POTENCIALES DE MEMBRANA Y POTENCIALES DE ACCIÓN

FÍSICA BÁSICA DE LOS POTENCIALES DE MEMBRANA

Potenciales de membrana provocados por difusión 

Potencial de Nernst:  Es el nivel del potencial de difusión a través de una membrana que se opone exactamente a la difusión neta de un ion particular a través de la membrana.

Cuando una membrana es permeable a varios iones diferentes, el potencial de difusión que se genera depende de tres factores:                                           

1) la polaridad de la carga eléctrica de cada uno de los iones.                                                  

2) la permeabilidad de la membrana a cada uno de los iones.                                                  

3) las concentraciones de los respectivos iones en el interior y en el exterior de la membrana. Para ello se usa una fórmula denominada ecuación de Goldman, que proporciona el potencial de membrana calculado en el interior de la membrana cuando participan dos iones positivos univalentes.

 

Potencial de membrana en reposo de los nervios

El potencial de membrana en reposo de las fibras nerviosas grandes cuando no transmiten señales nerviosas es alrededor de –90 mV .

Bomba Na-K

Todas las membranas celulares del cuerpo tienen una potente bomba Na+­K+ que transporta continuamente iones sodio hacia el exterior de la célula e iones potasio hacia el interior;  ésta bomba también es conocida como  bomba electrógena porque se bombean más cargas positivas hacia afuera de la célula que hacia el adentro (3 Na hacia afuera por cada 2 K hacia adentro), dejando un déficit neto de iones positivos en el interior; esto genera un potencial negativo en el interior de la membrana celular

Fuga de potasio y de sodio a través de la membrana nerviosa. 

Imagen relacionadaUna proteína del canal, a veces denominada dominio de poros en tándem, canal de potasio o canal de fuga de potasio también puede dejar que se pierdan algunos iones de sodio, sin embargo, siempre van a ser más permeables al K; ésta diferencia de permeabilidad es un factor importante para determinar el nivel del potencial de membrana en reposo normal.

Potencial de membrana en reposo normal

el potencial de membrana en reposo normal de –90 mV, y los factores que lo determinan son: 

♦ potencial de difusión de potasio.

♦ potencial de difusión de sodio.  

Éstos dos factores se hacen posible gracias a los canales de fuga del K, y como se mencionó anteriormente, éstos canales permiten una mínima difusión de Na, por lo que es lógico pensar que la difusión del potasio contribuye mucho más al potencial de membrana que la difusión del sodio. 

♦ Contribución de la bomba Na+­K+.

Por lo tanto, los potenciales de difusión aislados que produce la difusión del sodio y del potasio dan un potencial de membrana de aproximadamente –86 mV, casi todo determinado por la difusión de potasio. Además, se generan –4 mV adicionales al potencial de membrana por la acción continua de la bomba de Na+­K+ electrógena, generándose un potencial neto de membrana de –90 mV.

Potencial de acción nervioso

neurona accionLas señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción que son cambios rápidos del potencial de membrana que se extienden rápidamente a lo largo de la membrana de la fibra nerviosa. Cada potencial de acción comienza con un cambio súbito o inesperado desde el potencial de membrana negativo en reposo normal hasta un potencial positivo y después termina con un cambio casi igual de rápido de nuevo hacia el potencial negativo. Para poder conducir una señal nerviosa el potencial de acción se desplaza a lo largo de la fibra nerviosa hasta que llega al extremo de la misma.

Las fases del potencial de acción: 

Imagen relacionadaFase de reposo: Es el potencial de membrana en reposo antes del comienzo del potencial de acción, la membrana está polarizada durante esta fase debido al potencial de membrana negativo de –90 mV que posee.

Fase de despolarización: En este momento la membrana se hace súbitamente muy permeable a los iones sodio, lo que permite que un gran número de iones sodio con carga positiva difunda hacia el interior del axón. El estado polarizado normal de –90 mV se neutraliza inmediatamente por la entrada de iones sodio cargados positivamente, y el potencial aumenta rápidamente en dirección positiva. Esto se denomina despolarización. Imagen relacionada

Fase de repolarización: después de que la membrana se haya hecho muy permeable a los iones sodio, los canales de sodio comienzan a cerrarse y los canales de potasio se abren más de lo normal. De esta manera, la rápida difusión de los iones potasio hacia el exterior restablece el potencial de membrana en reposo negativo normal. 

Los canales de sodio y potasio activados por el voltaje tienen una función adicional a la

de la bomba Na+­K+ y de los canales de fuga K+.

Canal de sodio: tiene dos compuertas, una cerca del exterior del canal, denominada compuerta de activación, y otra cerca del interior, denominada compuerta de inactivación.

Imagen relacionadaActivación: Cuando el potencial de membrana se hace menos negativo que durante el estado de reposo, aumentando desde –90 mV hacia cero, finalmente alcanza un voltaje ( entre –70 y –50 mV) que produce un cambio conformacional súbito en la activación de la compuerta pudiendo así pasar los iones sodio.

Desactivación: El mismo aumento de voltaje que abre la compuerta de activación también cierra la compuerta de inactivación, después de que el canal de sodio haya permanecido abierto se cierra la compuerta de inactivación y los iones sodio ya no pueden pasar hacia el interior de la membrana.

Un dato importante es que el canal de sodio no se puede abrir de nuevo sin que antes se repolarice la fibra nerviosa. Los canales de sodio se pueden bloquear por una toxina denominada tetrodotoxina aplicándola al exterior de la membrana celular en la que están localizadas las compuertas de activación del sodio.

Canal de potasio:

Imagen relacionadaDurante el estado de reposo la compuerta del canal de potasio está cerrada, lo que impide que los iones potasio pasen a través de este canal hacia el exterior. Cuando el potencial de membrana aumenta desde –90 mV hacia cero, este voltaje produce que la compuerta se abra y permite el aumento de la difusión de potasio hacia fuera a través del canal, pero  debido a que dilata un poco la apertura de los canales de potasio, en su mayor

parte, se abren al mismo tiempo que se están cerrando los canales de sodio debido a su inactivación.

El ion tetraetilamonio bloquea los canales de potasio cuando se aplica al interior de la fibra nerviosa

La disminución de la entrada de sodio hacia la célula y el aumento simultáneo de la salida de potasio de la célula se combinan para acelerar el proceso de repolarización, lo que da lugar a la recuperación completa del potencial de membrana en reposo en diezmilésimas de segundo.

Pinza de voltaje

Resultado de imagen para pinza de voltajeEs un método experimental que se utiliza para medir el flujo de iones a través de los diferentes canales. Cuando se utiliza este aparato se insertan dos electrodos en la fibra nerviosa. Uno de ellos sirve para medir el voltaje del potencial de membrana y el otro para conducir corriente eléctrica hacia el interior o el exterior de la fibra nerviosa.

Funciones de otros iones durante el potencial de acción

Aniones no difusibles en el interior del axón nervioso: Estos iones no pueden salir del interior del axón,  por lo que cualquier deficiencia de iones positivos en el interior de la membrana deja un exceso de estos aniones negativos no difusibles. Por tanto, éstos son responsables de la carga negativa en el interior de la fibra cuando hay un déficit neto de iones potasio de carga positiva y de otros iones positivos.

Iones calcio: Las membranas de casi todas las células del cuerpo tienen una bomba de calcio similar a la bomba de sodio, y el calcio coopera con el sodio (o actúa en su lugar) en algunas células para producir la mayor parte del potencial de acción. Al igual que la bomba de sodio, la bomba de potasio transporta iones calcio desde el interior hacia el  exterior de la membrana celular. bomba calcio Una función importante de los canales de iones calcio activados por voltaje consiste en su contribución a la fase de despolarización en el potencial de acción en algunas células. Se denominan canales lentos, en contraposición a los canales de sodio, que se denominan canales rápidos. Por tanto, la apertura de los canales de calcio proporciona una despolarización más sostenida, mientras que los canales de sodio desempeñan un papel clave en la iniciación de los potenciales de acción. Hay abundantes canales de calcio tanto en el músculo cardíaco como el músculo liso.

