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“La vida constituye una única función, que queda a cargo del organismo completo como un todo. Sin embargo, las partes constituyentes, las células, son autónomas. A su vez, la función de las partes autónomas encuentran sentido en su integración con el organismo completo…”. Claude Bernard
La Homeostasis celular es esencial para el funcionamiento del organismo
Las células consideradas como unidad estructural y funcional representan, al igual que el organismo, sistemas complejos abiertos que se autorregulan, autoorganizan e intercambian materia y energía con el medio que la rodea, por ello la composición del medio interno debe mantenerse dentro de límites muy estrechos, o rangos fisiológicos.
La Homeostasis celular entendida como los procesos que mantienen el medio intracelular ante cambios en el medio extracelular (medio interno) involucra mecanismos que mantienen el volumen y composición celular, el pH y a través de ellos los procesos metabólicos vitales celulares.
La membrana celular: el límite funcional entre el compartimiento intracelular y extracelular
La membrana que rodea cada célula determina los compartimentos intracelular y extracelular, y cada compartimiento está definido por el volumen de agua y la masa de solutos que contiene.
En un individuo adulto, de 70 kg de peso, el agua corporal total se estima equivalente a un 60-67% del peso corporal (masa corporal), que equivaldría a unos 40- litros. Este porcentaje cambia en función de la edad, sexo y estructura corporal, por ejemplo en un individuo obeso es del 50% porque el tejido adiposo contiene menos agua que el tejido magro, y en las mujeres también porque es más abundante el tejido adiposo subcutáneo.
Fig.1 Distribución e intercambio de agua en los compartimientos líquidos
El volumen de agua corporal total puede ser cuantificado (ver Recuadro Nº1 ), y también el de sus dos compartimientos principales, el compartimiento del líquido intracelular (LIC) y el compartimiento del líquido extracelular (LEC).
El LIC está constituido por la suma del volumen de agua existente en la totalidad de
todas las células del cuerpo, y representa entre el 30-40% del peso corporal. Los componentes principales del LIC son el catión potasio y los aniones proteinatos, fosfato y orgánicos. Este LIC se suele describir como una solución diluida, pero la fracción del citoplasma no ocupada por organelas es un sistema coloidal, y por esta razón se denomina citosol. El citosol tiene una alta concentración de proteínas que causa un fenómeno conocido como hacinamiento molecular que obstaculiza la difusión, esto puede generar diferencias de concentración de los solutos entre diferentes partes de la célula.
El LEC está constituido por dos sub- compartimientos principales, el intravascular que contiene la sangre, siendo el plasma la fracción que corresponde al LEC (los elementos formes pertenecen al LIC) y el extravascular que contiene distintos subcompartimientos: el mayor es el líquido intersticial, y subcompartimientos menores, como la linfa y líquido transcelular. El líquido transcelular incluye todos aquellos secretados por epitelios y delimitados por ellos en cavidades como el cefalorraquídeo, sinovial, intraocular, peritoneal, pleural y pericárdico. No todo el LEC es functional ya que el agua contenida en el tejido conectivo denso y hueso es de lenta movilización, por ello no se lo considera “LEC funcional”. Los componentes principales del LEC son el catión sodio, y los aniones cloro y bicarbonato, la composición de las subdivisiones plasma y líquido intersticial difieren sólo por las proteínas presentes en el plasma.
Tanto en el LEC como el LIC se mantienen estables las concentraciones de sus componentes dentro de cada compartimiento. La estabilidad del volumen y composición de estos compartimientos se mantienen por mecanismos de control y regulación que garantizan la adecuada homeostasis hidroelectrolítica del LEC o medio interno, a pesar de las grandes modificaciones que diariamente se manifiestan en los ingresos y egresos de agua y solutos, y por mecanismos locales que mantienen la homeostasis tisular y
de Homeostasis celular ante los cambios en el LEC. Si se observa la Fig.2 se puede deducir que:
- el plasma, el líquido intersticial y el LIC son isosmóticos ,
- cada compartimiento mantiene su electroneutralidad , ya que la suma de los cationes es igual a la suma de los aniones dentro de cada uno de ellos.
LIC PLASMA INTERSTICIO
290-300 mOsm/L 291-301 mOsm/L 290-300 mOsm/L
Fig.2: Composición de los compartimientos líquidos
Recuadro Nº Cuantificación del volumen y composición de los compartimientos líquidos del organismo
El principio básico utilizado para medir indirectamente volúmenes desconocidos es el método de dilución , basado en la Ley de conservación de la masa. En base a dicha Ley es posible medir un volumen administrando una cantidad ó masa de una sustancia conocida que se distribuye en el compartimiento. Este método se utiliza por ejemplo para estimar el volumen de los compartimientos líquidos, el volumen minuto cardíaco y el volumen residual pulmonar, entre otros. Para ello se administra de sustancia de masa conocida (mg), y se toma la concentración final que se logra en el volumen desconocido (mg/dl), y así se puede calcular el volumen en que se diluyó la sustancia (volumen de distribución). La fórmula de trabajo es:
Vol. distrib=cantidad indicador/concentración alcanzada
La medición del volumen de un compartimiento utilizando esta técnica proporciona una estimación sólo si se satisfacen ciertas condiciones respecto a la sustancia indicadora: -que se distribuya uniformemente en el compartimiento -que no se intercambie con otro compartimiento -que no se degrade ó metabolice
-que no se excrete durante el tiempo de medición -que no sea tóxica.
Como el agua atraviesa fácilmente los límites de los compartimientos se utiliza agua marcada con tritio o con deuterio para determinar el agua corporal total. También la urea marcada puede utilizarse ya que está presente en el compartimiento intravascular, intersticial y el intracelular en aproximadamente la misma concentración (0,3g/L) pues se distribuye homogéneamente al atravesar todas las barreras.
