelular:

142 mEq/l de cationes Na+

28 mEq/l de aniones HCO-3

4 mEq/l de catión K+

103 mEq/l de aniones Cl-

2.4 mEq/l de catión Ca+

4 mEq/l de aniones H3PO42-

1.2 mEq/l de catión Mg+

1 mEq/l de aniones SO4-

7.4 pH

5 mEq/l de aniones de proteínas

90 mg/dl de glucosa

90 mg/dl de aminoácidos

0.5 mg/dl de colesterol, fosfolípidos y grasa neutras

El plasma sanguíneo contiene: 56

152mEq/l de cationes Na+

27 mEq/l de aniones HCO-3

5 mEq/l de catión K+

113 mEq/l de aniones Cl-

5 mEq/l de catión Ca+

2 mEq/l de aniones H3PO42-

3 mEq/l de catión Mg+

1 mEq/l de aniones SO416 mEq/l de aniones de prot.

El líquido intersticial:

152 mEq/l de cationes Na+

27 mEq/l de aniones HCO-3

5 mEq/l de catión K+

113 mEq/l de aniones Cl-

5 mEq/l de catión Ca+

2 mEq/l de aniones H3PO42-

El líquido intracelular:

10 mEq/l de cationes Na+

10 mEq/l de aniones HCO-3

140 mEq/l de catión K+

4 mEq/l de aniones Cl-

0.0001 mEq/l de catión Ca+

75 mEq/l de aniones H3PO42-

58 mEq/l de catión Mg+

2 mEq/l de aniones SO4-

7.0 pH

40 mEq/l de aniones de prot

0 -20 mg/dl de glucosa

200 mg/dl de aminoácidos

2-95 mg/dl de colesterol, fosfolípidos y grasa neutras

57

3. tratar sobre el transporte a través de las membranas celulares (procesos básicos: difusión o también denominado “transporte pasivo” y “transporte activo”). La membrana celular actúa como barrera semipermeable impidiendo la entrada de la mayor parte de las moléculas, dejando pasar selectivamente a otras. Existen varios tipos de transporte que atraviesan las membranas celulares: difusión, ósmosis, filtración y el transporte mediado por proteínas.

Potencial de agua El potencial de agua es la tendencia del agua a moverse de un área de mayor concentración a una de menor concentración. Las moléculas de agua se mueven de acuerdo a la diferencia de energía potencial entre el punto donde se encuentran y el lugar hacia donde se dirigen. La presión y la gravedad son dos de los orígenes de este movimiento. Recuerde por ejemplo el ciclo hidrológico en el cual el agua fluye de las partes altas a las bajas, al igual que el agua de lluvia cae de las nubes, y para volver a formar parte de ellas es necesario que el sol la evapore. La energía es necesaria tanto para mantener este ciclo, como para llevar el agua a una zona alta. Difusión simple La difusión es el movimiento neto de sustancia (líquida o gaseosa) de un área de alta concentración a una de baja concentración. Dado que las moléculas de cualquier sustancia se encuentran en movimiento cuando su temperatura esta por encima de cero absoluto (0 grados Kelvin, o -273 oC), existe una disponibilidad de energía para que las mismas se muevan desde un estado de potencial alto a uno de potencial bajo. La mayoría de las moléculas se mueven desde una concentración alta a una baja, es decir el movimiento neto es desde altas concentraciones a bajas concentraciones.

58

Eventualmente, si no se agrega energía al sistema las moléculas llegan a un estado de equilibrio en el cual se encuentran distribuidas homogéneamente en el sistema. Células y Difusión

Entre las pocas moléculas simples que pueden cruzar la membrana celular por difusión se encuentran gases como nitrógeno, el anhídrido carbónico y el oxígeno. También difunden moléculas sin carga como el etanol y resulta ligeramente permeable al agua y a la urea. Para que tenga lugar el fenómeno de la difusión, la distribución espacial de moléculas no debe ser homogénea, debe existir una diferencia, o gradiente de concentración entre dos puntos del medio. La difusión constituye una de las principales formas de movimiento de sustancias entre las células y una de las formas en que las pequeñas moléculas cruzan la membrana celular. El intercambio de gases en branquias y pulmones es consecuencia de fenómenos de difusión. El anhídrido carbónico se regenera constantemente dado que es producido en las células como consecuencia de fenómenos metabólicos, y como la fuente está en el interior de la célula, el flujo neto del CO2 es hacia el exterior de la célula. Los procesos metabólicos, requieren usualmente oxígeno, cuya concentración es mayor en el exterior de la célula, por lo tanto su flujo neto es hacia el interior. El primer paso de la difusión pasiva en el entorno celular, es el movimiento de una molécula desde la solución acuosa a la porción hidrofóbica de la bicapa fosfolipídica.

59

La medida de la "fobia" al agua de una molécula, esta dada por su coeficiente de partición K.

Donde K es la constante de equilibrio de la partición entre aceite y agua. (para el caso de la membrana se analiza Cm, la concentración en el centro de la bicapa hidrófoba). K es una medida de la tendencia de una molécula a "huir" del agua, a mayor K, mayor es la posibilidad de disolución de una molécula en la bicapa lipídica. La velocidad de difusión (dn/dt expresada en mol/s) de moléculas pequeñas a través de una membrana esta dada por una variante de la Ley de Fick y de acuerdo a ella, la misma es proporcional a la diferencia de concentraciones a ambos lados de la membrana (C1aq-C2aq). Además, para una membrana de superficie A y de espesor x, es proporcional a A e inversamente proporcional a x. Por otra parte resulta proporcional a P (coeficiente de permeabilidad), todo lo cual resulta en:

siendo P proporcional a K

60

y donde D (característico tanto del soluto como del medio en el que se disuelve) es el coeficiente de difusión de la molécula dentro de la membrana y x el espesor de la misma. Reemplazando nos queda