Inicio del potencial de acción

Si un estímulo produce una elevación suficiente del potencial de membrana desde –90 mV hacia el nivel cero, el propio aumento del voltaje hace que empiecen a abrirse muchos canales de sodio activados por el voltaje, lo que permite que iones sodio se adentren en la célula rapidamente elevando el potencial de membrana. Posteriormente, en un plazo diminuto, el aumento del potencial de membrana produce cierre de los canales de sodio y apertura de los canales de potasio, y pronto finaliza el potencial de acción. potencial

Umbral

Resultado de imagen para umbral en -65 potencial accionNo se puede producir un potencial de acción hasta que el aumento inicial del potencial de membrana sea lo suficientemente grande como para dar origen. Esto se produce cuando el número de iones Na+ que entran en la fibra supera al número de iones K+ que salen de la misma. Habitualmente es necesario un aumento súbito del potencial de membrana de 15 a 30 mV. Se dice que el nivel de –65 mV es el umbral para la estimulación.

Propagación del potencial de acción

Impulso_nervioso.gif

Un potencial de acción que se desencadena en cualquier punto de una membrana excitable habitualmente excita porciones adyacentes de la membrana, dando lugar a la propagación del potencial de acción a lo largo de la membrana. Esta transmisión del proceso de despolarización a lo largo de una fibra nerviosa muscular se denomina impulso nervioso o muscular. neuronas trabajando

Dirección de la propagación.

Una membrana excitable no tiene una dirección de propagación única, sino que el potencial de acción viaja en todas las direcciones alejándose del estímulo hasta que se ha despolarizado toda la membrana.

                                                       Principio del todo o nada.

Una vez que se ha originado un potencial de acción en cualquier punto de la membrana de una fibra normal, el proceso de despolarización viaja por toda la membrana si las condiciones son las adecuadas, o no viaja en absoluto si no lo son. Esto se denomina principio del todo o nada.

Metabolismo de la energía

Con el tiempo se hace necesario restablecer las diferencias de las concentraciones de membrana de sodio y de potasio. Esto se consigue por la acción de la bomba Na+­K+. Los iones sodio que han difundido hacia el interior de la célula durante los potenciales de acción y los iones potasio que han difundido hacia el exterior deben volver a su estado original por la bomba Na+­K+. Como esta bomba precisa energía para esta operación, esta recarga de la fibra nerviosa es un proceso metabólico activo que utiliza la energía que procede del sistema energético del trifosfato de adenosina (ATP) de la célula.  Una característica especial de esta bomba es que su grado de actividad se estimula mucho cuando se acumula un exceso de iones sodio en el interior de la membrana celular.

Meseta en algunos potenciales de acción

Resultado de imagen para meseta en potencial de accionEn algunos casos la membrana excitada no se repolariza inmediatamente después de la despolarización; por el contrario, el potencial permanece en una meseta cerca del máximo del potencial de espiga durante muchos milisegundos, y sólo después comienza la repolarización. Este tipo de potencial de acción se produce en las fibras musculares cardíacas.

La causa de la meseta es una combinación de varios factores.  En primer lugar, en el proceso de despolarización del músculo cardíaco participan dos tipos de canales:            

 1) los canales de sodio (canales rápidos).                                                   

2) los canales de calcio-­sodio (canales lentos).                                                                                

La apertura de los canales rápidos origina la porción en espiga del potencial de acción, mientras que la apertura prolongada de los canales lentos de calcio-sodio principalmente permite la entrada de iones calcio en la fibra, lo que es responsable en buena medida también de la porción de meseta del potencial de acción.

Un segundo factor es que los canales de potasio activados por el voltaje tienen una apertura más lenta de lo habitual.

Descarga repetitiva

Las descargas repetitivas autoinducidas aparecen normalmente en el corazón, en la mayor parte del músculo liso y en muchas neuronas del sistema nervioso central. Estas descargas rítmicas producen:  

 1) el latido rítmico del corazón.                 

2) el peristaltismo rítmico de los intestinos.                                                             

3) fenómenos neuronales, como el control rítmico de la respiración.

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Para que se produzca ritmicidad espontánea la membrana, incluso en su estado natural, debe ser lo suficientemente permeable a los iones sodio (o a los iones calcio y sodio a través de los canales lentos de calcio-sodio) como para permitir la despolarización automática de la membrana.

Resultado de imagen para hiperpolarizacion neuronal

Características especiales de la transmisión de señales en los troncos nerviosos

Fibras nerviosas mielinizadas y no mielinizadas.

Resultado de imagen para fibras nerviosas mielinicasEl núcleo central de la fibra es el axón, y la membrana del axón es la membrana que realmente conduce el potencial de acción. El axón contiene en su centro el axoplasma, que es un líquido intracelular viscoso. Alrededor del axón hay una vaina de mielina, que con frecuencia es mucho más gruesa que el propio axón. Aproximadamente una vez cada 1 a 3 mm a lo largo de la vaina de mielina hay un nódulo de Ranvier.

Las células de Schwan le propporcionan mielina al axón, En la unión entre dos células de Schwann sucesivas a lo largo del axón permanece una pequeña zona no aislada de sólo 2 a 3 mm de longitud en la que los iones pueden seguir fluyendo con facilidad a través de la membrana del axón entre el líquido extracelular y el líquido intracelular del interior del axón. Esta zona se denomina nódulo de Ranvier.

Conducción saltatoria en las fibras mielinizadas de un nódulo a otro.

Imagen relacionadaLos iones no pueden fluir a través de las gruesas vainas de mielina de los nervios mielinizados, pueden fluir fácilmente a través de los nódulos de Ranvier. Por tanto, los potenciales de acción se producen sólo en los nódulos. Esto se denomina conducción saltatoria. Es decir, la corriente eléctrica fluye por el líquido extracelular circundante que está fuera de la vaina de mielina, así como por el axoplasma del interior del axón, de un nódulo a otro, excitando nódulos sucesivos uno después de otro.

La conducción saltatoria es útil por dos motivos:                                               

1.- Al hacer que el proceso de despolarización salte intervalos largos a lo largo del eje de la fibra nerviosa, este mecanismo aumenta la velocidad de la transmisión nerviosa en las fibras mielinizadas.                                                                                                                              

2.- La conducción saltatoria conserva la energía para el axón porque sólo se despolarizan los nódulos.

Otra característica adicional de la conducción saltatoria en las fibras mielinizadas gruesas es el excelente aislamiento que ofrece la membrana de mielina y la disminución de 50 veces de la capacitancia de la membrana permiten que se produzca la repolarización con poca transferencia de iones

Velocidad de conducción en las fibras nerviosas.                            

Imagen relacionadaLa velocidad de conducción del potencial de acción en las fibras nerviosas varía desde tan sólo 0,25 m/s en las fibras no mielinizadas pequeñas hasta 100 m/s (la longitud de un campo de fútbol en un segundo) en las fibras mielinizadas grandes.

Excitación: el proceso de generación del potencial de acción

Un potencial de acción se puede deber a un trastorno mecánico de la membrana, a los efectos químicos  o al paso de electricidad a través de ella. Todos ellos se utilizan en diferentes puntos del cuerpo para generar potenciales de acción nerviosos o musculares.Arco_reflejo

Excitación de una fibra nerviosa por un electrodo metálico cargado negativamente.

El método habitual para excitar un nervio o un músculo en el laboratorio experimental es aplicar electricidad a la superficie del nervio del músculo mediante dos electrodos pequeños, uno de los cuales tiene carga negativa y el otro positiva.

Resultado de imagen para potenciales agudos localesLos cambios locales de potencial se denominan potenciales locales agudos y, cuando no pueden generarun potencial de acción, se denominan potenciales subliminales agudos. Cuando el potencial local apenas alcanza el nivel necesario para generar un potencial de acción, se denomina nivel liminar (umbral).