Para la medida del LEC es necesario emplear marcadores que no atraviesen membranas celulares. Este volumen no puede ser medido con precisión ya que los límites de este espacio están mal definidos y pocas sustancias se mezclan con rapidez en él. Para la estimación del volumen extracelular se utilizan sustancias como sacarosa, manitol, radiosodio, pero la estimación más exacta es con inulina marcada. Para cada una de las divisiones del LEC se pueden utilizar distintos marcadores. El volumen plasmático se mide generalmente utilizando el colorante Azul de Evans o albúmina marcada radioactivamente.
K+^14 0 mOsm/l HPO-^3 11 mOsm/l Mg++^20 mOsm/l HCO 3 -^ 10 mOsm/l Cl-^4 mOsm/l Na+^15 mOsm/l Ca++^1 mOsm/l Proteínas 16g/dl= 4mOsm/l Glucosa 10mg/dl=0.64mOsm/l Urea 4mOsm/l Otros Creatina, ATP, 9 9mOsm/l
K+^ 4 mOsm/l HPO-^3 2 mOsm/l Mg++^ 0.8 mOsm/l HCO 3 -^24 mOsm/l Cl-^104 mOsm/l Na+^142 mOsm/l Ca++^ 1.5 mOsm/l Proteínas 2g/dl= 1.2 mOsm/l Glucosa 90mg/dl=5mOsm/l Urea 15 mg/dl=4mOsm/l Otros 20 mOsm/l
K+^ 4 mOsm/l HPO-^3 2 mOsm/l Mg++^ 0.7 mOsm/l HCO 3 -^ 27 mOsm/l Cl-^113 mOsm/l Na+^148 mOsm/l Ca++^ 1. 2 mmol/l Proteínas 0.1g%=0.2 mOsm/l Glucosa 90 mg/dl=5mOsm/l Urea 4mOsm/l Otros 20 mOsm/l
Osm plasmática efectiva= 2[Na+] +.[Glu]/
Dado que la contribución de la glucosa, el potasio y la urea a la osmolaridad plasmática es de sólo 10mOsm/L aproximadamente, la fórmula puede reducirse a:
Osmolaridad Plasmática= 2[Na+]+
Esto permite visualizar que el sodio es el factor determinante de la osmolaridad del plasma ; excepto en tejidos ó patologías en las que la glucosa ó la urea pueden influir.
Recuadro Nº La química de los solutos y su significado fisiológico
Los solutos poseen distintos tipos de enlaces químicos, aquellos que no permiten su ruptura como en la glucosa, y los más débiles que permiten la disociación de las moléculas, como en el cloruro de sodio, que da iones Na+^ y Cl-. Los primeros son llamados compuestos no electrolíticos y los segundos se conocen como electrolitos y conducen corriente eléctrica. Para expresar la concentración de los solutos existen distintas formas, y es fundamental comprender su nomenclatura, importancia y significado fisiológico:
- miligramos por decilitro (mg/dl): expresa el peso por unidad de volumen, pero no permite una comparación fisiológica, ya que para un mismo valor de concentración de dos sustancias el número de moléculas en solución puede ser distinto.
- milimoles por litro (mmol/L) : expresa el número de moléculas por unidad de volumen (siendo 1 mol el equivalente al número de Avogadro de moléculas- 6,02.10^23 ), pero no brinda información directa del número de partículas osmóticamente activas en la solución.
- miliosmoles por litro (mOsm/L u mOsM): expresa el número de partículas osmóticamente activas por unidad de volumen. Puede expresarse por litro de solución (concentración osmolar) o por kg de solvente (concentración osmolal). Para soluciones diluidas, como los líquidos corporales, el valor numérico de las concentraciones osmolar y osmolal es semejante.
- miliequivalentes por litro (mEq/L) : expresa el número de cargas eléctricas por unidad de volumen.
Por ejemplo, para una sustancia no disociable como el sodio, que contiene el mismo número de moléculas que de partículas y es monovalente (Na+), las expresiones 2.3mg/L, 1mmol/L, 1mEq/L ó 1mOsm/L son valores que representan la misma concentración, pero en el caso del calcio que es una sola partícula divalente (Ca++) y contribuye con dos cargas, 1mOsm/L es igual que 2mEq/L.
Qué importancia funcional tiene conocer la diferencia? Si se compara el efecto de un mol de dos sustancias que no se disocian al colocarlas en una solución, se observa que producirán el mismo resultado osmótico, pero si una de ellas se disocia tendrá mucho mayor efecto osmótico, aunque el número de moléculas original fue igual (1 mol); porque el número de partículas es el factor determinante del efecto osmótico. Este efecto osmótico está directamente relacionado con la distribución de agua en el organismo, pues el agua se distribuirá por ósmosis desde el compartimiento de mayor concentración de agua, o sea menor concentración de solutos, hacia en de menor concentración de agua ó mayor de solutos.
Por ello, la expresión de la concentración de los componentes de los compartimientos líquidos en mEq/L no es exactamente igual ni cuantitativamente ni fisiológicamente a la expresión en mOsm/L.
Otro modo de expresar la concentración de partículas osmóticamente es
la presión osmótica de la solución (π). Dado
que π también es una propiedad coligativa, es mayor cuanto más partículas disueltas posea la solución por unidad de volumen. La presión osmótica para soluciones muy diluidas puede definirse por la ecuación
de Boyle-vant Hoff ó Ley de vant Hoff, que considerando que las moléculas de soluto se comportan termodinámicamente como moléculas de gas, aplica la Ley Universal de los Gases ideales al concepto de π, siendo:
π = RT. Δ[solutos]
T:tempºK, RT:cte de gases, Δ[solutos]:diferencia de concentración solutos no permeantes
Así, se puede entender que la presión osmótica es directamente proporcional a la concentración molar del soluto, el que genera una diferencia de potencial químico que se convierte en la fuerza de empuje para el flujo de agua por ósmosis desde la solución hipoosmótica o con menor presión osmótica hacia la solución hiperosmótica ó con mayor presión osmótica. Idealmente, y acorde a van`t Hoff, la π es proporcional a la concentración de los solutos, independientemente de su naturaleza; pero existen casos en los que la naturaleza química del soluto tiene relevancia en la generación de π, porque el soluto no puede atravezar la membrana, ó tiene carga eléctrica ó grupos ionizables y su carga depende del pH.
