Tema 2: La célula como compartimento de intercambio en fisiología humana

Universidad de La Laguna

Grado en Medicina

Fisiología Humana I. Curso 2024-2025 TEMA 2 La célula como un compartimento de intercambio. Factores que determinan el movimiento de sustancias a través de la membrana. Difusión facilitada. Propiedades generales del transporte mediado por proteínas. Dr. Diego Alvarez de la Rosa La Laguna, 30 de enero de 2025

La función fisiológica del cuerpo humano se realiza en un entorno acuoso estrictamente regulado, tanto en volumen como en composición.

Compartimentos de Líquido Corporal

Composición de Líquidos Extracelulares e Intracelulares

EXTRACELULAR INTRACELULAR Boron & Boulpaep, Manual de Fisiología Médica. Elsevier, 2022 Endotelio capilar Membrana plasmática 0 [Na+] = 145 mM [K] = 4,5 mM [CI ] = 116 mM [Proteínas] = 0 mM Osmolalidad = 290 mOsm LÍQUIDO INTERSTICIAL 13| PLASMA SANGUÍNEO 31 Mayor parte del líquido intersticial 8 1 LÍQUIDO INTRACELULAR 25 1 [Na+] = 142 mM [K] = 4,4 mM [CI] = 102 mM [Proteínas] = 1 mM Osmolalidad = 290 mOsm Hueso 21 Tejido conjuntivo denso 31 0 Células epiteliales 0 LÍQUIDO TRANSCELULAR 1 0 [Na] = [K] = o Variable O [Proteínas] = Osmolalidad = 0 o [Na+] = 15 mM [K+] = 120 mM [CI ] = 20 mM [Proteínas] = 4 mM Osmolalidad = 290 mOsm AGUA CORPORAL TOTAL = 421

Figura 5.1 Compartimentos de líquido de un hombre adulto prototípico de 70 kg. EI ACT se divide en cuatro compartimentos principales: LIC (verde), líquido intersticial (azul), plasma sanguíneo (rojo) y agua transcelular, como el líquido sinovial (marrón). Los códigos de color para cada uno de estos compartimentos se mantienen a lo largo del libro.

• El Intercambio de solutos y agua entre el medio intracelular y el medio interno se realiza a través de la membrana plasmática (ver temas 2-5).
• El intercambio de solutos y agua entre el líquido intersticial y el plasma se realiza a través de la pared de los capilares (endotelio capilar).
• El intercambio de solutos y agua entre el líquido intersticial y el líquido transcelular y el intercambio entre el medio interno y el medio externo se realiza a través de epitelios (ver tema 6).

Movimiento de Solutos por Difusión

Concepto de Difusión y Ley de Fick

0Movimiento de solutos mediante difusión

• Difusión: movimiento neto de moléculas de un soluto como consecuencia de la agitación térmica y las colisiones entre las mismas. Las moléculas se moverán siempre desde donde están a mayor concentración hacia donde están a menor concentración.
• La difusión neta (flujo neto) de un soluto obedece a la siguiente expresión, denominada primera ley de Fick de la difusión: Js= - Ds(dCs/dx) donde Js: flujo del soluto (mol m-2 s-1) Ds: coeficiente de difusión del soluto (con signo negativo por ir de mayor a menor concentración) ACs: diferencia de concentración de soluto (C1-C2) x: posición.

A su vez, el coeficiente de difusión del soluto (Ds) viene dado por: Ds=RT/(6TTrn) donde R es la constante de Boltzman, T es la temperatura absoluta, r el radio molecular del soluto, y n el coeficiente de viscosidad del medio .

1 1 2 Tiempo A Tiempo B Tiempo C 20 Concentración de Glucosa (mmol/L) 0 C, = C2 = 10 mmol/L 10 Ca 0 A B C Tiempo 1 2

Difusión de Solutos a Través de la Membrana Plasmática

Factores que Afectan el Flujo Neto

2Difusión de solutos a través de la membrana plasmática Si existe una diferencia de concentración entre el interior y exterior de la célula, la difusión neta del soluto (flujo, Js) viene dada por la aplicación de la primera Ley de Fick, incorporando un coeficiente de permeabilidad, que es específico para cada soluto (Ps), que a su vez depende de: a) coeficiente de difusión del soluto (Ds, que a su vez depende de temperatura, radio molecular y viscosidad del medio, ver diapositiva anterior); b) grosor de la membrana plasmática; c) coeficiente de partición: índice de la solubilidad de la molécula en aceite relativa a su solubilidad en agua.

