resumen de fisiologiaCRISTIAN GERARDO ANGELES DUQUE FACULTAD DE MEDICINA

HUMANA CAMPUS IV UNACH PRIMER SEMESTRE GRUPO “A” 04 DE FEBRERO DE 2019

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UNIDAD II: FISIOLOGÍA DE L MENBRANA, EL NERVIO Y EL MÚSCULO

Capítulo 4. Transporte de sustancias a través de las membranas celulares

La membrana celular consiste en bicapa lipídica, la cual actúa como una barrera de protección y selectiva que contiene proteínas integrales y periferias las cuales sirven como un medio de canal, o transporte a través del cual los iones o moléculas pasan hacia el interior o exterior de la célula.

El transporte de estas moléculas a través de a bicapa lipídica puede ser de dos maneras ya sea por transporte de difusión o un proceso activo. En la difusión las moléculas pasan a expensas de su propia energía, por vías intermoleculares, en el transporte activo las moléculas y sustancias van en contra de su gradiente por lo que utilizas energía (ATP) con ayuda de proteínas transportadoras.

Las moléculas proteicas de la membrana tienen unas propiedades totalmente diferentes para transportar sustancias. Sus estructuras moleculares interrumpen la continuidad de la bicapa lipídica y constituyen una ruta alternativa a través de la membrana celular. Muchas de estas proteínas penetrantes pueden actuar como proteínas transportadoras. Proteínas diferentes actúan de una manera diferente. Algunas tienen espacios acuosos en todo el trayecto del interior de la molécula y permiten el movimiento libre de agua, así como de iones o moléculas seleccionados; estas proteínas se denominan proteínas de los canales. Otras, denominadas proteínas transportadoras, se unen a las moléculas o iones que se van a transportar y cambios conformacionales de las moléculas de la proteína desplazan después las sustancias a través de los intersticios de la proteína hasta el otro lado de la membrana

El transporte a través de la membrana celular, ya sea directamente a través de la bicapa lipídica o a través de las proteínas, se produce mediante uno de dos procesos básicos: difusión o transporte activo.

La difusión se refiere a un movimiento molecular aleatorio de las sustancias molécula a molécula, a través de espacios intermoleculares de la membrana o en combinación con una proteína transportadora.

El transporte activo se refiere al movimiento de iones o de otras sustancias a través de la membrana en combinación con una proteína transportadora de tal manera que la proteína transportadora hace que la sustancia se mueva contra un gradiente de energía.

Todas las moléculas e iones de los líquidos corporales, incluyendo las moléculas de agua y las sustancias disueltas, están en movimiento constante, de modo que cada partícula se mueve de manera completamente independiente. El movimiento de estas partículas es lo que los físicos llaman «calor» (cuanto mayor sea el movimiento, mayor es la temperatura), y el movimiento nunca se interrumpe salvo a la temperatura de cero absoluto. Este movimiento continuo de moléculas entre sí en los líquidos o los gases se denomina difusión.

La difusión a través de la membrana celular se divide en dos subtipos, denominados difusión simple y difusión facilitada. Difusión simple significa que el movimiento cinético de las moléculas o de los iones se produce a través de una abertura de la membrana o a través de espacios intermoleculares sin ninguna interacción con las proteínas transportadoras de la membrana.

La difusión facilitada precisa la interacción de una proteína transportadora. La proteína transportadora ayuda al paso de las moléculas o de los iones a través de la membrana mediante su unión química con estos y su desplazamiento a través de la membrana de esta manera.

Un factor importante que determina la rapidez con la que una sustancia difunde a través de la bicapa lipídica es la liposolubilidad. La liposolubilidad del oxígeno, del nitrógeno, del anhídrido carbónico y de los alcoholes es elevada, de modo que todas estas sustancias pueden disolverse directamente en la bicapa lipídica y pueden difundir a través de la membrana celular de la misma manera que se produce difusión de solutos en agua en una solución acuosa.

Aunque el agua es muy insoluble en los lípidos de la membrana, pasa rápidamente a través de los canales de las moléculas proteicas que penetran en todo el espesor de la membrana. Muchas de las membranas celulares del cuerpo contienen «poros» proteicos denominados acuaporinas que permiten selectivamente el rápido paso de agua a través de la membrana celular. Las acuaporinas están muy especializadas, y existen al menos 13 tipos diferentes en las diversas células de los mamíferos.

Los poros están compuestos por proteínas de membranas celulares integrales que forman tubos abiertos a través de la membrana y que están siempre abiertos. Los poros proteicos denominados acuaporinas o canales de agua permiten el rápido paso de agua a través de las membranas celulares pero impiden el de otras moléculas. En las distintas células del cuerpo humano se han descubierto al menos 13 tipos diferentes de acuaporinas. Las acuaporinas tienen un poro estrecho

que permite que las moléculas de agua se difundan a través de la membrana en una única fila. El poro es demasiado pequeño para permitir el paso de iones hidratados.

