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Capitulo 6,7 y 8 de la unidad 2 y capitulo 9 de la unidad 3

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UNIDAD 2.- FISIOLOGIA DE LA MEMBRANA, EL NERVIO Y EL MUSCULO

capitulo 4

Transporte de sustancias a través de las membranas celulares

El líquido extracelular contiene una gran cantidad de sodio, pero solo una pequeña cantidad de potasio. En el líquido intracelular ocurre lo contrario. El líquido extracelular contiene una gran cantidad de iones cloruro, mientras que el líquido intracelular contiene muy pocos de estos iones. La concentración de fosfatos y de proteínas del líquido intracelular es considerablemente mayor que la del líquido extracelular. Estas diferencias son muy importantes para la vida de la célula.

La membrana celular consiste en una BICAPA lipídica con proteínas de transporte de la membrana celular

Esta membrana está formada casi totalmente por una bicapa lipídica, aunque también contiene grandes números de moléculas proteicas insertadas en los lípidos, muchas de las cuales penetran en todo el grosor de la membrana.

La bicapa lipídica no es miscible con el líquido extracelular ni con el líquido intracelular. Por tanto, constituye una barrera frente al movimiento de moléculas de agua y de sustancias insolubles entre los compartimientos del líquido extracelular e intracelular. Sin embargo, las sustancias liposolubles pueden penetrar en esta bicapa lipídica y difunden directamente a través de la sustancia lipídica. Las moléculas proteicas de la membrana tienen unas propiedades totalmente diferentes para transportar sustancias. Sus estructuras moleculares interrumpen la continuidad de la bicapa lipídica y constituyen una ruta alternativa a través de la membrana celular. Algunas tienen espacios acuosos en todo el trayecto del interior de la molécula y permiten el movimiento libre de agua, así como de iones o moléculas seleccionados; estas proteínas se denominan proteínas de los canales. Otras, denominadas proteínas transportadoras, se unen a las moléculas o iones que se van a transportar y cambios conformacionales de las moléculas de la proteína desplazan después las sustancias a través de los intersticios de la proteína hasta el otro lado de la membrana. Las proteínas de los canales y las proteínas transportadoras habitualmente son selectivas para los tipos de moléculas o de iones que pueden atravesar la membrana.

«Difusión» frente a «transporte activo»

El transporte a través de la membrana celular, ya sea directamente a través de la bicapa lipídica o a través de las proteínas, se produce mediante uno de dos procesos básicos: difusión o transporte activo.

La difusión se refiere a un movimiento molecular aleatorio de las sustancias molécula a molécula, a través de espacios intermoleculares de la membrana o en combinación con una proteína transportadora. La energía que hace que se produzca la difusión es la energía del movimiento cinético normal de la materia.

El transporte activo se refiere al movimiento de iones o de otras sustancias a través de la membrana en combinación con una proteína transportadora de tal manera que la proteína transportadora hace que la sustancia se mueva contra un gradiente de energía, como desde un estado de baja concentración a un estado de alta concentración. Este movimiento precisa una fuente de energía adicional, además de la energía cinética.

Difusión

Todas las moléculas e iones de los líquidos corporales, incluyendo las moléculas de agua y las sustancias disueltas, están en movimiento constante, de modo que cada partícula se mueve de manera completamente independiente. El movimiento de estas partículas es lo que los físicos llaman «calor» (cuanto mayor sea el movimiento, mayor es la temperatura), y el movimiento nunca se interrumpe salvo a la temperatura de cero absoluto. Cuando una molécula en movimiento, A, se acerca a una molécula estacionaria, B, las fuerzas electrostáticas y otras fuerzas nucleares de la molécula A rechazan a la molécula B, transfiriendo parte de la energía del movimiento de la molécula A a la B. En consecuencia, la molécula B adquiere energía cinética del movimiento, mientras que la molécula A se enlentece, perdiendo parte de su energía cinética.

Difusión a través de la membrana celular

Se divide en dos subtipos:

*Difusión simple: el movimiento cinético de las moléculas o de los iones se produce a través de una abertura de la membrana o a través de espacios intermoleculares sin ninguna interacción con las proteínas transportadoras de la membrana. La velocidad de difusión viene determinada por la cantidad de sustancia disponible, la velocidad del movimiento cinético y el número y el tamaño de las aberturas de la membrana a través de las cuales se pueden mover las moléculas o los iones. Se puede producir difusión simple a través de la membrana celular por dos rutas:

1) a través de los intersticios de la bicapa lipídica si la sustancia que difunde es liposoluble

2) a través de canales acuosos que penetran en todo el grosor de la bicapa a través de las grandes proteínas transportadoras.

*Difusión facilitada: precisa la interacción de una proteína transportadora. La proteína transportadora ayuda al paso de las moléculas o de los iones a través de la membrana mediante su unión química con estos y su desplazamiento a través de la membrana de esta manera.

Difusión de sustancias liposolubles a través de la bicapa lipídica

Un factor importante que determina la rapidez con la que una sustancia difunde a través de la bicapa lipídica es la liposolubilidad. La velocidad de difusión de cada una de estas sustancias a través de la membrana es directamente proporcional a su liposolubilidad.

Difusión de agua y de otras moléculas insolubles en lípidos a través de canales proteicos

Aunque el agua es muy insoluble en los lípidos de la membrana, pasa rápidamente a través de los canales de las moléculas proteicas que penetran en todo el espesor de la membrana. Muchas de las membranas celulares del cuerpo contienen «poros» proteicos denominados acuaporinas que permiten selectivamente el rápido paso de agua a través de la membrana celular. Las acuaporinas están muy especializadas, y existen al menos 13 tipos diferentes en las diversas células de los mamíferos. Otras moléculas insolubles en lípidos pueden atravesar los canales de los poros proteicos de la misma manera que las moléculas de agua si son hidrosolubles y de un tamaño lo suficientemente pequeño. Sin embargo, a medida que se hacen mayores su penetración disminuye rápidamente.

Difusión a través de poros y canales proteicos: permeabilidad selectiva y «activación» de canales

las sustancias se pueden mover mediante difusión simple directamente a lo largo de estos poros y canales desde un lado de la membrana hasta el otro. Los poros están compuestos por proteínas de membranas celulares integrales que forman tubos abiertos a través de la membrana y que están siempre abiertos. Sin embargo, el diámetro de un poro y sus cargas eléctricas proporcionan una selectividad que permite el paso de solo ciertas moléculas a su través. Las acuaporinas tienen un poro estrecho que permite que las moléculas de agua se difundan a través de la membrana en una única fila. El poro es demasiado pequeño para permitir el paso de iones hidratados. Los canales proteicos se distinguen por dos características importantes:

1)con frecuencia son permeables de manera selectiva a ciertas sustancias.

2) muchos de los canales se pueden abrir o cerrar por compuertas que son reguladas por señales eléctricas (canales activados por el voltaje) o sustancias químicas que se unen a las proteínas de canales (canales activados por ligandos).

Permeabilidad selectiva de los canales proteicos

Muchos de los canales proteicos son muy selectivos para el transporte de uno o más iones o moléculas específicos. Esta selectividad se debe a las características del propio canal, como su diámetro, su forma y la naturaleza de las cargas eléctricas y enlaces químicos que están situados a lo largo de sus superficies internas.

Se cree que existen diferentes filtros de selectividad que determinan, en gran medida, la especificidad de los diversos canales para cationes o aniones o para iones determinados, como sodio (Na+), potasio (K+) y calcio (Ca++), que consiguen acceder a los canales. Un ejemplo de los canales proteicos más importantes, el denominado canal del sodio, mide solo de 0,3 a 0,5 nm de diámetro, aunque, lo que es más importante, las superficies internas de este canal están revestidas con aminoácidos que tienen una carga intensamente negativa. Estas cargas negativas intensas pueden arrastrar pequeños iones sodio deshidratados hacia el interior de estos canales, realmente separando los iones sodio de las moléculas de agua que los hidratan. Una vez que están en el canal, los iones sodio difunden en una u otra dirección según las leyes habituales de la difusión. Así, el canal del sodio es altamente selectivo para el paso de iones sodio.

Activación de los canales proteicos

La activación de los canales proteicos proporciona un medio para controlar la permeabilidad iónica de los canales. Se piensa que algunas de las compuertas son realmente extensiones similares a una compuerta de la molécula de la proteína transportadora, que pueden cerrar la abertura del canal o se pueden alejar de la apertura por un cambio conformacional de la forma de la propia molécula proteica. La apertura y el cierre de las compuertas están controlados de dos maneras principales:

1. Activación por el voltaje: la conformación molecular de la compuerta o de sus enlaces químicos responde al potencial eléctrico que se establece a través de la membrana celular.

2. Activación química (por ligando): Las compuertas de algunos canales proteicos se abren por la unión de una sustancia química (un ligando) a la proteína, que produce un cambio conformacional o un cambio de los enlaces químicos de la molécula de la proteína que abre o cierra la compuerta. Uno de los casos más importantes de activación química es el efecto de la acetilcolina sobre el denominado canal de la acetilcolina. La acetilcolina abre la compuerta de este canal, dando lugar a la apertura de un poro de carga negativa que permite que lo atraviesen moléculas sin carga o iones positivos menores de este diámetro. Esta compuerta es muy importante para la transmisión de las señales nerviosas desde una célula nerviosa a otra y desde las células nerviosas a las células musculares para producir la contracción muscular.

La difusión facilitada necesita proteínas transportadoras de membrana

La difusión facilitada también se denomina difusión mediada por un transportador porque una sustancia que se transporta de esta manera difunde a través de la membrana con la ayuda de una proteína transportadora específica para contribuir al transporte. Es decir, el transportador facilita la difusión de la sustancia hasta el otro lado.

La difusión facilitada difiere de la difusión simple en la siguiente característica importante: aunque la velocidad de la difusión simple a través de un canal abierto aumenta de manera proporcional a la concentración de la sustancia que difunde, en la difusión facilitada la velocidad de difusión se acerca a un máximo, denominado Vmáx, a medida que aumenta la concentración de la sustancia que difunde. Entre las numerosas sustancias que atraviesan las membranas celulares mediante difusión facilitada están la glucosa y la mayoría de los aminoácidos. En el caso de la glucosa se han descubierto en varios tejidos al menos 14 miembros de una familia de proteínas de membrana (denominadas GLUT) que transportan moléculas de glucosa. Algunas de estas GLUT también pueden transportar otros monosacáridos que tienen estructuras similares a la glucosa, entre ellos la galactosa y la fructosa. Una de ellas, el transportador de glucosa 4 (GLUT4), es activada por insulina, lo que puede aumentar la velocidad de la difusión facilitada de la glucosa hasta 10 a 20 veces en tejidos sensibles a la insulina.

Factores que influyen en la velocidad neta de difusión

La velocidad neta de difusión es proporcional a la diferencia de concentración a través de una membrana

La velocidad a la que la sustancia difunde hacia dentro es proporcional a la concentración de las moléculas en el exterior, porque esta concentración determina cuántas moléculas chocan contra el exterior de la membrana cada segundo. Por el contrario, la velocidad a la que las moléculas difunden hacia afuera es proporcional a su concentración en el interior de la membrana. Por tanto, la velocidad de difusión neta hacia el interior de la célula es proporcional a la concentración en el exterior menos la concentración en el interior.

Efecto de una diferencia de presión a través de la membrana

En ocasiones se produce una gran diferencia de presión entre los dos lados de una membrana permeable. Esta diferencia de presión se produce, por ejemplo, en la membrana capilar sanguínea de todos los tejidos del cuerpo. La presión es aproximadamente 20 mmHg mayor en el interior del capilar que en el exterior. La presión realmente significa la suma de todas las fuerzas de las diferentes moléculas que chocan contra una unidad de superficie en un momento dado. Por tanto, al tener una presión mayor en un lado de la membrana que en el otro, la suma de todas las fuerzas de las moléculas que chocan con los canales de ese lado de la membrana es mayor que en el otro lado. En la mayor parte de los casos esta situación se debe a que hay un mayor número de moléculas que choca cada segundo contra la membrana en un lado que contra la del otro lado. La consecuencia es que se dispone de mayores cantidades de energía para producir el movimiento neto de moléculas desde el lado de presión elevada hacia el lado de presión baja.

Ósmosis a través de membranas con permeabilidad selectiva: «difusión neta» de agua

La sustancia más abundante que difunde a través de la membrana celular es el agua. en ciertas condiciones se puede producir una diferencia de concentración del agua a través de la membrana. Cuando se produce esto, tiene lugar un movimiento neto de agua a través de la membrana celular, haciendo que la célula se hinche o que se contraiga, dependiendo de la dirección del movimiento del agua. Este proceso de movimiento neto del agua que se debe a la producción de una diferencia de la concentración del agua se denomina ósmosis. Para ilustrar la ósmosis debemos asumir las condiciones en la que hay agua pura a un lado de la membrana celular y una solución de cloruro sódico en el otro lado. Las moléculas de agua atraviesan la membrana celular con facilidad, mientras que los iones sodio y cloruro pasan solo con dificultad. Sin embargo, la presencia del sodio y del cloruro ha desplazado parte de las moléculas de agua del lado de la membrana en el que están presentes estos iones y, por tanto, ha reducido la concentración de moléculas de agua a una concentración menor que la del agua pura. En consecuencia, más moléculas de agua chocan contra los canales del lado izquierdo, en el que hay agua pura, que en el lado derecho, en el que se ha reducido la concentración de agua. Así, se produce un movimiento neto de agua desde la izquierda hacia la derecha, es decir, se produce ósmosis desde el agua pura hacia la solución de cloruro sódico.

Presión osmótica

La cantidad de presión necesaria para detener la ósmosis se denomina presión osmótica de la solución de cloruro sódico. El principio de una diferencia de presión que se opone a la ósmosis, que muestra una membrana con permeabilidad selectiva que separa dos columnas de líquido, una que contiene agua pura y otra que contiene una solución de agua y de cualquier soluto que no penetra en la membrana. La ósmosis de agua desde la cámara B hacia la cámara A hace que los niveles de las columnas de líquido se separen cada vez más, hasta que finalmente se produzca una diferencia de presión entre los dos lados de la membrana que sea lo suficientemente grande como para oponerse al efecto osmótico. Esta diferencia de presión a través de la membrana en este punto es igual a la presión osmótica de la solución que contiene el soluto no difusible.

Importancia del número de partículas osmóticas (concentración molar) en la determinación de la presión osmótica

La presión osmótica que ejercen las partículas de una solución, ya sean moléculas o iones, está determinada por el número de partículas por unidad de volumen del líquido, no por la masa de las partículas. La razón de esto es que todas las partículas de una solución, independientemente de su masa, ejercen, en promedio, la misma cantidad de presión contra la membrana.

«Osmolalidad»: el osmol

Para expresar la concentración de una solución en función del número de partículas se utiliza la unidad denominada osmol en lugar de los gramos. Un osmol es el peso molecular-gramo de un soluto osmóticamente activo. Por tanto, 180 g de glucosa, que es el peso molecular-gramos de la glucosa, son equivalentes a un osmol de glucosa porque la glucosa no se disocia en iones. Si un soluto se disocia en dos iones, un peso molecular-gramo del soluto se convertirá en dos osmoles porque el número de partículas osmóticamente activas es ahora el doble que en el caso del soluto no disociado. Se dice que una solución que tiene 1 osmol de soluto disuelto por cada kilogramo de agua tiene una osmolalidad de 1 osmol por kilogramo, y una solución que tiene 1/1.000 osmoles disueltos por kilogramo tiene una osmolalidad de 1 mosmol por kilogramo. La osmolaridad normal de los líquidos extracelular e intracelular es de aproximadamente 300 mosmol por kilogramo de agua.

osmolaridad

Osmolaridad es la concentración osmolar expresada en osmoles por litro de solución en lugar de osmoles por kilogramo de agua. Aunque en sentido estricto son los osmoles por kilogramo de agua (osmolalidad) los que determinan la presión osmótica, para las soluciones diluidas como las que se encuentran en el cuerpo las diferencias cuantitativas entre la osmolaridad y la osmolalidad son menores del 1%. Como es mucho más práctico medir la osmolaridad que la osmolalidad, esta es la práctica habitual en casi todos los estudios fisiológicos.

«Transporte activo» de sustancias a través de las membranas

Cuando una membrana celular transporta moléculas o iones «contra corriente» contra un gradiente de concentración (o «contra corriente» contra un gradiente eléctrico o de presión), el proceso se denomina transporte activo. Diferentes sustancias que se transportan activamente a través de al menos algunas membranas celulares incluyen los iones sodio, potasio, calcio, hierro, hidrógeno, cloruro, yoduro y urato, diversos azúcares diferentes y la mayoría de los aminoácidos.

Transporte activo primario y transporte activo secundario

El transporte activo se divide en dos tipos según el origen de la energía que se utiliza para facilitar el transporte:

1.-transporte activo primario: la energía procede directamente de la escisión del trifosfato de adenosina (ATP) o de algún otro compuesto de fosfato de alta energía.

2.-transporte activo secundario: la energía procede secundariamente de la energía que se ha almacenado en forma de diferencias de concentración iónica de sustancias moleculares o iónicas secundarias entre los dos lados de una membrana celular, que se generó originalmente mediante transporte activo primario.

En ambos casos el transporte depende de proteínas transportadoras que penetran a través de la membrana celular, al igual que en la difusión facilitada. Sin embargo, en el transporte activo la proteína transportadora funciona de manera diferente al transportador de la difusión facilitada porque es capaz de impartir energía a la sustancia transportada para moverla contra el gradiente electroquímico.

