Atlas de Bolso da Fisiolofia Humana

Atlas de Bolso da Fisiolofia Humana

(Parte 4 de 12)

Supongamos ahora dos espacios distintos,· a y b, (Bl), llenos de una solución que mues-l tra una concentración C de una sustancia di-1 suelta mayor en un lado que en otro (C >J

C ). La pared que separa los espacios tiene! poros con una longitud ∆χ y los poros tienen! una superficie conjunta F. Como los poros· son permeables para dicha sustancia, ésta di- fundirá desde a hacia b, por lo que C - C =

AC, la fuerza impulsora. Si tenemos en cuenta sólo los dos espacios a y b (y nos olvidamos del gradiente dC/dx descrito a nivel del poro para simplificar el estudio), la ecuación de difusión de Fick (comparar con 1.2) sería ahora :

La velocidad de difusión será mayor cuanto I mayores sean F, D y AC y menor cuanto más I gruesa sea la pared de separación (∆χ).

Cuando se analiza la difusión a través de IaI membrana lipídica de la célula, hay que re-J cordar que las sustancias hidrófilas se disuel-J ven menos en la misma (v. gradiente intra-J membrana de Cl comparado con C2), por]

La ecuación de Pick (Adolf Pick, 1855) indic a:

en la que la constante de proporcionalidad R representa la constante general de los gases

(8,3144 K · mol· ).

lo que resulta más difícil que la atraviesen por difusión «simple». El coeficiente de distribución aceite-agua k de una sustancia mide su liposol ubilida d ( C).

Una sustancia difunde a través de Ia doble membrana fosfolipídica con mayor rapidez cuanto mayor sea su k (D). La fórmula 1.3 quedaría

Mientras que en presencia de Ia misma k el radio de Ia molécula r (compare 1.1) se corresponde con Ia magnitud de D (compárese el malonámido de dietilo con Ia etilurea en D), el valor de k puede variar en muchas decenas en presencia de Ia misma r (compárese Ia urea con el etanol en D), condicionando de forma decisiva Ia permeabilidad de Ia membrana.

Como en el organismo no se puede determinar la magnitud de k, D y ∆χ, en la práctica se resumen como coeficiente de permeabilidad, por lo que:

En la que la cantidad difundida por unidad de superficie y tiempo (neta) es proporcional a AC y P (E, línea azul para la pendiente P).

En el caso de la difusión de los gases, el valor DC de 1.4 se sustituye por α · ∆Ρ (coeficiente de solubilidad por diferencia de pre- sión parcial; v. 126) y J [mol · s^ ] por V if [m

· s' ]. El valor k · a · D se denomina «facilidad de difusión» o coeficiente de difusión de

Krogh K [m · s"

· Pa" ], de forma que en la ecuación de difusión de Fick:

Se denomina difusión no iónica a aquell en la que la forma no cargada de una bas

(amoniaco = NH ) o ácido (ácido fórmico) di bil atraviesa con más facilidad la membran que la cargada (F). La membrana es much más permeable para NH que para NH

(v. 176 y s.). Como la carga de una sustai cia depende del valor de pH de la solució (valor pK, v. 378), este parámetro influye e la difusión de los ácidos y bases débiles.

Hasta el momento no se ha analizado difusión de sustancias con carga electric (iones). En ella interviene la diferencia ύ potencial, por ejemplo en la membrana c« lular, una fuerza que puede facilitar la difi sión (electrodifusión) y que condiciona qu los iones con carga positiva (cationes) se c rijan hacia el lado de la membrana con ca ga negativa, mientras que los de carga neg< uva (aniones) lo hagan hacia el lado con ca ga positiva. Una condición previa pai dicho tipo de transporte es que existan c< nales iónicos en la membrana (v. 32 y s permeables para el ion que se desee tran portar. Además, los iones que difunden a f¡ vor de un gradiente de concentración tran¡ portan también su carga y producen un p< tendal de difusión (v. 32 y s.).

