TEMA 1.2 – PRINCIPIOS FISIOLÓGICOS - COMPARTIMENTOS ORGÁNICOS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE PDF

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TEMA 1 – PRINCIPIOS FISIOLÓGICOS 2. COMPARTIMENTOS ORGÁNICOS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE Organización biológica – La célula La célula es la unidad básica vital y la unidad funcional de los seres vivos. Respecto a la célula encontramos el líquido intracelular y el medio celular. Encontramos: - Organis...

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TEMA 1 – PRINCIPIOS FISIOLÓGICOS 2. COMPARTIMENTOS ORGÁNICOS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE Organización biológica – La célula La célula es la unidad básica vital y la unidad funcional de los seres vivos. Respecto a la célula encontramos el líquido intracelular y el medio celular. Encontramos: -

Organismos unicelulares: su líquido celular es el medio interno y el ambiente es su medio externo. Organismos pluricelulares: las células están organizadas en sistemas funcionales. El espacio extracelular es el medio interno y el ambiente es su medio externo.

La membrana celular – Organización celular Su estructura funcional está compuesta por: -

Una bicapa lipídica formada por fosfolípidos y colesterol Proteínas integrales y periféricas. Azúcares, formando parte de glucoproteínas y el glicocáliz.

Su función es separar los dos medios: el medio celular (espacio intracelular) y el medio extracelular. Es la primera separación entre el medio interno de las células y el medio externo. No es una barrera pasiva, sino una barrera dinámica y selectiva que permite el paso e intercambio de sustancias entre el medio interno y externo. Regula el paso de sustancias a su través (medio extracelular). Líquidos y compartimentos orgánicos La mayor parte del organismo está ocupado por líquido: Líquido o Agua Corporal: Agua corporal = Líquido intracelular + Líquido extracelular -

Líquido intracelular: ocupa el interior de las células. Líquido extracelular (Medio interno): ocupa los espacios extracelulares. Contiene todos los componentes que las células precisan para vivir. Está formado por 2 componentes: o Líquido en circulación (plasmático) o Líquido tisular (intersticial), que ocupa el espacio entre células. Líquido extracelular = Medio interno = Plasma + Líquido intersticial

Para medir el volumen que hay de líquido intersticial, de líquido plasma, etc; utilizamos el principio de dilución de indicadores. Ejemplo: Añadimos sustancia indicadora (X). Por ejemplo, 150mg de X en 1ml. Mezclamos hasta que la dilución nos quede homogénea y nos queda una muestra de 0,1mg/ml de X. Cantidad de indicador administrado Concentración final del indicador tras un reparto homogéneo

-

Volumen de dilución =

-

VD = 150mg /(0,1mg/ml) = 1500ml = 1,5 litros

El indicador o sustancia indicadora debe cumplir 5 propiedades o condiciones: 1. 2. 3. 4. 5.

Que sea estable en el medio en el que se ha de determinar. Es decir, que no se modifique, degrade... No debe ser toxico Se debe poder medir fácilmente en el medio que estamos estudiando. No debe modificar la composición del medio a determinar. Por ejemplo, no debe aumentar el nivel de plasma. Su distribución tiene que ser uniforme y rápida en el medio a determinar. Se ha de repartir rápidamente por todos los lugares donde haya por ejemplo, plasma.

El organismo responderá a esta sustancia, y reaccionará como si fuese una sustancia exógena o toxica y por lo tanto puede que haya pérdidas. Esto es debido a que en condiciones fisiológicas, los marcadores biológicos se pueden excretar del organismo en el proceso de medición en forma de orina o heces. Por lo tanto, para determinar el marcador excretado aplicaremos: -

VD =

(Cantidad de indicador administrado) – (Cantidad de indicador excretado) concentración final del indicador

También podemos medir el volumen de agua o líquido corporal total. El mejor marcador para ello es el mismo agua. Se emplean aguas modificadas no toxicas que se comportan igual que el agua normal fisico-quimicamente. -

Agua pesada (D2O o 2H2O). D/2H → deuterio. Agua tritiada (3H2O). 3H → tritio.

