1. BERNE y LEVY FISIOLOGA

2. Esta pgina se deja intencionalmente en blanco 3. EDITORES Bruce M. Koeppen, MD, PhD Profesor de Medicina y Biologa celular Albert y Wilda Van Dusen Professor of Academic Medicine Dean for Academic Affairs Departamentos de Medicina y Biologa celular University of Connecticut Health Center Farmington, Connecticut Bruce A. Stanton, PhD Profesor y director del Lung Biology Center Departamento de Fisiologa Dartmouth Medical School Hanover, New Hampshire BERNE y LEVY FISIOLOGASEXTA EDICIN 4. Es una publicacin Versin en espaol de la 6. edicin de la obra original en ingls Berne and Levy Phisiology Copyright MMVIII by Mosby, Inc., an Elsevier Imprint Revisin cientca: Dra. Mara Jess Fernndez Aceero Especialista en Fisiologa y Anatoma Patolgica Universidad Complutense de Madrid 2009 Elsevier Espaa, S.L. Travessera de Grcia, 17-21 08021 Barcelona, Espaa Fotocopiar es un delito. (Art. 270 C. P.) Para que existan libros es necesario el trabajo de un importante colectivo (autores, traductores, dibujantes, correctores, impresores, editores). El principal beneciario de ese esfuerzo es el lector que aprovecha su contenido. Quien fotocopia un libro, en las circunstancias previstas por la ley, delinque y contribuye a la no existencia de nuevas ediciones. Adems, a corto plazo, encarece el precio de las ya existentes. Este libro est legalmente protegido por los derechos de propiedad intelectual. Cualquier uso, fuera de los lmites establecidos por la legislacin vigente, sin el consentimiento del editor, es ilegal. Esto se aplica en particular a la reproduccin, fotocopia, traduccin, grabacin o cualquier otro sistema de recuperacin de almacenaje de informacin. ISBN edicin original: 978-0-323-04582-7 ISBN edicin espaola: 978-84-8086-434-3 Depsito legal: B. 565 - 2009 Traduccin y produccin editorial: Diorki Servicios Integrales de Edicin Impreso en Espaa por Grques 92 ADVERTENCIA La medicina es un rea en constante evolucin. Aunque deben seguirse unas precauciones de seguridad estndar, a medida que aumenten nuestros conocimientos gracias a la investigacin bsica y clnica habr que introducir cambios en los tratamientos y en los frmacos. En consecuen- cia, se recomienda a los lectores que analicen los ltimos datos aportados por los fabricantes sobre cada frmaco para comprobar la dosis recomendada, la va y duracin de la administracin y las contraindicaciones. Es responsabilidad ineludible del mdico determinar la dosis y el tratami- ento ms indicado para cada paciente en funcin de su experiencia y del conocimiento de cada caso concreto. Ni los editores ni los directores asumen responsabilidad alguna por los daos que pudieran generarse a personas o propiedades como consecuencia del contenido de esta obra. EL EDITOR 5. La sexta edicin de Fisiologa est dedicada a Robert M. Berne (en el recuerdo) y Matthew N. Levy, directores fundadores de este libro de texto sobre Fisiologa. Su excelencia como cientficos y docentes ha permitido que innumerables alumnos aprendan y conozcan el funcionamiento normal del cuerpo humano. Tenemos el orgullo de seguir logrando que esta obra sea un recurso de aprendizaje para todos los estudiantes de Fisiologa. Bruce M. Koeppen, M.D., Ph.D. Bruce A. Stanton, Ph.D. 6. Esta pgina se deja intencionalmente en blanco 7. C O L A B O R A D O R E S vii Kim E. Barrett, PhD Professor of Medicine, School of Medicine and Dean of Graduate Studies University of California, San Diego La Jolla, California Seccin VI: Fisiologa digestiva Michelle M. Cloutier, MD Professor Department of Pediatrics University of Connecticut School of Medicine Farmington, Connecticut y Asthma Center Connecticut Childrens Medical Center Hartford, Connecticut Seccin V: El aparato respiratorio Bruce M. Koeppen, MD, PhD Professor of Medicine and Cell Biology Albert & Wilda Van Dusen Professor of Academic Medicine Dean for Academic Affairs Departments of Medicine and Cell Biology University of Connecticut Health Center Farmington, Connecticut Seccin I: Fisiologa celular Seccin VII: El sistema renal Eric J. Lang, MD, PhD Assistant Professor Department of Physiology and Neuroscience New York University School of Medicine New York, New York Seccin II: El sistema nervioso Achilles J. Pappano, PhD Professor Department of Cell Biology y Professor Calhoun Cardiology Center University of Connecticut Health Center Farmington, Connecticut Seccin IV: El aparato cardiovascular Helen E. Raybould, PhD Professor Department of Anatomy, Physiology, and Cell Biology University of California-Davis School of Veterinary Medicine Davis, California Seccin VI: Fisiologa digestiva Kalman Rubinson, PhD Associate Professor Department of Physiology and Neuroscience New York University School of Medicine New York, New York Seccin II: El sistema nervioso Bruce A. Stanton, PhD Professor and Director of the Lung Biology Center Department of Physiology Dartmouth Medical School Hanover, New Hampshire Seccin I: Fisiologa celular Seccin VII: El sistema renal Roger S. Thrall, PhD Professor of Medicine Department of Immunology University of Connecticut Health Center Farmington, Connecticut y Director of Clinical Research Department of Research Hospital for Special Care New Britain, Connecticut Seccin V: El aparato respiratorio James M. Watras, PhD Associate Professor Department of Cell Biology University of Connecticut Health Center Farmington, Connecticut Seccin III: Msculo Bruce A. White, PhD Professor Department of Cell Biology University of Connecticut Health Center Farmington, Connecticut Seccin VIII: El sistema endocrino y el aparato reproductor 8. Esta pgina se deja intencionalmente en blanco 9. P R E F A C I O L as personas que hayan utilizado este libro anterior- mente encontrarn muchos cambios en esta sexta edicin: los ms destacados son el uso de ilustra- ciones a todo color y la reorganizacin de muchas de las secciones. Adems, en esta edicin damos la bienvenida a muchos autores nuevos; deseamos agradecer a los Dres. Robert Berne, Saul Genuth, Howard Kutchai, Matthew Levy y William Willis su participacin en las ediciones previas. Damos la bienvenida a los siguientes participantes nuevos: Dres. Kalman Rubinson y Eric Lang (sistema nervioso), Dr. Achilles Pappano (aparato car- diovascular), Dres. Kim Barrett y Helen Raybould (apara- to digestivo) y Dr. Bruce White (sistema endocrino y apa- rato reproductor). Por ltimo, estamos encantados de que los Dres. James Watras (msculo) y Michelle Clou- tier y Roger Thrall (aparato respiratorio) hayan seguido contribuyendo en el equipo de esta sexta edicin. Igual que en las ediciones previas de esta obra, hemos tratado de poner de relieve conceptos amplios y reducir la recogida de hechos aislados. Se han modificado todos los captulos para conseguir un texto lcido, preciso y lo ms actualizado posible. En cada seccin se ha incor- porado informacin clnica y molecular, pero esta infor- macin se ha dispuesto separada del cuerpo de texto principal, y sirve para poner en un contexto clnico los fenmenos fisiolgicos a nivel celular y molecular, y aportar nuevas perspectivas de los mismos. Esperamos que encuentre esta seccin til para este texto. El cuerpo humano est constituido por miles de millo- nes de clulas que se organizan en tejidos (p. ej., msculo, epitelio y tejido nervioso) y sistemas orgnicos (p. ej., sistema nervioso, aparato cardiovascular y respirato- rio, aparato digestivo, sistema renal, sistema endocrino y aparato reproductor). Para que estos tejidos y rganos funcionen bien, de manera que las personas puedan vivir y realizar sus actividades diarias, se deben cumplir varias condiciones generales. En primer y destacado lugar, las clulas del organismo deben sobrevivir. Para poder hacerlo, se necesita un aporte de energa ade- cuado a nivel celular, el mantenimiento de un medio intracelular apropiado y defensas frente a un ambiente externo hostil. Cuando est garantizada la supervivencia de la clula, sta podr realizar su funcin especializada (p. ej., la contraccin por las clulas musculares esque- lticas). Por ltimo, la funcin de las clulas, tejidos y rganos debe estar coordinada y regulada. Todas estas funciones constituyen la esencia de la disciplina de la Fisiologa y se presentan en el contenido de todo el libro. A continuacin, se describen de forma breve estos con- ceptos generales. Las clulas necesitan un aporte constante de energa. Esta energa se obtiene de la hidrlisis del trifosfato de adenosina (ATP). Si no se regenerara, el ATP celular se agotara en todas las clulas en menos de un minuto. Por tanto, se debe sintetizar ATP de forma continua y, para ello, es preciso un aporte constante de combustibles celulares. Sin embargo, estos combustibles (p. ej., glu- cosa, cidos grasos y cetocidos) existen en la sangre en concentraciones que pueden mantener el metabo- lismo celular slo durante unos pocos minutos. Las con- centraciones en sangre de estos combustibles para la clula se mantienen mediante la ingesta de precursores (p. ej., hidratos de carbono, grasas y protenas). Adems, es posible almacenar estos combustibles y movilizarlos cuando no se puedan ingerir los precursores. Las formas de depsito de estos combustibles son los triglicri- dos (que se almacenan en el tejido adiposo), el gluc- geno (que se almacena en el msculo esqueltico y el hgado) y las protenas. El mantenimiento de unas con- centraciones sanguneas adecuadas de estos combusti- bles celulares es un proceso complejo que implica los siguientes tejidos, rganos y sistemas de rganos: Hgado: convierte los precursores en formas de depsito de los combustibles (p. ej., la glucosa en glucgeno) cuando se ingiere el alimento, y tambin convierte el depsito en el combustible durante el ayuno (p. ej., el glucgeno pasa a glucosa y aminocidos hasta liberar glucosa). Msculo esqueltico: igual que el hgado, almacena com- bustibles (glucgeno y protenas), y convierte el glu- cgeno y las protenas en combustible (p. ej., glucosa) o en productos intermedios del mismo (p. ej., las pro- tenas en aminocidos) durante el ayuno. Tubo digestivo: digiere y absorbe los precursores del combustible. Tejido adiposo: almacena combustibles durante la ali- mentacin (p. ej., los cidos grasos en forma de trigli- cridos) y los libera durante el ayuno. Aparato cardiovascular: transporta el combustible a las clulas desde los sitios de depsito, y al contrario. Sistema endocrino: mantiene las concentraciones en sangre de los combustibles celulares, controlando y regulando su almacenamiento y liberacin de los dep- sitos (p. ej., insulina y glucagn). Sistema nervioso: monitoriza las concentraciones de oxgeno y el contenido en nutrientes de la sangre y modula, segn sean, los aparatos cardiovascular y pul- monar y el sistema endocrino, induciendo las conduc- tas de alimentacin e ingesta de lquidos. Adems del metabolismo energtico, las clulas del organismo deben mantener un medio intracelular rela- tivamente constante para sobrevivir. Para ello, deben captar los combustibles necesarios para producir ATP, deben exportar los desechos celulares al exterior de la clula, deben mantener un ambiente inico intracelular ix 10. x Berne y Levy. Fisiologa adecuado, deben mantener un potencial de membrana de reposo, y