Atlas de Bolso da Fisiolofia Humana

Atlas de Bolso da Fisiolofia Humana

(Parte 6 de 12)

» mediación de metabo/itos ¡ntrace/u/ares

(C4) como el ATP (como los canales de K+ en el corazón y las células B de los islotes pan- creáticos) o los iones de H+ (canales de K+ en el epitelio renal), » directo o indirecto (?) mediante el estado de distensión (C5) de la membrana (canales de Ca2+ en las fibras musculares lisas o en ge- neral los canales de K+ y Ch en la tumefac- ción celular).

Papel de los iones de Ca2+ en

Ia regulación celular

La concentración de iones de Ca libres en el liquido intersticial [Ca ] es aproximadamente

1,3 mmol/1, mientras que la concentración en el citosol [Ca ]¡ es 4-5.0 veces menor (0,1-

0,01 µπιοΐ/ΐ), ya que el Ca abandona de forma activa el citosol hacia el depósito intracelular [retículo endoplasmático (v. 17, A), vesículas, mitocondrias, ¿núcleo?] o hacia el exterior. Ambos transportes se producen de forma activa primaria (ATPasas Ca ) y el último puede ser también activo secundario (trans- portador de intercambio Ca /3 Na J (Al). Si la [Ca Ij aumenta, por ejemplo por la aparición de un flujo de Ca a través de los cana/es de Ca desde el depósito y del espa- cio extracelular (A2). Los canales de Ca de la membrana celular se abren: - por despolarización (células nerviosas y musculares),

- por Hgandos exógenos (proteína G , v. 274),

- por seña/es ¡ntracelu/ares como IP o cAMP (v. 274 y s.) y - por estiramiento de la membrana celular o estímulos térmicos.

Los canales de Ca de los depósitos con fre- cuencia se abren por la elevación local de la

Ij (flujo de Ca desde el exterior como

«desencadenante») o por el inositoltrifosfato

(I P , A2 y v. 276)

La elevación de la [Ca ]¡ es una señal para muchas funciones celulares importantes (A). Resulta fundamental, por ejemplo, en la contracción de las células musculares, en la exocitosis de neurotransmisores en las terminaciones presinápticas de la neurona, en la exocitosis de hormonas en las células endo y neuroendocrinas, en la excitación de algunas células sensitivas, en el cierre de las uniones en hendidura de determinadas células (v. 19 C) y en la apertura de canales para otros iones, en la migración de leucocitos y células tumorales (v. 30), en la activación de las plaquetas y en la movilidad de los espermatozoides. Este efecto viene mediado en parte por la calmo- dulina. Cuando aumenta la [Ca I , la cal- modulina se une a hasta 4 iones de Ca

(A2). Este complejo calmodulina-Ca * ac- tiva numerosas enzimas, como la cinasa CaM I, y desencadena la contracción muscu- lar mediante la cinasa de las cadenas ligera· de miosina (v. 70).

Muchas células reaccionan frente a un esfl mulo u hormona con una serie completa de elevaciones de la [Ca ]¡de corta duración, reí guiares y que revierten solas: las oscilacio- nes de la [Ca ]¡ (B). En este caso la sen* cuantitativa para la respuesta celular no es tanto la elevación absoluta de [Ca ], como · frecuencia de las oscilaciones. Así, la pro teín-cinasa I dependiente de calmodulina (cinasa CaM-I) se activa durante un period· corto cuando la frecuencia del aumento de

[C a I baja, fosforilando sólo sus protein;· diana, pero se vuelve a desactivar con rapide (Bl,3). Cuando dicha frecuencia es supericB la enzima se autofosforila, lo que retrasa cae· vez más su desactivación (B3), de forma que la actividad enzimática entre las señales de

[C a Ij cada vez se reduce de forma más lente lo que conduce a que cada elevación posteric· de

[C a Ij ejerza un efecto sumativo (B2i.

Igual que en el potencial de acción (v. 4(9 esta transmisión de la información por un mecanismo todo-o-nada controlado por la frw cuencia resulta mucho más clara para la célu· que la amplitud de la [Ca ],, que puede ose· lar por otras razones.