Por lo tanto la velocidad de difusión es directamente proporcional tanto a la constante de difusión (D) como a la de partición (K) e inversamente proporcional al espesor de la membrana (x). Dado que x prácticamente no varía siendo de alrededor de 3 nm. y, por otra parte las diferencia de los coeficientes de difusión D no suelen ser significativo (para bajas concentraciones se mantiene prácticamente constante). Considerando para un área A constante podríamos simplificar mas y dejar

por lo tanto la velocidad con que difunden las moléculas depende de su coeficiente de partición y de la diferencia de concentración ambos lados de la membrana. En otras palabras cuanto mas hidrófoba sea la molécula, con mayor velocidad difundirá por la membrana plasmática y además esta velocidad se incrementará cuanto mayor sea la diferencia de concentración de las moléculas entre ambos lados de la membrana. Estas relaciones valen para interpretar la difusión de gases y moléculas pequeñas sin carga como el etanol a través de la membrana plasmática. Difusión facilitada Es el movimiento de moléculas más grandes que no pueden pasar a través de la membrana plasmática y necesita ayuda de una proteína u otros mecanismos (exocitosis) para pasar al otro lado. También se llama difusión mediada por portador porque la sustancia transportada de esta manera no suele poder atravesar la membrana sin una proteína portadora específica que le ayude. Se diferencia de la difusión simple a través de conductos en que mientras que la magnitud de difusión de la difusión simple se incrementa de manera proporcional con la concentración de la sustancia que se difunde, en la difusión facilitada la magnitud de difusión se aproxima a un máximo (Vmax), al aumentar la concentración de la sustancia. Filtración La filtración es el movimiento de agua y moléculas disueltas a través de la membrana debido a la presión hidrostática generada por el sistema cardiovascular. Dependiendo del tamaño de los poros de la membrana, sólo los solutos con un determinado tamaño pueden pasar a través de la membrana. Por ejemplo, los poros de la membrana de la cápsula de Bowman en los glomérulos renales, son muy pequeños, y sólo la albúmina, la 61

más pequeña de las proteínas, tienen la capacidad de ser filtrada a través de ella. Por otra parte, los poros de las membranas de los hepatocitos son extremadamente grandes, por lo que una gran variedad de solutos pueden atravesarla. Ósmosis Por ósmosis se conoce al fenómeno de difusión de agua a través de una membrana semipermeable (conocidas también como de permeabilidad diferencial o de permeabilidad selectiva). Ejemplos de ese tipo de membrana son la membrana celular, como así también productos como los tubos de diálisis y las envolturas de acetato de celulosa de algunas salchichas. La presencia de solutos decrece el potencial de agua de una sustancia, por lo tanto existe más agua por unidad de volumen en un vaso de agua corriente que en el volumen equivalente de agua de mar. En una célula, que posee organelas y moléculas grandes, la dirección del flujo del agua es, generalmente, hacia el interior de la célula. Osmosis en una célula animal ➢ En un medio isotónico, hay un equilibrio dinámico, es decir, el paso constante de agua. ➢ En un medio hipotónico, la célula absorbe agua hinchándose y hasta el punto en que puede estallar dando origen a la citólisis. ➢ En un medio hipertónico, la célula elimina agua y se arruga llegando a deshidratarse y se muere, esto se llama crenación. Osmosis en una célula vegetal ➢ En un medio isotónico, hay un equilibrio dinámico. ➢ En un medio hipotónico, la célula absorbe agua y sus vacuolas se llenan aumentando la presión de turgencia. ➢ En un medio hipertónico, la célula elimina agua y el volumen de la vacuola disminuye, produciendo que la membrana plasmática se despegue de la pared celular, ocurriendo la plasmólisis La presión osmótica se define como la presión hidrostática necesaria para detener el flujo neto de agua a través de una membrana semipermeable que separa soluciones de composición diferente. La presión osmótica (p) está dada por:

donde p es presión osmótica medida en atmósferas (atm), R la constante de los gases, T la temperatura absoluta y DC la diferencia de las concentraciones de solutos a ambos lados de la membrana.

62

La presión osmótica es una propiedad de tipo coligativa, es decir, depende del número de partículas. Así por ejemplo una solución de NaCl 0,5 M, si estuviera totalmente disociada en Na+ y Cl-, sería equivalente a una solución de glucosa 1M. Las soluciones hipertónicas son aquellas, que con referencias al interior de la célula, contienen mayor cantidad de solutos (y por lo tanto menor potencial de agua). Las hipotónicas son aquellas, que en cambio contienen menor cantidad de solutos (o, en otras palabras, mayor potencial de agua). Las soluciones isotónicas tienen concentraciones equivalentes de solutos y, en este caso, al existir igual cantidad de movimiento de agua hacia y desde el exterior, el flujo neto es nulo. TRANSPORTE ACTIVO Las células no pueden depender únicamente del transporte pasivo dado que deben importar, por un lado, moléculas que están en menor concentración en medio extracelular que en el citoplasma y, por otro, necesitan mantener constante la composición iónica intracelular. Ambas funciones se llevan a cabo por medio del transporte activo. Es un transporte que se realiza en contra del gradiente, ya sea este de concentración o eléctrico y, en consecuencia, se requerirá gasto de energía en forma de ATP. El transporte activo se realiza por medio bombas y también presenta formas de monotransporte, cotransporte y contratransporte. Posee las mismas características de especificidad y saturabilidad que la difusión facilitada, aunque difiere de ésta por realizarse contra el gradiente electroquímico. El transporte activo esta desfavorecido termodinámicamente (es endergónico) y se da solamente cuando está acoplado (directa o indirectamente) a un proceso exergónico como, por ej., la conversión de ATP a ADP + Pi. Debido a esto, las bombas se suelen denominar ATPasas de transporte. Existen muchos tipos de ATPasas distintas. Aquí vamos a hablar de las más importantes, que son la Bomba de Na+-K+ (bomba sodio –potasio)y la de K+/H+.

63

Esquema de la ATPasa. Las sustancias que se movilizan por transporte activo son en muchos casos las mismas que lo hacen a través de difusión facilitada, la diferencia fundamental es que en el primer caso lo hacen en contra del gradiente mientras que en el segundo lo hacen a favor. Bomba Na+/K+ Está presente en todas las membranas plasmáticas de las células animales. También se la conoce como Na+-K+ ATPasa. Es un complejo proteico formado por cuatro subunidades, todas ellas proteínas integrales de la membrana plasmática. Su función es expulsar Na+ al espacio extracelular e introducir K+ al citosol. Ambos son movilizados en contra de su gradiente electroquímico, estableciendo así diferencias de concentración y carga entre el espacio extra e intracelular para ambos iones. Debido a que se esta transportando simultáneamente dos solutos distintos en sentidos opuestos, estamos en presencia de un sistema de contratransporte. Es importante recordar que, si bien el Na+ sale y el K+ ingresa a la célula, ambos lo hacen en contra de su gradiente y, en consecuencia, hace falta hidrolizar ATP para movilizarlos. La Bomba Na+-K+ tiene simultáneamente funciones de proteína transportadora y de ATPasa (hidroliza ATP para obtener energía). Por lo menos un tercio de la energía que consume una célula animal se destina para impulsar esta bomba. En las células nerviosas, donde la actividad eléctrica es sumamente importante, este valor asciende al 60%. Cada ATPasa puede hidrolizar hasta 100 moléculas de ATP Mecanismo de acción de la Bomba Na+/K 1) Tres iones de Na+ se unen al dominio citoplasmático de la ATPasa, debido a la gran afinidad que existe entre ambos. 2) Luego se hidroliza el ATP y se fosforila la proteína. Esto lleva a un cambio conformacional en la misma. 3)

Esto permite la translocación de los iones Na+ hacia el espacio extracelular.

