Tipeo de clase 1 completa, Esquemas y mapas conceptuales de Fisiología

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Objetivo de la clase: comprender características generales de los sistemas biológicos.

Cuando hablamos de fisiología lo que vemos son los funciones, la palabra fisiología proviene del latín physiología y esta del griego fisio (naturaleza) y logos (estudio). Ciencia que estudia la función, como creemos que funcionan los sistemas biológicos. Nuestra pregunta clave es ¿CÓMO FUNCIONA? , tenemos que ser capaces de explicar cómo funcionan los diversos sistemas que tenemos en nuestro cuerpo.

Fisiología en si es la ciencia que estudia los procesos físicos y químicos que tienen lugar en los organismos vivos en la célula, órganos, tejidos.

Los mamíferos somos dependiente de energía ya que nuestro cuerpo necesita de ella para cumplir con las funciones vitales. Existen procesos en nuestra vida que son sumamente costosos como por ejemplo:

• El crecimiento: todo nuestra transición de la etapa infantil hasta la adultez
• La reproducción: ciclo menstrual en las mujeres y la espermatogénesis continua en los hombres ( los primeros sistemas en deteriorarse cuando enfermamos son los reproductivos, por su alto costo en energía)
• El metabolismo:
• La respiración:

Nuestro organismo es muy costoso, por lo que debemos saber manejar esta energía de buena forma para hablar de un organismo saludable.

Es muy importante manejarse en los niveles de organización (todos) que componen nuestro cuerpo.

Cuando hablamos de fisiología de sistemas, tratamos de buscar a un individuo integro y para esto existen diversos sistemas que juegan roles muy importantes para gozar de buena salud :

Sistema nervioso y endocrino: juega un rol fundamental ya que gracias a estos podemos comunicarnos y coordinarnos en nuestro interior y exterior.

Sistema musculoesquelético: nos da soporte y movimiento en nuestro cuerpo.

Sistema respiratorio, renal, digestivo: son sistemas fundamentales para mantener el balance enérgico en nuestro organismo.

Sistema circulatorio: cobra una gran importancia ya que a través de la sangre se va distribuyendo la materia y energía.

Características de los sistemas biológicos:

• Los sistemas biológicos son termodinámicamente abiertos, esto significa que intercambiamos constantemente materia y energía con el medio. Es super importante esta característica ya que de cierta forma este intercambio de energía es el que nos hace tener buena salud.

• Tenemos mecanismos que nos hacen estar en un estado estacionario , cuando hablamos de este estado se dice que mantenemos una variable en un nivel constante con gasto energético importante. Un ejemplo podría ser: el mantener nuestra temperatura corporal a un valor constante , al vernos enfrentados a diferentes escenarios tanto como un aumento o baja de nuestra temperatura corporal, nuestro cuerpo despliega mecanismos de homeostáticos o termoreguladores que consumen energía pero nos ayudan a mantener nuestra T° en un valor o rango constante. A esto nos referimos cuando se dice que somos organismos con la capacidad de preservar un estado estacionario o equilibrio dinámico.
• Somos sistemas regulados y homeostáticos. Las variables fisiológicas humanas son reguladas
  • Temperatura corporal 37.5 ± 0.5 ºC
  • [Glucosa] 75 – 95 mg/dl
  • [Na+] 130 -140 mM
  • [K+] 4 – 4.5 mM
  • pH arterial 7.38 - 7.
  • PaO2 85 - 90 Torr
  • PaCO2 35 - 40 Torr
  • Flujo renal, cardíaco y cerebral Autorregulado
  • Presión arterial 100 -120 Torr

Cuando una variable esta regulada, se encuentra en un estado estacionario, cuando no se encuentra regulada, se dice que la variable no logra mantener un estado estacionario por lo que el organismo no está saludable.

El organismo destina energía para mantener dichas variables dentro de un rango determinado.

En fisiología buscaremos las respuestas al ¿COMO MANTENEMOS TODAS LAS VARIBLES REGULADAS DENTRO DE SU RANGO FISIOLOGICO?