La carga eléctrica de los iones puede modificar el coeficiente de permeabilidad del ion X (= P ) cora dicionando Ia conductividad eléctrica de Ia donde RyT tienen su significado habitual y Z re- presenta Ia carga del ion, F Ia constante de

Faraday (9,65 · 10" A · s · mol' ) y C Ia actividal iónica media en Ia membrana (índice d = a ul lado; índice j = al otro lado de Ia membrana):

A diferencia de P, g también depende de Ia com centración. Cuando Ia concentración extracelule de K* aumenta de 4 a 8 mmol/kg H O (no se mod· fica a nivel intracelular 160 mmol/kg H O), se pro· duce un aumento del 20% de c y de g.

Como la mayoría de las sustancias con importancia biológica son polares y lipófobas (k pequeña), su difusión simple a través de la membrana sería demasiado lenta, por lo que, además de los canales locales, existen otras proteínas de membrana, denominadas transportadoras, que ligan la molécula que deben transportar (p. ej., Ia glucosa) en un lado de la membrana y la vuelven a soltar al otro lado (tras un cambio conformacional) (G). En este tipo de transporte con transpor- tador (p. ej., GLU-uniportador para glucosa, v. 158) resulta fundamental un gradiente de concentración, igual que para la difusión simple (transporte pasivo), por lo que esta «difusión facilitada» se puede saturar (E) y es específica para sustancias parecidas a nivel estructural, que pueden inhibirse competitivamente entre ellas. Los transportadores comparten estas propiedades con el transporte activo (v. 26).

el O como la capacidad de difusión del pul món D , de forma que:

Si se analiza la velocidad de transporte J

(mol · s" ) en una superficie F, se puede susti- tuir en 1.4 y:

Como el intercambio alveolar de gases (v. 120) y ∆χ no se pueden medir en el ser vivo, con frecuencia se considera el valor K · F/∆χ para

Osmosis, filtración y convección

El transporte de agua o volumen (J a través áe las membranas en el organismo se produce por osmosis (= difusión de agua) o filtración. La membrana debe ser permeable al agua (conductividad hidráulica, K ), de for- ma que la diferencia de presión osmótica o hidrostática (∆π ο ∆Ρ) empuja el líquido a través de la misma.

El flujo osmótico de agua (A) se calcula:

y según Ho// y Stavermann ∆π:

dónde σ = coeficiente de reflexión de los fragmentos implicados, R = constante general de los gases (v. 20), T = temperatura ab- soluta y AC (osm · UgH O' ) = diferencia entre Ia concentración mayor y menor de las partículas (A: Q , - C¡;). AC tiene un valor negativo como fuerza tractora en la osmosis, de forma que J puede ser negativa (compare

1.1). El flujo de agua viene controlado por el gradiente de concentración de la sustancia disuelta, de forma que la concentración mayor «chupa» el líquido hacia ella (Q ).

Como el medio en el que se produce la disolu- ción es el H

O, al ser la concentración de H O en a, Q , mayor que en b, Q

, la fuerza

O ~ Cn O se comporta como «fuerza tracto- ra» para la difusión de H O (A). En la osmosis también resulta fundamental que σ > O, es decir, que la permeabilidad para las partículas sea menor que para el agua/

La membrana celular dispone además de canales de agua para que ésta pueda permear (acuaporinas). Una célula principal túbulo re- nal contiene 10 canales de este tipo, corres- pondientes a acuaporinas de tipo 2 en la porción luminal de la membrana (generalmente) y de tipos 3 y 4 en la membrana basolateral (¿permanentes?). La permeabilidad de este epitelio (A derecha) se controla mediante la formación y destrucción de acuaporina 2, que se almacena en la membrana de las vesículas intra- celulares. En presencia de ADH (receptores V , cAMP; v. 274) aparece en minutos en la porción luminal de la membrana, aumentando la permeabilidad (1,5 · 10~ 1 · s" por canal).

