FISIOLOGIA CELULAR La Fisiología es una rama de las Ciencias Biológicas que estudia las funciones de los seres vivos. La célula realiza diversas funciones con el fin de poder alimentarse, crecer, reproducirse, sintetizar sustancias y relacionarse con el medio ambiente. Para lograr esos objetivos debe cumplir con tres importantes funciones: relación, nutrición y reproducción. FUNCIÓN DE RELACIÓN Las células responden a los estímulos que reciben del medio que las rodea. Las respuestas más comunes a estos estímulos son: contractilidad, conductividad, irritabilidad y movimiento o locomoción. -CONTRACTILIDAD Capacidad de las células para contraerse y cambiar de forma. Ejemplo: células musculares. -CONDUCTIVIDAD Facultad que tienen algunas células, como las neuronas, de permitir el pasaje de una corriente eléctrica a través de sí. -IRRITABILIDAD Capacidad de las células para reaccionar ante estímulos externos y/o internos. Algunas células reaccionan ante cambios lumínicos, de temperatura, de presión, de humedad, de gravedad y ante variaciones en la acidez o alcalinidad del medio (pH). Un tropismo es la respuesta producida por un vegetal frente a un estímulo estímulo externo. El tropismo es positivo cuando la planta crece hacia el estímulo, y negativo si lo hace en dirección contraria. Al crecer, la planta se dirige hacia la luz (fototropismo positivo) y se aleja de la tierra (geotropismo negativo). En los anim an imal ales es la irr irritab itabil ilid idad ad se man manifie ifiest staa a travé ravéss de taxi taxism smos os,, qu quee so son n movi mo vimie mient ntos os direc direcci cion onad ados os fren frente te a un estímu estímulo lo.. El taxis taxismo mo es po posit sitivo ivo o negativo si el movimiento se acerca o se aleja del estímulo, respectivamente. Loss organ Lo organis ismos mos un unic icelu elular lares es prese present ntan an foto fotota taxis xismo moss en relac relación ión a la luz, luz, quimiotaxismos en relación a sustancias químicas y geotaxismos en relación a la gravedad. En individuos pluricelulares existen células que se encargan de detectar detectar determinados determinados estímulos. Las respuestas respuestas obtenidas obtenidas son más complejas complejas y dependen del grado de complejidad del animal. Cuanto más complejo es el individuo más elaborada será su respuesta. Cuando un vertebrado se enfrenta a una situación de estrés o peligro produce una sustancia llamada adrenalina. La
adrenalina llega hasta receptores específicos en las células musculares que responden estimulando una serie de reacciones metabólicas que producen la oxidación o ruptura de la molécula de glucógeno y finalmente de glucosa, con lo cual cu al el ind indivi ividu duo o ob obtie tiene ne la en energ ergía ía ne nece cesar saria ia pa para ra reali realiza zarr la co cont ntrac racci ción ón muscular y poder huir o reaccionar rápidamente. -MOVIMIENTO O LOCOMOCIÓN Algunas células pueden moverse mediante contracción, pseudópodos, cilios y flagelos. Contracción:: mu Contracción much chos os orga organi nism smos os un unic icel elul ular ares es po pose seen en la capa capaci cida dad d de trasladarse de un lugar a otro mediante simples contracciones de la célula, como Plasmodium sp. Pseudópodos: son proyecciones de la membrana plasmática. La célula ejerce Pseudópodos: desplazamiento desplazamientoss ameboides ameboides producidos producidos por movimientos movimientos del citoplasma, citoplasma, como los glóbulos blancos y las amebas. Estos pseudópodos también son utilizados por organismos unicelulares para alimentarse, rodeando a las partículas hasta encerrarlas en una vacuola Cilios y flagelos: flagelos: son movimientos vibrátiles utilizados por células que tienen cilios (Paramecio) y flagelos (espermatozoides, Trypanosoma). Estas estructuras perm pe rmit iten en la loco locomo moci ción ón en medi medios os líqu líquid idos os.. Lo Loss cili cilios os y flag flagel elos os so son n pro proyecc yeccio ione ness de dell cito citoes esq que uele leto to limi limita tad das po porr un unaa memb membra rana na qu quee es cont co ntin inua uació ción n de la memb membran ranaa plas plasmát mática ica.. Lo Loss cilio cilioss ad adop opta tan n vibrac vibracio iones nes sincro sincroni niza zada dass qu quee pe permi rmiten ten el mo movim vimien iento to de la célu célula. la. El flage flagelo lo ad adop opta ta movimientos ondulatorios y giratorios. Funciones de relación
FUNCIÓN DE NUTRICIÓN Permite a la célula obtener, trasformar y aprovechar los alimentos suministrados por el medio, y posteriormente obtener la energía necesaria para poder realizar las demás funciones.
adrenalina llega hasta receptores específicos en las células musculares que responden estimulando una serie de reacciones metabólicas que producen la oxidación o ruptura de la molécula de glucógeno y finalmente de glucosa, con lo cual cu al el ind indivi ividu duo o ob obtie tiene ne la en energ ergía ía ne nece cesar saria ia pa para ra reali realiza zarr la co cont ntrac racci ción ón muscular y poder huir o reaccionar rápidamente. -MOVIMIENTO O LOCOMOCIÓN Algunas células pueden moverse mediante contracción, pseudópodos, cilios y flagelos. Contracción:: mu Contracción much chos os orga organi nism smos os un unic icel elul ular ares es po pose seen en la capa capaci cida dad d de trasladarse de un lugar a otro mediante simples contracciones de la célula, como Plasmodium sp. Pseudópodos: son proyecciones de la membrana plasmática. La célula ejerce Pseudópodos: desplazamiento desplazamientoss ameboides ameboides producidos producidos por movimientos movimientos del citoplasma, citoplasma, como los glóbulos blancos y las amebas. Estos pseudópodos también son utilizados por organismos unicelulares para alimentarse, rodeando a las partículas hasta encerrarlas en una vacuola Cilios y flagelos: flagelos: son movimientos vibrátiles utilizados por células que tienen cilios (Paramecio) y flagelos (espermatozoides, Trypanosoma). Estas estructuras perm pe rmit iten en la loco locomo moci ción ón en medi medios os líqu líquid idos os.. Lo Loss cili cilios os y flag flagel elos os so son n pro proyecc yeccio ione ness de dell cito citoes esq que uele leto to limi limita tad das po porr un unaa memb membra rana na qu quee es cont co ntin inua uació ción n de la memb membran ranaa plas plasmát mática ica.. Lo Loss cilio cilioss ad adop opta tan n vibrac vibracio iones nes sincro sincroni niza zada dass qu quee pe permi rmiten ten el mo movim vimien iento to de la célu célula. la. El flage flagelo lo ad adop opta ta movimientos ondulatorios y giratorios. Funciones de relación
FUNCIÓN DE NUTRICIÓN Permite a la célula obtener, trasformar y aprovechar los alimentos suministrados por el medio, y posteriormente obtener la energía necesaria para poder realizar las demás funciones.
No todos los seres vivos obtienen los nutrientes de la misma forma. Hay dos tipos de nutrición: la autótrofa y la heterótrófa. La nutrición autótrofa es propia de las las plant plantas as verde verdes, s, el fito fitopl plan ancto cton, n, las las algas algas verde verde azul azulad adas as y algun algunas as bacterias, que son capaces de producir sus propios nutrientes a través de la fotosíntesis.. La nutrición heterótrofa es utilizada por organismos consumidores fotosíntesis como son los animales, los hongos y protozoarios, que al no poder producir sus alimentos necesitan tomarlos de otros organismos. A todos estos procesos que transforman la energía de los alimentos en el “combustible” necesario para la vida se los conoce con el nombre de metabolismo. El metabolismo es la suma de todos los procesos químicos que suceden en los organismos vivos. Se divide en an anab aboli olismo smo,, cu cuan ando do las célul células as co conv nvier ierten ten las las su sust stan ancia ciass simp simples les en sustancias más complejas, y en catabolismo, cuando las sustancias complejas son convertidas en compuestos más simples mediante la degradación para produc producir ir energía. energía. Los proceso procesoss anaból anabólicos icos necesit necesitan an el aporte aporte de energía energía,, mien mi entra trass qu quee los los catab cataból ólico icoss lib libera eran n la energ energía. ía. Duran Durante te el creci crecimi mien ento to de animale animaless y vegetal vegetales es hay anabolis anabolismo mo positi positivo. vo. En el envejec envejecimie imiento nto existe existe catab catabol olism ismo o po posi sitiv tivo. o. Las reacci reaccion ones es an anab aból ólica icass y catab cataból ólica icass están están muy relacionadas y dependen unas de otras. La nutrición celular incluye los procesos procesos de respiración, absorción, absorción, secreción secreción y excreción. -RESPIRACIÓN La respiración celular es un mecanismo mediante el cual las células de los organismos obtienen oxígeno del exterior y oxidan nutrientes de los alimentos para pa ra qu quee libe libere ren n en ener ergí gía. a. Como Como resu result ltad ado, o, el carb carbon ono o pres presen ente te en esos esos nutrientes nutrientes (glucosa entre otros) queda oxidado, es decir, se transforma en agua y en dióxido de carbono que es eliminado hacia la atmósfera por medio de la respir respirac ació ión. n. La respi respirac ració ión n celul celular ar tien tienee luga lugarr de dent ntro ro de las mi mito toco cond ndria rias. s. -ABSORCIÓN Es el mecanismo por el cual las células incorporan sustancias del medio externo (agua, gases, sales minerales, grandes moléculas) a través de la membrana plasmática, con el fin de utilizarlas para llevar a cabo las funciones metabólicas. Ese pasaje de moléculas pequeñas se realiza por transporte pasivo (sin gasto de energía) y por transporte activo (con gasto de energía). Las grandes moléculas ingresan a la célula por endocitosis y se expulsan por exocitosis.
TRANSPORTE PASIVO Es el movimiento de sustancias desde un lugar donde están más concentradas a otro de menor concentración. El transporte pasivo está representado por la difusión simple, la difusión facilitada, la ósmosis y la diálisis. -DIFUSIÓN SIMPLE: es la manera por la cual el oxígeno, el dióxido de carbono y pequeñas moléculas sin carga eléctrica atraviesan la membrana plasmática. La célula consume oxígeno, con lo cual entra por la membrana ya que hay mayor cantidad fuera de la célula que dentro de ella. Lo contrario ocurre con el dióxido de carbono, que sale por estar más concentrado en el citoplasma que fuera de él. -DIFUSIÓN FACILITADA: mediante esta forma se realiza el pasaje de pequeñas moléculas con carga eléctrica, azúcares, aminoácidos y metabolitos de la célula, desde una zona de mayor concentración a otra de menor concentración. La difusión facilitada necesita de proteínas, llamadas proteínas de canal y transportadoras. Las proteínas de canal establecen canales a manera de poros llenos de agua, que cuando se abren dejan pasar sustancias a la célula. Las proteínas transportadoras presentan cambios en su estructura para permitir que ingresen sustancias a la célula. En ambos casos, el transporte se realiza a favor del gradiente de concentración. Un gradiente de concentración es una zona donde varía en forma permanente la concentración de una sustancia entre dos extremos o puntos opuestos. Si la dirección de cualquier sustancia, por ejemplo sodio, es hacia la zona más concentrada de sodio (de menor a mayor), significa “en contra” del gradiente. Si el transporte es desde la zona más concentrada a la de menor concentración, es “a favor” del gradiente. En la primera situación hay gasto de energía, no así en la segunda.
-ÓSMOSIS: es el pasaje o difusión de un solvente (agua) a través de una membrana semipermeable mediante un gradiente de concentración. La membrana plasmática permite el paso del agua de un sitio a otro pero no el de sustancias disueltas en ella (solutos). Toda vez que la célula tenga en su interior una concentración de solutos mayor que la del medio externo, la célula está en una solución hipotónica. Por lo tanto, el agua ingresa a la célula y provoca que se agrande. Por el contrario, si la concentración de solutos es mayor en su ambiente externo la célula está en un medio hipertónico, hecho que provoca la salida de agua intracelular y la crenación o arrugamiento de la célula. Cuando la concentración de solutos es igual a ambos lados de la membrana, la célula está en un medio isotónico (igual tonicidad) y no hay difusión de agua. En la difusión simple, en la facilitada y en la ósmosis no hay gasto de energía.
-DIÁLISIS: cuando una membrana separa una sustancia con diferente concentración a ambos lados, el soluto (la sal en la figura de la izquierda) difunde desde el lugar de mayor concentración al de menor concentración, mientras que el agua lo hace desde el sitio donde está en mayor cantidad (solución diluida) hacia la de menor cantidad (solución concentrada de sal). Este proceso, denominado diálisis, se define como el pasaje de una sustancia disuelta a través de una membrana semipermeable a favor de un gradiente de concentración y sin gasto de energía.
TRANSPORTE ACTIVO Es el pasaje de una sustancia a través de una membrana semipermeable desde una zona de menor concentración a otra de mayor concentración. Este pasaje necesita un aporte de energía en forma de ATP y de proteínas transportadoras que actúen como “bombas” para vencer ese gradiente. La bomba de sodio y potasio cumple un rol muy importante en la producción y transmisión de los impulsos nerviosos y en la contracción de las células musculares. El sodio tiene mayor concentración fuera de la célula y el potasio dentro de la misma. La proteína transmembrana “bombea” sodio expulsándolo fuera de la célula y lo propio hace con el potasio al interior de ella. Este mecanismo se produce en contra del gradiente de concentración gracias a la enzima ATPasa, que actúa sobre el ATP con el fin de obtener la energía necesaria para que las sustancias puedan atravesar la membrana celular.
La forma de actuar de la bomba de sodio y potasio es la siguiente: 1: tres iones de sodio (3 Na+) intracelulares se insertan en la proteína transportadora. 2: el ATP aporta un grupo fosfato (Pi) liberándose difosfato de adenosina (ADP). El grupo fosfato se une a la proteína, hecho que provoca cambios en el canal proteico. 3: esto produce la expulsión de los 3 Na+ fuera de la célula. 4: dos iones de potasio (2 K+) extracelulares se acoplan a la proteína de transporte. 5: el grupo fosfato se libera de la proteína induciendo a los 2 K+ a ingresar a la célula. A partir de ese momento, comienza una nueva etapa con la expulsión de otros tres iones de sodio.
La bomba de sodio y potasio controla el volumen de las eucariotas animales al regular el pasaje del sodio y del potasio. El gradiente generado produce un potencial eléctrico que aprovechan todas aquellas sustancias que debe atravesar la membrana plasmática en contra del gradiente de concentración. A medida que sale sodio de la célula, el líquido extracelular adquiere un mayor potencial eléctrico positivo, lo que provoca atracción de iones negativos (cloro, bicarbonato) intracelulares. Al haber más iones de sodio y cloruros (Na+ y Cl-) en el medio extracelular, el agua tiende a salir de la célula por efecto de la ósmosis. De esta manera, la bomba de sodio y potasio controla el volumen celular. ENDOCITOSIS La célula utiliza la endocitosis para incorporar grandes moléculas. La membrana plasmática se invagina y rodea a las partículas. Luego se forman vesículas que transportan las sustancias al citoplasma. Hay tres formas de endocitosis: fagocitosis, pinocitosis y endocitosis mediada por receptor. -FAGOCITOSIS: la célula absorbe grandes partículas mediante prolongaciones de la membrana plasmática (pseudópodos). Las partículas son encerradas en vesículas que luego se unen a los lisosomas (fagosomas). Estos digieren esas partículas y las transforman en sustancias más simples que se vuelcan al citoplasma para su utilización. Los glóbulos blancos utilizan la fagocitosis como método de defensa para eliminar cuerpos extraños, microorganismos y sustancias nocivas para el organismo. Las amebas, para alimentarse. -PINOCITOSIS: es la forma en que la célula engloba líquidos extracelulares con nutrientes en suspensión como aminoácidos, glúcidos y ácidos grasos. La membrana proyecta finas prolongaciones que encierran la sustancia a incorporar. Ya en el citoplasma, se forman vesículas que más tarde se rompen y liberan el contenido. Las vesículas (ahora excretoras) mantienen los desechos en su interior para su posterior excreción. Para ello, se dirigen a la membrana plasmática, se fusionan con ella y eliminar el contenido fuera de la célula por exocitosis. -ENDOCITOSIS MEDIADA POR RECEPTORES: es parecida a la pinocitosis, pero la membrana posee receptores para que la macromolécula a incorporar se una a los mismos. Luego se forma una vesícula, el endosoma, y en su interior se separan los receptores de la sustancia. Los receptores son devueltos a la membrana plasmática y la sustancia incorporada se fusiona a los lisosomas para ser degradada. Aunque la endocitosis mediada por receptores es una manera muy específica, puede ocurrir que sustancias extrañas utilicen a los
receptores para ingresar a la célula, como sucede con el virus del sida con los receptores de algunos linfocitos
-SECRECIÓN Proceso que realiza la célula para verter (segregar), a través de la membrana plasmática, sustancias útiles para el organismo como leche, hormonas o enzimas para la digestión. Existen dos tipos de secreción. Una de ellas es la secreción constitutiva, utilizada por todas las células y realizada en forma continua por las vesículas que proceden del complejo de Golgi. Dichas vesículas se forman cuando las sustancias transportadas atraviesan los dictiosomas y llegan a la cara trans. Luego se dirigen hacia la membrana plasmática donde se fusionan para descargar su contenido (lípidos, proteínas) sin señal previa. Este proceso se denomina exocitosis, y es inverso al de endocitosis El otro tipo de secreción es la regulada, propia de las células secretoras de las glándulas, que necesitan una señal de algún mensajero químico para verter su contenido (una hormona o enzima). A diferencia de la anterior, la secreción regulada no se realiza de manera continua. Ambos tipos de secreción vierten su contenido al medio extracelular por exocitosis. Los órganos encargados de las diversas secreciones son las glándulas. Estas glándulas pueden ser endócrinas si segregan sustancias hacia la sangre, como las hormonas. Un ejemplo de este tipo es el páncreas. Cuando vierten su contenido hacia cavidades del organismo o hacia el exterior, las glándulas se denominan exócrinas. Son ejemplos las glándulas salivales, la glándula mamaria, las sudoríparas, etc. Además de ser endócrino, el páncreas es una glándula de secreción exócrina, ya que además de hormonas que van hacia la sangre como la insulina, elabora enzimas digestivas (tripsina, amilasa) vertidas en el intestino delgado. Es así que el páncreas es considerado como una glándula de secreción mixta
Los vegetales también segregan sales y aceites a través de glándulas. Los nectarios son glándulas secretoras de néctar que se ubican en las flores (nectario floral) o en otra parte de la planta (nectario extrafloral).