Para mantener las variables fisiológicas reguladas necesitamos un monton de energia, el como logramos mantener este estado estacionario nos cuesta mucha energia, entonces si despues llega un patogeno como el coronavirus tenemos que destinar energia para darsela al sistema inmune que lo combata, vamos a perder energia destinada para estos mecanismos y el cuerpo empieza a desvalansearse y sale de su estado estacionario.

Debemos manejar:  Que somos un estado termodinámicamente abierto.  El concepto de estado estacionario.

Cuando disminuye la temperatura tenemos receptores de la temperatura a nivel epitelial y hay neuronas termo sensibles que responden a cambios en la temperatura y esas neuronas viajan por la medula espinal, etc… llegan hasta el hipotálamo que es una región del cerebro que es bien compleja que hay muchos núcleos uno de los cuales se conoce como el núcleo termorregulador que proyecta a través de fibras de moto neuronas y generan un aumento de la actividad muscular y eso genera el calor que permite aumentar la temperatura y volverla a su rango fisiológico ósea volverla al estado estacionario

Entonces la variable es la temperatura, el sensor serian las neuronas sensoriales, el efector seria la actividad muscular que va a generar el aumento de la temperatura

Si bien el grueso de los mecanismos de regulación son los que se conocen como retroalimentación negativa también existen algunos que son retroalimentación positiva como los que veremos ahora.

Un ejemplo de retroalimentación positiva es la propagación del impulso nervioso.

Cuando se propaga una señal eléctrica de un punto a otro o de una neurona a otra entran un montón de cargas positivas que viajan por el interior de un axón y excitan otra región y esto se va propagando y propagando muchas veces, es decir aquí no hay una retroalimentación negativa sino que es positiva

Retroalimentación Anticipatoria: Es decir algunos sistemas son capaces de predecir lo que viene tienen una respuesta que se anticipa al cambio y el ejemplo más claro es el ritmo circadiano.

Ritmo circadiano

Es decir nosotros tenemos un reloj biológico que nos permita adaptarnos somos animales diurnos que naturalmente en la noche baja la actividad física, cognitiva y biológica, entramos a una conducta sueño y despertamos cuando empieza a aumentar la luz, lo interesante por ejemplo si uno se despierta a las 7 de la mañana un poco antes de despertarse empieza a aumentar la presión arterial también empieza a aumentar la actividad cardiovascular y eso permite que cuando efectivamente nos despertamos ya tenemos a nuestro cuerpo con un metabolismo mayor y no es tan difícil incorporarse, pero si te quedas dormido y despiertas acelerado aquí no dejas que tu cuerpo anticipe lo que va a ocurrir te vas a sentir estresado y se siente que el corazón empieza a latir y da una sensación de alarma. Entonces la retroalimentación nos permite ahorrarnos ese estrés, también es importante saber que cuando el cuerpo esta estresado necesita mucha energía para volver a su estado estacionario, la retroalimentación anticipatoria nos hace no gastar energía de manera excesiva. Nosotros debemos lograr tener la energía para todo.

¿Qué significa que un organismo está en un proceso de homeostasis?

Una característica de los sistemas biológicos, las células, es que intercambian materia y energía con el medio ósea son termodinámicamente abiertos. Los lípidos que son muy abundantes en el medio ambiente, estos se ensamblan espontáneamente es decir en un medio acuoso que es un medio hidrosoluble evidentemente las sustancias liposolubles no están cómodas termodinámicamente están inestables y por lo tanto tienden a agruparse y la característica de los lípidos biológicamente relevantes es que todos son antipáticos y esto se refiere a moléculas que tienen una región polar y otra apolar.

Por ejemplo los fosfolipidos por ejemplo la fosfatidilcolina que es uno de los más abundantes.La región Hidrofobica o liposoluble está compuesta por colas de aminoácidos. La región hidrofilica que en caso de los fosfolipidos se compone de un fosfato y de un alcohol ambas son sustancias con carga y se sienten cómodas en el agua (solvente polar)

Lo mismo con el colesterol, el grupo estereoidal del colesterol es liposoluble pero en el colesterol hay un grupo hidroxilo polar que si le gusta el agua.

Bicapas lipidicas en estas las regiones hidrofilicas quedan afuera de esta bicapa y las colas hidrofobicas quedan dentro de esta bicapa las cabezas.

