Fisiología: funcionamiento

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Fisiología
Todas las células viven en su medio interno, que corresponde al líquido extracelular.
LIC: líquido en el interior de la célula.
LEC: líquido extracelular, el que se encuentra alrededor de la célula.
En un individuo el 60% de su peso corresponde a agua. Esto varía de acuerdo a varios factores,
 La edad: a medida que aumenta la edad, las células se van deshidratando, pudiendo llegar a un
51%; en un recién nacido, en cambio, es de un 75%, y si éste es prematuro, a un 80%.
 El peso: si el individuo es obeso tiene menor contenido de agua, porque el tejido adiposo tiene
poca agua.
 El hombre tiene más agua que la mujer, pues ésta tiene más tejido adiposo.
El agua total del organismo se encuentra repartida entre el LIC y el LEC, con un 40% y 20%
respectivamente. El LEC se puede dividir:
 La que se encuentra rodeando a la célula, líquido intersticial, que llega a un 12%.
 Vasos sanguíneos, que contienen plasma sanguíneo o líquido intravascular, 7%.
 Líquidos transcelulares, en cavidades de epitelios, como el tubo digestivo, humor acuoso,
líquido cefalorraquideo, que llega a un 1,5 - 2%.
DIFERENCIA ENTRE LIC Y LEC.
El ión sodio está más concentrado en el LEC (142 milequivalentes por litro), en el LIC llega sólo a
10; el Cloro igual; el catión importante es el potasio, más concentrado en el LIC, el anión fosfato y
las proteínas; el calcio está más concentrado en el LEC que en el LIC.
Estas diferencias se tienen que conservar así, para que no haya trastornos ni en las células ni en el
organismo. Si aumenta calcio en el LIC la célula se puede calcificar; si entra sodio a la célula, se
llena de agua, etc. Hay variaciones, pero pequeñas y muy controladas. La membrana celular se
encarga de mantener estas diferencias.
ESTRUCTURA DE MEMBRANA
Hoy día se acepta el modelo de mosaico fluido o SINGER NICOLSON: una bicapa lipídica, donde
se encuentran sumergidas las proteínas. Químicamente tienen:
- lípidos: fosfolípidos, colesterol (las procarióticas no tienen) y glicolípidos.
- proteínas
- carbohidratos.
- Agua
- Iones inorgánicos.
Los más abundantes son los lípidos y las proteínas; de la masa de una membrana forman el 95%; los
carbohidratos de un 3 a 4%.
Esteban Arriagada
Fisiología
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LÍPIDOS
Los lípidos son moléculas anfipáticas (una zona hidrofílica y otra hidrofóbica). La cabeza o zona
polar corresponde al grupo fosfato; las cadenas hidrocarbonadas, dependiendo del ácido graso,
pueden ser saturadas o insaturadas. Si se colocan fosfolípidos en una interfase agua-aceite, se
ubicarán con la cabeza hacia el agua, formando una monocapa. Si los fosfolípidos se colocan solo en
agua, formarían miscela, con las cabezas hacia afuera; también se pueden ubicar como bicapa
lipídica, con las cabezas hacia afuera.
Los lípidos se encuentran en estado líquido en las membranas biológicas, lo que hace que sean
estructuras dinámicas; por tanto, los lípidos se pueden mover dentro de una monocapa, pueden rotar,
tener difusión lateral (movimiento dentro de una monocapa) o difusión flip flop (de una monocapa a
otra).
Las membranas serán distintas de acuerdo a la función de la célula. O sea, puede variar el tipo de
lípido que tiene. Si hay más dobles enlaces, la membrana será más fluida; si no hay dobles enlaces,
la membrana será más rígida. Mientras más grande es el ácido graso, la membrana será más viscosa.
Mientras sea mayor la razón colesterol fosfolípido, menor será la fluidez de la membrana.
Si se mide la resistencia eléctrica a una bicapa lipídica, se encuentran 1.000 a 2.000 ohm/cm 2 (la del
LIC es de 0,0001). Esto implica que los iones no pueden pasar por la bicapa lipídica. Pero las
membranas son excelentes capacitores eléctricos (pequeñas cantidades de cargas pueden generar
grandes corrientes eléctricas, o sea, con un pequeño paso de iones se pueden generar corrientes
eléctricas).