Transporte activo primario

La bomba sodio-potasio transporta iones sodio hacia el exterior de las células e iones potasio hacia el interior

Entre las sustancias que se transportan mediante transporte activo primario están el sodio, el potasio, el calcio, el hidrógeno, el cloruro y algunos otros iones. El mecanismo de transporte activo que se ha estudiado con mayor detalle es la bomba sodio-potasio (Na+-K+), que es el proceso de transporte que bombea iones sodio hacia fuera a través de la membrana celular de todas las células y al mismo tiempo bombea iones potasio desde el exterior hacia el interior. Esta bomba es responsable de mantener las diferencias de concentración de sodio y de potasio a través de la membrana celular, así como de establecer un voltaje eléctrico negativo en el interior de las células.

La proteína transportadora es un complejo formado por dos proteínas globulares distintas: una de mayor tamaño denominada subunidad α, que tiene un peso molecular de aproximadamente 100.000, y una más pequeña denominada subunidad β, que tiene un peso molecular de aproximadamente 55.000. Aunque se desconoce la función de la proteína de menor tamaño (excepto que podría anclar el complejo proteico a la membrana lipídica), la proteína de mayor tamaño tiene tres características específicas que son importantes para el funcionamiento de la bomba:

1. Tiene tres puntos receptores para la unión de iones sodio en la porción de la proteína que protruye hacia el interior de la célula.

2. Tiene dos puntos receptores para iones potasio en el exterior.

3. La porción interior de esta proteína cerca de los puntos de unión al sodio tiene actividad adenosina trifosfatasa (ATPasa).

Cuando dos iones potasio se unen al exterior de la proteína transportadora y tres iones sodio se unen al interior se activa la función ATPasa de la proteína. La activación de la función ATPasa conduce a una escisión de una molécula de ATP, que se divide en difosfato de adenosina (ADP) y libera un enlace de energía de fosfato de alta energía. Se piensa que esta energía liberada produce un cambio químico y conformacional en la molécula transportadora proteica, transportando los tres iones sodio hacia el exterior y los dos iones potasio hacia el interior.

La bomba Na+-K+ es importante para controlar el volumen celular

Una de las funciones más importantes de la bomba Na+-K+ es controlar el volumen de todas las células. Sin la función de esta bomba la mayoría de las células del cuerpo se hincharían hasta explotar. El mecanismo para controlar el volumen es el siguiente: en el interior de la célula hay grandes cantidades de proteínas y de otras moléculas orgánicas que no pueden escapar de la célula. La mayoría de estas proteínas y otras moléculas orgánicas tienen carga negativa y, por tanto, atraen grandes cantidades de potasio, sodio y también de otros iones positivos. Todas estas moléculas e iones producen ósmosis de agua hacia el interior de la célula. Salvo que este proceso se detenga, la célula se hinchará indefinidamente hasta que explote. El mecanismo normal para impedir este resultado es la bomba Na+K+. la membrana es mucho menos permeable a los iones sodio que a los iones potasio, de modo que una vez que los iones sodio están en el exterior tienen una intensa tendencia a permanecer ahí. Así, este proceso representa una pérdida neta de iones hacia el exterior de la célula, lo que inicia también la ósmosis de agua hacia el exterior de la célula. Si una célula comienza a hincharse por cualquier motivo, la bomba Na+-K+ se activa automáticamente, moviendo aún más iones hacia el exterior y transportando agua con ellos. Por tanto, la bomba Na+-K+ realiza una función continua de vigilancia para mantener el volumen celular normal.

Naturaleza electrógena de la bomba Na+-K+

El hecho de que la bomba Na+-K+ desplace tres iones Na+ hacia el exterior por cada dos iones K+ que desplaza hacia el interior significa que se desplaza una carga positiva neta desde el interior de la célula hasta el exterior en cada ciclo de bombeo. Esta acción genera positividad en el exterior de la célula, aunque produce un déficit de iones positivos en el interior de la célula; es decir, produce negatividad en el interior. Por tanto, se dice que la bomba Na+-K+ es electrógena porque genera un potencial eléctrico a través de la membrana celular.

Transporte activo primario de iones calcio

Los iones calcio normalmente se mantienen a una concentración muy baja en el citosol intracelular de prácticamente todas las células del cuerpo, a una concentración aproximadamente 10.000 veces menor que en el líquido extracelular. Este nivel de mantenimiento se consigue principalmente mediante dos bombas de calcio que funcionan mediante transporte activo primario. Una de ellas, que está en la membrana celular, bombea calcio hacia el exterior de la célula. La otra bombea iones calcio hacia uno o más de los orgánulos vesiculares intracelulares de la célula, como el retículo sarcoplásmico de las células musculares y las mitocondrias en todas las células. En todos estos casos la proteína transportadora penetra en la membrana y actúa como una enzima ATPasa, con la misma capacidad de escindir el ATP que la ATPasa de la proteína transportadora de sodio. La diferencia es que esta proteína tiene un punto de unión muy específico para el calcio en lugar de para el sodio.

Transporte activo primario de iones hidrógeno

Este transporte activo primario es importante en dos localizaciones del cuerpo:

1) en las glándulas gástricas del estómago: las células parietales que están en las capas profundas tienen el mecanismo activo primario más potente de transporte de iones hidrógeno de todo el cuerpo. Este mecanismo es la base para secretar ácido clorhídrico en las secreciones digestivas del estómago. En el extremo secretor de las células parietales de las glándulas gástricas la concentración del ion hidrógeno aumenta hasta un millón de veces y después se libera hacia el estómago junto con iones cloruro para formar ácido clorhídrico.

2) en la porción distal de los túbulos distales y en los conductos colectores corticales de los riñones: en este caso se secretan grandes cantidades de iones hidrógeno desde la sangre hacia la orina con el objetivo de eliminar de los líquidos corporales el exceso de iones hidrógeno. Los iones hidrógeno se pueden segregar hacia la orina contra un gradiente de concentración de aproximadamente 900 veces.

Transporte activo secundario: cotransporte y contratransporte

Cuando los iones sodio se transportan hacia el exterior de las células mediante transporte activo primario habitualmente se establece un gran gradiente de concentración de iones sodio a través de la membrana celular, con una concentración elevada fuera de la célula y una concentración baja en su interior. Este gradiente representa un almacén de energía porque el exceso de sodio en el exterior de la membrana celular siempre intenta difundir hacia el interior. En condiciones adecuadas esta energía de difusión del sodio puede arrastrar otras sustancias junto con el sodio a través de la membrana celular. Este fenómeno, denominado cotransporte, es una forma de transporte activo secundario. Para que el sodio arrastre otra sustancia con él es necesario un mecanismo de acoplamiento, lo cual se consigue por medio de otra proteína transportadora de la membrana celular. En este caso el transportador actúa como punto de unión tanto para el ion sodio como para la sustancia que se va a cotransportar. Una vez que los dos están unidos, el gradiente de energía del ion sodio hace que este ion y la otra sustancia sean transportados juntos hacia el interior de la célula.

En el contratransporte, los iones sodio intentan una vez más difundir hacia el interior de la célula debido a su gran gradiente de concentración. Sin embargo, esta vez la sustancia que se va a transportar está en el interior de la célula y se debe transportar hacia el exterior. Por tanto, el ion sodio se une a la proteína transportadora en el punto en el que se proyecta hacia la superficie exterior de la membrana, mientras que la sustancia que se va a contratransportar se une a la proyección interior de la proteína transportadora. Una vez que ambos se han unido se produce un cambio conformacional y la energía liberada por la acción del ion sodio que se mueve hacia el interior hace que la otra sustancia se mueva hacia el exterior.

Cotransporte de glucosa y aminoácidos junto con iones sodio

La glucosa y muchos aminoácidos se transportan hacia el interior de la mayor parte de las células contra grandes gradientes de concentración; el mecanismo de esta acción es totalmente mediante cotransporte. Se debe observar que la proteína transportadora tiene dos puntos de unión en su cara externa, uno para el sodio y otro para la glucosa. Además, la concentración de los iones sodio es alta en el exterior y baja en el interior, lo que suministra la energía para el transporte. Una propiedad especial de la proteína transportadora es que no se producirá un cambio conformacional que permita el movimiento de sodio hacia el interior hasta que también una molécula de glucosa se una. Cuando ambos están unidos se produce el cambio conformacional y el sodio y la glucosa son transportados al mismo tiempo hacia el interior de la célula. Por tanto, este es un mecanismo de cotransporte sodio-glucosa. Los cotransportadores de sodio-glucosa son mecanismos especialmente importantes en el transporte de la glucosa a través de las células epiteliales renales e intestinales.

El cotransporte con sodio de los aminoácidos se produce de la misma manera que para la glucosa, excepto porque utiliza un grupo diferente de proteínas transportadoras. Se han identificado al menos cinco proteínas transportadoras de aminoácidos, cada una de las cuales es responsable de transportar un grupo de aminoácidos con características moleculares específicas. El cotransporte con sodio de la glucosa y de los aminoácidos se produce especialmente a través de las células epiteliales del tubo digestivo y de los túbulos renales para favorecer la absorción de estas sustancias hacia la sangre. Este proceso se analizará en capítulos posteriores. Otros mecanismos importantes de cotransporte al menos en algunas células incluyen cotransporte de iones cloruro, yoduro, hierro y urato.

Contratransporte con sodio de iones calcio e hidrógeno

Dos mecanismos de contratransporte especialmente importantes son el contratransporte sodio-calcio y el contratransporte sodio-hidrógeno. El contratransporte sodio-calcio se produce a través de todas o casi todas las membranas celulares, de modo que los iones sodio se mueven hacia el interior y los iones calcio hacia el exterior, ambos unidos a la misma proteína transportadora en un modo de contratransporte. Este mecanismo se produce además del transporte activo primario de calcio que se produce en algunas células. El contratransporte sodio-hidrógeno se produce en varios tejidos. Un ejemplo especialmente importante se produce en los túbulos proximales de los riñones, en los que los iones sodio se desplazan desde la luz del túbulo hacia el interior de la célula tubular, mientras que los iones hidrógeno son contratransportados hacia la luz tubular.

Transporte activo a través de capas celulares

En muchas localizaciones del cuerpo se deben transportar sustancias a través de todo el espesor de una capa celular en lugar de simplemente a través de la membrana celular. El transporte de este tipo se produce a través de:

1) el epitelio intestinal

2) el epitelio de los túbulos renales

3) el epitelio de todas las glándulas exocrinas

4) el epitelio de la vesícula biliar

5) la membrana del plexo coroideo del cerebro, junto con otras membranas.

El mecanismo básico para el transporte de una sustancia a través de una lámina celular es:

1)transporte activo a través de la membrana celular de un polo de las células transportadoras de la capa

2) difusión simple o difusión facilitada a través de la membrana del polo opuesto de la célula.

capitulo 5

Potenciales de membrana y potenciales de acción

Hay potenciales eléctricos a través de las membranas de todas las células del cuerpo. Algunas células, como las células nerviosas y musculares, generan impulsos electroquímicos rápidamente cambiantes en sus membranas, y estos impulsos se utilizan para transmitir señales a través de las membranas de los nervios y de los músculos. En otros tipos de células, como las células glandulares, los macrófagos y las células ciliadas, los cambios locales de los potenciales de membrana también activan muchas de las funciones de las células

Física básica de los potenciales de membrana

Potenciales de membrana provocados por concentración de iones

Diferencias a través de una membrana permeable selectiva

la concentración de potasio es grande dentro de la membrana de una fibra nerviosa, pero muy baja fuera de esta. Imaginemos en este caso que la membrana es permeable a los iones potasio, pero no a ningún otro ion. Debido al gran gradiente de concentración de potasio desde el interior hacia el exterior hay una intensa tendencia a que cantidades adicionales de iones potasio difundan hacia fuera a través de la membrana. A medida que lo hacen transportan cargas eléctricas positivas hacia el exterior, generando de esta manera electropositividad fuera de la membrana y electronegatividad en el interior debido a los aniones negativos que permanecen detrás y que no difunden hacia fuera con el potasio. En un plazo de aproximadamente 1 ms la diferencia de potencial entre el interior y el exterior, denominada potencial de difusión, se hace lo suficientemente grande como para bloquear la difusión adicional neta de potasio hacia el exterior, a pesar del elevado gradiente de concentración iónica de potasio. En la fibra nerviosa normal del mamífero la diferencia de potencial es de aproximadamente 94 mV, con negatividad en el interior de la membrana de la fibra.

La ecuación de Nernst describe la relación del potencial de difusión con la diferencia de concentración de iones a través de una membrana

El nivel del potencial de difusión a través de una membrana que se opone exactamente a la difusión neta de un ion particular a través de la membrana se denomina potencial de Nernst para ese ion. La magnitud del potencial de Nernst viene determinada por el cociente de las concentraciones de ese ion específico en los dos lados de la membrana. Cuanto mayor es este cociente, mayor es la tendencia del ion a difundir en una dirección y, por tanto, mayor será el potencial de Nernst necesario para impedir la difusión neta adicional. Se puede utilizar la siguiente ecuación, denominada ecuación de Nernst, para calcular el potencial de Nernst para cualquier ion univalente a la temperatura corporal normal (37 °C):

donde FEM es la fuerza electromotriz y z es la carga eléctrica del ion (p. ej., +1 para K+).

La ecuación de Goldman se utiliza para calcular el potencial de difusión cuando la membrana es permeable a varios iones diferentes

Cuando una membrana es permeable a varios iones diferentes, el potencial de difusión que se genera depende de tres factores:

1) la polaridad de la carga eléctrica de cada uno de los iones.

2) la permeabilidad de la membrana (P) a cada uno de los iones.

3) las concentraciones (C) de los respectivos iones en el interior (i) y en el exterior (e) de la membrana.

Así, la fórmula siguiente, que se denomina ecuación de Goldman o ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz, da el potencial de membrana calculado en el interior de la membrana cuando participan dos iones positivos univalentes, sodio (Na+) y potasio (K+), y un ion negativo univalente, cloruro (Cl–).

A partir de la ecuación de Goldman se hacen evidentes varios puntos clave. En primer lugar, los iones sodio, potasio y cloruro son los iones más importantes que participan en la generación de los potenciales de membrana en las fibras nerviosas y musculares, así como en las células neuronales del sistema nervioso. Segundo, el grado de importancia de cada uno de los iones en la determinación del voltaje es proporcional a la permeabilidad de la membrana para ese ion particular. Tercero, un gradiente positivo de concentración iónica desde el interior de la membrana hacia el exterior produce electronegatividad en el interior de la membrana. Cuarto, la permeabilidad de los canales de sodio y de potasio experimenta cambios rápidos durante la transmisión de un impulso nervioso, mientras que la permeabilidad de los canales de cloruro no se modifica mucho durante este proceso. Por tanto, los cambios rápidos de la permeabilidad al sodio y el potasio son los principales responsables de la transmisión de las señales en las neuronas.

Potencial de membrana en reposo de las neuronas

El potencial de membrana en reposo de las fibras nerviosas grandes cuando no transmiten señales nerviosas es de aproximadamente –90 mV. Es decir, el potencial en el interior de la fibra es 90 mV más negativo que el potencial del líquido extracelular que está en el exterior de esta.

Transporte activo de los iones sodio y potasio a través de la membrana: la bomba sodio-potasio (Na+-K+)

todas las membranas celulares del cuerpo tienen una potente bomba Na+-K+ que transporta continuamente iones sodio hacia el exterior de la célula e iones potasio hacia el interior. se trata de una bomba electrógena porque se bombean más cargas positivas hacia el exterior que hacia el interior (tres iones Na+ hacia el exterior por cada dos iones K+ hacia el interior), dejando un déficit neto de iones positivos en el interior; esto genera un potencial negativo en el interior de la membrana celular.

Fuga de potasio a través de la membrana celular nerviosa

un canal proteico, a veces denominado canal de potasio de dominios de poro en tándem, o canal de «fuga» de potasio (K+), en la membrana nerviosa a través de la que pueden escapar iones potasio incluso en una célula en reposo. los canales de fuga de K+ también pueden dejar que se pierdan algunos iones sodio pero los canales son mucho más permeables al potasio que al sodio, en general aproximadamente 100 veces más permeables.

Potencial de acción de las neuronas

Las señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción que son cambios rápidos del potencial de membrana que se extienden rápidamente a lo largo de la membrana de la fibra nerviosa. Cada potencial de acción comienza con un cambio súbito desde el potencial de membrana negativo en reposo normal hasta un potencial positivo y termina con un cambio casi igual de rápido de nuevo hacia el potencial negativo. Para conducir una señal nerviosa el potencial de acción se desplaza a lo largo de la fibra nerviosa hasta que llega a su extremo.

Las sucesivas fases del potencial de acción son las siguientes.

Fase de reposo

La fase de reposo es el potencial de membrana en reposo antes del comienzo del potencial de acción. Se dice que la membrana está «polarizada» durante esta fase debido al potencial de membrana negativo de – 90 mV que está presente.

Fase de despolarización

En este momento la membrana se hace súbitamente muy permeable a los iones sodio, lo que permite que un gran número de iones sodio con carga positiva difunda hacia el interior del axón. El estado «polarizado» normal de –90 mV se neutraliza inmediatamente por la entrada de iones sodio cargados positivamente, y el potencial aumenta rápidamente en dirección positiva, un proceso denominado despolarización. En las fibras nerviosas grandes el gran exceso de iones sodio positivos que se mueven hacia el interior hace que el potencial de membrana realmente se «sobreexcite» más allá del nivel cero y que se haga algo positivo. En algunas fibras más pequeñas, así como en muchas neuronas del sistema nervioso central, el potencial simplemente se acerca al nivel cero y no hay sobreexcitación hacia el estado positivo.

Fase de repolarización

En un plazo de algunas diezmilésimas de segundo después de que la membrana se haya hecho muy permeable a los iones sodio, los canales de sodio comienzan a cerrarse y los canales de potasio se abren más de lo normal. De esta manera, la rápida difusión de los iones potasio hacia el exterior restablece el potencial de membrana en reposo negativo normal, que se denomina repolarización de la membrana.