deben conseguir un volumen celular cons- tante. Todas estas funciones son realizadas por unas protenas de transporte especficas de la membrana. La composicin del lquido extracelular (LEC) que baa las clulas tambin se debe mantener relativamente constante, y tambin hay que regular el volumen y la temperatura del LEC. Las clulas epiteliales de los pul- mones, tubo digestivo y riones son responsables de mantener el volumen y la composicin del LEC, mientras que la piel desempea un papel fundamental para la regulacin de la temperatura. Todos los das se ingiere agua y alimentos, y las clulas epiteliales del tubo diges- tivo absorben los componentes esenciales. Esta ingesta diaria de agua y solutos debe ajustarse a su excrecin del organismo, para poder mantener un equilibrio en estado estacionario. Los riones participan de forma fundamental en el mantenimiento del equilibrio en estado estacionario del agua y de muchos componentes del LEC (p. ej., Na+ , K+ , HCO3 , pH, Ca++ , solutos orgni- cos). Los pulmones garantizan un aporte adecuado de O2 para quemar los combustibles celulares para la pro- duccin de ATP, y excretan el principal producto de desecho (CO2). Dado que el CO2 influye en el pH del LEC, los pulmones colaboran con los riones en el manteni- miento del mismo. Puesto que los seres humanos habitan en muchos entornos distintos y suelen desplazarse de unos a otros, su cuerpo debe ser capaz de adaptarse con rapidez a los retos que plantean los cambios en la temperatura ambiental y la cantidad de alimentos y agua disponibles. Esta adaptacin exige la coordinacin de la funcin de las clulas de distintos tejidos y rganos, y tambin la regulacin de las mismas. Los sistemas nervioso y endo- crino coordinan y regulan las funciones de las clulas, los rganos y los tejidos. La regulacin de esta funcin puede ser rpida (de segundos a minutos), como sucede con las concentraciones de combustibles celulares en la sangre, o bien producirse en un perodo de tiempo mucho ms prolongado (de das a semanas), como sucede con la aclimatacin cuando el individuo pasa de un clima fro a otro clido o cuando deja de tomar una dieta rica en sal para usar una pobre en la misma. La funcin del cuerpo humano constituye una serie de procesos complejos a mltiples niveles. En esta obra, se exponen los conocimientos actuales sobre estos pro- cesos. Aunque se hace ms hincapi en la funcin normal del cuerpo humano, tambin resulta adecuado comentar la enfermedad y el funcionamiento anormal, ya que, con frecuencia, sirven para ilustrar los procesos y principios fisiolgicos en condiciones extremas. Los autores de cada seccin han presentado los meca- nismos considerados responsables de los fenmenos que se estn considerando con mayor probabilidad. Hemos aceptado el compromiso de conseguir brevedad, claridad y sencillez en la obra. Deseamos agradecer a todos nuestros compaeros y alumnos sus crticas constructivas durante la revisin de esta obra. Bruce M. Koeppen, MD, PhD Bruce A. Stanton, PhD 11. N D I C E D E C O N T E N I D O S Seccin I: Fisiologa celular 1 Bruce M. Koeppen y Bruce A. Stanton 1. Principios de la funcin celular 3 2. Homeostasia de los lquidos corporales 20 3. Transduccin de las seales, receptores de la membrana, 34 segundos mensajeros y regulacin de la expresin gnica Seccin II: El sistema nervioso 51 Kalman Rubinson y Eric J. Lang 4. El sistema nervioso: introduccin a las clulas y a los sistemas 53 5. Generacin y conduccin de los potenciales de accin 65 6. Transmisin sinptica 82 7. El sistema somatosensorial 105 8. Los sentidos especiales 123 9. Organizacin de la funcin motora 157 10. Funciones superiores del sistema nervioso 201 11. El sistema nervioso autnomo y su control central 218 Seccin III: Msculo 231 James M. Watras 12. Fisiologa del msculo esqueltico 233 13. Msculo cardaco 256 14. Msculo liso 268 Seccin IV: El aparato cardiovascular 287 Achilles J. Pappano 15. Introduccin a la circulacin 289 16. Elementos de la funcin cardaca 292 17. Propiedades de la vasculatura 330 18. Regulacin del corazn y la vasculatura 370 19. Control integrado del aparato cardiovascular 393 Seccin V: El aparato respiratorio 415 Michelle M. Cloutier y Roger S. Thrall 20. Estructura y funcin del aparato respiratorio 417 21. Propiedades mecnicas del pulmn y la pared torcica: 430 esttica y dinmica xi 12. xii Berne y Levy. Fisiologa 22. Ventilacin (V ), perfusin (Q ) y cociente V /Q 444 23. Transporte del oxgeno y del dixido de carbono 459 24. Control de la respiracin 468 25. Funciones no respiratorias del pulmn 477 Seccin VI: Fisiologa digestiva 485 Kim E. Barrett y Helen E. Raybould 26. Anatoma funcional y principios generales de la regulacin 487 en el tracto gastrointestinal 27. Las fases ceflica, oral y esofgica de la respuesta integrada 496 ante una comida 28. La fase gstrica de la respuesta integrada ante una comida 504 29. La fase del intestino delgado de la respuesta integrada 516 ante una comida 30. La fase colnica de la respuesta integrada ante una comida 533 31. Funciones de transporte y metablicas del hgado 542 Seccin VII: El sistema renal 555 Bruce A. Stanton y Bruce M. Koeppen 32. Elementos de la funcin renal 557 33. Transporte de agua y solutos a lo largo de la nefrona: 578 funcin tubular 34. Control de la osmolalidad y el volumen del lquido corporal 594 35. Homeostasia del potasio, el calcio y el fosfato 619 36. Papel de los riones en la regulacin del equilibrio acidobsico 636 Seccin VIII: El sistema endocrino y el aparato 651 reproductor Bruce A. White 37. Introduccin al sistema endocrino 653 38. Regulacin hormonal del metabolismo energtico 664 39. Regulacin hormonal del metabolismo del calcio y el fosfato 696 40. El hipotlamo y la glndula hipfisis 706 41. La glndula tiroides 725 42. La glndula suprarrenal 738 43. Los aparatos reproductores masculino y femenino 758 ndice alfabtico 799 13. Esta pgina se deja intencionalmente en blanco 14. SECCINUNO Fisiologa celular Bruce M. Koeppen y Bruce A. Stanton CAPTULO 1 Principios de la funcin celular CAPTULO 2Homeostasia de los lquidos corporales CAPTULO 3Transduccin de las seales, receptores de la membrana, segundos mensajeros y regulacin de la expresin gnica 01-001-019Kpen.indd 1 23/2/09 14:49:16 15. 01-001-019Kpen.indd 2 23/2/09 14:49:19 16. ELSEVIER.Fotocopiarsinautorizacinesundelito. 3 Principios de la funcin celular 1C A p T U L O E l cuerpo humano est constituido por miles de mi- llones de clulas, cada una con una funcin distin- ta. A pesar de esta diversidad en la funcin celular, todas las clulas comparten algunos elementos y funcio- nes comunes. En este captulo se resumen estos elemen- tos comunes, centrndose en la funcin importante de la entrada y salida de molculas y agua en las clulas a tra- vs de la membrana plasmtica. INTRODUCCIN A LAS CLULAS EUCARIOTAS Las clulas eucariotas se distinguen por la presencia de un ncleo limitado por una membrana. Salvo los hema- tes maduros, todas las clulas del organismo tienen un ncleo. Por esto, la clula queda dividida de forma eficaz en dos compartimentos: el ncleo y el citoplasma. El citoplasma es una solucin acuosa que contiene nume- rosas molculas orgnicas, iones, elementos del citoes- queleto y una serie de organelas. A continuacin se des- cribirn con brevedad los componentes de una clula eucariota clsica (fig. 1-1). Los lectores que deseen una informacin ms profunda sobre este tema pueden con- sultar alguno de los numerosos textos sobre biologa ce- lular y molecular que existen. Ncleo El ncleo contiene el genoma de la clula, que en las c- lulas somticas est presente en 46 cromosomas, 22 pa- res de autosomas y un par de cromosomas sexuales. El vulo y el espermatozoide contienen cada uno 23 cromo- somas, una copia de cada autosoma y un cromosoma sexual masculino (Y) o femenino (X). El cromosoma es una estructura muy ordenada, que contiene los genes (ADN) y las protenas asociadas (histonas). En el ncleo se incluye tambin la maquinaria enzimtica para la re- paracin del ADN lesionado y para la replicacin, ade- ms de las enzimas necesarias para transcribir el ADN y generar el ARN mensajero (ARNm). Membrana plasmtica La membrana plasmtica rodea a la clula y separa su contenido del lquido extracelular que la rodea. Realiza una serie de funciones importantes y se describe con de- talle ms adelante. Mitocondrias Actualmente, se cree que las mitocondrias han evolucio- nado a partir de un procariota aerobio que viva dentro de las clulas eucariotas primitivas. Las mitocondrias sintetizan el ATP y aportan as la energa que sirve para alimentar muchas funciones vitales de la clula. Contie- nen su propio ADN, que codifica una serie de enzimas necesarias para la fosforilacin oxidativa (otras enzimas mitocondriales se sintetizan en el citoplasma y se impor- tan al interior de las mitocondrias) y tambin el ARN nece- sario para transcribir y traducir el ADN mitocondrial. Las mitocondrias estn constituidas por dos membranas se- paradas por un espacio intermembranoso. La membrana mitocondrial externa permite el paso de molculas de un tamao de hasta 5 kDa. Por tanto, la composicin del es- pacio intermembranoso es similar a la del citoplasma en cuanto a las molculas pequeas y los iones. La membra- na interna se repliega para formar numerosas crestas y es el lugar en el que se genera el ATP mediante el proceso de fosforilacin oxidativa. El interior de la mitocondria (o matriz) contiene las enzimas implicadas en el ciclo del ci- do ctrico y las que realizan la oxidacin de los cidos gra- sos. Adems de producir el ATP, las mitocondrias sirven como lugar para secuestrar el Ca++ . Retculo endoplsmico rugoso El retculo endoplsmico rugoso (RER) es una extensa red de membranas en el citoplasma que est especial- mente desarrollado en las clulas que producen y secre- tan protenas (p. ej., las clulas acinares pancreticas y las clulas plasmticas). Unidos a su membrana se ha- llan los ribosomas, responsables del aspecto rugoso de esta organela cuando se observa al microscopio elec- trnico. En el RER se realiza la traduccin del ARNm y la modificacin tras la traduccin de las protenas destina- das a ser secretadas de la clula o que se tienen que orientar hacia la membrana plasmtica u otras organelas membranosas (p. ej., aparato de Golgi y lisosomas). Aparato de Golgi Las protenas que se sintetizan en el RER se transfieren al aparato de Golgi en unas vesculas revestidas. Al micros- copio electrnico, el aparato de Golgi se reconoce como una pila de sacos membranosos aplanados. Las vescu- las del RER se fusionan con los sacos que estn en la es- trecha proximidad del mismo (es decir, la red de Golgi cis). Despus, las protenas circulan por las cisternas del Golgi a travs de vesculas revestidas y en este proceso sufren una modificacin tras una traduccin adicional (p. ej., la glucosilacin). En el aparato de Golgi tambin se realiza la seleccin de las protenas y su envasado para remitirlas a otras partes de la clula (membrana plasmtica, lisosomas y grnulos secretores). Esta selec- cin y envasado de las protenas se produce en la zona trans del aparato de Golgi. Retculo endoplsmico liso El retculo endoplsmico liso (REL) no tiene ribosomas y parece liso en la microscopa electrnica. En este lugar se produce la modificacin y destoxificacin de muchas sustancias (p. ej., pesticidas). Las molculas hidrfobas se pueden convertir en molculas hidrosolubles en el 01-001-019Kpen.indd 3 23/2/09 14:49:21 17. 