-EXCRECIÓN Es la eliminación de sustancias de desecho del metabolismo celular hacia el exterior. La célula excreta desechos por transporte pasivo (dióxido de carbono), transporte activo y exocitosis. Mecanismos de transporte a través de la membrana plasmática
FISIOLOGÍA CELULAR El ser vivo, posea la complejidad estructural que posea, necesita energía para vivir y desarrollar todas y cada una de sus funciones vitales. Esta energía, imprescindible para las múltiples actividades de los diversos organismos, procede de la energía almacenada en los enlaces químicos de las biomoléculas que los seres vivos poseen (glúcidos, lípidos, proteínas, etc.). De esta manera estas biomoléculas energéticas, que sirven de combustible a la célula, son utilizadas en los diversos compartimentos celulares y de ellas es extraída la energía necesaria para todos los procesos vitales celulares. El aporte de energía debe ser continuo para mantener el orden biológico. Si los seres vivos sólo tomaran energía de sus propias estructuras se irían poco a poco consumiendo a sí mismos lo cual no mantendría el orden biológico. Por esta
razón, frente a las vías de destrucción molecular (catabolismo energético) deben existir otras vías de construcción molecular (anabolismo energético). Estas vías son construidas unas veces a partir de moléculas capturadas y consumidas de otros seres vivos y otras (en algas y vegetales) son construidas por procesos complejos como la fotosíntesis.
LIQUIDO CORPORAL El líquido corporal se divide en dos reservorios principales: • Intracelular. • Extracelular. El líquido intracelular conocido como líquido celular es el que se encuentra en las células; se subdivide en dos comportamientos: • Intravascular. • Intersticial. El plasma es el líquido que se encuentra en el sistema vascular, en cambio el líquido intersticial es el que rodea a las células. Los líquidos extracelulares constituyen entre 1/3 y ¼ del liquido total del cuerpo. El líquido extracelular esta en constante movimiento a través del cuerpo, sirve como sistema de transporte para los nutrientes y los productos de desecho desde y hacia las células. El funcionamiento corporal normal necesita que el volumen de cada comportamiento permanezca relativamente constante. Las enfermeras/os deben de ser conscientes de las cantidades anormales de secreción y excreción. Las pérdidas excesivas pueden mermar seriamente primero el volumen de líquido extracelular y el intracelular. En algunas enfermedades aparecen excesos o deficiencias de líquido corporal. Por ejemplo, en pacientes que tengan un fallo cardiaco puede retener líquido en los tejidos y sufrir exceso de líquido. En cambio en pacientes con enfermedad renal puede que sea incapaz de excretar la cantidad necesaria de líquido y sufrir por ello exceso de líquidos.
COMPOSICIÓN ELECTROLÍTICA DE LOS LÍQUIDOS CORPORALES. La composición electrolítica varía de un compartimiento a otro. 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.
MOVIMIENTO DE LÍQUIDOS. ÓSMOSIS: Se refiere al movimiento de agua a través de las membranas celulares. La dirección del flujo va desde la solución menos concentrada a la de mayor concentración. El agua va a donde hay mas soluto. Los solutos pueden ser cristaloides o coloides. OSMOLARIDAD: Es la medida de una concentración de una solución. Hay diferentes clase de soluciones: 1.SOLUCIONES ISOTÓNICAS: Que tienen la misma concentración de solutos que el plasma sanguíneo. 2.SOLUCIONES HIPOTÓNICAS: Tienen una concentración de solutos menor que el plasma sanguíneo. 3.SOLUCIONES HIPERTÓNICAS: Tienen una concentración de solutos mayor que el plasma. Las soluciones se mueven a través de las membranas celulares de una solución menos concentrada a la mas concentrada.
PRESIONES DE LOS LÍQUIDOS. 1.PRESIÓN OSMÓTICA: Es la cantidad de liquido requerida para detener totalmente o prevenir el flujo osmótico del agua entre dos soluciones. 2.PRESIÓN ONCÓTICA: Es la fuerza de tracción ejercida por los coloides (por ejemplo, albúmina en plasma) que ayuda a mantener el contenido de agua de la sangre en el espacio intravascular. 3.PRESIÓN HIDROSTATICA: Es la presión ejercida por un liquido dentro de un sistema cerrado. Así pues, la presión hidrostática de la sangre es la fuerza ejercida por la misma en contra de las paredes vasculares.
PÉRDIDAS DE LÍQUIDOS. El canal principal para la excreción son los riñones. Las otras vías de perdidas de líquidos son: •Pérdidas insensibles con la respiración a través de los pulmones como vapor de agua en el aire espirado. •Pérdida notable a través de la piel como sudor. •Pérdida a través de los intestinos en las heces.
•Otras pérdidas pueden ser los vómitos, aspiraciones gástricas, drenajes, fístulas y heridas. El aumento de la frecuencia respiratoria, fiebre, diarrea pueden aumentar la pérdida de líquido.
DESEQUILIBRIO DEL VOLUMEN DE LÍQUIDOS. El déficit de líquido extracelular también se conoce como hipovolemia o deshidratación. Los déficit de líquido extracelular ocurre generalmente como resultado de pérdidas anormales a través de la piel, tracto gastrointestinal, o el riñón, disminución de la ingesta de líquidos, sangrado, o pasó de líquido al tercer espacio. El paso al tercer espacio es el entrado de líquido en espacios del organismo tales como el espacio intersticial, pleura, peritoneo, pericardio, espacio articular. Ocurre en los quemados, traumatismos, después de cirugía abdominal y puede conducir a hipovolemia fracaso renal y shock. El tercer aparece cuando en la lesión tisular aumenta la permeabilidad capilar de la membrana, esto permite no solo a los líquidos sino a las proteínas plasmáticas salir de los capilares y pasar al espacio intersticial. El movimiento de las proteínas disminuye la presión osmótica plasmática y aumenta la fuerza intersticial osmótica empujando aun más al líquido a salir del plasma e ir al intersticio.
EXCESO DE LÍQUIDO EXTRACELULAR. Es el exceso de volumen líquido; puede conducir a hipervolemia, sobrecarga circulatoria y edema.
SIGNOS CLÍNICOS DE DÉFICIT • Hipotensión postural. • Pérdida de peso. • Sequedad de mucosas. • Disminución de la turgencia tisular. • Pulso débil y rápido. • Globos oculares hundidos. • Oliguria. • Palidez de la piel. •Hallazgos de laboratorio: a)Aumento de la densidad urinaria. b)Aumento del hematocrito. c) Disminución de la PVC. EXCESO DE LÍQUIDO •Edema periférico. •Ganancia de peso. •Dilatación de las venas del cuello. •Crepitantes húmedos en los pulmones.
•Dilatación de los venas periféricas. •Ascitis. •Pulso lleno. •Hallazgos de laboratorio: a) Disminución del hematocrito. b) Disminución del BUN debido a la dilución
EFECTO DE TYNDALL En ocasiones algunas mezclas parecen ser soluciones a simple vista, pero si hacemos pasar un rayo de luz brillante a través de la mezcla y lo vemos fácilmente, entonces la mezcla no es una solución. ¿Por qué?..... El rayo de luz que atraviesa la solución no es visible. Las verdaderas soluciones compuestas de líquidos son transparentes sin importar su color. Cuando una mezcla no es una solución, hay partículas lo suficientemente grandes como para esparcir o reflejar la luz, permitiendo que se vea el rayo de luz a medida que atraviesa la mezcla. Este esparcimiento se denomina el efecto de Tindall. Las soluciones verdaderas no presentan el efecto de Tindall.
TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS CELULARES Existen varios tipos de transporte que atraviesan las membranas celulares: difusión, ósmosis, filtración y el transporte mediado por proteínas
- Difusión pasiva o simple: es el paso de moléculas de soluto a través de las membranas celulares para alcanzar homogeneidad en el solvente, se realiza de mayor a menor concentración y no requiere gasto de energía; de esta manera, la difusión tiende a igualar las concentraciones de las sustancias que difunden a ambos lados de la membrana. Es un proceso rápido cuando la distancia que va a recorrer la molécula es corta, en cambio es un proceso relativamente lento si esta distancia a recorrer es grande. La mayoría de los fármacos atraviesan la membrana por difusión pasiva; la velocidad de difusión depende del gradiente de concentración, del tamaño y naturaleza de la molécula y de su liposolubilidad. Difunden solutos liposolubles y algunos hidrosolubles de bajo peso molecular (etanol, urea, iones cloro) y sin carga eléctrica; parece que la membrana contiene pequeñísimos poros llenos de agua, que permite el paso de estas sustancias. Las moléculas pequeñas con carga eléctrica poseen una baja permeabilidad en las membranas celulares; en consecuencia, sustancias como los carbohidratos, aminoácidos y ciertos iones no difunden a través de la membrana y requieren mecanismos especiales para su paso. -
Transporte activo:
El transporte activo requiere un gasto de energía para transportar la molécula de un lado al otro de la membrana, pero el transporte activo es el único que puede
transportar moléculas contra un gradiente de concentración, al igual que la difusión facilitada el transporte activo esta limitado por el numero de proteínas transportadoras presentes. Son de interés dos grandes categorías de transporte activo, primario y secundario. El transporte activo primario usa energía (generalmente obtenida de la hidrólisis de ATP), a nivel de la misma proteína de membrana produciendo un cambio conformacional que resulta en el transporte de una molécula a través de la proteína. El ejemplo mas conocido es la bomba de Na+/K+. La bomba de Na+/K+ realiza un contratransporte("antyport") transporta K+ al interior de la célula y Na+ al exterior de la misma, al mismo tiempo, gastando en el proceso ATP. El transporte activo secundario utiliza la energía para establecer un gradiente a través de la membrana celular, y luego utiliza ese gradiente para transportar una molécula de interés contra su gradiente de concentración. Un ejemplo de ese mecanismo es el siguiente: Escherichia coli establece un gradiente de protones (H+) entre ambos lados de la membrana utilizando energía para bombear protones hacia afuera de la célula. Luego estos protones se acoplan a la lactosa (un azúcar que sirve de nutriente al microorganismo) a nivel de la lactosa-permeasa (otra proteína de transmembrana), la lactosa permeasa usa la energía del protón moviéndose a favor de su gradiente de concentración para transportar la lactosa dentro de la célula. Este transporte acoplado en la misma dirección a través de la membrana celular se denomina cotransporte ("symport"). Escherichia coli utiliza este tipo de mecanismo para transportar otros azucares tales como ribosa y arabinosa, como así también numerosos aminoácidos.
- Ósmosis: es el paso de solvente a través de la membrana para igualar concentraciones. Cuando dos soluciones de diferente concentración se encuentran separadas por una membrana semipermeable que permite el paso de agua (solvente) pero no de solutos (electrolitos, sustancias no electrolíticas y coloidales); se observa que el agua tiende a pasar a través de la membrana, hacia las soluciones más concentradas con el fin de diluirla e igualar las concentraciones. La fuerza que hace posible el paso del solvente es la presión osmótica, que es la presión ejercida por los solutos y hace posible el paso del agua.
LA HOMEOSTASIS "Homeostasis" es un término griego que alude a la tendencia de tu cuerpo a mantener el equilibrio fisiológico compensando su química. Si quieres estar sano, tu sangre debe ser alcalina en vez de ácida. 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. Algunas de las causas de este cambio de ph en los fluidos corporales son los siguientes: 1.Ingesta excesiva de hidratos de carbono refinados como la harina blanca y el azúcar. 2.Ingesta deficiente de frutas y verduras. 3.Ingesta de alimentos incompatibles como lo es la combinación de proteínas y féculas. 4.Consumo excesivo de carne. 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, artritis, osteoporosis, náuseas, vómitos, dolores en el pecho, gastritis, úlceras, estreñimiento, fatiga, rigidez muscular e irritabilidad entre otras. La alimentación debe ser balanceada, una buena práctica es la planificación de los menús; con paciencia se logra todo. Incluya en su menú de todos los días: frutas incluyendo las cítricas, verduras y carne, además de otros alimentos de su agrado, pero recuerde, no ingiera muchos hidratos de carbono refinados ni muchas grasas.
Su organismo le avisará cuando las cosas andan mal: Cuando sienta acidez, cuando después de una 1/2 hora usted esté repitiendo la comida, cuando sienta mareos, dolor de cabeza, pesadez postpandrial, etc. Coma zanahorias, frutas crudas (bien lavadas).Tome jugo de naranja sólo después de haber ingerido un alimento sólido. No tome jugo de piña antes del almuerzo, no tome ni coma parchita ni tamarindo, evite por todos los medios ingerir chocolates.
INTERACCIONES DE VAN DER. WALLS En la adsorción física, las moléculas del gas se mantienen unidas a la superficie del sólido por medio de las fuerzas de Van der Walls relativamente débiles. En la quimisorción, se produce una reacción química en la superficie del sólido, y el gas se mantiene unido a la misma a través de enlaces químicos relativamente fuertes." por fuerzas de van der Walls, o puentes de hidrogeno, que son todas uniones lábiles, osea que fácilmente se pueden romper.
LOS COMPARTIMENTOS LIQUIDOS DEL CUERPO: LÍQUIDOS EXTRACELULARES E INTRACELULARES Y TRANSTORNOS RELACIONADOS Equilibrio Fisiológico en el intercambio del medio físico y el cuerpo humano Las concentraciones de solutos se mantienen normalmente en equilibrio constante en condiciones de equilibrio dinámico, en base al intercambio existente entre e l organismo y el medio externo. El Agua que ingresa al organismo procede de dos fuentes principales. La ingerida en forma de Líquidos ó formando parte de alimentos que en total supone normalmente unos 2100mL/día
La que se obtiene con la oxidación de carbohidratos y lípidos l que representa unos 200mL/día
El agua egresa del organismo por varios procesos normales: Pérdidas hídricas insensibles, se llaman así por que resulta difícil su regulación exacta, y consiste en evaporación a través de la vía aérea y por difusión a través de la piel lo que representa unos 700mL/díA
El sudor es muy variable y depende del grado de ejercicio físico realizado, normalmente es de 100mL/día pero en un día cálido ó en situaciones de ejercicio intenso el sudor puede alcanzar hasta 1-2 Litros /hora
La pérdida de agua en heces fecales incluye sólo 100mL/día, pero puede aumentar a varios litros con la diarrea intensa.
La pérdida de agua por los riñones en forma de orina, es tan variable como el grado de hidratación de un individuo de características normales, desde 0.5L/día hasta 20L/día lo que nos deduce el valor del Riñón en la conservación de líquidos
Compartimentos Líquidos del cuerpo En total los líquidos corporales están distribuidos en dos grandes compartimentos: El Líquido extracelular y el Liquido Intracelular. Hay otro pequeño compartimento de liquido que se conoce como líquido transcelular, y que comprende a líquidos de los espacios sinovial, peritoneal, pericárdico e intraocular, así como el líquido cefalorraquídeo. En un adulto normal de 70 Kg de peso la cantidad total de agua representada por término medio es el 60% del peso corporal, lo que representa unos 42Lt de agua. Liquido Intracelular.
Hay unos 28 a 42Lts de líquido que están dentro de 75 billones de células del cuerpo Así pues, constituye el 40% aproximadamente del peso total del cuerpo en un varón promedio. Líquido extracelular.
En total éste líquido corresponde al 20% del peso corporal total, unos 14Kg en una persona de 70Kg. Los dos mayores compartimentos del líquido extracelular son: Liquido intersticial que supone unas tres cuartas partes de él, 12 Litros aproximadamente.
Líquido plasmático que representa un cuarto del extracelular, o sea, unos 3 Litros
Sangre
La sangre contiene líquido extracelular (el que forma el plasma) y líquido intracelular (alojado en los hematíes). Sin embargo la sangre se considera como un compartimiento de líquido separado por lo que se encuentra alojada en su propia cámara, el aparato circulatorio. El volumen de sangre en adultos normales es en un promedio de un 8% del peso corporal, es decir unos 5 Litros, del cual 60% es plasma y 40% hematíes en condiciones normales.
Liquido Extracelular Plasma
Líquido Intracelular AGUA TOTAL
14 LITROS 3 Litros Líquido 11 intersticial Litros 28 LITROS 42 LITROS
Elementos Integrantes de Líquidos Extracelular e Intracelular Líquido Extracelular.