Estabilizadores y anestésicos locales

Imagen relacionadaLos factores estabilizadores de la membrana son aquellos que pueden reducir la excitabilidad, por ejemplo, el ion calcio es un estabilizador. 

Anestésicos locales: procaína y tetracaína

Registro de potenciales de membrana y potenciales de acción

Osciloscopio de rayos catódicos.Imagen relacionada

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TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE MEMBRANAS CELULARES

La barrera lipídica y las proteínas de transporte de la membrana celular

membranaLa membrana celular está formada en su mayoría por una bicapa lipídica, aunque también contiene varias moléculas proteicas insertadas en los lípidos, muchas de ellas penetran en todo el grosor de la membrana. La bicapa lipídica no es miscible con el líquido extracelular ni con el líquido intracelular. Por tanto, constituye una barrera frente al movimiento de moléculas de agua y de sustancias insolubles entre los compartimientos del líquido extracelular e intracelular.

Las proteínas de la membrana tienen diferentes formas de transportar sustancias, las estructuras de algunas de ellas interrumpen la continuidad de la bicapa lipídica y constituyen una ruta alternativa a través de la membrana. Algunas tienen espacios acuosos en todo el trayecto del interior de la molécula y permiten el movimiento libre de agua, así como de iones o moléculas seleccionados; estas proteínas se denominan proteínas de los canales. Resultado de imagen para proteinas de membrana  gifs                    Otras, denominadas proteínas transportadoras, se unen a las moléculas o iones que se van a transportar produciendose cambios conformacionales de las moléculas de la proteína desplazan después las sustancias a través de los intersticios de la proteína hasta el otro lado de la membrana. Tanto las proteínas de los canales como las proteínas transportadoras habitualmente son muy selectivas para los tipos de moléculas o de iones que pueden atravesar la membrana.

Transportes a través de la membrana

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

Difusión

La difusión se refiere a un movimiento molecular aleatorio de las sustancias  de molécula a molécula, a través de espacios intermoleculares de la membrana o en combinación con una proteína transportadora. La energía que hace que se produzca la difusión es la energía del movimiento cinético normal de la materia. Al movimiento de moléculas e iones de los líquidos corporales los físicos llaman calor (cuanto mayor sea el movimiento, mayor es la temperatura), y el movimiento nunca se interrumpe en ninguna situación salvo a la temperatura de cero absoluto. Este movimiento continuo de moléculas entre sí en los líquidos o los gases se denomina difusión.
Hay dos tipos de difusión:

♦ SIMPLE: El movimiento cinético de las moléculas o de los iones se produce a través de una abertura de la membrana o a través de espacios intermoleculares sin ninguna interacción con las proteínas transportadoras de la membrana.                                                 Se puede producir difusión simple a través de la membrana celular por dos rutas:           1) a través de los intersticios de la bicapa lipídica si la sustancia que difunde es liposoluble.                                                                                                                                           2) a través de canales acuosos que penetran en todo el grosor de la bicapa a través de las grandes proteínas transportadoras.   

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

La difusión facilitada también se denomina difusión mediada por un transportador porque una sustancia que se transporta de esta manera difunde a través de la membrana utilizando una proteína transportadora específica para contribuir al transporte. Es decir, el transportador facilita la difusión de la sustancia hasta el otro lado.
La difusión facilitada difiere de la difusión simple en la siguiente característica importante: aunque la velocidad de la difusión simple a través de un canal abierto aumenta de manera proporcional a la concentración de la sustancia que difunde, en la difusión facilitada la velocidad de difusión se acerca a un máximo, denominado Vmáx, a medida que aumenta la concentración de la sustancia que difunde, por lo que la velocidad no puede aumentar más del nivel de velocidad máximo. difusion sim y fac

Imagen relacionadaEntre las sustancias más importantes que atraviesan las membranas celulares mediante difusión facilitada están la glucosa y la mayor parte de los aminoácidos. Este también es el principal mecanismo mediante el cual la insulina controla la utilización de glucosa por el cuerpo.

La velocidad de difusión viene determinada por la cantidad de sustancia disponible, la velocidad del movimiento cinético y el número y el tamaño de las aberturas de la membrana a través de las cuales se pueden mover las moléculas o los iones. Por razones evidentes, la velocidad de difusión de cada una de estas sustancias a través de la membrana es directamente proporcional a su liposolubilidad. 

Difusión de agua y de otras moléculas insolubles en lípidos a través de canales proteicos. Aunque el agua es muy insoluble en los lípidos de la membrana, pasa rápidamente a través de los canales de las moléculas proteicas que penetran en todo el espesor de la membrana.

Difusión a través de poros y canales proteicos: permeabilidad selectiva y activación de                                                                                  canales
Las reconstrucciones tridimensionales computarizadas de los poros y canales proteicos han mostrado trayectos tubulares que se extienden desde el líquido extracelular hasta el
intracelular. Por tanto, las sustancias se pueden mover mediante difusión simple directamente a lo largo de estos poros y canales desde un lado de la membrana hasta el otro. Los poros están compuestos por proteínas de membranas celulares integrales que forman tubos abiertos a través de la membrana y que están siempre abiertos. Sin embargo, el diámetro de un poro y sus cargas eléctricas proporcionan una selectividad que permite el paso de sólo ciertas moléculas a su través.Resultado de imagen para acuaporinas Por ejemplo, los poros proteicos denomi-nados acuaporinas o canales de agua permiten el rápido paso de agua a través de las membranas celu-lares pero impiden el de otras moléculas.

 

 

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

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

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

1. Activación por voltaje: En este caso la conformación molecular de la compuerta o de sus enlaces químicos responde al potencial eléctrico que se establece a través de la membrana celular. Este es el mecanismo básico para generar los potenciales de acción nerviosos que son responsables de las señales nerviosas.

2. Activación química (por ligando): Las compuertas de algunos canales proteicos se abren por la unión de una sustancia química (un ligando) a la proteína; esto produce un cambio conformacional o un cambio de los enlaces químicos de la molécula de la proteína que abre o cierra la compuerta. Un ejemplo es el canal de la acetilcolina.

Factores que influyen en la velocidad neta de difusión.

Concentración de las moléculas: la velocidad de difusión neta hacia el interior de la célula es proporcional a la concentración en el exterior menos la concentración en el interior.

Efecto del potencial eléctrico de membrana sobre ladifusión de iones: el potencial de Nernst.

Efecto de una diferencia de presión a través de la membrana: Una alta presión produce mayores cantidades de energía para producir el movimiento neto de moléculas desde el lado de presión elevada hacia el lado de presión baja.

Ósmosis 

La sustancia más abundante que difunde a través de la membrana ce-lular es el agua, normalmente la can-idad que difunde en ambas direcciones está equilibrada de manera tan precisa que se produce un movimiento neto cero de agua. Por tanto, el volumen celular permanece constante. Sin embargo, en ciertas condiciones se puede producir una diferencia de concentración del agua a través de la membrana. Cuando ocurre esto se produce movimiento neto de agua a través de la membrana celular, haciendo que la célula se hinche o que se contraiga, dependiendo de la dirección del movimiento del agua. Este proceso de movimiento neto del agua que se debe a la producción de una diferencia de la concentración del agua se denomina ósmosis. osmosis celular.gif125b2741de9849142ca53a37771af27e osm cel.gif

Presión osmótica

Es la cantidad exacta de presión necesaria para detener la ósmosis.                                      La presión osmótica que ejercen las partículas de una solución, ya sean moléculas o iones, está determinada por el número de partículas por unidad de volumen del líquido, no por la masa de las partículas. Esto es que todas las partículas de una solución, independientemente de su masa, ejercen, en promedio, la misma cantidad de presión contra la membrana. Por lo tanto, el factor que determina la presión osmótica de una solución es la concentración de la solución en función del número de partículas (concentración molar), no en función de la masa del soluto.Imagen relacionada
Osmolalidad (el osmol). Para expresar la concentración de una solución en función del número de partículas se utiliza la unidad denominada osmol en lugar de los gramos. Un osmol es el peso molecular-gramo de un soluto osmóticamente activo.    osmolaridad: Osmolaridad es la concentración osmolar expresada en osmoles por litro de solución en lugar de osmoles por kilogramo de agua.