4 Berne y Levy. Fisiologa Ncleo Retculo endoplsmico rugoso Retculo endoplsmico liso Membrana plasmtica Lisosomas Endosomas MitocondriasAparato de Golgi Figura 1-1. Dibujo es- quemtico de una clula euca- riota. La parte superior de la misma se ha eliminado para mostrar el ncleo y diversas or- ganelas intracelulares. Vanse detalles en el texto. REL, lo que facilita su excrecin del organismo por va heptica y renal. En el REL se produce tambin la snte- sis de las grasas y los lpidos. Por ejemplo, las clulas de la corteza suprarrenal que secretan la hormona esteroi- dea cortisol cuentan con un extenso REL. De modo simi- lar, las clulas ovricas y testiculares que secretan estr- genos y testosterona tienen un REL bien desarrollado. En el msculo cardaco y esqueltico el REL, que se denomi- na retculo sarcoplsmico en estas clulas, sirve para secuestrar el calcio. Por ello desempea un papel impor- tante en el control de las contracciones. Lisosomas Los lisosomas son parte del sistema endoctico de la clula (v. ms adelante) y realizan una funcin de degra- dacin. Se trata de organelas rodeadas de membrana, con un interior cido (pH 4,5), que contienen una se- rie de enzimas digestivas (p. ej., proteasas, nucleasas, lipasas y glucosidasas). Los lisosomas degradan el ma- terial que se introduce en la clula mediante endocito- sis y fagocitosis. Tambin degradan las organelas intra- celulares en un proceso denominado autofagia, y algunas protenas intracelulares. Gran parte de las sus- tancias degradadas se reciclan luego en la clula. El proceso de degradacin no es aleatorio, y en una serie de circunstancias se produce de forma dirigida. Por ejemplo, las protenas chaperonas (p. ej., la protena del shock trmico 73) pueden dirigir a las protenas in- tracelulares hacia el lisosoma. Adems, las protenas de la membrana plasmtica pueden ser orientadas para sufrir endocitosis y, al final, ser degradadas por los liso- somas mediante la unin de una serie de grupos espec- ficos (p. ej., ubicuitina). Estos grupos seran una espe- cie de seales para degradar la protena. Proteasomas Igual que los lisosomas, los proteasomas realizan una funcin de degradacin. Sin embargo, estas estructuras no estn rodeadas de membrana y sirven principalmen- te para degradar las protenas intracelulares marcadas (p. ej., ligadas a la ubicuitina) para su degradacin. Tam- bin pueden degradar algunas protenas asociadas con la membrana. Ribosomas libres Los ribosomas se distribuyen por todo el citoplasma y no se asocian al retculo endoplsmico. Traducen el ARNm para las protenas del citosol y tambin para las protenas que no sern secretadas de la clula ni incor- poradas a estructuras con membrana (p. ej., enzimas mi- tocondriales). Peroxisomas Los perosixomas (llamados tambin microcuerpos) son organelas rodeadas de membrana que contienen varias en- zimas oxidativas (p. ej., catalasas). Estas enzimas oxidati- vas pueden destoxificar una serie de compuestos y oxidar los cidos grasos. En el hgado, los peroxisomas son res- ponsables de metabolizar el etanol a acetaldehdo. Citoesqueleto El citoesqueleto de la clula est constituido por fila- mentos de actina (llamados tambin microfilamentos), filamentos intermedios y microtbulos. Los filamentos de actina de las clulas musculares son una parte fun- damental del aparato contrctil. En otras clulas parti- cipan en el movimiento (p. ej., en los macrfagos). La actina forma tambin el eje de las microvellosidades y une el interior de la clula con las clulas adyacentes mediante algunas uniones celulares (p. ej., zonula ad- 01-001-019Kpen.indd 4 23/2/09 14:49:30 18. Captulo 1 Principios de la funcin celular 5ELSEVIER.Fotocopiarsinautorizacinesundelito. herens y zonula occludens). Existen varias clases dis- tintas de filamentos intermedios, y pueden variar en funcin del tipo celular. Por ejemplo, en las clulas epiteliales se encuentran filamentos de queratina, mientras que en las neuronas hay neurofilamentos, Los filamentos intermedios tienen una funcin princi- palmente estructural, y pueden unir el interior de la clula con las clulas adyacentes y con la matriz ex tracelular que las rodea, a travs de desmosomas y hemidesmosomas, respectivamente. Los microtbulos realizan mltiples funciones dentro de la clula, inclui- do el transporte intracelular de vesculas, el desplaza- miento de los cromosomas durante la mitosis y la meiosis, y el movimiento de los cilios y flagelos (p. ej., la cola del espermatozoide). Se forman por dmeros de tubulina y y su longitud se modifica mediante la adicin o eliminacin de estos dmeros. En general, existe un centro organizador de microtbulos cerca del ncleo de la clula, y los microtbulos se originan a partir de este centro hacia la periferia de la clula. Como se ha comentado, los microtbulos pueden des- plazar vesculas intracelulares dentro de la clulas (p. ej., transporte de las vesculas que contienen neuro- transmisores desde el cuerpo celular de la neurona hacia el axn); este movimiento depende de las prote- nas motoras. Una protena motora, la cinesina, contro- la el movimiento desde el centro de la clula hacia la periferia, mientras que otra, la dinena, controla el movimiento opuesto. La dinena es la protena motora que controla el movimiento de cilios y flagelos. LA MEMBRANA PLASMTICA Las clulas del organismo estn rodeadas por la mem- brana plasmtica, que separa el contenido intracelular del entorno extracelular. Dadas las propiedades de esta membrana y, sobre todo, la presencia de protenas espe- cficas en la misma, participa en una serie de funciones celulares importantes como: El transporte selectivo de molculas hacia el interior y el exterior de la clula, funcin que realizan las pro- tenas de transporte de la membrana. El reconocimiento celular a travs de los antgenos de la superficie celular. La comunicacin celular a travs de neurotransmiso- res y receptores hormonales y de las vas de transduc- cin de seales. La organizacin tisular, como las uniones celulares temporales y permanentes, adems de las interaccio- nes con la matriz extracelular mediante diversas molculas de adhesin celular. La actividad enzimtica. La determinacin de la forma celular mediante la unin del citoesqueleto con la membrana plasmtica. Las membranas rodean tambin diversas organelas de la clula. Las membranas de las organelas no slo di- viden a sta en compartimentos, sino que son el lugar donde se producen muchos procesos intracelulares im- portantes (p. ej., la cadena de transporte de electrones en la membrana mitocondrial interna). En este captulo se analiza la estructura y funcin de la membrana plasmtica de las clulas eucariotas. En concreto, se centra en el transporte de las molculas y el agua a travs de la membrana. Aqu slo se presentan los principios del transporte en la membrana y los detalles adicionales relacionados con las clulas especficas se comentarn en las distintas secciones y captulos de esta obra. Estructura y composicin La membrana plasmtica de las clulas eucariotas co- rresponde a una bicapa de lpidos de 5 nm de grosor, con protenas asociadas (fig. 1-2). Algunas de las protenas de la membrana estn integradas dentro de la bicapa de lpidos, mientras que otras se unen de forma laxa a las superficies interna y externa de la misma, ligadas a me- nudo a las protenas integrales de la membrana. Dado que los lpidos y las protenas pueden difundir dentro del plano de la membrana y que su aspecto vara a nivel regional en funcin de la presencia de distintas protenas de membrana, la estructura de la membrana plasmtica suele denominarse modelo del mosaico fluido. Lpidos de la membrana Los principales lpidos de la membrana plasmtica son fosfolpidos o fosfoglicridos. Los fosfolpidos son mol- culas anfipticas, que contienen una cabeza hidrfila car- gada (o polar) y dos cadenas de acil graso hidrfobas (no polares) (fig. 1-3). La naturaleza anfiptica de la mo- lcula de fosfolpido resulta esencial para que se forme la bicapa, dado que las cadenas de acil graso hidrfobas forman el ncleo de la misma y las cabezas polares se exponen en la superficie. La mayor parte de los fosfolpidos de la membrana tienen un esqueleto de glicerol al que se ligan las cade- nas de acil graso, adems de un alcohol unido al glice- rol a travs de un grupo fosfato. Los alcoholes ms fre- cuentes son colina, etanolamina, serina, inositol y glicoerol. Otro importante fosfolpido, la esfingomieli- na, tiene un amino alcohol, la esfingosina, como esque- leto, en lugar del glicerol. En la tabla 1-1 se enumeran los fosfolpidos ms frecuentes. Las cadenas de acil gra- so suelen medir 14-20 carbonos de largo y pueden ser Aplicacin clnica Los microtbulos son la diana de una serie de frmacos antineoplsicos (p. ej., vincristina y taxol), porque la rotura de estas estructuras altera la divisin celular en las clulas tumorales con mucha actividad mittica. La vincristina impide la polimerizacin de los dmeros de tubulina, evi- tando as la formacin de los microtbulos. De este modo, no se forma el huso mittico y la clula no se puede divi- dir. El taxol estabiliza los microtbulos y detiene a las clu- las en la mitosis. El sndrome de Kartagener es un trastorno autosmico recesivo en el que falta la dinena de los cilios y, en los varones, de los flagelos de los espermatozoides. Por tan- to, los hombres con este sndrome son infrtiles. Como los cilios del epitelio de revestimiento de la va respiratoria sirven para eliminar los patgenos que se inhalan, en el proceso llamado transporte mucociliar (v. captulo 20), los hombres y las mujeres con este sndrome son suscep- tibles de sufrir infecciones pulmonares de repeticin. 01-001-019Kpen.indd 5 23/2/09 14:49:31 19. 