Se observa que en un individuo sano, este agua corporal representa un 60% del peso corporal adulto. Por lo tanto, por eso se dice que somos fundamentalmente agua. Pero esto sólo es un valor medio. En neonatos puede llegar a a un 75% y por eso tienen más tendencia a deshidratarse. A medida que envejecemos baja la cantidad de agua, hasta un 50%. El marcador del líquido extracelular no debe entrar dentro de las células y por tanto, se ha de quedar en el espacio extracelular. Además se ha de distribuir homogéneamente por todos los tejidos (líquido extracelular). La inulina – 14C, iones extracelulares como Cl- o Na+ radioactivos o el tiosulfato son buenos marcadores del líquido extracelular. Para medir el espacio intracelular necesitaríamos un marcador cuya principal característica fuera que entrase totalmente dentro de las células y no quedase nada en el líquido extracelular. Pero no hay marcadores de este tipo. Por lo tanto se calcula por un método indirecto. -

Agua corporal total = Volumen intracelular + Volumen extracelular Volumen intracelular = Agua corporal total – Volumen extracelular

El plasma forma el volumen circulante y es el líquido que forma la sangre. Hay marcadores que si se suministran de manera intravenosa, no salen de los vasos y por tanto miden el volumen de sangre. Estos marcadores se mantienen dentro del sistema circulatorio sin pasar a los tejidos (líquido intersticial). Se distribuyen homogéneamente. Podemos encontrar proteínas de alto peso molecular marcados con 125I, como por ejemplo la Albumina-125I. La albúmina es la proteína más abundante que no sale de los vasos sanguíneos. También disponemos de compuestos coloreados que no atraviesan los capilares, como el Azul de Evans, una tinta de color azul que vuelve al organismo de color azul pero que no es dañina. Pero la sangre no sólo está compuesta por plasma, también por células sanguíneas. Con estos marcadores se mide el volumen de plasma, no de sangre. El volumen de las células sanguíneas se mide con el volumen de hematocrito (células de la sangre). Se coge sangre y se añade en un tubo de ensayo. Este se somete a centrifugación y se separa plasma de células por el peso. Ahí se puede observar el volumen que ocupa el plasma y el que ocupa el hematocrito. Normalmente, el porcentaje de células que hay en la sangre es de un 40%. Por lo tanto, si conocemos el volumen que ocupan las dos cosas, plasma y hematocrito, y los sumamos, obtenemos el volumen en sangre. O también con una regla de tres -

Volumen plasma = 3 litros → 60% Volemia = X → 100% → X = 5 litros Volumen células = Volemia – Volumen plasma = 5 – 3 = 2 litros

El volumen de sangre (volemia) también se puede medir directamente gracias a hematíes marcados con 51Cr, un isótopo radioactivo.

El líquido intersticial o tisular es el líquido presente en los espacios extracelulares de los tejidos y que se encuentra fuera de circulación. No encontramos sustancias (que actuarían como marcadores) que se administren en un individuo se queden exclusivamente en el espacio intersticial. Por lo tanto, el volumen de líquido intersticial se mide indirectamente: -

Líquido extracelular = Líquido intersticial + Plasma Líquido intersticial = Líquido extracelular – Plasma

Algunos ejemplos de líquido intersticial son: -

Líquido pericárdico: envuelve el corazón. Líquido que envuelve los pulmones que encontramos en la pleura. Líquido sinovial: en las articulaciones. Líquido cefalorraquídeo: baña el encéfalo y la médula espinal.

Como resumen, aquí tenemos los valores medios aproximados de los espacios corporales (no hay que saberlos. Hay que saberse las proporciones). La mayoría es extracelular y la minoría intracelular. Agua corporal total (ATC) → 60% peso corporal. En una persona de 70kg, el ATC tendría un volumen de 42 litros. -

Líquido intracelular → 40% peso corporal → 2/3 ATC. 28 litros. Líquido extracelular → 20% peso corporal → 1/3 ATC. 14 litros. Plasma → 5% peso corporal → 25% LE. 3,5 litros. Líquido intersticial → 15% peso corporal → 75% LE. 10,5 litros.

Composición de los compartimentos orgánicos Los líquidos corporales son soluciones de iones, proteínas, glúcidos... Si comparamos los dos grandes grupos, su composición es la misma dentro y fuera de las células. La distribución cuantitativa es diferente, pero la cualitativa es la misma. Esto es debido a la permeabilidad selectiva de la membrana celular. -

K+ → se acumula eminentemente (mayoritariamente) dentro de las células. Cl-, Ca2+ y Na+ → iones que se acumulan fuera de las células. Proteínas → la mayoría se encuentran dentro de las células: reacciones enzimáticas, estructurales, transporte... K+ Na+ Ca2+ Proteínas pH

LÍQUIDO EXTRACELULAR 4 mEq/L 142 mEq/L 2,4 mEq/L 2 g/dL – 5 mEq/L 7,4

LÍQUIDO INTRACELULAR 140 mEq/L 10 mEq/L 0,0001 mEq/L 16 g/dL – 40 mEq/L 7

El plasma y el fluido intersticial tienen más o menos la misma composición. Pero el plasma acumula proteínas (anticuerpos, albúmina...), y el espacio intersticial no. En cambio, el líquido intracelular tiene una composición muy diferente del plasma y el líquido intracelular. Los compartimentos corporales no son compartimentos estanco. Estos están en intercambio continuo de sustancias de forma controlada. Los dos espacios están separados por la membrana celular, de permeabilidad selectiva. En esta membrana encontramos mecanismos específicos de transporte, que mantienen las diferencias de composición entre compartimentos (intracelular vs intersticial / plasma). Los compartimentos orgánicos están en equilibrio dinámico, es decir, se mantiene la proporción constante. Los mecanismos de transporte son: -

Movimiento de agua. Difusión simple. Difusión facilitada.