La concentración extracelular de Ca B

[Ca J , resulta fundamental para la coagule ción de la sangre, la formación de hueso y la excitabilidad de las células musculares y nerviosas y se regula de forma estrecha por ho· monas (PTH, calcitonina) (v. 290) y reprB senta una señal de retroalimentación en el c· cío regulador (v. 290). Los sensores de

Ca son proteínas de membrana que detee tan valores de [Ca J elevados en la superf· cié celular y activan (mediante una protein·

G) IP + DAG intracelulares (diacilglicerine como segundo mensajero (Cl y v. 274 y s.).

IP origina en las células C parafoliculares un aumento de [Ca ], con exocitosis hacia el

[C a J V disminución de la calcitonina (C2;

Por el contrario, en las células paratiroidea· un valor de la [Ca ] elevado disminuye el reparto del [Ca I aumentando PTH. proce so mediado por DAG y fosfocinasa C (PKC· así eventualmente por la reducción de la cor· centración de cAMP (por proteína G¡. ν. 27*β

(C3). También hay sensores para el Ca en los osteoclastos y los epitelios renal e inteaB tin al.

Intercambio de energía

La energía (J) es la capacidad de un sistema de producir trabajo (J), para la cual resulta esencial la existencia de una diferencia de potencial (= gradiente de potencial, también denominada, aunque no sea muy correcto, fuerza «tractora»), que permite mover materia. Este gradiente de potencial se traduce en trabajo mecánico, como la altura de la caída del agua (m) en las centrales hidroeléctricas, en trabajo eléctrico en voltaje (V) y en las reacciones químicas en la modificación de la denominada entalpia libre [AG (J · mol"1 )].

Para calcular cuánto trabajo se puede producir, se tiene que multiplicar la diferencia de potencial (factor de intensidad) por el correspondiente factor de capacidad, la altura de la caída del agua por la fuerza de gravedad de la misma (N), el voltaje por la cantidad de carga (C) y AG por la cantidad de sustancia (mol).

No se puede vivir sin energía. Las plantas la obtienen del sol y convierten el CO2 del aire en oxígeno y enlaces orgánicos. Los hombres y los animales pueden emplear di- rectamente estas sustancias para cubrir sus necesidades energéticas, lo que indica que una forma de energía se puede transformar en otra. Si dichos cambios se producen en un sistema cerrado (intercambio de ener- gía, pero no de sustancias con el medio), la cantidad global de energía permanece constante. El primer principio de la te r- modinámica dice que cualquier cambio de la energía interna, es decir, del contenido en energía de un sistema (AU), como en una reacción química, equivale a la suma del trabajo producido (+W) o gastado (-W) y el calor liberado (-Q) o absorbido (+Q) en la mis ma.

AU = Q - W (J) (calor producido - trabajo gastado) [1.2]

AU = W - Q (J) (trabajo gastado - calor liberado) [1.23]

En todas las reacciones químicas se produce calor. El calor que se produce al cambiar una sustancia por otra es siempre el mismo, independientemente de las vías de la reacción y de si se producen en un sistema abierto o cerrado (valor de combustión, v. 228).

El intercambio de calor con una presión· constante se denomina cambio de βηία/ρι'Λ AH (de forma que la relación trabajo-pré· sión-volumen es: AH = AU + ρ · AV). AH eM negativo en las reacciones exotérmico· (pierden calor) y positivo en las endotérmU cas (ganan calor). Para averiguar qué par· de AH queda libre (p. ej., como «fuerzS tractora en una reacción química) y dispo· nible (cambio de entalpia (¡fare AG), ha· que recordar el segundo principio de la termodinámica. Este principio dice qifl en los procesos espontáneos en un sistem· cerrado el «desorden» o «azar», denomine do entropía, del mismo aumenta (AS > OH El producto entre el aumento de la entropí· y la temperatura absoluta (AS · T) equival· al calor producido en un determinado pro· ceso.