64

4) A continuación, dos iones K+ del medio extracelular, donde su concentración es menor, se unen a un sitio receptor de K+ accesible ahora desde el exterior de la célula. La unión del K+ con la proteína induce la liberación del fosfato. 5)

La desfosforilación de la bomba, restituye la conformación original.

6) Esto permite la translocación de los iones K+ hacia el citoplasma. Se puede comenzar nuevamente el proceso. Por cada molécula de ATP que se hidroliza se posibilita el transporte de 3 iones Na+ hacia espacio extracelular y de 2 iones K+ al citoplasma. Las transferencias de iones se hallan acopladas, y por lo tanto no pueden realizarse una independientemente de la otra.

Mecanismo de acción de la ATPasa Na+/K+ Las funciones de la bomba de Na+/K+ son: a) Mantener diferencias en las concentraciones de Na+ y K+ intra y extracelulares. b) Generar un potencial eléctrico de membrana, que es una diferencia de voltaje, o sea de carga, entre ambos lados de la membrana. Al bombear tres iones en una dirección y sólo dos en otra, se genera un potencial eléctrico negativo del lado interno de la membrana con respecto al externo. El lado citosólico es normalmente más negativo que el espacio extracelular.

65

c)

Intervenir en la regulación del volumen celular.

d) Generar diferencias de concentración de Na+ o K+ para que otros transportadores pasivos utilicen indirectamente la energía potencial acumulada en este gradiente. Como ejemplo podemos citar al: -COTRANSPORTE Na+/GLUCOSA (ya citado en difusión facilitada). Esta situación se da en las membranas apicales de las células del intestino delgado o en membranas de células renales, donde deberá absorberse glucosa desde la luz del intestino o de los túbulos renales, aunque las concentraciones extracelulares sean bajas. Gracias a la acción de la bomba Na+-K+ se expulsan iones Na+ a través de la membrana basal de la célula. De este modo, la concentración de Na+ intracelular se mantenida baja. En la región apical de la membrana se encuentra una permeasa pasiva cotransportadora de Na+ y glucosa. El Na+ ingresa de este modo a favor de su gradiente electroquímico al interior de la célula y arrastra a la glucosa con él, que ingresa de este modo en contra de su gradiente de concentración, gracias al sistema de cotransporte. Este tipo de transporte también se denomina transporte acoplado a gradientes iónicos o TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO (ya que indirectamente está ligado a una bomba). Posteriormente, la glucosa atravesará la célula y saldrá por difusión facilitada, a favor de su gradiente de concentración, hacia el torrente sanguíneo.

Mecanismo de co-transporte

66

Na+/glucosa en epitelio intestinal

Hay otro tipo de ATPasa, presente en las membranas internas mitocondriales y de cloroplastos, que juega un papel muy importante en la obtención de la energía. Actúa como una ATPsintetasa (sintetiza ATP), gracias al gradiente de H+ que se genera a ambos lados de las membranas internas de cloroplastos y mitocondrias. Dicho proceso se verá con detenimiento en los capítulos de Respiración y fotosíntesis. Existen otro tipo de bombas, como las de las membranas del Retículo endoplasmático liso de las células musculares, que se encargan de bombear iones Ca++ hacia el interior del REL y mantener baja la concentración citosólica Ca++ , o las de los lisosomas, que bombean H+ hacia el interior de los mismos, disminuyendo así el pH intralisosomal. TRANSPORTE EN MASA Hasta aquí analizamos el modo en el que los iones y las pequeñas moléculas atraviesan la membrana celular. Pero como ingresan o abandonan la célula partículas de mayor tamaño. Esto se realiza por medio del TRANSPORTE EN MASA. Este tipo de transporte involucra siempre gasto de ATP, ya que la célula realiza un movimiento general de su 67

estructura (en particular de la membrana plasmática y del citoesqueleto -ver funciones del citoesqueleto-). El mecanismo por medio del cual los materiales entran a la célula se denomina endocitosis y aquel por el cual la abandonan, exocitosis. 1) ENDOCITOCIS En este proceso una extensión de la membrana rodea progresivamente al material que será internalizado, luego se produce una gemación o invaginación de la membrana, y finalmente ésta se separa de la membrana, formando una vesícula endocítica. Posteriormente, el material incorporado es digerido por los lisosomas. Las fibras de actina y miosina del citoesqueleto intervienen en este proceso. Se distinguen 3 tipos de endocitosis: -Fagocitosis -Pinocitosis -Endocitosis mediada por receptor A) Fagocitosis: Implica la ingestión de partículas de gran tamaño, como microorganismos, restos celulares, inclusive de otras células, por medio de vesículas llamadas fagosomas. Estos fagosomas suelen presentar un gran tamaño. La fagocitosis sólo se da en determinados tipos de células. En algunos organismos unicelulares (protistas) constituye un modo de alimentación: engloban grandes partículas, por ej. bacterias, por medio de prolongaciones de la membrana plasmática llamados pseudópodos y las internalizan, formándose así un fagosoma o vesícula fagocítica. Posteriormente será degradada por las enzimas lisosomales. Para ampliar consultar en la bibliografía: Lisosomas. En los animales sólo se da en algunas células altamente especializadas, llamadas células fagocíticas (macrófagos de los tejidos y glóbulos blancos sanguíneos denominados neutrófilos). En estos casos la función no es de índole nutricional, sino defensiva. Las células fagocíticas defienden nuestro organismo contra infecciones, ingiriendo microorganismos patógenos. Otra función sería eliminar células muertas o dañadas, o restos celulares (por ejemplo glóbulos rojos no funcionales). El proceso fagocítico se desencadena por la unión del material a endocitar con ciertos receptores de la membrana plasmática que reconocen al mismo. B) Pinocitosis: Es la incorporación de fluído y de partículas disueltas en él por medio de pequeñas vesículas. Es un proceso inespecífico y la velocidad de ingestión es muy elevada. Por ejemplo, un macrófago puede ingerir por hora un cuarto de su volumen celular. El tamaño de estas vesículas endocíticas en mucho menor que el de los fagosomas. C) Endocitosis mediada por receptor: En muchos aspectos es similar a la anterior, salvo que en este proceso, la endocitosis es mucho más selectiva. Determinadas moléculas (ligandos) que la célula desea incorporar son reconocidos por receptores específicos, ubicados en la membrana plasmática. Los ligandos se unen a estos receptores y estos complejos ligando-receptor confluyen, gracias a la fluidez de la membrana, a determinadas zonas de la misma, donde serán endocitados. La invaginación de la membrana se denomina en este caso fosita revestida. Esto se debe a 68