Liposoma ¿Cuál es la importancia? Que se van a formar de una manera espontanea, hay un estado como es la formación de este liposoma que esta enérgicamente favorecido eso quiere decir que de manera espontanea va a decir que se formen los liposomas en el medio acuoso, la condición es que haya una suficiente cantidad de fosfolipidos.

Los liposomas van a generar una cavidad acuosa, el sistema esta termodinámicamente favorecido para formar los liposomas, como es el estado de menor energía se siente muy

cómodo en esa situación y en los liposomas la bicapa va a ser muy estable. La membrana del liposoma no es rígida es parecida a un fluido(como la yema del huevo ), los lípidos de la membrana incluso pueden pasar de la membrana interna a la membrana externa.

El liposoma separa dos ambientes hidrofílicos.

El hecho en que se formen estos dos ambientes (el compartimento interno con el externo) también aísla las cargas, estas cargas están en el ambiente polar desde el punto de vista eléctrico, el liposoma la bicapa formando esta esfera se comporta como un condensador eléctrico es decir hace que las cargas se acumulen en las cabezas de los lípidos que es donde hay carga y ahí se van a sentir cómodas termodinámicamente.

Los lípidos tienen permeabilidad selectiva a través de la membrana no atraviesa cualquier sustancia, básicamente las sustancias liposolubles o apolares atraviesan la membrana biológica por el ejemplo el oxígeno (no tiene carga ), el co2 ( los gases del intercambio gaseoso no tiene carga ). Los iones como el sodio, calcio, potasio como tienen cargas no atraviesan la membrana por lo tanto es correcto decir que la bicapa lipídica ósea los lípidos le confieren permeabilidad selectiva, selectiva se refieren a que algunos pasan(los liposolubles) y otros no ( como los iones)

Cuando hablamos de la bicapa lipídica estamos hablando de una membrana bien compleja, el ancho de esta membrana varia un poco depende la combinación lipídica de la membrana, pero está en el rango de los 5 a 10 nanómetros es muy discreta, (si una célula fuera una sandia el ancho de la membrana seria como una hoja de papel) es finita y fluida por lo tanto se requiere que sea muy estable porque es un fluido muy vulnerable.

¿Cómo entendemos que la membrana es más estable de lo que se predice por su tamaño? es porque precisamente a través de las cabezas polares tienen cargas y por lo tanto hay enlaces de iones, enlaces cargados que van a permitir estabilizar la membrana biológica

¿Cuáles son las típicas interacciones que permiten estabilizar la bicapa lipidica? Las interacciones de van de waals, los puentes de hidrogeno a través de las cabezas polares que son enlaces débiles, si estas interaccione no estuvieran se descompone la membrana. Gracias a las interacciones permiten que la membrana tenga cierta fluidez y que no sea totalmente rígida. Las membranas biológicas se comportan como un fluido bidimensional.

Nuestras células y nosotros mismos necesitamos una gran cantidad de energía para mantenernos viables (estado estacionario), esa energía la obtenemos de los nutrientes que necesita la célula. Gran parte del como ocurre este transporte selectivo de membrana esta dado por propiedades fisicoquímicas de la membrana liposoluble, etc. y por las características de las proteínas transportadoras.

Cuando se habla de proteínas de membrana se refiere a las proteínas insertas en esta, ya sea en la membrana plasmática o en membranas de organelos como mitocondrias, vacuolas, etc. Las proteínas van a el paso de solutos a través de las membranas.

Dentro de las funciones más relevantes de las membranas biológicas es definir los límites de las células y los compartimentos, permite una permeabilidad selectiva y permite mantener los gradientes electroquímicos, es decir, las diferencias en las concentraciones de solutos y de cargas a través de la membrana y estos gradientes se asocian a la energía disponible. (Una diferencia potencial de membrana es un gradiente electroquímico)

La segunda ley de la termodinámica es la que gobierna los sistemas biológicos ya que permite explicar gran parte de los procesos: “El universo tiende al desorden”

Ejemplo: Se encuentra usted con pelotas de tenis lanzándolas, es muy poco factible que estas caigan ordenas en forma de pirámide. Para mantener el orden se requiere de mucha energía, “si no le metemos energía naturalmente se va a desordenar”.