Por ello, para tener una estimación de la π real hay que tener en cuenta el factor que representa la fracción de partículas que son rechazadas o reflejadas por la membrana. Esto se calcula incorporando el coeficiente de reflexión de Staverman (σ), entonces
π = RT. σ. Δ[solutos]
El coeficiente de reflexión se ubica entre 0 y 1, diferencia que expresa si un soluto es permeante ó no permeante respectivamente. Por ejemplo, para muchas membranas el valor de σ para la urea es casi 0, mientras que para las proteínas es próximo a 1.
Si σ=0 entonces el agua y el soluto atraviezan la membrana por igual y no se desarrolla presión osmótica. Este concepto es fisiológicamente importante ya que ayuda a determinar si un soluto causará movimiento de agua a través de la membrana o no, con sus consecuencias en los cambios de volumen celular.
Entonces, el flujo de agua a través de una membrana depende de la diferencia de presión osmótica (Δπ), y se expresa
Q= - (A.Lp.Δπ) (Q: flujo de agua, Lp: coeficiente de conductividad hidráulica de la membrana ó de filtración, A: área)
El signo negativo de la fórmula señala que el agua fluye desde el lado hipoosmótico hacia el hiperosmótico. Esta fórmula es aplicable cuando existen solutos no permeantes, ya que si los solutos también se mueven siguiendo su propio gradiente y
atraviezan la membrana, disminuiría Δπ y por ende, cesaría el flujo de agua.
Aplicando este concepto, las proteínas plasmáticas son la causa principal de la diferencia de presión osmótica efectiva y se la denomina presión oncótica. En los casos en que coexisten proteínas ionizadas y iones que neutralizan sus cargas para mantener la electroneutralidad se genera una presión denomina presión coloidosmótica (oncótica + osmótica).
Tanto el LEC como el LIC tienen una π=6,7atm. En el plasma y el líquido intersticial el Na+^ y Cl-^ ejercen el 80% de dicha presión osmótica.. La presión osmótica se desarrolla inevitablemente a través de la membrana celular animal ya que las células contienen macromoléculas aniónicas polivalentes, proteínas y fosfatos orgánicos, impermeables a la membrana, así en el espacio intracelular casi
el 50% de π se deben a la presencia del K+^ y
las proteínas intracelulares.
El flujo de agua también esta influenciado por la presión hidrostática (Ph), resultando
Q= A.Lp.(ΔPh-Δπ)
En la célula animal, bajo estas condiciones, el agua tenderá a ingresar a la célula por Δπ, y la membrana por sus características elásticas no desarrolla una presión hidrostática suficiente que se oponga al paso de agua. Así, la célula tendrá a hincharse y esto llevaría a la lisis celular. Este problema efecto no se observa porque la membrana plasmática tiene una baja permeabilidad al sodio y además por acción de la bomba Na/K-ATPasa se considera que la membrana plasmática es “funcionalmente impermeable” al sodio (ver Recuadro Nº3 ). Este balance de los movimentos iónicos a través de la membrana, por el cual la bomba Na/K- ATPasa equipara la presión generada por los aniones impermeables, es conocido como el concepto de “bombeo y fuga” (pump and leak) y así la osmolaridad del LIC no excede la del intersticio. Si bien tanto la membrana celular como el endotelio como son permeables al agua, es distinto el flujo de agua a través del endotelio capilar , donde la estructura del
A través de estos estudios se observó que muchos canales oscilan entre dos niveles de conducción: estado cerrado (no hay flujo de corriente) y estado abierto, y se determinó que cada canal se abre y cierra con una amplitud determinada (conductancia) y frecuencia que le es característica (cinética del canal). Así, los canales se pueden definir por su conductancia y especificidad, tanto para la especie iónica (selectividad) como para la capacidad de responder a señales específicas que modulan la cinética del mismo. La membrana presenta canales iónicos pueden permanecer abiertos constantemente (excepto que sean fosforilados por señales intracelulares) denominados de flujo pasivo ò fuga. También la membrana puede presentar canales que presentan su apertura ò cierre regulada por estímulos, como los canales voltaje-dependiente (se abren ó cierran ante la modificación del Vm), canales ligando-dependiente (se abren ó cierran en presencia de sustancias ó ligandos externos (neurotransmisores, hormonas) ó internos (segundos mensajeros, ATP), canales mecano- dependientes (responden a cambios mecánicos como el estiramiento de la membrana o de presión).
Fig.4 Tips de canales iónicos de apertura/cierre regulado
Para entender el funcionamiento de los canales iónicos se aplica la Ley de Ohm, ya que un canal iónico es un conductor unitario que atraviesa la membrana, y la conductancia total de la célula es la suma de todas estas conductancias unitarias en paralelo. Esta conductancia total representa una medida de cuantos canales están abiertos, cuantos iones están pasando por ellos en ese momento, y con que facilidad pasan los iones a través de ellos. En una clasificación sencilla desde este punto de vista se pueden definir los canales ohmicos (que dejan pasar un solo ion y la conductancia es independiente del potencial) y canales rectificadores (la conductancia es variable en función del potencial).
Las AQP fueron descubiertas por Peter Agre, quien en 2003 recibió el Premio Nobel de Química por haberlas identificado, y hasta el momento han sido descriptas once AQP (0 al 10), las cuales comparten similitudes estructurales y se relacionan con una diversidad de enfermedades.
Fig5 Modelo de Acuaporina AQP
AQP1 es la más abundante en la mayor parte de los epitelios y capilares. AQP2 se expresa en la membrana de los túbulos distales y colectores renales por acción de la hormona antidiurética. AQP3 y AQP4 se encuentra en la membrana basolateral de las células principales y facilitan la resorción de agua desde el túbulo colector. AQP se encuentra colocalizada con H+-ATPasa en las células intercaladas renales secretoras de ácido, es activada a pH ácido e inhibida por alcalinización, participa en la secreción de H+. AQP5 está localizada en la membrana apical de células epiteliales en glándulas como submucosas respiratorias, lacrimales, salivares y sudoríparas; su rol fisiológico consiste en regular el flujo de agua hacia la luz glandular.