PROTEÍNAS
Son moléculas anfipáticas. De acuerdo a su ubicación, se clasifican en:
 Periféricas o extrínsecas: sin dominios hidrofóbicos
 Integrales o intrínsecas: basta con que tenga una parte de dominio hidrofóbico.
 Transmembránicas: a lo menos dos dominios hidrofílicos.
Con relación a la función se clasifican en:
 Estructurales.
 Transportadoras.
 Enzimas (normalmente periféricas)
 Receptores.
CARBOHIDRATOS.
Unidos a lípidos forman glicolípidos, a proteínas, glicoproteínas; hay pocos y sólo se han descrito
hacia el lado externo de la membrana. Su función radica en ser receptores de membrana, uniones de
membrana, etc.
La cantidad de lípidos y de proteínas dependerá de la función de la célula: en la membrana de
mielina, que aísla el paso de sustancias cargadas, hay mayor cantidad de lípidos (75%); en cambio,
la membrana interna de la mitocondria tiene gran cantidad de proteínas (75%).
Esteban Arriagada
Fisiología
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VIAS DE TRANSPORTE
En una membrana artificial los factores que limitan el paso por la bicapa son el tamaño y la carga de
la partícula. Al usar una membrana biológica, pueden pasar todos los elementos. Esto indica que
algunas de las proteínas de las membranas biológicas son transportadoras. Las proteínas se pueden
clasificar en:
1. Proteínas formadoras de conductos pasivos
Se ubican de tal forma que en su interior dejan un centro acuoso. Estos conductos se pueden
clasificar en:
 Poros: formado por proteínas transmembránicas, están permanentemente abiertos y son
inespecíficos, puede pasar cualquier cosa que quepa por el poro y que sea soluble en agua.
 Canales o conductos: no están permanentemente abiertos, sino que tienen compuertas; son
específicos, lo que depende de un filtro selectivo, ubicado en una zona central angosta; sólo
lo pueden atravesar cosas solubles en agua (iones) y que puedan interactuar con los
aminoácidos de la proteína, esta interacción lo deshidrata para que pueda pasar y luego se
vuelve a hidratar; la especificidad no es absoluta. De acuerdo a los estímulos que abren y
cierren el canal estos pueden ser:
 Canales dependientes de voltaje: recordemos que la célula se encuentra cargada
negativamente por dentro y positivamente por fuera, lo que da origen a un potencial de
membrana de reposo igual a -90 mV; frente a ciertos estímulos este valor puede cambiar;
al pasar a -60 mV, (disminuyó la diferencia de potencial), se dice que la membrana se
depolarizó; si de -90 pasa a -100, la diferencia de potencial aumenta y la membrana se
hiperpolariza. Algunos canales se abren o cierran cuando cambia la diferencia de
potencial.
 Canales dependientes de ligando o receptores.
 Canales mecánicos (estrés mecánico).
EJEMPLOS
Canales dependientes de voltaje
 Canal de sodio dependiente de voltaje (es una familia de canales con características similares):
su puerta se abre cuando se depolariza; el diámetro del poro es 0,5 nm; está formado por 4
subunidades; la zona que mira hacia el poro tiene carga negativa, lo que lo hace más específico
que otro (nunca pasará, por ejemplo, cloruro u otros aniones); la compuerta de activación está
mirando hacia el extracelular. Tiene dos compuertas, la de activación y otra hacia el interior, que
es la de inactivación, por lo que se puede encontrar en tres estados: reposo (compuerta de
activación cerrada y de inactivación abierta), abierto (ambas compuertas abiertas) e inactivado
(a un cierto valor de diferencia de potencial se cierra la compuerta de inactivación). Para que el
canal de sodio se active sólo lo puede hacer desde el estado de reposo, y no desde el estado
inactivado, hay una etapa en que la célula no responde a ningún potencial, es lo que se llama
período refractario absoluto; si está inactivado debe pasar primero por el de reposo, porque al
entrar por el poro, las cargas se invierten. Cuando la célula está en reposo la mayoría de los
canales están cerrados; excepto la mayoría de los de potasio, que también son dependientes de
voltaje, por tanto, se mueve el potasio, que está más concentrado adentro y sale, éste, con su
carga positiva, genera el potencial de reposo.
Se caracteriza porque abre y cierra sus compuertas muy rápido.