Como el plasma y los líquidos intersticiales están separados únicamente por membranas capilares que son muy permeables, la composición iónica de ambos es parecida. La diferencia más importante entre uno y otro es la mayor cantidad de proteínas que tiene el plasma, lo que a su ves hace que el plasma contenga una concentración un poco mayor de cationes (proteínas de carga positiva) por efecto de Donan, un 2 % aproximadamente con relación al líquido intersticial. Sin embargo para efectos prácticos se dice que la concentración de iones existentes en ambos compartimentos es la misma. El Líquido extracelular contiene grandes cantidades de iones de Sodio (142mEq) y Cloro (108mEq), cantidades bastante elevadas de Bicarbonato (28mEq) pero sólo pequeñas cantidades de Potasio (4mEq), Calcio (10mEq), Magnesio (2mEq), Fosfatos (4mEq) y ácidos orgánicos La composición de líquido extracelular está regulada por varios mecanismos, pero especialmente por los Riñones.
PLASMA
INTERSTICIAL
INTRACELULAR
mEq/Lt 142 4.2 4.5 2 100 24 4 0.5 1.2 1.2 4 282.0
mEq/Lt 139 4.0 4.8 2 100 28 4 0.5 1.2 0.2 4 281.0
mEq/Lt 14 140 0 20 4 10 11 1 1.5 4 4 281.0
ION Na+ K+ Ca++ Mg+ ClHCO3HPO4-, H2PO4 SO4 Lactato Proteínas Urea mEq Totales Líquido Intracelular.
El líquido intracelular está separado del líquido extracelular por una membrana celular selectiva que es muy permeable al agua pero no al a mayor parte de los electrolitos del cuerpo. A diferencia del Líquido Extracelular, el líquido intracelular sólo contiene pequeñas cantidades del ión Sodio (14mEq) y de Cloro (4mEq) y casi nadad e iones de calcio; en cambio tiene altas concentraciones de potasio (140mEq) y de fósforo (11mEq), además de cantidades moderadas de iones de sulfato y magnesio.
Osmolaridad
La ósmosis es la difusión final de agua desde una zona de gran concentración de agua a otra con menor concentración de agua. La magnitud exacta de presión que se necesita para impedir la ósmosis se llama presión osmótica. El Sodio y el Cloro son en el 80% responsables de la Osmolaridad del líquido extracelular , mientras los iones de Potasio son responsables de casi la mitad de la Osmolaridad en el líquido intracelular. Trastornos Relacionados. Déficit de agua (Depleción de Volumen) El déficit de agua puede deberse a disminución de la ingesta o por pérdidas poco comunes, las cuales incluyen:
Pérdidas gastrointestinales (vómitos, diarrea, ileostomía) Secuestro de Líquidos (quemadura, obstrucción intestinal, peritonitis) Pérdida de líquidos por trastornos renales (diabetes Insípida, Diuresis osmótica.
Los primeros signos son sed, piel enrojecida y laxa, ojos hundidos y mucosas secas, hipotensión, taquicardia y oliguria. La deshidratación origina aumento de valores séricos de Sodio y proteínas así como de Urea y creatinina. Para su tratamiento puede administrarse agua con electrolitos ó sin ellos. Si sólo se necesita agua puede darse solución de dextrosa al 2.5 ó al 5% IV; así si la función renal es normal, 2000 a 3000 ml de agua diarios (1,500 ml/m2 de superficie corporal). Con frecuencia se requieren electrolitos (Na+) para poder reponer las pérdidas y para conservar la circulación adecuada y la diuresis, de hecho, en pacientes con una disminución de volumen importante puede causar hipotensión, por lo que en esto casos debe administrarse NACl al 0.9% incluso en presencia de hipernatremia leve. Exceso de agua El exceso de agua ó síndrome de dilución, produce una expansión de Liquido extra e intracelular con la disminución correspondiente de la concentración de solutos. La eliminación disminuida de agua puede producir éste este exceso:
IR Crónica ó Aguda Síndrome nefrótico Insuficiencia Cardiaca congestiva Hipertensión portal con ascitis
Se diagnostica de manera aguda por cefaleas, nauseas, vómitos, cólicos abdominales, debilidad, estupor, convulsiones y coma. Cuando la instalación es de modo crónico, los pacientes sólo se presentan con edema importante ó anasarca, dependiendo de la
severidad del cuadro. La expansión excesiva de volumen extracelular es capaz de provocar Insuficiencia cardiaca congestiva y edema pulmonar. El tratamiento básico corresponde a una restricción de agua, valorando la necesidad de una solución salina para restituir un déficit de sodio. Las complicaciones cardiopulmonares pueden evitarse añadiendo un diurético de asa y restituyendo la pérdida urinaria de Na+ y Cl-. Hiponatremia La disminución de la concentración de sodio puede deberse a la perdida de cloruro de sodio como en la pérdida de volumen con la medicación intensa de diuréticos; a la adición de un exceso de agua en el líquido extracelular especialmente en pacientes renales los cuales mediante la hormona antidiurética retine grandes cantidades de agua y en padecimientos dónde la hormona citada se encuentra alterada. En ocasiones también se produce hiponatremia al restituir déficit de volemia únicamente con agua, sin contemplar los electrolitos. Se dice que existe hiponatremia cuando se encuentra una concentración sérica de 130 mEq/Lt . Los síntomas de hiponatremia varían, pero se relacionan de modo primario las alteraciones del sistema nerviosos central como delirio, mareo y letargia que progresan a coma y convulsiones. Estos síntomas pueden coexistir con aquellos causados por depleción concurrente de volumen, debilidad y mareo, hipotensión ortostática, taquicardia, mucosas secas, turgencia pobre de la piel, oliguria y sed. La hiponatremia con hipovolemia es prevenible procediendo a recuperar el volumen perdido con soluciones isotónicas, como son la sol fisiológica con NaCl ó la de Ringer lactato. Las soluciones hipertónicas rara vez son empleadas para tratar ésta forma de hiponatremia. En la hipovolemia por retención de agua se restringe el consumo de sal y agua, por sí misma la restricción de líquidos es suficiente, ya que las pérdidas insensibles son capaces de corregir el problema con un mínimo cambio en las concentraciones de sodio. En algunas ocasiones el empleo de diuréticos es útil. En los pacientes con daño renal agudo el procedimiento de diálisis puede corregir la hiponatremia. La hiponatremia sin alteraciones de la volemia por lo general depende importantemente de los niveles de hormona antidiurética en sangre, así como del uso de diuréticos sin apoyo en las concentraciones de potasio. Así que se tratan según la causa subyacente, bloqueando ó disminuyendo los valores de hormona ó corrigiendo el déficit del ión referido.
Hipernatremia La hipernatremia se caracteriza por mediciones mayores a 150 mEq/Lt en plasma del ión sodio. Las causas del aumento de la concentración de sodio pueden deberse a perdida excesiva de agua durante fiebre, quemaduras, ingesta inadecuada de agua, deshidratación, problemas a nivel renal u otras enfermedades como la diabetes insípida, consumo excesivo de sodio, ó por procedimiento de diálisis empleando solución hipertónica.
Dentro de los signos y síntomas se encuentran la sed, pérdida de peso, letargia, enrojecimiento de la piel y aspecto deshidratado. Puede haber taquicardia, hipotensión y oliguria. La fiebre, confusión, delirio, hiperpnea y coma son manifestaciones de hipernatremia grave. Las pautas del tratamiento incluyen restitución inmediata de agua en condiciones de hipovolemia con sol isotónica en un principio para continuar con dextrosa al 5% restituyendo únicamente agua libre. Si se sospecha de hiponatremia al restituir los volúmenes de agua puede emplearse soluciones hipotónicas de reemplazo. Hipocalemia ó Hiperpotasemia Se diagnostica hipocalemia cuando se encuentran cifras menores a 3.5 mEq/Lt en plasma. La hipocalemia es consecuencia inmediata de la disminución en la ingesta del ión como en el caso de la desnutrición y alcoholismo ó como consecuencia de algún síndrome de mala absorción. Es común en la práctica médica que se provoque disminución del potasio con el empleo de diuréticos, pero algunas otras terapéuticas como con Insulina, y beta bloqueadores así como en el estado de alcalosis el déficit puede hacerse evidente. Los vómitos constantes y de larga evolución así como la aspiración prolongada del estomago también pueden provocar hipocalemia. Los pacientes suelen quejarse de debilidad de músculos la cual puede llegar a parálisis fláccida, hiporreflexia, parestesias y nicturia. Puede originarse íleo paralítico por déficit importante del ión. Debe tenerse en cuenta que en pacientes digitalizados el déficit de potasio puede causar intoxicación por el antiarrítmico. Electrocardiográficamente las deficiencias del ión pueden presentarse en forma de depresiones de la onda T, prolongación del intervalo QT, ondas U y hundimientos del segmento ST. El tratamiento depende de la patología subyacente y encuentra desde la conducta expectante como la que se da al corregir la alcalosis, hasta la administración oral ó IV de sales de potasio. La restitución de potasio IV no debe exceder los 40 mEq/Lt y deberá administrarse en una vena periférica, no central, en caso de IRC se debe tomar en cuenta evitar una sobredosificación del ión. Algunos casos de hipocalemia resistente a tratamiento IV de potasio pueden ser resueltos mediante la administración concomitante de magnesio.
Hipercalemia ó Hiperpotasemia La causa más común de Hipercalemia (potasio sérico mayor a 5 mEq/Lt) es una eliminación alterada durante la enfermedad renal crónica. En el estado acidótico la célula en s intento por volver a la homeostasis intercambia con el medio extracelular iones hidrógeno por potasio, lo que resulta en una liberación de potasio del espacio intracelular. Los síntomas son raros, pero pueden presentarse problemas neuromusculares como debilidad y parálisis, sabor metálico en la boca, diarrea y distensión abdominal.
Electrocardiográficamente el aumento de potasio se relaciona con elevación de las ondas T, en forma de pico, complejos anchos y aplanamiento de las ondas P; en casos extremos puede provocar fibrilación ventricular y pro cardiaco. El tratamiento de la acidosis debe ser prioritario en pacientes con Hipercalemia que cursan con Ph bajo. Así por regla si el Ph se incrementa en 0.1 esto suele producir un descenso del Potasio de 0.6 mEq/Lt. En ocasiones el uso de Bicarbonato de sodio para éste fin es necesario por la gravedad de los síntomas. Cuando los datos electrocardiográficos lo ameritan, la aplicación de 1 a 2 ampolletas de gluconato de calcio en 10 minutos puede contrarrestar los efectos del potasio a nivel cardiaco. Como se mencionó anteriormente la insulina favorece la entrada de potasio al a célula, es así que una Hipercalemia se puede tratar mediante 1 a 2 ml de solución glucosada al 10 - 50% por Kg de peso con 10 U de insulina. Puede utilizarse alguna resina de intercambio de potasio como Kayexalato por vía oral o como enema de retención tres veces al día hasta normalizar las cifras de potasio. Es indudable que el apoyo dialítico es vital para pacientes con insuficiencia renal.
Hipocalcemia La Hipocalcemia (concentración menor a 8 mg/dl en plasma) puede ser resultado de un descenso en el consumo ó la absorción de calcio, como en la deficiencia de Vitamina D y los síndromes de mala absorción, insuficiencia renal, tratamiento con diuréticos, hipomagnesemia ó hiperfosfatemia. Las manifestaciones de Hipocalcemia son las mismas independientemente de la causa. La Hipocalcemia afecta la función neuromuscular produciendo calambres musculares y tetania, convulsiones, estridor y disnea, diplopia, cólicos abdominales. Suelen ser positivos los signos de Trousseau y Chvostek. En los niños son comunes la falta de crecimiento y el retardo mental. En el ECG puede prolongarse el segmento QT y provocar desaparición de la onda T. El tratamiento definitivo depende de la enfermedad primaria que haya causado la disminución de ión, en casos de tetania importante pueden emplearse gluconato de calcio IV 1 a 3 ampolletas por venoclisis en 8 hrs. Puede ser necesaria la aplicación de Vitamina D para apoyo en la absorción de suplementos de calcio por vía oral. La hipocalcemia suele acompañarse de una elevación importante de fósforo, por lo que es necesario corregir éste ión antes mediante glucosa e insulina, ya que de otro modo puede provocarse calcificación metastásica.
Hipercalcemia El aumento del calcio sérico puede ser consecuencia a un aumento de la ingestión y absorción como ocurre con exceso de Vitaminas D y A, a trastornos endocrinos como hiperparatiroidismo, enfermedades neoplásicas y algunas otras causas menos comunes como la administración de tiazidas ó sarcoidosis. La Hipercalcemia es capaz de causar depresión del sistema nervioso central, estupor, somnolencia, debilidad y coma conforme se eleva las cifras de calcio sérico por arriba de 11mg/dL. En los casos crónicos puede manifestarse en forma de poliuria, deshidratación, sed y azoemia.
Cualquier concentración mayor de 12 mg/dl requiere de tratamiento inmediato. La primer medida es incrementar el volumen a través de solución salina isotónica e incrementar la excreción del ión por orina, especialmente si se acompaña de algún diurético como la furosemide. El tratamiento de sostén se basa en el incremento de depósito de calcio en el tejido óseo, lo que se puede lograr con algunos medicamentos como la Mitramicina, Indometacina ó calcitonina.
Osmolaridad La osmolaridad es la medida usada por farmacéuticos y médicos para expresar la concentración total ( medida en osmoles/litro en vez de en moles/litro como se hace en química) de sustancias en disoluciones usadas en medicina. El prefijo "osmo-" indica la posible variación de la presión osmótica en las células, que se producirá al introducir la disolución en el organismo. La osmolaridad normal de los fluidos corporales es de 300 miliosmoles por litro de solución (0,3 osmoles, similar a una solución al 0,9 % de NaCl). Una solución o disolución de NaCl 0.1M nos daría 0.1 moles de Na+ y 0.1 moles de Clpor litro, siendo su osmolaridad 0.2. Si se inyecta esa disolución a un paciente sus células absorberían agua hasta que se alcanzase el equilibrio, provocando una variación en la presión sanguínea. osmolaridad sanguínea (mOsm/L) = 2 Na+ + K+ + Glucemia (mg/dl)/18 + BUN (mg/dl)/2,8 En la osmolalidad (véase que es diferente a osmolaridad), la concentración queda expresada como osmoles por kilogramo de agua.
Célula.
Una célula (del latín cellula , diminutivo de cellam , celda, cuarto pequeño) es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento de menor tamaño que puede considerarse vivo.1 De este modo, puede clasificarse a los organismos vivos según el número que posean: si sólo tienen una, se les denomina unicelulares (como pueden ser los protozoos o las bacterias, organismos microscópicos); si poseen más, se les llama pluricelulares . En estos últimos el número de células es variable: de unos pocos cientos, como en algunos nematodos, a cientos de billones (1014), como en el caso del ser humano. Las células suelen poseer un tamaño de 10 µm y una masa de 1 ng, si bien existen células mucho mayores. La teoría celular , propuesta en 1839 por Matthias Jakob Schleiden y Theodor Schwann, postula que todos los organismos están compuestos por células, y que todas las células derivan de otras precedentes. De este modo, todas las funciones vitales emanan de la maquinaria celular y de la interacción entre células adyacentes; además, la tenencia de la información genética, base de la herencia, en su ADN permite la transmisión de aquélla de generación en generación. 2 La aparición del primer organismo vivo sobre la Tierra suele asociarse al nacimiento de la primera célula. Si bien existen muchas hipótesis que especulan cómo ocurrió, usualmente se describe que el proceso se inició gracias a la transformación de moléculas inorgánicas en orgánicas bajo unas condiciones ambientales adecuadas; tras esto, dichas biomoléculas se asociaron dando lugar a entes complejos capaces de autorreplicarse. Existen posibles evidencias fósiles de estructuras celulares en rocas datadas en torno a 4 o 3,5 miles de millones de años (giga-años o Ga.). 3 4 Las evidencias de la presencia de vida basadas en desviaciones de proporciones isotópicas son anteriores (cinturón supracortical de Isua, 3,85 Ga.).[a] Existen dos grandes tipos celulares: las procariotas (que comprenden las células de arqueas y bacterias) y las eucariotas (divididas tradicionalmente en animales y vegetales, si bien se incluyen además hongos y protistas, que también tienen células con propiedades características).
Historia y teoría celular La historia de la biología celular ha estado ligada al desarrollo tecnológico que pudiera sustentar su estudio. De este modo, el primer acercamiento a su morfología se inicia con la popularización del microscopios rudimentarios de lentes compuestas en el siglo XVII, se suplementa con diversas técnicas histológicas para microscopía óptica en los siglos XIX y XX y alcanza un mayor nivel resolutivo mediante los estudios de microscopía electrónica, de fluorescencia y confocal, entre otros, ya en el siglo XX. El
desarrollo de herramientas moleculares, basadas en el manejo de ácidos nucleicos y enzimas permitieron un análisis más exhaustivo a lo largo del siglo XX.5
Descubrimiento
Robert Hooke, quien acuñó el término «célula». Las primeras aproximaciones al estudio de la célula surgieron en el siglo XVII;6 tras el desarrollo a finales del siglo XVI de los primeros microscopios. 7 Éstos permitieron realizar numerosas observaciones, que condujeron en apenas doscientos años a un conocimiento morfológico relativamente aceptable. A continuación se enumera una breve cronología de tales descubrimientos: •
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1665: Robert Hooke publicó los resultados de sus observaciones sobre tejidos vegetales, como el corcho, realizadas con un microscopio de 50 aumentos construido por él mismo. Este investigador fue el primero que, al ver en esos tejidos unidades que se repetían a modo de celdillas de un panal, las bautizó como elementos de repetición, «células» (del latín cellulae , celdillas). Pero Hooke sólo pudo observar células muertas por lo que no pudo describir las estructuras de su interior. 8 Década de 1670: Anton Van Leeuwenhoek, observó diversas células eucariotas (como protozoos y espermatozoides) y procariotas (bacterias). 1745: John Needham describió la presencia de «animálculos» o «infusorios»; se trataba de organismos unicelulares.
