2014

Graciela Mejía Astorga, Adrian Tirado

Lugo, Carlos Saldaña Gutiérrez, Jorge

Blancas Núñez.

ELECTRONIC SOLUTIONS, .S DE R.L. DE

C.V.

22/10/2014

Electroestimulación Inducida por

Campos Electromagnéticos

Pulsados.

Bases Biofísica, Efectos Biológicos

su Aplicación Clínica

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Capítulo IV.- Membrana celular, transporte a través de la membrana y síndrome de tejido lesionado. Se explicarán conceptos bioquímicos y fisiológicos que permitirán al médico conocer los cambios a nivel celular en un tejido enfermo.

CONCEPTOS BÁSICOS

Es importante conocer estos conceptos ya que serán parte integral de explicaciones futuras

Iones e Ionización: se define al ión como un átomo o molécula que perdió su neutralidad eléctrica por que ha ganado o perdido electrones de su dotación, originalmente neutra, fenómeno que se conoce como ionización.

Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, se conocen como aniones y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes.

Ejemplo: Una molécula de ácido clorhídrico (HCL), es eléctricamente neutra, pero si la colocamos en una solución acuosa, tiende a ionizarse, el cloro tiene mayor capacidad de atraer electrones y adquirirá negativo (anión); el hidrogeno perderá su electrón y adquirirá carga positiva (catión).

FIGURA 1

La polaridad química, o solo polaridad es una propiedad de las moléculas que representa la separación de las cargas eléctricas en la misma, aquí tenemos la molécula de agua, que interactúa con las otras moléculas de agua en una atracción electrostática, es decir entre un extremo positivo de una molécula y un extremo negativo de otra.

FIGURA 2

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Lípidos:

Tienen como característica principal el ser hidrófobas (insolubles en agua) y solubles en disolventes orgánicos como la bencina, el benceno y el cloroformo. Las colas son hidrófobas y otra parte de su estructura es polar o hidrofílica ("que tiene afinidad por el agua") y tenderá a asociarse con solventes polares como el agua; cuando una molécula tiene una región hidrófoba y otra hidrófila se dice que tiene carácter de anfipático y forman estructuras generalmente esféricas.

En el uso coloquial, a los lípidos se les llama incorrectamente grasas, ya que las grasas son sólo un tipo de lípidos procedentes de animales.

FIGURA 3

Los lípidos cumplen funciones diversas en los organismos vivientes, entre ellas la de reserva energética (como los triglicéridos), la estructural (como los fosfolípidos de las bicapas) y la reguladora (como las hormonas esteroides).

Enzimas

Las enzimas son moléculas, de naturaleza proteica, que catalizan reacciones químicas, siempre que sean termodinámicamente posibles: una enzima hace que una reacción química que es energéticamente posible pero que transcurre a una velocidad muy baja, sea cinéticamente favorable, es decir, transcurra a mayor velocidad que sin la presencia de la enzima.

Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran a unas tasas significativas.

A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas.

FIGURA 4. ESTRUCTURA DE LAS ENZIMAS

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Estructura Celular

Una célula (del latín cellula, diminutivo de cella, ‘hueco’) es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento de menor tamaño que puede considerarse vivo, aunque actualmente podemos mantener vivos en el laboratorio organelos como las mitocondrias,

Todos los organelos tienen su membrana especializada, y existe una gran interrelación entre todos ellos. Realmente la célula es un sistema coordinado de organelos.

FIGURA 5 ESTRUCTURA CELULAR

Consideramos que la estructura más importante de la célula es la membrana plasmática. Se piensa que la evolución de la membrana celular es más primitiva, que la evolución de los ácidos nucléicos, (ADN y ARN), por lo tanto, no sorprende que la pérdida o la modificación de la estructura o función de la membrana celular, tenga tanta importancia en el desarrollo de cambios patológicos de una lesión, que puede ser letal o sub-letal.

Concepto de difusión simple

En situaciones en las que existen gradientes (diferencias), de concentración de una sustancia, o de temperatura, se produce un flujo de partículas o de calor que tiende a homogeneizar la disolución y uniformizar la concentración o la temperatura.