Esteban Arriagada
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Hay varias sustancias capaces de bloquear el canal de sodio, como unas toxinas llamadas
tetrodotoxina (TTX), ese hecho puede producir hasta la muerte. La TTX también se usa en
investigación, ya que al marcarla se puede contar la cantidad de canales de sodio. La saxitoxina
(STX) también es capaz de bloquear el canal de sodio. La mayoría de los anestésicos locales
también bloquean el canal de sodio.

Canal de potasio (k+): también es dependiente de voltaje; responde a la depolarización. La
compuerta de este canal se encuentra hacia el interior, es un poco más lento para abrir su
compuerta; está formado por 4 subunidades; existe una familia enorme. Uno de estos canales es
responsable del potencial de reposo. Hay sustancias que lo bloquean, como Tetraetilamonio, 4
aminopiridina.

Canal de Calcio: También depende de voltaje y de depolarización. Existen varias familias: canal
L, T, N, etc. Son más lentos. Hay sustancias que bloquean este canal: venapamil, diltiazem,
nifedipina (hipotensor).
Canales dependientes de receptor o ligando.
 Canal de Acetilcolina: la acetilcolina abre la proteína y en el canal se mueven iones. Tiene un
receptor nicotínico. Está formado por 5 subunidades proteicas, una de ellas se repite 2 veces, con
los sitios para que se encaje la acetilcolina, momento en que se abre; por este canal se puede
mover el sodio o el potasio, pero por gradiente se mueve principalmente el sodio. Un bloqueador
de este canal nicotinico es el curare.
 Canal del gaba (nuerotransmisor importantísimo en el SNC, es inhibitorio): cuando la
membrana se depolariza, la membrana se excita; cuando se hiperpolariza, se inhibe. Este canal
aumenta la diferencia de potencial (por lo que podría ser de potasio, que tiende a salir, o de
cloruro, más concentrado afuera). Es de cloruro. Hay sustancias que son capaces de hacer que
este canal este abierto por más tiempo, como el diasepan, y depresores del sistema nervioso
general.
El hecho de que los canales dependiente de ligando estén formados por 5 subunidades explica
porque estos canales son menos específicos que los anteriores, que formados por 4 unidades
dejan un conducto menor.
2. Proteínas carrier o portadores.
Una de las diferencias con los canales es que estos pueden cambiar los flujos iónicos rápidamente;
otra es la tasa de flujo: por los canales se desplazan 107 moléculas por segundo; por carrier 104 o 102
moléculas por segundo.
Si una molécula quiere entrar y existe en el carrier una molécula a fin con ella, ocurre en el carrier
un cambio conformacional, lo que hace que la sustancia entre. El carrier es altamente específico.
Transporta moléculas muy parecidas entre sí, por ej, glucosa y galactosa.
 Existen carriers que tienen receptores para un tipo de soluto (uniport).
 Otros tienen dos sitios distintos: si transporta ambos solutos en el mismo sentido, hacia dentro o
afuera, se habla de cotransporte (o symport).
 Cuando el carrier tiene distintos tipos afines para distintos solutos, y los transporta en sentido
contrario se habla de contratransporte (antiport).
La bicapa lipídica también es un medio por donde pasan sustancias.
Esteban Arriagada
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Fisiología
MECANISMOS DE TRANSPORTE
Se clasifican en 2 tipos de proceso:
 Pasivos: cuando un soluto es transportado a favor de un gradiente químico o de concentración (o
cuesta abajo): para moléculas no cargadas, como la glucosa o a favor de un gradiente
eléctroquimico, en el caso de los iones.
 Activos: el soluto es transportado en contra de gradientes (cuesta arriba).
1. TRANSPORTES PASIVOS.
Se les llama proceso difusibles o difusión. Es el movimiento normal que tienen las moléculas, como
cuando echamos azúcar a una taza de té.
La 1ª ley de Fick dice
J
: flujo o velocidad de difusión
A
: área
J = -AD (C1-C2)
d
: coeficiente de difusión, que depende de las características del
d
solvente, de la temperatura.
d
: distancia
C1-C2 : diferencia de concentración.
Esta fórmula es válida para un soluto no cargado o cargado pero que no se esté moviendo en un
campo eléctrico y para una difusión libre, no para la que se da cuando hay que atravesar una
membrana, caso en el que se usa la siguiente fórmula:
J = -AP (C1-C2)
P
: coeficiente de permeabilidad de la membrana.