Dibujo de la estructura del corcho observado por Robert Hooke bajo su microscopio y tal como aparece publicado en Micrographia . •
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Década de 1830: Theodor Schwann estudió la célula animal; junto con Matthias Schleiden postularon que las células son las unidades elementales en la formación de las plantas y animales, y que son la base fundamental del proceso vital. 1831: Robert Brown describió el núcleo celular . 1839: Purkinje observó el citoplasma celular. 1850: Rudolf Virchow postuló que todas las células provienen de otras células. 1857: Kölliker identificó las mitocondrias. 1860: Pasteur realizó multitud de estudios sobre el metabolismo de levaduras y sobre la asepsia. 1880: August Weismann descubrió que las células actuales comparten similitud estructural y molecular con células de tiempos remotos. 1931: Ernst Ruska construyó el primer microscopio electrónico de transmisión en la Universidad de Berlín. Cuatro años más tarde, obtuvo un poder de resolución doble a la del microscopio óptico. 1981: Lynn Margulis publica su hipótesis sobre la endosimbiosis serial, que explica el origen de la célula eucariota. 9
Teoría celular Artículo principal: Teoría celular
El concepto de célula como unidad anatómica y funcional de los organismos surgió entre los años 1830 y 1880, aunque fue en el siglo XVII cuando Robert Hooke describió por vez primera la existencia de las mismas, al observar en una preparación vegetal la presencia de una estructura organizada que derivaba de la arquitectura de las paredes celulares vegetales. En 1830 se disponía ya de microscopios con una óptica más avanzada, lo que permitió a investigadores como Theodor Schwann y Matthias Schleiden definir los postulados de la teoría celular , la cual afirma, entre otras cosas:
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Que la célula es una unidad morfológica de todo ser vivo: es decir, que en los seres vivos todo está formado por células o por sus productos de secreción. Este primer postulado sería completado por Rudolf Virchow con la afirmación Omnis cellula ex cellula , la cual indica que toda célula deriva de una célula precedente (biogénesis). En otras palabras, este postulado constituye la refutación de la teoría de generación espontánea o ex novo, que hipotetizaba la posibilidad de que se generara vida a partir de elementos inanimados. 10 Un tercer postulado de la teoría celular indica que las funciones vitales de los organismos ocurren dentro de las células, o en su entorno inmediato, y son controladas por sustancias que ellas secretan. Cada célula es un sistema abierto, que intercambia materia y energía con su medio. En una célula ocurren todas las funciones vitales, de manera que basta una sola de ellas para tener un ser vivo (que será un ser vivo unicelular). Así pues, la célula es la unidad fisiológica de la vida. Finalmente, el cuarto postulado de la teoría celular expresa que cada célula contiene toda la información hereditaria necesaria para el control de su propio ciclo y del desarrollo y el funcionamiento de un organismo de su especie, así como para la transmisión de esa información a la siguiente generación celular. 11
Definición Por tanto, podemos definir a la célula como la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento de menor tamaño que puede considerarse vivo. Como tal posee una membrana de fosfolípidos con permeabilidad selectiva que mantiene un medio interno altamente ordenado y diferenciado del medio externo en cuanto a su composición, sujeta a control homeostático, la cual consiste en biomoléculas y algunos metales y electrolitos. La estructura se automantiene activamente mediante el metabolismo, asegurándose la coordinación de todos los elementos celulares y su perpetuación por replicación a través de un genoma codificado por ácidos nucleicos. La parte de la biología que se ocupa de ella es la citología.
Características Las células, como sistemas termodinámicos complejos, poseen una serie de elementos estructurales y funcionales comunes que posibilitan su supervivencia; no obstante, los distintos tipos celulares presentan modificaciones de estas características comunes que permiten su especialización funcional y, por ello, la ganancia de complejidad.12 De este modo, las células permanecen altamente organizadas a costa de incrementar la entropía del entorno, uno de los requisitos de la vida.13
Características estructurales
La existencia de polímeros como la celulosa en la pared vegetal permite sustentar la estructura celular empleando un armazón externo. •
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Individualidad: Todas las células están rodeadas de una envoltura (que puede ser una bicapa lipídica desnuda, en células animales; una pared de polisacárido, en hongos y vegetales; una membrana externa y otros elementos que definen una pared compleja, en bacterias Gram negativas; una pared de peptidoglicano , en bacterias Gram positivas; o una pared de variada composición, en arqueas)6 que las separa y comunica con el exterior, que controla los movimientos celulares y que mantiene el potencial de membrana. Contienen un medio interno acuoso, el citosol, que forma la mayor parte del volumen celular y en el que están inmersos los orgánulos celulares. Poseen material genético en forma de ADN, el material hereditario de los genes y que contiene las instrucciones para el funcionamiento celular, así como ARN, a fin de que el primero se exprese. 14 Tienen enzimas y otras proteínas, que sustentan, junto con otras biomoléculas, un metabolismo activo.
Características funcionales
Las enzimas, un tipo de proteínas implicadas en el metabolismo celular. Las células vivas son un sistema bioquímico complejo. Las características que permiten diferenciar las células de los sistemas químicos no vivos son: •
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Nutrición. Las células toman sustancias del medio, las transforman de una forma a otra, liberan energía y eliminan productos de desecho, mediante el metabolismo. Crecimiento y multiplicación . Las células son capaces de dirigir su propia síntesis. A consecuencia de los procesos nutricionales, una célula crece y se
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divide, formando dos células, en una célula idéntica a la célula original, mediante la división celular . Diferenciación . Muchas células pueden sufrir cambios de forma o función en un proceso llamado diferenciación celular . Cuando una célula se diferencia, se forman algunas sustancias o estructuras que no estaban previamente formadas y otras que lo estaban dejan de formarse. La diferenciación es a menudo parte del ciclo celular en que las células forman estructuras especializadas relacionadas con la reproducción, la dispersión o la supervivencia. Señalización. Las células responden a estímulos químicos y físicos tanto del medio externo como de su interior y, en el caso de células móviles, hacia determinados estímulos ambientales o en dirección opuesta mediante un proceso que se denomina síntesis. Además, frecuentemente las células pueden interaccionar o comunicar con otras células, generalmente por medio de señales o mensajeros químicos, como hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento... en seres pluricelulares en complicados procesos de comunicación celular y transducción de señales. Evolución. A diferencia de las estructuras inanimadas, los organismos unicelulares y pluricelulares evolucionan. Esto significa que hay cambios hereditarios (que ocurren a baja frecuencia en todas las células de modo regular) que pueden influir en la adaptación global de la célula o del organismo superior de modo positivo o negativo. El resultado de la evolución es la selección de aquellos organismos mejor adaptados a vivir en un medio particular.
Las propiedades celulares no tienen por qué ser constantes a lo largo del desarrollo de un organismo: evidentemente, el patrón de expresión de los genes varía en respuesta a estímulos externos, además de factores endógenos. 15 Un aspecto importante a controlar es la pluripotencialidad , característica de algunas células que les permite dirigir su desarrollo hacia un abanico de posibles tipos celulares. En metazoos, la genética subyacente a la determinación del destino de una célula consiste en la expresión de determinados factores de transcripción específicos del linaje celular al cual va a pertenecer, así como a modificaciones epigenéticas. Además, la introducción de otro tipo de factores de transcripción mediante ingeniería genética en células somáticas basta para inducir la mencionada pluripotencialidad, luego éste es uno de sus fundamentos moleculares. 16
Tamaño, forma y función
Comparativa de tamaño entre neutrófilos, células sanguíneas eucariotas (de mayor tamaño), y bacterias Bacillus anthracis, procariotas (de menor tamaño, con forma de bastón). El tamaño y la forma de las células depende de sus elementos más periféricos (por ejemplo, la pared, si la hubiere) y de su andamiaje interno (es decir, el citoesqueleto). Además, la competencia por el espacio tisular provoca una morfología característica:
por ejemplo, las células vegetales, poliédricas in vivo, tienden a ser esféricas in vitro.17 Incluso pueden existir parámetros químicos sencillos, como los gradientes de concentración de una sal, que determinen la aparición de una forma compleja. 18 En cuanto al tamaño, la mayoría de las células son microscópicas, es decir, no son observables a simple vista. A pesar de ser muy pequeñas (un milímetro cúbico de sangre puede contener unos cinco millones de células), 12 el tamaño de las células es extremadamente variable. La célula más pequeña observada, en condiciones normales, corresponde a Mycoplasma genitalium, de 0,2 μm, encontrándose cerca del límite teórico de 0,17 μm. 19 Existen bacterias con 1 y 2 μm de longitud. Las células humanas son muy variables: hematíes de 7 micras, hepatocitos con 20 micras, espermatozoides de 53 μm, óvulos de 150 μm e, incluso, algunas neuronas de en torno a un metro. En las células vegetales los granos de polen pueden llegar a medir de 200 a 300 μm y algunos huevos de aves pueden alcanzar entre 1 (codorniz) y 7 cm (avestruz) de diámetro. Para la viabilidad de la célula y su correcto funcionamiento siempre se debe tener en cuenta la relación superficie-volumen.13 Puede aumentar considerablemente el volumen de la célula y no así su superficie de intercambio de membrana lo que dificultaría el nivel y regulación de los intercambios de sustancias vitales para la célula. Respecto de su forma, las células presentan una gran variabilidad, e, incluso, algunas no la poseen bien definida o permanente. Pueden ser: fusiformes (forma de huso), estrelladas, prismáticas, aplanadas, elípticas, globosas o redondeadas, etc. Algunas tienen una pared rígida y otras no, lo que les permite deformar la membrana y emitir prolongaciones citoplasmáticas (pseudópodos) para desplazarse o conseguir alimento. Hay células libres que no muestran esas estructuras de desplazamiento pero poseen cilios o flagelos, que son estructuras derivadas de un orgánulo celular (el centrosoma) que dota a estas células de movimiento. 1 De este modo, existen multitud de tipos celulares, relacionados con la función que desempeñan; por ejemplo: • •
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Células contráctiles que suelen ser alargadas, como las fibras musculares. Células con finas prolongaciones, como las neuronas que transmiten el impulso nervioso. Células con microvellosidades o con pliegues, como las del intestino para ampliar la superficie de contacto y de intercambio de sustancias. Células cúbicas, prismáticas o aplanadas como las epiteliales que recubren superficies como las losas de un pavimento.
Estudio de las células Los biólogos utilizan diversos instrumentos para lograr el conocimiento de las células. Obtienen información de sus formas, tamaños y componentes, que les sirve para comprender además las funciones que en ellas se realizan. Desde las primeras observaciones de células, hace más de 300 años, hasta la época actual, las técnicas y los aparatos se han ido perfeccionando, originándose una rama más de la Biología: la Microscopía. Dado el pequeño tamaño de la gran mayoría de las células, el uso del microscopio es de enorme valor en la investigación biológica. En la actualidad, los biólogos utilizan dos tipos básicos de microscopio: los ópticos y los electrónicos.
La célula procariota Artículo principal: Célula procariota
Las células procariotas son pequeñas y menos complejas que las eucariotas. Contienen ribosomas pero carecen de sistemas de endomembranas (esto es,
orgánulos delimitados por membranas biológicas, como puede ser el núcleo celular ). Por ello poseen el material genético en el citosol. Sin embargo, existen excepciones: algunas bacterias fotosintéticas poseen sistemas de membranas internos. 20 También en el Filo Planctomycetes existen organismos como Pirellula que rodean su material genético mediante una membrana intracitoplasmática y Gemmata obscuriglobus que lo rodea con doble membrana. Ésta última posee además otros compartimentos internos de membrana, posiblemente conectados con la membrana externa del nucleoide y con la membrana nuclear, que no posee peptidoglucano. 21 22 23 Por lo general podría decirse que los procariotas carecen de citoesqueleto. Sin embargo se ha observado que algunas bacterias, como Bacillus subtilis, poseen proteínas tales como MreB y mbl que actúan de un modo similar a la actina y son importantes en la morfología celular. 24 Fusinita van den Ent, en Nature, va más allá, afirmando que los citoesqueletos de actina y tubulina tienen origen procariótico.25 De gran diversidad, los procariotas sustentan un metabolismo extraordinariamente complejo, en algunos casos exclusivo de ciertos taxa, como algunos grupos de bacterias, lo que incide en su versatilidad ecológica.10 Los procariotas se clasifican, según Carl Woese, en arqueas y bacterias.26
Arqueas Artículo principal: Arquea
Estructura bioquímica de la membrana de arqueas (arriba) comparada con la de bacterias y eucariotas (en medio): nótese la presencia de enlaces éter (2) en sustitución de los tipo éster (6) en los fosfolípidos. Las arqueas poseen un diámetro celular comprendido entre 0,1 y 15 μm, aunque las formas filamentosas pueden ser mayores por agregación de células. Presentan multitud de formas distintas: incluso las hay descritas cuadradas y planas. 27 Algunas arqueas tienen flagelos y son móviles. Las arqueas, al igual que las bacterias, no tienen membranas internas que delimiten orgánulos. Como todos los organismos presentan ribosomas, pero a diferencia de los encontrados en las bacterias que son sensibles a ciertos agentes antimicrobianos, los de las arqueas, más cercanos a los eucariotas, no lo son. La membrana celular tiene una estructura similar a la de las demás células, pero su composición química es única, con enlaces tipo éter en sus lípidos. 28 Casi todas las arqueas poseen una pared celular (algunos Thermoplasma son la excepción) de composición característica, por ejemplo, no contienen peptidoglicano (mureína), propio de bacterias. No obstante pueden clasificarse bajo la tinción de Gram, de vital importancia en la taxonomía de
bacterias; sin embargo, en arqueas, poseedoras de una estructura de pared en absoluto común a la bacteriana, dicha tinción es aplicable pero carece de valor taxonómico. El orden Methanobacteriales tiene una capa de pseudomureína, que provoca que dichas arqueas respondan como positivas a la t inción de Gram. 29 30 31 Como en casi todos los procariotas, las células de las arqueas carecen de núcleo, y presentan un sólo cromosoma circular. Existen elementos extracromosómicos, tales como plásmidos. Sus genomas son de pequeño tamaño, sobre 2-4 millones de pares de bases. También es característica la presencia de ARN polimerasas de constitución compleja y un gran número de nucleótidos modificados en los ácidos ribonucleicos ribosomales. Por otra parte, su ADN se empaqueta en forma de nucleosomas, como en los eucariotas, gracias a proteínas semejantes a las histonas y algunos genes poseen intrones.32 Pueden reproducirse por fisión binaria o múltiple, fragmentación o gemación.
Bacterias Artículo principal: Bacteria
Estructura de la célula procariota. Las bacterias son organismos relativamente sencillos, de dimensiones muy reducidas, de apenas unas micras en la mayoría de los casos. Como otros procariotas, carecen de un núcleo delimitado por una membrana, aunque presentan un nucleoide, una estructura elemental que contiene una gran molécula generalmente circular de ADN.33 14 Carecen de núcleo celular y demás orgánulos delimitados por membranas biológicas. 34 En el citoplasma se pueden apreciar plásmidos, pequeñas moléculas circulares de ADN que coexisten con el nucleoide y que contienen genes: son comúnmente usados por las bacterias en la parasexualidad (reproducción sexual bacteriana). El citoplasma también contiene ribosomas y diversos tipos de gránulos. En algunos casos, puede haber estructuras compuestas por membranas, generalmente relacionadas con la fotosíntesis.6 Poseen una membrana celular compuesta de lípidos, en forma de una bicapa y sobre ella se encuentra una cubierta en la que existe un polisacárido complejo denominado peptidoglicano ; dependiendo de su estructura y subsecuente su respuesta a la tinción de Gram, se clasifica a las bacterias en Gram positivas y Gram negativas. El espacio comprendido entre la membrana celular y la pared celular (o la membrana externa, si
ésta existe) se denomina espacio periplásmico. Algunas bacterias presentan una cápsula. Otras son capaces de generar endosporas (estadios latentes capaces de resistir condiciones extremas) en algún momento de su ciclo vital. Entre las formaciones exteriores propias de la célula bacteriana destacan los flagelos (de estructura completamente distinta a la de los flagelos eucariotas) y los pili (estructuras de adherencia y relacionadas con la parasexualidad). 6 La mayoría de las bacterias disponen de un único cromosoma circular y suelen poseer elementos genéticos adicionales, como distintos tipos de plásmidos. Su reproducción, binaria y muy eficiente en el tiempo, permite la rápida expansión de sus poblaciones, generándose un gran número de células que son virtualmente clones, esto es, idénticas entre sí. 32
La célula eucariota Artículo principal: Célula eucariota
Las células eucariotas son el exponente de la complejidad celular actual. 12 Presentan una estructura básica relativamente estable caracterizada por la presencia de distintos tipos de orgánulos intracitoplasmáticos especializados, entre los cuales destaca el núcleo, que alberga el material genético. Especialmente en los organismos pluricelulares, las células pueden alcanzar un alto grado de especialización. Dicha especialización o diferenciación es tal que, en algunos casos, compromete la propia viabilidad del tipo celular en aislamiento. Asi, por ejemplo, las neuronas dependen para su supervivencia de las células gliales.10 Por otro lado, la estructura de la célula varía dependiendo de la situación taxonómica del ser vivo: de este modo, las células vegetales difieren de las animales, así como de las de los hongos. Por ejemplo, las células animales carecen de pared celular, son muy variables, no tiene plastos, puede tener vacuolas pero no son muy grandes y presentan centríolos (que son agregados de microtúbulos cilíndricos que contribuyen a la formación de los cilios y los flagelos y facilitan la división celular ). Las células de los vegetales, por su lado, presentan una pared celular compuesta principalmente de celulosa), disponen de plastos como cloroplastos (orgánulo capaz de realizar la fotosíntesis), cromoplastos (orgánulos que acumulan pigmentos) o leucoplastos (orgánulos que acumulan el almidón fabricado en la fotosíntesis), poseen vacuolas de gran tamaño que acumulan sustancias de reserva o de desecho producidas por la célula y finalmente cuentan también con plasmodesmos, que son conexiones citoplasmáticas que permiten la circulación directa de las sustancias del citoplasma de una célula a otra, con continuidad de sus membranas plasmáticas. 35
Diagrama de una célula animal, a la izquierda (1. Nucléolo, 2. Núcleo, 3. Ribosoma, 4. Vesícula, 5. Retículo endoplasmático rugoso, 6. Aparato de Golgi, 7. Citoesqueleto (microtúbulos), 8. Retículo endoplasmático liso, 9. Mitocondria, 10. Vacuola, 11. Citoplasma, 12. Lisosoma. 13. Centríolos.); y de una célula vegetal, a la derecha.