                                                              Transporte activo

Cuando una membrana celular transporta moléculas o iones contra corriente contra un gradiente de concentración (o contra corriente contra un gradiente eléctrico o de presión), el proceso se denomina transporte activo. Algunos elementos que se transportan activamente a través de al menos algunas membranas celulares incluyen los iones sodio, potasio, calcio, hierro, hidrógeno, cloruro, yoduro y urato, diversos azúcares diferentes y la mayor parte de los aminoácidos.
Hay dos tipos de transporte:
                                                                                                                Transporte activo primario: la energía procede directamente de la escisión (división) del trifosfato de adenosina (ATP) o de algún otro compuesto de fosfato de alta energía.     Resultado de imagen para transporte activo secundario en celulas gifs        Transporte activo secundario: la energía procede secundariamente de la energía que se ha almacenado en forma de diferencias de concentración iónica de sustancias moleculares o iónicas secundarias entre los dos lados de una membrana celular, que se generó originalmente mediante transporte activo primario.
En ambos casos el transporte depende de proteínas transportadoras que penetran a través de la membrana celular, al igual que en la difusión facilitada, sin embargo, enel transporte activo la proteína transportadora es capaz de impartir energía a la sustancia para moverla contra el gradiente electroquímico.
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CONTROL GENÉTICO DE LA SÍNTESIS PROTEICA, LAS FUNCIONES DE LA CÉLULA Y LA REPRODUCCIÓN CELULAR.

 
 

Los genes se encuentran en el núcleo de todas las células del organismo, controlan la herencia de padres a hijos, también controlan las funciones de la célula determinando qué sustancias se sintetizan dentro de la misma, es decir, qué estructuras, qué enzimas y qué productos químicos participan.                                                                                                                    

El proceso completo, desde la transcripcióndel código genético en el núcleo hasta la traducción del código del ARN y la formación de proteínas en el citoplasma celular, se refiere a menudo como expresión génica.

¡Hay aproximadamente 30.000 genes diferentes en cada célula!

Genes en el núcleo celular                                                                          

En el núcleo celular hay un gran número de genes unidos por sus extremos, formando las moléculas de doble hélice largas de ADN que tienen un peso molecular que se mide por miles de millones.

Bloques básicos de ADN.
Los compuestos químicos básicos implicados en la formación del ADN son:                                                         

  • ácido fosfórico
  • el azúcar desoxirribosa
  • cuatro bases nitrogenadas (dos purínicas, adenina y guanina,
    y dos pirimidínicas, timina y citosina).                                                                            
Imagen relacionada

El ácido fosfórico y la desoxirribosa forman las dos hebras helicoidales que sirven de soporte para la molécula de ADN, mientras que las bases nitrogenadas se apoyan entre las dos hebras y se conectan entre sí.

 Nucleótido: Un nucleótido está conformado por un ácido fosfórico, un azúcar y una base nitrogenada; y la primera etapa de la formación del ADN consiste en formar uno, combinando una molécula de ácido fosfórico, una molécula de desoxirribosa y una de las cuatro bases para formar un nucleótido ácido. De esta forma se crean cuatro nucleótidos distintos, uno para cada una de las cuatro bases, los ácidos desoxiadenílico, desoxitimidílico, desoxiguanílico y desoxicitidílico. 

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Un nucleótido está conformado por un ácido fosfórico, un azúcar y una base nitrogenada; y la primera etapa de la formación del ADN consiste en formar uno, combinando una molécula de ácido fosfórico, una molécula de desoxirribosa y una de las cuatro bases para formar un nucleótido ácido. De esta forma se crean cuatro nucleótidos distintos, uno para cada una de las cuatro bases, los ácidos desoxiadenílico, desoxitimidílico, desoxiguanílico y desoxicitidílico.

Organización de los nucleótidos para formar dos hebras de ADN unidas laxamente entre sí.                    

Se une un gran número de nucleótidos entre sí para formar dos hebras de ADN de la siguiente manera: el esqueleto de cada hebra de ADN está compuesto por moléculas de ácido fosfórico y desoxirribosa que se van alternando. A su vez, las bases de purina y pirimidina se unen a los lados de las moléculas de desoxirribosa. Después, las dos hebras respectivas de ADN se mantienen unidas mediante enlaces débiles de hidrógeno (líneas de puntos) entre las bases purínicas y pirimidínicas; sin embargo, hay que recalcar que: 


1. Cada base purínica de adenina de una hebra siempre se une con una base pirimidínica de timina de la otra.
2. Cada base purínica de guanina siempre se une con una base pirimidínica de citosina.

Código genético

La importancia del ADN se debe a su capacidad para controlar la formación de las proteínas en la célula mediante un código genético. Es decir, cuando las dos hebras de la molécula de ADN se extienden quedan expuestas las bases purínicas y pirimidínicas proyectándose a un lado de cada hebra de ADN. Estas bases que se proyectan son las que forman el código genético. El código genético consta de triplete sucesivos de bases, es decir, tres bases sucesivas componen una palabra del código. Los tripletes sucesivos controlan en último término la secuencia de aminoácidos en una molécula proteica que la célula debe sintetizar.

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PROCESO DE TRANSCRIPCIÓN

El código se transfiere al ARN en un proceso que se conoce como transcripción.

Síntesis de ARN

Durante la síntesis de ARN las dos hebras de la molécula de ADN se separan temporalmente y una de ellas se usa como plantilla para la síntesis de una molécula de ARN. Los tripletes del código del ADN provocan la formación de tripletes con un código complementario (o codones) en el ARN; a su vez, estos codones controlarán la secuencia de aminoácidos en una proteína que se va a sintetizar en el citoplasma celular.   

Bloques básicos para la construcción del ARN.                                                                     Los bloques básicos para la construcción del ARN son prácticamente los mismos que los del ADN, ya que están compuestos por nucleótidos, sin embargo, hay diferencias entre éstos; en primer lugar, en la formación del ARN no se usa el azúcar desoxirribosa y en su lugar se utiliza otro azúcar, la ribosa, que contiene un ion hidroxilo extra unido a la estructura anular de la ribosa; en segundo lugar, la timina se reemplaza por otra pirimidina, uracilo.

El montaje de la molécula de ARN se realiza siguiendo un proceso bajo la influencia de una enzima, la polimerasa de ARN, es una gran enzima proteica que tiene muchas propiedades funcionales para la formación de la molécula de ARN, como son:


1. En la cadena de ADN inmediatamente contigua al gen inicial hay una secuencia de nucleótidos que se denomina promotor. La polimerasa de ARN tiene una estructura complementaria apropiada que reconoce este promotor y se une a él en un paso esencial para iniciar la formación de la molécula de ARN.

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2. La polimerasa de ARN, después de unirse al promotor, provoca el desenrollamiento de dos vueltas de la hélice de ADN, aproximadamente, y la separación de las porciones abiertas de las dos hebras.


3. Después, la polimerasa se desplaza a lo largo de la hebra de ADN, desenrollando y separando temporalmente las dos hebras de ADN en cada etapa de su movimiento. A medida que se desplaza va añadiéndose en cada paso un nucleótido de ARN activado nuevo en el extremo de la cadena de ARN que se va formando, siguiendo los pasos siguientes:
    a. Primero, provoca la formación de un enlace de hidrógeno entre la base del extremo de la cadena de ADN y la base de un nucleótido de ARN en el nucleoplasma.
    b. La polimerasa de ARN va rompiendo dos de los tres radicales fosfato, separándolos de cada uno de estos nucleótidos de ARN y liberando grandes cantidades de energía.
    c. Cuando la polimerasa de ARN alcanza el extremo del gen de ADN se encuentra con una secuencia nueva de nucleótidos de ADN que se conoce como secuencia terminadora de la cadena, que hace que la polimerasa y la cadena de ARN recién formada se separen de la cadena de ADN.
    d. A medida que se va formando una cadena de ARN nueva se rompen sus enlaces débiles de hidrógeno que la unen a la plantilla de ADN, porque el ADN tiene una afinidad alta para volver a unirse con su propia cadena complementaria de ADN, es decir, la cadena de ARN se separa del ADN y se libera en el nucleoplasma.