El flujo homogeneizador es una consecuencia estadística del movimiento azaroso de las partículas que da lugar al segundo principio de la termodinámica, conocido también como movimiento térmico casual de las partículas. Así los procesos físicos de difusión pueden ser vistos como procesos físicos o termodinámicos irreversibles.

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FIGURA 6

ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA CELULAR

Modelo de Mosaico Fluido

Propuesto en 1972 por S.J. Singer y Garth Nicholson, realmente es muy reciente, si consideramos que la teoría celular se propone en 1838, en el modelo se propone que la membrana celular:

1. Es un ambiente altamente hidrofóbico.

2. Las proteínas están integradas a la membrana.

3. La proteínas pueden atravesarla perpendicularmente al plano de la membrana

4. Que pudieran estar ancladas por el lado externo o interno

5. Pueden estar conectadas al cito-esqueleto, dándole una conformación a la célula

Actualmente hay todavía hipótesis, que se tienen que demostrar, sobre elementos estáticos y elementos móviles en la membrana plasmática, es una investigación que aún continúa.

FIGURA 7

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1. Lípidos estructurales de membrana

La membrana plasmática está constituida por una bicapa de lipídica compuesta de tres tipos diferentes de lípidos: fosfolípidos, glucolípidos y esteroles. En el centro se forma un ambiente hidrofóbico (insoluble en agua) y las cabezas polares que crean un ambiente hidrofílico, (afín al agua). Esta bicapa mide entre 11 a 15 nm (nanómetros, 10-9) dentro pueden estar intercaladas moléculas de colesterol

El grupo fosfato más alcohol ó más colina o bien azúcares los azucares, forman la cabeza polar y le dan la capacidad de tener carga positiva o negativa a la membrana, ver figura 7

FIGURA 8 LÍPIDOS ESTRUCTURALES DE MEMBRANA

1.1. Geometría de los lípidos membranales: Los diferentes fosfolípidos producen un momento hidrofóbico diferente, debido a su cabeza polar, al tamaño o a forma, o bien a que tengan una o dos colas hidrofóbicas, lo cual interviene en la forma de la célula, la membrana es asimétrica y hay una asimetría entre las dos capas

La asimetría de las membranas también contribuye a la señalización celular

FIGURA 9

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1.2. Movilidad y fluidez de la bicapa lipídica: La característica principal de los lípidos de membrana es que tienen una alta fluidez que les permite mucho movimiento, contrariamente a lo que se pensaba hasta 1972, momento en el cual Jonathan Singer y Garth Nicholson propusieron en modelo del mosaico fluido.

La fluidez de las membranas causada por los lípidos permite la permeabilidad selectiva de las moléculas que atraviesan la membrana, además de ser imprescindible en algunos procesos metabólicos, cómo es el caso del movimiento del coenzima Q en la membrana mitocondrial, en procesos de transporte o en la transducción de señales.

Los lípidos tienen varias formas de movimiento: pueden moverse lateralmente, en el plano de la membrana, pueden rotar sobre sí, pueden tener movimientos de flexión en los cuales son las cadenas las que se mueven, y finalmente muy eventualmente pueden padecer procesos de flip-flop.

Tipos de movimiento

Difusión lateral: Es el movimiento más común en los lípidos de membrana y es de una velocidad alta. En efecto, su coeficiente de difusión es de 10-8 cm2/seg.2 Es decir que se difunde en toda la longitud de la membrana en unos pocos segundos.

Rotación y flexión: Son fenómenos observados pero de los cuales se sabe poco. Se podría pensar que es para facilitar en algunos casos la entrada de las moléculas en la célula y aumentar así la permeabilidad.

Flip-Flop: Permite el traspaso de los lípidos de una capa a la otra de la bicapa. Es un proceso muy lento y que consume mucha energía, ya que las cabezas polares de los fosfoglicéridos deben atravesar un medio no polar. Aun así, es imprescindible, para que se regenere la monocapa no citosólica. Por ello, los lípidos cuentan con la ayuda de unas enzimas que facilitan el movimiento: las flipasas o translocadoras de fosfolípidos. Estas enzimas se encuentran en el retículo endoplasmático, dónde se sintetizan los lípidos, y en la membrana plasmática. El movimiento de flip-flop es raro y ocurre sólo una vez por día.