Canales de sodio y potasio activados por el voltaje

El actor necesario en la producción tanto de la despolarización como de la repolarización de la membrana nerviosa durante el potencial de acción es el canal de sodio activado por el voltaje. Un canal de potasio activado por el voltaje también tiene una función importante en el aumento de la rapidez de la repolarización de la membrana. Estos dos canales activados por el voltaje tienen una función adicional a la de la bomba Na+-K+ y de los canales de fuga de K+.

Activación e inactivación del canal de sodio activado por el voltaje

Este canal tiene dos compuertas, una cerca del exterior del canal, denominada compuerta de activación, y otra cerca del interior, denominada compuerta de inactivación. en reposo normal, cuando el potencial de membrana es de –90 mV, la compuerta de activación está cerrada, lo que impide la entrada de iones sodio hacia el interior de la fibra a través de estos canales de sodio.

Activación del canal de sodio

Cuando el potencial de membrana se hace menos negativo que durante el estado de reposo, aumentando desde –90 mV hacia cero, finalmente alcanza un voltaje (habitualmente algún punto entre –70 y –50 mV) que produce un cambio conformacional súbito en la activación de la compuerta, que bascula totalmente hasta la posición de abierta. Durante este estado activado, los iones sodio pueden atravesar el canal, aumentando la permeabilidad de la membrana al sodio hasta 500 a 5.000 veces.

Inactivación del canal de sodio

El mismo aumento de voltaje que abre la compuerta de activación también cierra la compuerta de inactivación. Sin embargo, la compuerta de inactivación se cierra algunas diezmilésimas de segundo después de que se abra la compuerta de activación. Es decir, el cambio conformacional que hace bascular la compuerta de inactivación hacia el estado cerrado es un proceso algo más lento que el cambio conformacional que abre la compuerta de activación. Por tanto, después de que el canal de sodio haya permanecido abierto durante algunas diezmilésimas de segundo se cierra la compuerta de inactivación y los iones sodio ya no pueden pasar hacia el interior de la membrana. En este punto el potencial de membrana comienza a recuperarse de nuevo hacia el estado de membrana en reposo, lo que es el proceso de repolarización.

Canal de potasio activado por el voltaje y su activación

el canal de potasio activado por el voltaje en dos estados: durante el estado de reposo y hacia el final del potencial de acción. Durante el estado de reposo la compuerta del canal de potasio está cerrada, lo que impide que los iones potasio pasen a través de este canal hacia el exterior. Cuando el potencial de membrana aumenta desde –90 mV hacia cero, este voltaje produce una apertura conformacional de la compuerta y permite el aumento de la difusión de potasio hacia fuera a través del canal. Sin embargo, debido a la ligera demora de la apertura de los canales de potasio, en su mayor parte, se abren al mismo tiempo que están comenzando a cerrarse los canales de sodio debido a su inactivación. Por tanto, la disminución de la entrada de sodio hacia la célula y el aumento simultáneo de la salida de potasio desde la célula se combinan para acelerar el proceso de repolarización, lo que da lugar a la recuperación completa del potencial de membrana en reposo en otras pocas diezmilésimas de segundo.

Funciones de otros iones durante el potencial de acción

Se deben considerar al menos otros dos tipos de iones: los aniones negativos y los iones calcio.

Iones con carga negativa (aniones) no difusibles en el interior del axón nervioso

En el interior del axón hay muchos iones de carga negativa que no pueden atravesar los canales de la membrana. Incluyen los aniones de las moléculas proteicas y de muchos compuestos de fosfato orgánicos, compuestos de sulfato y similares. Como estos iones no pueden salir del interior del axón, cualquier déficit de iones positivos en el interior de la membrana deja un exceso de estos aniones negativos no difusibles. Por tanto, estos iones negativos no difusibles son responsables de la carga negativa en el interior de la fibra cuando hay un déficit neto de iones potasio de carga positiva y de otros iones positivos.

Iones calcio

Las membranas de casi todas las células del cuerpo tienen una bomba de calcio similar a la bomba de sodio, y el calcio coopera con el sodio (o actúa en su lugar) en algunas células para producir la mayor parte del potencial de acción. Al igual que la bomba de sodio, la bomba de potasio transporta iones calcio desde el interior hacia el exterior de la membrana celular (o hacia el interior del retículo endoplásmico de la célula), creando un gradiente de ion calcio de aproximadamente 10.000 veces. Además, hay canales de calcio activados por el voltaje. Dado que la concentración de iones calcio es más de 10.000 veces mayor en el fluido extracelular que en el intracelular, existe un enorme gradiente de difusión para el flujo pasivo de iones calcio a las células. Estos canales son ligeramente permeables a los iones sodio y a los iones calcio; sin embargo, su permeabilidad al calcio es aproximadamente 1.000 veces mayor que al sodio en condiciones fisiológicas normales. Cuando el canal se abre como respuesta a un estímulo que despolariza la membrana celular, los iones calcio fluyen al interior de la célula. Una función importante de los canales de iones calcio activados por el voltaje consiste en su contribución a la fase de despolarización en el potencial de acción en algunas células. No obstante, la activación de los canales de calcio es lenta, y precisa hasta 10 a 20 veces más tiempo para su activación que los canales de sodio. Por este motivo, a menudo se denominan canales lentos, en contraposición a los canales de sodio, que se denominan canales rápidos. Por tanto, la apertura de los canales de calcio proporciona una despolarización más sostenida, mientras que los canales de sodio desempeñan un papel clave en la iniciación de los potenciales de acción. Hay abundantes canales de calcio tanto en el músculo cardíaco como el músculo liso.

Aumento de la permeabilidad de los canales de sodio cuando hay déficit de iones calcio

La concentración de iones calcio en el líquido extracelular también tiene un efecto profundo sobre el nivel de voltaje al que se activan los canales de sodio. Cuando hay déficit de iones calcio, los canales de sodio se activan (abren) por un pequeño aumento del potencial de membrana desde su nivel normal, muy negativo. Por tanto, la fibra nerviosa se hace muy excitable, y a veces descarga de manera repetitiva sin provocación en lugar de permanecer en su estado de reposo. De hecho, es necesario que la concentración del ion calcio disminuya solo un 50% por debajo de su concentración normal para que se produzca la descarga espontánea en algunos nervios periféricos, produciendo con frecuencia «tetania» muscular. Esta tetania muscular a veces resulta mortal por la contracción tetánica de los músculos respiratorios.

Inicio del potencial de acción

Un ciclo de retroalimentación positiva abre los canales de sodio

siempre que no haya alteraciones de la membrana de la fibra nerviosa, no se produce ningún potencial de acción en el nervio normal. Sin embargo, si algún episodio produce una elevación suficiente del potencial de membrana desde –90 mV hacia el nivel cero, el propio aumento del voltaje hace que empiecen a abrirse muchos canales de sodio activados por el voltaje. Esta situación permite la entrada rápida de iones sodio, lo que produce una elevación adicional del potencial de membrana y abre aún más canales de sodio activados por el voltaje y permite que se produzca una mayor entrada de iones sodio hacia el interior de la fibra. Este proceso es un círculo vicioso de retroalimentación positiva que, una vez que la retroalimentación es lo suficientemente intensa, continúa hasta que se han activado (abierto) todos los canales de sodio activados por el voltaje. Posteriormente, en un plazo de otra fracción de milisegundo, el aumento del potencial de membrana produce cierre de los canales de sodio y apertura de los canales de potasio, y pronto finaliza el potencial de acción.

Umbral para el inicio del potencial de acción

No se producirá un potencial de acción hasta que el aumento inicial del potencial de membrana sea lo suficientemente grande como para dar origen al ciclo de retroalimentación positiva. Esto se produce cuando el número de iones sodio que entran en la fibra supera al número de iones potasio que salen. Habitualmente es necesario un aumento súbito del potencial de membrana de 15 a 30 mV. Por tanto, un aumento súbito del potencial de membrana en una fibra nerviosa grande desde –90 mV hasta aproximadamente –65 mV suele dar lugar a la aparición explosiva de un potencial de acción. Se dice que este nivel de –65 mV es el umbral para la estimulación.

Propagación del potencial de acción

el potencial de acción que se produce en un punto de la membrana. Sin embargo, un potencial de acción que se desencadena en cualquier punto de una membrana excitable habitualmente excita porciones adyacentes de la membrana, dando lugar a la propagación del potencial de acción a lo largo de la membrana.

Dirección de la propagación

una membrana excitable no tiene una dirección de propagación única, sino que el potencial de acción viaja en todas las direcciones alejándose del estímulo (incluso a lo largo de todas las ramas de una fibra nerviosa) hasta que se ha despolarizado toda la membrana.

Principio del todo o nada

Una vez que se ha originado un potencial de acción en cualquier punto de la membrana de una fibra normal, el proceso de despolarización viaja por toda la membrana si las condiciones son las adecuadas, o no viaja en absoluto si no lo son. Este principio se denomina principio del todo o nada y se aplica a todos los tejidos excitables normales.

Restablecimiento de los gradientes iónicos de sodio y potasio tras completarse los potenciales de acción: la importancia del metabolismo de la energía

La propagación de cada potencial de acción a lo largo de una fibra nerviosa reduce ligeramente las diferencias de concentración de sodio y de potasio en el interior y en el exterior de la membrana, porque los iones sodio difunden hacia el interior durante la despolarización y los iones potasio difunden hacia el exterior durante la repolarización. Para un único potencial de acción este efecto es tan pequeño que no se puede medir. los iones sodio que han difundido hacia el interior de la célula durante los potenciales de acción y los iones potasio que han difundido hacia el exterior deben volver a su estado original por la bomba Na+-K+. Como esta bomba precisa energía para esta operación, esta «recarga» de la fibra nerviosa es un proceso metabólico activo que utiliza la energía que procede del sistema energético del trifosfato de adenosina de la célula.

Una característica especial de la bomba Na+-K+-adenosina trifosfatasa es que su grado de actividad se estimula mucho cuando se acumula un exceso de iones sodio en el interior de la membrana celular. De hecho, la actividad de bombeo aumenta aproximadamente en proporción a la tercera potencia de esta concentración intracelular de sodio. Cuando la concentración interna de sodio aumenta desde 10 hasta 20 mEq/l, la actividad de la bomba no solo aumenta, sino que lo hace aproximadamente ocho veces.

Meseta en algunos potenciales de acción

En algunos casos la membrana excitada no se repolariza inmediatamente después de la despolarización; por el contrario, el potencial permanece en una meseta cerca del máximo del potencial de espiga durante muchos milisegundos, y solo después comienza la repolarización. Este tipo de potencial de acción se produce en las fibras musculares cardíacas, en las que la meseta dura hasta 0,2 a 0,3 s y hace que la contracción del músculo cardíaco dure este mismo y prolongado período de tiempo.

La causa de la meseta es una combinación de varios factores. En primer lugar, en el proceso de despolarización del músculo cardíaco participan dos tipos de canales: 1) los canales de sodio habituales activados por el voltaje, denominados canales rápidos, y 2) los canales de calcio-sodio activados por el voltaje (canales de calcio de tipo L), que tienen una apertura lenta y que, por tanto, se denominan canales lentos. La apertura de los canales rápidos origina la porción en espiga del potencial de acción, mientras que la apertura prolongada de los canales lentos de calcio-sodio principalmente permite la entrada de iones calcio en la fibra, lo que es responsable en buena medida de la porción de meseta del potencial de acción.

Ritmicidad de algunos tejidos excitables: descarga repetitiva

Las descargas repetitivas autoinducidas aparecen normalmente en el corazón, en la mayor parte del músculo liso y en muchas neuronas del sistema nervioso central. Estas descargas rítmicas producen:

1) el latido rítmico del corazón

2) el peristaltismo rítmico de los intestinos

3) fenómenos neuronales, como el control rítmico de la respiración.

Además, casi todos los demás tejidos excitables pueden descargar de manera repetitiva si se reduce lo suficiente el umbral de estimulación de las células del tejido.

Proceso de reexcitación necesario para la ritmicidad espontánea

Para que se produzca ritmicidad espontánea la membrana, incluso en su estado natural, debe ser lo suficientemente permeable a los iones sodio (o a los iones calcio y sodio a través de los canales lentos de calcio-sodio) como para permitir la despolarización automática de la membrana. el potencial de membrana «en reposo» del centro de control rítmico del corazón es de solo – 60 a –70 mV; este voltaje no es lo suficientemente negativo como para mantener totalmente cerrados los canales de sodio y de calcio. Por tanto, se produce la siguiente secuencia:

1) algunos iones sodio y calcio fluyen hacia el interior

2) esta actividad produce aumento del voltaje de la membrana en dirección positiva, que aumenta más la permeabilidad de la membrana

3) se produce flujo de entrada de aún más iones

4)aumenta más la permeabilidad, de manera progresiva, hasta que se genera un potencial de acción.

Después, al final del potencial de acción se repolariza la membrana. Tras otra demora de milisegundos o segundos la excitabilidad espontánea produce una nueva despolarización y se produce espontáneamente un nuevo potencial de acción. Este ciclo continúa de manera indefinida y produce la excitación rítmica autoinducida del tejido excitable.

Características especiales de la transmisión de señales en los troncos nerviosos

Fibras nerviosas mielinizadas y no mielinizadas

fibra mielinizada típica: el núcleo central de la fibra es el axón, y la membrana del axón es la membrana que realmente conduce el potencial de acción. El axón contiene en su centro el axoplasma, que es un líquido intracelular viscoso. Alrededor del axón hay una vaina de mielina que con frecuencia es mucho más gruesa que el propio axón. Aproximadamente una vez cada 1 a 3 mm a lo largo de la vaina de mielina hay un nódulo de Ranvier.

Las células de Schwann depositan la vaina de mielina alrededor del axón de la siguiente manera: en primer lugar, la membrana de una célula de Schwann rodea el axón. Después, la célula de Schwann rota muchas veces alrededor del axón, depositando múltiples capas de membrana de la célula de Schwann que contiene la sustancia lipídica esfingomielina. Esta sustancia es un excelente aislante eléctrico que disminuye el flujo iónico a través de la membrana aproximadamente 5.000 veces. En la unión entre dos células de Schwann sucesivas a lo largo del axón permanece una pequeña zona no aislada de solo 2 a 3 μm de longitud en la que los iones pueden seguir fluyendo con facilidad a través de la membrana del axón entre el líquido extracelular y el líquido intracelular del interior del axón. Esta zona se denomina nódulo de Ranvier.

Conducción «saltatoria» en las fibras mielinizadas de un nódulo a otro

Aunque los iones apenas pueden fluir a través de las gruesas vainas de mielina de los nervios mielinizados, sí lo hacen fácilmente a través de los nódulos de Ranvier. Por tanto, los potenciales de acción se producen solo en los nódulos. A pesar de todo, los potenciales de acción se conducen desde un nódulo a otro, esto se denomina conducción saltatoria. Es decir, la corriente eléctrica fluye por el líquido extracelular circundante que está fuera de la vaina de mielina, así como por el axoplasma del interior del axón, de un nódulo a otro, excitando nódulos sucesivos uno después de otro. Así, el impulso nervioso recorre a saltos la fibra, lo que es el origen del término «saltatoria».

Velocidad de conducción en las fibras nerviosas

La velocidad de conducción del potencial de acción en las fibras nerviosas varía desde tan solo 0,25 m/s en las fibras no mielinizadas pequeñas hasta 100 m/s (un valor superior a la longitud de un campo de fútbol en un segundo) en las fibras mielinizadas grandes.

Excitación: el proceso de generación del potencial de acción

cualquier factor que haga que los iones sodio comiencen a difundir hacia el interior a través de la membrana en un número suficiente puede desencadenar la apertura regenerativa automática de los canales de sodio. Esta apertura regenerativa automática se puede deber a un trastorno mecánico de la membrana, a los efectos químicos sobre la membrana o al paso de electricidad a través de la membrana.

«Período refractario» tras un potencial de acción, durante el cual no se puede generar un nuevo estímulo

No se puede producir un nuevo potencial de acción en una fibra excitable mientras la membrana siga despolarizada por el potencial de acción precedente. El motivo de esta restricción es que poco después del inicio del potencial de acción se inactivan los canales de sodio (o los canales de potasio, o ambos), y ninguna magnitud de la señal excitadora que se aplique a estos canales en este momento abrirá las compuertas de inactivación. La única situación que permitirá que se vuelvan a abrir es que el potencial de membrana vuelva al nivel del potencial de membrana en reposo original o cerca de este. Entonces, en otra pequeña fracción de segundo se abren las compuertas de inactivación del canal y se puede iniciar un nuevo potencial de acción. El período durante el cual no se puede generar un segundo potencial de acción, incluso con un estímulo intenso, se denomina período refractario absoluto. Para las fibras nerviosas mielinizadas grandes este período es de aproximadamente 1/2.500 s.

Anestésicos locales

Entre los estabilizadores más importantes están las muchas sustancias que se utilizan en clínica como anestésicos locales, como procaína y tetracaína. La mayoría de estas sustancias actúan directamente sobre las compuertas de activación de los canales de sodio, haciendo que sea mucho más difícil abrir estas compuertas, reduciendo de esta manera la excitabilidad de la membrana. Cuando se ha reducido tanto la excitabilidad que el cociente entre en la intensidad del potencial de acción respecto al umbral de excitabilidad (denominado «factor de seguridad») se reduce por debajo de 1, los impulsos nerviosos no pasan a lo largo de los nervios anestesiados.

video sobre capitulo 4

video sobre capitulo 5

FISIOLOGIA

UNIDAD I INTRODUCCIÓN A LA FISIOLOGÍA: LA CÉLULA Y LA FISIOLOGÍA GENERAL

Organización funcional del cuerpo humano y control del «medio interno»

La fisiología es la ciencia que pretende explicar los mecanismos físicos y químicos responsables del origen, desarrollo y progresión de la vida. La mayoría de las funciones fisiológicas pueden separarse en fisiología: vírica, bacteriana, celular, vegetal, de los invertebrados, de los vertebrados, de los mamíferos, humana y muchas otras subdivisiones.