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Cuatro tipos distintos de ARN.

ARN mensajero (los codones): Las moléculas de ARNm son cadenas largas y sencillas que se encuentran en suspensión en el citoplasma. Estas moléculas están compuestas por varios cientos a miles de nucleótidos de ARN en cadenas no pareadas y contienen codones que son exactamente complementarios a los tripletes del código de los genes de ADN.

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ARN de transferencia (los anticodones): Transfiere las moléculas de aminoácidos a las moléculas proteicas a medida que se va sintetizando la proteína. La función del ARNt consiste en unir un aminoácido específico a una cadena de proteína en formación, es esencial que cada tipo de ARNt también sea específico de un codón en particular del ARNm. El código específico del ARNt que le permite reconocer un codón específico es, de nuevo, un triplete de bases de nucleótidos que se denomina anticodóny se sitúa aproximadamente en la zona media de la molécula del ARNt.

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ARN ribosómico: El tercer tipo de ARN de la célula es el ARN ribosómico, que constituye el 60% del ribosoma. El resto está formado por proteínas, unos 75 tipos distintos que son de tipo estructural, y también las enzimas necesarias para la fabricación de las moléculas proteicas.
El ribosoma es la estructura física del citoplasma en el que se sintetizan realmente las moléculas proteicas. No obstante, siempre funciona asociado a otros tipos de ARN, pero el ribosoma siempre actúa como una planta de fabricación en la cual se forman las moléculas proteicas.

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MicroARN
Un cuarto tipo de ARN en la célula es el ARNmi. Se trata de cortos fragmentos de ARN monocatenario (de 21 a 23 nucleótidos) que regulan la expresión génica. Los ARNmi se codifican a partir del ADN transcrito de genes, pero no se traducen a proteínas y, por tanto, a menudo reciben el nombre de ARN no codificante. Los ARNmi son procesados por las células en moléculas que son complementarias al ARNm y que actúan para reducir la expresión génica. Los ARNmi regulan la expresión génica por unión a la región complementaria del ARN y por la promoción de la represión de la traducción o degradación del ARNm antes de que pueda ser traducido por el ribosoma. Según se cree, los ARNmi desempeñan un papel importante en la regulación normal de la función celular, y las alteraciones en la función de los ARNmi se han asociado con enfermedades como el cáncer y las cardiopatías.                                                             

PROCESO DE TRADUCCIÓN

Cuando una molécula de ARN mensajero entra en contacto con un ribosoma, se desplaza por el mismo a partir de un extremo predeterminado de la molécula de ARN que se especifica mediante la secuencia apropiada de las bases de ARN, el codón iniciador de la cadena .En el transcurso en que el ARN mensajero se desplaza por el ribosoma, se forma una molécula proteica, en un proceso que se conoce como traducción. Es decir, el ribosoma lee los codones del ARN mensajero, después, se marca el final de una molécula proteica cuando un codón de parada (el codón terminador de la cadena) atraviesa el ribosoma y la molécula proteica se libera en el citoplasma.

Polirribosomas:   Una molécula sencilla de ARN mensajero puede formar moléculas proteicas en varios ribosomas al mismo tiempo, porque el extremo inicial de la cadena de ARN puede ir atravesando ribosomas sucesivos cuando abandona el primero. Las moléculas proteicas se encuentran en distintas fases de desarrollo en cada ribosoma. Como consecuencia de este proceso es frecuente encontrar agrupaciones de ribosomas, uniéndose entre 3 y 10 ribosomas a una única molécula de ARN mensajero al mismo tiempo. Estos grupos se conocen como polirribosomas.

 

PASOS QUÍMICOS DE LA SÍNTESIS PROTEICA

1.- Cada aminoácido se activa en un proceso químico en el que el ATP se combina con el amino-ácido para formar un complejo de monofosfato de adenosina con el aminoácido, con lo que se liberan dos enlaces fosfato de alta energía en el proceso.

2.- El aminoácido activado, que tiene un exceso de energía, se combina entonces con su ARN de transferencia específico para formar un complejo amino-ácido­ARNt y, al mismo tiempo, se libera el monofosfato de adenosina.

3.- El ARN de transferencia que transporta el complejo del aminoácido entra en contacto a continuación con la molécula del ARN mensajero en el ribosoma, donde el anticodón del ARN de transferencia se une temporalmente a su codón específico del ARN mensajero, con lo que se alinea el aminoácido en la secuencia apropiada para formar una molécula proteica. Después, y bajo la influencia de la enzima peptidilo transferasa (una de las proteínas del ribosoma), se forman los enlaces peptídicos entre los aminoácidos sucesivos que se van añadiendo progresivamente a la cadena proteica.
La síntesis proteica es uno de los procesos que consume más energía en la célula.

Enlace peptídico.                          

Los aminoácidos sucesivos de la cadena de proteína se combinan entre sí según una reacción típica:

Control de la función génica y actividad bioquímica de las células

1) regulación genética, en la que se controla el grado de activación de los genes y la formación de productos génicos.

2) regulación enzimática, en la que se controlan los niveles de actividad de las enzimas ya formadas en la célula.

Regulación genética:La regulación genética, o regulación de la expresión génica, cubre todo el proceso, desde la transcripción del código genético en el núcleo hasta la formación de proteínas en el citoplasma. La regulación de la expresión génica dota a todos los organismos vivos de la capacidad para responder a los cambios en su medio. La regulación de la expresión génica puede tener lugar en cualquier punto de las rutas de transcripción, procesamiento de ARN y traducción.

El promotor controla la expresión génica:La transcripción de ADN está controlada por elementos reguladores encontrados en el promotor de un gen.                                                                                                                                 

En la transcripción de genes en eucariotas influyen también los reforzadores, que son regiones de ADN que pueden unirse a factores de transcripción. Los reforzadores pueden estar situados a una gran distancia del gen sobre el que actúan o incluso en un cromosoma diferente. También pueden localizarse corriente arriba o corriente abajo del gen al que regulan. Los aisladores cromosómicos son secuencias génicas que proporcionan una barrera de tal forma que un gen específico queda aislado de las influencias de transcripción de los genes circundantes.

Los sistemas de control de los genes son especialmente importantes para controlar las concentraciones intracelulares de amino-ácidos, derivados de aminoácidos y sustratos y productos intermedios del metabolismo de los hidratos de carbono, lípidos y proteínas.

Regulación enzimática representa una segunda categoría de mecanismos por los cuales se pueden controlar las funciones bioquímicas celulares.

La inhibición enzimática es otro ejemplo de control mediante retroalimentación negativa, responsable del control de las concentraciones intracelulares de muchos aminoácidos, purinas, pirimidinas, vitaminas y otras sustancias.

La activación enzimática: Las enzimas que están normalmente inactivas se activan cuando es necesario, por ejemplo, cuando se ha agotado la mayoría del ATP de la célula. En este caso, comienza a formarse una cantidad considerable de monofosfato de adenosina cíclico (AMPc) como producto de división del ATP, la presencia de este AMP activa inmediatamente una enzima fosforilasa que escinde el glucógeno, liberando moléculas de glucosa que se metabolizan rápidamente y cuya energía se usa para replecionar los depósitos de ATP. Es decir, el AMPc actúa como un activador enzimático de la enzima fosforilasa y, por tanto, facilita el control de la concentración intracelular de ATP.

El sistema genético de ADN también controla la reproducción celular.

La reproducción celular es otro ejemplo del papel ubicuo que tiene el sistema genético del ADN en todos los procesos vitales. Los genes y sus mecanismos reguladores determinan las características de crecimiento de las células y también si se dividen para formar nuevas células y cuándo. 