FIGURA 10

La fluidez de las membranas también y sobre todo depende de la longitud y del nivel de insaturación de los fosfolípidos. En efecto, cuánto más cortos y más insaturados son los lípidos de membrana, más fluida es esta última.

Este hecho se debe a que las cadenas largas muestran una mayor asociación entre sí. Cuando las cadenas son más cortas, se reduce pues la interacción entre los grupos alquilo de los lípidos. Por otro lado, el grado de saturación de los fosfolípidos también infiere en la fluidez. Las

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membranas con lípidos poco insaturados son muy rígidas, ya que las cadenas hidrocarbonadas interaccionan fuertemente entre ellas. Del mismo modo, los dobles enlaces rebajan el empaquetamiento de los lípidos gracias a su “doblez”. Figura 10.

FIGURA 11

Los lípidos de membrana confieren pues a la membrana plasmática un alto dinamismo, mediante: su movilidad, su fluidez su asimetría.

2. Proteínas de la membrana:

Se encuentran además proteínas integrales de membrana (en azul) entre las cuales se encuentran receptores, transportadores, canales iónicos y ATPasas. Encontramos también carbohidratos, oligosacaridos, unidos a proteínas y que funcionan como antenas, le dan una identidad a la proteína y una especificidad en su papel.

FIGURA 12 MEMBRANA CELULAR

El porcentaje de proteínas oscila entre un 20% en la mielina de las neuronas y un 70% en la membrana interna mitocondrial; el 80% son intrínsecas, mientras que el 20% restantes son extrínseca

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Las proteínas son responsables de las funciones dinámicas de la membrana, por lo que cada membrana tiene una dotación muy específica de proteínas; las membranas intracelulares tienen una elevada proporción de proteínas debido al elevado número de actividades enzimáticas que albergan.

2.1. Clasificación de las proteínas de la membrana plasmática: se pueden clasificar según cómo se dispongan en la bicapa lipídica:

Proteínas integrales. Embebidas en la bicapa lipídica, atraviesan la membrana una o varias veces, asomando por una o las dos caras (proteínas transmembrana); o bien mediante enlaces covalentes con un lípido o un glúcido de la membrana. Su aislamiento requiere la ruptura de la bicapa.

Proteínas periféricas. A un lado u otro de la bicapa lipídica, pueden estar unidas débilmente por enlaces no covalentes. Fácilmente separables de la bicapa, sin provocar su ruptura.

Proteína de membrana fijada a lípidos. Se localiza fuera de la bicapa lipídica, ya sea en la superficie extracelular o intracelular, conectada a los lípidos mediante enlaces covalentes.

2.2. Funciones de las proteínas de la membrana celular: En la membrana las proteínas desempeña diversas funciones: transportadoras, conectoras (conectan la membrana con la matriz extracelular o con el interior), receptoras (encargadas del reconocimiento celular, adhesión) y enzimas.

En el componente proteico reside la mayor parte de la funcionalidad de la membrana; las diferentes proteínas realizan funciones específicas:

Proteínas estructurales o de anclaje: estas proteínas hacen de "eslabón clave" uniéndose al citoesqueleto y la matriz extracelular.

Proteínas receptoras: que se encargan de la recepción y transducción de señales químicas.

Proteínas de transporte: mantienen un gradiente electroquímico mediante el transporte de membrana de diversos iones, estas a su vez pueden ser:

Proteínas transportadoras: son enzimas con centros de reacción que sufren cambios conformacionales.

Proteínas de canal: Dejan un canal hidrofílico por donde pasan los iones.

FUNCIONES DE LA MEMBRANA CELULAR

Entre las funciones están de la membrana celular están:

Dar forma a la célula

Es barrera de permeabilidad que le permite a la célula mantener su medio interno estable

Permite el paso o transporte de solutos de un lado a otro de la célula, pues regula el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior de la célula siguiendo un gradiente de concentración.

La relaciona con el medio extracelular ya que contiene enzimas, receptores y antígenos que desempeñan un papel central en la interacción de la células con otras células, así como con las hormonas y otros agentes reguladores que se encuentran presentes en él liquido extracelular.