Mientras mayor es la diferencia de concentración, mayor es el flujo.
Flujo es la cantidad de soluto que pasa en un área y tiempo determinado
Hay 2 tipos de difusiones:
a) Simple
Las sustancias difunden o se mueven a favor de gradiente y pasan por la membrana sin interactuar
con las proteínas de la membrana, usando la vía de bicapa lipídica y los poros. Un soluto va a
difundir más o menos dependiendo de la permeabilidad de la membrana. La sustancia será más
permeable cuando sea más soluble en lípido, dado por el coeficiente de partición lípido/agua, si es 1,
es igualmente soluble; si es mayor de 1, es más soluble en lípidos y tendrá una mayor difusión en las
membranas biológicas. Las moléculas hidrosolubles chicas y sin cargas, también difunden por la
bicapa lipídica.
El flujo neto es la diferencia de los dos flujos (de fuera hacia dentro de la membrana y viceversa).
Cuando las concentraciones se igualan el flujo neto es cero. El flujo de ingreso a la célula se llama
influjo, cuando sale, se habla de eflujo.
Esteban Arriagada
Fisiología
b) Facilitada
Es muy similar al anterior. Las vías que pueden usar
son canales y carrier. El sustrato se une al carrier a fin,
ocurre un cambio conformacional y hacia el interior el
carrier suelta el sustrato. El soluto está más
concentrado en el exterior que en el interior, por lo que
se mueve de afuera adentro, pero también se puede
mover de dentro afuera, porque el carrier es simétrico
y con el cambio conformacional no se pierde la
afinidad con el soluto cuando está hacia el interior de
la célula. Sin embargo, el flujo neto sería hacia el
interior. Debido a que el carrier es simétrico, el
proceso es bidireccional, por lo que el proceso ocurrirá
hasta que las concentraciones sean iguales (si el soluto
es no cargado). Después de esto el carrier seguirá
trabajando, pero el influjo será igual al eflujo. Por ser
bidireccional, el carrier es equilibrador.
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Velocidad o flujo máximo
Aquí hay una velocidad máxima de flujo porque, por un lado, el número de carrier es limitado, y por
otro, y más fundamental, el cambio conformacional ocupa un tiempo.
La constante de transporte (Ks) es la concentración
de sustancia necesaria para que el flujo sea a la
Velocidad máxima
mitad de la velocidad máxima. Si dos solutos son
A
transportados a la misma velocidad máxima, son
transportados por el mismo carrier, pero su
B
constante de transporte es distinta; el carrier es más ½ V
a fin por el sustrato de menor constante. La afinidad
es igual a A=1/Ks.
Las sustancias liposolubles no ocupan difusión
facilitada.
A
B
EJEMPLO:
 La glucosa, que en la mayoría de las células (tejido muscular, nervioso, adiposo) se encuentra
más concentrada en el exterior que en el interior, usa carrier (difusión facilitada). Se conocen 5,
llamados GLUT 1, 2, 3, 4 (célula muscular y tejido adiposo) y 5. El glut 4 es sensible a una
hormona, la insulina (que disminuye glucosa en sangre, aumentando el transporte de glucosa).
 Los aminoácidos: en la mayoría de las células son captados por carrier por difusión facilitada.
Esteban Arriagada
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2. TRANSPORTE ACTIVO.
Dependiendo de donde saquen la energía, se clasifican en
 PRIMARIO: utilizan energía metabólica, la que generalmente proviene de la hidrólisis del ATP.
 SECUNDARIO: utiliza energía dada por una gradiente química.
a) TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO
Ejemplo: el carrier “X” presenta afinidad por un sustrato S1; se forma el complejo “XS1” y sufre un
cambio conformacional; el sustrato se libera al interior, pero el carrier ya no queda como X, sino
como Y, no presentando ahora afinidad por S1, pero si puede presentar afinidad por otro sustrato, y
cuando lo transporta hacia afuera se vuelve a convertir en carrier “X”. La diferencia con la difusión
facilitada es que el carrier es asimétrico (distinta afinidad al interior y exterior de la membrana), por
lo que el sustrato S1 sólo puede ser transportado al interior, por lo que el proceso es unidireccional y
acumulador.