Para la filtración (B):

ϋ = Κ,·∆Ρ [1.13]

La filtración se produce en los capilare sanguíneos; éstos son permeables para lo iones y moléculas pequeños, por lo que s pueden filtrar libremente (σ = O), pero η para las proteínas plasmáticas (B, X). La d ferencia de concentración genera una dife rencia de presión oncótica ∆π, que se dirig en contra de la ∆Ρ, de forma que la filtra ción sólo se produce mientras ∆Ρ > ∆π (B v. 152, 208).

La osmosis y la filtración permiten que S «arrastren» las sustancias disueltas: atracció por los solventes. La cantidad de una SIK tancia disuelta que se transporta de este modi

(J ) depende de J y de la actividad media d

Ia sustancia O (v. 376) en el lugar de entrad; ya que las partículas que no consiguen atravs sar la pared se «reflejan». Este fenómeno i puede medir con el coeficiente de reflexión <

(I-O )QJm I-S - ] [1.1'

En el caso de las moléculas grandes que ^ «reflejarían» por completo (p. ej., X en B), < valor de σ es 1, mientras que para las molí culas pequeñas es σ < 1. Por ejemplo,.esl coeficiente vale 0,68 para el ácido úrico en | pared del túbulo proximal renal. Se denom na coeficiente de cribado a 1 - σ (v. 154).

Algunas sustancias de bajo peso molecule se unen en el plasma a las proteínas: unió a proteínas plasmáticas (C), lo que imp de su paso libre a través de los endotelios o ( filtro glomerular (v. 154 y s.). Si la fracció de filtración glomerular fuera del 20%, s produciría una filtración del 20% de una sus tancia que lo hiciera con libertad, pero si e<, tuviera ligada 9/10 a las proteínas del pía; ma, sólo se filtraría un 2%.

Cuando las sustancias se deben transpor tar grandes distancias, como en la sangre la vía urinaria, éstas son «arrastradas» como u tronco en la corriente de un río: transporte pe convección. La cantidad de sustancia trara portada por unidad de tiempo (J ) depend del volumen de flujo/tiempo (J en m · s" ) y d la concentración de la misma (C en mol · m~

· C [mol · s- ] [l.lí

Los gases también se transportan por cor vección en la vía respiratoria; también se he bla de convección para el transporte de calo en la sangre y la eliminación del mismo ei forma de aire caliente (v. 2).

Transporte activo

En muchos lugares del organismo hace falta transportar sustancias con gasto energético, es decir, en contra de su concentración química y/o, en el caso de los iones, contra su potencial eléctrico (v. 2). Este transporte no se puede realizar con los procesos pasivos (porque se dirige en contra del gradiente y consume energía, v. 20 y s.) y son necesarios los denominados mecanismos de transporte activo, que dependen del consumo de energía. Una parte considerable de la energía química que el organismo adquiere a través de la nutrición (convertida en ATP utilizable, v. 41) se emplea en este tipo de transporte. La energía liberada por la hidrólisis del ATP se emplea en numerosos sistemas de transporte transmembrana de iones, sustratos metabólicos y productos de desecho. Este gasto de energía consigue en las células y las organelas orden desde el punto de vista termodinámico, lo que resulta fundamental para la vida y función normal de todas las células y del organismo en su conjunto (v. 38 y s.).

Si la energía de la hidrólisis del ATP se utiliza directamente para el transporte o mecanismo de «bomba» se habla de transporte activo primario y se denomina a las bo m- bas iónicas de este tipo ATPasas. Estas bombas consiguen un gradiente electroquímico de una forma relativamente lenta (ATPasa

Na YK : 1 µηιοί · s' por m de superficie de la membrana). Este gradiente se puede emplear para un flujo iónico rápido, después de aumentar la permeabilidad del canal iónico

(v. 32 y s.; p. ej., flujo de Na en el potencial

Otros ejemplos de este tipo de bomba son las ATPasas NaVK de la membrana celular, las ATPasas de Ca del retículo endoplás-mico y la membrana plasmática, la ATPasa H/K de las glándulas gástricas y el túbulo renal y la

ATPasa H de los lisosomas, que transportan de forma activa primaria Na, K

, Ca o H .