Por tanto, el flujo neto de un soluto (s) dependerá de su coeficiente de permeabilidad (Ps), del área de la membrana plasmática (A) y de la diferencia de concentración de ese soluto entre el interior y exterior celular (gradiente de concentración, ACs): Js = - APSACS

Como se verá a continuación, la membrana celular puede cambiar en determinadas circunstancias su coeficiente de permeabilidad a un soluto concreto mediante el uso de proteínas transportadoras de membrana.

Composición de la Membrana Celular

Componentes y Características

Membrana celular: composición Cell membrane Intercellular space Cell membrane Membrana plasmática de higado Mielina del cerebro Retículo sarcoplásmico Componente % por Peso Proteínas 60 31 60 Lípidos totales 40 69 40 Colesterol 16 27 <2 Fosfolípidos 39 45 93 Otros 45 28 5 Características: FLUIDEZ, ASIMETRÍA, PERMEABILIDAD SELECTIVA

Composición Lipídica de la Membrana

Membrana celular: composición lipídica

• Las membranas celulares están compuestas principalmente por fosfolípidos.
• Los fosfolípidos más frecuentes son: fosfatidiletanolamina, fosfatidilinositol, fosfatidilserina y fosfatidilcolina.
• En solución acuosa los fosfolípidos a elevada concentración pueden formar bicapas: las cabezas polares se orientan hacia el agua y las colas no polares se orientas hacia el interior de la bicapa.
• Las bicapas de fosfolípidos son altamente impermeables al paso de moléculas cargadas eléctricamente.

A FOSFATIDILETANOLAMINA + NH3 Etanolamina 1 CH2 CH2 O Fosfato O=P-O O - Glicerol CH2 CH-CH2 -O O C=0 C=0 CH2 CH2 En un entorno acuoso, los grupos de cabeza polares (hidrófilos) se orientan hacia el agua ... Ácido graso ... y las colas no polares (hidrófobas) se orientan alejándose del agua. Por tanto, se forma una bicapa fosfolipídica. R1 R2 B ICONO DE FOSFOLÍPIDO Este icono se utiliza en el libro para representar esta y otras moléculas de fosfolípidos. c MONOCAPA Colas lipídicas hidrófobas Grupos de cabeza hidrófilos Agua D BICAPA FOSFOLIPIDICA Figura 2.1 Fosfolípidos. Boron & Boulpaep, Manual de Fisiología Médica. Elsevier, 2022

Colesterol en la Membrana Celular

Membrana celular: composición lipídica Colesterol

• Inmoviliza grupos hidrocarbonados de fosfolípidos, disminuyendo deformabilidad, fluidez y solubilidad de la membrana a sustancias polares.
• Impide la cristalización y cambios de fase en la estructura de la membrana. CH3 I CH3 1 Cholesterol CHCH 2CH 2CH2CH CH31 1 1 CH3 CH3 HO- Cholesterol Fits Between Phospholipids Phospholipid Cholesterol ODay CH3 CH3| - CH3 CHCH2CH2CH2CH - CH3 - CH3

Composición Proteica de la Membrana

Membrana celular: composición proteica

• Las membranas celulares incluyen proteínas en su composición.
• Las proteínas pueden ser periféricas a la membrana (unidas por enlaces no covalentes) o integrales a la misma.
• Las proteínas integrales se sintetizan en el retículo endoplasmico rugoso y presentan estructuras en forma de hélice alfa que atraviesan la membrana total o parcialmente.
• Las hélices alfa se componen principalmente de aminoácidos con cadenas laterales hidrofóbicas, aunque pueden incluir algún residuo cargado.