La cinética del transporte activo es similar al de la difusión facilitada.
EJEMPLO
Sodio y potasio: a este tipo de transporte activo se les llama bomba de sodio y potasio o ATPasa del
transporte, o ATPasa de sodio potasio. Esta proteína está presente en todas las células. Esta bomba
está sacando sodio e ingresando potasio. Está formada por 4 subunidaes dos alfa y 2 beta
(glucoproteínas). Por el intracelular tiene 3 sitios afines para el sodio; por la zona que mira hacia
afuera tiene 2 sitios afines para el potasio. Muy cerca del sitio del sodio tiene la actividad ATPasica
o de enzima, cuando se encaja el sodio, la actividad de enzima se activa y desdobla el ATP; el
fósforo inorgánico que se libera se utiliza para fosforizar la proteína, lo que hace que cambie la
afinidad de la proteína por el potasio; al interaccionar con el potasio, el potasio la desfoforila,
volviendo a la configuración a fin con el sodio.
Experimentalmente se ha determinado que el sodio efluye dependiendo de la temperatura y de la
presencia de ATP. Como el dinitrofenol o el cianuro disminuyen producción de ATP (tóxicos
metabólicos), impiden el funcionamiento de esta bomba. La Ouabaina, que se saca de una planta
llamada digital, es un cardiotónico (aumenta la fuerza con que se contrae el corazón: inótropo
positivo) e inhibe la bomba sodio potasio.
En reposo, la permeabilidad es mayor al potasio que al sodio. El sodio y el potasio se mueven (por
canales) por gradiente química y eléctrica; por ejemplo, el sodio se mueve hacia adentro por la
fuerza de gradiente y por la eléctrica; el potasio también sale por gradiente química (más que el
sodio que entra), pero entra un poco por gradiente eléctrica. Si en la célula sólo hubieran
movimientos pasivos, la célula se llenaría de sodio hasta que este se equilibrara. Por tanto, la misma
cantidad de sodio que entró hay que sacarla hacia afuera, haciendo el flujo igual a cero; lo mismo
con el potasio; de esto se encarga la bomba sodio potasio.
La bomba sodio potasio en cada uno de los ciclos, por cada molécula de ATP que degrada saca 3
sodios e ingresa 2 potasios, ambos son cationes, por lo que genera una diferencia de potencial. Por
eso se dice que es de tipo electrogénica, pero de los –90 milivoltios, aproximadamente -5 son
responsabilidad de la bomba, el resto es responsabilidad de los iones, que se mueven por procesos
de difusión o transporte activo; la difusión de iones es el principal responsable del potencial de
membrana; los iones más importantes son los que difundan más, lo que va a depender de la
gradiente de concentración y la permeabilidad de la membrana; en reposo, el ion que difunde más es
el potasio, por lo que es el principal responsable del potencial de reposo.
Esteban Arriagada
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Si colocamos en una solución iones potasio (K+) y cloruro (Cl-) y al lado de esta una cierta cantidad
de agua, separadas ambas soluciones por una membrana permeable sólo al ion potasio, llega un
momento en que el gradiente de concentración crea un potencial eléctrico llamado potencial de
equilibrio, que contrarresta la fuerza de gradiente de concentración, por lo que deja de difundir el ion
potasio.
b) TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO
En este caso la energía se obtiene de una gradiente química.
EJEMPLO
Las células epiteliales del tubulo renal o del intestino acumulan glucosa, para lo cual tienen carrier.
El transportador tiene 2 sitios activos, en uno se encaja la glucosa y en otro el sodio, como el
transporte de sodio es a favor de gradiente, esa energía de gradiente química permite el transporte de
glucosa. Para sacar la glucosa (hacia el torrente sanguíneo) lo hace por difusión facilitada. Para sacar
el sodio se usa la bomba. (¿qué pasa si aquí se bloque la bomba de sodio?).
Existe un transporte activo de calcio que se encarga de sacar este ion.
Las células musculares cardíacas tienen transporte activo secundario para sacar el calcio, ingresando
sodio, lo que se conoce como contratransporte sodio-calcio.
Recordemos que las sustancias pueden también entrar o salir a través de exocitosis o endocitosis,
pero en este caso la sustancia no pasa por la membrana.
Esteban Arriagada