Salvo la ATPasa H , estas bombas están constituidas por 2 unidades α y 2 β (denominadas clase P), en las que las unidades a se fosforilan y conforman el «canal de transporte» (Al).

ATPasa

Na TK se encarga de la ho- meostasis de /a concentración de Na y K intracelular, que resulta esencial para man· tener el potencial de membrana de la célula· En cada ciclo de transporte se sacan 3 ione· de Na de la célula y se bombean hacia su in- terior 2 de K (Al, 2), empleando una mole· cula de ATP para la fosforilación del trans· portador (A2b), lo que desencadena un can· bio conformacional de la proteína y cambio· en la afinidad de los sitios de unión para M

Na y el K . El cambio conformacional pee mite el transporte, ya que expone los sitios de unión hacia el otro lado de la membran· (A2, b, d). La defosforilación permite reo· perar la situación de origen (A2; e, f). La ve- locidad de bombeo de la ATPasa Na /Kj aumenta cuando se eleva la concentración ir· tracelular de Na por entrada del mismo o lo hace la concentración de K . Por eso se de- nomina ATPasa NaVK activable. La ouaba· na y los glucósidos cardíacos inhiben 1

ATPasa Na/K .

Se denomina transporte activo secundario al transporte con gasto de energía de una molécula (como la glucosa) mediante ur· proteína transportadora (en el ejemp· SGLT2), al que se acopla el transporte pasivi de un ion (en este caso Na ) (Bl). En es· caso el gradiente electroquímico del Na diri gido hacia el interior de la célula (A) gene* la fuerza para la entrada activa secundaria de 1 glucosa hacia la misma. Dicho acoplamientl se conoce como contransporte. Se denJ mina simporte cuando la sustancia transpol tada circula en la misma dirección que el icl

(Bl, 2, 3) y antiporte (contratransportJ cuando el gradiente de iones, Na o H , es contrario al transporte activo secundara

(B4). El gradiente electroquímico de H resul tante se puede emplear para el simporfe ai tiuo terciario de péptidos (B5).

Aunque en el antiporte de Na/H (B4) j

NaVCl- (B2) no se genera ninguna cargj eléctrica neta (transporte electroneutroj en el simporte de Na + glucosa (Bl), de Nd + am in oá cido s

(B3), 2 Na + aminoácidos H pé ptidos (B5) sí se produce: transpol te electrogénico o reogénico. En el tranj porte electroneutro la única fuerza tractora a el gradiente químico de Na , mientras quj en el transporte electrogénico el potencial d¡ membrana interna negativo representa uri fuerza tractora adicional (v. 32 y s.). Si \ :

transporte secundario activo de glucosa se acoplara con la entrada de 2 iones de Na+ en lugar de 1 (simporte SGLTl), se duplicaría la fuerza tractora. Cuando se tiene que superar un gradiente de concentración de varias potencias de 10 (caso extremo, los iones H + en el estómago LIO6 ), tienen que participar las ATPasas, que pueden ser electrogénicas

(p. ej., la ATPasa NaVK+ ; 3 Na+/2 K+

46) o electroneutras (ATPasa HYK+ : 1

En estos mecanismos de transporte activo cabe destacar: » se saturan, es decir, tienen una capacidad limitada (J11 J,

» son más o menos específicos, de forma que sólo unas sustancias químicas determinadas y en general parecidas pueden ser transportadas por la proteína transportadora; estas sustancias compiten entre ellas por el transporte (inhibición competitiva), » estas sustancias similares suelen transportarse con distinta facilidad, dada su distinta afinidad

(~1 /K M ) por el sistema transportador,

» se inhiben cuando se altera el suministro de energía de la célula.

Todas las afirmaciones anteriores, menos la última, afectan también al transporte pasivo, es decir, la difusión facilitada por un transportador (v. 2).

La velocidad del transporte J53 , de un sistema saturable sigue la cinética de Michaelis-

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