Fisiología humana

La fisiología humana intenta explicar las características y mecanismos específicos del cuerpo humano que hacen que sea un ser vivo. El hecho de mantenerse vivo es el resultado de sistemas de control complejos.

Las células como unidades vivas del cuerpo

La unidad viva básica del cuerpo es la célula. Cada órgano es un agregado de muchas células diferentes que se mantienen unidas mediante estructuras de soporte intercelulares. Cada tipo de célula está especialmente adaptado para realizar una o más funciones concretas.

Por ejemplo, los eritrocitos, cuya cantidad asciende aproximadamente a 25 billones en cada ser humano, transportan el oxígeno desde los pulmones a los tejidos. Aunque los eritrocitos son las más abundantes entre todas las células corporales, hay 75 billones de células más de otros tipos que realizan funciones diferentes. El cuerpo en su conjunto contiene en torno a 100 billones de células. Aunque las múltiples células del cuerpo son muy diferentes entre sí, todas ellas tienen determinadas características básicas que son similares.

Los mecanismos químicos generales que permiten cambiar los nutrientes en energía son básicamente los mismos en todas las células y todas las células liberan los productos de sus reacciones químicas en los líquidos circundantes. Todas las células tienen la capacidad de reproducirse formando más células de su propia estirpe. Por fortuna, cuando se destruyen células de un tipo en particular, el resto de las células de este tipo genera nuevas células hasta rellenar el cupo.

Líquido extracelular: el «medio interno»

El 60% del cuerpo humano del adulto es líquido, principalmente una solución acuosa de iones y otras sustancias. Si bien casi todo este líquido queda dentro de las células y se conoce como líquido intracelular, aproximadamente una tercera parte se encuentra en los espacios exteriores a las células y se denomina líquido extracelular.

Este líquido extracelular está en movimiento constante por todo el cuerpo y se transporta rápidamente en la sangre circulante para mezclarse después entre la sangre y los líquidos tisulares por difusión a través de las paredes capilares. En el líquido extracelular están los iones y nutrientes que necesitan las células para mantenerse vivas, por este motivo, el líquido extracelular también se denomina medio interno del organismo.

Las células son capaces de vivir y realizar sus funciones especiales, siempre que este medio interno disponga de las concentraciones adecuadas de oxígeno, glucosa, distintos iones, aminoácidos, sustancias grasas y otros componentes.

Diferencias entre los líquidos extracelular e intracelular

Líquido extracelular: contiene grandes cantidades de iones sodio, cloruro y bicarbonato más nutrientes para las células, como oxígeno, glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. También contiene dióxido de carbono, que se transporta desde las células a los pulmones para ser excretado junto con otros residuos celulares que se transportan a los riñones para su excreción.

Líquido intracelular: contiene grandes cantidades de iones potasio, magnesio y fosfato.

Los mecanismos especiales de transporte de iones a través de la membrana celular mantienen las diferencias en la concentración de iones entre los líquidos extracelular e intracelular.

Homeostasis: mantenimiento de un medio interno casi constante

En 1929, el fisiólogo estadounidense walter cannon (1871-1945) acuñó el término homeostasis para referirse al mantenimiento de unas condiciones casi constantes del medio interno. Esencialmente todos los órganos y tejidos del organismo realizan funciones que colaboran en el mantenimiento de estas condiciones relativamente constantes.

Los diversos iones, nutrientes, productos de desecho y otros componentes del organismo están regulados normalmente dentro de un intervalo de valores, no poseen valores fijos. Existen poderosos sistemas de control para mantener las concentraciones de sodio e hidrógeno, así como la mayoría de los demás iones, nutrientes y sustancias del organismo, en niveles que permitan que las células, los tejidos y los órganos lleven a cabo sus funciones normales, pese a grandes variaciones ambientales y a las dificultades derivadas de lesiones y enfermedades.

Las funciones normales del organismo exigen acciones integradas de células, tejidos, órganos y los múltiples sistemas de control nervioso, hormonales y locales que contribuyen conjuntamente a la homeostasis y a la buena salud.

La enfermedad se considera un estado de ruptura de la homeostasis. Sin embargo, incluso en presencia de enfermedades, los mecanismos homeostáticos siguen activos y mantienen las funciones vitales a través de múltiples compensaciones.

Las compensaciones homeostáticas que se producen en el organismo después de una lesión, una enfermedad o de cambios ambientales importantes pueden verse como un «compromiso» necesario para mantener las funciones vitales si bien, a largo plazo, pueden contribuir a inducir anomalías adicionales en el organismo. La disciplina de la fisiopatología pretende explicar cómo se alteran los diversos procesos fisiológicos durante las enfermedades y las lesiones.

Transporte en el líquido extracelular y sistema de mezcla: el aparato circulatorio

El líquido extracelular circula por el organismo en dos etapas:

Primera etapa: consiste en el movimiento de la sangre por el cuerpo dentro de los vasos sanguíneos.

Segunda etapa: es el movimiento del líquido entre los capilares sanguíneos y los espacios intercelulares entre las células tisulares.

A medida que la sangre atraviesa los capilares sanguíneos se produce también un intercambio continuo de líquido extracelular entre la porción del plasma de la sangre y el líquido intersticial que rellena los espacios intercelulares. Las paredes de los capilares son permeables a la mayoría de las moléculas del plasma sanguíneo, con la excepción de las proteínas plasmáticas, que son demasiado grandes para pasar con facilidad a través de los capilares. Grandes cantidades de líquido y sus componentes disueltos difunden yendo y viniendo entre la sangre y los espacios tisulares. Este proceso de difusión se debe al movimiento cinético de las moléculas en el plasma y en el líquido intersticial, es decir, el líquido y las moléculas disueltas están en movimiento continuo y van dando tumbos en todas las direcciones dentro del plasma y el líquido en los espacios intercelulares, además de atravesar los poros capilares.

Origen de los nutrientes en el líquido extracelular

Aparato respiratorio

Cada vez que la sangre atraviesa el organismo también fluye por los pulmones y capta el oxígeno a través de los alvéolos, adquiriendo el oxígeno que necesitan las células. La membrana que separa los alvéolos y la luz de los capilares pulmonares, la membrana alveolar, tiene un grosor de tan solo 0,4 a 2 μm y el oxígeno difunde rápidamente por el movimiento molecular a través de esta membrana para entrar en la sangre.

Aparato digestivo

Una gran porción de la sangre que bombea el corazón también atraviesa las paredes del aparato digestivo, donde se absorben los distintos nutrientes, incluidos los hidratos de carbono, los ácidos grasos y los aminoácidos, desde el alimento ingerido hacia el líquido extracelular de la sangre.

Hígado y otros órganos que realizan principalmente funciones metabólicas

No todas las sustancias absorbidas del aparato digestivo pueden usarse tal como las células las absorben y el hígado es el encargado de cambiar la composición química de muchas de ellas, para convertirlas en formas más utilizables, mientras que otros tejidos corporales, los adipocitos, la mucosa digestiva, los riñones y las glándulas endocrinas, modifican o almacenan las sustancias absorbidas hasta que son necesitadas. El hígado elimina también ciertos residuos producidos en el cuerpo y las sustancias tóxicas que se ingieren.

Aparato locomotor

Si no fuera por los músculos, el organismo no podría desplazarse para obtener los alimentos que se necesitan para la nutrición. El aparato locomotor también permite la movilidad como protección frente al entorno, sin la cual todo el organismo, incluidos sus mecanismos homeostáticos, sería destruido.

Eliminación de los productos finales metabólicos

Eliminación del dióxido de carbono en los pulmones

Al mismo tiempo que la sangre capta el oxígeno en los pulmones, se libera el dióxido de carbono desde la sangre hacia los alvéolos y el movimiento respiratorio de aire que entra y sale de los pulmones transporta el dióxido de carbono hacia la atmósfera. El dióxido de carbono es el más abundante de todos los productos del metabolismo.

Riñones

Con el paso de la sangre a través de los riñones se eliminan del plasma la mayoría de las sustancias que las células ya no necesitan, como son los distintos productos finales del metabolismo celular, como: la urea y el ácido úrico y el exceso de iones y agua de los alimentos, que podrían acumularse en el líquido extracelular. La mayoría de las demás sustancias que el organismo no necesita (en especial los productos de desecho metabólicos) se reabsorben mal y atraviesan los túbulos renales hacia la orina. Los riñones realizan su función filtrando primero una gran cantidad de plasma a través de los capilares de los glomérulos hacia los túbulos y reabsorbiendo hacia la sangre las sustancias que necesita el organismo, como: glucosa, aminoácidos, cantidades apropiadas de agua y muchos de los iones.

Aparato digestivo

El material no digerido que entra en el aparato digestivo y algunos productos residuales del metabolismo se eliminan en las heces.

Hígado

Entre sus funciones se encuentra la detoxificación o eliminación de numerosos fármacos y productos químicos que se ingieren. Secreta muchos de estos residuos en la bilis para su eliminación ulterior en las heces.

Regulación de las funciones corporales

Sistema nervioso

Está compuesto por tres partes principales:

La porción de aferencia sensitiva. Los receptores sensitivos detectan el estado del cuerpo o de su entorno (piel, ojos, oidos, etc).
Sistema nervioso central (o la porción integradora). Está formado por el cerebro y la médula espinal. El cerebro almacena información, genera los pensamientos, crea la ambición y determina las reacciones que debe manifestar el cuerpo en respuesta a las sensaciones para, a continuación, transmitir las señales apropiadas a través de la porción motora eferente del sistema nervioso.

Un segmento importante del sistema nervioso es el sistema nervioso autónomo o neurovegetativo, que funciona a escala subconsciente y controla muchas de las funciones de los órganos internos, como la función de bomba del corazón, los movimientos del aparato digestivo y la secreción en muchas de las glándulas corporales.

3.La porción eferente motora. Llevar a cabo los deseos del sujeto

Sistemas hormonales

Dentro del organismo se encuentran ocho glándulas endocrinas mayores y varios órganos y tejidos que segregan productos químicos denominados hormonas. Las hormonas se transportan en el líquido extracelular a otras partes del cuerpo para regular las funciones celulares, proporcionan un sistema de regulación que complementa al sistema nervioso. Ejemplo:

Hormona tiroidea: aumenta la velocidad de la mayoría de las reacciones químicas de todas las células, con lo que se facilita el ritmo de la actividad corporal.

Insulina: controla el metabolismo de la glucosa.

Hormonas corticosuprarrenales: controlan los iones sodio y potasio y el metabolismo proteico.

Hormona paratiroidea: controla el calcio y el fosfato en el hueso.

El sistema nervioso regula numerosas actividades musculares y secretoras del organismo, mientras que el sistema hormonal regula muchas de las funciones metabólicas. Normalmente, los sistemas nerviosos y hormonales trabajan de forma coordinada para controlar esencialmente todos los sistemas orgánicos del cuerpo.

Protección del cuerpo

Sistema inmunitario

El sistema inmunitario está formado por los glóbulos blancos, células tisulares derivadas de los glóbulos blancos, el timo, los nódulos linfáticos y los vasos linfáticos que protegen el cuerpo de patógenos como bacterias, virus, parásitos y hongos.

El sistema inmunitario proporciona un mecanismo para que el cuerpo:

1) diferencie sus propias células de las células y sustancias extrañas.

2) destruya al invasor por fagocitosis o mediante la producción de linfocitos sensibilizados o proteínas especializadas (p. Ej., anticuerpos) que destruyen o neutralizan al invasor.

Sistema tegumentario

La piel y sus diversos anejos, como el pelo, las uñas, las glándulas y otras estructuras, cubren, amortiguan y protegen los tejidos profundos y los órganos del cuerpo y, en general, definen una frontera entre el medio corporal interno y el mundo exterior. Es importante también para la regulación de la temperatura y la excreción de los residuos y proporciona una interfaz sensorial entre el cuerpo y el medio exterior. La piel suele comprender entre aproximadamente el 12 y el 15% del peso corporal.

Reproducción

A veces no se considera que la reproducción sea una función homeostática, aunque ayuda a mantener la homeostasis generando nuevos seres que ocuparán el lugar de aquellos que mueren.

Sistemas de control del organismo

El cuerpo humano contiene miles de sistemas de control. Algunos de los más intrincados de estos sistemas son los de control genético que actúan en todas las células para mantener el control de las funciones intracelulares y extracelulares. Hay muchos otros sistemas de control que actúan dentro de los órganos para controlar las funciones de sus componentes, otros actúan a través de todo el organismo para controlar las interrelaciones entre los órganos.

Ejemplos de mecanismos de control

Regulación de las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono en el líquido extracelular

Como el oxígeno es una de las principales sustancias que requieren las reacciones químicas de las células, el organismo tiene un mecanismo de control especial para mantener una concentración casi exacta y constante de oxígeno en el líquido extracelular. Este mecanismo depende principalmente de las características químicas de la hemoglobina, que está presente en todos los eritrocitos. La hemoglobina se combina con el oxígeno a medida que la sangre atraviesa los pulmones. Posteriormente, cuando la sangre atraviesa los capilares tisulares, su propia afinidad química por el oxígeno permite que no lo libere en los tejidos si ya hay demasiado. Sin embargo, si la concentración de oxígeno en el líquido tisular es demasiado baja, se libera oxígeno suficiente para restablecer una concentración adecuada. La regulación de la concentración de oxígeno en los tejidos se conoce como función amortiguadora de oxígeno de la hemoglobina. El dióxido de carbono es el principal producto final de las reacciones oxidativas de las células; si todo el dióxido de carbono que se forma en ellas se acumulara en los líquidos tisulares, todas las reacciones que aportan oxígeno a la célula cesarían. Por fortuna, una concentración mayor de lo normal de dióxido de carbono en la sangre excita el centro respiratorio, haciendo que la persona tenga una respiración rápida y profunda. Esta aumenta la espiración de dióxido de carbono y, por tanto, elimina el exceso de dióxido de carbono de la sangre y los líquidos tisulares. Este proceso continúa hasta que la concentración vuelve a la normalidad.

Regulación de la presión arterial

Hay varios sistemas que contribuyen a la regulación de la presión arterial. Uno de ellos, el sistema de barorreceptores es un mecanismo de control de acción rápida.

En las paredes de la zona en que se bifurcan las arterias carótidas en el cuello, y también en el cayado aórtico en el tórax, se encuentran muchos receptores nerviosos denominados barorreceptores que se estimulan cuando se estira la pared arterial. Cuando la presión arterial es demasiado elevada los barorreceptores envían descargas de impulsos nerviosos al bulbo raquídeo cerebral, que es donde estos impulsos inhiben el centro vasomotor y, a su vez, disminuyen el número de impulsos transmitidos desde el centro vasomotor a través del sistema nervioso simpático hacia el corazón y los vasos sanguíneos. La ausencia de estos impulsos hace que disminuya la actividad de bomba en el corazón y también produce una dilatación de los vasos sanguíneos periféricos, lo que permite aumentar el flujo de sangre a través de ellos. Ambos efectos hacen que la presión arterial disminuya y tienda a recuperar sus valores normales. Por el contrario, el descenso de la presión arterial por debajo de lo normal relaja los receptores de estiramiento y hace que el centro vasomotor se vuelva más activo de lo habitual, con lo que se provoca vasoconstricción y un aumento de la acción de la bomba cardíaca. Así, el descenso en la presión arterial conlleva también una elevación hasta alcanzar la normalidad.

Valores normales y características físicas de los principales componentes del líquido extracelular

Obsérvese que el intervalo normal de cada uno de ellos es muy estrecho. Los valores fuera de estos intervalos suelen deberse a una enfermedad, una lesión u otros problemas importantes en el medio. Lo más importante es conocer los límites por encima de los cuales estas alteraciones provocan la muerte. Por ejemplo, siempre que disminuya a menos de un tercio de la normalidad de la concentración del ion potasio es probable que la persona quede paralizada debido a que los nervios ya no pueden transportar las señales. Por el contrario, cuando la concentración del ion potasio aumenta dos o más veces por encima de lo normal es probable que el músculo cardíaco esté muy deprimido. Cuando la concentración del ion calcio se reduce a la mitad de la normalidad aparecen contracciones tetánicas de los músculos de todo el cuerpo por la generación espontánea de un número excesivo de impulsos nerviosos en los nervios periféricos. Cuando la concentración de glucosa disminuye por debajo de la mitad de lo normal, se desarrolla una irritabilidad mental extrema y, en ocasiones, incluso aparecen convulsiones.

Características de los sistemas de control

Retroalimentación negativa de la mayoría de los sistemas de control

La mayoría de los sistemas de control del organismo actúan mediante una retroalimentación negativa. Al hablar de la regulación de la concentración del dióxido de carbono, la ventilación pulmonar aumenta cuando dicha concentración se eleva en el líquido extracelular. A su vez, el aumento de la ventilación pulmonar disminuye la concentración de dióxido de carbono en el líquido extracelular porque los pulmones espiran cantidades mayores de dióxido de carbono del organismo. La concentración elevada de dióxido de carbono inicia una serie de sucesos que disminuyen la concentración hacia la normalidad, lo que es una señal negativa para iniciar el estímulo. Por el contrario, una concentración de dióxido de carbono que disminuye demasiado produce una retroalimentación que tiende a aumentar la concentración. Esta respuesta también es negativa para iniciar el estímulo. Por tanto, en general, si algún factor se vuelve excesivo o deficiente, un sistema de control inicia una retroalimentación negativa que consiste en una serie de cambios que devuelven ese factor hacia un determinado valor medio, con lo que se mantiene la homeostasis.