En la Difusión facilitada los transportadores (uniporte) se combinan temporalmente con la molécula de soluto y a través de un cambio conformacional reversible transportan el soluto de un lado al otro de la membrana (translocación), después queda libre para unirse a una nueva molécula. Son ejemplos de este tipo de transporte el pasaje de glucosa a través de la membrana por los GLUT1, de urea por UT, de cationes orgánicos por OCT. Este transporte es saturable y ello se evidencia porque la tasa de difusión se aproxima a un máximo, denominado Vmax, al aumentar la concentración de la sustancia.
Transporte activo El Transporte activo utiliza energía como fuerza impulsora para transportar las sustancias en contra de su gradiente, y se clasifica dependiendo el origen de esta energía en Transporte activo primario y Transporte activo secundario.
Fig6 Tipos de transporte a través de la membrana
El Transporte activo primario utiliza la hidrólisis del ATP en forma directa para proveer la energía libre para el transporte contra el gradiente electroquímico, son las llamadas bombas ATPasa. Las bombas de transporte primario presentan formas de monotransporte ó uniporte, cotransporte y contratransporte, y las mismas características de especificidad y saturabilidad que la difusión facilitada mediada por transportadores. Los ejemplos más comunes de bombas de la membrana plasmática son las Na/K- ATPasas, Ca- ATPasas, H/K-ATPasa y H-ATPasa. Este tipo de bombas también se encuentran tanto en la membrana como en compartimientos intracelulares, como el retículo endoplasmático liso de las células musculares donde bombean Ca++^ o en los lisosomas donde bombean H+^ hacia el interior. También pueden obtener energía de reacciones de óxido-reducción para crear gradientes como los complejos de las cadenas de transporte de electrones de las mitocondrias.
La bomba Na/K-ATPasa presente en todas las membranas plasmáticas de las células animales, es la más importante de estas bombas. Es un complejo proteico formado por cuatro subunidades, y su función es expulsar 3 iones Na+^ al LEC e introducir 2 iones K+^ al citosol, estas transferencias se hallan acopladas y no pueden realizarse una independientemente de la otra. Por lo menos un tercio de la energía que consume una célula se destina para impulsar esta bomba, en las células nerviosas, donde la actividad eléctrica es sumamente importante, este valor asciende al 60%; y su ubicación hace a la función celular, así en las células epiteliales se hallan ubicadas en la membrana basolateral para participar del transporte.
Fig7 Modelo de funcionamiento de la bomba Na/K-ATPasa
La bomba Na/K-ATPasa es electrogénica, contrarresta el efecto Donnan colaborando en la regulación del volumen celular y en los tejidos excitables reestablece el potencial de membrana después de la despolarización. La actividad de la bomba puede ser modificada por vías intracelulares de señalización activadas por hormonas modifican el estado de fosforilación de la bomba.
El Transporte activo secundario es realizado por proteínas transportadoras que utilizan la energía potencial de un gradiente iónico, generado primariamente a través de un transporte activo primario (por ejemplo bombas de sodio-potasio ó de protones), para el pasaje de sustancias contragradiente. Dependiendo de la orientación del acoplamiento se pueden dividir en:
- cotransporte (simporte) cuando los flujos de las sustancias son en la misma dirección, ya sea hacia adentro ó fuera de la célula.
- contratransporte (antitransporte) cuando los flujos de las sustancias tienen direcciones opuestas (intercambiadores). Acorde a la estequiometría del transporte puede ser electroneutro, si el número de cargas eléctricas desplazadas se compensa,ó electrogénico, si hay movimiento neto de cargas. Los principales cotransportadores son: Na+/glucosa (SGLT - 1:1 y 2:1) se localizan en la mayoría de las células Na+/aa (1:1) se localizan en la mayoría de las células Na+/HCO- 3 (NBC - 1:1, 1:2 y 1:3 - electrogénico) Na+/K+/Cl-^ (NKCC - 1:1:2) Na+/Cl-^ (NCC - 1:1) K+/Cl-^ (KCC - 1:1) KCC1 es una forma ubicua, KCC3 y KCC4 se expresan ampliamente, en particular en células
extracelular por fusión con la membrana. Por ejemplo la liberación de proteínas de exportación y de neurotransmisores. En este caso, hay ganancia de membrana, mientras que en la endocitosis hay pérdida de membrana.Estos procesos participan de la secreción de elementos formadores de la célula (secreción constitutiva) ó de secreción de elementos exportables (secreción regulada) como mensajeros químicos.
Fig11 Modelo de funcionamiento de la exocitosis
En este contexto, donde la Homeostasis celular depende de las concentraciones y de la calidad de solutos del LEC, es más correcto fisiológicamente referirse a las soluciones en términos de tonicidad. La tonicidad es un término fisiológico que se emplea para describir cómo afecta una solución al volumen celular. La tonicidad de una solución depende de la concentración del soluto (al igual que la osmolaridad), pero también del tipo de soluto y de la capacidad de este para atravesar la membrana celular (a diferencia de la osmolaridad). La tonicidad no tiene unidades de medida, es un término comparativo que deviene del efecto sobre la turgencia que desarrolla la membrana celular. Una solución hipertónica es aquella cuya osmolaridad efectiva deshidrata las células y pierden volumen disminuyendo la turgencia de la membrana, si no se modifica el volumen celular la solución es isotónica, y si aumenta tanto el volumen como la turgencia de la membrana la solución es hipotónica. Entonces, una solución puede ser isosmótica con el LEC/LIC pero ser anisotónica, o sea modificar el volumen celular. Por otro lado, una solución puede ser isotónica pero resultar hiper ó hipoosmolar respecto al LEC/LIC. Todo depende de la permeabilidad de la membrana al soluto, o sea de su coeficiente de reflexión de Staverman. Por ello, puede decirse que la tonicidad de una solución depende de su concentración de solutos no difusibles.