que las vesículas Tipos de transporte presentan en su cara en masa citosolica un revestimiento de proteínas características, en este caso de clatrina. La función de la misma, sería entre otras, permitir que se produzca la invaginación. A continuación se forma la vesícula recubierta o revestida que se fusionará con un conjunto de vesículas llamadas endosomas, donde se clasifican las moléculas endocitadas y se las separa de los receptores. Este proceso puede incrementar mil veces la eficiencia de internalización de un determinado ligando, sin tener que incrementar la absorción de fluido extracelular. Un ejemplo importante de este proceso es la captación de colesterol por las células animales. El colesterol, debido a su carácter hidrofóbico, es transportado por la sangre unido a proteínas, formando complejos llamados lipoproteínas de baja densidad (LDL). Estas LDL se unen a receptores ubicados en la superficie celular y los complejos LDLreceptor son internalizados en vesículas revestidas y luego transferidas a los endosomas, previa liberación de la cubierta de clatrina. En el interior de los endosomas, el LDL se disocia del receptor y este es reciclado nuevamente a la membrana plasmática para captar nuevamente LDL.

EXOCITOSIS Es el proceso endocitosis. En material vesículas también vesículas de vertido al medio

inverso a la este caso, contenido en intracelulares llamadas secreción es extracelular.

La secreción de comienza

sustancias generalmente con 69

estímulos provenientes del medio extracelular, que inducen a las vesículas de secreción, ubicadas en las cercanías de la membrana, a fusionarse con la misma y volcar su contenido al medio extracelular. Así por ejemplo se liberan las proteínas de exportación (ver funciones del Aparato de Golgi) y los neurotransmisores (para ampliar esto ultimo consultar Sinapsis nerviosa en la bibliografía) En este caso, la membrana de la vesícula pasa a “formar parte” de la membrana plasmática. Es decir, hay ganancia de membrana, mientras que en la endocitosis hay pérdida de membrana.

LA HOMEOSTASIS término griego que alude a la tendencia de tu cuerpo a mantener el equilibrio fisiológico compensando su química. La sangre debe ser alcalina, a veces por diferentes razones esa alcalinidad se pierde y pasamos a tener un ph ácido. Cuando esto sucede, no sólo la sangre deja de ser equilibradamente alcalina, todos los fluidos y tejidos corporales también dejan de serlo. La mucosa gástrica soporta un límite de acidez; sobrepasado este límite puede romperse, produciéndose heridas en ella que son las llamadas úlceras. No sólo puede romperse la mucosa gástrica, también la mucosa intestinal y hasta la uretra, canal de excreción urinaria. La regurgitación o reflujo gástrico (acidez) se produce cuando la digestión no es la apropiada, es decir , la función digestiva no se realiza con normalidad, esto puede ser debido a un exceso de ácidos en el estómago. El ácido produce ardor porque quema a la mucosa gástrica. La sensación de acidez no es más que el dolor, el síntoma de que algo anda mal. El organismo tiende a equibrarse y emplea a los minerales como el sodio, potasio, hierro, magnesio, calcio para neutralizar el ácido. Las consecuencias de esto es que hay un descenso de las reservas alcalinas, produciéndose un debilitamiento general. La hemoglobina baja por falta de hierro (empleado en neutralizar los ácidos); cuando se pierde la calma, se está nervioso, se empieza a sufrir de insomnio, es simplemente falta de calcio y como otra consecuencia de la falta de calcio se producirá tal vez osteoporosis a temprana edad o simplemente más temprano que tarde. En un medio ácido, las células cancerígenas tendrán un buen caldo de cultivo, mientras las células orgánicas funcionales se deterioran. Los síntomas al cabo de un tiempo son muchos: Dolor en la región lumbar, mucha tensión en los hombros y en el cuello,

70

artritis, osteoporosis, náuseas, vómitos, dolores en el pecho, gastritis, úlceras, estreñimiento, fatiga, rigidez muscular e irritabilidad entre otras.

1. tratar sobre potencial de membrana y potencial de acción. Potencial de reposo de la membrana nerviosa. Propagación del potencial de acción. Potencial de membrana De Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a navegación, búsqueda El potencial de membrana es el voltaje de la diferencia de potencial eléctrico a un lado y al otro de la membrana plasmática de una célula. La membrana de las células está polarizada, debido a que hay un reparto desigual de cargas eléctricas entre el interior y el exterior de la célula. Esto crea una diferencia de potencial, siendo el exterior positivo respecto al interior. Normalmente hay potenciales eléctricos a través de las membranas en todas las células. De las cuales: ➢ Las células nerviosas y musculares son AUTOEXCITABLES ➢ Es decir, son capaces de autogenerar impulsos electroquímicos ➢ En sus membranas, y en muchos casos, de transmitir señales a ➢ Lo largo de las mismas. Fundamento El nivel del potencial de difusión a través de una membrana que se opone exactamente a la difusión neta de un ion particular a través de la membrana se denomina potencial de Nernst El potencial de membrana no es el mismo en todas las células (depende del origen de las mismas), existen células que tienen -50mV y otras como el Músculo que oscilan entre -50 y60mV. En el exterior, en el líquido intersticial, el anión más abundante es el de cloro. En el citoplasma, los aniones más abundantes son las proteínas, que en el pH celular se ionizan negativamente. El catión más abundante en el líquido intersticial es el de sodio, y en el citoplasma el de potasio.