La retroalimentación positiva a veces provoca círculos viciosos y la muerte

Si se tiene en cuenta la naturaleza de la retroalimentación positiva, resulta evidente que no consigue la estabilidad, sino la inestabilidad y, en algunos casos, puede causar la muerte. Ejemplo: el corazón de un ser humano sano bombea aproximadamente 5 l de sangre por minuto. Si una persona tiene bruscamente una hemorragia de 2 l, la cantidad de sangre del organismo disminuye hasta un nivel tan bajo que no queda sangre suficiente para que el corazón bombee eficazmente. En consecuencia, cae la presión arterial y disminuye el flujo de sangre que llega hacia el músculo cardíaco a través de los vasos coronarios. Este escenario lleva a que el corazón se debilite, el efecto de bomba pierda eficacia, disminuya aún más el flujo de sangre coronario y el corazón se debilite aún más; este ciclo se repite una y otra vez, hasta que se produce la muerte. La retroalimentación positiva se debería denominar mejor «círculo vicioso», aunque los mecanismos de control de retroalimentación negativa del organismo pueden superar los grados leves de retroalimentación positiva y no se desarrolla el círculo vicioso.

La retroalimentación positiva a veces es útil

En algunos casos, el organismo usa la retroalimentación positiva a su favor. La coagulación sanguínea, el parto y la generación de señales nerviosas son ejemplos del gran valor que tiene la retroalimentación positiva.

Cuando se rompe un vaso sanguíneo y comienza a formarse un coágulo, dentro de este se activan muchas enzimas denominadas factores de coagulación. Algunas de estas enzimas actúan sobre otras enzimas inactivadas que están en la sangre inmediatamente adyacente, con lo que se consigue que coagule más sangre. Este proceso continúa hasta que el orificio del vaso se tapona y cesa la hemorragia. A veces, este mecanismo se descontrola y provoca la formación de coágulos no deseados. Este proceso es el que inicia la mayoría de los ataques cardíacos.

Cuando las contracciones uterinas son suficientemente fuertes como para que la cabeza del niño comience a empujar el cuello uterino, el estiramiento de este envía señales a través del músculo uterino que vuelven hasta el cuerpo del útero, provocando contracciones aún más potentes. Es decir, las contracciones uterinas estiran el cuello y el estiramiento del cuello provoca contracciones más potentes. El niño nace cuando este proceso adquiere la potencia suficiente; si no lo hace, las contracciones se desvanecen y transcurren algunos días hasta que vuelven a comenzar.

La estimulación de la membrana de una fibra nerviosa provoca una pequeña pérdida de iones sodio a través de los canales de sodio de la membrana nerviosa hacia el interior de la fibra. Los iones sodio que entran en la fibra cambian el potencial de membrana, lo que a su vez provoca la apertura de más canales, un cambio mayor del potencial, la apertura de más canales, y así sucesivamente. Es decir, una pequeña fuga se convierte en una explosión de sodio que entra en la fibra nerviosa creando un potencial de acción en el nervio. Este potencial de acción provoca, a su vez, una corriente eléctrica que fluye a lo largo del exterior y del interior de la fibra nerviosa e inicia nuevos potenciales de acción. Este proceso continúa una y otra vez hasta que la señal nerviosa recorre la fibra hasta su extremo. Siempre que la retroalimentación positiva es útil, la retroalimentación positiva forma parte de un proceso global de retroalimentación negativa. Además, la retroalimentación positiva que provoca las señales nerviosas permite que los nervios participen en los miles de sistemas de control de retroalimentación negativa de los nervios.

Tipos más complejos de sistemas de control: control adaptativo

Algunos movimientos del organismo son tan rápidos que no hay tiempo suficiente para que las señales nerviosas se desplacen desde la periferia del organismo hasta el cerebro y vuelvan a la periferia para controlar el movimiento, por lo que el cerebro aplica un principio que se conoce como control anterógrado, que hace que se contraigan los músculos apropiados, es decir, las señales del nervio sensible de las partes en movimiento informan al cerebro si el movimiento se está realizando correctamente. En caso contrario, el cerebro corrige las señales anterógradas que envía hacia los músculos la siguiente vez que se necesite ese movimiento.

LA CÉLULA Y SUS FUNCIONES

Cada una de los 100 billones de células de un ser humano es una estructura viva que puede sobrevivir durante meses o incluso años, siempre que los líquidos de su entorno contengan los nutrientes apropiados. Las células son los elementos básicos que conforman el organismo.

aportan la estructura de los tejidos y los órganos del cuerpo.
ingieren los nutrientes y los convierten en energía.
realizan funciones especializadas.
contienen el código hereditario del organismo que controla las sustancias sintetizadas por las células y les permite realizar copias de sí mismas.

Organización de la célula

Sus dos partes más importantes son el núcleo y el citoplasma, que están separados entre sí por una membrana nuclear, mientras que el citoplasma está separado de los líquidos circundantes por una membrana celular que también se conoce como membrana plasmática.

Las diferentes sustancias que componen la célula se conocen colectivamente como protoplasma. El protoplasma está compuesto principalmente por cinco sustancias: agua, electrólitos, proteínas, lípidos e hidratos de carbono.

Agua :El principal medio líquido de la célula es el agua, que está presente en la mayoría de las células, excepto en los adipocitos, en una concentración del 70-85%. Muchos de los componentes químicos de la célula están disueltos en el agua, mientras que otros están en suspensión como micropartículas sólidas.

Iones : Algunos de los iones importantes de la célula son el potasio, el magnesio, el fosfato, el sulfato, el bicarbonato y cantidades más pequeñas de sodio, cloruro y calcio. Los iones son los productos químicos inorgánicos de las reacciones celulares y además son necesarios para el funcionamiento de algunos de los mecanismos de control celulares.

Proteínas: Después del agua, las sustancias más abundantes en la mayoría de las células son las proteínas, que normalmente constituyen entre el 10 y el 20% de la masa celular. Son de dos tipos:

1)Proteínas estructurales: están presentes en la célula principalmente en forma de filamentos largos que son polímeros de muchas moléculas proteicas individuales. Un uso importante de este tipo de filamentos intracelulares es la formación de microtúbulos que proporcionan los «citoesqueletos» de orgánulos celulares como los cilios, axones nerviosos, husos mitóticos de las células en mitosis y masas arremolinadas de túbulos filamentosos finos que mantienen unidas las partes del citoplasma y nucleoplasma en sus compartimientos respectivos.

2)Proteínas funcionales: compuesto habitualmente por combinaciones de pocas moléculas en un formato tubular-globular. A menudo son móviles dentro del líquido celular. Las enzimas entran en contacto directo con otras sustancias del líquido celular y catalizan reacciones químicas intracelulares específicas.

Lípidos : son varios tipos de sustancias que se agrupan porque tienen una propiedad común de ser solubles en disolventes grasos. Lípidos especialmente importantes son los fosfolípidos y el colesterol, que juntos suponen solo el 2% de la masa total de la célula. Su importancia radica en que, al ser principalmente insolubles en agua, se usan para formar las barreras de la membrana celular y de la membrana intracelular que separan los distintos compartimientos celulares.

Hidratos de carbono: tienen escasas funciones estructurales en la célula, salvo porque forman parte de las moléculas glucoproteicas, pero sí tienen un papel muy importante en la nutrición celular. Los hidratos de carbono siempre están presentes en forma de glucosa disuelta en el líquido extracelular circundante, de forma que es fácilmente accesible a la célula.

Estructura física de la célula

La célula contiene estructuras físicas muy organizadas que se denominan orgánulos intracelulares.

Estructuras membranosas de la célula

La mayoría de los orgánulos de la célula están cubiertos por membranas compuestas principalmente por lípidos y proteínas. Estas membranas son la membrana celular, nuclear, del retículo endoplásmico y las de la mitocondria, los lisosomas y el aparato de Golgi. Los lípidos de las membranas proporcionan una barrera que impide el movimiento de agua y sustancias hidrosolubles desde un compartimiento celular a otro, porque el agua no es soluble en lípidos.

Membrana celular

La membrana celular o membrana plasmática cubre la célula y es una estructura elástica, fina y flexible que tiene un grosor de tan solo 7,5 a 10 nm. Está formada casi totalmente por proteínas y lípidos, con una composición aproximada de un 55% de proteínas, un 25% de fosfolípidos, un 13% de colesterol, un 4% de otros lípidos y un 3% de hidratos de carbono.

La barrera lipídica de la membrana celular impide la penetración de sustancias hidrosolubles

Su estructura básica consiste en una bicapa lipídica, una película fina de doble capa de lípidos, cada una de las cuales contiene una sola molécula de grosor y rodea de forma continua toda la superficie celular. En esta película lipídica se encuentran intercaladas grandes proteínas globulares. La bicapa lipídica básica está formada por tres tipos principales de lípidos:

Fosfolípidos: son los más abundantes en la membrana celular. Un extremo de cada molécula de fosfolípido es soluble en agua, es decir, es hidrófilo (extremo fosfato), mientras que el otro es soluble solo en grasas, es decir, es hidrófobo( porción del ácido graso). La capa lipídica de la zona media de la membrana es impermeable a las sustancias hidrosolubles habituales, como iones, glucosa y urea. Por el contrario, las sustancias hidrosolubles, como oxígeno, dióxido de carbono y alcohol, pueden penetrar en esta porción de la membrana con facilidad.

Esfingolípidos: derivados del aminoalcohol esfingosina, tienen también grupos hidrófobos e hidrófilos y están presentes en pequeñas cantidades en las membranas celulares, especialmente en las células nerviosas. Los esfingolípidos complejos de las membranas celulares tienen varias funciones, como son la protección frente a factores perniciosos del entorno, la transmisión de señales y como sitios de adhesión para proteínas extracelulares.

Colesterol: Las moléculas de colesterol de la membrana son también lípidos, porque sus núcleos esteroides son muy liposolubles. Estas moléculas, en cierto sentido, están disueltas en la bicapa de la membrana. Una de sus funciones más importantes consiste en determinar el grado de permeabilidad (o impermeabilidad) de la bicapa ante los componentes hidrosolubles de los líquidos del organismo. También controla gran parte de la fluidez de la membrana.

PROTEÍNAS DE LA MEMBRANA CELULAR INTEGRALES Y PERIFÉRICAS

Estas proteínas de membrana son principalmente glucoproteínas. Existen dos tipos de proteínas de membrana celular: proteínas integrales que protruyen por toda la membrana y proteínas periféricas que se unen solo a una superficie de la membrana y que no penetran en todo su espesor. Muchas de las proteínas integrales componen canales estructurales (o poros) a través de los cuales las moléculas de agua y las sustancias hidrosolubles, especialmente los iones, pueden difundir entre los líquidos extracelular e intracelular. Otras proteínas integrales actúan como proteínas transportadoras de sustancias que, de otro modo, no podrían penetrar en la bicapa lipídica. Las proteínas integrales de la membrana pueden actuar también como receptores de los productos químicos hidrosolubles. La interacción de los receptores de la membrana celular con ligandos específicos que se unen al receptor provoca cambios conformacionales de la proteína del receptor. Las moléculas proteicas periféricas se unen con frecuencia a las proteínas integrales, de forma que las proteínas periféricas funcionan casi totalmente como enzimas o como controladores del transporte de sustancias a través de los «poros» de la membrana celular.

Hidratos de carbono de la membrana: «glucocáliz» celular

Los hidratos de carbono de la membrana se presentan casi invariablemente combinados con proteínas o lípidos en forma de glucoproteínas o glucolípidos. De hecho, la mayoría de las proteínas integrales son glucoproteínas y aproximadamente la décima parte de las moléculas lipídicas de la membrana son glucolípidos. Hay muchos otros compuestos de hidratos de carbono, que se denominan proteoglucanos y son principalmente hidratos de carbono unidos a núcleos de proteínas pequeñas, que se unen laxamente a la superficie externa de la pared celular, es decir, toda la superficie externa de la célula a menudo contiene un recubrimiento débil de hidratos de carbono que se conoce como glucocáliz.

CITOPLASMA Y SUS ORGÁNULOS

El citoplasma está lleno de partículas diminutas y grandes y orgánulos dispersos. La porción de líquido gelatinoso del citoplasma en el que se dispersan las partículas se denomina citosol y contiene principalmente proteínas, electrólitos y glucosa disueltos. En el citoplasma se encuentran dispersos glóbulos de grasa neutra, gránulos de glucógeno, ribosomas, vesículas secretoras y cinco orgánulos especialmente importantes: el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, las mitocondrias, los lisosomas y los peroxisomas.

Retículo endoplásmico:

Red de estructuras vesiculares tubulares y planas del citoplasma que forman el retículo endoplásmico. Ayuda a procesar las moléculas formadas por la célula y las transporta a sus destinos específicos dentro o fuera de la célula.

Ribosomas y retículo endoplásmico rugoso:

Unidas a la superficie exterior de muchas partes del retículo endoplásmico encontramos una gran cantidad de partículas granulares diminutas que se conocen como ribosomas. Cuando estas partículas están presentes, el retículo se denomina retículo endoplásmico rugoso. Los ribosomas están formados por una mezcla de ARN y proteínas y su función consiste en sintetizar nuevas moléculas proteicas en la célula.

Retículo endoplásmico agranular:

Parte del retículo endoplásmico no tiene ribosomas, es lo que se conoce como retículo endoplásmico agranular, o liso. Este retículo agranular actúa en la síntesis de sustancias lipídicas y en otros procesos de las células que son promovidos por las enzimas intrarreticulares.

Aparato de Golgi:

Está íntimamente relacionado con el retículo endoplásmico. Tiene unas membranas similares a las del retículo endoplásmico agranular y está formado habitualmente por cuatro o más capas apiladas de vesículas cerradas, finas y planas, que se alinean cerca de uno de los lados del núcleo. Este aparato es prominente en las células secretoras, donde se localiza en el lado de la célula a partir del cual se extruirán las sustancias secretoras. Hay pequeñas «vesículas de transporte» (también denominadas vesículas del retículo endoplásmico) que continuamente salen del retículo endoplásmico y que poco después se fusionan con el aparato de Golgi. De esta forma, las sustancias atrapadas en las vesículas del RE se transportan desde el retículo endoplásmico hacia el aparato de Golgi. Las sustancias transportadas se procesan después en el aparato de Golgi para formar lisosomas, vesículas secretoras y otros componentes citoplásmicos.

Lisosomas:

Son orgánulos vesiculares que se forman por la rotura del aparato de Golgi y después se dispersan por todo el citoplasma. Los lisosomas constituyen el aparato digestivo intracelular que permite que la célula digiera:

1) las estructuras celulares dañadas

2) las partículas de alimento que ha ingerido

3) las sustancias no deseadas, como las bacterias.

Está rodeado por una membrana bicapa lipídica típica llena con grandes cantidades de gránulos pequeños, de 5 a 8 nm de diámetro, que son agregados de proteínas que contienen hasta 40 tipos diferentes de enzimas (digestivas) de tipo hidrolasa.

Peroxisomas:

Son físicamente similares a los lisosomas; se cree que están formados por autorreplicación en lugar de proceder del aparato de Golgi. Contienen oxidasas en lugar de hidrolasas. Varias de estas oxidasas son capaces de combinar el oxígeno con los iones hidrógeno derivados de distintos productos químicos intracelulares para formar peróxido de hidrógeno (H2O2).

Vesículas secretoras:

Casi todas las sustancias secretoras se forman en el sistema retículo endoplásmico-aparato de Golgi y después se liberan desde el aparato de Golgi hacia el citoplasma en forma de vesículas de almacenamiento que se conocen como vesículas secretoras o gránulos secretores.

Mitocondrias:

Sin ellas, las células no serían capaces de extraer energía suficiente de los nutrientes y, en esencia, cesarían todas las funciones celulares. Se encuentran en todas las zonas del citoplasma de la célula, pero su número total en cada célula varía de menos de cien hasta varios miles, dependiendo de la cantidad de energía que requiere la célula. Tienen una forma y tamaño variables. La estructura básica de la mitocondria está compuesta principalmente por dos membranas de bicapa lipídica-proteínas: una membrana externa y una membrana interna. La cavidad interna de la mitocondria está llena con una matriz que contiene grandes cantidades de enzimas disueltas que son necesarias para extraer la energía de los nutrientes. La energía liberada se usa para sintetizar una sustancia de «alta energía» que se denomina trifosfato de adenosina (ATP).

Citoesqueleto celular:

estructuras filamentosas y tubulares. Es una red de proteínas fibrilares organizadas habitualmente en filamentos o túbulos que se originan como moléculas proteicas precursoras sintetizadas por los ribosomas en el citoplasma. Una de las funciones principales de los microtúbulos es actuar como citoesqueleto, proporcionando estructuras físicas rígidas para determinadas partes de las células. El citoesqueleto de la célula determina la forma celular, además participa en la división de las células, permite su movimiento y proporciona una especie de ruta que dirige el movimiento de los orgánulos en el interior de las células.

Núcleo:

Es el centro de control de la célula, envía mensajes a esta para que crezca y madure, se replique o muera. Contiene grandes cantidades de ADN, que comprende los genes, que son los que determinan las características de las proteínas celulares, como las proteínas estructurales, y también las enzimas intracelulares que controlan las actividades citoplásmicas y nucleares.

Membrana nuclear:

consiste en dos membranas bicapa separadas, una dentro de la otra. La membrana externa es una continuación del retículo endoplásmico del citoplasma celular y el espacio que queda entre las dos membranas nucleares también es una continuación con el espacio del interior del retículo endoplásmico. Varios miles de poros nucleares atraviesan la membrana nuclear.