Si todos estos conceptos los aplicamos a los procesos que pueden presentarse en la relación entre el LEC y el LIC, si aumenta la presión osmótica eficaz del líquido intersticial por un aumento de la concentración de sodio (LEC hipertónico) se producirá paso neto de agua del LIC al LEC, que continuará hasta que
las presiones osmóticas eficaces en ambos compartimientos se hayan igualado. Este proceso también se produce por pérdida de volumen con aumento de osmolaridad extracelular se genera un flujo de agua desde la célula hacia el LEC. En cambio, una depleción del volumen del LEC, sin cambio de concentración de los iones, no producirá salida de agua libre del LIC. En el caso que el descenso de la osmolaridad del LEC es por hiperhidratación se genera un flujo de agua hacia el interior de la célula, así ambos compartimientos experimentan finalmente expansión de volumen.
Fig12 Representación del efecto de la tonicidad del LEC
En el caso que ingresara un soluto que se distribuye en todos los compartimientos como la urea, el agua se distribuye en ambos compartimientos, LEC y LIC, y sus respectivos volúmenes cambian en forma proporcional (un incremento similar en porcentaje, la relación sería 2/3 del exceso de agua iría al LIC y 1/3 al LEC). En contraste, si el soluto que se incorpora al cuerpo queda restringido a un solo compartimiento, el agua se retiene en dicho compartimiento, por ejemplo cuando se ingiere NaCl sin agua éste queda confinado al LEC (recordar que la membrana plasmática es funcionalmente impermeable al Na+), el LEC se vuelve hipertónico y ello activa el movimiento de agua desde el LIC hacia el LEC, generando modificaciones en el volumen celular. Todos estos procesos se deben a que el agua se mueve libremente a través de los
compartimientos, mientras se mantiene el gradiente y hasta que la osmolaridad de ambos compartimientos se iguala, afectando el volumen tanto del LEC como del LIC. Las modificaciones en la tonicidad del LEC activan tanto mecanismos sistémicos como mecanismos celulares de respuesta. Los mecanismos sistémicos de control y regulación de la osmolaridad del LEC limitan la expansión ó contracción de su volumen, ya que con variaciones del 1% al 2% de la osmolaridad del LEC se inician acciones compensadoras que influyen sobre efectores
que modifican el contenido de Na+^ y/o agua del LEC. Los mecanismos celulares son aquellos que se activan ante cambios en la tonicidad del LEC que afectan el volumen celular. Como ya se expresó, los solutos que actúan como determinante principal de la osmolaridad en cada compartimiento son distintos, el sodio en el líquido intersticial, las proteínas y el sodio en el plasma y el potasio en el líquido intracelular.
Fig.13 Modelo de composición iónica de los compartimientos y del intercambio en sus barreras
En la célula, cuya membrana es muy permeable al agua, selectivamente permeable a iones como el sodio, cloro y potasio e impermeable a las proteínas intracelulares, se genera un proceso conocido como el equilibrio Gibbs-Donnan ó efecto Donnan.
Se denomina de esta forma al proceso de redistribución de iones entre dos compartimientos debido a la existencia de un ion no difusible. En la célula los iones no difusibles son las proteínas, que a pH fisiológico se comportan como aniones; y como el sodio es funcionalmente impermeable a la membrana, el Cl-^ y el K+^ compensan esta distribución. Este fenómeno explica la mayor concentración de Cl-^ en el LEC y la mayor concentración de K+^ en el LIC que mantiene la electroneutralidad de los compartimientos.
Fig14 Modelo del Efecto Donnan a nivel celular
Como resultado del equilibrio Gibbs- Donnan cada compartimiento tiene igual número de cargas positivas y negativas, pero el compartimiento que contiene el ion no difusible tiene, con respecto al otro compartimiento, un mayor número de partículas; ello genera un gradiente osmótico.
Vión= -61mV. log [Ci]/[Ce] C: concentraciones intra y extracelulares
Si la célula sólo presenta canales de K+ su potencial de membrana es igual al potencial de equilibrio del potasio, pero una membrana celular posee canales de difusión pasiva selectivos para otros iones, como Na+^ y Cl-., en distinto número que le otorga en una permeabilidad distinta para cada ión. En las neuronas el Vm es cercano al VK pero no idéntico, es menos negativo, ello sugiere la participación de otros iones en la generación del potencial de membrana.
Por lo tanto, cuando una membrana es permeable a varios iones, el potencial de membrana depende de tres factores: la polaridad de la carga eléctrica de cada ión; la permeabilidad de la membrana a cada ión y las concentraciones de los respectivos iones en el LIC y LEC.
La ecuación de Goldman-Hodgkin- Katz proporciona la herramienta para calcular el Vm cuando están implicados dos iones positivos monovalentes, Na+^ y K+, y un ion negativo Cl-, considerando que no hay ninguna bomba electrogénica funcionando
Vm = -61,5 log PK+^ [K+i] + PNa+^ [Na+i] + PCl-^ [Cl-e] PK+[K+e] + PNa+^ [Na+e] + PCl-^ [Cl-i] PK+, PNa+^ y PCl-^ permeabilidades para cada ión
La permeabilidad es una medida de cuán fácilmente los solutos atraviezan la membrana, en el caso de los iones a través de los canales iónicos. La cuantificación del movimiento de la masa de iones en tiempo real es dificultosa por ello lo que se cuantifica es el movimiento de cargas eléctricas que acompañan al movimiento de masa, como corriente eléctrica. La corriente eléctrica generada por los iones es fácil de cuantificar como conductividad, por ello es una forma indirecta de medir la permeabilidad de la membrana a los iones.