6 Berne y Levy. Fisiologa Protena perifrica de la membrana Protena integral de la membrana Protena perifrica de la membrana Hoja interna Protena de la membrana anclada en lpidos Hoja externa Protena de la membrana anclada en GPI Hidrato de carbono Colesterol Figura 1-2. Diagrama esquem- tico de la membra- na plasmtica celu- lar. No se muestran las balsas lipdicas. Vanse detalles en el texto. (Modifica- do de la figura 12-3 de Cooper GM. The Cell: a molecular approach, 2. ed., Washington DC, Si- nauer 2000.) Fosfolpidos (p. ej., fosfatidilcolina) Alcohol Fosfato ReginhidrfobaReginhidroflica Colas de cidos grasos Glucolpidos (p. ej., galactosilceramida) Azcar (p. ej., galactosa) Colesterol Grupo OH Regin esteroidea Cola de cido graso Figura 1-3. Mode- los de las principales clases de lpidos de la membrana plasmtica que muestran las regiones hidrfilas e hi- drfobas de las molculas. Las molculas se disponen segn se localizan en una cara de la bicapa. La otra cara no se muestra. Una de las cadenas de aciles grasos en la molcula de fosfolpi- dos est insaturada. La existencia de este doble en- lace genera un retorci- miento en la cadena de aciles grasos, lo que impide un empaquetamiento den- so de los lpidos en la mem- brana y aumenta su fluidez. (Modificado de Hansen JT, Koeppen BM. Netters Atlas of Human Physiology, Ter- teboro, NJ Icon Learning Systems, 2002.) Tabla 1-1. Lpidos de la membrana plasmtica Fosfolpidos Localizacin en la vertiente Fosfatidilcolina Externa Esfingomielina Externa Fosfatidiletanolamina Interna Fosfatidilserina Interna Fosfatidilinositol* Interna *Implicado en la transduccin de seales. saturadas o insaturadas (es decir, pueden contener uno o ms enlaces dobles). La composicin de los fosfolpidos de la membrana es distinta segn el tipo celular e incluso entre las dos par- tes de la bicapa. Como se resume en la tabla 1-1, la fosfa- tidilcolina y la esfingomielina predominan en la cara ex- terna de la membrana, mientras que en la interna se encuentra fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y fosfa- tidilinositol. Como se explica con detalle en el captulo 3, el fosfatidilinositol desempea un importante papel en la transduccin de seales, y este papel en la transmisin se facilita por su localizacin en la cara interna de la membrana. La molcula esterol colesterol tambin resulta un componente esencial de la bicapa (v. fig. 1-3). Se encuen- tra en las dos caras de la misma y sirve para estabilizar la membrana a una temperatura corporal normal (37 C). El colesterol puede representar hasta el 50% de los lpi- dos presentes en la membrana. Otros componentes lip- dicos menores de la membrana son los glucolpidos. Es- tos lpidos, como su nombre indica, contienen dos cadenas de aciles grasos unidos a cabezas polares de hi- dratos de carbono (v. fig. 1-3). Como se comenta ms 01-001-019Kpen.indd 6 23/2/09 14:49:56 20. Captulo 1 Principios de la funcin celular 7ELSEVIER.Fotocopiarsinautorizacinesundelito. Tabla 1-2. Principales clases de transportadores de la membrana plasmtica Clase Modo de transporte Velocidad de transporte Canal de agua Con compuerta* Hasta 109 molculas/segundo Canal inico Con compuerta 106 -108 molculas/segundo Transportador de solutos Ciclo 102 -104 molculas/segundo Dependiente de ATP Ciclo 102 -104 molculas/segundo *Los canales de agua (es decir, las acuaporinas) pueden estar abiertos de forma continua y comportarse como un poro, que no tiene mecanismo de compuerta (p. ej., las porinas de la membrana externa de la mitocondria). Sin embargo, la permeabilidad de un canal de agua se puede modificar y por eso se ha clasificado como mecanismo de compuerta. A NIVEL CELULAR Existe una superfamilia de protenas de la membrana que sirven como receptores para muchas hormonas, neurotransmisores y numerosos frmacos. Estos recep- tores estn acoplados a protenas G heterotrimricas y se denominan receptores acoplados a la protena G (v. captulo 3). Estas protenas atraviesan la membrana con siete dominios de hlice . La regin extracelular de la protena contiene el lugar de unin del ligando, mien- tras que la porcin citoplasmtica se une a la protena G. Esta superfamilia de protenas de membrana es la tercera familia ms amplia de genes en las personas. Casi la mitad de todos los frmacos de venta con receta distintos de los antibiticos antagonizan los receptores acoplados a la protena G. adelante, un glucolpido, el glucosilfosfatidilinositol (GPI), desempea un importante papel en el anclaje de las pro- tenas a la hoja externa de la membrana. Tanto el coles- terol como los glucolpidos, al igual que los fosfolpidos, son anfipticos y se orientan de forma que los grupos polares se localizan en la superficie externa de la hoja en la que estn localizados. La porcin hidrfoba se localiza en el interior de la bicapa. La bicapa lipdica no es una estructura esttica. Los l- pidos pueden difundir libremente dentro del plano de la membrana. La fluidez de la misma est determinada por la temperatura y por su composicin de lpidos. Al aumen- tar la temperatura, la fluidez tambin es mayor. La presen- cia de cadenas de acil graso insaturado en los fosfolpidos y los glucolpidos aumenta tambin la fluidez de la mem- brana. Si una cadena de acil graso est insaturada, la pre- sencia de un doble enlace introduce un plegamiento en la molcula (v. fig. 1-3). Este plegamiento impide que la molcula se asocie de forma estrecha con los lpidos que la rodean, y esto aumenta la fluidez de la membrana. Algu- nas membranas contienen lpidos (p. ej., esfingomielina y colesterol), que se agregan en las denominadas balsas li- pdicas. stas suelen tener protenas especficas asocia- das y difunden en el plano de la membrana como una uni- dad definida. Al parecer, estas balsas realizan una serie de funciones, entre ellas la de segregar mecanismos y mol- culas para la transmisin de seales. Protenas de la membrana Hasta el 50% de la membrana est constituida por prote- nas, que se clasifican en integrales, ancladas en lpidos o perifricas (v. fig. 1-2). Las protenas integrales de la membrana estn inmer- sas en la bicapa lipdica, de forma que los residuos de ami- nocidos hidrfobos se unen a las cadenas acil graso hi- drfobas de los lpidos de la membrana. Muchas protenas integrales de la membrana la atraviesan por completo, las denominadas protenas transmembrana. Estas protenas transmembrana tienen regin hidrfila e hidrfoba. La hi- drfoba, que suele tener forma de una hlice en la que los aminocidos hidrfobos se orientan hacia el exterior, atraviesa la membrana. Los residuos de aminocidos hi- drfilos se exponen as al ambiente acuoso de los dos la- dos de la membrana. Las protenas transmembrana pue- den cruzar la membrana varias veces. Las protenas tambin se pueden unir a la membrana a travs de anclajes lipdicos. La protena se une de for- ma covalente a una molcula de lpido, que est inmersa en una de las hojas de la bicapa. El glucolpido GPI ancla las protenas a la hoja externa de la membrana. Las pro- tenas pueden unirse a la hoja interna en su extremo amino-terminal por los cidos grasos (p. ej., miristato o palmitato) o en su extremo carboxi-terminal por enlaces prenilo (p. ej., farnesilo o geranilgeranilo). Las protenas perifricas pueden asociarse a las ca- bezas polares de los lpidos de la membrana, pero es ms frecuente que lo hagan a las protenas integrales o ancladas en los lpidos. Las protenas perifricas se sepa- ran con facilidad de la membrana, mientras que las inte- grales y ancladas en lpidos slo se separan de la misma mediante el uso de detergentes. MECANISMOS DE TRANSPORTE DE LA MEMBRANA El lquido intracelular y extracelular est constituido principalmente por H2O, en la cual se disuelven los solu- tos (iones, glucosa, aminocidos). La funcin normal de la clula exige una salida y entrada constantes del agua y de los solutos en la clula. La membrana plasmtica, con su ncleo hidrfobo, es una barrera eficaz frente al des- plazamiento de prcticamente todos los solutos con im- portancia biolgica. Tambin limita el desplazamiento de agua a travs de la membrana. El desplazamiento de agua y otros solutos a travs de la membrana se produce gracias a unas protenas de transporte especficas de la misma, salvo en el caso de los gases (p. ej., O2 y CO2) y el etanol, que pueden difundir a travs de la bicapa de lpi- dos. Protenas de transporte de la membrana La tabla 1-2 enumera las principales clases de protenas de transporte de la membrana, su modo de transporte y la velocidad con la que transportan molculas o iones a travs de la misma. Canales de agua Los canales de agua o acuaporinas (AQP) son la princi- pal va de entrada y salida de agua de la clula. Se distri- buyen ampliamente por todo el cuerpo, aunque en los distintos tipos celulares existen diversas isoformas. Has- ta el momento se han descrito 11 AQP. Se puede regular la cantidad de H2O que puede salir o entrar en la clula a travs de estas AQP modificando el nmero de las mis- 01-001-019Kpen.indd 7 23/2/09 14:49:58 21. 8 Berne y Levy. Fisiologa Cerrado Abierto 2 pA 1 segundo Figura 1-4. Registro del flujo de corriente a travs de un nico canal selectivo de K+ . El canal flucta de forma espontnea entre la situacin de abierto y de cerrado. La amplitud de la corriente es de unos 2 pA (2 1012 amperios), lo que supone el paso de 12,5 millones de iones por la membrana cada segundo. A NIVEL CELULAR Las AQP se clasifican en dos subgrupos. Uno de ellos slo es permeable al agua, mientras que el segundo es per- meable al agua y tambin a las sustancias de bajo peso molecular. Dado que el glicerol puede atravesar la mem- brana a travs de este ltimo grupo de AQP, se denomi- nan tambin acuagliceroporinas. Las AQP aparecen en la membrana plasmtica como homotetrmeros, en los que cada monmero funciona como un canal para el agua. mas en la membrana o cambiando su permeabilidad (p. ej., mecanismo de compuerta). Se ha descrito que los cambios del pH son un factor que permite modular la permeabilidad de las AQP. Canales inicos Los canales inicos se encuentran en todas las clulas y son especialmente importantes para la funcin de las clu- las excitables (neuronas y clulas musculares). Los canales inicos se clasifican segn su selectividad (los iones que atraviesan el canal). Por un lado, pueden ser muy selecti- vos y permitir slo el paso de un in especfico. Sin embar- go, en el otro extremo existen canales no selectivos que permiten el paso de todos los cationes o aniones, o de un grupo de ellos. Los canales se caracterizan tambin por su conductancia, que se expresa clsicamente en picosiemens (pS). Los valores de la conductancia son muy variables, de forma que algunos canales slo tienen 1-2 pS y otros supe- ran los 100 pS. En algunos canales, la conductancia puede cambiar segn la direccin de desplazamiento de los iones. Por ejemplo, si el canal tiene una conductancia mayor cuando los iones entran a la clula que cuando salen de la misma, se dice que el canal es un rectificador hacia el inte- rior. Por ltimo, los canales inicos pueden clasificarse se- gn el mecanismo de compuerta que emplean. Como se muestra en la figura 1-4, los canales inicos fluctan entre un estado de abierto y otro de cerrado, en el proceso llama- do de compuerta. Los factores que regulan este fenmeno incluyen el voltaje de la membrana, los agonistas y antago- nistas extracelulares (p. ej., la acetilcolina es un agonista extracelular que controla la apertura de un canal selectivo para cationes en la placa motora terminal del msculo es- queltico; v. captulo 12), los mensajeros intracelulares (p. ej., Ca++ , ATP y cGMP) y la distensin mecnica de la mem- brana. Es posible regular el flujo de iones a travs de la membrana modificando el nmero de canales de la misma o controlando su apertura. Transportadores de solutos Los transportadores de solutos son una extensa familia de transportadores de la membrana, de los que ya se han identificado ms de 40 tipos distintos ( 300 trans- portadores especficos). Estos transportadores se clasi- fican en tres grupos funcionales fundamentales. En uno de los grupos hay transportadores de una sola molcu- la (uniportadores), que se encargan del transporte a travs de la membrana de una molcula nica. El trans- 01-001-019Kpen.indd 8 23/2/09 14:49:59 22. Captulo 1 Principios de la funcin celular 9ELSEVIER.Fotocopiarsinautorizacinesundelito. portador que introduce glucosa en la clula (GLUT2) es un miembro importante de este grupo. El segundo gru- po est formado por cotransportadores, que acoplan el desplazamiento de dos o ms molculas o iones a travs de la