Ciclo vital de la célula:   El ciclo vital de una célula es el período que transcurre desde el inicio de la reproducción celular hasta el inicio de la siguiente reproducción celula. La mitosis dura sólo unos 30 min, por lo que más del 95% del ciclo vital de las células está representado por el intervalo entre las mitosis, o interfase, incluso en las células que se reproducen con mayor rapidez.

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La reproducción celular comienza con la replicación del ADN: La reproducción comienza en el núcleo.

  1. El primer paso consiste en la replicación (duplicación) de todo el ADN de los cromosomas y sólo después puede tener lugar la mitosis. El ADN comienza a duplicarse entre 5 y 10 h antes de la mitosis y se completa en 4-8 h. El resultado neto es que se producen dos réplicas exactas de todo el ADN. Estas réplicas se convierten en el ADN de las dos células hijas nuevas que se formarán en la mitosis.
  2. Después hay otro periodo de 1-2 h antes de que comience bruscamente la mitosis. Durante este período comienzan los cambios preliminares que conducirán a la mitosis.

Fenómenos químicos y físicos de la replicación del ADN:El ADN se replica del mismo modo en que se transcribe el ARN en respuesta al ADN, excepto por algunas diferencias importantes:

1. Se replican las dos cadenas de ADN de cada cromosoma, y no sólo una de ellas.               2. Las dos cadenas completas de la hélice de ADN se replican de extremo a extremo, y no sólo algunas porciones de las mismas como sucede en la transcripción del ARN.
3. Las principales enzimas que participan en la replicación del ADN componen un complejo de muchas enzimas, denominado polimerasa del ADN, que es comparable a la polimerasa del ARN. Se une a la plantilla de una de las cadenas del ADN y la recorre en toda su longitud, mientras que otra enzima, la ADN ligasa, provoca la unión de los nucleótidos sucesivos de ADN entre sí, usando enlaces fosfato de alta energía como fuente de energía para estas uniones.
4. La formación de cada nueva cadena de ADN se produce simultáneamente en cientos de segmentos a lo largo de cada una de las dos cadenas de la hélice hasta que se re plica toda la cadena. Después, la ADN ligasa une los extremos de estas subunidades.
5. Cada cadena de ADN recién formada se mantiene unida mediante un enlace débil de hidrógeno a la cadena original de ADN que se usó como plantilla, es decir, las dos hélices de ADN se enrollan unidas.
6. Como las hélices de ADN de cada cromosoma miden aproximadamente 6 cm de longitud y tienen millones de giros helicoidales, lo que hace imposible que las dos hélices de ADN recién formadas se desenrollen sin haber un mecanismo especial, sin embargo, la presencia de enzimas hace posible la separación de las hélices.

Reparación de ADN, corrección de lectura y mutaciones del ADN.

Durante la hora, más o menos, que transcurre entre la replicación del ADN y el comienzo de la mitosis hay un período de reparación muy activa y corrección de lectura de las cadenas de ADN.

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Este proceso de reparación del ADN se conoce como corrección de lectura.
Debido a los procesos de reparación y corrección de lectura, el proceso de transcripción comete errores pocas veces, pero, cuando lo hace, el error se denomina mutación. La mutación provoca la formación de alguna proteína anormal en la célula en lugar de la proteína necesaria, lo que conduce a funciones celulares anormales y, en ocasiones, incluso a la muerte celular.

Cromosomas y su replicación:Las hélices de ADN del núcleo se enrollan en cromosomas. La célula humana contiene 46 cromosomas dispuestos en 23 pares. Los genes de los dos cromosomas de cada par son idénticos o casi idénticos entre sí en su mayor parte, por lo que se dice que en los pares también puede haber genes diferentes, aunque no sea siempre así. Además del ADN en el cromosoma hay una gran cantidad de proteínas en el cromosoma, principalmente muchas moléculas pequeñas de histonas cargadas positivamente. Estas histonas se organizan en un número inmenso de pequeños
núcleos, a modo de carretes, alrededor de los cuales se enrollan secuencialmente pequeños segmentos de cada hélice de ADN.

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La replicación de todos los cromosomas se produce en los minutos siguientes a la finalización de la replicación de las hélices de ADN y las hélices nuevas recogen las moléculas proteicas nuevas a medida que las van necesitando. Los dos cromosomas recién formados se mantienen unidos entre sí (hasta el momento de la mitosis) en un punto que se denomina centrómero, situado cerca del centro. Estos cromosomas duplicados, pero aún unidos entre sí, se conocen como cromátidas.

Mitosis celular:El proceso real por el que la célula se divide en dos células nuevas es la mitosis. Una vez que cada cromosoma se ha replicado para formar las dos cromátidas, en muchas células la mitosis se produce automáticamente en 1 o 2 h.

Uno de los primeros pasos de la mitosis tiene lugar en el citoplasma, al final de la interfase, en torno o en unas pequeñas estructuras denominadas centríolosDos pares de centríolos se mantienen estrechamente unidos cerca de un polo del núcleo (estos centríolos, como el ADN y los cromosomas, también se han replicado durante la interfase, habitualmente poco después de la replicación del ADN). Los dos centríolos de cada par se disponen en ángulos rectos entre sí y cada par de centríolos, junto al material pericentriolar unido a él, compone el centrosoma.

 

Antes de la mitosis, los dos pares de centríolos comienzan a separarse uno de otro, al mismo tiempo, crecen radialmente otros microtúbulos que alejan los pares de centríolos, formando una estrella a modo de soporte, que se conoce como áster, en cada extremo de la célula.

El complejo de microtúbulos que se extiende entre los dos nuevos pares de centríolos es el huso, y todo el conjunto de microtúbulos más los dos pares de centríolos se denomina aparato mitótico.

Profase: Mientras se forma el haz, los cromosomas del núcleo (que en la interfase corresponden a hebras laxamente enrolladas) se condensan en cromosomas bien definidos.

 


Prometafase: Durante esta etapa, las puntas de los microtúbulos en crecimiento del áster se fragmentan en la cubierta nuclear. Al mismo tiempo, los múltiples microtúbulos del áster se unen a las cromátidas en los centrómeros, donde las cromátidas pareadas aún están unidas entre sí; a continuación, los túbulos tiran de una cromátida de cada par, alejando cada una hacia el polo celular correspondiente.


Metafase
: Durante la metafase, los dos ásteres del aparato mitótico se separan. Simultáneamente, los microtúbulos insertados en las cromátidas tiran fuertemente de ellas hasta el centro de la célula, alineándolas para formar el plano ecuatorial del huso mitótico.

 


Anafase: Durante esta fase, las dos cromátidas de cada cromosoma son separadas en el centrómero. Se separan los 46 pares de cromátidas y se forman dos juegos independientes de 46 cromosomas hijos. Cada uno de ellos es empujado hacia cada uno de los ásteres de la mitosis, a medida que los dos polos respectivos de la célula en división se van separando entre sí.

 


Telofase: En la telofase, los dos juegos de cromosomas hijos se separan completamente. A continuación, el aparato mitótico se disuelve y se desarrolla una nueva membrana nuclear que rodea cada grupo de cromosomas. Esta membrana se forma a partir de porciones del retículo endoplásmico que ya están presentes en el citoplasma. Poco después, la célula se divide en dos, en la zona media entre los dos núcleos, como consecuencia de la formación de un anillo contráctil de microfilamentos compuestos por actina y, probablemente, miosina (las dos proteínas contráctiles del músculo) en la unión de las células nuevas que se están desarrollando, anillo que las termina separando.

 

Diferenciación celular: Una característica especial del crecimiento y división celular es la diferenciación celular, que se refiere a los cambios de las propiedades físicas y funcionales de las células a medida que proliferan en el embrión para formar las distintas estructuras y órganos corporales. La diferenciación es consecuencia no de la pérdida de genes, sino de la represión selectiva de los distintos promotores génicos.