71

El desequilibrio iónico que produce la polarización de la membrana es debido a la distinta permeabilidad que presenta frente a cada uno de los iones. El ion de potasio atraviesa la membrana libremente. La permeabilidad para el sodio es menor, y además es expulsado por medio de un transporte activo llamado bomba de sodio - potasio. Las proteínas, debido a su tamaño, no pueden atravesar libremente la membrana. Toda esta dinámica establece una diferencia de potencial en condiciones de reposo, de unos -90mV. POTENCIAL DE ACCION Un potencial de acción o también llamado impulso eléctrico, es una onda de descarga eléctrica que viaja a lo largo de la membrana de la célula. Los potenciales de acción se utilizan en el cuerpo para llevar información entre unos tejidos y otros, lo que hace que sean una característica microscópica esencial para la vida de los animales. Pueden generarse por diversos tipos de células corporales, pero las más activas en su uso son las células del sistema nervioso para enviar mensajes entre células nerviosas o desde células nerviosas a otros tejidos corporales, como el músculo o las glándulas. Muchas plantas también generan potenciales de acción que viajan a través del floema para coordinar su actividad. La principal diferencia entre los potenciales de acción de animales y plantas es que las plantas utilizan flujos de potasio y calcio mientras que los animales utilizan potasio y sodio. Los potenciales de acción son la vía fundamental de transmisión de códigos neurales. Sus propiedades pueden frenar el tamaño de cuerpos en desarrollo y permitir el control y coordinación centralizados de órganos y tejidos. Consideraciones generales Siempre hay una diferencia de potencial o potencial de membrana entre la parte interna y externa de la célula (por lo general de -70 mV). La carga de una célula inactiva se mantiene en valores negativos (el interior respecto al exterior) y varía dentro de unos estrechos márgenes. Cuando el potencial de membrana de una célula excitable se despolariza más allá de un cierto umbral ( de 65mV a 55mV app) la célula genera (o dispara) un potencial de acción (ver Umbral e iniciación). Muy básicamente, un potencial de acción es un cambio muy rápido en la polaridad de la membrana de negativo a positivo y vuelta a negativo, en un ciclo que dura unos milisegundos. Cada ciclo comprende una fase ascendente, una fase descendente y por último una fase hiperpolarizada (ver fases del potencial de acción). En las células especializadas del corazón, como las células del marcapasos coronario, la fase meseta de voltaje intermedio puede aparecer antes de la fase descendente. Los potenciales de acción se miden con técnicas de registro de electrofisiología (y más recientemente, con neurochips de EOSFET). Un osciloscopio que registre el potencial de membrana de un punto concreto de un axón muestra cada etapa del potencial de acción, ascendente, descendente y refractaria, a medida que la onda pasa. Estas fases juntas forman un arco sinusoidal deformado. Su amplitud depende de dónde ha alcanzado el potencial de acción al punto de medida y el tiempo transcurrido. 72

El potencial de acción no se mantiene en un punto de la membrana plasmática, sino que viaja a lo largo de la membrana (ver propagación). Puede desplazarse a lo largo de un axón a mucha distancia, por ejemplo transportando señales desde el cerebro hasta el extremo de la médula espinal. En animales grandes como las jirafas o las ballenas la distancia puede ser de varios metros. La velocidad y simplicidad de los potenciales de acción varía según el tipo celular e incluso entre células del mismo tipo. Aún así, los cambios de voltaje tienden a tener la misma amplitud entre ellas. En una misma célula, varios potenciales de acción consecutivos son prácticamente indistinguibles. MECANISMO SUBYACENTE Potencial de membrana en reposo Cuando la célula no está estimulada por corrientes depolarizantes supraumbrales, se dice que se encuentra en un potencial de membrana en reposo. La membrana celular esta compuesta mayoritariamente por una bicapa de fosfolípidos altamente hidrofóbica, que impide el paso libre de particulas cargadas como los iones. Por lo cual esta bicapa de fosfolipidos se comporta como un capacitor, separando cargas (dadas por los iones en disolución) a una distancia de aproximadamente 4 nm. Esto permite la mantención del potencial de membrana a lo largo del tiempo. La generación de este potencial de membrana está dado por el transporte electrogénico de bombas, como la bomba sodio-potasio y la bomba de calcio. Estas proteínas usan la energía de hidrólisis de ATP para tranportar iones en contra de su gradiente electroquímico y así generar las gradientes de concentraciones iónicas que definen el potencial de membrana. CONCENTRACIONES PARA DIRENENTES IONES IONES

INTRACELULAR EXTRACELULAR

Na +

14 mM

142 mM

K-

140 mM

4 mM

Cl -

4 mM

120 mM

HCO 3 - (bicarbonato) 10 mM

25 mM

H + (hidrogeniones)

100 mM

40 mM

Mg 2 +

30 mM

15 mM

Ca 2 +

1 mM

18 mM

73

Cuando una célula está en reposo (no estimulada ni excitada) los canales de potasio están abiertos, el potasio tenderá a salir hacia el exterior (iones de K), son cargas positivas por tanto el interior celular será negativo respecto al exterior celular

Fases del potencial de acción Las variaciones potencial de membrana durante el potencial de acción son resultado de cambios en la permeabilidad de la membrana celular a iones específicos (en concreto, sodio y potasio) y por consiguiente cambios en las concentraciones iónicas en los compartimientos intracelular y extracelular. Estas relaciones están matemáticamente definidas por la ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz (GHK). Los cambios en la permeabilidad de la membrana y el establecimiento y cese de corrientes iónicas durante el potencial de acción refleja la apertura y cierre de los canales iónicos que forman zonas de paso a través de membrana para los iones. Las proteínas que regulan el paso de iones a través de la membrana responden a los cambios de potencial de membrana. En un modelo simplificado del potencial de acción, el potencial de reposo de una parte de la membrana se mantiene con el canal de potasio. La fase ascendente o de despolarización del potencial de acción se inicia cuando el canal de sodio dependiente de potencial se abre, haciendo que la permeabilidad del sodio supere ampliamente a la del potasio. El potencial de membrana va hacia ENa. En algunas células, como las células del marcapasos coronario, la fase ascendente se genera por concentración de calcio más que de potasio. Tras un corto intervalo, el canal de potasio dependiente de voltaje (retardado) se abre, y el canal de sodio se inactiva. Como consecuencia, el potencial de membrana vuelve al estado de reposo, mostrado en el potencial de acción como una fase descendente. Debido a que hay más canales de potasio abiertos que canales de sodio (los canales de potasio de membrana y canales de potasio dependientes de voltaje están abiertos, y el canal de sodio está cerrado), la permeabilidad al potasio es ahora mucho mayor que antes del inicio de la fase ascendente, cuando sólo los canales de potasio de membrana estaban abiertos. El potencial de membrana se acerca a EK más de lo que estaba en reposo, haciendo que el potencial esté en fase refractaria. El canal de potasio retardado dependiente de voltaje se cierra debido a la hiperpolarización, y la célula regresa a su potencial de reposo. Las fases ascendente y descendente del potencial de acción se denominan a veces despolarización e hiperpolarización respectivamente. Técnicamente, la despolarización es cualquier cambio en el potencial de membrana que lleve la diferencia de potencial a cero. Igualmente, la hiperpolarización es cualquier cambio de potencial que se aleje de cero. Durante la fase ascendente, el potencial de membrana primero se aproxima a cero, y luego se hace más positivo; así, la fase ascendente incluye tanto despolarización como hiperpolarización. Aunque es técnicamente incorrecto denominar las fases ascendente y descendente como despolarización e hiperpolarización, es común verlo entre profesores, físicos y libros de neurociencia. 74