Todos los sistemas tienden a su menor nivel de energía, eso es lo natural, el menor nivel de energía es el más desordenado.

Existe un parámetro que nos permite obtener directamente la cantidad de energía que necesitamos para mantener un sistema conocida como la energía libre de Gibbs (energía, se mide en Jouls o Cal) la cual es una medida directa de la cantidad de trabajo, cuanta energía se necesita para realizar un cambio de estado.

𝛥𝐺 = 𝛥𝐻 − 𝑇𝛥𝑆𝑖

Si deltaG es negativo entonces la reacción es favorable, si el deltaG es positivo entonces la reacción es desfavorable.

Como se muestra en el esquema en G1, para que exista una pirámide ordenada efectivamente tuvieron que proporcionarle mucha energía a ese sistema.

En cambio, que este en G2 como seria lo natural hace referencia un bajo nivel de energía.

Ejemplo:

G1: Gastaron 100 kcal en realizar la pirámide perfecta de pelotas

G2: Gastaron 3 kcal

En conclusión, se sabe que el sistema G2 gastó menos energía por lo tanto va a ser el sistema mas estable. Pasar del estado G1 a G2 es espontáneo, es decir no se necesita agregar energía al sistema 1 para pasar al 2.

El transporte pasivo ocurre espontáneamente, por lo tanto, presenta un deltaG negativo, favorable sin que se haga absolutamente nada, sin embargo existen transportes como el de la glucosa que tiene un deltaG positivo, es decir, mientras no agreguemos energía la glucosa no entrara por si sola a la célula.

Existe una ecuación llamada ecuación general de transporte, nos dice que para que haya flujo (transporte) tiene que haber una fuerza impulsora, algo que mueva a la fuera transportada y a eso se le opone una resistencia.

Ejemplo: poner una pelota en un cerro rocoso: la fuera impulsora es la fuerza que se utilizó para subir la pelota (energía), las rocas presentes ofrecerán la resistencia al transporte. En todos los transportes hay que reconocer cual es la fuerza que permite que ese transporte ocurra y cuál es la resistencia.

No va a existir flujo a menos que haya una fuerza impulsora y una resistencia razonable

La conductancia (G) se define como el inverso de la resistencia.

Ejemplo: Cuando disolvimos cloruro de sodio en agua, la viscosidad del agua resiste por lo tanto se puede definir una resistencia, pero también se puede hablar de la conductancia porque no es una resistencia infinita por ende algo se conduce.

(SIEMPRE RECONOCER LA FUERZA IMPULSORA)

En el esquema, el flujo es la variable dependiente (eje y) ya que depende de la fuerza impulsora (eje x). Si la fuerza impulsora es 0 no hay flujo. (Ecuación lineal)

El flujo depende de la fuerza impulsora y la pendiente de esa relación va a ser la conductancia (inverso de la resistencia).

G3: mayor pendiente por ende mayor flujo, menor resistencia y mayor conductancia.

Por ejemplo: Cuando se habla de corriente eléctrica eso es flujo, movimiento de iones o electrones (dependiendo de la corriente), la fuerza será la gradiente electroquímica.

En el caso de la osmosis, movimiento de agua también es flujo y la fuerza impulsora es la gradiente osmótica, es decir, cuanto soluto hay en ambos lados.

En la práctica, la fuerza impulsora en partículas que no poseen carga, ¿cuál es la energía libre de Gibbs?: es la diferencia de concentración. (Energía libre de Gibbs entre 2 zonas de mayor y menor concentración)

El esquema nos dice que para dos concentraciones (alta y baja) es directamente proporcional a la energía libre de Gibbs de ese sistema cuando en ese sistema se habla de partículas sin carga, por lo tanto, cuando se hace la diferencia desde baja concentración a alta concentración esa diferencia por propiedades de logaritmo establece una relación la cual es la gradiente de concentración.