Si bien la membrana de la mayoría de las células el permable tanto el potasio como el sodio, lo es aproximadamente 20 veces más al K+^ que el Na+, por lo tanto la difusión de K+^ tiene más incidencia en la generación del potencial de membrana.
En el caso del Na+, como su concentración es más elevada en el LEC tiende a difundir hacia en interior de la célula, y la
fuerza eléctrica también lo impulsa hacia el LIC por las cargas electronegativas y su difusión va generando una fuerza eléctrica positiva en el interior que se opone a la posterior difusión de Na+. En este caso el potencial de equilibrio es de aproximadamente 61mV.
En el caso del cloro, la membrana celular tiene alta permeabilidad, en la neurona es un poco menor a la del potasio; pero en las células musculares es mayor que la del potasio, ello genera una redistribución del cloro diferente. El Cl−, que tiene alta concentración en el LEC, difunde al LIC pero el interior de la membrana electronegativo establecido por la difusión del K+ limita su ingreso. El VCl- es muy próximo al Vm pero no idéntico porque existen el la membrana celular transportadores activos que bombean Cl-^ al LEC como el intercambiador Cl−/HCO 3 −.
Fig 16 Representación gráfica de la relación de Vm con los potenciales de equilibrio de los iones K+, Na+^ y Cl-
El Vm es uno de los factores que participa en la fuerza motriz de los iones permeantes (driving force). Esta fuerza impulsora depende de la diferencia entre Vm y el potencial de equilibrio del ión Vión. Como el Vm depende en gran medida de la permeabilidad a los iones, a mayor permeabilidad el Vm está más cerca del Vión, y por lo tanto la fuerza será menor.
Esta fuerza impulsora ( i ) se puede obtener mediante la diferencia entre el potencial de membrana y el potencial de equilibrio del ión i =Vm–Vión
Cuanto más lejos se encuentre el potencial de equilibrio del ión respecto al potencial de membrana, mayor será la fuerza impulsora; y esta desaparecerá si el Vm es igual al Vión.. Para cationes si i da valores negativos de fuerza impulsora indica que tenderá a entrar a la célula, y con valores positivos que tenderá a salir; mientras que para aniones los valores negativos de fuerza impulsora señalan que tenderá a salir y los positivos que tenderá a entrar la célula.
Por ejemplo, para el Cl-^ la membrana tiene una permeabilidad elevada pero su potencial electroquímico es muy cercano al potencial de membrana, por lo tanto su flujo neto es cero y no tiene gran influencia en la generación de la diferencia de potencial de membrana. La generación y mantención del potencial de membrana depende del proceso de difusión pasiva de los iones potasio y de la
bomba Na/K-ATPasa que mantiene su gradiente. Para ello se requiere que la célula disponga de suficiente energía, pues en caso contrario la bomba se detiene y la difusión pasiva distribuiría los iones a ambos lados de la membrana, en la proporción que corresponde al equilibrio de Donnan.
Fig 17 Representación de la relación Vm, Vión y fuerza impusora
Recuadro Nº Modelo biofísico de Circuito equivalente de la membrana biológica
Una membrana biológica que no posee canales dependientes de voltaje tiene un comportamiento semejante al de un circuito eléctrico simple, en el que hay un condensador y una resistencia.
Las membranas son condensadores formados por dos placas paralelas con una distancia aislante que separa ambas caras, con las cargas eléctricas negativas que existen por su lado interno en situación de reposo, y poseen una alta capacidad de almacenar cargas que determina su capacitancia.
La resistencia representa la oposición de la membrana al paso de cargas a través de ella y es una consecuencia directa de sus dimensiones moleculares que limita el número de iones que fluyen y la velocidad a la que pasan a través de ella.
En una célula no excitable las cargas que pasan a través de la membrana son principalmente iones potasio, que salen por los canales de difusión, y la resistencia será menor cuanto más canales de potasio abiertos haya en la membrana.
En este modelo R representa la resistencia a la corriente de iones en los canales iónicos, C es la capacidad de la membrana por unidad de área y Er es la diferencia de potencial entre el interior y el exterior de la membrana (potencial de la membrana V). Según la Ley de Ohm la corriente eléctrica en ese circuito será i = V/R
como el recíproco de R es la conductancia se puede expresar como i = gV
Así, por ejemplo para el ión sodio hay un gradiente de concentración y un gradiente eléctrico que favorece su entrada a la célula; eléctricamente se puede resumir esta situación en un circuito con una pila representada por el potencial de equilibrio del Na+^ (VNa+) orientada con el positivo hacia adentro y el negativo hacia afuera, una resistencia (RNa+) que tiene cierta conductancia (gNa+) como la inversa de la resistencia (g=1/R), que es más fácil de asimilar con permeabilidad pues a mayor permeabilidad mayor conductancia; y un potencial de membrana (Vm). La corriente de Na+^ (iNa+) que puede ser
LIC LEC
K+^ K+
Na+
E Na += 62 mV
Na +
Cl-
ECl - = - 65 mV
Cl -
Vm - ENa +=
- 65 - (62)=
- 127 mV Vm - ECl - =
- 65 - ( - 65)= 0 mV
Fuerza impulsora Vm - EK+=
Así, las neuronas pueden clasificarse funcionalmente en sensoriales, que llevan la información al sistema, motoras que inervan los efectores, e interneuronas, responsables de la modificación, facilitación o inhibición, coordinación e integración, entre la entrada sensorial y la salida motora.
Morfológicamente esta neuronas presentan diferencias ya que las sensoriales, como las de la retina y el epitelio olfatorio tienen dos procesos una dendrita y un axón, son neuronas bipolares; mientras que otras neuronas tienen los dos procesos fundidos que en ocasiones parecen uno, las llamadas seudounipolares, como las de los ganglios de la raíz dorsal. Por su parte, las interneuronas y motoneuronas son neuronas multipolares que se caracterizan por poseer un axón y múltiples dendritas.