Compartimentos Las células son entes dinámicos, con un metabolismo celular interno de gran actividad cuya estructura es un flujo entre rutas anastomosadas. Un fenómeno observado en todos los tipos celulares es la compartimentalización, que consiste en una heterogeneidad que da lugar a entornos más o menos definidos (rodeados o no mediante membranas biológicas) en las cuales existe un microentorno que aglutina a los elementos implicados en una ruta biológica. 36 Esta compartimentalización alcanza su máximo exponente en las células eucariotas, las cuales están formadas por diferentes estructuras y orgánulos que desarrollan funciones específicas, lo que supone un método de especialización espacial y temporal. 1 No obstante, células más sencillas, como los procariotas, ya poseen especializaciones semejantes. 37
Membrana plasmática y superficie celular Artículo principal: Membrana plasmática
La composición de la membrana plasmática varía entre células dependiendo de la función o del tejido en la que se encuentre, pero posee elementos comunes. Está compuesta por una doble capa de fosfolípidos, por proteínas unidas no covalentemente a esa bicapa, y por glúcidos unidos covalentemente a lípidos o proteínas. Generalmente, las moléculas más numerosas son las de lípidos; sin embargo, la proteínas, debido a su mayor masa molecular , representan aproximadamente el 50% de la masa de la membrana. 36 Un modelo que explica el funcionamiento de la membrana plasmática es el modelo del mosaico fluido, de J. S. Singer y Garth Nicolson (1972), que desarrolla un concepto de unidad termodinámica basada en las interacciones hidrófobas entre moléculas y otro tipo de enlaces no covalentes. 38
Esquema de una membrana celular . Se observa la bicapa de fosfolípidos, las proteínas y otras moléculas asociadas que permiten las funciones inherentes a este orgánulo. Dicha estructura de membrana sustenta un complejo mecanismo de transporte, que posibilita un fluido intercambio de masa y energía entre el entorno intracelular y el externo.36 Además, la posibilidad de transporte e interacción entre moléculas de células aledañas o de una célula con su entorno faculta a éstas poder comunicarse químicamente, esto es, permite la señalización celular . Neurotransmisores, hormonas, mediadores químicos locales afectan a células concretas modificando el patrón de expresión génica mediante mecanismos de transducción de señal.39 Sobre la bicapa lipídica, independientemente de la presencia o no de una pared celular, existe una matriz que puede variar, de poco conspicua, como en los epitelios, a muy extensa, como en el tejido conjuntivo. Dicha matriz, denominada glucocalix (glicocáliz), rica en líquido tisular , glucoproteínas, proteoglicanos y fibras, también interviene en la generación de estructuras y funciones emergentes, derivadas de las interacciones célula-célula. 10
Estructura y expresión génica Artículo principal: Expresión génica
El ADN y sus distintos niveles de empaquetamiento. Las células eucariotas poseen su material genético en, generalmente, un sólo núcleo celular , delimitado por una envoltura consistente en dos bicapas lipídicas atravesadas por numerosos poros nucleares y en continuidad con el retículo endoplasmático. En su interior, se encuentra el material genético, el ADN, observable, en las células en interfase, como cromatina de distribución heterogénea. A esta cromatina se encuentran asociadas multitud de proteínas, entre las cuales destacan las histonas, así como ARN, otro ácido nucleico.40 Dicho material genético se encuentra inmerso en una actividad continua de regulación de la expresión génica; las ARN polimerasas transcriben ARN mensajero continuamente, que, exportado al citosol, es traducido a proteína, de acuerdo a las
necesidades fisiológicas. Asimismo, dependiendo del momento del ciclo celular , dicho ADN puede entrar en replicación, como paso previo a la mitosis.32 No obstante, las células eucarióticas poseen material genético extranuclear: concretamente, en mitocondrias y plastos, si los hubiere; estos orgánulos conservan una independencia genética parcial del genoma nuclear. 41 42
Síntesis y degradación de macromoléculas Dentro del citosol, esto es, la matriz acuosa que alberga a los orgánulos y demás estructuras celulares, se encuentran inmersos multitud de tipos de maquinaria de metabolismo celular: orgánulos, inclusiones, elementos del citoesqueleto, enzimas... De hecho, estas últimas corresponden al 20% de las enzimas totales de la célula. 10
Estructura de los ribosomas; 1,: subunidad mayor, 2: subunidad menor.
Imagen de un núcleo, el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi; 1, Núcleo. 2, Poro nuclear.3, Retículo endoplasmático rugoso (REr).4, Retículo endoplasmático liso (REl). 5, Ribosoma en el RE rugoso. 6, Proteínas siendo transportadas.7, Vesícula (transporte). 8, Aparato de Golgi. 9, Lado cis del aparato de Golgi.10, Lado trans del aparato de Golgi.11, Cisternas del aparato de Golgi. •
Ribosoma: Los ribosomas, visibles al microscopio electrónico como partículas esféricas,43 son complejos supramoleculares encargados de ensamblar proteínas a partir de la información genética que les llega del ADN transcrita en forma de ARN mensajero. Elaborados en el núcleo, desempeñan su función de síntesis de proteínas en el citoplasma. Están formados por ARN ribosómico y por diversos tipos de proteínas. Estructuralmente, tienen dos subunidades. En las células, estos orgánulos aparecen en diferentes estados de disociación. Cuando están completos, pueden estar aislados o formando grupos
(polisomas). También pueden aparecer asociados al retículo endoplasmático rugoso o a la envoltura nuclear. 32 •
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Retículo endoplasmático: El retículo endoplasmático es orgánulo vesicular interconectado que forma cisternas, tubos aplanados y sáculos comunicados entre sí. Intervienen en funciones relacionadas con la síntesis proteica, glicosilación de proteínas, metabolismo de lípidos y algunos esteroides, detoxificación, así como el tráfico de vesículas. En células especializadas, como las miofibrillas o células musculares, se diferencia en el retículo sarcoplásmico, orgánulo decisivo para que se produzca la contracción muscular .12 Aparato de Golgi: El aparato de Golgi es un orgánulo formado por apilamientos de sáculos denominados dictiosomas, si bien, como ente dinámico, éstos pueden interpretarse como estructuras puntuales fruto de la coalescencia de vesículas.44 45 Recibe las vesículas del retículo endoplasmático rugoso que han de seguir siendo procesadas. Dentro de las funciones que posee el aparato de Golgi se encuentran la glicosilación de proteínas, selección, destinación, glicosilación de lípidos y la síntesis de polisacáridos de la matriz extracelular. Posee tres compartimientos; uno proximal al retículo endoplasmático, denominado «compartimento cis», donde se produce la fosforilación de las manosas de las enzimas que han de dirigirse al lisosoma; el «compartimento intermedio», con abundantes manosidasas y N-acetil-glucosamina transferasas; y el «compartimento o red trans», el más distal, donde se transfieren residuos de galactosa y ácido siálico, y del que emergen las vesículas con los diversos destinos celulares. 10 Lisosoma: Los lisosomas son orgánulos que albergan multitud de enzimas hidrolíticas. De morfología muy variable, no se ha demostrado su existencia en células vegetales. 10 Una característica que agrupa a todos los lisosomas es la posesión de hidrolasas ácidas: proteasas, nucleasas, glucosidasas, lisozima, arilsulfatasas, lipasas, fosfolipasas y fosfatasas. Procede de la fusión de vesículas procedentes del aparato de Golgi, que, a su vez, se fusionan en un tipo de orgánulo denominado endosoma temprano, el cual, al acidificarse y ganar en enzimas hidrolíticos, pasa a convertirse en el lisosoma funcional. Sus funciones abarcan desde la degradación de macromoléculas endógenas o procedentes de la fagocitosis a la intervención en procesos de apoptosis.46
La vacuola regula el estado de turgencia de la célula vegetal. •
Vacuola vegetal: Las vacuolas vegetales, numerosas y pequeñas en células meristemáticas y escasas y grandes en células diferenciadas, son orgánulos exclusivos de los representantes del mundo vegetal. Inmersas en el citosol, están delimitadas por el tonoplasto, una membrana lipídica. Sus funciones son: facilitar el intercambio con el medio externo, mantener la turgencia celular, la digestión celular y la acumulación de sustancias de reserva y subproductos del metabolismo. 35
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Inclusión citoplasmática: Las inclusiones son acúmulos nunca delimitados por membrana de sustancias de diversa índole, tanto en células vegetales como animales. Típicamente se trata de sustancias de reserva que se conservan como acervo metabólico: almidón, glucógeno, triglicéridos, proteínas... aunque también existen de pigmentos.10
Conversión energética El metabolismo celular está basado en la transformación de unas sustancias químicas, denominadas metabolitos, en otras; dichas reacciones químicas transcurren catalizadas mediante enzimas. Si bien buena parte del metabolismo sucede en el citosol, como la glucólisis, existen procesos específicos de orgánulos. 39
Modelo de una mitocondria: 1, membrana interna; 2, membrana externa; 3, cresta mitocondrial; 4, matriz mitocondrial. •
Mitocondria: Las mitocondrias son orgánulos de aspecto, número y tamaño variable que intervienen en el ciclo de Krebs, fosforilación oxidativa y en la cadena de transporte de electrones de la respiración. Presentan una doble membrana, externa e interna, que dejan entre ellas un espacio perimitocondrial; la membrana interna, plegada en crestas hacia el interior de la matriz mitocondrial, posee una gran superficie. En su interior posee generalmente una sola molécula de ADN, el genoma mitocondrial, típicamente circular, así como ribosomas más semejantes a los bacterianos que a los eucariotas.10 Según la teoría endosimbiótica, se asume que la primera protomitocondria era un tipo de proteobacteria.47
Estructura de un cloroplasto. •
Cloroplasto: Los cloroplastos son los orgánulos celulares que en los organismos eucariotas fotosintéticos se ocupan de la fotosíntesis. Están limitados por una envoltura formada por dos membranas concéntricas y contienen vesículas, los tilacoides, donde se encuentran organizados los pigmentos y demás moléculas implicadas en la conversión de la energía luminosa en energía química. Además de esta función, los plastidios
intervienen en el metabolismo intermedio, produciendo energía y poder reductor, sintetizando bases púricas y pirimidínicas , algunos aminoácidos y todos los ácidos grasos. Además, en su interior es común la acumulación de sustancias de reserva, como el almidón.10 Se considera que poseen analogía con las cianobacterias.48
Modelo de la estructura de un peroxisoma. •
Peroxisoma: Los peroxisomas son orgánulos muy comunes en forma de vesículas que contienen abundantes enzimas de tipo oxidasa y catalasa; de tan abundantes, es común que cristalicen en su interior. Estas enzimas cumplen funciones de detoxificación celular. Otras funciones de los peroxisomas son: las oxidaciones flavínicas generales, el catabolismo de las purinas, la betaoxidación de los ácidos grasos, el ciclo del glioxilato, el metabolismo del ácido glicólico y la detoxificación en general. 10 Se forman de vesículas procedentes del retículo endoplasmático. 49
Citoesqueleto Artículo principal: Citoesqueleto
Las células poseen un andamiaje que permite el mantenimiento de su forma y estructura, pero más aún, éste es un sistema dinámico que interactúa con el resto de componentes celulares generando un alto grado de orden interno. Dicho andamiaje está formado por una serie de proteínas que se agrupan dando lugar a estructuras filamentosas que, mediante otras proteínas, interactúan entre ellas dando lugar a una especie de retículo. El mencionado andamiaje recibe el nombre de citoesqueleto, y sus elementos mayoritarios son: los microtúbulos, los microfilamentos y los filamentos intermedios. 1 [b] •
Microfilamentos: Los microfilamentos o filamentos de actina están formados por una proteína globular, la actina, que puede polimerizar dando lugar a estructuras filiformes. Dicha actina se expresa en todas las células del cuerpo y especialmente en las musculares ya que está implicada en la contracción muscular , por interacción con la miosina. Además, posee lugares de unión a ATP, lo que dota a sus filamentos de polaridad. 50 Puede encontrarse en forma libre o polimerizarse en microfilamentos, que son esenciales para funciones celulares tan importantes como la movilidad y la contracción de la célula durante la división celular. 44
Citoesqueleto eucariota: microfilamentos en rojo, microtúbulos en verde y núcleo en azul. •
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Microtúbulos: Los microtúbulos son estructuras tubulares de 25 nm de diámetro exterior y unos 12 nm de diámetro interior, con longitudes que varían entre unos pocos nanómetros a micrómetros, que se originan en los centros organizadores de microtúbulos y que se extienden a lo largo de todo el citoplasma. Se hallan en las células eucariotas y están formadas por la polimerización de un dímero de dos proteínas globulares, la alfa y la beta tubulina. Las tubulinas poseen capacidad de unir GTP.44 1 Los microtúbulos intervienen en diversos procesos celulares que involucran desplazamiento de vesículas de secreción, movimiento de orgánulos, transporte intracelular de sustancias, así como en la división celular ( mitosis y meiosis) y que, junto con los microfilamentos y los filamentos intermedios, forman el citoesqueleto. Además, constituyen la estructura interna de los cilios y los flagelos.44 1 Filamentos intermedios : Los filamentos intermedios son componentes del citoesqueleto. Formados por agrupaciones de proteínas fibrosas, su nombre deriva de su diámetro, de 10 nm, menor que el de los microtúbulos, de 24 nm, pero mayor que el de los microfilamentos, de 7 nm. Son ubicuos en las células animales, y no existen en plantas ni hongos. Forman un grupo heterogéneo, clasificado en cinco familias: las queratinas, en células epiteliales; los neurofilamentos, en neuronas; los gliofilamentos, en células gliales; la desmina, en músculo liso y estriado; y la vimentina, en células derivadas del mesénquima.10
Micrografía al microscopio electrónico de barrido mostrando la superficie de células ciliadas del epitelio de los bronquiolos. •
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Centríolos: Los centríolos son una pareja de estructuras que forman parte del citoesqueleto de células animales. Semejantes a cilindros huecos, están rodeados de un material proteico denso llamado material pericentriolar ; todos ellos forman el centrosoma o centro organizador de microtúbulos que permiten la polimerización de microtúbulos de dímeros de tubulina que forman parte del citoesqueleto. Los centríolos se posicionan perpendicularmente entre sí. Sus funciones son participar en la mitosis, durante la cual generan el huso acromático, y e n l a citocinesis,51 así como, se postula, intervenir en la nucleación de microtúbulos. 52 53 Cilios y flagelos: Se trata de especializaciones de la superficie celular con motilidad; con una estructura basada en agrupaciones de microtúbulos, ambos se diferencian en la mayor longitud y menor número de los flagelos, y en la mayor variabilidad de la estructura molecular de estos últimos. 10
Ciclo vital Artículo principal: Ciclo celular
Diagrama del ciclo celular: la intefase, en naranja, alberga a las fases G 0, S y G1; la fase M, en cambio, únicamente consta de la mitosis y citocinesis, si la hubiere. El ciclo celular es el proceso ordenado y repetitivo en el tiempo mediante el cual una célula madre crece y se divide en dos células hijas. Las células que no se están dividiendo se encuentran en una fase conocida como G 0, paralela al ciclo. La regulación del ciclo celular es esencial para el correcto funcionamiento de las células sanas, está claramente estructurado en fases 44 •
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El estado de no división o interfase. La célula realiza sus funciones específicas y, si está destinada a avanzar a la división celular, comienza por realizar la duplicación de su ADN. El estado de división, llamado fase M, situación que comprende la mitosis y citocinesis. En algunas células la citocinesis no se produce, obteniéndose como resultado de la división una masa celular plurinucleada denominada plasmodio. [c]
A diferencia de lo que sucede en la mitosis, donde la dotación genética se mantiene, existe una variante de la división celular, propia de las células de la línea germinal, denominada meiosis. En ella, se reduce la dotación genética diploide, común a todas las células somáticas del organismo, a una haploide, esto es, con una sola copia del
genoma. De este modo, la fusión, durante la fecundación, de dos gametos haploides procedentes de dos parentales distintos da como resultado un zigoto, un nuevo individuo, diploide, equivalente en dotación genética a sus padres. 54 •
La interfase consta de tres estadios claramente definidos. 44 1 Fase G1: es la primera fase del ciclo celular, en la que existe crecimiento celular con síntesis de proteínas y de ARN. Es el período que trascurre entre el fin de una mitosis y el inicio de la síntesis de ADN. En él la célula dobla su tamaño y masa debido a la continua síntesis de todos sus componentes, como resultado de la expresión de los genes que codifican las proteínas responsables de su fenotipo particular. Fase S: es la segunda fase del ciclo, en la que se produce la replicación o síntesis del ADN. Como resultado cada cromosoma se duplica y queda formado por dos cromátidas idénticas. Con la duplicación del ADN, el núcleo contiene el doble de proteínas nucleares y de ADN que al principio. Fase G2: es la segunda fase de crecimiento del ciclo celular en la que continúa la síntesis de proteínas y ARN. Al final de este período se observa al microscopio cambios en la estructura celular, que indican el principio de la división celular. Termina cuando los cromosomas empiezan a condensarse al inicio de la mitosis. La fase M es la fase de la división celular en la cual una célula progenitora se divide en dos células hijas hijas idénticas entre sí y a la madre. Esta fase incluye la mitosis, a su vez dividida en: profase, metafase, anafase, telofase; y la citocinesis, que se inicia ya en la telofase mitótica. o
o
o
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La incorrecta regulación del ciclo celular puede conducir a la aparición de células precancerígenas que, si no son inducidas al suicidio mediante apoptosis, puede dar lugar a la aparición de cáncer . Los fallos conducentes a dicha desregulación están relacionados con la genética celular: lo más común son las alteraciones en oncogenes, genes supresores de tumores y genes de reparación del ADN.55
Origen La aparición de la vida, y, por ello, de la célula, probablemente se inició gracias a la transformación de moléculas inorgánicas en orgánicas bajo unas condiciones ambientales adecuadas, produciéndose más adelante la interacción de estas biomoléculas generando entes de mayor complejidad. El experimento de Miller y Urey, realizado en 1953, demostró que una mezcla de compuestos orgánicos sencillos puede transformarse en algunos aminoácidos, glúcidos y lípidos (componentes todos ellos de la materia viva) bajo unas condiciones ambientales que simulan las presentes hipotéticamente en la Tierra primigenia (en torno al eón Arcaico).56 Se postula que dichos componentes orgánicos se agruparon generando estructuras complejas, los coacervados de Oparin, aún acelulares que, en cuanto alcanzaron la capacidad de autoorganizarse y perpetuarse, dieron lugar a un tipo de célula primitiva, el progenote de Carl Woese, antecesor de los tipos celulares actuales. 26 Una vez se diversificó este grupo celular, dando lugar a las variantes procariotas, arqueas y bacterias, pudieron aparecer nuevos tipos de células, más complejos, por endosimbiosis , esto es, captación permanente de unos tipos celulares en otros sin una pérdida total de autonomía de aquéllos. 57 De este modo, algunos autores describen un modelo en el cual la primera célula eucariota surgió por introducción de una arquea en el interior de una bacteria, dando lugar esta primera a un primitivo núcleo celular. 58 No
obstante, la imposibilidad de que una bacteria pueda efectuar una fagocitosis y, por ello, captar a otro tipo de célula, dio lugar a otra hipótesis, que sugiere que fue una célula denominada cronocito la que fagocitó a una bacteria y a una arquea, dando lugar al primer organismo eucariota. De este modo, y mediante un análisis de secuencias a nivel genómico de organismos modelo eucariotas, se ha conseguido describir a este cronocito original como un organismo con citoesqueleto y membrana plasmática, lo cual sustenta su capacidad fagocítica, y cuyo material genético era el ARN, lo que puede explicar, si la arquea fagocitada lo poseía en el ADN, la separación espacial en los eucariotas actuales entre la transcripción (nuclear), y la traducción (citoplasmática).59 Una dificultad adicional es el hecho de que no se han encontrado organismos eucariotas primitivamente amitocondriados como exige la hipótesis endosimbionte. Además, el equipo de María Rivera, de la Universidad de California, comparando genomas completos de todos los dominios de la vida ha encontrado evidencias de que los eucariotas contienen dos genomas diferentes, uno más semejante a bacterias y otro a arqueas, apuntando en este último caso semejanzas a los metanógenos, en particular en el caso de las histonas.60 61 Esto llevó a Bill Martin y Miklós Müller a plantear la hipótesis de que la célula eucariota surgiera no por endosimbiosis, sino por fusión quimérica y acoplamiento metabólico de un metanógeno y una α-proteobacteria simbiontes a través del hidrógeno (hipótesis del hidrógeno).62 Esta hipótesis atrae hoy en día posiciones muy encotradas, con detractores como Christian de Duve.63 Harold Morowitz, un físico de la Universidad Yale, ha calculado que las probabilidades de obtener la bacteria viva más sencilla mediante cambios al azar es de 1 sobre 1 seguido por 100.000.000.000 de ceros. “Este número es tan grande —dijo Robert Shapiro— que para escribirlo en forma convencional necesitaríamos varios centenares de miles de libros en blanco.” Presenta la acusación de que los científicos que han abrazado la evolución química de la vida pasan por alto la evidencia aumentante y “han optado por aceptarla como verdad que no puede ser cuestionada, consagrándola así como mitología”.