Ejemplo: En un contenedor separado por membrana permeable a mismas concentraciones. Si C1 es 100mM y C2 100mM:

100 100 = 1^ y^ ln 1 = 0

 No hay fuerza impulsora, por lo tanto, cuando las concentraciones son iguales a ambos lados, no hay un transporte neto, no hay flujo.  Si C2 fuera menor que C1, la razón seria menor que 1 y logaritmo natural de algo menor que 1 es negativo, por ende, se puede predecir que si la concentración inicial es mayor que la concentración final es porque fue un proceso espontaneo. Ejemplo: Dado que la glucosa no tiene carga y la fuerza que impulsa a que la glucosa entre a la célula es la diferencia de concentración, si las concentraciones de glucosa en el plasma y el citoplasma son iguales no va a existir un transporte neto.

En partículas sin carga la fuerza impulsora es totalmente proporcional a la diferencia de concentraciones.

TIPOS DE TRANSPORTE

Hablaremos del transporte pasivo cuando existan reacciones favorecidas (espontaneas) por el gradiente de concentración, existen dos,

 Difusión simple sea por membrana o no, y  Facilitada; en el caso de la glucosa no atraviesa directamente la membrana, si no a través de transportadores.

La importancia del transporte pasivo es que tiene un ΔG negativo, por lo que su reacción es espontanea, el paso de glucosa desde el plasma sanguíneo al citoplasma de la célula es a través de difusión facilitada, esta es espontanea SI SOLO SI hay transportadores

El transporte activo primario no son reacciones espontaneas, ejemplo, la bomba sodio-potasio ATPasa, expulsa el sodio al exterior, y en el exterior hay 10 veces más sodio a un rango que oscila en los 110mM, que dentro de la célula que es aproximada a 5mM-10mM; la bomba es quien concentra al sodio, esto es por actividad catalítica, pues rompe el enlace fosfato gama del ATP, hidroliza al ATP y esa energía es utilizada. El transporte activo primario, está directamente asociado a la hidrólisis de ATP o GTP, representado este proceso por las bombas generalmente y el activo secundario acoplado a la energía liberada por el transporte activo primario.

Imagínate la caída de una roca por un precipicio, aquí hay energía cinética que se transforma en calor; en el transporte activo primario, es el sodio la roca, y la bomba la que sube el sodio a la colina.

La proteína cambia su conformación (forma), para así poder movilizar el soluto de un lado a otro de la membrana, utilizando energía. Un transportador de glucosa sufre varios estados conformacionales mientras esté movilizándola, cuando este se encuentra en reposo su estado conformacional inicial proteico es el más estable, después de haber transportado a la glucosa vuele a este estado inicial.

Transporte pasivo, supón que tienes una bolsa de té, en el minuto 0 esta está a alta concentración donde cayó la gota, habrá movimiento espontaneo de las moléculas y estas se esparcirán por el vaso en sentido de mayor a menor concentración.

La difusión simple no necesariamente es a través de una membrana, el caso de que haya membrana depende del soluto hacerla simple o no, si el soluto es liposoluble la atraviesa fácil. Presenta cinética no saturada, la relación entre el flujo o difusión y la fuerza impulsora es lineal, NO SATURA, solo la limita el tamaño del contenedor.

En la difusión facilitada, es pasiva, los solutos no atraviesan la membrana, necesitan de proteínas o canales, es especifico porque las sustancias dependen de que la proteína las reconozca, un transportador de glucosa deja pasar hexosas, pero no ATP. SI PRESENTA CINÉTICA SATURADA, depende de la cantidad de transportares que haya, por mucha gradiente, ejemplo azúcar haya en el medio extracelular y poca en el intracelular, esto no será una relación lineal porque en un momento tendremos a los transportadores de glucosa trabajando a máxima velocidad y esto hará que no toda pase.

Otra característica del transporte por proteína es que hay competencia entre sustratos similares, un ejemplo, cuando ocurre con los transportadores de glucosa que en general todas las hexosas son reconocidas por ellos, si hay glucosa en el medio, pero también lactosa, estos compiten por el sitio de unión, si hay mas lactosa menos glucosa podrá transportar.

RESUMEN En el transporte pasivo, simple, el paso a membrana no reviste mayor resistencia, con facilitada hay diferencia de concentración.