membrana. Como su nombre indica, las molculas se transportan en la misma direccin. Este proceso se denomina tambin cotransporte. El cotransportador de 1Na+ ,1K+ ,2Cl renal (NKCC2), que resulta importante para la dilucin y concentracin de la orina (v. captulo 33), es un ejemplo de este tipo. El tercer grupo est for- mado por los transportadores en sentido inverso (anti- portadores), que tambin acoplan el movimiento de dos o ms molculas o iones a travs de la membrana, pero en este caso en sentido opuesto. Este grupo de trans- portadores de solutos se conocen tambin como inter- cambiadores o contratransportadores. El intercambia- dor Na+ -H+ es un ejemplo de este grupo. Una isoforma (NHE-1) de este intercambiador se encuentra en todas las clulas y desempea un papel importante en la regu- lacin del pH intracelular. Transportadores dependientes del ATP Los transportadores dependientes del ATP utilizan la ener- ga del ATP para dirigir el movimiento de las molculas o iones a travs de la membrana. Existen dos grupos de trans- portadores dependientes del ATP: los transportadores i- nicos ATPasa y los transportadores con casete de unin al ATP (ABC). Los transportadores inicos ATPasa se clasifi- can en los tipos P y V*. Los de tipo P comparten la carac- terstica de ser fosforilados durante el ciclo de transporte. La ATPasa Na+ -K+ es un importante ejemplo de ATPasa de tipo P. Gracias a la hidrlisis de cada molcula de ATP, se consigue sacar de la clula tres iones de Na+ e introducir en ella dos de K+ . La ATPasa Na+ -K+ se halla presente en todas las clulas y resulta esencial para establecer los gra- dientes inicos y elctricos en la clula y mantener el vo- lumen celular (v. captulo 2). La ATPasa H+ de tipo V se encuentra en las membranas de varias organelas intracelulares (p. ej., endosomas y lisosomas) y se habla de ATPasa de H+ vacuolar. La ATPa- sa de H+ de la membrana plasmtica influye de forma im- portante en la acidificacin de la orina (v. captulo 36). Los transportadores ABC constituyen un extenso grupo de transportadores de la membrana y se encuentran en las clulas procariotas y eucariotas, compartiendo el rasgo co- mn de tener dominios de aminocidos que se ligan al ATP (casete de unin al ATP). Se describen siete subgrupos de A NIVEL CELULAR La ATPasa Na+ -K+ , denominada tambin bomba de Na+ -K+ o sencillamente bomba de Na+ , se encuentra en todas las clulas y es la responsable de generar los gradientes celu- lares para el Na+ y el K+ . Estos gradientes son, a su vez, los encargados de aportar la energa para varias funciones celulares esenciales (v. captulo 2). La ATPasa Na+ -K+ est constituida por tres subunidades: , y y la protena existe en la membrana con una estequiometra 1, 1, 1. Existen cuatro isoformas de la subunidad y tres de la subunidad . La isoforma 1 es la ms ubicua y se expresa en todas las clulas. La subunidad contiene sitios para la unin de Na+ , K+ y ATP. Tambin es sta la subunidad a la que se ligan los glucsidos cardacos (p. ej., ouabana), que inhiben de forma especfica esta enzima. Aunque la subunidad es la funcional de la enzima (porque hidroli- za el ATP, es el lugar al que se unen Na+ y K+ y la responsa- ble de traslocarlos al otro lado de la membrana), no pue- de funcionar sin la subunidad . Esta subunidad es la responsable de colocar la subunidad en la membrana, y parece que tambin modula la afinidad de la ATPasa Na+ - K+ por el Na+ y el K+ . La subunidad es parte de la familia de protenas llamadas protenas FXYD (denominadas as por la secuencia de aminocidos FXYD presentes en la protena). Esta familia incluye siete miembros, y muchos de ellos estn asociados a la ATPasa Na+ -K+ . Sin embargo, FXYD es la isoforma que se llama tambin subunidad de la ATPasa Na+ -K+ . La FXYD2 es una protena pequea (de 61 aminocidos de longitud), que atraviesa la membrana plasmtica una vez. Parece influir en la modulacin de la afinidad de la ATPasa Na+ -K+ por el Na+ , el K+ y el ATP. *Se encuentran ATPasas de tipo F en las mitocondrias, que son responsables de la sntesis del ATP y no se comentan aqu. Aplicacin clnica La fibrosis qustica es una enfermedad autosmica rece- siva que se caracteriza por infecciones pulmonares crni- cas, insuficiencia pancretica e infertilidad en los varones. Los pacientes suelen morir por insuficiencia respiratoria. Es ms prevalente en la poblacin blanca, y afecta a 1 de cada 3.000 nacidos vivos, por lo que es la enfermedad gentica mortal ms frecuente en esta poblacin. Se debe a mutaciones en un gen del cromosoma 7, que codifica un transportador ABC. Hasta la fecha, se han descrito ms de 1.000 mutaciones de este gen. La ms frecuente es una delecin de fenilalanina en la posicin 508 (F508). Esta delecin condiciona un procesamiento defectuoso de la protena en el retculo endoplsmico y, como conse- cuencia del mismo, el transportador no consigue llegar a la membrana plasmtica. Este transportador, que se de- nomina regulador transmembrana de la fibrosis qus- tica (CFTR), suele funcionar como un canal para el cloro, pero tambin puede regular otros transportadores de la membrana (p. ej., el canal epitelial de Na+ [ENaC]). Por ello, en los individuos con fibrosis qustica se producen defectos en el transporte epitelial, que explican los pro- blemas que sufren estos enfermos. Por ejemplo, en el pulmn sano las clulas epiteliales que revisten la va a- rea estn cubiertas por una capa de moco que atrapa las partculas y bacterias inhaladas. Los cilios de las clulas epiteliales se encargan luego del transporte de la materia atrapada fuera del pulmn, en un proceso denominado transporte mucociliar (v. captulo 20 para ms detalles). En los pacientes con fibrosis qustica el transporte epitelial defectuoso determina que el moco de la va area sea ms espeso, y esto explica que los cilios no consigan sacar el material atrapado del pulmn. Esta incapacidad explica el desarrollo de infecciones pulmonares crnicas de repe- ticin. El proceso inflamatorio asociado con estas infec- ciones acaba por destruir el tejido pulmonar y causar insu- ficiencia respiratoria con muerte. 01-001-019Kpen.indd 9 23/2/09 14:49:59 23. 10 Berne y Levy. Fisiologa Tabla 1-3. Ejemplos de transportadores de la membrana plasmtica Canales de agua Acuaporinas (AQP: mltiples isoformas) Canales inicos Na+ K+ Ca++ Cl Aniones Cationes Existen mltiples canales para cada uno de los iones que se recogen en la lista. Se diferencian por su selectividad, conductancia y modo de regulacin (es decir, el mecanismo de compuerta) Transportadores solubles Transporte nico Glucosa (GLUT2) Fructosa (GLUT5) Urea (UT-A1) Fe+++ (ferroportina/IREG-1) Cotransporte 1Na+ -glucosa (SGLT2) 2Na+ -glucosa (SGLT1) Na+ aminocidos (mltiples transportadores) Na+ -Cl (NCC/TSC) 1Na+ , 1K+ , 2Cl (NKCC2) Na+ -3HCO3 (NBC1) 3Na+ -Pi (transportador de fosfato de tipo IIa) 2Na+ -1I (NIS) Na+ cidos biliares (NTCPmltiples isoformas) 3Na+ -dicarboxilato (SDCTmltiples isoformas) H+ -oligopptido (PepT y PHTmltiples isoformas) H+ -Fe+++ (DCT-1) K+ -Cl (KCCmltiples isoformas) Transporte inverso Na+ -H+ (NHEmltiples isoformas) Cl -HCO3 (AE-1/banda 3 y pendrina) 3Na+ -Ca++ (NCXmltiples isoformas) Aniones orgnicos (OATtransportadores mltiples para distintos aniones) Cationes orgnicos (OCT y OCTNmltiples isoformas) ATPasas transportadoras Tipo P Na+ , K+ -ATPasa H+ , K+ -ATPasa H+ , Ca++ -ATPasa (PMCA) Tipo V H+ -ATPasa Transportador ABC Regulador transmembrana de la fibrosis qustica (CFTR) Protena de resistencia a mltiples frmacos (MRP-1) Aniones orgnicos (MRP-2) A NIVEL CELULAR La membrana plasmtica de la clula se est renovando constantemente. En consecuencia, las protenas de la membrana se sustituyen de forma continua. Un mecanis- mo mediante el cual las protenas de la membrana plas- mtica son marcadas para ser sustituidas es mediante la unin de ubicuitina a la porcin citoplasmtica de la protena. La ubicuitina es una protena de 76 aminocidos que se une de forma covalente a la protena de la mem- brana (en general, a la lisina) mediante una clase de enzi- mas denominadas ubicuitina protena ligasas. Un grupo importante de estas ligasas es la familia Nedd4/parecida a Nedd4. Cuando una protena de la membrana est unida a la ubicuitina, sufre endocitosis y es degradada en los li- sosomas o los proteasomas. Las clulas contienen tam- bin unas enzimas responsables de separar la ubicuitina, que se llaman DUB. Por tanto, la cantidad de protenas en una clula depende de la velocidad con la que se aaden grupos ubicuitina por accin de las ligasas y se separan por las DUB. La unin de la ubicuitina a las protenas plas- mticas es un mecanismo de regulacin del transporte a travs de la membrana celular. Por ejemplo, la reabsorcin de sodio en la parte distal de la nefrona renal se estimula por la hormona suprarrenal llamada aldosterona (v. cap- tulos 33 y 34). Una de las acciones de la aldosterona es inhibir a Nedd4-2, lo que impide la unin de la ubicuitina al canal del sodio (ENaC) en la membrana apical de las clulas epiteliales de esta regin de la nefrona. De este modo, se retienen durante ms tiempo en la membrana y como consecuencia de ello se produce la entrada de ms sodio a la clula y la reabsorcin en la nefrona. transportadores ABC en y se han identificado ms de 40 transportadores especficos. Transportan un grupo varia- do de molculas o iones, entre los que se incluyen Cl , coles- terol, cidos biliares, frmacos, hierro y aniones orgnicos. La tabla 1-3 recoge un listado parcial de las protenas de transporte de membrana mejor estudiadas y de cuya fun- cin hay disponible abundante informacin (v. fig. 1-5 con algunos modelos moleculares de las protenas de transpor- te de la membrana). Muchos de estos transportadores se comentarn con mayor detalle en otros captulos. TRANSPORTE VESICULAR Los solutos y el agua pueden introducirse en la clula me- diante endocitosis y salir de la misma por exocitosis. En ambos procesos se mantiene la integridad de la membra- na plasmtica y las vesculas que se forman permiten el traslado de su contenido entre los compartimentos celu- lares. En algunas clulas (p. ej., las clulas epiteliales del tubo digestivo), la endocitosis a travs de la membrana de la clula se sigue de la exocitosis a travs de la membrana opuesta. Esto permite el transporte de sustancias a travs de los epitelios en un proceso denominado transcitosis. En la endocitosis se distinguen tres mecanismos. El pri- mero, denominado pinocitosis, corresponde a la captacin inespecfica de molculas pequeas y agua por la clula. La pinocitosis es una caracterstica importante de las clulas endoteliales que revisten los capilares, y es responsable de una parte del intercambio de lquidos a travs de los vasos. Un segundo mecanismo de endocitosis permite la internali- zacin de partculas grandes (bacterias, restos celulares) en el proceso llamado fagocitosis. Este proceso es una ca- racterstica importante de las clulas del sistema inmunita- rio (neutrfilos y macrfagos). La fagocitosis es un proceso que, con frecuencia, est mediado por un receptor, aunque no siempre. Por ejemplo, los macrfagos tienen receptores en su superficie que se ligan a la porcin Fc de las inmuno- globulinas. Cuando las bacterias invaden el organismo, sue- len revestirse de anticuerpos, proceso conocido como op- sonizacin. Entonces, las bacterias se pueden unir a la membrana de los macrfagos a travs de la porcin Fc de las inmunoglobulinas, para ser fagocitadas y destruidas dentro de la clula. El tercer mecanismo es la endocitosis mediada por receptor, que permite la captacin de mol- 01-001-019Kpen.indd 10 23/2/09 14:50:00 24. Captulo 1 Principios de la funcin celular 11ELSEVIER.Fotocopiarsinautorizacinesundelito. 