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La estructura de la membrana permite el paso de distintos componentes con cierta selectividad a diversos solutos, es además hidrofóbica en la parte interna por lo cual es impermeable a moléculas no polares, por lo tanto la movilización de agua y solutos ocurrirá a través de proteínas membranales que forman canales o acarreadores específicos para el transporte de estas moléculas.

La membrana presenta una permeabilidad selectiva, canales y compuertas específicas, que son precisamente las proteínas presentes en la membrana, figura 12.

FIGURA 13 PERMEABILIDAD DE LA MEMBRANA CELULAR

Este diagrama (figura 13) muestra muy claramente la permeabilidad de la membrana celular:

Podemos ver que el agua no puede penetrar la capa hidrofóbica, pero ya se identificación las proteínas que permiten el paso del agua, libre de sales, agua des-ionizada, se llaman acuaporinas y en las células donde están presentes permiten el paso del agua. Recordemos que se mueve agua en una dirección y se mueven sales en la otra, hay un efecto osmótico.

Los gases atraviesan libremente y no requieren de un vehículo.

Es muy permeable a pequeñas moléculas polares, como la urea, etanol, glicerol, etc. que pasan fácilmente.

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Es muy permeable a moléculas hidrófobas como los ácidos grasos y los esteroides, que más que pasar, se integran a la membrana celular y después se mueven como vesículas.

Las moléculas grandes sin carga, simplemente por el tamaño que tienen, no pueden atravesar, como la glucosa y la sacarosa, y eso está bien, nos habla de regulación en el metabolismo de los carbohidratos.

Los iones, por muy pequeños que sean, nunca van a travesar, porque tienen carga, como el potasio, calcio, sodio, ion fosfato, bicarbonato, en estos nos vamos a enfocar porque son las bases moleculares para producir excitabilidad o inhibición de los procesos de transmisión de las señales eléctricas

Es no permeable a moléculas polares cargadas como aminoácidos, glucosa 6P el ATP, etc.

SISTEMAS DE TRANSPORTE

FIGURA 14 TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA (BAYNES & DOMINICZAK, 2011)

La célula requiere poder movilizar muchas de las moléculas, a alginas de ellas no es permeable, para ellos utiliza para esto distintos tipos de transporte

1) Transporte pasivo: a favor del gradiente de concentración

a) Difusión simple o pasiva: Es un proceso espontáneo en el que partículas de una sustancia se mueven de una región de alta concentración a una de baja concentración por medio de energía cinética hasta alcanzar el equilibrio.

La permeabilidad de la membrana determinara la tasa en que una sustancia penetrara la membrana pasivamente en condiciones específicas. La permeabilidad selectiva será conferida por la membrana celular y determinara la difusión de solutos e iones los cuales con respecto al gradiente eléctrico podrán generar diferencias de potencial. O2, Etanol, ver figura 13.

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2) Por transportadores

Para el transporte de algunas moléculas como aminoácidos, azúcares y muchos metabolitos se requiere utilizar proteínas membranales, estas proteínas son péptidos grandes que cruzan la membrana varias veces y tienen estructuras moleculares diversas. El soluto a transportar se une al acarreador y forma un complejo, el acarreador cambia su conformación y libera al soluto del lado opuesto de la membrana. Este transporte puede realizarse por dos procesos: transporte activo y difusión facilitada

a) Difusión facilitada: En este proceso participan proteínas especializadas que hacen más eficiente el movimiento de solutos a través de la membrana, este proceso puede realizarse con la creación de canales o poros por los cuales pase el soluto o por medio de acarreadores.

A través de acarreadores pueden cruzar las membranas partículas cargadas o polares las cuales serán impulsadas por su gradiente de concentración. Los acarreadores se van ocupando progresivamente hasta no quedar ninguno libre por lo tanto esta difusión llega a ser saturable, al llegar al máximo en el flujo cuando todo los transportadores se encuentran ocupados.

Aunque el transporte es bidireccional la dirección será determinada por el gradiente electroquímico, conforme el transporte transcurre la concentración del soluto tendera a equilibrarse de ambos lados de la membrana eliminando la difusión neta.

Los transportadores pueden ser inhibidos de manera competitiva por compuestos análogos al soluto que se unen al sitio del acarreador y de manera no competitiva por los que se unen a diferentes sitios de la proteína pero que impiden que se realice el transporte.