La entalpia libre AG se calcula con la siguiente ecuación ('ecuación de Gibfa^B Helmholtz ):

Cuando ∆5 es casi O, la magnitud de AG · ∆Η es parecida, de forma que se puede dedi· cir el máximo trabajo químico para produc· calor a partir de la glucosa en el organismB AH quemando glucosa en un calorímetro (va· lor de combustión) (v. 228). La ecuación 1.2· también define las condiciones en las que sfl puede desarrollar una reacción química es· pontánea. Cuando AG < O, la reacción sfl denomina exergónica y se puede producB de forma espontánea, mientras que cuande AG > O se denomina endergónica y sólo see produce con ayuda de energía libre. Una reac· ción puede ser exergónica (AG < O), aunque sea endotérmica (AH > O), es decir, cuand· la reducción del orden AS sea grande (positi· va), de forma que (AH - AS · T) < O, come sucede en la disolución endotérmica del NaC· cristalino en agua.

AG depende de la concentración y se pue·· de calcular a partir de la entalpia estándar /i-· fare AG0 y de las concentraciones reales de· las sustancias implicadas (para calcular AG1 · se asume para todas las reacciones una con· centración de 1 mol/1, un pH de 7, una T =· 298 K y ρ = 1.013 HPa). Si se produce IaI reac ción:

Si el valor de AG de una reacción fuera

+20 kj · mol" (endergónico). AG seria <0

(exergónica) cuando [B] · [C] sea. por ejem- plo. 10 veces menor que [A]:

En este caso A se convertiría en B y C. es decir, la reacción 1.25 se produce hacia la derecha.

Cuando para la misma reacción

([B] - [C])/[A] = 4.2 · 10-*. AG sería O y la reacción estaría en equilibrio (ausencia de reacción neta). Este comportamiento numérico se denomina constante de equilibrio K,. de esta reacción. Si se sustituye en la ecuación 1.26:

+ R T - lnK o

Si ([B] · [C])/[A] > 4.2 · 10Λ AG sería >0 y la reacción neta se produciría en sentido contrario, es decir, se produciría A a partir de B y C.

AG también es una medida del sentido de la reacción y de Io alejada que está del equilibrio. Como AG depende de la concentración, su valor en un sistema abierto se hace más negativo al irse agotando los productos de la reacción (p. ej.. en una reacción posterior de una via metabólica) y la reacción sigue en marcha.

La magnitud de AG . que representa la di- ferencia entre el nivel de energía (= potencial químico) del producto (P ) y del sustrato (P

(A), no nos informa sobre la velocidad de la reacción. Aunque AG sea <0. resulta posible que su curso sea muy lento. La velocidad de una reacción depende del nivel de energía, que se tiene que alcanzar de ιΟΓπβ transitoria para conseguir estados interrn· dios (A. PJ y que es mayor que P . La ene· gía adicional que se necesita en este cas·

(E = P - PJ se denomina energía de acti- vación. Suele ser elevada (= 50 kj · mohl que sólo rompe mínimos fragmentos de · molécula substrato (F= 10~ ) (A, B). cuyo n· vel de energía individual puede ser ocasione mente superior a P . que representa el vale· medio de todas las moléculas del substrato.· depende de Ia temperatura (B). Un descH so/elevación de 10 C disminuye/aumenta·

(y la velocidad de la reacción) por un factor d·

2-4. es decir, el valor Q de la reacción s<m ría 2-4.

Dado el elevado valor de E de muchas rea· dones no catalizadas, la evolución determíB que se desarrollaran las enzimas, unos cat· lizadores biológicos que aceleran mucho · velocidad de las reacciones al reducir E (A·

Según Arrhenius la constante de velocidad·

(s ^ ) de una reacción unimolecular es propc· cional a e~ '' '. Si una enzima consiguiel· reducir E en una reacción unimolecular d·

126 a 63 kj · mol la constante de veloB dad aumentaría a 37 C en un factiH

-63 0/18.31310)/
-126.0/(8.31310)

(jgcH un factor 4 · 10 . En este caso, la enzirr· acortaría también el tiempo que tarda 1· mitad de la sustancia inicial en metabolizarB

(t Y ). Incluso desde 10 años a 7 meses. La velocidad de la reacción (mol · L s" ) se caB cula en función de la constante de velocideH del producto (s' ) · concentración de la su· tancia de origen (mol · I" ).