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Apoptosis: muerte celular programada: Cuando las células ya no se necesitan, o cuando se convierten en una amenaza para el organismo, sufren una muerte celular programada suicida, o apoptosis. Este proceso implica una cascada proteolítica específica que hace que la célula se encoja y condense para desmontar su citoesqueleto y alterar su superficie de tal forma que una célula fagocítica cercana, como un macrófago, se puede unir a la membrana celular y digerir la célula.

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Al contrario de la muerte programada, las células que mueren como consecuencia de una lesión aguda se hinchan y estallan debido a la pérdida de la integridad de la membrana celular, un proceso que se denomina necrosis celular. Las células necróticas vierten su contenido haciendo que la inflamación y la lesión se extiendan a las células vecinas.

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No obstante, la apoptosis es una muerte celular metódica que da lugar al desmontaje y fagocitosis de la célula antes de que se produzca ninguna fuga de su contenido, por lo que las células vecinas se mantienen sanas. La apoptosis se inicia mediante la activación de una familia de proteasas que se conocen como caspasas. Se trata de unas enzimas que se sintetizan y almacenan en la célula en forma de procaspasas inactivas, una vez activadas, las enzimas se escinden y activan otras procaspasas, activando una cascada que rompe rápidamente las proteínas del interior de la célula. De esta forma, la célula se desmantela a sí misma y sus restos se digieren rápidamente en las células fagocíticas vecinas.

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UNIDAD I: FISIOLOGÍA GENERAL Y LA CÉLULA. “Organización funcional del cuerpo humano y control del «medio interno”

La palabra fisiología viene del griego Phisio: naturaleza y logía: estudio, y en pocas palabras hace referencia al estudio de la naturaleza o bien, se puede definer como el estudio de las funciones de las estructuras de un cuerpo (hablando generalmente), ahora bien, especificando más el entorno se definiría como la ciencia que explica los mecanismos físicos y químicos responsables del origen, desarrollo y progresión de la vida. La ciencia de la fisiología humana intenta explicar las características y mecanismos específicos del cuerpo humano que hacen que sea un ser vivo.

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Las células son las unidades vivas e indivisibles de todo ser vivo.

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Líquido Extracelular: El 60% del cuerpo humano del adulto es líquido, principalmente una solución acuosa de iones y otras sustancias, la mayor parte de éste líquido queda dentro de las células y se conoce como líquido intracelular, y la  otra parte restante se encuentra en los espacios exteriores a las células y se denomina líquido extracelular. Este líquido extracelular está en movimiento constante por todo el cuerpo y se transporta rápidamente en la sangre circulante para mezclarse después entre la sangre y los líquidos tisulares por difusión a través de las paredes capilares. En el líquido extracelular se encuentran todos los iones y nutrientes para que la células estén sanas, es por ello que también se le conoce como medio interno del organismo.

Homeostasis: En 1929, el fisiólogo estadounidense Walter Cannon acuñó el término homeostasis para referirse al mantenimiento de unas condiciones del medio interno; la homeostasis puede ser definida como el estado de equilibrio. Esencialmente todos los órganos y tejidos del organismo realizan funciones que colaboran en el mantenimiento de estas condiciones relativamente constantes.

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La enfermedad se considera un estado de ruptura de la homeostasis, es la pérdida del estado de equilibrio Sin embargo, durante la presencia de enfermedades, los mecanismos homeostáticos siguen activos y mantienen las funciones vitales a través de múltiples compensaciones, éstas compensaciones pueden conducir a resultados positivos o negativos, puesto que puede que la persona durante estas se recupere o empeore. Las compensaciones homeostaticas se producen en el cuerpo después de una lesión o enfermedad y se puede deducir que son como un compromiso necesario para mantener las funciones vitales, sin embargo, a largo plazo, pueden contribuir a inducir anomalías adicionales en el organismo.

Resultado de imagen para enfermedad

La disciplina de la fisiopatología explica cómo se alteran los diversos procesos fisiológicos durante las enfermedades y las lesiones, otra definición sería que es el estudio del funcionamiento de un organismo durante el curso de una enfermedad. El líquido extracelular circula por el organismo en dos etapas. La primera de ellas consiste en el movimiento de la sangre por el cuerpo dentro de los vasos sanguíneos, y la segunda es el movimiento del líquido entre los capilares sanguíneos y los espacios intercelulares entre las células tisulares.

Origen de los nutrientes en el líquido extracelular

Resultado de imagen para aparato respiratorio

 

En el aparato respiratorio cada vez que la sangre entra al organismo también fluye por los pulmones y capta el oxígeno a través de los alveolos

 

Resultado de imagen para aparato digestivo

 

 

En el aparato digestivo una gran porción de la sangre que bombea el corazón también atraviesa las paredes del aparato digestivo donde se absorben los nutrientes.

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El hígado es el encargado de cambiar la composición química de muchas de las sustancias para convertirlas en formas más utilizables. Además elimina ciertos desechos que se producen en el cuerpo y las sustancias tóxicas que se ingieren.                                        

Resultado de imagen para aparato locomotor gifEl aparato locomotor contribuye a la                                          homeostasis cuando permite la movilidad                             del individuo cuando éste se desplaza en                                   busca de sus alimentos.

 

Resultado de imagen para eliminación de oxigeno a traves de pulmones

Eliminación del dióxido de carbono en los pulmones, esto quiere decir que al mismo tiempo la sangre obtiene el oxigeno, simultáneamente liberamos dióxido de carbono.

 

Resultado de imagen para eliminacion de sustancias a traves de riñones

Con el paso de la sangre a través de los riñones se eliminan la mayoría de las sustancias que, además del dióxido de carbono, las células ya no necesitan, como son los distintos productos finales del metabolismo celular, como la urea y el ácido úrico y el exceso de iones y agua de los alimentos, que podrían acumularse en el líquido extracelular.

 

Sistema Nervioso Central:  El sistema nervioso está compuesto por tres partes principales: la porción de aferencia sensitiva, el sistema nervioso central (o la porción integradora) y la porción eferente motora. Los receptores sensitivos detectan el estado del
cuerpo o de su entorno.                                                     

 

Resultado de imagen para sistema nervioso central 3d gif El sistema nervioso central está formado por el                         cerebro y la médula espinal. El cerebro almacena                       información, genera los pensamientos, y determina                           las reacciones que debe manifestar el cuerpo en                                 respuesta a las sensaciones para, a continuación,                                 transmitir las señales apropiadas a través de la porción                     motora eferente del sistema nervioso para llevar a cabo los deseos                                          del sujeto. 

Sistema Endocrino Son ocho glándulas endocrinasy varios órganos y tejidos que segregan productos químicos denominados hormonas. Las hormonas se transportan en el líquido extracelular a otras partes del cuerpo para regular las funciones celulares.

 

 

Sistema Inmunitario El sistema inmunitario está formado por los glóbulos blancos, células derivadas de los glóbulos blancos, el timo, los nódulos linfáticos y los vasos linfáticos que protegen el cuerpo de patógenos como bacterias, virus, parásitos y hongos. El sistema inmunitario proporciona un ecanismo para que el cuerpo.

Sistema Tegumentario
La piel y sus diversos anexos, como el pelo, las uñas, las glándulas y otras estructuras, cubren, amortiguan y protegen los tejidos profundos y los órganos del cuerpo y, en general, definen una frontera entre el medio corporal interno y el mundo exterior.

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El aparato reproductor
se considera que la reproducción sea una función homeostática, aunque ayuda a mantener al a homeostasis generando nuevos seres que ocuparán el lugar de aquellos que mueren.

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Sistema de retroalimentación negativa: Es el proceso en que el cuerpo percibe un cambio y activa mecanismos que lo anulan o lo invierten.

Sistema de retroalimentación positiva: Es el proceso en que el cuerpo percibe un cambio y lo lleva a otro de mayor intensidad en la misma dirección.

CÉLULA Y SUS FUNCIONES

La palabra célula viene del latín (cella: celda, -ula: pequeño).