Los transportadores pueden dividirse en:

unitransportadores los cuales solo transportan una molécula de soluto de un lado al otro de la membrana, como las permeasas.

Los transportadores acoplados o cotransportadores que transportan un soluto y simultanea o secuencialmente transportan un segundo soluto, se nombraran:

a. Simportadores: si el transporte de ambos solutos se da en la misma dirección

b. Antiportadores, contraportadores o intercambiadores. si los solutos se transportan en direcciones opuestas

Los canales iónicos pueden ser cotransportadores o intercambiadores: son proteínas que atraviesan la membrana permitiendo el pasaje de iones a favor de su gradiente de potencial electroquímico., es decir de su concentración y de su carga eléctrica. Estructuralmente, los canales conforman un poro que provee de un ambiente favorable para que los iones los atraviesen. Están constituidos por regiones hidrofóbicas en contacto con las cadenas hidrocarbonadas de los lípidos, y por regiones hidrofílicas encerradas en el interior y protegidas del ambiente hidrofóbico, que interaccionan con los iones, permitiendo así, el paso de los mismos de un lado al otro de la membrana. Estas regiones hidrofílicas conforman lo que se conoce como el poro del canal.

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FIGURA 15

3) Transporte activo: generan gradientes iónicos

Las membranas celulares tienen una diferencia de potencial eléctrico, siendo el interior más negativo que el exterior, la diferencia favorece la entrada de moléculas con carga positiva y dificulta la salida de cargas negativas. La distribución de iones es desigual y se mantiene por procesos activos con consumo de energía proveniente de ATP. Este tipo de transporte se denomina transporte activo, este puede clasificarse como primario o secundario.

El transporte primario requiere del uso directo de la hidrolisis de ATP, en cada ciclo el transporte de soluto será en contra de su gradiente de concentración y se encontrara mediado por proteínas acarreadoras denominadas bombas o ATPasas.

Transporte activo mediado por ATPasa.

ATPasa Na⁺/K⁺

La bomba ATPasa Na⁺/K⁺ utiliza la energía proveniente de la hidrólisis de ATP para bombear de manera activa tres iones de Na⁺ hacia el exterior celular y dos iones de K⁺ hacia el interior ambos en contra de su gradiente de concentración.

El mecanismo de transporte puede describirse a partir de una serie de pasos:

1. Los tres iones de Na⁺ se unen a la ATPasa del lado citoplasmático.

2. Un residuo de fosfato proveniente del ATP se une a un residuo de Aspartato de la proteína fosforilándola y cambiando su conformación de manera que permita la salida de los tres iones de Sodio en el medio extracelular.

3. Se expone el sitio de unión de K⁺ en la parte extracelular y a este se unen dos iones de K⁺ a la proteína.

4. La ATPasa se desfosforila y cambia su conformación permitiendo la liberación del K⁺ dentro de la célula.

La ATPasa Na⁺/K⁺ está conformada por dos subunidades, la subunidad catalítica α que cruza la membrana varias veces y contiene los sitios de unión para el Na⁺ y el K⁺ en la parte de su respectiva unión y la subunidad β de la cual se desconoce función.

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ATPasa Ca²⁺

El transporte por ATPasa de Ca²⁺ es de suma importancia en células excitables, la concentración de este ion es diez mil veces mayor y es mantenida por dos sistemas localizados en la membrana plasmática: una ATPasa de Ca²⁺ que bombea Calcio al exterior celular y un

intercambiador o cotransportador Na⁺/ Ca²⁺ que realiza un intercambio de Na⁺ que entra por difusión a favor de su gradiente de concentración por iones Ca²⁺.

Esta bomba es unitransportador, transporta dos iones de Ca²⁺ hacia el exterior por cada ATP que hidroliza, la bomba se fosforila y desfosforila en cada ciclo de bombeo.

LOS IONES DE SODIO Y POTASIO

Precisamente dentro de las moléculas que se transportan a través de la membrana celular tenemos a los electrolitos. Un electrólito es una solución de iones capaz de conducir corriente eléctrica. Los electrólitos participan en los procesos fisiológicos del organismo, manteniendo un sutil y complejo equilibrio entre el medio intracelular y el medio extracelular

Cada electrólito tiene una concentración característica en el plasma sanguíneo, el líquido intersticial y el líquido celular.