El segundo principio de la termodinámice también indica que, en un sistema cerrado, · incremento de entropía determina una périB da ininterrumpida de energía libre, que pued· considerarse como un estado de azar o de· sorden progresivo. El organismo represent· un sistema abierto, capaz de emplear este· sustancias alimentarias ricas en energía y el· minar los productos finales como productc· de desecho. Aunque la entropía del sistem· cerrado (organismo + entorno) aumenta. Λ organismo como sistema abierto no sol· mantiene su entropía constante, sino que puede reducirla gastando entalpia libr· Ejemplos de este tipo son la formación d· gradientes iónicos o de diferencias de presióB hidráulica dentro del organismo. Aunque uní

¡sterna cerrado se caracteriza por disponer

, entropía máxima, tener un estrecho equilibrio de reacciones y poder producir trabajo sólo una vez, el cuerpo puede, como sistema abierto, producir trabajo de forma continuada, con un mínimo cambio de la entropía. Muy pocos procesos orgánicos consiquen un equilibrio estrecho (p. ej.. Ia reacción

£0 + H O - HCO - + H ): en la mayoría de los casos (vías metabólicas, potencial celular) sólo se consigue un estado estacionario. Dichas vías metabólicas son en general irreversibles (por la eliminación de los productos finales). La irreversibilidad se observa con especial claridad cuando se piensa en la teversión de «la reacción» de célula germinal a adulto.

En el estado estacionario resulta decisiva la elocidad de la reacción, no su equilibrio. Modificando la velocidad de la reacción se pueden regular las funciones corporales.

Determinadas reacciones son tan lentas. que ni las enzimas ni la disminución de la concentración del producto sirven para conseguir un volumen suficiente. En estos casos la reacción debe recibir energía externa, por ejemplo «activando» el sustrato con un grupo fosfato rico en energía para aumentar \. El portador casi universal de entalpia libre en el organismo es la adenosinatrifosfato, que se denomina también ATP. Se trata de un producto del metabolismo, que consigue energía química de las sustancias lutritivas ricas en la misma (C). El ATP participa sobre todo en la oxidación de moléulas biológicas, como la glucosa. En este caso oxidación implica pérdida de electrones de los hidratos de carbono (= reducidos), relativamente ricos en los mismos. Los reductos finales de esta reacción son CO y H O. Esta oxidación (o pérdida de electro- nes) se produce en el organismo en varias Jases y permite que una parte de la energía liberada durante la misma se acople a la producción de ATP: reacción acoplada (C ν v. 17. B).

La entalpia libre estándar AG de la hidró- lisis del ATP s -30.5 kj · moh . Como se observa en la ecuación 1.27. el valor AG de la reacción 1 31 aumenta cuando el cociente [ADP]

[Pi]/[ATP] bajo la constante de equilibrio K disminuye la hidrólisis de ATP. El aumento de concentración de ATP en las células produce un AG de -46 a -54 U · moH.

Las sustancias con un AG para la hidróli- sis más alto que el ATP. como la creatinafos- fato (-43 kJ · mol· ), pueden formar ATP a partir de ADP y P . La energía química de uso universal del ATP se puede emplear en ocasiones para formar otros enlaces (UTP. GTP. glucosa-6-fosfato. etc.). cuyo contenido energético es menor que la del ATP. aunque sigue siendo relativamente elevado.

La energía que se libera por hidrólisis del

ATP impulsa miles de reacciones del organismo, como el transporte activo a través de las membranas, la síntesis de proteínas y la contracción muscular. Este gasto de energía consigue que se mantenga, desde el punto de vista termodinámico. el orden en todas las reacciones y en todo el organismo. La vida se caracteriza también por una disminución mantenida de la entropía, cuyo precio es el aumento de la entropía en el entorno y. en último término, en el universo en conjunto.

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