Potencial de membrana Hay potenciales eléctricos en todas las membranas de todas las células del cuerpo; algunas células como las nerviosas y las musculares, son excitables, es decir capaces de auto generar impulsos electroquímicos en sus membranas. En mayor parte de los casos estos impulsos sirven para transmitir señales a lo largo de la membrana. En otros tipos de células, como las glandulares, macrófagos y células ciliadas, es probable que ocurran alteraciones de otro tipo en el potencial de la membrana y esos cambios desempeñan una función significativa en el control de muchas funciones celulares. Cuando la concentración de potasio es muy alta dentro de la célula y muy baja fuera de ella a esto se le llama permeabilidad selectiva los iones de potasio
pero a ningunos más. A causa del enorme gradiente de concentración entre el potasio interior y el exterior, los iones de potasio muestran fuerte tendencia a difundirse hacia fuera. Al difundirse se llevan consigo cargas positivas hacia el exterior generando un estado de electropositividad fuera de l a membrana y de electronegatividad en el interior debido a los aniones negativos que no se difunden al exterior junto con el potasio. Esta nueva diferencia de potencial rechaza los iones positivos de potasio en dirección retrograda desde el exterior hacia el interior. En 1 mseg poco más o menos, el cambio de potencial alcanza la suficiente intensidad para bloquear además la difusión neta de iones de potasio al exterior a pesar de elevado gradiente de concentración. En los troncos nerviosos del mamífero normal la diferencia de potencial que se requiere se aproxima a 94 milivoltios (mV) y en el interior de la membrana es negativo. Cuando hay una concentración muy baja de iones de sodio fuera de la membrana y una concertación muy baja de sodio en el interior. Estos iones también tienen carga positiva y la membrana es muy permeable al sodio e impermeable a otros iones. La difusión de los iones de sodio hacia el interior genera un potencial de membrana ahora de polaridad opuesta; el lado externo es negativo y el lado interno es positivo. Una ves mas los milisegundos el potencial de membrana se eleva lo suficiente para bloquear la difusión neta de iones de sodio hacia el interior; sin embargo, en esta ocasión el potencial delos troncos nerviosos de mamíferos se aproxima a 61mV y el interior de la fibra es positivo. Esta es la diferencia de concentración de iones a través de una membrana con permeabilidad selectiva puede generar un potencial de membrana en condiciones apropiadas.
Concentración iónica El potencial de membrana de una fibra nerviosa gruesa se aproxima a 90 mV cuando no transmite señales. Esto es, el potencial del interior de la fibra es 90 mV más negativo que el del liquido intersticial, en el exterior de la fibra. La bomba de sodio-potasio esta impulsando continuamente sodio al exterior y potasio al interior salen mas cargas positivas que las que entran la célula (tres iones de sodio al exterior por cada dos iones de potasio al interior) y de ese modo se genera un déficit neto de iones positivos en el interior, lo que equivales a producir una carga negativa en el interior de la membrana celular. Esta bomba de sodio-potasio también genera los enormes gradientes de concentración d estos iones a través de la membrana del nervio en reposo. Estos gradientes de concertación son los siguientes: Na+ (exterior) __________142 meq/L Na+ (interior) __________ 14 meq/L
K+ (exterior) __________4 meq/L K+ (interior) __________ 140 meq/L La relación de ambos iones respecto a sus concentraciones externa e interna es: Na+ interior / Na+ exterior = 0.1 K+ interior/ K+ exterior = 35.0 Una Cation es un átomo que pierde un electrón y forma un ion de carga positiva y un Anion es un átomo que gana un electrón y forma uno de carga negativa
Factores Determinantes Permeabilidad selectiva de la membrana. Si colocamos entre dos compartimentos una membrana biológica, la cual sea permeable sólo a los iones K y se agrega una solución de KCl en uno de los compartimentos, los iones K comenzarán a moverse siguiendo su gradiente de concentración. Como los iones Cl no pueden atravesar la membrana, ésta se carga negativamente de ese lado y positivamente del otro. Como los iones potasio al quedar del lado positivo se sienten rechazados por esta carga tender n a regresar al compartimiento inicial, se dice que se mueve en contra de su gradiente eléctrico. Resumiendo: El movimiento de los iones es en favor de su gradiente químico y en contra del eléctrico. El movimiento de los iones K continuar hasta equilibrar estas dos fuerzas. Es decir hasta alcanzar el potencial de equilibrio electroquímico para el ion potasio. Si se determina la diferencia de potencial entre estos compartimentos tendrá un valor de -90 mV Si la membrana celular fuera permeable a un solo ion el potencial de membrana en reposo seria igual al potencial de equilibrio para ese ion. Como la membrana es permeable en diferente grado a los iones K, Na y Cl, el valor del potencial se calcula combinando las cifras de los potenciales de equilibrio para dichos iones de acuerdo con la permeabilidad de la membrana a cada uno. Así el K y el Cl para los cuales la membrana es más permeable, contribuyen m s al potencial de membrana que el Na. Es importante saber que en reposo la membrana es 100 veces más permeable al K y al Cl que al Na.
Bombas metabólicas Otro factor que participa en el mantenimiento del potencial de membrana en reposo es la presencia de bombas metabólicas. Una de las bombas que mantiene el gradiente es la de a/K. Bombas como éstas mantienen una diferencia de concentraciones de los iones porque son electrógenas, ya que sacan tres iones sodio e introducen al citoplasma dos iones K.
Él ultimo factor que participa en el potencial de membrana en reposo, pero no por eso el menos importante, es la presencia de proteínas en el citoplasma. Las cuales por ser aniones tan grandes no atraviesan la membrana y contribuyen a mantener la carga negativa del interior.
Potenciales Electroquímicos Los potenciales electroquímicos son los responsables directos que casi todos lo fenómenos eléctricos que tienen lugar en el cuerpo de los animales. Una neurona está polarizada, es decir, tiene una carga eléctrica negativa en el interior de la membrana celular respecto al exterior. Esto se debe a la libre circulación de iones potasio con carga positiva a través de la membrana celular, y al mismo tiempo, a la retención de moléculas grandes con carga negativa dentro de la célula. Los iones de sodio con carga positiva se mantienen en el exterior de la célula mediante un proceso activo. Todas las células tienen esta diferencia de potencial, pero cuando se aplica a una célula nerviosa una corriente estimuladora se produce un suceso único. Primero, los iones de potasio penetran en la célula, reduciendo su carga negativa despolarización. En un cierto momento las propiedades de l a membrana cambian y la célula se hace permeable al sodio, que entra en ella con rapidez y origina una carga neta positiva en el interior de la neurona. Esto se denomina el potencial de acción.
Una vez alcanzado este potencial en una zona de la neurona, éste se propaga a lo largo del axón mediante un intercambio de iones en unos puntos específicos llamados nódulos de Ranvier. La amplitud del potencial de acción es autolimitado, debido a que una concentración elevada de sodio en el interior origina la expulsión de la célula primero de iones potasio, y después de sodio, restableciendo la carga negativa en el interior de la membrana celular, es decir la neurona sé repolariza. El proceso completo dura menos de una milésima de segundo. Después de un breve lapso, llamado periodo refractario, la neurona está en condiciones de repetir este proceso.
Potencial de Accion La contracción sincronizada de todas las células que están acopladas eléctricamente constituyendo el tejido cardíaco, generan la contracción sincrónica de cada una de las cámaras del corazón. La contracción de cada célula está asociada a un potencial de acción. En es estado de reposo, antes iniciarse el potencial de acción, la conductancia para los iones potasio es de 50 a 100 veces mayor que la escape mucho mayor de iones sodio. Esto se debe al escape mucho mayor de iones de potasio en comparación con el de iones de sodio a través de los canales de escape. El inicio del potencial de acción también abre los canales del potasio mediante la compuerta de voltaje; esta apertura empieza una fraccion de milisegundos después de abrirse los canales del sodio. Al final del potencial de acción, el potencial de membrana retorna a su estado negativo y los canales del potasio se cierran de nuevo regresando a su estado original, pero una vez mas solo después de un pequeño retraso. Justo al inicio del potencial de acción, el valor de esta relación aumenta mas de 1000 veces. Por tanto, los iones sodio penetran a la fibra en cantidad mucho mayor que la cantidad de iones de potasio que sale. Esta es la razón de que el potencial de membrana se haga positivo. Los canales del sodio comienzan a inactivarse y al mismo tiempo se abren los canales del potasio de modo que ahora la relación de conductancia se modifica a favor de un aumento en la conductancia al potasio y una reducción de la conductancia del sodio. Esto permite una salida muy rápida de iones potasio, en tanto la entrada de sodio a la fibra es prácticamente nula. Por consiguiente, el potencial de acción retorna de inmediato al nivel basal.
Un umbral para desencadenan el potencial de acción. No habrá potencial desencadena el potencial de acción en tanto la elevación inicial del potencial de membrana no sea lo bastante grande para crear el circulo. Por lo general se requiere una elevación súbita de 15 a 30 mV en el potencial de membrana. Por tanto, al incrementar de modo repentino el potencial de membrana, de -90mV a cerca de -64 mV, en una fibra gruesa casi siempre se genera un potencial de acción de manera súbita. A este nivel de -65mV se le denomina umbral de estimulación. Una corriente procedente de un electrodo, o en el caso que nos ocupa, la onda de excitación procedente del marcapasos, añade cargas positivas al lado intracelular de la membrana reduciendo el potencial de reposo y provocando una lenta despolarización de la membrana. Este comportamiento se representa desde el punto a al b. A medida que el potencial de la membrana V se aproxima al umbral Vu, se abren los canales de iones Na en la membrana permitiendo su paso al interior de la misma. De este modo se consigue un equilibrio entre los iones Na que entran y los iones K que salen para compensar la entrada de carga positiva en el interior provocada por los iones Na. Este proceso tiene lugar de esta manera debido a la existencia de un potencial en la membrana y debido a que hay una mayor concentración de iones Na y K en el exterior y en el interior de la membrana respectivamente. Este proceso no se realiza indefinidamente sino que se alcanza un equilibrio cuando la diferencia de potencial debida al gradiente de concentración es igual al de repulsión debido a la carga a ambos lados de la membrana. Cuando V=Vu entonces los iones Na exceden a los K, esto ocurre en el punto b. Esta entrada neta de carga, hace que la membrana se despolarice más. Esta despolarización es regenerada ya que a medida que aumenta la carga aumenta el potencial positivo lo que hacen que se abran nuevos canales para el Na. Esto produce la rápida subida del PA. A medida que el potencial de membrana Vm se aproxima al potencial de equilibrio de los iones Na la entrada de iones Na a la célula se hace
progresivamente menor haciendo que la tasa de cambio de potencial de haga más lenta. Esto se observa desde el punto c al d. Ahora los canales de iones Na abiertos se inactivan haciendo que el PA disminuya gradualmente restableciendo el potencial de reposo. A este proceso se le denomina proceso de repolarización. El proceso de repolarización se acelera por la apertura de los canales K dependientes del voltaje. Este flujo de salida de iones K elimina carga positiva de la célula
Ley de Baruch del todo o nada En una membrana excitable no hay una dirección definida para que el impulso se propague, si no que el potencial de acción puede viajar en ambas direcciones alejándose del estimulo por todas las ramificaciones de una fibra nerviosa hasta despolarizar toda la membrana en su conjunto. Una ves iniciado u n potencial de acción en cualquier punto de la membrana de una fibra normal, el proceso de despolarización de desplaza sobre toda la membrana si las condiciones son adecuadas o no se desplaza nada en condiciones inadecuadas. A ello se le denomina respuesta del todo o nada.
Formas de conducción nerviosa. Las fibras nerviosas están constituidas por un axón rodeado (fibras mielínicas, de conducción rápida) o no (fibras amielínicas, de conducción lenta) de múltiples capas de membrana celular (mielina) de una célula de Schwann, que se arrolla alrededor del axón. Esta capa mielínica está interrumpida periódicamente en los nódulos de Ranvier, puntos `saltatorios' de los impulsos eléctricos. Fibras nerviosas mielinicas y amielinicas. Un tronco nervioso típico contiene unas pocas fibras nerviosas gruesas que ocupan la mayor parte del área de sección transversal y un numero mucho mayor de fibras delgadas situadas entre las gruesas. Las fibras gruesas son mielinicas y las delgadas amielinicas. El tronco nervioso de grosor promedio contiene casi el doble de fibras amielinicas que mielinicas. El cordón central de la fibra es el axon y la membrana de axon es la verdadera membrana conductora. El centro del axon es la verdadera membrana conductora. El centro del axon esta lleno de citoplasma, un liquido intracelular viscoso. Rodeando el axon se encuentra una vaina de mi elina que suele ser mas gruesa que el propio axon; los nodos de Ranvier interrumpen la capa de mielina de toda su extensión de intervalos de1 a 3 milimetros. Las células de Schwann forman capas de mielina que rodean el axon de la manera siguiente: primero, la membrana de una celula de Swchann envuelve el axon, luego la célula gira muchas veces alrededor del axon dejando tras de sí
muchas capas de membrana elular que contienen una sustancia lipida denominada esfingomielina. Esta sustancia es un excelente aislante que reduce el flujo de ionice a través de la membrana casi 5000 veces.