-

Trasporte activo Filtración. Fagocitosis.

Principios de química – Medidas de concentración Los factores determinantes del efecto de una sustancia en el organismo son: -

-

Número de moléculas. La molaridad nos indica los moles de soluto por litro de disolución. 1 mol contiene 6,023*1023 partículas. Carga eléctrica – Equivalentes eléctricos. En solución acuosa, la mayoría de sustancias se encuentran en forma ionizada: iones cargados eléctricamente. La equivalencia se mide en mEq/L. Por ejemplo: o 1 mol NaCl → 1 mol Na+ = 1 mol de equivalentes eléctrico. o 1 mol NaCl → 1 mol Cl- = 1 mol de equivalentes eléctricos o 1 mol Ca2+ = 2 moles de equivalentes eléctricos Número de partículas por unidad de volumen. La osmolaridad no da el número de osmoles por litro de una disolución. 1 osmol es una partícula osmóticamente activa. o 1 mol de glucosa = 1 osmol de glucosa o 1 mol de NaCl = 1 osmol Na+ + 1 osmol Cl- = 2 osmoles

Movimiento de H2O – Ósmosis El agua atraviesa la membrana celular gracias a las acuaporinas, proteínas de membrana que son canales proteicos o poros altamente selectivos. La atraviesa por las fuerzas osmóticas. Hay un movimiento neto de H2O de una zona de baja concentración osmótica a una zona de alta concentración, de dentro a fuera de la célula o viceversa. Las fuerzas de ósmosis se generan por la presencia de sustancias osmóticamente activas. Estas sustancias tiene dificultades para atravesar una membrana biológica (membrana celular). Para equilibrar sus concentraciones fuerzan el movimiento de agua desde zonas de baja concentración a zonas de alta concentración. En el segundo caso, como los solutos no pueden pasar, lo que se mueve es el agua a través de las acuaporinas de la membrana semipermeable, que no deja que los componentes se muevan al azar. La membrana celular es una barrera de permeabilidad selectiva. La mayoría de solutos se comportan como sustancias osmóticamente activas. La concentración osmótica de una solución nos da el número de moléculas osmóticamente activas por unidad de volumen (miliosmoles/litro). El medio intracelular y el extracelular están en equilibrio. Tanto el líquido intracelular como el extracelular tienen una concentración osmótica de 300 mosmolar. Este es un dato universal, para casi todos los organismos vivos. -

Soluciones isosmóticas o isotónicas → [ ] = 300 mosmolar Soluciones hiposmóticas o hipotónicas → [ ] < 300 mosmolar Soluciones hiperosmóticas o hipertónicas → [ ] > 300 mosmolar

Los solutos osmóticamente activos generan presión osmótica. Esta presión es la necesaria para detener el flujo de agua generado a través de una membrana semipermeable. A mayor osmolaridad, mayor presión osmótica. Los medios intracelular y extracelular son soluciones osmóticamente activas, es decir, generan presiones osmóticas. La tonicidad es el efecto de una solución sobre el volumen celular debido al movimiento de agua a través de la membrana. La tonicidad viene determinada por la concentración de solutos que no atraviesas la membrana, es decir, que generan presión osmótica. Mecanismos de transporte – Características generales La difusión simple es el movimiento continuo de las moléculas e iones que lleva a la homogeneización de moléculas. Se produce a favor de gradiente de concentración o de difusión. Alcanzado el equilibrio de concentraciones, la difusión se mantiene gracias al equilibrio dinámico. La intensidad y la rapidez de la difusión depende de: -

La diferencia de concentración. A mayor diferencia, mayor difusión al lado menos concentrado.

-

El medio. La intensidad y la rapidez son mayores en el medio gaseoso que en el líquido. El peso molecular. La distancia de difusión. El área de sección de difusión. La temperatura.