Los canales proteicos se distinguen por dos características importantes: 1) con frecuencia son permeables de manera selectiva a ciertas sustancias, y 2) muchos de los canales se pueden abrir o cerrar por compuertas que son reguladas por señales eléctricas (canales activados por el voltaje) o sustancias químicas que se unen a las proteínas de canales (canales activados por ligandos).

Muchos de los canales proteicos son muy selectivos para el transporte de uno o más iones o moléculas específicos. Esta selectividad se debe a las características del propio canal, como su diámetro, su forma y la naturaleza de las cargas eléctricas y enlaces químicos que están situados a lo largo de sus superficies internas.

La activación de los canales proteicos proporciona un medio para controlar la permeabilidad iónica de los canales. La apertura y el cierre de las compuertas están controlados de dos maneras principales:

1. Activación por el voltaje. En el caso de activación por el voltaje, la conformación molecular de la compuerta o de sus enlaces químicos responde al potencial eléctrico que se establece a través de la membrana celular.

2. Activación química (por ligando). Las compuertas de algunos canales proteicos se abren por la unión de una sustancia química (un ligando) a la proteína, que produce un cambio conformacional o un cambio de los enlaces químicos de la molécula de la proteína que abre o cierra la compuerta. Uno de los casos más importantes de activación química es el efecto de la acetilcolina sobre el denominado canal de la acetilcolina.

La difusión facilitada también se denomina difusión mediada por un transportador porque una sustancia que se transporta de esta manera difunde a través de la membrana con la ayuda de una proteína transportadora específica para contribuir al transporte. Es decir, el transportador facilita la difusión de la sustancia hasta el otro lado.

La difusión facilitada difiere de la difusión simple en la siguiente característica importante: aunque la velocidad de la difusión simple a través de un canal abierto aumenta de manera proporcional a la concentración de la sustancia que difunde, en la difusión facilitada la velocidad de difusión se acerca a un máximo, denominado Vmáx, a medida que aumenta la concentración de la sustancia que difunde.

Entre las numerosas sustancias que atraviesan las membranas celulares mediante difusión facilitada están la glucosa y la mayoría de los aminoácidos. En el caso de la glucosa se han descubierto en varios tejidos al menos 14 miembros de una familia de proteínas de membrana (denominadas GLUT) que transportan moléculas de glucosa. Algunas de estas GLUT también pueden transportar otros monosacáridos que tienen estructuras similares a la glucosa, entre ellos la galactosa y la fructosa. Una de ellas, el transportador de glucosa 4 (GLUT4), es activada por insulina, lo que puede aumentar la velocidad de la difusión facilitada de la glucosa hasta 10 a 20 veces en tejidos sensibles a la insulina.

Hasta ahora es evidente que muchas sustancias pueden difundir a través de la membrana celular. Lo que habitualmente es importante es la velocidad neta de difusión de una sustancia en la dirección deseada.

La sustancia que a traviesa mayormente la bicapa es el agua, la cual ,a misma cantidad que sale es la misma cantidad de gua que entra hacia el interior de la célula, cuando esto no sucede se produce una diferencia de concentración del agua y da lugar a un movimiento neto del agua que puede propiciar que esta e hinche o lo contrario que seria que se contraiga, este proceso del movimiento neto del agua se llama osmosis. La cual puede ser detenida por la presión osmótica que es una cantidad necesaria de presión para detener la ósmosis, la cual esta determinada por el número de partículas por unidad del volumen líquido. Cuando queremos expresar la concentración de una solución en función al números de partículas se utiliza el osmol. Y la osmolaridad es la concentración osmolar expresada en osmoles por litro.

Cuando una membrana celular transporta moléculas o iones «contra corriente» contra un gradiente de concentración (o «contra corriente» contra un gradiente eléctrico o de presión), el proceso se denomina transporte activo. Diferentes sustancias que se transportan activamente a través de al menos algunas membranas celulares incluyen los iones sodio, potasio, calcio, hierro, hidrógeno, cloruro, yoduro y urato, diversos azúcares diferentes y la mayoría de los aminoácidos.

El transporte activo se divide en dos tipos según el origen de la energía que se utiliza para facilitar el transporte: transporte activo primario y transporte activo secundario. En el transporte activo primario la

energía procede directamente de la escisión del trifosfato de adenosina (ATP) o de algún otro compuesto de fosfato de alta energía. En el transporte activo secundario la energía procede secundariamente de la energía que se ha almacenado en forma de diferencias de concentración iónica de sustancias moleculares o iónicas secundarias entre los dos lados de una membrana celular, que se generó originalmente mediante transporte activo primario.