Son importantes para regular la osmolaridad o concentración de partículas en el plasma sanguíneo y otros líquidos del organismo.

También determinan el nivel de hidratación y el pH de los líquidos corporales.

La correcta relación entre los distintos electrólitos es de importancia crítica para el metabolismo del cuerpo y su normal funcionamiento.

El sodio (Na+) y al potasio (K+), son los electrolíticos más importantes dentro del metabolismo así que analizaremos sus concentraciones y funcionamientos dentro de una célula sana y para llegar a establecer los cambios que caracterizan a las células y al tejido lesionado.

En la célula animal la concentración de Na+ externa es unas 14 veces mayor que la interna; en contraste por cada ion de K+ externo hay 30 dentro de la célula.

Estas diferencias de concentración y su carga eléctrica impulsan al sodio a entrar y al potasio a salir de la célula a través de los canales acuosos.

Se dice que hay un fuerte potencial electroquímico que impulsa a las dos sustancias a moverse: el sodio hacia dentro y el potasio hacia afuera de la célula

El trabajo del sodio (Na+)

El movimiento del sodio es muy importante ya que al moverse el sodio actúa como cotransportador:

a) El Na+ como simporter cotransporta:

1. D-Glucosa, cada molécula de azúcar que entra por este medio se acompaña de una a tres moléculas de Na+. No se requiere de la insulina ni del gasto de energía (ATP), esto sucede en algunas células, como las del epitelio intestinal, las hexosas entran a la célula mediante el trabajo de acarreo del Na+.

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2. El Na+ también arrastra aminoácidos, lo que ayuda a mantener los niveles de nitrógeno adecuados en la célula.

3. Y arrastra al radical fosfato, tanto como Na+ H2 PO42+ como Na+ HPO4

2+; Estos fosfatos son requeridos para la síntesis de ATP.

Es importante recalcar que el este trabajo no requiere de energía libre de Gibbs, solo se realiza simplemente por difusión facilitada, es un proceso continuo y muy intenso, 1 millón de Na+ por segundo por canal.

b) El sodio también participa actúa como antiportador: Intercambiador Na+-Ca2+:

El correcto funcionamiento de las células animales requiere mantener una concentración muy baja de Ca2+ intracelular muy baja, de eso se encargan las ATPasa Ca²⁺, y el intercambiador Na+-Ca2+, (NCX) es un transportador activo secundario, que transporta calcio hacia afuera a expensas del gradiente de concentración del Na+. Se conocen tres isoformas de esta proteína, (NCX1, NCX2 Y NCX3), NCX1, se expresa mayormente en musculo cardiaco y cerebro, mientras que las otras dos se expresan en menor cantidad y en otros tejidos.

Este intercambiador mete sodios por cada Ca²⁺ que expulsa. Este intercambiador en dependiente de voltaje, y en consecuencia a un potencial de membrana despolarizado, puede funcionar en sentido inverso, metiendo Ca2+ y sacando Na+, lo cual sucede normalmente en la fase de meseta del PA cardiaco, y anormalmente en caso de falla metabólica por isquemia. Su velocidad máxima es de 5000 Ca+, por segundo. Su actividad esta modulada por el pH, el ATP y la concentración de Na+ y Ca+

c) Intercambiador Na+-H+

Las células requieren transportar constantemente equivalentes ácidos hacia el exterior, para mantener casi similar el pH intracelular al del líquido intersticial. El Intercambiador Na+-H+

depende del Na+, no requiere Ca+, ó K+, y es independiente de la ATPasa Na⁺/K⁺. Una función entre otras, es mantener la concentración citoplasmática de H+, por debajo de su nivel de equilibrio.

FIGURA 16 INTERCAMBIADOR NA+-H

+

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POTENCIAL DE REPOSO TRANSMEMBRANAL

Como ya dijimos, las membranas celulares, separan dos fluidos con distinta composición iónica, las bombas y los transportadores de iones, contribuyen a mantener este desequilibrio iónico. ¿Qué mantiene este desequilibrio?