La glucosa no atraviesa la membrana, hablamos de impedimento energético, ¿qué es lo que hace que una molécula hidrosoluble atraviese la membrana?, ¿qué hace que no atraviese?, ¿qué lo impide?, el Na con carga positiva no atraviesa la membrana ya que CUALQUIER SUSTANCIA POLAR, SOBRE TODO LAS QUE TIENEN CARGA, TIENEN UNA NUBE DE AGUA ALREDEDOR, nube de solvatación o hidratación, esa nube es energéticamente muy estable

La interacción entre agua y las cargas o momentos polares de la molécula son muy estables, cuesta mucha energía al sistema deshidratar la molécula para volverla a hidratar, la hidratación es espontanea, las proteínas y canales, ofrecen un medio hidrofílico y les facilita el paso.

Constante de gases ideales por temperatura

En el caso de la difusión facilitada y también de los transportadores activos, en el caso de cualquier proteína la principal característica como ya lo mencionamos es que se satura porque si tenemos, un número limitado de proteínas transportables en la membrana por mas glucosa que haga no va a poder seguir trasportando más. Podemos determinar un flujo máx. o una v máx. (haciéndose referencia a la ecuación de Michaelis-Menten).

Y una característica que se da, es que cuando se compara difusión facilitada y difusión pasiva en general siempre la difusión facilitada tiene una pendiente mayor es decir trasporta más.

Aquí hay dos parámetros tremendamente importantes que ustedes deben tener presente ya que nos permiten caracterizar el trasporte a través de la membrana que son:

 Flujo máx. (velocidad máx. de trasporte)  Flujo máx. medio (km)

Lo importante que debemos tener presente es que nos va a permitir caracterizar el trasporte. Es relativamente intuitivo el V MAX. porque si podemos reconocer cual es la capacidad máxima de trasporte de glucosa, podemos determinar cuales son las limitantes de una célula.

Ejemplo:

Un cardio miocito del ventrículo izquierdo que está bombeando durante el ejercicio y uno puede calcular que gasta 550 moléculas de glucosa por segundos para generar el ATP que le permite la contractilidad y vemos que la capacidad máxima para incorporar, son 500 moléculas de glucosa entonces podemos decir que rápidamente ese cardio miocito va a quedar corto de energía.

Por lo tanto, la V MAX. es una medida que nos permite cuantificar el trasporte y vamos a hablar de la eficacia del sistema, entonces si aquí hubiese otra curva que satura, pero satura más arriba, en vez de saturar a 500 satura a 600 diremos que el transportador de esa curva es más eficaz para transportar la glucosa.

Entonces la V MAX. nos da cuenta de la eficacia y el km es una concentración y nos está sugiriendo cual es la concentración en este caso de glucosa que yo necesito para que el sistema este trabajando entonces es un indicador de la afinidad del trasportador en este caso de la glucosa.

CONCLUSION

Cuando ustedes vean una curva primero:

1. Si es lineal, es difusión pasiva.
2. La pendiente de esa línea le da cuenta de que tanta resistencia hay en que se trasporte esa sustancia.
3. Si ven que es una curva que satura, lo que ustedes deben hacer es calcular la V MAX. y con eso podemos ver la eficacia.

4. La km nos habla de la potencia, ¿qué concentración necesito yo para lograr ciertos grados de trasporte?

[Pd: debemos saber interpretar gráficos.]

• Recuerden que la glucosa es lejos nuestro principal biocombustible, básicamente el consumo de glucosa, los procesos de neoglucogénesis que ocurre en el hígado y el uso de esa azúcar van a estar destinada al cerebro, músculos (incluyendo el corazón). Si comemos glucosa en exceso la trasformamos en grasa etc.
• Son transportadores de energía.

-Cuando estamos hablando de trasporte de glucosa a través de la membrana sabemos que es por difusión facilitada.

En esta caricatura se muestra el ciclo de vida del trasportador de glucosa cuya nomenclatura es GLUT. (glucose transporter)

¿Como se explica el trasporte glucosa?

En este esquema simplificado la proteína trasportadora de glucosa (GLUT 1) en este caso tiene al menos cuatro estados conformacionales, es decir, cuatro formas distintas de estar presente,