Santiago Ramón y Cajal, médico investigador español (1852-1934), siempre interesado por correlacionar estructura y función, aportó una interpretación funcional de las estructuras que observaba con su microscopio que lo condujo a desarrollar la Teoría Neuronal. De esta forma cambió el paradigma imperante en la época, ya que demostró la independencia morfológica y funcional de las neuronas, pues hasta ese momento se afirmaba que entre las células nerviosas existía una relación de continuidad formando una red donde las señales nerviosas se podían conducir sin interrupciones.
Cajal definió que las neuronas eran células independientes, esa evidencia la obtuvo de las investigaciones realizadas con la técnica modificada por Camillio Golgi (método de la reazione nera - reacción negra- de 1873) de tinción cromoargéntica específica para tejido nervioso.
Golgi, investigador contemporáneo de Cajal, estableció en sus estudios las células nerviosas poseen solamente un axón, el que emite colaterales que dan lugar a un plexo axónico; y describió que las dendritas terminaban libremente. Sugirió que existen dos clases principales de células nerviosas: tipo I o células cuyo axón después de emitir colaterales entran en la sustancia blanca (células de proyección) y tipo II o células cuyo axón permanece dentro de la corteza (interneuronas). A pesar de sus propias observaciones, Golgi fue el defensor más destacado de la Teoría reticular, que proponía que las colaterales axónicas se anastomosaban y formaban una red muy extendida, y sugirió que el sistema nervioso consistía en una rete nervosa diffusa (red nerviosa difusa) confirmando la Teoría reticular de Gerlach. Mantuvo esta idea, incluso en la conferencia que pronunció cuando recibió el
Premio Nobel de Medicina y Fisiología, que compartió con Cajal, en 1906 por sus contribuciónes al conocimiento de la estructura del sistema nervioso; a pesar de defender ambos dos teorías diferentes.
Fig 19 Dibujo original de Cajal mostrando neuronas
En las primeras preparaciones histológicas (cerebelo de gallina) teñida con el método de Golgi, Cajal hizo las trascendentales observaciones de que todas las dendritas y colaterales axónicas de la célula nerviosa terminan libremente, formaban una arborización libre (sin anastomosis) y varicosa (dilatación o ensanchamiento axónico) afirmando que "cada célula nerviosa es un cantón fisiológico absolutamente autónomo" que se comunican entre sí por contacto o contigüidad, no por continuidad. Además, describió por primera vez la existencia de espinas dendríticas, las cuales, desde entonces hasta nuestros días, han sido objeto de una intensa investigación. Cajal propuso que las espinas dendríticas servían para conectar los axones con las dendritas y que representaban un aspecto morfológico fundamental que "conviene conocer porque acaso andando el tiempo alcancen trascendencia fisiológica" (Cajal, 1890), ya que para él eran elementos clave para la relación estructura y función de las neuronas.
Fig 20 Dibujo original de Cajal mostrando espinas dendríticas
Actualmente se sabe que las espinas dendríticas representan el principal sitio post-
sináptico en donde se establecen las sinapsis excitadoras, son elementos clave en la plasticidad del cerebro y sus alteraciones constituyen el correlato anatomopatológico más consistente en diversos tipos de deficiencias mentales.
Para Cajal estaba claro que la corriente nerviosa tenía que seguir una dirección determinada; de las dendritas al cuerpo neuronal y de éste al axón, que a su vez, transmite el impulso a otras dendritas de otras células; y que las neuronas no se comunican en forma indiscriminada conformando redes azarosas, sino hacen contacto con neuronas dianas en lugares especiales de contacto.
Fig 21 Dibujo original de Cajal que muestra flujo de información a través del tejido nervioso
Pero en su época no existían instrumentos que permitían la comprobación fisiológica de estos dos principios que denominó Ley de la polarización dinámica del impulso nervioso , que explica la conducción unidireccional de la señal nerviosa y Principio de especificidad de las conexiones. Los avances tecnológicos han permitido determinar que los puntos de contacto que describió Cajal corresponden a las sinapsis, que fueron confirmados mediante el microscopio electrónico sesenta años más tarde y los registros electrofisiológicos han confirmado la Ley de polarización y el Principio de especificidad.
Gran interés tuvo también su Teoría del neurotropismo , para explicar cómo los axones de las neuronas en desarrollo embrionario emigran hacia una dirección determinada atraídos por sustancias neurotrópicas, y que hoy conocemos como factores de crecimiento; y su hipótesis que el aprendizaje hace que células nerviosas existentes emitan o hagan crecer nuevas prolongaciones para reforzar sus conexiones con otras células nerviosas, así que sea posible comunicarse con ellas más eficazmente.
Potenciales locales y generación del Potencial de acción
Si bien se define a los potenciales de acción como la respuesta de las células excitables ante un estímulo, los estímulos que recibe la neurona en su zona receptiva dendrítica genera potenciales locales.
Los potenciales locales se propagan pasivamente a lo largo de la membrana dendrítica (y del soma) en todas direcciones por conducción electrotónica. Este cambio local en el Vm en respuesta a un estímulo depende de las propiedades pasivas de la membrana (su resistencia) y de la intensidad del estímulo (no tienen umbral de descarga y siempre se desarrollan ante el estímulo); por ello son una respuesta graduada de cambio de polaridad en la membrana o sea su amplitud es de muy pocos mV y depende de la intensidad del estímulo y la resistencia de la membrana.
A mayor resistencia de la membrana mayor amplitud (mientras no se activen canales voltaje-dependientes). Esta resistencia de la membrana depende de la densidad y conductividad de los canales pasivos y del tamaño del soma de la célula excitable. Por ejemplo: si existen muchos canales en la membrana para la difusión pasiva de potasio en la vecindad del lugar de estimulación (o sea opone baja resistencia) salen muchas cargas positivas compensando las que han entrado en el punto de estimulación, por lo tanto la amplitud del potencial local es pequeña.