El mecanismo de transporte activo que se ha estudiado con mayor detalle es la bomba sodio-potasio (Na+-K+), que es el proceso de transporte que bombea iones sodio hacia fuera a través de la membrana celular de todas las células y al mismo tiempo bombea iones potasio desde el exterior hacia el interior.

Una de las funciones más importantes de la bomba Na+-K+ es controlar el volumen de todas las células. Sin la función de esta bomba la mayoría de las células del cuerpo se hincharían hasta explotar.

También existen dos bombas de calcio que se llevan a cabo por transporte activo primario, una se encuentra en la membrana celular y se encarga de llevar calcio al exterior de la célula y el otro transporta iones calcio hacia uno o más de los orgánulos que se encuentran dentro de la célula, cabe destacar que el transporte de iones hidrogeno por medio de transporte activo primario en muy importante en el cuerpo principalmente en las glándulas gástricas del estómago y en la porción distal de los túbulos distales y en los conductos colectores corticales de los riñones.

El proceso llamado cotransporte es una forma del transporte activo secundario en el cual un determinado ion (sodio) se encuentra en mayor cantidad en el exterior de la célula por lo que busca difundirse en esta hacia el interior con lo que provoca que puede arrastrar otras sustancias con el hacia el interior de la célula. En el contratransporte el sodio sigue intentando difundirse hacia el interior de la célula, pero en este caso la sustancia que se va a transportar se encuentra en el interior de la célula y se va a transportar hacia el exterior de esta. Dos esenciales mecanismos de contratransporte que son muy importantes en la célula son el de contratransporte sodio-calcio y el contratransporte sodio-hidrogeno.

Capítulo 5. Potenciales de membrana y potenciales de acción

Los potenciales de membrana provocados por una difusión son producidos por una diferencia de concentración iónica a los dos lados de la membrana. Cuando la concentración de iones es más grande dentro de la membrana de una fibra nerviosa pero baja en el exterior los iones tienden a querer salir al exterior de la célula esto también es debido al gradiente de concentración, cuando estos iones salen transportan junto con ellos cargas eléctricas positivas lo que hace que el exterior de la célula sea electropositivo la diferencia de potencial aproximada es de 94mV. Cundo ocurre lo contrario y en el exterior hay mayor concentración de iones que en el interior la diferencia de potencial aproximadamente es de 61mV positivos en el interior de la fibra.

El nivel de potencial de difusión a través de una membrana que se opone a la difusión neta de un ion particular de una membrana se le denomina potencial de NERST, el potencial de difusión que se genera cuando la membrana es permeable a varios iones diferentes depende de 3 factores importantes que son la polaridad de la carga eléctrica, permeabilidad de la membrana y las concentraciones. La medición de un potencial de membrana se hace por medio de un voltímetro el cual mide la diferencia de potencial en el interior y el exterior de una fibra cuando se coloca un electrodo llamado electrodo indiferente en el liquido extracelular. El potencial de membrana (el potencial en el interior de una fibra) en reposo es de -90Mv. El transporte activo de sodio y potasio a través de la membrana se da a por medio de la bomba sodio-potasio la cual es una bomba electrógena ya que hace que hayan mas cargas positivas en el exterior de la célula que en el interior por lo que se produce un potencial negativo en el

interior de la membrana celular. El origen del potencial de membrana en reposo normal se da gracias a la contribución del potencial de difusión del potasio, difusión del sodio a través de la membrana nerviosa y a la bomba sodio-potasio. A través de las membranas nerviosa también hay fuga de potasio donde a través de canales de k puede haber fugas de iones de sodio pero en menor cantidad que la fuga de k.

Cuando una membrana es permeable a varios iones diferentes, el potencial de difusión que se genera depende de tres factores: 1) la polaridad de la carga eléctrica de cada uno de los iones; 2) la permeabilidad de la membrana (P) a cada uno de los iones, y 3) las concentraciones (C) de los respectivos iones en el interior (i) y en el exterior (e) de la membrana. Así, la fórmula siguiente, que se denomina ecuación de Goldman o ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz, da el potencial de membrana calculado en el interior de la membrana cuando participan dos iones positivos univalentes, sodio (Na+) y potasio (K+), y un ion negativo univalente, cloruro (Cl–).