Encontramos dos formas de difusión simple a través de una membrana biológica: -

Disolución en la bicapa lipídica → sustancias liposolubles. A mayor liposolubilidad, mayor difusión. Por ejemplo, gases como el O2 y el CO2, y el colesterol. Paso a través de zonas hidrofílicas de la membrana, por espacios entre proteínas de membranas o poro formados por proteínas, como las acuaporinas. Por ejemplo, agua, iones y moléculas hidrosolubles pequeñas como la urea. Esta forma determina las propiedades de permeabilidad de la membrana.

La difusión de iones se hace a través de canales proteicos gracias a mecanismos de gradiente electroquímico → gradiente de concentración y gradiente eléctrico. Esta difusión puede estar modificada por: -

El tipo de poros, el número de moros, su estado (abierto o cerrado) y la carga. La energía de hidratación de los iones. El gradiente eléctrico a través de la membrana. Puede haber difusión sin gradientes de concentración.

La difusión facilitada está asociada a la presencia de proteínas transportadoras (carrier, shuttle). Los determinantes de la intensidad de difusión facilitada son: -

La diferencia de concentración del sustrato. La cantidad de transportadores presentes – Fenómenos de saturación.

La difusión facilitada no implica gasto energético y a bajas concentraciones del sustrato es equiparable a la difusión simple. Si observamos la cinética del proceso de difusión y comparamos las curvas de transporte de la difusión simple y la facilitada obtenemos que: -

Difusión simple → a mayor concentración, más difusión. Se representa con una recta. Difusión facilitada → a mayor concentración, mas difusión, pero llega un punto de saturación, ya que todos los transportadores están ocupados al mismo tiempo cuando hay mucha concentración de la partícula a trasportar. Se representa con una curva. En esta curva, podemos encontrar el punto exacto que determina la concentración de sustrato exacta que satura el sistema de trasporte.

El trasporte activo, al igual que la difusión facilitada, emplea proteínas transportadoras y sigue una cinética saturable, determinada por el número de transportadores y la concentración de sustrato. En cambio, requiere aporte energético. Es un mecanismo de trasporte a contracorriente: contra gradiente de concentración y contra gradiente eléctrico. Hay dos tipos de trasporte activo, según la base del aporte energético: -

-

Trasporte activo primario. La energía empleada se obtiene a partir del aporte de ATP: la proteína transportadora actúa como una ATPasa. La unión sustrato-transportador y su afinidad vienen moduladas por cofactores. La proteína transportadora, después de unirse al sustrato, padece un cambio de conformación y a continuación se libera el sustrato. Finalmente, el transportador vuelve a su estado inicial. La bomba de Na+-K+ es una ATPasa dependiente de Mg2+. Saca 3 átomos de Na+ al exterior de la célula y entra 2 átomos de K+ a su interior. Esta bomba tiene una gran importancia funcional, ya que mantiene la diferencia de concentración iónica entre el líquido intracelular y el extracelular. Además mantiene el potencial de membrana de las células: voltaje negativo en el interior de la célula. Encontramos la bomba Na+-K+ en todas las células animales y es vital. Transporte activo secundario. Utiliza gradientes iónicos para iniciar el trasporte. Frecuentemente se transporta Na+ como ión cotransportado. Hay más uniones extracelulares que intracelulares debido ala diferencia de concentración del Na+. Hay un aporte energético indirecto por el mantenimiento de la concentración intracelular de iones.

o o

Simporte o cotransporte → el soluto se mueve en la misma dirección que el ión. Hay dos lugares de unión en el mismo lado del transportador. Antiporte o contratransporte → el soluto se mueve en dirección opuesta al ión. Hay lugares de unión en lados opuestos del transportador.

La endocitosis o exocitosis es el transporte a través de la membrana celular con participación activa de componentes asociados, el citoesqueleto. Este sistema supone alteraciones estructurales de la membrana. Encontramos dos tipos: -

Fagocitosis → transporte de elementos de gran tamaño. Pinocitosis → transporte de líquido y macromoléculas en solución.

Finalmente, la filtración es la salida neta de líquido (agua y ciertos componentes en solución), desde los vasos sanguíneos a los espacios extracelulares → tejidos / líquido intersticial. No salen las células ni las proteínas. Sólo algunos componentes, como los iones. RESUMEN -

Los organismos pluricelulares se dividen en compartimentos comunicados entre sí pero de composición química característica y diferenciada. Los compartimentos orgánicos pueden medirse, mediante marcadores específicos, aplicando el principio de dilución de indicadores. El Cl- y Na+ son iones mayoritariamente extracelulares. El K+ es un ion mayoritariamente intracelular. Las células acumulan proteínas. La composición característica de cada espacio orgánico se mantiene mediante mecanismos de transporte, tanto de solutos como de agua (ósmosis). El medio interno se caracteriza por tener una osmolaridad constante de aproximadamente 300 mosmoles/l....