Por otro lado, en estos potenciales locales que se propagan electrotónicamente (sin la participación de canales voltaje- dependientes) se produce una caída de la amplitud a medida que aumenta la distancia al sitio de estimulación. Este efecto se debe
se denominan subumbrales y no generarán PA. Una vez alcanzado del potencial umbral el PA se gatillará sí o sí, y para cada tipo de célula excitable el PA se desarrollará siempre con la misma amplitud (Ley del todo ó nada).
Fig.24 Gráfico de potencial de ación mostrando sumación de PPSE para alcanzar el Potencial umbral (threshold)
La generación y forma (amplitud y duración) de los potenciales de acción dependen del subtipo y número de canales voltaje-dependientes que posee la membrana de la neurona, y ello se relaciona con la función que cumple cada célula excitable. En algunos casos las membranas son autoexcitables , como en el nodo sinusal
del corazón ó en grupos de neuronas del sistema nervioso central y células musculares lisas del tubo digestivo, en estos casos el Vm se encuentra muy cercano al umbral y por distintos mecanismos iónicos que permiten la acumulación de K+^ en el LIC ó el ingreso constante y con mayor intensidad de Na+, se genera una despolarización autogenerada que llega al umbral sin estímulo.
Así, se puede determinar que cuanto más cercanos el Vm y el potencial umbral más excitable es la célula; y que cambios en las concentraciones iónicas del LIC y el LEC que afecten el Vm también modificarán la excitabilidad de la membrana. Por ejemplo, con una concentración de potasio plasmático de 2,5mEq/L, aplicando la Ecuación de Nernst se obtiene un EK de -109 mV, por lo tanto las células excitables estarán hiperpolarizadas pues el Vm (que siempre es muy cercano al potencial de equilibrio del potasio) estará más alejado que lo habitual del potencial umbral, la excitabilidad será menor y se requerirán estímulos mayores para generar potenciales de acción.
El potencial de acción es un cambio rápido y reversible de la polaridad de la membrana ante un estímulo, siempre de la misma intensidad.
En las células excitables estimuladas, una vez alcanzado el potencial umbral, se abren rápidamente los canales voltaje- dependientes de Na+ , durante el primer mseg, generando el potencial de acción. Los canales de Na+^ voltaje- dependientes poseen dos compuertas, una más próxima al exterior del canal (compuerta de activación) que tiene una carga positiva en el extremo, y cuanto más negativo sea el interior celular más cerrada se encuentra la compuerta) que sólo se abre cuando el interior celular se hace positivo; y otra del lado interior (compuerta de inactivación). A valores de potencial de reposo la compuerta de activación está bloqueando el canal y la de inactivación abierta, el canal está en estado cerrado. La
compuerta de activación se abre con el Vm entre -70 y -50 mV, quedando el canal en estado abierto.
Fig 25 Estados de las compuertas del canal voltaje- dependiente de sodio
Con la rápida apertura de los canales de Na+^ voltaje-dependientes se
inicia la fase de despolarización , que permite un aumento rápido, pero transitorio, en la permeabilidad al Na+, generando un gran incremento en la conductancia al sodio (gNa). Como el Vm está muy alejado del potencial de equilibrio del Na+^ (VNa), éste entra a la célula a favor de su gradiente (i muy elevada), acercándose al VNa; así el Vm alcanza valores positivos, entre +20 y +50 mV dependiendo del tipo de célula. La cantidad de iones Na+^ que atraviezan la membrana no modifica sustancialmente su concentración en el LIC, sólo genera cambios en la polaridad de la membrana adyacente que hace que más canales de Na+^ voltaje-dependientes se abran, produciendo una autorregeneración del potencial de acción en cada punto de la membrana adyacente, como un círculo de retroalimentación positiva que abre más canales de Na+ voltaje-dependientes; este proceso se conoce como ciclo de Hodgkin.
El estado de inactivación del canal voltaje-dependiente de sodio se produce cuando la compuerta de inactivación ocluye el canal, y ésta no volverá a abrirse hasta que el Vm se aproxime a su nivel original de reposo, recién allí vuelve al estado cerrado. La inactivación ocurre por un mecanismo automático pues la compuerta de inactivación se activa al mismo tiempo que la de activación, pero tiene una cinética más lenta y cierra el canal 0,7mseg después.
Fig 26 Gráfico del desarrollo del PA, su correlación con la conductancia y el potencial de equilibrio de Na+^ y K+
El potencial de inversión se produce en el momento en que el flujo de Na+^ decae por acercarse a su potencial de equlibrio, por la inactivación de sus canales y por la apertura de los canales voltaje-dependientes de K+^ que se activaron al mismo momento que los canales
voltaje-dependientes de Na+, pero que se terminan de abrir unos 1mseg después. Por lo tanto, el cambio en la gK se opone a la entrada de sodio y hace que el potencial de acción no llegue al potencial de equilibrio del Na+, determinado su amplitud.
La apertura de los canales de K+ voltaje-dependientes provoca un aumento en la permeabilidad al potasio, y dado que en ese momento el Vm se encuentra muy alejado del VK, se produce un flujo neto hacia fuera de K+, mecanismo que genera la fase de repolarización , pues el K+^ tiende a salir tanto por gradiente de concentración como por gradiente eléctrico, y en 2mseg se restablece el potencial de reposo.
Los canales voltaje-dependientes de K+^ poseen dos estados, abierto y cerrado, en el potencial de reposo la compuerta del canal de K+^ está cerrada, al iniciarse la despolarización se inicia un lento cambio de conformación que abre la compuerta 1mseg después.
Fig 27 Estados de las compuertas del canal voltaje- dependiente de potasio
Estos canales, en muchos casos como en las neuronas motoras, permanecen abiertos más tiempo y por ello se da la fase de hiperpolarización ó post-potencial hiperpolarizante , ya que no vuelve exactamente al valor del potencial de reposo, si no que se hace aún más negativo. En otras células, como las del músculo esquelético, la pendiente de descenso del PA es menos pronunciada y llega al potencial de reposo con cierto retraso.
Los gradientes de Na+^ y K+^ se restablecen después de los potenciales de acción, ya que los iones Na+^ que