La naturaleza lipídica de las membranas, que impide el paso de moléculas cargadas, a través de ellas, actúa como una barrera a la homogenización de concentraciones,

Sin embargo hay poros, canales iónicos que permiten la fuga de ciertos iones en función de su gradiente electroquímico, (es decir de su concentración y de su carga eléctrica), y que determinan el potencial de membrana (Vm)

La gran cantidad de proteínas con carga negativa (aniones), atrapadas en el citoplasma

Estos factores hacen que las membranas de las células funcionen como pequeñas pilas, con voltajes del orden de los milivolts. El polo negativo sería el interior de la célula y el positivo el exterior, (ver imagen).

Aunque la generación del potencial de membrana se fundamenta principalmente en la actividad de la bomba de sodio/potasio, el valor final de dicho potencial depende mucho de la permeabilidad de la membrana a los diferentes iones; es decir, del número y tipo de canales iónicos en estado abierto que posea.

FIGURA 17.- POTENCIAL DE MEMBRANA

Cuando el potencial de membrana de una neurona permanece estable durante un tiempo más o menos largo, se suele decir que la membrana está en reposo; a esa diferencia de potencial estable entre el interior y el exterior de la neurona se le llama entonces Potencial de Reposo (Vr) de la membrana.

En otras palabras, actualmente ya se dispone de tecnología, que nos permite saber que toda célula viva sana, está en un estado de equilibrio dinámico: entre el citoplasma y el exterior existe una diferencia de potencial eléctrico que se ha calculado, en la célula sana, entre -60 y -90 milivolts (mV). A estos valores se le conoce como Potencial de Reposo Transmembranal (Vr)

El mantenimiento del Potencial de Reposo Transmembranal es un fenómeno activo por parte de la célula, en el cual participan los iones de Na+, K+ y la ATPasa Na+/K+. Esta ATPasa es uno de los mecanismos de mantenimiento del Potencial ya que es también una “bomba de potasio” que actúa en sentido inverso.

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De acuerdo con Clarence D. Cone (Cone, 1971), la polarización normal de diferentes tejidos va más allá de -60 a -90 mV, de acuerdo a la siguiente tabla:

Tejido Valor del Vr en mV

Diáfisis de los huesos largos -4.0

Células beta del páncreas -20

Células gástricas -50

Células hepáticas -60

Neuronas -70

Células del musculo esquelético -90

Fibras miocárdicas -90

En este estudio Cone establece que existe una correlación significativa entre el nivel de la diferencia de potencial eléctrico transmembrana en las células somáticas y la intensidad de su actividad mitótica, “hay evidencias que indican que la concentración absoluta de Na+, ejerce un control definitivo en la síntesis de ADN.”

“varios sistemas enzimáticos conocidos son particularmente sensibles a la relación (K+) (Na+)”.

Por últimos señalaremos que “En el caso de miosarcoma, el potencial de -90 Mv que muestran las células adyacentes al tumor, contrasta con un potencial de solo -10mV de las células sarcomatosas proliferativas”.

Podemos decir entonces que las células cancerosas están permanentemente despolarizadas.

EL SINDROME DEL TEJIDO LESIONADO

La despolarización permanente de las células cancerosas no es privativa de ellas, sino también de las lesiones cardiacas y de las enfermedades en general y a esto le llamamos Síndrome del Tejido Lesionado.

Tener esas variaciones crónicas indica que la célula está enferma, si el potencial sigue variando y llega a cero se produce la muerte celular.

En otras palabras, en las enfermedades el Potencial de Reposo Transmembranal aparece alterado respecto de la normalidad.

Cuando un tejido se encuentra lesionado, el Potencial de Reposo Transmembranal se encuentra alterado y la concentración de Na+ dentro de las células es anormalmente alta (Sodi Pallares, 1998).

En estudio llevado a cabo por Damadian y Cope, midieron las concentraciones de Na+ y K+ en: (Sodi Pallares, 1998)

– En tejido sano de: cerebro, músculos, testículos, riñones, bazo e intestino

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– En tejido enfermo: Meningioma humano, en ependimoma, carcinoma mamario, hepatoma de Novikoff, sarcoma, tejido leucémico, carcinosarcoma Walker 256 y en linfoma.