Nucléolos y formación de ribosomas: Los núcleos de la mayoría de las células contienen una o más estructuras que se tiñen intensamente y se denominan nucléolos. Estos nucléolos no tienen una membrana limitante, sino que consisten en una acumulación simple de grandes cantidades de ARN y proteínas de los tipos encontrados en los ribosomas. La formación de los nucléolos (y de los ribosomas del citoplasma fuera del núcleo) comienza en el núcleo. Primero, los genes específicos de ADN de los cromosomas dan lugar a la síntesis de ARN, parte del cual se almacena en los nucléolos, aunque la mayoría se transporta hacia fuera, a través de los poros nucleares, hacia el citoplasma, donde se usan junto con proteínas específicas para ensamblar los ribosomas «maduros» que tienen un papel esencial en la formación de las proteínas del citoplasma.

SISTEMAS FUNCIONALES DE LA CÉLULA

Ingestión por la célula: endocitosis

Si una célula va a vivir, crecer y reproducirse, debe obtener nutrientes y otras sustancias de los líquidos circundantes. La mayoría de estas sustancias atraviesan la membrana celular por difusión y transporte activo.

*Difusión: implica el movimiento simple a través de la membrana, provocado por el movimiento aleatorio de las moléculas de la sustancia; las sustancias se desplazan a través de los poros de la membrana celular o, en el caso de las sustancias liposolubles, a través de la matriz lipídica de la membrana.

*Transporte activo: implica el transporte real de una sustancia a través de la membrana mediante una estructura física de carácter proteico que penetra en todo el espesor de la membrana. Las partículas muy grandes entran en la célula mediante una función especializada de la membrana celular que se denomina endocitosis. Las formas principales de endocitosis son:

Pinocitosis: ingestión de partículas diminutas que forman vesículas de líquido extracelular y partículas dentro del citoplasma celular. se produce continuamente en las membranas celulares de la mayoría de las células, pero es especialmente rápida en algunas de ellas.

Fagocitosis: ingestión de partículas grandes, como bacterias, células enteras o porciones de tejido degenerado. Solo algunas células tienen la capacidad de realizar la fagocitosis, principalmente los macrófagos tisulares y algunos leucocitos sanguíneos.

Digestión de las sustancias extrañas introducidas por pinocitosis y fagocitosis dentro de la célula por los lisosomas

Casi inmediatamente después de que aparezca una vesícula de pinocitosis o fagocitosis dentro de una célula se unen a ella uno o más lisosomas que vacían sus hidrolasas ácidas dentro de ella. Es decir, se forma una vesícula digestiva dentro del citoplasma celular en la que las hidrolasas comienzan a hidrolizar las proteínas, los hidratos de carbono, los lípidos y otras sustancias de la vesícula. Los productos de digestión son moléculas pequeñas de aminoácidos, glucosa, fosfatos, etc., que pueden difundir a través de la membrana de las vesículas hacia el citoplasma. Lo que queda en la vesícula digestiva, que se denomina cuerpo residual, representa las sustancias indigestibles. En la mayoría de los casos, el cuerpo residual se excreta finamente a través de la membrana celular en un proceso que se denomina exocitosis, que es esencialmente lo contrario que la endocitosis.

REGRESIÓN DE LOS TEJIDOS Y AUTÓLISIS DE LAS CÉLULAS DAÑADAS

REGRESIÓN: Los tejidos del organismo a menudo regresan a un tamaño más pequeño. Ejemplos: en el útero después del embarazo, en los músculos tras períodos prolongados de inactividad y en las glándulas mamarias al final de la lactancia. Los lisosomas son responsables de gran parte de esta regresión.

ELIMINACIÓN DE LAS CÉLULAS O PORCIONES DE CÉLULAS DAÑADAS EN LOS TEJIDOS: El daño de una célula causado por el calor, el frío, un traumatismo, productos químicos o cualquier otro factor induce la rotura de los lisosomas. Las hidrolasas liberadas comienzan inmediatamente a digerir las sustancias orgánicas circundantes. Si el daño es pequeño, solo se eliminará una porción de la célula, que después se repararía. Si el daño es importante se digiere toda la célula, lo que se denomina autólisis. De esta manera, la célula se elimina por completo y se forma una célula nueva del mismo tipo, normalmente por la reproducción mitótica de una célula adyacente para ocupar el puesto de la anterior. Los lisosomas contienen sustancias bactericidas que pueden matar a las bacterias fagocitadas antes de que provoquen daños a la célula :lisozima, lisoferrina y el medio ácido. metabólicos bacterianos.

Reciclado de los orgánulos celulares: autofagia

Los lisosomas desempeñan un papel fundamental en el proceso de autofagia(comerse a sí mismo). AUTOFAGIA: proceso de limpieza según el cual los orgánulos y los grandes agregados proteicos obsoletos se degradan y se reciclan. Los orgánulos celulares deteriorados son transferidos a lisosomas por estructuras de doble membrana denominadas autofagosomas, que se forman en el citosol. Este proceso contribuye a la renovación rutinaria de los componentes citoplásmicos y es un mecanismo clave para: el desarrollo tisular, para la supervivencia celular en situaciones de escasez de nutrientes y para el mantenimiento de la homeostasis.

SÍNTESIS DE ESTRUCTURAS CELULARES EN EL RETÍCULO ENDOPLÁSMICO Y EL APARATO DE GOLGI

Estas estructuras se forman principalmente en las membranas de bicapa lipídica similares a la membrana celular y sus paredes se cargan de enzimas proteicas que catalizan la síntesis de muchas sustancias que necesita la célula. La mayor parte de la síntesis comienza en el retículo endoplásmico. Los productos formados pasan entonces al aparato de Golgi, donde también se procesan antes de ser liberados en el citoplasma.

FUNCIONES ESPECÍFICAS DEL RETÍCULO ENDOPLÁSMICO

Las proteínas se forman en el retículo endoplásmico rugoso

La porción granular del retículo endoplásmico se caracteriza por un gran número de ribosomas unidos a las superficies externas de la membrana del retículo endoplásmico. Las moléculas proteicas se sintetizan en el interior de las estructuras de los ribosomas, que extruyen parte de las moléculas proteicas sintetizadas directamente hacia el citosol, pero también extruyen muchas más moléculas a través de la pared del retículo endoplásmico hacia el interior de las vesículas y túbulos endoplásmicos, es decir, hacia la matriz endoplásmica.

Síntesis de lípidos en el retículo endoplásmico liso

El retículo endoplásmico también sintetiza lípidos, especialmente fosfolípidos y colesterol. Estos lípidos se incorporan rápidamente a la bicapa lipídica del propio retículo endoplásmico provocando que su crecimiento sea aún mayor. Para evitar que el retículo endoplásmico crezca más allá de las necesidades de la célula, las vesículas pequeñas conocidas como vesículas RE o vesículas de transporte se separan continuamente del retículo liso; la mayoría migra después rápidamente hacia el aparato de Golgi.

Otras funciones del retículo endoplásmico

1. Proporciona las enzimas que controlan la escisión del glucógeno cuando se tiene que usar el glucógeno para energía.

2. Proporciona una gran cantidad de enzimas que son capaces de detoxificar las sustancias, como los fármacos, que podrían dañar la célula. Consigue la detoxificación por: coagulación, oxidación, hidrólisis, conjugación con ácido glucurónico y de otras formas.

FUNCIONES ESPECÍFICAS DEL APARATO DE GOLGI

Funciones de síntesis del aparato de Golgi

1)procesar todavía más las sustancias que ya se han formado en el retículo endoplásmico.

2)capacidad de sintetizar ciertos hidratos de carbono que no se pueden formar en el retículo endoplásmico(ácido hialurónico y el sulfato de condroitina).

LA MITOCONDRIA EXTRAE ENERGÍA DE LOS NUTRIENTES

Las sustancias principales a partir de las cuales las células extraen energía son los alimentos, que reaccionan químicamente con el oxígeno: los hidratos de carbono, las grasas y las proteínas. En el cuerpo humano, esencialmente todos los hidratos de carbono se convierten en glucosa, lasproteínas se convierten en aminoácidos y las grasas en ácidos grasos. Dentro de la célula los alimentos reaccionan químicamente con el oxígeno, bajo la influencia de las enzimas que controlan las reacciones y canalizan la energía liberada en la dirección adecuada. casi todas estas reacciones oxidativas se producen dentro de la mitocondria y la energía que se libera se usa para formar el compuesto de alta energía ATP.

CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DEL ATP

El ATP es un nucleótido compuesto por: la base nitrogenada adenina, el azúcar pentosa ribosa y tres radicales fosfato. Los dos últimos radicales fosfato están conectados con el resto de la molécula mediante los denominados enlaces de fosfato de alta energía. Cuando el ATP libera su energía se separa un radical de ácido fosfórico y se forma difosfato de adenosina (ADP). La energía liberada se usa para dar energía a muchas de las demás funciones celulares, como la síntesis de sustancias y la contracción muscular. Para reconstituir el ATP celular conforme se consume, la energía derivada de los nutrientes celulares hace que el ADP y el ácido fosfórico se recombinen para formar una nueva molécula de ATP y todo el proceso se repite una y otra vez. Por este motivo, el ATP se conoce como la moneda energética de la célula porque se puede gastar y recomponer continuamente, con un ciclo metabólico de solo unos minutos.

Usos del ATP para las funciones celulares

La energía del ATP se usa para promover tres categorías principales de funciones celulares: 1) transporte de sustancias a través de múltiples membranas en la célula

2) síntesis de compuestos químicos a través de la célula

3) trabajo mecánico.

El principal uso final del ATP consiste en suministrar energía para las células especiales para realizar trabajo mecánico. Otras células realizan un trabajo mecánico de otra forma, en especial por el movimiento ciliar y amebiano.

Locomoción de las células: El tipo más evidente de movimiento que se produce en el organismo es el de los miocitos en el músculo esquelético, cardíaco y liso, que constituye casi el 50% de toda la masa del organismo.

Movimiento amebiano: es el movimiento de toda la célula en relación con su entorno, como el movimiento de los leucocitos a través de los tejidos. El movimiento amebiano comienza con la protrusión de un seudópodo desde un extremo de la célula. Este seudópodo se proyecta lejos de la célula y se asegura parcialmente en una zona nueva. Después, tira del resto de la célula hacia él.

Mecanismo de locomoción amebiana: Es consecuencia de la formación continua de una membrana celular nueva en el extremo director del seudópodo y la absorción continua de la membrana en las porciones media y posterior de la célula.

Tipos de células que muestran movimiento amebiano: Las células más frecuentes que muestran movimiento amebiano en el cuerpo humano son los leucocitos cuando salen de la sangre hacia los tejidos para formar macrófagos tisulares. Los fibroblastos se mueven hacia una zona dañada para reparar el daño e incluso las células germinales de la piel que, aunque normalmente son células totalmente sésiles, se desplazan hacia la zona de un corte para reparar el desgarro.

Cilios y movimientos ciliares:

un cilio tiene el aspecto de un pelo recto o curvo con punta afilada que se proyecta 2-4 μm desde la superficie de la célula. El cilio está cubierto por una protrusión de la membrana celular y se apoya en 11 microtúbulos, 9 túbulos dobles situados en la periferia del cilio y 2 túbulos sencillos hacia el centro. El movimiento ciliar, es un movimiento a modo de látigo de los cilios que se encuentran en la superficie de las células. Este movimiento existe principalmente solo en dos lugares del cuerpo humano: en la superficie de las vías aéreas y en la superficie interna de las trompas uterinas (trompas de Falopio) del aparato reproductor. El flagelo de un espermatozoide es similar a un cilio; de hecho, tiene el mismo tipo de estructura y el mismo tipo de mecanismo contráctil. Sin embargo, este flagelo es mucho más largo y se desplaza con ondas de tipo cuasi-sinusoidal en lugar de movimientos de tipo látigo.

CONTROL GENÉTICO DE LA SÍNTESIS PROTEICA, LAS FUNCIONES DE LA CÉLULA Y LA REPRODUCCIÓN CELULAR

Los genes que están situados en el núcleo de todas las células del organismo controlan la herencia de padres a hijos y controlan la función cotidiana de todas las células del organismo.

Los genes controlan las funciones de la célula determinando qué sustancias se sintetizan dentro de esta, es decir, qué estructuras, qué enzimas y qué productos químicos participan. Cada gen (compuesto por ácido desoxirribonucleico (ADN)), controla automáticamente la formación de otro ácido nucleico, el ácido ribonucleico (ARN), que después se dispersa por toda la célula para controlar la formación de una proteína específica.

El proceso completo, desde la transcripción del código genético en el núcleo hasta la traducción del código del ARN y la formación de proteínas en el citoplasma celular, se refiere a menudo como EXPRESIÓN GÉNICA.

Dado que hay aproximadamente 30.000 genes diferentes en cada célula, es posible formar un gran número de proteínas celulares distintas. Las moléculas de ARN transcritas a partir del mismo segmento de ADN (es decir, el mismo gen) pueden ser procesadas por la célula en más de una forma, para dar origen a versiones alternativas de la proteína. El número total de diferentes proteínas producidas por los distintos tipos de células humanas se estima en al menos 100.000. Algunas de las proteínas celulares son proteínas estructurales, que, asociadas a varios lípidos e hidratos de carbono, forman las estructuras de los distintos orgánulos intracelulares. La mayoría de las proteínas son enzimas que catalizan las distintas reacciones químicas en las células.

Los genes en el núcleo celular controlan la síntesis de las proteínas

En el núcleo celular hay un gran número de genes unidos por sus extremos, formando las moléculas de doble hélice largas de ADN que tienen un peso molecular que se mide por miles de millones.

Bloques básicos de ADN

Estos compuestos químicos básicos implicados en la formación del ADN:

1) ácido fosfórico

2) azúcar desoxirribosa

3)cuatro bases nitrogenadas (dos purínicas: adenina y guanina, y dos pirimidínicas: timina y citosina).

El ácido fosfórico y la desoxirribosa forman las dos hebras helicoidales que sirven de soporte para la molécula de ADN, mientras que las bases nitrogenadas se apoyan entre las dos hebras y se conectan entre sí.

Nucleótidos

La primera etapa en la formación del ADN consiste en combinar una molécula de ácido fosfórico, una molécula de desoxirribosa y una de las cuatro bases para formar un nucleótido ácido. De esta forma se crean cuatro nucleótidos distintos, uno para cada una de las cuatro bases (ácidos desoxiadenílico, desoxitimidílico, desoxiguanílico y desoxicitidílico).

Los nucleótidos se organizan para formar dos hebras de ADN unidas laxamente entre sí

Se une un gran número de nucleótidos entre sí para formar dos hebras de ADN. A su vez, las dos hebras se unen laxamente entre sí mediante enlaces débiles como líneas discontinuas centrales.

El esqueleto de cada hebra de ADN está compuesto por moléculas de ácido fosfórico y desoxirribosa que se van alternando.
Las bases de purina y pirimidina se unen a los lados de las moléculas de desoxirribosa.
Las dos hebras respectivas de ADN se mantienen unidas mediante enlaces débiles de hidrógeno (líneas discontinuas) entre las bases purínicas y pirimidínicas.
Cada base purínica de adenina de una hebra siempre se une con una base pirimidínica de timina de la otra.
Cada base purínica de guanina siempre se une con una base pirimidínica de citosina.

Debido a la laxitud de los enlaces de hidrógeno, las dos hebras se separan con facilidad y lo hacen muchas veces cuando realizan sus funciones en la célula. En cada vuelta completa de la hélice de la molécula de ADN hay 10 pares de nucleótidos.

Código genético

La importancia del ADN se debe a su capacidad para controlar la formación de las proteínas en la célula, que se consigue mediante un código genético. Cuando las dos hebras de la molécula de ADN se separan quedan expuestas las bases purínicas y pirimidínicas proyectándose a un lado de cada hebra de ADN. Estas bases que se proyectan son las que forman el código genético.

El código genético consta de «tripletes» sucesivos de bases, es decir, tres bases sucesivas componen una palabra del código. Los tripletes sucesivos controlan en último término la secuencia de aminoácidos en una molécula proteica que la célula debe sintetizar.

El código de ADN del núcleo celular se transfiere al código de ARN en el citoplasma celular: proceso de transcripción

Como el ADN se encuentra en el núcleo de la célula, pero la mayoría de las funciones de la célula se realizan en el citoplasma, debe haber algún mecanismo para que los genes de ADN del núcleo controlen las reacciones químicas del citoplasma. Este control se consigue mediante la intermediación de otro tipo de ácido nucleico, el ARN, cuya formación está controlada por el ADN del núcleo.

El código se transfiere al ARN en un proceso que se conoce como transcripción. A su vez, el ARN se difunde desde el núcleo a través de los poros del núcleo al compartimiento citoplásmico, donde controla la síntesis proteica.

El ARN se sintetiza en el núcleo a partir de una plantilla de ADN

Durante la síntesis de ARN las dos hebras de la molécula de ADN se separan temporalmente y una de ellas se usa como plantilla para la síntesis de una molécula de ARN. Los tripletes del código del ADN provocan la formación de tripletes con un código complementario (o codones) en el ARN. A su vez, estos codones controlarán la secuencia de aminoácidos en una proteína que se va a sintetizar en el citoplasma celular.

Bloques básicos para la construcción del ARN

Los bloques básicos para la construcción del ARN son el ácido fosfórico, la azúcar ribosa, que contiene un ion hidroxilo extra unido a la estructura anular de la ribosa. Y son las mismas bases nitrogenadas, con excepción de la timina que se reemplaza por otra pirimidina, uracilo.

Formación de nucleótidos de ARN

Los bloques básicos de ADN forman los nucleótidos de ARN. En este caso, se usan también cuatro nucleótidos distintos para formar el ARN, nucleótidos que contienen las bases adenina, guanina, citosina y uracilo. Son las mismas bases que usa el ADN, excepto porque el uracilo del ARN reemplaza a la timina del ADN.