Los potenciales de acción son el medio por el que las señales nerviosas se transmiten, estos potenciales de acción son cambios rápidos del potencial de membrana que se extiende a lo largo de la membrana de la fibra nerviosa, en estos cambios un potencial de membrana negativo pasa a ser un potencial positivo y después vuelve a ser negativo. Para que se pueda transmitir una señal nerviosa el potencial de acción tiene que viaja en la membrana de la fibra nerviosa hasta llegar al extremo de esta y consta de tres fases: la primera la fase de reposo donde se dice que la membrana esta polarizada ya que hay un potencial de membrana negativo ; luego sigue la fase de despolarizacion donde se hacen permeable a los iones sodio con lo que hace que los iones sodio que tienen una carga positiva se difundan hacia el interior de la célula haciendo que el potencial aumente en dirección positiva; posteriormente sigue fase de repolarización después de que la membrana se haya hecho permeable a los iones sodio provoca que los canales de sodio se cierren y que los de potasio se abran lo que hace que los iones de potasio salgan haciendo que se reestablezca el potencial de membrana en reposo negativo. Para que se de una despolarización y posteriormente una repolarización de la membrana nerviosa en un potencial de acción es necesario la actuación del canal de sodio o de potasio activados por el voltaje. El canal de sodio activado por el voltaje cuenta con dos compuertas una que se encuentra en el exterior llamad compuerta de activación y otra hacia el interior llamada compuerta de inactivación. Cuando la membrana se encuentra en reposo normal su potencial de membrana es de -90mV lo que hace que la compuerta

de activación se encuentre cerrada y la de activación este abierta, cuando el potencial de membrana se hace menos negativo y aumenta más hacia el 0 por lo que se produce un cambio conformacional en la activación de la compuerta haciendo que la compuerta se abra y permitiendo el paso de iones sodio a través del canal. Ese mismo aumento de voltaje hace que se cierre la compuerta de inactivación lo que hace que los iones de sodio ya no puedan pasar por el canal y es ahí donde el potencial de membrana empieza a recuperarse para volver a su estado normal en reposo, la compuerta de inactivación se abre hasta que el potencial de membrana se restablece o llega casi a valores de reposo.

También hay otras funciones de otros iones negativos durante los potenciales de acción, estos aniones también son responsables de la carga negativa en el interior del axón, debido a que estos no pueden salir del interior del axón por medio de los canales, entonces cuando hay un déficit de iones positivos en el interior hay un exceso de estos aniones en el interior provocando que sea más negativo el interior del axón. Las membranas también tienen una bomba de calcio la cual copera con el sodio y en algunas células produce mayormente potenciales de acción, esta bomba funciona casi igual que la de sodio-potasio haciendo que los iones calcio se difunda hacia el exterior, así mismo hay canales de calcio activados por el voltaje, estos canales son permeables a los iones sodio y calcio, estos canales son importantes ya que contribuyen a la fase de despolarización en el potencial de acción de algunas células.

El ciclo de retroalimentación positiva abre canales de sodio, una vez que esta retroalimentación es bastante intensa, continua hasta que todos los canales de sodio activados por el voltaje estén activados. Produciendo que el aumento de potencial de membranas provoque el cierre de los canales de sodio y la apertura de los canales de potasio. Y entonces finaliza el potencial de acción. El umbral para el inicio de un potencial de acción debe de ser de -65mV.

El principio del todo o nada se refiere a cuando ya se ha generado un potencial de acción en cualquier lugar de la membrana de una fibra normal, y el proceso de despolarización viaja por toda la membrana solo si las condiciones son

adecuadas y no viaja por medio de ella si las condiciones no son adecuadas. Este principio se aplica en todos los tejidos excitables normales

En algunos casos la membrana editada no se repolariza rápidamente después de una despolarización, lo que quiere decir que el potencial esta en una meseta cerca del máximo del potencial de espiga durante algunos milisegundos y posteriormente empieza su repolarización.

Las descargas repetitivas producen en el corazón, en el músculos liso y en neuronas del sistema nervioso central. Estas descargas producen el latido rítmico, el peristaltismo y fenómenos neuronales. Para que se produzca una ritmicidad espontanea de la membrana es necesario que sea suficientemente permeable a los iones de sodio, para permitir la despolarización automática de la membrana. Existen fibras nerviosas mielinizadas y no mielinizadas las cuales tienen una conducción saltatoria de un nódulo a otro. Los potenciales de acción se producen solo en los nódulos y estos se conducen desde un nódulo a otro y a esto es a lo que se le llama conducción saltatoria. Cuando se genera un potencial de acción por un cambio local de potencial se denomina potenciales locales agudos u cuando no se puede generar un potencial de acción se llama potenciales subliminales agudos.

El periodo refractario se da cuando no se puede producir un nuevo potencial de acción en una fibra excitable cuando la membrana esta despolarizada por el potencial de acción anterior esto se da porque los canales de sodio se encuentran inactivados y ningún estimulo puede hacer que se abran hasta que llegue a su estado polarizado de reposo normal, en ocasiones ni siquiera eso hace que se pueda generar otro potencial de acción aunque haya un estímulo muy intenso y a eso se le llama periodo refractario absoluto.