LEY DEL TODO O NADA El potencial de acción responde a la ley de todo o nada, el potencial para que tenga lugar necesita de un estímulo liminal que llegue al punto crítico de dispara de esa célula. a. Despolarización lenta. -70 mv hasta -55 mv b. Despolarización rápida. - 55 mV hasta +35 mV. c. Repolarización rápida. + 35 mv 2/3 del descenso d. Repolarización lenta (hasta - 70 mV) e. Hiperpolarización. -70 mV hasta - 75 mV.

El potencial de acción se produce o no siendo igual. No se produce si el estímulo no alcanza el punto crítico de la célula, y si se supera si que hay potencial. La ley se cumple para fibras aisladas, para una fibra única, pero no se cumple cuando existen múltiples fibras nerviosas (axones)

UMBRAL E INICIACION Los potenciales de acción se desencadenan cuando una despolarización inicial alcanza un umbral. Este potencial umbral varía, pero normalmente está en torno a -55 a 30 milivoltios sobre el potencial de reposo de la célula, lo que implica que la corriente de entrada de iones sodio supera la corriente de salida de iones potasio. El flujo neto de carga positiva que acompaña los iones sodio despolariza el potencial de membrana, desembocando en una apertura de los canales de sodio dependientes de voltaje. Estos canales aportan un flujo mayor de corrientes iónicas hacia el interior, aumentando la despolarización en una retroalimentación positiva que hace que la membrana llegue a niveles de despolarización elevados. El umbral del potencial de acción puede variar cambiando el equilibrio entre las corrientes de sodio y potasio. Por ejemplo, si algunos de los canales de sodio están inactivos, 75

determinado nivel de despolarización abrirá menos canales de sodio, y aumenta así el umbral de despolarización necesario para iniciar el potencial de acción. Esta es el principio del funcionamiento del periodo refractario (ver periodo refractario). Los potenciales de acción son muy dependientes de los equilibrios entre iones sodio y potasio (aunque hay otros iones que contribuyen minoritariamente a los potenciales, como calcio y cloro), y por ello los modelos se hacen utilizando sólo dos canales iónicos transmembrana: un canal de sodio dependiente de voltaje y un canal de potasio pasivo. El origen del umbral del potencial de acción puede visualizarse en la curva I/V (imagen) que representa las corrientes iónicas a través de los canales frente al potencial de membrana. (La curva I/V representada en la imagen es una relación instantánea entre corrientes. Se muestra el pico de corrientes a determinado voltaje, registrado antes de que ocurra ninguna inactivación (1 ms tras alcanzar ese voltaje para el sodio). También es importante apuntar que la mayoría de voltajes positivos del gráfico sólo pueden conseguirse por medios artificiales, mediante la aplicación de electrodos a las membranas). Destacan cuatro puntos en la curva I/V indicados por las flechas de la figura: 1. La flecha verde indica el potencial de reposo de la célula y el valor del potencial de equilibrio para el potasio (Ek). Debido a que el canal K+ es el único abierto con esos valores de voltaje negativos, la célula se mantendrá en Ek. Aparecerá un potencial de reposo estable con cualquier voltaje en que el sumatorio I/V (línea verde) cruce el punto de corriente nula (eje x) con una pendiente positiva, como hace en la flecha verde. Esto es debido a que cualquier perturbación del potencial de membrana hacia valores negativos significará corrientes netas de entrada que despolarizarán la célula más allá del punto de cruce, mientras que cualquier perturbación hacia valores positivos significará corrientes netas de salida que hiperpolarizarán la célula. Así, cualquier cambio del potencial de membrana de pendiente positiva tiende a devolver a la célula al valor de cruce con el eje. 2. La flecha amarilla indica el equilibrio del potencial Na+ (ENa). En este sistema de dos iones, el ENa es el límite natural del potencial de membrana del que la célula no puede pasar. Los valores de corrientes en el gráfico que exceden este límite se han medido de forma artificial obligando a la célula a sobrepasarlo. Aún así, el ENa sólo podría alcanzarse si la corriente de potasio no existiese. 3. La flecha azul indica el voltaje máximo que puede alcanzar el pico del potencial de acción. Es el potencial de membrana máximo que la célula en estado natural puede alcanzar, y no puede llegar al ENa debido a la acción contraria de los flujos de potasio. 76