«Activación» de los nucleótidos de ARN

El siguiente paso de la síntesis de ARN es la «activación» de los nucleótidos de ARN por una enzima, polimerasa de ARN. Esta activación se produce añadiendo a cada nucleótido dos radicales fosfato más para formar trifosfatos. Estos dos últimos fosfatos se combinan con el nucleótido mediante enlaces de fosfato de alta energía derivados del ATP celular. El resultado de este proceso de activación es que cada uno de los nucleótidos puede disponer de grandes cantidades de energía del ATP. Esta energía se usa para favorecer las reacciones químicas que van añadiendo cada nuevo nucleótido de ARN al extremo de la cadena de ARN que se está desarrollando.

Montaje de la cadena de ARN a partir de los nucleótidos activados usando una cadena de ADN como plantilla: proceso de «transcripción»

el montaje de la molécula de ARN se realiza bajo la influencia de una enzima, la polimerasa de ARN: gran enzima proteica que tiene muchas propiedades funcionales para la formación de la molécula de ARN, como son:

1. En la cadena de ADN inmediatamente contigua al gen que se transcribirá hay una secuencia de nucleótidos denominada promotor. La polimerasa de ARN tiene una estructura complementaria apropiada que reconoce este promotor y se une a él en un paso esencial para iniciar la formación de la molécula de ARN.

2. La polimerasa de ARN, después de unirse al promotor, provoca el desenrollamiento de dos vueltas de la hélice de ADN, aproximadamente, y la separación de las porciones abiertas de las dos hebras.

3. la polimerasa se desplaza a lo largo de la hebra de ADN, desenrollando y separando temporalmente las dos hebras de ADN en cada etapa de su movimiento. A medida que se desplaza va añadiéndose en cada paso un nucleótido de ARN activado nuevo en el extremo de la cadena de ARN que se va formando, siguiendo los pasos siguientes:

a. provoca la formación de un enlace de hidrógeno entre la base del extremo de la cadena de ADN y la base de un nucleótido de ARN en el nucleoplasma.

b. la polimerasa de ARN va rompiendo dos de los tres radicales fosfato, separándolos de cada uno de estos nucleótidos de ARN y liberando grandes cantidades de energía de los enlaces de fosfato de alta energía que va rompiendo; esta energía se usa para crear el enlace covalente del fosfato que queda en el nucleótido con la ribosa en el extremo de la cadena de ARN en crecimiento.

c. Cuando la polimerasa de ARN alcanza el extremo del gen de ADN se encuentra con una secuencia nueva de nucleótidos de ADN que se conoce como secuencia terminadora de la cadena, que hace que la polimerasa y la cadena de ARN recién formada se separen de la cadena de ADN. Después, la polimerasa puede usarse una y otra vez para formar más cadenas de ARN.

d. A medida que se va formando una cadena de ARN nueva se rompen sus enlaces débiles de hidrógeno que la unen a la plantilla de ADN, porque el ADN tiene una afinidad alta para volver a unirse con su propia cadena complementaria de ADN, es decir, la cadena de ARN se separa del ADN y se libera en el nucleoplasma. Es decir, el código presente en la cadena de ADN se transmite finalmente de forma complementaria a la cadena de ARN.

Existen diferentes tipos de ARN

Los seis tipos de ARN realizan funciones distintas e independientes en la síntesis de proteínas:

1. ARN mensajero precursor (pre-ARNm): gran ARN de cadena única inmaduro que se procesa en el núcleo para formar ARN mensajero (ARNm) maduro. El pre-ARN incluye dos tipos diferentes de segmentos denominados intrones, que son eliminados por un proceso de corte y empalme (splicing), y exones, que se conservan en el ARNm final.

2. ARN nuclear pequeño (ARNnp): dirige el corte y empalme de pre-ARNm para formar ARNm.

3. ARN mensajero (ARNm): transporta el código genético al citoplasma para controlar el tipo de proteína que se forma.

4. ARN de transferencia (ARNt): transporta los aminoácidos activados a los ribosomas para usarlos en el montaje de la molécula proteica.

5. ARN ribosómico: junto con 75 proteínas distintas, forma ribosomas, las estructuras físicas y químicas en las que se montan realmente las moléculas proteicas.

6. MicroARN (ARNmi): son moléculas de ARN monocatenario de 21 a 23 nucleótidos capaces de regular la transcripción y la traducción génicas.

ARN mensajero: los codones

Las moléculas de ARN mensajero son cadenas largas y sencillas que se encuentran en suspensión en el citoplasma. Estas moléculas están compuestas por varios cientos a miles de nucleótidos de ARN en cadenas no pareadas y contienen codones que son exactamente complementarios a los tripletes del código de los genes de ADN.

Codones de ARN para los distintos aminoácidos

un codón representa la señal de «iniciar la fabricación de la molécula proteica» y tres codones representan la señal de «detener la fabricación de la molécula proteica».

ARN de transferencia: los anticodones

transfiere las moléculas de aminoácidos a las moléculas proteicas a medida que se va sintetizando la proteína. Cada tipo de ARNt se combina específicamente con 1 de los 20 aminoácidos que se van a incorporar en las proteínas.

El ARNt actúa como vehículo para transportar su tipo específico de aminoácido a los ribosomas, donde se van formando las moléculas proteicas. En los ribosomas, cada tipo específico de ARNt reconoce un codón en particular en el ARNm y libera el aminoácido apropiado en el lugar apropiado de la cadena de la molécula proteica que se está formando. Contiene solo 80 nucleótidos, es una molécula relativamente pequeña comparada con la del ARNm. En uno de los extremos de la molécula siempre hay un ácido adenílico, en cuyo grupo hidroxilo de la ribosa del ácido adenílico se une el aminoácido transportado.

Como la función del ARNt consiste en unir un aminoácido específico a una cadena de proteína en formación, es esencial que cada tipo de ARNt también sea específico de un codón en particular del ARNm. El código específico del ARNt que le permite reconocer un codón específico es, de nuevo, un triplete de bases de nucleótidos que se denomina anticodón y se sitúa aproximadamente en la zona media de la molécula del ARNt. Durante la formación de la molécula proteica las bases del anticodón se combinan laxamente mediante enlaces hidrógeno con las bases del codón del ARNm. De esta forma, los aminoácidos respectivos se alinean uno después del otro a lo largo de la cadena del ARNm, con lo que se establece la secuencia apropiada de aminoácidos de la molécula proteica que se está formando.

ARN ribosómico

El tercer tipo de ARN de la célula es el ARN ribosómico, que constituye el 60% del ribosoma. El resto está formado por proteínas, unas 75 clases distintas que son de tipo estructural, y también las enzimas necesarias para la fabricación de las moléculas proteicas.

El ribosoma es la estructura física del citoplasma en el que se sintetizan realmente las moléculas proteicas. El ribosoma actúa como una planta de fabricación en la cual se forman las moléculas proteicas.

Formación de ribosomas en el nucléolo

Los genes de ADN que se utilizan para la formación del ARN ribosómico se sitúan en cinco pares de cromosomas del núcleo. Cada uno de estos cromosomas contiene muchos duplicados de estos genes en particular, porque las funciones celulares necesitan grandes cantidades de ARN ribosómico. A medida que se forma el ARN ribosómico se recoge en el nucléolo, una estructura especializada adyacente a los cromosomas. Cuando se están sintetizando grandes cantidades de ARN ribosómico, como sucede en las células que fabrican grandes cantidades de proteínas, el nucléolo es una estructura de gran tamaño, mientras que en las células que sintetizan pocas proteínas, el nucléolo a veces ni siquiera se ve. El ARN ribosómico se procesa especialmente en el nucléolo, donde se une a las «proteínas ribosómicas» para formar productos de condensación granulares que son las subunidades primordiales de los ribosomas. Estas subunidades se liberan entonces desde el nucléolo y se transportan a través de los poros grandes de la cubierta nuclear hasta prácticamente todas las partes del citoplasma. Cuando estas subunidades entran en el citoplasma se reúnen para formar los ribosomas maduros y funcionantes. Por tanto, las proteínas se forman en el citoplasma de la célula, pero no en el núcleo celular, porque el núcleo no contiene los ribosomas maduros.

ARNmi y ARN de interferencia pequeño

Un cuarto tipo de ARN en la célula es el microARN (ARNmi), formado por cortos fragmentos de ARN monocatenario (de 21 a 23 nucleótidos) que regulan la expresión génica. Los ARNmi se codifican a partir del ADN transcrito de genes, pero no se traducen a proteínas y, por tanto, a menudo reciben el nombre de ARN no codificante. Los ARNmi son procesados por las células en moléculas que son complementarias al ARNm y que actúan para reducir la expresión génica. La generación de ARNmi supone un procesamiento especial de ARN precursores primarios más largos llamados ARNmi-pri, que son los transcriptos primarios del gen. Los ARNmi-pri se procesan a continuación en el núcleo celular por parte del complejo de microprocesador en pre-ARNmi, que son estructuras en horquilla de 70 nucleótidos. Estos pre-ARNmi son procesados después adicionalmente en el citoplasma por una enzima dicer específica que ayuda a ensamblar un complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC) y genera ARNmi.

Los ARNmi regulan la expresión génica por unión a la región complementaria del ARN y por la promoción de la represión de la traducción o degradación del ARNm antes de que pueda ser traducido por el ribosoma. Otro tipo de ARNmi es el ARN de interferencia pequeño (ARNsi), también denominado ARN de silenciamiento o ARN de interferencia corto. Los ARNsi son moléculas cortas de ARN bicatenario, de 20 a 25 nucleótidos de longitud, que interfieren con la expresión de genes específicos. Los ARNsi se refieren en general a ARNmi sintéticos y pueden administrarse para silenciar la expresión de genes específicos.

Formación de proteínas en los ribosomas: el proceso de «traducción»

Cuando una molécula de ARNm entra en contacto con un ribosoma, se desplaza por este a partir de un extremo predeterminado de la molécula de ARN que se especifica mediante la secuencia apropiada de las bases de ARN, el codón «iniciador de la cadena». Después, mientras el ARNm se desplaza por el ribosoma, se forma una molécula proteica, en un proceso que se conoce como traducción. Después, se marca el final de una molécula proteica cuando un codón de parada (el codón «terminador de la cadena») atraviesa el ribosoma y la molécula proteica se libera en el citoplasma.

Polirribosomas

Una molécula sencilla de ARNm puede formar moléculas proteicas en varios ribosomas al mismo tiempo, porque el extremo inicial de la cadena de ARN puede ir atravesando ribosomas sucesivos cuando abandona el primero. Las moléculas proteicas se encuentran en distintas fases de desarrollo en cada ribosoma. Como consecuencia de este proceso es frecuente encontrar agrupaciones de ribosomas, uniéndose entre 3 y 10 ribosomas a una única molécula de ARNm al mismo tiempo. Estos grupos se conocen como polirribosomas.

Muchos ribosomas se unen al retículo endoplásmico

Esta unión tiene lugar porque los extremos iniciales de muchas moléculas proteicas en formación tienen secuencias de aminoácidos que se unen inmediatamente a los locus de receptores específicos en el retículo endoplásmico; en consecuencia, estas moléculas penetran en la pared del retículo hasta la matriz del retículo endoplásmico. Este proceso otorga un aspecto granular a estas porciones del retículo en las que se están formando las proteínas y entran en la matriz.

Pasos químicos de la síntesis proteica

Los pasos de la reacción son los siguientes:

1. Cada aminoácido se activa en un proceso químico en el que el ATP se combina con el aminoácido para formar un complejo de monofosfato de adenosina con el aminoácido, con lo que se liberan dos enlaces fosfato de alta energía en el proceso.

2. El aminoácido activado, que tiene un exceso de energía, se combina entonces con su ARNt específico para formar un complejo aminoácido-ARNt y, al mismo tiempo, se libera el monofosfato de adenosina.

3. El ARNt que transporta el complejo del aminoácido entra en contacto a continuación con la molécula del ARNm en el ribosoma, donde el anticodón del ARNt se une temporalmente a su codón específico del ARNm, con lo que se alinea el aminoácido en la secuencia apropiada para formar una molécula proteica.

Después, y bajo la influencia de la enzima peptidilo transferasa (una de las proteínas del ribosoma), se forman los enlaces peptídicos entre los aminoácidos sucesivos que se van añadiendo progresivamente a la cadena proteica.

Enlace peptídico

Los aminoácidos sucesivos de la cadena de proteína se combinan entre sí según una reacción típica: al reaccionar los aminoácidos el resultado es la formación de agua y los reactivos resultantes forman una molécula única. Este proceso se conoce como enlace peptídico. A medida que se va añadiendo otro aminoácido se va formando otro enlace peptídico.

Síntesis de otras sustancias en la célula

Las miles de enzimas proteicas que se forman controlan esencialmente todas las reacciones químicas que tienen lugar en las células. Estas enzimas favorecen la síntesis de lípidos, glucógeno, purinas, pirimidinas y cientos de otras sustancias. Todas estas sustancias contribuyen a las múltiples funciones de las células.

Control de la función génica y actividad bioquímica de las células

los genes controlan tanto las funciones físicas como las químicas de las células, aunque también debe controlarse el grado de activación de los genes respectivos. Por cada gen (y hay aproximadamente 30.000 en total) hay al menos uno de estos mecanismos de retroalimentación.

Métodos de control de las actividades químicas de la célula:

1) regulación genética: se controla el grado de activación de los genes y la formación de productos génicos

2) regulación enzimática: se controlan los niveles de actividad de las enzimas ya formadas en la célula.

Regulación genética

La regulación genética, o regulación de la expresión génica, cubre todo el proceso, desde la transcripción del código genético en el núcleo hasta la formación de proteínas en el citoplasma. La regulación de la expresión génica dota a todos los organismos vivos de la capacidad para responder a los cambios en su medio. En los animales que tienen muchos tipos diferentes de células, tejidos y órganos, la regulación diferencial de la expresión génica permite también que los numerosos tipos distintos de células del cuerpo realicen cada uno funciones especializadas. La medida definitiva de la «expresión» génica es si (y en qué medida) se forman productos génicos (proteínas), ya que las proteínas se encargan de las funciones celulares especificadas por los genes. La regulación de la expresión génica puede tener lugar en cualquier punto de las rutas de transcripción, procesamiento de ARN y traducción.

El promotor controla la expresión génica

La síntesis de las proteínas celulares es un proceso complejo que se inicia con la transcripción de ADN a ARN. La transcripción de ADN está controlada por elementos reguladores encontrados en el promotor de un gen . En eucariotas, lo que incluye a todos los mamíferos, el promotor basal consta de una secuencia de siete bases (TATAAAA) denominada caja TATA, sitio de unión para la proteína de unión a TATA, y otros varios e importantes factores de transcripción que se conocen conjuntamente como complejo IID del factor de transcripción.

En la transcripción de genes en eucariotas influyen también los reforzadores, regiones de ADN que pueden unirse a factores de transcripción. Los reforzadores pueden estar situados a una gran distancia del gen sobre el que actúan o incluso en un cromosoma diferente. Asimismo pueden localizarse corriente arriba o corriente abajo del gen al que regulan. Aunque los reforzadores pueden estar ubicados a una gran distancia de su gen objeto, cuando el ADN se encuentra arrollado en el núcleo pueden hallarse relativamente cerca.

Otros mecanismos de control de la transcripción por el promotor

En las dos últimas décadas se han descubierto rápidamente variaciones del mecanismo básico de control del operón:

1. Un promotor se controla mediante el factor de transcripción situado en cualquier parte del genoma, es decir, el gen regulador provoca la formación de una proteína reguladora que, a su vez, actúe como una sustancia activadora o como un represor de transcripción.

2. En ocasiones, la misma proteína reguladora controla a la vez muchos promotores diferentes. En algunos casos, la misma proteína reguladora actúa como un activador de un promotor y como un represor de otro.

3. Algunas proteínas están controladas no en el punto de inicio de la transcripción de la cadena de ADN, sino más lejos en la misma. A veces, el control ni siquiera está en la propia cadena de ADN, sino durante el procesamiento de las moléculas de ARN en el núcleo antes de que se liberen al citoplasma; el control podría producirse también durante la formación de la proteína en el citoplasma en el curso de la traducción del ARN en los ribosomas.

4. En las células nucleadas el ADN del núcleo se envasa en unas unidades estructurales específicas, los cromosomas. Dentro de cada cromosoma el ADN se enrolla alrededor de unas proteínas pequeñas que se denominan histonas, que a su vez se mantienen unidas en un estado muy compacto mediante otras proteínas. Mientras el ADN se encuentre en este estado compactado no puede funcionar para formar ARN, aunque se están descubriendo muchos mecanismos de control que hacen que zonas seleccionadas de los cromosomas se comiencen a descompactar por partes, produciéndose la transcripción parcial del ARN. Como hay más de 30.000 genes diferentes en cada célula humana, no resulta sorprendente el gran número de formas en las que se puede controlar la actividad genética.

Los sistemas de control de los genes son especialmente importantes para controlar las concentraciones intracelulares de aminoácidos, derivados de aminoácidos y sustratos y productos intermedios del metabolismo de los hidratos de carbono, lípidos y proteínas.

El sistema genético de ADN controla la reproducción celular

La reproducción celular es otro ejemplo del papel ubicuo que tiene el sistema genético del ADN en todos los procesos vitales. Los genes y sus mecanismos reguladores determinan las características de crecimiento de las células y también si se dividen para formar nuevas células y cuándo. De esta manera, el sistema genético, tan importante, controla cada etapa del desarrollo del ser humano, desde el óvulo unicelular fertilizado hasta todo un organismo funcionante. Es decir, si hay un eje central de la vida, es el sistema genético del ADN.