Conducción saltatoria de nodo en las fibras mielinizadas. Aunque no haya flujo significativo de iones a través de las espesas capas de mielina de las fibras milinizadas los iones aun pueden fluir con gran facilidad a través de los nodos de Ranvier. Por tanto lo potenciales de acción pueden ocurrir solo en los nodos. Así , el potencial de acción se conduce de un nodo a otro, este fenómeno se denomina conducción saltatoria. Esto es, la corriente eléctrica fluye de un nodo a través del liquido extracelular circunvecino y del axoplasma excitando consecutivamente nodos sucesivos. El impulso nervioso salta a lo largo de la fibra; este es el origen del nombre saltatorio.
Excitabilidad Básicamente todo factor que inicie l a difusión de iones de sodio al interior de la célula a traves de la membrana en cantidad sificiente puede desencadenar la abertura automatica y regenrativa de los canales del sodio. Todos lo medio se utilizan en diferentes puntos del cuerpo para despertar potenciales de accion en nervio o en músculo: preción mecanica para excitar terminaciones nerviosas sensoriales en a piel, neurotransmisores químicos para transmitir señales de una neurona a la siguiente en el cerebro y corriente electrica para transmitir señales entre las fibras musculares del corazón y del intestino. La causa de este efecto es la siguiente: los potenciales de acción se inician por abertura de la compuerta de voltaje de los canales del sodio. La corriente negativa del electrodo negativo reduce de inmediato el voltaje fuera de la membrana aproximándolo al potencial negativo del interior de la fibra. Al reducirse el voltaje electrico a través de la membrana, los canales del sodio se activan y se produce un potencial de acción.
Estímulos Forma de interacción entre el ser vivo y el medio, es el agente, condición o energía capaz de provocar una respuesta en un organismo determinado. Los distintos estimulos que originan la despolarizacion celular se han clasificado entres tipos distintos: químicos, mecánicos y eléctricos. se considera un estimulo químico a cualquier sustancia química que, tras la union a un repector situado en la membrana de la neurona, determina la apertura o cierre de canales ionicos, lo cual hara que se establezca la apertura automatica de los canales de sodio que dan a lugar a la aparición de un
potencial de accion. Entre estas sustancias encontramos: acidos, bases, soluciones salinas de elevada concentración etc. Son estimulos mecánicos aquellos que causan las alteaciones en la energia mecanica de la neurona ( como vibración, pinchazo, etc), lo que implica una brusca penetración de sodio que se desencadenara el potencial de accion.
Son estimulos eléctricos los que que cambias la carga electrica de las neuronas, añadiendo cargas positivas o negativas. La corriente electrica inducida de manera artificial mediante la implantación de un par de electrodos intra y extracelulares, conectados a un generador de corriente.
Periodos refractarios Es posible que un estimulo de intensidad suficiente para generar un potencial de accion no o haga cuando se aplica a un segmento de la fibra axon que acaba de sufrir un potencial de accion, diciéndose entonces que esa porcion de la fibra se encuentra en periodo refractario. Existen dos tipos de periodos refractarios.
Periodo refractario absoluto Es aquella fraccion de tiempo, después de iniciarse un potencial de accion, durante la cual ningún estimulo (por muy elevada que sea la magnitud)puede excitar esa porción de fibra. Su duración es variable, dependiendo del tipo de fibra de que se trate. Por tanto este periodo indica el numero máximo de potenciales por unidad de tiempo que puede sufrir un fibra.
Periodo refractario relativo. Es aquella fraccion de tiempo, después de iniciarse un potencial de accion, durante la cual para que se genere un nuevo potencial de accion se requiere que el estimulo aplicado sea de una intesidad elevada. La causa de esta refractariedad es doble.
Curvas de Excitabilidad Representan la relacion existente ente la intensisdad del estimulo electrico aplicado a un nervio y el tiempo que debe aplicarse dicho estimulo para que de a lugar un potencial de accion. Se llama reobase a ala minima intesidad capaz de producir un potencial de accion, siendo la cronaxia el tiempo que es necesario aplicar a un estimulo de intesidad doble a la de reobase apara que este tenga efectos.
INTRODUCIÓN. El funcionamiento de todas las sociedades animales y humanas es posible gracias a la comunicación. Esta consiste en el intercambio de mensajes entre los individuos, (un individuo establece con otro un contacto que le permite transmitirle una información).
Fuera del mundo animal y humano también se producen fenómenos de comunicación. De este modo, algunos aparatos emiten mensajes a otros aparatos; así, un termostato "ordena" al sistema de calefacción que se ponga en marcha cuando baja la temperatura. Y en el interior de los organismos vivos, el cerebro recibe información y transmite instrucciones. Los biólogos han descubierto que la conservación y la reproducción de las células se basan en un intercambio de comunicaciones. El cuerpo de un animal puede contemplarse como una sociedad o ecosistema, cuyos miembros son células, que se organizan en conjuntos cooperativos denominados tejidos, que, a su vez, se asocian formando grandes unidades funcionales denominados órganos. De este modo, podríamos asemejar una célula con un individuo, el cual establece una vida social, necesita comunicarse con otros y relacionarse con su ambiente, respondiendo a distintos estímulos. Así, para que una persona pueda pensar, actuar o, simplemente, existir, las células de su cuerpo deben comunicarse entre sí; comunicación que efectúan poniendo en marcha mensajeros químicos, como las hormonas circulantes y los neurotransmisores. Estos datos permiten adivinar la importancia que posee el estudio de la comunicación intercelular . Para que pueda establecerse "comunicación", deben intervenir en ella los siguientes factores: a) El emisor , que produce o cifra el mensaje, y lo emite. b) El receptor , que lo recibe y descifra. c) El código: conjunto de signos que se combinan mediante ciertas reglas conocidas por el emisor y el receptor. (En el caso concreto de la comunicación intercelular, estaría constituido por aminoácidos, nucleótidos, etc). d) El mensaje: contenido de las informaciones que el emisor envía al receptor. (En nuestro caso, señales químicas, eléctricas...) e) El canal: vía por la cual circula el mensaje. (Así, la circulación sanguínea en la señalización endocrina; como se explicará posteriormente). f) El contexto: situación en que se transmite el mensaje y que contribuye a su significado. El circuito de la comunicación puede representarse con esta figura:
EMISOR
CONTEXTO
MENSAJE !CANAL! CÓDIGO
RECEPTOR
Con este estudio, pretendo poner de manifiesto la existencia de una "verdadera" comunicación a nivel celular. Entre otros objetivos, el trabajo propuesto persigue sentar los principios generales y la base molecular de la comunicación intercelular , así como los principales mecanismos implicados en ésta.
2.- PRINCIPIOS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN INTERCELULAR. La evolución de los organismos pluricelulares ha dependido de la capacidad de las células de comunicarse entre ellas. La comunicación entre las células es necesaria para poder regular su desarrollo y su organización tisular, para controlar su crecimiento y división y para coordinar sus diversas funciones. La importancia y la complejidad de la comunicación intercelular en los animales superiores sugiere que una gran proporción de los genes de estos organismos está dedicada a estos procesos. Las células animales se comunican de tres maneras: (Figura 1) a) Segregan compuestos químicos que actúan como señales para células situadas a una cierta distancia. b) Presentan moléculas señalizadoras , unidas a la membrana plasmática, que influyen sobre las células que establecen contacto físico directo con ellas. c) Forman uniones de tipo gap (uniones de tipo hendidura), que unen directamente los citoplasmas de las células que interaccionan, permitiendo así el intercambio de pequeñas moléculas.
Figura 1. Tres sistemas diferentes de comunicación de las células entre sí. En general, podemos decir que las células de los animales superiores se comunican mediante centenares de tipos de moléculas señal, incluyendo proteínas, pequeños péptidos, aminoácidos, nucleótidos, esteroides, retinoides, derivados de ácidos grasos, e incluso gases disueltos como el óxido nítrico y el monóxido de carbono. Estas moléculas señal son liberadas por l as denominadas células señal (emisoras del mensaje). Sea cual sea la naturaleza de la molécula señal, la célula diana (receptora del mensaje) responde mediante una proteína específica denominada receptor . Éste se une específicamente a la molécula señal y, entonces, inicia una respuesta en la célula diana. Muchas de las moléculas señal extracelulares actúan a concentraciones muy bajas y los receptores que las reconocen, usualmente, se unen a ellas con una elevada afinidad.
En la mayoría de los casos, los receptores son proteínas transmembrana de la superficie de las células diana; cuando se unen a una molécula señal extracelular (un ligando) se vuelven activos, de forma que generan una cascada de señales intracelulares ( transducción de señales), que alteran el comportamiento de la célula. En algunos casos, sin embargo, los receptores están situados en el interior de la célula diana, y el ligando señal entra en la célula para activarlos: estas moléculas señal, por lo tanto, han de ser suficientemente pequeñas e hidrofóbicas para poder difundir a través de la membrana plasmática (Figura 2).
Figura 2. Las moléculas señal extracelulares se unen a receptores de la superficie celular o a receptores intracelulares. La mayoría de las moléculas señal son hidrofílicas, por lo que son incapaces de atravesar directamente la membrana plasmática; en lugar de ello, se unen a receptores de la superficie de la célula, los cuales, a su vez, generan una o varias señales en el interior de la célula diana. Por el contrario, algunas pequeñas moléculas señal difunden a través de la membrana plasmática y se unen a receptores situados en el interior de la célula diana -en el citosol o en el núcleo- (como se observa en la figura). Muchas de estas pequeñas moléculas señal son hidrofóbicas y casi insolubles en soluciones acuosas; por ello, son transportadas a través del torrente sanguíneo y de otros fluidos extracelulares, unidas a proteínas transportadoras, de las que han de disociarse antes de entrar en la célula diana. En este trabajo, nos centraremos fundamentalmente en el estudio de la comunicación entre células animales mediada por señales químicas segregadas (comunicación a distancia). Este énfasis refleja el estado actual de conocimientos sobre el tema: las moléculas segregadas son mucho más fáciles de estudiar que las moléculas unidas a membrana, por lo que conocemos muchos más detalles de su actuación. La comunicación o señalización dependiente de contacto, vía moléculas unidas a membrana, es mucho más difícil de estudiar y por ello mucho peor conocida; pero es de crucial importancia, especialmente, durante el desarrollo y en la respuesta inmune. Primero, trataremos muy brevemente la comunicación que depende del contacto célula-célula a través de las uniones de tipo gap.
3. - UNIONES DE TIPO GAP. Todas las células vivas están limitadas por una membrana plasmática, envoltura delgada que regula de manera selectiva el flujo de nutrientes y de iones que la atraviesa, del interior de la célula al medio externo o en dirección opuesta. Una unión intercelular (o, simplemente, unión celular) es una región reducida de la membrana plasmática, que se ha especializado para establecer el
contacto entre células. Las uniones intercelulares son esenciales para el desarrollo y el funcionamiento normal de todas las formas de vida superiores. El tipo habitual de unión celular es la unión de tipo gap (gap junction), también denominada unión de tipo hendidura, que se encuentra en la mayoría de los tejidos de la práctica totalidad de las especies animales. Las uniones de tipo gap median la comunicación intercelular al permitir el paso de iones inorgánicos y otras pequeñas moléculas hidrosolubles entre los respectivos citoplasmas, acoplando las células tanto eléctrica como metabólicamente. Este acoplamiento celular tiene importantes implicaciones funcionales. Se trata de uniones especializadas célula-célula que pueden formarse entre membranas plasmáticas situadas en estrecho contacto, y que conectan directamente los citoplasmas de las células que unen, a través de estrechos canales llenos de agua. Los canales permiten el intercambio de pequeñas moléculas señal intracelulares ( mediadores intracelulares), como el Ca 2+ y el AMP cíclico, pero no el de macromoléculas como proteínas y ácidos nucleicos. Así pues, las células conectadas por uniones comunicantes o de tipo gap pueden comunicarse entre ellas directamente, sin tener la dificultad de la barrera que supone la presencia de las membranas plasmáticas.
4. - SEÑALIZACIÓN QUÍMICA. Los mecanismos de señalización química dependen de las distancias a las que transmiten la señal: a) En la señalización endocrina , células endocrinas especializadas segregan sus moléculas señal, denominadas hormonas, las cuales viajan a través del torrente circulatorio (en un animal) o de la savia (en una planta), son transportadas a largas distancias y actúan sobre células diana que se hallan ampliamente distribuidas por todo el cuerpo. Las células endocrinas son células señal especializadas que controlan el comportamiento del organismo como un todo. b) En la señalización paracrina , las células segregan moléculas señal que actúan como mediadores químicos locales, los cuales son tan rápidamente captados, destruidos o inmovilizados, que únicamente llegan a actuar sobre las células situadas en el entorno inmediato de la célula que los ha segregado (célula señal). De esta manera, las señales paracrinas solamente afectan a las células diana más cercanas. c) En la señalización sináptica, exclusiva del sistema nervioso, las células segregan, a uniones especializadas llamadas sinapsis químicas, unos mediadores químicos de muy corto alcance denominados neurotransmisores, que sólo actúan sobre la célula diana inmediata (célula postsináptica adyacente). (Figura 3).
En cada caso, la célula diana responde a una señal extracelular particular mediante proteínas específicas (receptores), que unen la molécula señal e inician la respuesta. En las respuestas endocrina, paracrina y sináptica se utilizan muchas moléculas señal y muchos receptores comunes. Las diferencias cruciales entre estos sistemas de comunicación radican en la velocidad y en la selectividad con que las señales son transportadas hasta las células diana.
Figura 3. Tres tipos de señalización mediadas por moléculas segregadas. En las señalizaciones paracrina, sináptica y endocrina se utilizan muchos tipos iguales de moléculas señal. Para un organismo pluricelular, grande y complejo, la comunicación de corto alcance (paracrina) no es suficiente para coordinar el comportamiento de sus células. Por ello, han evolucionado conjuntos de células especializadas en la señalización entre partes del cuerpo muy separadas entre sí. Las más sofisticadas de ellas son las células nerviosas, o neuronas , las cuales típicamente emiten largas prolongaciones ( axones), que entran en contacto con células diana alejadas. Cuando es activada por señales del ambiente o de otras células nerviosas, la neurona envía impulsos eléctricos ( potenciales de acción) a lo largo de su axón; cuando uno de estos impulsos llega al terminal nervioso, en el extremo del axón, estimula al terminal para que segregue una señal química denominada neurotransmisor . El terminal nervioso entra en contacto con su célula diana a través de uniones celulares especiales denominadas sinapsis químicas, las cuales parecen estar diseñadas para asegurar que el neurotransmisor sea liberado sobre la membrana postsináptica de la célula diana, rápida y específicamente. Este proceso se conoce con el nombre de señalización sináptica.
*Las células endocrinas y las células nerviosas están especializadas en diferentes tipos de señalización química. En la figura 4, se contrastan los diferentes sistemas a través de los cuales las células endocrinas y las células nerviosas coordinan el comportamiento celular en los animales.
Figura 4. Diferencia entre la señalización endocrina (A) y la sináptica (B). Las células endocrinas y las células nerviosas actúan conjuntamente coordinando las diversas actividades de los miles de millones mi llones de células de un animal superior. Las células endocrinas segregan a la circulación muchos tipos diferentes de hormonas, para señalizar células diana específicas. Las células diana tienen receptores que se unen específicamente a determinadas hormonas, de forma que tienen que "atrapar" del líquido extracelular las hormonas adecuadas. En la señalización sináptica, por el contrario, la especificidad reside en los contactos entre las prolongaciones nerviosas y las células nerviosas determinadas que señalizan: habitualmente, sólo la célula diana que se halla en contacto sináptico con la célula nerviosa está expuesta al neurotransmisor, liberado por el terminal nervioso; (a pesar de que algunos neurotransmisores actúan de una manera paracrina como mediadores locales que influyen sobre muchas células diana en una cierta área). Mientras que
diferentes células endocrinas han de utilizar diferentes hormonas para conseguir comunicarse específicamente con sus células diana, muchas células nerviosas pueden utilizar el mismo neurotransmisor y, a pesar de ello, comunicarse también de una forma específica. Dado que la señalización endocrina depende de la difusión y del flujo sanguíneo, es relativamente lenta: normalmente tras la secreción, las hormonas tardan del orden de minutos o incluso de horas en alcanzar la l a célula diana. Además, la especificidad de la señalización del sistema endocrino depende completamente de la naturaleza química de las moléculas señal y de los receptores de las células diana. Las células nerviosas, por el contrario, pueden alcanzar una velocidad y una precisión mucho más elevadas. Pueden transmitir información a grandes distancias mediante impulsos eléctricos, que transportan la señal a lo largo de las prolongaciones nerviosas, a velocidades de hasta 100 metros por segundo. El impulso eléctrico se transforma en señal química local, únicamente, cuando se libera un neurotransmisor en las l as terminaciones nerviosas. Las señales químicas liberadas por las células nerviosas pueden actuar de una forma paracrina o sináptica. Según el sistema paracrino, el neurotransmisor actúa como un mediador químico local, difundiendo hacia el exterior y afectando todas las células del entorno inmediato que tengan receptores para la molécula liberada. La señalización, según el sistema sináptico, es mucho más precisa; ya que los efectos del neurotransmisor quedan confinados a una sola célula diana, aunque las células adyacentes tengan receptores para este mismo neurotransmisor. En este caso, el neurotransmisor difunde no más de 100 nm de la célula diana, un proceso que dura menos de un milisegundo. Otra diferencia entre la transmisión endocrina y la sináptica es que, mientras que las hormonas se diluyen enormemente en la sangre circulante y en el líquido intersticial, por lo que han de poder actuar a concentraciones muy bajas, los neurotransmisores se diluyen mucho menos, pudiendo llegar a alcanzar concentraciones locales altas. Por lo tanto, en la señalización sináptica, los receptores de los neurotransmisores tienen una afinidad relativamente baja para sus ligandos y, como resultado de ello, no responden de forma significativa a las bajas concentraciones de neurotransmisor que llegan a ellos desde las sinapsis vecinas. (Además, los neurotransmisores son rápidamente retirados de la hendidura sináptica, bombeándolos de nuevo hacia el terminal nervioso o hacia células vecinas. Esta rápida eliminación asegura, no sólo la precisión espacial de la comunicación, sino también su precisión temporal. Un breve pulso de neurotransmisor liberado evoca rápidamente una breve respuesta, de forma que el patrón temporal de la señal puede ser transmitido de célula a célula).