2H+ 2H+ c c c c c C F d D H B B B A A A ADP + Pi ATP G2 Membrana celular Cl- Cl- Sitio de unin para acetilcolina Poro Na+ 9 nm A B C Hidrato de carbono CFTR ATP ATP Dominio de unin de los nucletidos Fosfato Dominio regulador Dominio de unin de los nucletidos Lugar de la frecuente delecin de fenilalanina Poro H+ -ATPasa E a V0 A1 Figura 1-5. Modelos moleculares de varias protenas de transporte de la membrana. culas especficas por la clula. En este tipo de endocitosis, las molculas se ligan a receptores especficos sobre la su- perficie celular. En la endocitosis participan una serie de protenas accesorias, como la clatrina, la adaptina y la GTPasa dinamina (fig. 1-6). La exocitosis puede ser constitutiva o regulada. La secrecin constitutiva se produce, por ejemplo, en las clulas plasmticas secretoras de inmunoglobulinas o en los fibroblastos que secretan colgeno. La secre- cin regulada se observa en las clulas endocrinas, las neuronas y las clulas glandulares exocrinas (clulas acinares del pncreas). En estas clulas, el producto de secrecin (p. ej., hormona, neurotransmisor o enzi- ma digestiva) se deposita, tras su sntesis y procesa- 01-001-019Kpen.indd 11 23/2/09 14:50:05 25. 12 Berne y Levy. Fisiologa Receptor Adaptina Clatrina Reciclado Reciclado Vescula no revestida preparada para fusionarse (p. ej., lisosomas) Prdida del revestimiento de la vescula Vescula revestida Formacin de una fosita revestida Formacin de la vescula revestida Dinamina Figura 1-6. Endocitosis mediada por receptor. Un receptor de la superficie de la clula se une a un ligando. Se forma una fosita revestida de clatrina, en la que la adaptina une las molcu- las del receptor a la clatrina. La dinamina, una GTPasa, ayuda a la separacin de la vescula endoctica de la membrana. Una vez dentro de la clula, las molculas de clatrina y adaptina se sepa- ran y se reciclan. La vescula no revestida est ahora dispuesta para fusionarse con otras organelas de la clula (p. ej., lisosomas). (Adaptado de Ross MH, Paulina W. Histology, 5. ed. Baltimore, Lippincott WilliamsWilkins, 2006.) miento en el RER y el aparato de Golgi, dentro del cito- plasma en grnulos de secrecin, hasta que se recibe la seal adecuada para su secrecin. Estas seales pueden ser hormonales o neurales. Cuando la clula recibe el estmulo apropiado, la vescula de secrecin se fusiona con la membrana plasmtica y libera su contenido hacia el lquido extracelular. La fusin de la vescula con la membrana est mediada por una serie de protenas accesorias. Un grupo importante es SNA- RE. Estas protenas de membrana ayudan a dirigir la vescula de secrecin hacia la membrana plasmtica. El proceso de secrecin suele activarse por un aumen- to de [Ca++ ] intracelular, aunque existen dos notables excepciones a esta regla general: la secrecin de reni- na por las clulas yuxtaglomerulares del rin, que se activa por la disminucin de la concentracin intrace- lular de Ca++ (v. captulos 33 y 34), igual que la secre- cin de la hormona paratiroidea (PTH) en la glndula paratiroides (v. captulo 39). Fisiologa del transporte de agua y solutos Como ya se ha comentado, la membrana plasmtica con su ncleo hidrfobo es una barrera eficaz frente a la salida y entrada de todas las molculas importantes a nivel biolgico. Por tanto, las protenas de transpor- te de la membrana constituyen la va que permite que se produzca este transporte. Sin embargo, no basta con que exista la va para que el transporte se lleve a cabo, ya que tambin se necesita una fuerza motora adecuada. Difusin La difusin es el proceso mediante el cual las molcu- las se desplazan desde un lugar de alta concentracin a otro de baja concentracin. Por tanto, dondequiera que exista un gradiente de concentracin, se produci- r una difusin de molculas de la zona ms concen- trada a la menos concentrada, que har desaparecer dicho gradiente (como se comenta ms adelante, para mantener el gradiente de concentracin de una mol- cula hay que consumir energa). La difusin es un pro- ceso al azar que depende del movimiento trmico de las molculas. La velocidad de difusin de una molcu- la desde el punto A al B viene medida por la primera ley de Fick de la difusin: Ecuacin 1-1 J DA C X = donde: J = flujo o velocidad de difusin por unidad de tiempo D = coeficiente de difusin A = rea a travs de la cual se produce la difusin C = gradiente de concentracin X = distancia en la que se produce la difusin El coeficiente de difusin tiene en cuenta la energa trmica de la molcula, su tamao y la viscosidad del medio en el que se produce la difusin. En el caso de las molculas esfricas, D se puede estimar con la ecuacin de Stokes-Einstein: Aplicacin clnica El colesterol es un componente importante de las clulas (p. ej., es un componente fundamental de las membranas). Sin embargo, la mayora de las clulas no son capaces de sinte- tizar el colesterol y tienen que obtenerlo de la sangre. En condiciones normales, el colesterol se ingiere con la dieta y se transporta por la sangre unido a las lipoprotenas. Las lipo- protenas de baja densidad (LDL) de la sangre transportan el colesterol hacia las clulas, en cuya superficie se unen a los receptores para LDL. Cuando los receptores estn unidos a LDL, se agregan en fositas revestidas y sufren endocitosis como vesculas revestidas de clatrina. El endosoma formado en este proceso elimina las LDL y recicla el receptor hacia la superficie de nuevo. Posteriormente, las LDL se degradan en los lisosomas y el colesterol queda a disposicin de la clula. Los defectos del receptor de LDL impiden que la clula capte esta molcula. Los individuos con este trastorno muestran concentraciones altas de LDL en sangre, que se suele deno- minar colesterol malo porque se asocian con la aparicin de placas que contienen colesterol en la capa muscular lisa de las arterias. Este proceso, denominado aterosclerosis, de- termina un riesgo aumentado de ataques al corazn por la oclusin de las arterias coronarias. 01-001-019Kpen.indd 12 23/2/09 14:50:15 26. Captulo 1 Principios de la funcin celular 13ELSEVIER.Fotocopiarsinautorizacinesundelito. Ecuacin 1-2 D kT 6r = donde: k = constante de Boltzmann T = temperatura en grados Kelvin r = radio de la molcula = viscosidad del medio Si se analizan las ecuaciones 1-1 y 1-2, resulta evidente que la velocidad de difusin es mayor para las molculas pequeas que para las grandes. Adems, la velocidad de di fusin es ms alta a mayor temperatura, en presencia de un gradiente de concentracin alto y cuando se produce en un medio de baja viscosidad. Si todas estas variables se mantienen constantes, la velocidad de difusin guarda- r una relacin lineal con el gradiente de concentracin. La ecuacin de Fick tambin puede aplicarse a la difu- sin de molculas a travs de la membrana plasmtica. Cuando se aplica al transporte a travs de la membrana, en el coeficiente de difusin (D) se incorporan las pro- piedades de la membrana y, sobre todo, la capacidad de difundir de la molcula a travs de la misma (es decir, el coeficiente de particin [] de la molcula en la membra- na). En general, cuanto ms liposoluble sea la molcula, mayores sern el coeficiente de particin y el coeficiente de difusin. En esta situacin, C representa el gradiente de concentracin a travs de la membrana, A es la super- ficie de la misma, y X, su grosor. Una ecuacin ms til para medir la difusin de las molculas a travs de la membrana es la siguiente: Ecuacin 1-3 J = -P (Ci - Co) donde: J = flujo o velocidad de difusin a travs de la membra- na P = coeficiente de permeabilidad Ci = concentracin de la molcula dentro de la clula Co = concentracin de la molcula fuera de la clula Esta ecuacin se obtiene a partir de la de Fick, y P incor- pora D, X y A. P se mide en unidades de velocidad (p. ej., cm/s) y C se mide en mol/cm3 . Por tanto, la unidad de flujo ser mol/cm2 /s. Los valores de P pueden obtenerse experi- mentalmente para cualquier molcula y membrana. Como se ha comentado anteriormente, la membrana plasmtica representa una barrera eficaz frente a muchas molculas con importancia biolgica. En consecuencia, la difusin a travs de la fase lipdica de la membrana plas- mtica no es un proceso eficiente para que estas molcu- las la atraviesen. Se ha estimado que una clula de 20 mi- cras de dimetro con una membrana plasmtica constituida de forma exclusiva por fosfolpidos tardara 8 minutos en disipar un gradiente de urea generado a su travs. Unos gradientes simulares para la glucosa y los aminocidos tardaran unas 14 horas en desaparecer, mientras que los gradientes inicos podran tardar aos. El trmino difusin suele utilizarse para describir el desplazamiento de algunas molculas a travs de la membrana plasmtica. Sin embargo, es evidente que la mayor parte de las molculas con importancia biolgica atraviesan la membrana a travs de protenas de trans- porte especficas en la misma (p. ej., canales inicos y transportadores de solutos) y no por difusin simple a travs de la membrana. A pesar de las limitaciones, em- plear la difusin para describir y comprender el trans- porte de muchas molculas a travs de las membranas celulares es importante para comprender el intercambio de gases en la va area pulmonar (v. captulo 23), el des- plazamiento de las molculas entre las clulas en el lqui- do extracelular y el movimiento de las molculas dentro del citoplasma de la clula. Por ejemplo, una de las res- puestas fisiolgicas del msculo esqueltico al ejercicio es el reclutamiento o apertura de capilares que no estn permeables en reposo. La apertura de los capilares pre- viamente cerrados aumenta la densidad capilar y redu- ce, de este modo, la distancia de difusin entre el capilar y la fibra muscular, lo que permite un aporte ms rpido del oxgeno y de los combustibles celulares (p. ej., ci- dos grasos y glucosa) al msculo en contraccin. Se ha estimado que en el msculo en reposo la distancia media entre la fibra muscular y los capilares es de 40 micras, pero durante el ejercicio esta distancia se reduce a 20 micras e incluso a menos. GRADIENTE ELECTROQUMICO El gradiente electroqumico (denominado tambin dife- rencia de potencial electroqumica) se emplea para me- dir la fuerza que acta sobre la molcula para conseguir que atraviese una membrana. El gradiente electroqumi- co de una molcula concreta (X) se calcula con la si- guiente frmula: Ecuacin 1-4 x i o x mRT X X z FV= [ ] [ ] +ln donde: R = constante de los gases T = temperatura en grados Kelvin ln = logaritmo natural [X]i = concentracin de X dentro de la clula [X]o = concentracin de X fuera de la clula zx = valencia de las molculas cargadas F = constante de Faraday Vm = potencial de membrana El gradiente electroqumico es una medida de la ener- ga libre disponible para realizar el trabajo til de trans- portar una molcula a travs de la membrana. Como se puede apreciar, tiene dos componentes. Uno de ellos re- presenta la energa en el gradiente de concentracin de X a travs de la membrana (diferencia de potencial qu- mica). El otro (diferencia de potencial elctrica) corres- ponde a la energa asociada al movimiento de las mol- culas cargadas (es decir, iones) a travs de la membrana cuando existe un potencial de membrana (es decir, cuan- 01-001-019Kpen.indd 13 23/2/09 14:50:18 27. 