Los cambios en el tejido enfermo fueron:

1. Aumento del sodio intracelular de 32.7 mM

2. Disminución promedio del K intracelular de 13.9 mM (llegando a 12.11 mM)

3. Una disminución promedio de la relación Ki+/Nai

+ = 33.3 mM

4. Un aumento promedio del agua intracelular de 0.62 mM

El valor del potencial de reposo transmembranal se puede obtener a partir de las ecuaciones de Nerst, considerando la concentración tanto intracelular como extracelular, de los iones de Na y K, se calcula el potencial de equilibrio del Na y del K

FIGURA 18

En donde:

• Ai = Concentración intracelular

• Ao = Concentración extracelular

• R = Constante de los gases ideales = 8.3

• T = Temperatura en grados Kelvin = 310.2 °K

• F = Constante de Faraday = 96500

• Ek = Potencial de equilibrio de cada ión

• Gk = Conductividad de la membrana para cada ión

• Rk = Resistividad de la membrana a cada ión

• Vm = Potencial de Reposo Transmembranal

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Benjamin F. Trump, presidente del Departamento de Patología de Facultad de Medicina, la Universidad de Maryland, hasta 1998 (falleció en 2008). (Sodi Pallares, 1998), en su investigación hace énfasis en la semejanza de las alteraciones progresivas de la lesión en diversos tejidos, como:

1. Lesión experimental del infarto al miocardio

2. Lesión de las células centrolobulares del hígado producidas con tetracloruro de carbono

3. Lesión del túbulo renal después de la inyección de cloruro de mercurio

4. Lesión de las células HeLa, que son llamadas células cancerosas eternas. Carcinoma cervical y lesionadas con el virus de la polio

5. Células del tumor ascítico, tratadas con anticuerto citolítico y complemento. El tumor es maligno, generalmente carcinoma.

En resumen las características de estos tejidos lesionados son:

I. Disminución de la síntesis de ATP, con incremento del ADP/ATP

II. Activación de la glucolisis anaerobia con disminución del pH, que se asocia con un amontonamiento de la cromatina nuclear

III. La falta de energía, lleva a una pobre actividad de la bomba de sodio, con aumento del sodio y agua intracelular.

IV. Dilatación de retículo endoplásmico

V. En un principio las mitocondrias se contraen, por aumento de la relación ADP/ATP. Posteriormente el influjo del sodio las hincha.

VI. Mayor hinchazón celular determina protrusiones en la membrana celular

VII. Aumento de la permeabilidad de la membrana, y hay influjo de otros iones como el calcio

VIII. Las mitocondrias alcanzan gran tamaño y las hidrolasas lisosómicas aumentan en su interior

IX. Las proteínas no se desprenden de los lisosomas antes de ser digeridos.

X. El calcio invade las mitocondrias y forma depósitos de fosfato de calcio cerca de la membrana mitocondrial interna.

XI. Otras mitocondrias se llenan de un material denso, floculado originado por proteínas desnaturalizadas.

XII. La membrana plasmática forma envolturas alrededor de algunos organelos, en especial donde hay invaginaciones.

XIII. Las hidrolasas lisosómicas, atacan y destruyen diversas estructuras celulares.

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Trump, menciona también que una alteración en la integridad o función de la membrana celular, se puede considerar como la perdida de la más primitiva de las funciones celulares, sin la cual la vida no es viable.

La relación de iones Na+/K+, influye en los sistemas enzimáticos, y una alteración anómala de esta relación dañará los sistemas enzimáticos, como ejemplos tenemos:

Enzima o proceso Activado por Inhibida por

Priruvato kinasa Potasio Concentraciones altas de sodio

Fosfofructoquinasa Potasio

Síntesis proteica No puede proceder con bajas concentraciones de potasio

Trump llega a una conclusión muy interesante:

“Cuando estas ideas son examinadas, es interesante pensar que los cambios en la relación de iones son ellos mismos, factores patogénicos y no meros acompañantes del tejido lesionado”

Estas alteraciones en la relación de iones llevan a una pérdida o disminución de la función especializada de las células, lo cual definimos como enfermedad, las células se encuentran permanentemente despolarizadas.