Proteína periférica Proteínas integrales Espacio extracelular La mayoría de las proteínas integrales de membrana tiene dominios de hélice a transmembrana de unos 20 aminoácidos. Algunas proteínas están unidas a los fosfolípidos de membrana mediante un oligosacárido ... Las proteínas periféricas están unidas por enlaces no covalentes a las proteínas integrales. Algunas tienen múltiples dominios transmembrana. E A B C D IZ N-C Proteína integral P O P F ... o están unidas directamente a ácidos grasos o a grupos prenilo. Citosol Figura 2.5 Clases de proteínas de membrana. En (E) la proteína está acoplada mediante un enlace GPI. Boron & Boulpaep, Manual de Fisiología Médica. Elsevier, 2022

Funciones de las Proteínas de Membrana

Membrana celular: funciones de las proteínas Las proteínas de membrana tienen las siguientes funciones:

• Enzimas: catálisis de reacciones químicas.
• Receptores: detección de estímulos extracelulares (p.e. hormonas y neurotransmisores).
• Proteínas de adhesión: interacción celula-celula.
• Transportadores: las hélices alfa de proteínas integrales de membrana pueden crear zonas hidrofílicas en el interior de la misma. Esta propiedad permite el paso de solutos y agua a través de la membrana de forma selectiva, ya que la presencia de un transportador altera el coeficiente de permeabilidad para una molécula o una familia de moléculas concreta (ver esquema inferior).

K+ El ion pasa a través del poro que está rodeado por las subunidades. Una única hélice anfipática con una superficie hidrófila a lo largo de un borde y superficies hidrófobas en el resto. Los canales están formados por múltiples subunidades o proteínas seudomultiméricas. Hidrófila Bucle P Para algunas clases de canales, cada subunidad tiene 6 hélices transmembrana. Las partes de la molécula orientadas hacia el poro tienen superficies hidrófilas. Boron & Boulpaep, Manual de Fisiología Médica. Elsevier, 2022

• En este ejemplo concreto, cuatro proteínas idénticas (denominadas subunidades proteicas) se unen para formar un conducto hidrofílico que atraviesa la membrana y permite el paso de iones K+ de forma selectiva (no permite el paso de otros iones como el Na+, aunque tengan un tamaño parecido).
• Cada subunidad proteica está compuesta por hélices alfa anfipáticas: tienen una superficie hidrofíla, que se orienta hacia el conducto acuoso, y una superficie hidrófoba, que interacciona con los lípidos de la membrana).
• La presencia de una proteína como la representada en el esquema aumentaría mucho la permeabilidad de esta membrana al K+, pero no a otras sustancias.

Diferencias entre Membrana Celular y Bicapa Lipídica Artificial

Propiedades Comparativas

Diferencias entre la membrana celular y una bicapa lipídica artificial Flujo de una sustancia a través de la membrana: Js =- APSACS

Propiedad Bicapa Membrana celular Resistencia eléctrica 108 ohm/cm2 < 105 ohm/cm2 Capacidad 0.45-0.8 µF/cm2 14-16 µF/cm2 Permeabilidad H2O 8-220 x 10-5 cm/s 40-400 x 10-5 cm/s Selectividad al paso de sustancias No selectiva Alta Adaptado de: Biofísica y Biologia Celular. R. Latorre, J. López-Barneo, F. Bezanilla, R. Llinás, Eds. Universidad de Sevilla, 1996

Tipos de Difusión

Difusión Simple vs. Difusión Facilitada

Difusión simple y difusión facilitada DIFUSIÓN SIMPLE Jx 0 2 4 6 8 [X] DIFUSIÓN FACILITADA (MEDIADA POR PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS) Jx J maxx 1/2 J max [X] [X] = Km

La difusión simple se caracteriza por una relación lineal entre flujo (J) y gradiente de concentración de la sustancia transportada a través de la membrana (a mayor gradiente de concentración, mayor flujo, en la misma proporción). La difusión facilitada por proteínas transportadoras es saturable y está caracterizada por un flujo máximo (Jmax; se alcanza a partir de cierta concentración de sustrato) y una afinidad (Km, concentración de sustrato a la que se alcanza la mitad del flujo máximo). La difusión facilitada se puede comparar con una reacción enzimática y se describe con la misma ecuación (ec. de Michaelis-Menten).