14 Berne y Levy. Fisiologa Glucosa [Glucosa] = 5 mmol/l [Glucosa] = 2 mmol/l Vm = 60 mV = RT ln [2 mmol/l] [5 mmol/l] x = RT ln [X]i + zxFVm [X]o [K+] = 120 mEq/l [K+] = 4 mEq/l K+ Vm = 60 mV A B = RT ln [120 mEq/l] + (1)F(60 mV) = 90,8 mV [4 mEq/l] Figura 1-7. Gradientes electroqumicos y transporte celular de las molculas. A. Dado que la glucosa no tiene carga, el gradiente electroqumico est determinado de forma exclusiva por el gra- diente de concentracin de la glucosa a travs de la membrana celular. Como se muestra, el gradien- te de concentracin de la glucosa debera introducir la glucosa en la clula. B. Dado que el K+ tiene carga, el gradiente electroqumico est determinado tanto por el gradiente de concentracin como por el voltaje de la membrana (Vm). La energa del gradiente de concentracin, determinada a partir de la ecuacin de Nernst, es de 90,8 mV (que tendera a hacer salir al K+ de la clula). El voltaje de la membrana es de 60 mV, que tendera a introducir K+ en la clula. El gradiente electroqumico o fuer- za neta de desplazamiento es de 30,8 mV, que hace salir al K+ de la clula. do V no es nulo). Por tanto, para el desplazamiento de la glucosa a travs de la membrana, slo se debe tener en consideracin la concentracin de glucosa dentro y fue- ra de la clula. Sin embargo, para determinar el desplaza- miento de K+ a travs de la membrana se tiene que consi- derar tanto su concentracin dentro y fuera de la clula como el voltaje de la membrana (fig. 1-7). La ecuacin 1-4 permite calcular la ecuacin de Nernst cuando se considera la situacin en la que una molcula est en equilibrio a los lados de la membrana (es decir, = 0). Ecuacin 1-5a 0 = [ ] [ ] + [ ] [ ] = = [ ] [ ] RT X X z FV RT X X z FV V RT z F X X i o x m i o x m m X i o ln ln ln que se puede expresar tambin como: Ecuacin 1-5b V RT z F X X m X i i = [ ] [ ] ln El valor de Vm calculado con la ecuacin de Nernst re- presenta una situacin de equilibrio y se denomina poten- cial de equilibrio de Nernst (Ex). Debe quedar claro que el potencial de equilibrio de Nernst mide la energa en un gradiente de concentracin y expresa la energa en mili- voltios (mV). Por ejemplo, para la clula representada en la figura 1-7, B, la energa en el gradiente de K+ (EK) es de 90,8 mV (lo que determina la salida de K+ de la clula). Este valor es mayor y de sentido opuesto a la energa del voltaje de la membrana (Vm = 60 mV), que determinara la entrada de K+ a la clula. En consecuencia, el gradiente electroqumico permite la salida de K+ de la clula a travs de la membrana. Otra forma de expresar esta relacin es que la fuerza de desplazamiento neta para el K+ (Vm EK) es de 30,8 mV (lo que hace salir al K+ de la clula). Para una temperatura corporal de 37 C y sustituyendo el logaritmo natural por el logaritmo decimal en la ecuacin de Nerst, sta se puede expresar de la siguiente forma: Ecuacin 1-6a E mV z X X x x i o = [ ] [ ] 61 5, log o bien: Ecuacin 1-6b E mV z X X x x o i 61 5, log stas son las formas ms frecuente de utilizacin de la ecuacin de Nernst. Si se analizan estas ecuaciones, resul- ta evidente que para los iones univalentes (p. ej., Na+ , K+ , Cl ), un gradiente de concentracin de 10 veces a travs de la membrana equivale a una diferencia de potencial de 61,5 mV, mientras que un gradiente de 100 veces equival- dra a 123 mV. Del mismo modo, para los iones divalentes (p. ej., Ca++ ), el gradiente de concentracin de 10 veces equivale a una diferencia de potencial de 30,7 mV, porque el valor de z en las ecuaciones anteriores es 2. Transporte activo y pasivo Cuando el movimiento neto de una molcula a travs de la membrana tiene lugar en la direccin prevista por el 01-001-019Kpen.indd 14 23/2/09 14:50:21 28. Captulo 1 Principios de la funcin celular 15ELSEVIER.Fotocopiarsinautorizacinesundelito. K+ Na+ 3Na+ ATPasa Na+ -K+ Transporte inverso de 3Na+ -Ca++ Concentraciones intracelulares Concentraciones extracelulares 3Na+ Na+: 145 mEq/l K+: 4 mEq/l Glucosa: 5 mmol/l Ca++: 2,5 mEq/l (ionizado) Na+: 12 mEq/l K+: 120mEq/l Glucosa: 2 mmol/l Ca++: 0,001 mEq/l (ionizado) Vm = 60 mV Ca++ Transporte activo secundario de Ca++ Transporte activo primario de Na+ y K+ Transporte pasivo Canal de Na+ Canal de K+ Sistema de transporte de glucosa Glucosa 2K+ ATP Figura 1-8. Ejemplos de varios transpor- tadores de membrana que ilustran los mecanis- mos de transporte activo primario, pasivo y ac- tivo secundario. Vanse detalles en el texto. gradiente electroqumico, el movimiento se denomina transporte pasivo. Por tanto, en los ejemplos de la figu- ra 1-7, el desplazamiento de la glucosa al interior de la clula y la salida de K+ de la misma son transportes pa- sivos. El transporte pasivo tambin puede denominarse transporte cuesta abajo o transporte a favor del gra- diente electroqumico. Por el contrario, cuando el mo- vimiento neto de una molcula a travs de la membrana se produce en direccin opuesta a la prevista en fun- cin del gradiente electroqumico se hablar de trans- porte activo. En ocasiones, ste se denomina tambin transporte cuesta arriba o transporte en contra del gradiente electroqumico. Cuando se consideran los distintos tipos de protenas de transporte de la membrana plasmtica, el desplaza- miento del agua a travs de sus canales es un proceso pasivo (v. ms adelante), igual que el transporte de iones por los canales inicos o de molculas por los transpor- tadores de una sola sustancia (p. ej., transporte de gluco- sa a travs de GLUT1). Los transportadores dependien- tes de ATPasas pueden emplear la energa del ATP para dirigir el transporte activo de molculas (p. ej., la ATPasa Na+ -K+ ). Dado que el transporte se acopla de forma direc- ta con la hidrlisis del ATP, en ocasiones se denomina transporte activo primario. Los transportadores de so- lutos que acoplan el movimiento de dos o ms molculas suelen transportar una o varias de las mismas en contra de sus correspondientes gradientes electroqumicos y para hacerlo utilizan la energa del gradiente electroqu- mico de las otras molculas. Cuando esto sucede, las molculas que se transportan en contra del gradiente electroqumico se mueven por un mecanismo activo se- cundario (fig. 1-8). SMOSIS Y PRESIN OSMTICA El desplazamiento del agua a travs de la membrana celu- lar se produce por el proceso de smosis. El movimiento del agua es pasivo y la energa que alimenta este desplaza- miento es la diferencia de presin osmtica en la membra- na celular. La figura 1-9 ilustra el concepto de smosis y la medida de la presin osmtica en una solucin. La presin osmtica est determinada exclusivamen- te por el nmero de molculas presentes en la solucin y no depende de factores como el tamao de las mismas, la masa o su naturaleza qumica (p. ej., valencia). La pre- sin osmtica () se mide en atmsferas (atm) y se cal- cula mediante la ley de vant Hoff, que se formula del siguiente modo: Ecuacin 1-7 = nCRT donde: n = nmero de partculas disociables por molcula C = concentracin total de solutos R = constante de los gases T = temperatura en grados Kelvin 01-001-019Kpen.indd 15 23/2/09 14:50:23 29. 16 Berne y Levy. Fisiologa A NIVEL CELULAR Las clulas epiteliales que revisten el tubo digestivo (intes- tino delgado) y que constituyen el tbulo proximal renal transportan glucosa. En el tubo digestivo se absorbe la glucosa de los alimentos ingeridos. En el rin se produce la reabsorcin de la glucosa que se filtr en el glomrulo, evitando que se pierda en la orina. La captacin de gluco- sa hacia las clulas epiteliales desde la luz del intestino delgado y del tbulo proximal es un proceso activo secun- dario en el que participan los cotransportadores de Na+ - glucosa SGLT1 y SGLT2. El SGLT2 transporta una molcula de glucosa por cada in de Na+ y la energa del gradiente electroqumico del Na+ (dentro de la clula) se utiliza para la captacin activa secundaria de la glucosa. Utilizando la ecuacin para calcular el gradiente electroqumico, segn se indica ms adelante y asumiendo que el potencial de membrana (Vm) fuera 60 mV y que el gradiente de [Na+ ] a travs de la membrana fuera 10, se podra generar un gradiente de 100 para la glucosa mediante SGLT2. Glu a Glu a Na Na V mVi o o i m cos cos / , [ ] [ ] = [ ] [ ] - + + 10 61 5 Por tanto, si la concentracin intracelular de glucosa fuera de 2 mmol/l, la clula podra reducir la concentra- cin luminal de glucosa hasta 0,02 mmol/l aproximada- mente. Sin embargo, al aumentar el nmero de iones Na+ transportados con la glucosa de 1 a 2 SGLT1 consigue generar un gradiente de glucosa de casi 10.000. Glu a Glu a Na Na V mVi o o i m cos cos / , [ ] [ ] = [ ] [ ] - + + 2 10 2 61 5 De nuevo, si se asume que la concentracin intracelular de glucosa fuera de 2 mmol/l, SGLT1 podra prcticamen- te eliminar toda la glucosa de la luz del intestino delgado o del tbulo proximal (concentracin de glucosa luminal de aproximadamente 0,0002 mmol/l). En el caso de una molcula que no se disocia en el agua, como la glucosa o la urea, una solucin que con- tenga 1 mmol/l de estos solutos a 37 C puede ejercer una presin osmtica de 2,54 102 atm, segn el clculo de la ecuacin 1-7 con los siguientes valores: n = 1 C = 0,001 mol/l R = 0,082 atm l/mol K T = 310 K Dado que 1 atm es igual a 760 mmHg a nivel del mar, el valor de para esta solucin se tambin se puede expre- sar como 19,3 mmHg. Otra alternativa es expresar la pre- sin osmtica en trminos de la osmolaridad (v. ms adelante). Por tanto, independientemente del tipo de molculas, una solucin que contenga 1 mmol/l de solu- to ejercer una presin osmtica de 1 mOsm/l. En el caso de molculas que se disocian en solucin, la n de la ecuacin 1-7 tendr un valor distinto de 1. Por ejem- plo, una solucin de NaCl de 150 mmol/l tiene una osmola- ridad de unos 300 mOsm/l porque cada molcula de NaCl se disocia en un in Na+ y otro in Cl (es decir, n = 2)*. Cuan- do la disociacin de una molcula en sus iones componen- tes no es completa, n no ser un nmero entero. Por tanto, se puede calcular la osmolaridad de una solucin como: Ecuacin 1-8 Osmolaridad = concentracin nmero de partculas disociables mOsm/l = mmol/l nmero de partculas/mol Osmolaridad frente a osmolalidad Los trminos osmolaridad y osmolalidad suelen confun- dirse y se utilizan de forma errnea como si fueran sinni- mos. La osmolaridad es la presin osmtica generada por las molculas de soluto disueltas en un litro de disolvente, mientras que la osmolalidad es el nmero de molculas disueltas en 1 kg de disolvente. Para las soluciones dilui- das la diferencia entre ambos parmetros es insignifican- te. Las medidas de la osmolaridad dependen de la tempe- ratura, porque el volumen del disolvente vara segn la misma (es decir, el volumen de disolvente es mayor a tem- peraturas elevadas). Por el contrario, la osmolalidad, que depende de la masa del