4. La flecha roja indica el umbral del potencial de acción. Es el punto donde el Isum se cambia a un flujo neto hacia el interior. Destaca que en este punto se atraviesa el punto de flujo neto cero, pero con pendiente negativa. Cualquier "punto de corte con pendiente negativa" del nivel de flujo cero en el gráfico I/V es un punto inestable. Si el voltaje en este punto es negativo, el flujo va hacia el exterior y la célula tiende a volver al potencial de reposo. Si el voltaje es positivo, el flujo va hacia el interior y tiende a despolarizar la célula. Esta despolarización implica mayor flujo hacia el interior, haciendo que los flujos de sodio se realimenten. El punto en el que la línea verde alcanza el valor más negativo es cuando todos los canales de sodio están abiertos. La despolarización más allá de este punto baja las corrientes de sodio ya que la fuerza eléctrica disminuye a medida que el potencial de membrana se acerca a ENa. El umbral del potencial de acción se confunde a veces con el umbral de la apertura de canales de sodio. Es una incorrección, ya que los canales de sodio carecen de umbral. Por el contrario, se abren en respuesta a la despolarización aleatoriamente. La despolarización no implica tanto la apertura de los canales como el incremento de la probabilidad de que se abran. Incluso en potenciales de hiperpolarización, un canal de sodio puede abrirse esporádicamente. Además, el umbral del potencial de acción no es el voltaje a la que el flujo de iones sodio se hace importante; es el punto en que excede el flujo de potasio. Biológicamente, en las neuronas la despolarización se origina en las sinapsis dendríticas. En principio, los potenciales de acción podrían generarse en cualquier punto a lo largo de la fibra nerviosa. Cuando Luigi Galvani descubrió la electricidad animal haciendo que la pierna de una rana muerta volviese a la vida tocando el nervio ciático con un escalpelo, aplicándole sin darse cuenta una carga electrostática negativa e iniciando un potencial de acción.pn PROPAGACION En los axones amielínicos, los potenciales de acción se propagan como una interacción pasiva entre la despolarización que se desplaza por la membrana y los canales de sodio regulados por voltaje.

77

Los potenciales de acción de membrana pueden representarse uniendo varios circuitos RC, cada uno representando un trozo de membrana. Cuando una parte de la membrana celular se despolariza lo suficiente como para que se abran los canales de sodio dependientes de voltaje, los iones de sodio entran en la célula por difusión facilitada. Una vez dentro, los iones positivos de sodio impulsan los iones próximos a lo largo del axón por repulsión electrostática, y atraen los iones negativos desde la membrana adyacente. Como resultado, una corriente positiva se desplaza a lo largo del axón, sin que ningún ion se esté desplazando muy rápido. Una vez que la membrana adyacente está sufiencientemente despolarizada, sus canales de sodio dependientes de voltaje se abren, realimentando el ciclo. El proceso se repite a lo largo del axón, generándose un nuevo potencial de acción en cada segmento de la membrana. Velocidad de propagación Los potenciales de acción se propagan más rápido en axones de mayor diámetro, si los demás parámetros se mantienen. La principal razón para que ocurra es que la resistencia axial de la luz del axón es menor cuanto mayor sea el diámetro, debido a la mayor relación entre superficie total y superficie de membrana en un corte transversal. Como la superficie de la membrana es el obstáculo principal para la propagación del potencial en axones amielínicos, el incremento de esta tasa es una forma especialmente efectiva de incrementar la velocidad de la transmisión. Un ejemplo extremo de un animal que utiliza el aumento de diámetro de axón como regulador de la velocidad de propagación del potencial de membrana es el calamar gigante. El axón del calamar gigante controla la contracción muscular asociada con la respuesta de evasión de depredadores del animal. Este axón puede sobrepasar 1 mm de 78

diámetro, y posiblemente sea una adaptación para permitir una activación muy rápida del mecanismo de escape. La velocidad de los impulsos nerviosos en estas fibras es una de las más rápidas de la naturaleza, para los que poseen neuronas amielinicas.

Conducción saltatoria En axones mielínicos, la conducción saltatoria es el proceso por el que los potenciales de acción parecen saltar a lo largo del axón, siendo regenerados sólo en unos anillos no aislados (los nodos de Ranvier). La conducción saltatoria incrementa la velocidad de conducción nerviosa sin tener que incrementar significativamente el diámetro del axón.

79

Ha desempeñado un papel importante en la evolución de organismos más complejos cuyos sistemas nerviosos necesitan transmitir rápidamente potenciales de acción a largas distancias. Sin conducción saltatoria, la velocidad de conducción requeriría incrementos drásticos en el diámetro del axón, a tal punto que podrían resultar en la formación de sistemas nerviosos excesivamente grandes para los cuerpos que deben alojarlos. Mecanismo detallado El principal obstáculo para la velocidad de transmisión en axones amielínicos es la capacitancia de la membrana. La capacidad de un condensador puede disminuirse bajando el área de un corte transversal de sus placas, o incrementando la distancia entre las placas. El sistema nervioso utiliza la mielinización para reducir la capacitancia de la membrana. La mielina es una vaina protectora creada alrededor de los axones por las células de Schwann y los oligodendrocitos, células de la neuroglía que aplastan sus citoplasmas formando láminas de membrana y plasma. Estas láminas se arrollan en el axón, alejando las placas conductoras (el plasma intra y extracelular) entre sí, disminuyendo la capacitancia de la membrana. El aislamiento resultante redunda en un conducción rápida (prácticamente instantánea) de los iones a través de las secciones mielinizadas del axón, pero impide la generación de potenciales de acción en estos segmentos. Los potenciales de acción sólo se vuelven a producir en los nodos de Ranvier desmielinizados, que se sitúan entre los segmentos mielinizados. En estos anillos hay un gran número de canales de sodio dependientes de voltaje (hasta cuatro órdenes de magnitud superior a la densidad de axones amielínicos), que permiten que los potenciales de acción se regeneren de forma eficaz en ellos. Debido a la mielinización, los segmentos aislados del axón actúan como un cable pasivo: conducen los potenciales de acción rápidamente porque la capacitancia de la membrana es muy baja, y minimizan la degradación de los potenciales de acción porque la resistencia de la membrana es alta. Cuando esta señal que se propaga de forma pasiva alcanza un nodo de Ranvier, inicia un potencial de acción que viaja de nuevo de forma pasiva hasta que alcanza el siguiente nodo, repitiendo el ciclo. Minimización de daños La longitud de los segmentos mielinizados de un axón es importante para la conducción saltatoria. Deben ser tan largos como sea posible para optimizar la distancia de la conducción pasiva, pero no lo suficiente como para que la disminución en la intensidad de la señal sea tanta que no alcance el umbral de sensibilidad en el siguiente nodo de Ranvier. En realidad, los segmentos mielinizados son lo suficientemente largos para que la señal que se propaga pasivamente recorra al menos dos segmentos manteniendo una amplitud de señal suficiente como para iniciar un potencial de acción en el segundo o tercer nodo. Así se eleva el factor de seguridad de la conducción saltatoria, permitiendo que la transmisión traspase nodos en caso de que estén dañados. Periodo Refractario Se define como el momento en el que la célula excitable no responde ante un estímulo y por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Acción. Se divide en dos: Periodo Refractario Absoluto (o Efectivo) y Periodo Refractario Relativo.