*La señalización autocrina puede coordinar decisiones de grupos de células idénticas.
Todas las formas de comunicación que hemos descrito hasta ahora, permiten a un tipo celular influir sobre otro tipo celular. Sin embargo, mediante el mismo mecanismo, las células pueden enviar señales a otras células del mismo tipo, de lo que se deduce que pueden enviarse incluso señales a ellas mismas. En una señalización de este tipo, denominada autocrina, una célula segrega moléculas señal que pueden unirse a receptores de la propia célula. La señalización autocrina es más efectiva cuando se lleva a cabo simultáneamente por varias células vecinas del mismo tipo, por lo que puede utilizarse para estimular a grupos de células idénticas para que tomen las mismas decisiones (Figura 5).
Figura 5. Señalización autocrina. Un grupo de células idénticas produce concentraciones de moléculas señal más elevadas que una célula sola. *Cada célula está programada para responder a combinaciones específicas de moléculas señal. Cualquier célula dada de un organismo pluricelular está expuesta a muchas señales diferentes de su entorno. Éstas pueden actuar en millones de combinaciones posibles. La célula responderá a esta selectividad de babel, de acuerdo con su carácter específico adquirido mediante la progresiva especialización celular, en el curso del desarrollo. Así pues, una célula puede estar programada para responder a un conjunto de señales, diferenciándose; a otro conjunto de señales, proliferando; y a un tercer grupo de señales, desarrollando algunas funciones especializadas. La mayoría de las células de los animales superiores, sin embargo, están programadas para depender de un grupo específico de señales, simplemente para sobrevivir. Cuando son deprivadas de las señales adecuadas, las células inician un programa suicida y se autodestruyen, proceso denominado muerte celular programada. Diferentes tipos de células requieren diferentes conjuntos de señales de supervivencia, y por ello su localización está restringida a diferentes ambientes en el cuerpo (Figura 6).
Figura 6. Señalización combinatoria. Cada tipo de célula presenta un conjunto de receptores, que le permite responder a un conjunto correspondiente de moléculas señal producidas por otras células. Varias de estas moléculas señal actúan de forma combinada, regulando el comportamiento de la célula. Como se muestra en la figura, muchas células requieren múltiples señales (flechas verdes) para sobrevivir y señales adicionales (flechas rojas) para proliferar; si se depriva a las células de todas esas señales, inician un programa de muerte celular. *Diferentes células pueden responder de forma diferente a la misma señal química.
La manera específica en que una célula reacciona con su entorno, varía, en primer lugar, de acuerdo con el conjunto de proteínas receptoras que posee la célula y a través de las que detecta un conjunto particular de todas las señales que le son asequibles y, en segundo lugar, de acuerdo con la maquinaria intracelular a través de la cual la célula integra e interpreta l a información que recibe. Así, a menudo, una misma molécula señal tiene efectos diferentes sobre células diana diferentes.
No siempre las diferencias en la respuesta se deben a diferencias en los receptores. En muchos casos, la misma molécula señal se une a receptores idénticos y produce respuestas muy diferentes en distintos tipos de células diana., lo cual refleja diferencias en la maquinaria enzimática a la que están acoplados los receptores.
5. - ADAPTACIÓN DE LAS CÉLULAS DIANA. Normalmente, cuando las células y los organismos responden a algún estímulo, pueden detectar el mismo porcentaje de variación de la señal en una gama muy amplia de intensidades del estímulo. A nivel celular, esto requiere que las células diana sufran un proceso de adaptación o desensibilización, mediante el cual su respuesta va disminuyendo cuando se halla expuesta a un estímulo durante un período prolongado de tiempo. De esta forma, la célula ajusta de forma reversible su sensibilidad al nivel del estímulo. En el caso de la señalización química, la desensibilización permite a la célula responder a cambios de la concentración de la molécula ligando (en lugar de responder a concentraciones absolutas del ligando) en un amplio margen de concentraciones absolutas. El principio general es sencillo: la adaptación se consigue a través de una retroalimentación negativa que actúa con un cierto retraso. La retroalimentación negativa significa que una respuesta fuerte modifica la maquinaria que produce dicha respuesta, de forma que se inhibe a sí misma; pero gracias al retraso, un cambio repentino del nivel de estímulo es capaz de producir una respuesta intensa durante un período de tiempo corto, antes de que la retroalimentación negativa tenga tiempo de actuar.
La adaptación a señales químicas puede producirse de diferentes formas. En algunos casos, se produce por la disminución progresiva del número de proteínas receptoras específicas de superficie, la cual normalmente se produce en un intervalo de horas. En otros casos se produce por una rápida inactivación de estos receptores, lo cual se produce en cuestión de minutos. En otras ocasiones, es debida a cambios en las proteínas que participan en la transducción de la señal tras la activación de los receptores, los cuales se producen habitualmente a unas escalas de tiempo intermedias.
6.-ENFERMEDADES CAUSADAS POR DEFECTOS EN LA COMUNICACIÓN INTERCELULAR. En Medicina es, a la vez, clínicamente útil e intelectualmente satisfactorio descubrir el mecanismo responsable de la aparición de una enfermedad o grupo de enfermedades de causa desconocida. Recientemente, se ha demostrado que un cierto número de enfermedades humanas, entre ellas afecciones tan diversas como el cólera, hipertiroidismo, miastenia gravis y ciertos tipos de diabetes, surgen como consecuencia de un mecanismo común: un defecto de comunicación intercelular. El trabajo de distintos investigadores ha permitido establecer que la clave del cólera reside en una disfunción de los receptores. W. E. Van Heyningen y colaboradores, de la Universidad de Oxford y de la Facultad de Medicina de la Johns Hopkins, demostraron que la toxina producida por l a bacteria del cólera se unía a receptores de células que recubren el intestino delgado. Dos grupos de la Facultad de Medicina de Harvard establecieron que la toxina de la bacteria del cólera provocaba la secreción de líquido en el intestino delgado, (la célula bombea de 20 a 30 litros de agua hacia la luz del intestino delgado). Puesto que el líquido no puede ser reabsorbido a la misma velocidad, cantidades masivas del mismo se pierden por vómitos o diarrea. Las enormes pérdidas de líquido son la causa del gran número de muertes producidas por el cólera. Nuestro cuerpo es una comunidad de células, en la que cada una ocupa su debido sitio donde realiza las tareas asignadas en beneficio del organismo. Salvo los leucocitos, las células normales permanecen en el tejido del que forman parte. Muy distintas son las células cancerosas , verdaderos pícaros que agreden e invaden otros tejidos. Los 30 billones de células que forman un cuerpo normal y sano, viven en un condominio complejo e interdependiente, en el que unas r egulan la proliferación de otras. Las células normales sólo se reproducen cuando reciben las instrucciones adecuadas que les envían otras células vecinas. Tal colaboración permanente asegura que cada tejido mantenga el tamaño y la arquitectura adecuada a las necesidades del cuerpo. Las células cancerosas vulneran ese esquema de comunicación. Ignoran los controles normales de proliferación y siguen sus propias instrucciones internas de reproducción, lo que puede conllevar a la muerte del organismo.
7. -CONCLUSIONES. En un organismo pluricelular, las células necesitan comunicarse entre sí para coordinar todas sus funciones. Las células animales se comunican mediante tres sistemas: a) Señalización indirecta o remota por moléculas segregadas.
b) Señalización directa por contacto a través de moléculas unidas a la membrana plasmática. c) Señalización directa por contacto vía uniones gap. Existen tres estrategias de comunicación química intercelular, que se diferencian entre sí por la distancia a la que transmiten las señales: a) En la señalización endocrina , las hormonas son transportadas por la sangre hasta las células diana de todo el cuerpo. b) En la señalización paracrina , los mediadores químicos locales son rápidamente captados, destruidos o inmovilizados, de forma que únicamente actúan sobre las células situadas en el entorno inmediato de la célula que los ha segregado. c) En la señalización sináptica, las células nerviosas segregan neurotransmisores, que solamente actúan sobre la célula diana postsináptica adyacente. En general, podemos decir que las células se comunican entre sí liberando determinadas señales, que recorren distancias variables. Los mensajes son captados por receptores que transmiten la información a estructuras intracelulares, donde la información captada desencadena una respuesta bioquímica. Bajo mi punto de vista, al ser la célula, la unidad estructural y funcional básica de un organismo vivo, la comunicación entre éstas resulta crucial para la supervivencia de cualquier organismo pluricelular.
8. - BIBLIOGRAFÍA. •
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ALBERTS, B y colaboradores. Biología molecular de la célula. Barcelona, Omega, S.A. (3ª ed.). (1996). BARRITT, G. J. Communication Within Animal Cells. Oxford, UK: Oxford Science Publications. (1992). HARDIE, D. G. Biochemical Messengers: Hormones, Neurotransmitters and Growth factors. London. Chapman and Hall. (1990). MORGAN, N. G. Cell Signalling. Milton Keynes, UK. Open University Press. (1989). SNYDER, S. H. Base molecular de la comunicación intercelular. Investigación y Ciencia. (Diciembre, 1985). RUBENSTEIN, E. Enfermedades causadas por defectos en la comunicación intercelular. Investigación y Ciencia. (Noviembre, 1996). WEINBERG, R.A. Así se produce el cáncer. Investigación y Ciencia. (Septiembre, 1992).
Breve discurso sobre comunicación intercelular
Comunicación intercelular Introducción Comunicación intercelular Principios generales de la comunicación intercelular Comunicación intercelular Uniones de tipo gap Comunicación intercelular Señalización química Comunicación intercelular Adaptación de las células diana Comunicación intercelular Enfermedades causadas por defectos en la comunicación intercelular Comunicación intercelular Conclusiones Comunicación intercelular Bibliografía
Homeostasis Homeostasis (Del griego homos que es (ὅμος) que significa "similar", y estasis (στάσις) "posición", "estabilidad") es la característica de un sistema abierto o de un sistema cerrado, especialmente en un organismo vivo, mediante la cual se regula el ambiente interno para mantener una condición estable y constante. Los múltiples ajustes dinámicos del equilibrio y los mecanismos de autorregulación hacen la homeostasis posible. El concepto fue creado por Walter Cannon y usado por Claude Bernard, considerado a menudo como el padre de la fisiología, y publicado en 1865. Tradicionalmente se ha aplicado en biología, pero dado el hecho de que no sólo lo biológico es capaz de cumplir con esta definición, otras ciencias y técnicas han adoptado también este término. La homeostasis y la regulación del medio interno constituye uno de los preceptos fundamentales de la fisiología, puesto que un fallo en la homeostasis deriva en un mal funcionamiento de los diferentes órganos.
Homeostasis biológica Toda la organización y funcional de los seres tiende hacia un equilibrio espectral. Esta característica de dinamismo, en la que todos los componentes están en constante cambio para mantener dentro de unos márgenes el resultado del conjunto
(frente a la visión clásica de un sistema inmóvil), hace que algunos autores prefieran usar el término homeocinesis para nombrar este mismo concepto. En la homeostasis orgánica, el primer paso de autorregulación, es la detección del alejamiento de la normalidad. La normalidad en un sistema de este tipo, se define por los valores energéticos nominales, los resortes de regulación se disparan en los momentos en que los potenciales no son satisfactoriamente equilibrados, activando los mecanismos necesarios para compensarlo. Hay que tener en cuenta que las diferencias de potencial, no han de ser electromagnéticas, puede haber diferencias de presión, de densidades, de grados de humedad, etc. Por ejemplo, la glucemia, cuando hay un exceso (hiperglucemia) o un déficit (hipoglucemia), siendo la solución en el primer caso, de la secreción de insulina, y en el segundo, la secreción de glucagón todo ello a través del páncreas, y consiguiendo nivelar la glucemia. La homeostásis también está sometida al desgaste termodinámico, el organismo necesita del medio el aporte para sostener el ciclo, por lo que es sometido a actividades que, por un lado permiten regular la homeostásis y por otro son un constante ataque a dichas funciones. En otro orden de situación, si el organismo no se aportara lo necesario del medio, dicha función dejaría de existir en un instante en el tiempo en el que es termodinámicamente imposible continuar sosteniendo dicha estructura. Un organismo enferma en el momento que se requiere un aporte extra de energía para sostener el ciclo homeostático. Agentes patógenos, tales como los radicales libres, virus o bacterias, pueden comprometer ese ciclo. La enfermedad es una respuesta ante la invasión del medio, que limita al organismo a sus ciclos vitales esenciales, para destinar el resto de los recursos en preservar en el tiempo la función homeostática.
[editar ] Factores que influyen en la homeostasis La homeostasis responde a cambios efectuados en: •
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El medio interno: el metabolismo produce múltiples sustancias, algunas de ellas de desecho que deben ser eliminadas. Para realizar esta función los organismos poseen sistemas de excreción. Por ejemplo en el ser humano el sistema urinario. Los seres vivos pluricelulares también poseen mensajeros químicos como neurotransmisores y hormonas que regulan múltiples funciones fisiológicas. El medio externo: la homeostasis más que un estado determinado es el proceso resultante de afrontar las interacciones de los organismos vivos con el medio ambiente cambiante cuya tendencia es hacia desorden o la entropía. La homeostasis proporciona a los seres vivos la independencia de su entorno mediante la captura y conservación de la energía procedente del exterior. La interacción con el exterior se realiza por sistemas que captan los estímulos externos como pueden ser los órganos de los sentidos en los animales superiores o sistemas para captar sustancias o nutrientes necesarios para el metabolismo como puede ser el aparato respiratorio o digestivo.
En la homeostasis intervienen todos los sistemas y aparatos del organismo desde el sistema nervioso, sistema endocrino, aparato digestivo, aparato respiratorio, aparato cardiovascular , hasta el aparato reproductor .
Homeostasis social
Las sociedades, como suma de individuos que son base biológica de una cultura, tienden a la estabilidad. Por eso, existen normas y costumbres, tradiciones y hábitos, que tienden a asentarse y tienen sus propios mecanismos de estabilización y de rechazo de lo nuevo. El conservadurismo tiene, en parte, un fundamento biológico. Y la renovación y el cambio vienen motivados por la necesidad de satisfacer ciertas necesidades, ya sean naturales o creadas.
Tipos de regulaciones del individuo • •
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Termorregulación: Es la regulación del calor y el frío. Osmorregulación: Regulación del agua e iones, en la que participa el Sistema excretor principalmente, ayudado por el Nervioso y el aparato respiratorio Regulación de los Gases respiratorios.
Homeostasis psicológica El término fue introducido por W. B. Cannon en 1932, designa la tendencia general de todo organismo al restablecimiento del equilibrio interno cada vez que éste es alterado. Estos desequilibrios internos, que pueden darse tanto en el plano fisiológico como en el psicológico, reciben el nombre de genérico de necesidades . De esta manera, la vida de un organismo puede definirse como la búsqueda constante de equilibrio entre sus necesidades y su satisfacción. Toda acción tendiente a la búsqueda de ese equilibrio es, en sentido lato, una conducta.
Homeostasis cibernética En cibernética la homeostasis es el rasgo de los sistemas autorregulados (sistemas cibernéticos) que consiste en la capacidad para mantener ciertas variables en un estado estacionario, de equilibrio dinámico o dentro de ciertos límites, cambiando parámetros de su estructura interna. En la década de los cuarenta, W. Ross Ashby (1903-1972), diseñó un mecanismo al que llamó homeostato capaz de mostrar una conducta ultraestable frente a la perturbación de sus parámetros "esenciales". Las ideas de Ashby desarrolladas en Design for a Brain dieron lugar al campo de estudio de los sistemas biológicos como sistemas homeostáticos y adaptativos en términos de matemática de sistemas dinámicos. Este investigador británico formado en Cambridge en biología y en antropología, marcó pautas y nuevos enfoques que han trascendido a otros campos disciplinarios como la filosofía y la misma epistemología. Incluyó este concepto para explicar los fundamentos epistemológicos que propone. Anota lo siguiente: "Hablemos ahora sobre el problema de estudiar la homeostásis comunicacional de una constelación familiar. En términos generales, nos parece que las familias que poseen miembros esquizofrénicos conocidos son estrechamente homeostáticas. Todo sistema vivo sufre cambios en todo momento y día tras día, de modo que es concebible representar esos cambios mediante sinuosidades de una curva en un gráfico multidimensional (o "espacio de fase") en el que cada variable necesaria para la descripción de los estados del sistema está representada por una dimensión del gráfico. Específicamente, cuando digo que esas familias son estrechamente homeostáticas, quiero significar que las sinuosidades de ese gráfico o de un determinado punto situado en el espacio de fase abarcará un volumen relativamente limitado. El sistema es homeostático en el sentido de que cuando se aproxima a los