disolvente, es independiente de la temperatura. Por dicha razn suele preferirse la osmolali- dad para los sistemas biolgicos y es la que se utiliza en este libro. La osmolalidad se mide en Osm/kg H2O. Dada la naturaleza diluida de las soluciones fisiolgicas y que el disolvente es el agua, la osmolalidad se expresa en milios- moles por kilogramo de agua (mOsm/kg H2O). En la tabla 1-4 se indican las equivalencias entre el peso molecular, los equivalentes y los osmoles para una serie de molculas con importancia fisiolgica. Tonicidad La tonicidad de una solucin depende del efecto de la solucin sobre el volumen de una clula. Las soluciones que no cambian el volumen celular se denominan isot- nicas. Una solucin hipotnica determina que la clula se hinche y una hipertnica hace que se retraiga. Aun- que guarda relacin con la osmolalidad, la tonicidad tambin tiene en consideracin la capacidad de las mol- culas de la solucin para atravesar la membrana celular. Consideremos dos soluciones: una de 300 mmol/l de sacarosa y otra de 300 mmol/l de urea. Ambas tienen una osmolalidad de 300 mOsm/kg H2O, de forma que son isosmticas (es decir, tienen la misma osmolalidad). Cuando se introducen hemates, que para este ejemplo tienen una osmolalidad del lquido intracelular de 300 mOsm/kg H2O en las dos soluciones, los hemates de la solucin de sacarosa conservarn su volumen normal, mientras que los de la urea se hincharn hasta estallar. Por tanto, la solucin de sacarosa es isotnica y la de urea, hipotnica. El efecto diferencial de estas solucio- nes sobre el volumen de los hemates se debe a la per- meabilidad de la membrana plasmtica a la sacarosa y la urea. La membrana de los hemates contiene transporta- dores exclusivos para la urea, de forma que esta molcu- la atraviesa con facilidad la membrana (es decir, la urea es permeable) a favor del gradiente de concentracin *El NaCl no se disocia por completo en el agua. El valor de n es de 1,88 en lugar de 2, pero se suele utilizar el valor 2 para simplificar el clculo. 01-001-019Kpen.indd 16 23/2/09 14:50:24 30. Captulo 1 Principios de la funcin celular 17ELSEVIER.Fotocopiarsinautorizacinesundelito. A Situacin inicial Situacin de equilibrio Membrana semipermeable h B A B Figura 1-9. Representacin esquemtica del desplazamiento osmtico del agua y de la ge- neracin de la presin osmtica. Los compartimentos A y B estn separados por una membrana semipermeable (es decir, la membrana es muy permeable al agua, pero es impermeable a los solu- tos). El compartimento A contiene un soluto, mientras que el B slo contiene agua destilada. Con el tiempo, el agua se desplaza por smosis del compartimento B hacia el A (advertencia: este des- plazamiento del agua se debe al gradiente de concentracin del agua. Dada la presencia de un soluto en el compartimento A, la concentracin de agua en el mismo es menor que en el B y, por esto, el agua atraviesa la membrana semipermeable a favor del gradiente, pasando del comparti- mento B al A). Esto aumentar la cantidad de lquido en el compartimento A y la reducir en B. Cuando se alcanza el equilibrio, la presin hidrosttica ejercida por la columna de agua (h) interrum- pe el desplazamiento de agua de B a A. Esta presin se opone a la presin osmtica ejercida por las partculas de soluto del compartimento A, y su valor es igual a la misma. (Reproducido de Koeppen BM, Stanton BA. Renal Physiology, 4. ed. San Luis, Mosby, 2006.) Tabla 1-4. Unidades de medida de las sustancias con importancia fisiolgica Sustancia Peso atmico/molecular Equivalentes/mol Osmoles/mol Na+ 23,0 1 1 K+ 39,1 1 1 Cl- 35,4 1 1 HCO3 - 61,0 1 1 Ca++ 40,1 2 1 Fosfato (Pi) 95,0 3 1 NH4 + 18,0 1 1 NaCl 58,4 2* 2*** CaCl2 111 4** 3 Glucosa 180 1 Urea 60 1 *Un equivalente cada uno de Na+ y Cl- . **El NaCl no se disocia por completo en solucin. El valor real en osmoles/mol es 1,88, pero por motivos de simplificacin suele emplearse el valor 2. ***El Ca++ aporta dos equivalentes, igual que los iones 2Cl- . (ya que la [urea] extracelular[urea] intracelular). Por el contrario, la membrana de los hemates carece de transportadores para la glucosa y sta no consigue pene- trar en la clula (es decir, la glucosa es impermeable). Para poder ejercer una presin osmtica a travs de una membrana, la molcula no debe atravesarla. Dado que la membrana de los hemates es impermeable a la sa- carosa, sta ejercer una presin osmtica de la misma magnitud pero de sentido opuesto a la que se genera por el contenido de los hemates (en este caso, 300 mOsm/kg H2O). Por el contrario, la urea cruza con facilidad la mem- brana de los hemates y no puede generar presiones os- mticas para equilibrar la generada por los solutos intra- celulares en el hemate. Por esto, la sacarosa se denomina osmol eficaz, mientras que la urea sera osmol ineficaz. Para tener en consideracin el efecto de la permeabi- lidad de la membrana frente a una molcula sobre la pre- sin osmtica, la ecuacin 1-7 debe convertirse en: Ecuacin 1-9 = (nCRT) donde es el coeficiente de reflexin o coeficiente os- mtico y es una medida de la capacidad relativa de la molcula para atravesar la membrana celular. En el caso de una molcula capaz de atravesar libre- mente la membrana celular, como la urea en el ejemplo anterior, = 0, por lo que no se ejerce una presin osm- tica eficaz (es decir, la urea es un osmol ineficaz para los hemates). Por el contrario, = 1 en el caso de los solu- 01-001-019Kpen.indd 17 23/2/09 14:50:25 31. 18 Berne y Levy. Fisiologa 80 60 40 20 0 2 6 10 14 Protenas (g/dl) Predicha por la ley de vant Hoff Plasma normal Real Presinosmtica(mmHg) Figura 1-10. Relacin entre la concentracin de protenas plasmticas en solucin y la presin osmtica (presin onctica) que generan. La concentracin de las protenas se mide en g/dl. Se indica la concentracin de protenas plasmticas normal. Ob- srvese que la presin real supera a la predicha por la ley de vant Hoff. (Reproducido de Koeppen BM, Stanton BA. Renal Physiolo- gy, 4. ed. San Luis, Mosby, 2006.) tos que no pueden atravesar la membrana (p. ej., la saca- rosa). Se dice entonces que esta sustancia es un osmol eficaz. Muchas sustancias no son completamente capa- ces ni completamente incapaces de atravesar la mem- brana de forma absoluta (es decir, 01) y generan una presin osmtica que slo ser una fraccin de la que se podra esperar en funcin de la concentracin de la molcula en la solucin. Presin onctica La presin onctica es la presin osmtica generada por las molculas de gran tamao (sobre todo, las pro- tenas) en una solucin. Como se ilustra en la figura 1-10, la magnitud de la presin osmtica generada por una solucin de protenas no cumple la ley de vant Hoff. La causa de esta relacin anmala entre la con- centracin de protenas y la presin osmtica no se comprende del todo, pero parece depender del tama- o y la forma de la molcula de protena. Por ejemplo, la correlacin con la ley de vant Hoff es ms precisa para las protenas globulares pequeas que para las grandes. La presin onctica generada por las protenas en el plasma humano tiene un valor normal de unos 26-28 mmHg. Aunque parece que esta presin es baja, si se piensa en trminos de la presin osmtica (28 mmHg 1,4 mOsm/kg H2O), se comprueba que es una fuerza im- portante, implicada en el movimiento de lquido a travs de los capilares (v. captulo 17). Densidad especfica La concentracin total de todas las molculas en una so- lucin se puede medir como densidad especfica. La den- sidad especfica se define como el peso de un volumen de solucin dividido entre el peso de un volumen igual de agua destilada. Por tanto, la densidad especfica del agua destilada ser 1. Dado que los lquidos biolgicos contienen una serie de molculas distintas, sus densida- des especficas son superiores a 1. Por ejemplo, el plas- ma humano normal tiene una densidad que oscila entre 1,008 y 1,010. conceptos fundamentales 1.La membrana plasmtica es una bicapa lipdica cons- tituida por fosfolpidos y colesterol, dentro de la cual estn inmersas protenas de muy distintos tipos. Una de estas protenas de membrana (las protenas de transporte de la membrana o transportadores) parti- cipan en el transporte selectivo y regulado de las mo- lculas hacia el interior y el exterior de la clula. En- tre los transportadores se incluyen los canales de agua (acuaporinas), los canales inicos, los trans- portadores de solutos y los transportadores depen- dientes del ATP. 2.El desplazamiento de las molculas a travs de la membrana plasmtica mediante una serie de canales inicos por transportadores de solutos est regulado por los gradientes de concentracin qumica y las di- ferencias de potencial elctrico (exclusivamente mo- lculas con carga). El gradiente electroqumico se uti- lizaparamedirestafuerzarectora.Lostransportadores dependientes del ATP utilizan la energa del ATP para transportar las molculas a travs de la membrana y, a menudo, establecen gradientes qumicos y elctri- cos que permiten el transporte de otras molculas a travs de canales o de transportadores de solutos. El movimiento del agua a travs de las acuaporinas est dirigido por una diferencia de presin osmtica a tra- vs de la membrana. 3.El transporte a travs de la membrana puede clasifi- carse como pasivo o activo. El transporte pasivo des- cribe el movimiento de las molculas segn se espera Aplicacin clnica La densidad especfica de la orina se mide en algunas si- tuaciones clnicas, y sirve para valorar la capacidad de concentracin de la orina en el rin. La densidad espec- fica de la orina depende de la osmolalidad. Sin embargo, como la densidad especfica depende tanto del nmero de molculas como de su peso, la relacin entre la densi- dad especfica y la osmolalidad no siempre se puede pre- decir. Por ejemplo, en los pacientes a los que se inyecta un contraste radiolgico (peso molecular500 g/mol) para realizar estudios de imagen, se puede observar una densi- dad urinaria elevada (1,040-1,050), aunque la osmolali- dad urinaria sea similar a la plasmtica (es decir, 300 mOsm/kg H2O). 01-001-019Kpen.indd 18 23/2/09 14:50:26 32. Captulo 1 Principios de la funcin celular 19ELSEVIER.Fotocopiarsinautorizacinesundelito. en funcin del gradiente electroqumico para las mis- mas. El transporte activo se produce en contra de di- cho gradiente. Este transporte activo se divide, a su vez, en activo primario y activo secundario. El trans- porte activo primario es el que se acopla de forma di- recta con la hidrlisis del ATP (es decir, transportado- res dependientes del ATP). El transporte activo secundario se produce con transportadores de solu- tos acoplados, en el que el movimiento pasivo de una o ms molculas aporta la energa para el transporte activo de otras molculas (p. ej., el cotransportador de Na+ y glucosa y el antiportador de Na+ -H+ ). 01-001-019Kpen.indd 19 23/2/09 14:50:27 33. 20 Homeostasia de los lquidos corporales 2C A p T U L O P ara conseguir una funcin celular normal es preciso que la composicin intracelular de iones, molculas pequeas, agua, pH y otra serie de sustancias se mantenga dentro de unos lmites estrechos. Esto se consi- gue mediante el transporte de muchas sustancias y agua hacia dentro y fuera de las clulas con las protenas trans- portadoras de la membrana que se han desc