80

El Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje se encuentran "inactivados", por lo que se deja el transporte de Sodio. En cambio el Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de Repolarización, en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para así comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio, por lo que al agregar un estímulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran cerrados en ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Acción. El Periodo Refractario Relativo termina después de la fase de Hiperpolarización (o Postpotencial) en donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje están cerrados y disponibles para un nuevo estímulo. El Periodo Refractario varía de célula a célula, y es una de las carácterísticas que permiten decir si una célula es más o menos excitable que otra. En otros casos como el músculo cardiaco, su amplio Periodo Refractario le permite la increíble capacidad de no tetanizarse. Propósito evolutivo Con respecto a las causas por las que la naturaleza ha desarrollado esta forma de comunicación, esto se responde al considerar la transmisión de información a gran distancia a través de un axón nervioso. Para llevar la información de un extremo a otro del axón, la naturaleza tiene que enfrentarse a leyes físicas como las que condicionan el movimiento de señales eléctricas en un cable. Debido a la resistencia eléctrica y a la capacitancia del cable, las señales tienden a degradarse a lo largo del cable. Estas propiedades denominadas propiedades del cable determinan los límites físicos a los que pueden llegar las señales. El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las señales lleguen de un extremo a otro del axón sin pérdidas en el camino. Un potencial de acción no sólo se propaga a lo largo del axón, sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes iónicas en cada estrechamiento de la membrana en su camino. En otras palabras, la membrana nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la señal recorre el axón, superando los límites que impone la teoría de líneas de transmisión.

DEPOLARIZACIÓN Y REPOLARIZACIÓN DEL AXÓN 81

82

1. clínicamente; ¿en que casos se emplean las soluciones parenterales: isotónicas, hipertónicas e hipotónicas? Explicar y especificar. ¿cuáles y porqué? ➢ Contracción o deshidratación isotónica.Se produce cuando se pierden sodio y agua en proporciones isotónicas. La causa más corriente es la pérdida de líquido por el aparato gastrointestinal. La característica de esta clase de deshidratación es un valor normal de la concentración sérica de sodio. En consecuencia, sea cual sea el déficit de volumen de la fase extracelular, mientras la concentración de sodio en plasma sea normal, no habrá redistribución de agua que salga o entre al compartimiento celular.

➢ Contracción o deshidratación hipertónica.Esta clase de deshidratación es frecuente y se observa en cualquier caso en el que haya pérdida de agua en exceso respecto a la de sodio. Ocurre cuando el paciente no puede beber por inconsciencia o cuando se ha brindado por vía parenteral poca o ninguna cantidad de agua. El sodio aumentará su concentración en el espacio extracelular. Aunque más sodio tiende a difundirse en las células, este ingreso no llega a compensar el aumento de la osmolaridad extracelular; en consecuencia, el incremento de la concentración de sal se confina en el compartimiento extracelular. Puesto que el movimiento del sodio no compensa los aumentos importantes de la osmolaridad extracelular, se produce una salida neta de moléculas de agua desde las células al espacio extracelular, hasta que ambos líquidos son isosmóticos de nuevo, aunque en valores más altos que inicialmente.

➢ Contracción o deshidratación hipotónica.Ocurre cuando hay pérdida de sodio que excede la de agua. Es muy frecuente en la insuficiencia renal crónica o cuando las pérdidas de líquidos isotónicos se reponen con agua y con ninguna o escasa sal. Esta deshidratación reduce la concentración de sodio en el plasma y por lo tanto disminuye la osmolaridad efectiva del líquido extracelular, lo que trae como consecuencia el paso de agua desde éste hacia las células. Aunque 83

tiende a recuperar la relación isoosmolar entre ambos compartimientos, este paso de agua al espacio intracelular magnifica la pérdida de volumen extracelular, puesto que se añade a la ocurrida hacia el ambiente externo.

Normal 1 l de H2O + (150 mEq Cationes + 150 mEq Aniones) è 1 l + 300 miliosmoles è 300 miliosmoles / 1 l de H2O = 300 mOsm

1 l de H2O + (150 mEq Cationes + 150 mEq Aniones) è 1 l + 300 miliosmoles è 300 miliosmoles / 1 l de H2O = 300 mOsm

Deshidratación Isotónica 1 l de H2O + (150 mEq Cationes + 150 mEq Aniones) è 1 l + 300 miliosmoles è 300 miliosmoles / 1 l de H2O = 300 mOsm

0,8 l de H2O + (120 mEq Cationes + 120 mEq Aniones) è 0,8 l + 240 miliosmoles è 240 miliosmoles / 0,8 l de H2O = 300 mOsm

Deshidratación Hipertónica 1 l de H2O + (150 mEq Cationes + 150 mEq Aniones) è 1 l + 300 miliosmoles è 300 miliosmoles / 1 l de H2O = 300 mOsm

Redistribución à H2O pasa al Espacio Extracelular 0,8 l de H2O + (150 mEq Cationes + 150 mEq Aniones) è 0,8 l + 300 miliosmoles è 300 miliosmoles / 0,8 l de H2O = 375 mOsm

0,6 l de H2O + (150 mEq Cationes + 150 mEq Aniones) è 0,6 l + 300 miliosmoles è 300 miliosmoles / 0,6 l de H2O = 500 mOsm

0, 2 là 0,8 l de H2O + (150 mEq Cationes + 150 mEq Aniones) è 0,8 l + 300 miliosmoles è 300 miliosmoles / 0,8 l de H2O = 375 mOsm

84

Deshidratación Hipotónica 1 l de H2O + (150 mEq Cationes + 150 mEq Aniones) è 1 l + 300 miliosmoles è 300 miliosmoles / 1 l de H2O = 300 mOsm

Redistribución à H2O pasa al Espacio Intracelular

1,2 l de H2O + (150 mEq Cationes + 150 mEq Aniones) è 1,2 l + 300 miliosmoles è 300 miliosmoles / 1,2 l de H2O = 250 mOsm

1 l de H2O + (100 mEq Cationes + 100 mEq Aniones) è 1 l + 200 miliosmoles è 200 miliosmoles / 1 l de H2O = 200 mOsm

ß 0, 2 l 0,8 l de H2O + (100 mEq Cationes + 100 mEq Aniones) è 0,8 l + 200 miliosmoles è 200 miliosmoles / 0,8 l de H2O = 250

85