Ciclo vital de la célula

El ciclo vital de una célula es el período que transcurre desde el inicio de la reproducción celular hasta el inicio de la siguiente reproducción celular. Cuando las células de los mamíferos no están inhibidas, se reproducen tan rápidamente como pueden y su ciclo vital puede ser tan solo de 10 a 30 h y termina por una serie de sucesos físicos diferenciados que se denominan mitosis y que tienen como finalidad lograr la división de la célula en dos células hijas nuevas. La mitosis en sí misma dura solo unos 30 min, por lo que más del 95% del ciclo vital de las células está representado por el intervalo entre las mitosis, o interfase, incluso en las células que se reproducen con mayor rapidez.

La reproducción celular comienza con la replicación del ADN

El primer paso consiste en la replicación (duplicación) de todo el ADN de los cromosomas. Solo después de que se haya producido esta replicación puede tener lugar la mitosis. El ADN comienza a duplicarse entre 5 y 10 h antes de la mitosis y la duplicación se completa en 4-8 h. El resultado neto es que se producen dos réplicas exactas de todo el ADN. Estas réplicas se convierten en el ADN de las dos células hijas nuevas que se formarán en la mitosis. Después de esta replicación hay otro período de 1-2 h antes de que se inicie bruscamente la mitosis. Durante este período comienzan los cambios preliminares que conducirán a la mitosis.

Fenómenos químicos y físicos de la replicación del ADN

El ADN se replica del mismo modo en que se transcribe el ARN a partir del ADN, excepto por algunas diferencias importantes:

1. Se replican las dos cadenas de ADN de cada cromosoma, y no solo una de ellas.

2. Las dos cadenas completas de la hélice de ADN se replican de extremo a extremo, y no solo algunas porciones como sucede en la transcripción del ARN. 3. Las principales enzimas que participan en la replicación del ADN componen un complejo de muchas enzimas, denominado polimerasa de ADN.

4. La formación de cada nueva cadena de ADN se produce simultáneamente en cientos de segmentos a lo largo de cada una de las dos cadenas de la hélice hasta que se replica toda la cadena. Después, la ADN ligasa une los extremos de estas subunidades.

5. Cada cadena de ADN recién formada se mantiene unida mediante un enlace débil de hidrógeno a la cadena original de ADN que se usó como plantilla, es decir, las dos hélices de ADN se enrollan unidas.

6. Como las hélices de ADN de cada cromosoma miden aproximadamente 6 cm de longitud y tienen millones de giros helicoidales, sería imposible que las dos hélices de ADN recién formadas se desenrollaran si no hubiera algún mecanismo especial.

Reparación de ADN, «corrección de lectura» y «mutaciones» del ADN

Durante la hora, más o menos, que transcurre entre la replicación del ADN y el comienzo de la mitosis hay un período de reparación muy activa y «corrección de lectura» de las cadenas de ADN; es decir, siempre que se hayan emparejado nucleótidos de ADN incorrectos con la cadena original que sirve de plantilla actúan unas enzimas especiales que cortan las zonas defectuosas y las reemplazan con los nucleótidos complementarios apropiados. Este proceso de reparación, que se consigue con las mismas polimerasas del ADN y ADN ligasas que se usan en la replicación, recibe el nombre de corrección de lectura de ADN. Debido a los procesos de reparación y corrección de lectura, el proceso de transcripción pocas veces comete errores pero, cuando lo hace, el error se denomina mutación. La mutación provoca la formación de alguna proteína anormal en la célula en lugar de la proteína necesaria, lo que conduce a funciones celulares anormales y, en ocasiones, incluso a la muerte celular. Cromosomas y su replicación

Las hélices de ADN del núcleo se enrollan en cromosomas. La célula humana contiene 46 cromosomas dispuestos en 23 pares. Los genes de los dos cromosomas de cada par son idénticos o casi idénticos entre sí en su mayor parte, por lo que se dice que en los pares también puede haber genes diferentes, aunque no sea siempre así. Además del ADN en el cromosoma hay una gran cantidad de proteínas, principalmente muchas moléculas pequeñas de histonas cargadas positivamente.

Estas histonas se organizan en un gran número de pequeños núcleos, a modo de carretes, alrededor de los cuales se enrollan secuencialmente pequeños segmentos de cada hélice de ADN. Los núcleos de histonas tienen un papel importante en la regulación de la actividad del ADN porque este no puede funcionar como plantilla para la formación de ARN ni para la replicación de ADN nuevo mientras esté fuertemente enrollado. La replicación de todos los cromosomas se produce en los minutos siguientes a la finalización de la replicación de las hélices de ADN y las hélices nuevas recogen las moléculas proteicas nuevas a medida que las van necesitando. Los dos cromosomas recién formados se mantienen unidos entre sí en un punto que se denomina centrómero, situado cerca del centro. Estos cromosomas duplicados, pero aún unidos entre sí, se conocen como cromátidas.

Mitosis celular

El proceso real por el que la célula se divide en dos células nuevas es la mitosis. Una vez que cada cromosoma se ha replicado para formar las dos cromátidas, en muchas células la mitosis se produce automáticamente en 1 o 2 h.

Aparato mitótico: función de los centríolos

Uno de los primeros pasos de la mitosis tiene lugar en el citoplasma, al final de la interfase, en torno o en unas pequeñas estructuras denominadas centríolos. Dos pares de centríolos se mantienen estrechamente unidos cerca de un polo del núcleo (estos centríolos, ADN y los cromosomas, se han replicado durante la interfase, después de la replicación del ADN). Cada centríolo es un pequeño organismo cilíndrico en torno a 0,4 μm de largo y 0,15 μm de diámetro y está formado principalmente por nueve estructuras tubulares paralelas dispuestas en forma de cilindro. Los dos centríolos de cada par se disponen en ángulos rectos entre sí y cada par de centríolos, junto con el material pericentriolar unido a él, compone el centrosoma. Poco antes de que tenga lugar la mitosis, los dos pares de centríolos comienzan a separarse uno de otro. Este movimiento se debe a la polimerización de las proteínas de los microtúbulos que crecen entre los pares respectivos de centríolos y los separan. Al mismo tiempo, crecen radialmente otros microtúbulos que alejan los pares de centríolos, formando una estrella a modo de soporte, que se conoce como áster, en cada extremo de la célula. El complejo de microtúbulos que se extiende entre los dos nuevos pares de centríolos es el huso, y todo el conjunto de microtúbulos más los dos pares de centríolos se denomina aparato mitótico.

Profase: La primera etapa de la mitosis. Mientras se forma el haz, los cromosomas del núcleo (que en la interfase corresponden a hebras laxamente enrolladas) se condensan en cromosomas bien definidos.

Prometafase: Las puntas de los microtúbulos en crecimiento del áster se fragmentan en la cubierta nuclear. Al mismo tiempo, los múltiples microtúbulos del áster se unen a las cromátidas en los centrómeros, donde las cromátidas pareadas aún están unidas entre sí; a continuación, los túbulos tiran de una cromátida de cada par, alejando cada una hacia el polo celular correspondiente.

Metafase: las dos ásteres del aparato mitótico se separan. Este empuje parece suceder porque las puntas de los microtúbulos de ambos, donde se imbrican entre sí para formar el huso mitótico, realmente se empujan mutuamente. Unas moléculas proteicas contráctiles diminutas, o «motores moleculares», que tal vez estén formadas por la proteína muscular actina se extienden entre las puntas respectivas para que deslicen activamente las puntas en dirección opuesta una de otra. Simultáneamente, los microtúbulos insertados en las cromátidas tiran fuertemente de ellas hasta el centro de la célula, alineándolas para formar el plano ecuatorial del huso mitótico.

Anafase: Las dos cromátidas de cada cromosoma son separadas en el centrómero. Se separan los 46 pares de cromátidas y se forman dos juegos independientes de 46 cromosomas hijos. Cada uno de ellos es empujado hacia cada uno de las ásteres de la mitosis, a medida que los dos polos respectivos de la célula en división se van separando entre sí.

Telofase: Los dos juegos de cromosomas hijos se separan completamente. A continuación, el aparato mitótico se disuelve y se desarrolla una nueva membrana nuclear que rodea cada grupo de cromosomas. Esta membrana se forma a partir de porciones del retículo endoplásmico que ya están presentes en el citoplasma. Poco después, la célula se divide en dos, en la zona media entre los dos núcleos. Este pinzamiento se produce como consecuencia de la formación de un anillo contráctil de microfilamentos compuestos por actina y, probablemente, miosina en la unión de las células nuevas que se están desarrollando, anillo que las termina separando.

Control del crecimiento y la reproducción celular

Algunas células crecen y se reproducen continuamente, como las células que dan lugar a los elementos formes sanguíneos en la médula ósea, las capas germinales de la piel y el epitelio intestinal, mientras que muchas otras células, como los miocitos del músculo liso, pueden no reproducirse durante muchos años. Algunas células, como las neuronas y la mayoría de los miocitos del músculo estriado, no se reproducen durante toda la vida de una persona excepto durante el período de vida fetal. En algunos tejidos la falta de algunos tipos de células hace que crezcan y se reproduzcan con rapidez hasta que vuelva a haber un número apropiado de estas células. Los mecanismos que mantienen el número apropiado de los distintos tipos de células en el organismo no se conocen con detalle.

Formas de controlar el crecimiento:

1)el crecimiento se controla a menudo mediante factores de crecimiento que proceden de otras partes del organismo. Algunos de estos factores de crecimiento circulan en sangre, pero otros se originan en los tejidos adyacentes.

2)la mayoría de las células normales dejan de crecer cuando han salido de este espacio para su crecimiento, lo que sucede cuando las células crecen en un cultivo tisular; el crecimiento continúa hasta que las células entran en contacto con un objeto sólido y después se detiene.

3)las células que crecen en un cultivo celular dejan de hacerlo cuando se ha podido recoger cantidades diminutas de sus propias secreciones en el medio de cultivo. Además, este mecanismo sería un medio de controlar el crecimiento mediante la retroalimentación negativa.

Los telómeros evitan la degradación de los cromosomas

Un telómero es una región de secuencias de nucleótidos repetitivas situadas en cada extremo de una cromátida. Actúan como cubiertas protectoras que evitan que el cromosoma se deteriore durante la división celular. En el curso de la división celular, una pieza corta de ARN «cebador» se une a la cadena de ADN para iniciar la replicación. Sin embargo, dado que el cebador no se une en el extremo de la cadena de ADN, la copia está ausente en una pequeña sección del ADN. Con cada división celular, el ADN copiado pierde nucleótidos adicionales de la región del telómero. Las secuencias de nucleótidos proporcionadas por los telómeros evitan, de esta forma, la degradación de los genes cerca de los extremos de los cromosomas. Sin telómeros, los genomas perderían información progresivamente y quedarían truncados después de cada división celular. los telómeros pueden considerarse elementos cromosómicos desechables que ayudan a mantener la estabilidad de los genes, pero se consumen de forma gradual durante divisiones celulares repetidas.

Cada vez que una célula se divide, una persona media pierde de 30 a 200 pares de bases en los extremos de los telómeros de esa célula. Finalmente, cuando los telómeros se acortan hasta una longitud crítica, los cromosomas se vuelven inestables y las células mueren. Según se cree, este proceso de acortamiento de los telómeros es un motivo importante de algunos cambios fisiológicos asociados con el envejecimiento. La erosión de los telómeros puede producirse también como consecuencia de enfermedades, especialmente las asociadas con el estrés oxidativo y la inflamación.

Regulación del tamaño de la célula

El tamaño de la célula está determinado casi en su totalidad por la cantidad de ADN funcionante que hay en el núcleo. Si el ADN no se replica, la célula crece hasta un tamaño determinado y después lo mantiene, mientras que también es posible que, usando el quimioterápico colchicina, se impida la formación del huso mitótico y, por tanto, la mitosis, aunque continúe la replicación del ADN. En este caso, el núcleo contiene una cantidad de ADN bastante mayor de lo que normalmente contendría y la célula crece hasta un tamaño proporcionalmente mayor. Se supone que este crecimiento celular es consecuencia del aumento de la producción de ARN y de las proteínas celulares, lo que, a su vez, hace que el tamaño de la célula aumente más.

Diferenciación celular

se refiere a los cambios de las propiedades físicas y funcionales de las células a medida que proliferan en el embrión para formar las distintas estructuras y órganos corporales. Las células humanas maduras producen un máximo de 8.000 a 10.000 proteínas y no las 30.000 o más que se produciría si todos los genes estuvieran activos. Los estudios embriológicos demuestran que algunas células del embrión controlan la diferenciación de las células adyacentes. Por ejemplo, el mesodermo de la notocorda primordial se conoce como el organizador primario del embrión porque forma un foco alrededor del cual se desarrolla el resto del embrión. Se diferencia en un eje mesodérmico que contiene somitas de distribución segmentaria y, como consecuencia de la inducción de los tejidos circundantes, da paso a la formación de esencialmente todos los órganos del organismo.

Apoptosis: muerte celular programada

Los 100 billones de células del organismo forman parte de una comunidad muy bien organizada en la que el número total de células está regulado no solo por el control de la velocidad de división celular, sino también por el control de la velocidad de la muerte celular. Cuando las células ya no se necesitan, o cuando se convierten en una amenaza para el organismo, sufren una muerte celular programada suicida, o apoptosis: proceso que implica una cascada proteolítica específica que hace que la célula se encoja y condense para desmontar su citoesqueleto y alterar su superficie de tal forma que una célula fagocítica cercana, como un macrófago, se pueda unir a la membrana celular y digerir la célula. La apoptosis es una muerte celular metódica que da lugar al desmontaje y fagocitosis de la célula antes de que se produzca ninguna fuga de su contenido, por lo que las células vecinas se mantienen sanas.

Necrosis celular: proceso en que las células que mueren como consecuencia de una lesión aguda se hinchan y estallan debido a la pérdida de la integridad de la membrana celular. Las células necróticas vierten su contenido haciendo que la inflamación y la lesión se extiendan a las células vecinas.

Cáncer

El cáncer se debe en la mayoría de los casos a la mutación o a alguna otra activación anormal de los genes celulares que controlan el crecimiento y la mitosis celular. Los protooncogenes son genes normales que codifican diversas proteínas responsables del control de la adhesión celular, el crecimiento y la visión. Si mutan o se activan de forma excesiva, los protooncogenes pueden convertirse en oncogenes con funcionamiento anómalo capaces de provocar cáncer. En los cánceres humanos se han descubierto hasta 100 tipos distintos de oncogenes. En todas las células también hay antioncogenes, denominados también genes supresores de tumores, que suprimen la activación de los oncogenes específicos, es decir, la pérdida o inactivación de los antioncogenes permite la activación de los oncogenes que conduce al cáncer.

La mayoría de las células mutadas tiene una capacidad de supervivencia menor que las células normales y, simplemente, mueren. Solo algunas de las células mutadas que sobreviven son cancerosas, porque incluso la mayoría de las células mutadas tiene controles de retroalimentación normales que impiden su crecimiento excesivo. Estas proteínas activan el sistema inmunitario del organismo, lo que hace que generen anticuerpos o linfocitos sensibilizados que reaccionan contra las células cancerosas y las destruyen. Normalmente se necesita la presencia simultánea de varios oncogenes activados para provocar el cáncer.

Causas de alteraciones genética: la probabilidad de mutaciones aumenta enormemente cuando una persona se expone a determinados factores químicos, físicos o biológicos, como son los siguientes:

1. radiación ionizante, como los rayos X, los rayos g y la radiación de partículas procedentes de sustancias radiactivas, e incluso la luz ultravioleta, predispone al cáncer.

2. Algunas sustancias químicas también tienen una mayor propensión a provocar mutaciones. Las sustancias químicas que provocan la mutación se denominan carcinógenos.

3. Los irritantes físicos también provocan cáncer, como sucede durante la abrasión continuada del revestimiento del aparato digestivo por algunos alimentos. El daño de los tejidos conduce a una sustitución mitótica rápida de las células.

4. En muchas familias hay una importante tendencia hereditaria al cáncer.

5. Algunos virus provocan ciertas clases de cáncer, como la leucemia. Este fenómeno se consigue normalmente por una de dos vías: en el caso de los virus de ADN, la cadena de ADN de un virus se inserta a sí misma en uno de los cromosomas y, de esta forma, se provoca una mutación que conduce al cáncer; en el caso de los virus ARN, algunos transportan una enzima denominada transcriptasa inversa que provoca la transcripción del ADN desde el ARN. Este ADN transcrito se inserta en el genoma de la célula animal, con lo que se produce el cáncer.

Características invasivas de la célula cancerosa

1. La célula cancerosa no respeta los límites habituales del crecimiento celular, ya que no requieren los mismos factores de crecimiento que son necesarios para el crecimiento de las células normales.

2. Las células cancerosas son bastante menos adhesivas entre sí que las células normales, por lo que tienden a dispersarse por los tejidos, entrar al torrente sanguíneo y transportarse por el organismo, donde forman nidos para crecimientos cancerosos nuevos.

3. Algunos cánceres también producen factores angiogénicos que provocan el crecimiento de muchos vasos sanguíneos nuevos dentro del cáncer, por lo que aportan los nutrientes necesarios para el crecimiento celular.

¿Por qué matan las células cancerosas?

El tejido canceroso compite con los tejidos normales para lograr los nutrientes. Como las células cancerosas continúan proliferando indefinidamente, su número se multiplica día a día y pronto demandan prácticamente toda la nutrición disponible para el organismo o para una parte esencial de este. En consecuencia, los tejidos normales sufren una muerte nutritiva gradual.

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Autor: nicolepozos

CAPITULOS 25,26,27

Capítulos 18,19,20

Capitulo 10 y 14

Anexos de capitulo 10 y 14

Capitulo 6,7 y 8 de la unidad 2 y capitulo 9 de la unidad 3

UNIDAD 2.- FISIOLOGIA DE LA MEMBRANA, EL NERVIO Y EL MUSCULO

FISIOLOGIA