Una céula típica va a contener siempre dos elementos primordiales que van a ser el núcleo y el citoplasma, que van a estar separadas por la membrana nuclear, de igual manera, el citoplasma va a estar separado del exterior, osea de los líquidos circundantes por la membrana celular. Protoplasma, así se le conoce al conjunto de sustancias que componen a una célula, está conformado por agua, electrolítos, proteínas, hidratos de carbono y lípidos.

Agua. El principal medio líquido de la célula es el agua, que está presente en la mayoría de las células, excepto en los adipocitos, en una concentración del 70-85%.

Iones. Los iones son los productos químicos inorgánicos de las reacciones celulares y son necesarios para el funcionamientode algunos de los mecanismos de control celulares.

Proteínas. Después del agua, las sustancias más abundantes en la mayoría de las células son las proteínas, que normalmente constituyen entre el 10 y el 20% de la masa celular. Son de dos tipos, proteínas estructurales y proteínas funcionales.

Las proteínas estructurales están presentes en la célula
principalmente en forma de filamentos largos que son polímeros de muchas moléculas proteicas individuales. Un uso importante de este tipo de filamentos intracelulares es
la formación de microtúbulos que proporcionan los «citoesqueletos» de orgánulos celulares.

Resultado de imagen para proteinas integrales y perifericas de la membrana

Las proteínas funcionales son un tipo de proteína totalmente diferente, compuesto habitualmente por combinaciones de pocas moléculas en un formato tubular-globular.
Estas proteínas son principalmente las enzimas de la célula y, al contrario de las proteínas fibrilares, a menudo son móviles dentro del líquido celular.

Lípidos. Hay de varios tipos, pero los más importantes son los fosfolípidos y el colesterol, que juntos suponen sólo el 2% de la masa total de la célula. Su importancia radica en que, al ser principalmente insolubles en agua, se usan para formar las barreras de la membrana celular y de la membrana intracelular que separan los distintos compartimientos celulares. Los triglicéridos, también se conocen como grasas neutras. En los adipocitos los triglicéridos suponen hasta el 95% de la masa celular.

Hidratos de carbono: Los hidratos de carbono tienen escasas funciones estructurales en la célula, , pero sí tienen un papel muy importante en la nutrición celular.                         

Membrana: cubre la célula, es una estructuraes elástica, fina y flexible que tiene un grosor de tan sólo 7,5 a 10 nm. Está formada casi totalmente por proteínas y lípidos, con una composición aproximada de un 55% de proteínas, un 25% de fosfolípidos, un 13% de colesterol, un 4% de otros lípidos     y un 3% de hidratos de carbono.                           

 

La barrera lipídica de la membrana celular impide la penetración del agua.             La bicapa lipídica básica está formada por moléculas de fosfolípidos. Un extremo de cada molécula de fosfolípido es soluble en agua, es decir, es hidrófilo, mientras que el otro es soluble sólo en grasas, es decir, es hidrófobo. El extremo fosfato del fosfolípido es hidrófilo y la porción del ácido graso es hidrófoba.  Las moléculas de colesterol de la membrana también tienen una naturaleza lipídica, porque su núcleo esteroide es muy liposoluble. 

Proteínas de la membrana celular integrales y periféricas.                                              Son proteínas de membrana, glucoproteínas en su mayoría. Existen dos tipos de proteínas de membrana celular: proteínas integrales que hacen protrusión por toda la membrana ya que componen canales estructurales (o poros) a través de los cuales las moléculas de agua y las sustancias hidrosolubles, especialmente los iones, otras proteínas integrales actúan como proteínas transportadoras de sustancias que, de otro modo, no podrían penetrar en la bicapa lipídica, a veces, transportan materiales en dirección contraria a sus gradientes de concentración, lo que se llama transporte activo, actúan como ligandos y segundos mensajeros; y proteínas periféricas que se unen sólo a una superficie de la membrana y que no penetran en todo su espesor, por lo regular se unen a las integrales, funcionando así en su mayoría como enzimas.

Hidratos de carbono de la membrana: «glucocáliz» celular.                                             Se presentan casi invariablemente combinados con proteínas o lípidos en forma de glucoproteínas o glucolípidos 

Las estructuras de hidratos de carbono unidas a la superficie exterior de la célula tienen varias funciones importantes:                                                                                                           1) carga eléctrica negativa que proporciona a la mayoría de las células una carga negativa a toda la superficie que repele a otros objetos negativos.                                             2) el glucocáliz de algunas células se une al glucocáliz de otras, con lo que une las células entre sí.                                                                                                                                                  3) actúan como componentes del receptor para la unión de hormonas.

Resultado de imagen para citoplasmaCitoplasma y sus orgánulos
El citoplasma está lleno de partículas diminutas y grandes y orgánulos dispersos. La porción de líquido del citoplasma en el que se dispersan las partículas se denomina citosol y contiene principalmente proteínas, electrólitos y glucosa disueltos.

Retículo endoplásmico
Red de estructuras vesiculares tubulares y planas del citoplasma que forman el retí­culo endoplásmico

Ribosomas y retículo endoplásmico rugoso.                                                                      Unida a la superficie exterior de muchas partes del retículo endoplásmico nos encontramos una gran cantidad de partículas granulares diminutas que se conocen como ribosomas. Cuando están presentes, el retículo se denomina retículo endoplásmico rugoso. Los ribosomas están formados por una mezcla de ARN y proteínas y su función consiste en sintetizar nuevas moléculas proteicas en la célula

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Retículo endoplásmico agranular. Este retículo agranular actúa en la síntesis de sustancias lipídicas y en otros
procesos de las células que son promovidos por las enzimas intrarreticulares.

 

 

                                                             Aparato de Golgi. Está íntimamente relacionado                                                                       con el retículo endoplásmico agranular, Resultado de imagen para aparato de golgiEste aparato es prominente en las células secretoras, dondemse localiza en el lado de la célula a partir del cual   se extruirán las sustancias secretoras.

 

 

Lisosomas. Son orgánulos vesiculares que se forman por la rotura del aparato de Golgi
y después se dispersan por todo el citoplasma. Los lisosomas constituyen el aparato digestivo intracelular que permite que la célula digiera las estructuras celulares dañadas, las partículas de alimento que ha ingerido, y las sustancias no deseadas, como las bacterias.

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Peroxisomas: Los peroxisomas son similares físicamente a los lisosomas, pero son distintos en dos aspectos importantes, una es que los peroxisomas se cree que surgen de autorreplicación y otra porque tienen oxidasas; son capaces de combinar el oxígeno con los iones hidrógeno derivados de distintos productos químicos intracelulares para formar peróxido de hidrógeno (H2O2).

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Mitocondrias. Es el centro de energía de la célula, están dispersas en todo el citoplasma y el número varía de acuerdo al tipo de células.

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Citoesqueleto celular.
Las proteínas fibrilares de la célula se organizan habitualmente en filamentos y túbulos. Sirve para dar forma y soporte a la célula.

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Núcleo. El núcleo es el centro de control de la célula, contiene grandes cantidades de ADN, es decir, los genes, que son los que determinan las características de las proteínas celulares, como las proteínas estructurales, y también las enzimas intracelulares que controlan las actividades citoplasmáticas y nucleares.

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Membrana nuclear. La membrana nuclear, también conocida como cubierta nuclear, consiste realmente en dos membranas bicapa separadas, una dentro de la otra.

Nucléolos y formación de ribosomas. Los núcleos de la mayoría de las células contienen una o más estructuras que se tiñen intensamente y se denominan nucléolos. Estos nucléolos, no tienen una membrana limitante, sino que consisten en una acumulación simple de grandes cantidades de ARN y proteínas de los tipos encontrados en los ribosomas.

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Ingestión por la célula: endocitosis

La difusión implica el movimiento simple a través de la membrana, provocado por             el movimiento aleatorio de las moléculas de la sustancia; las sustancias se desplazan         a través de los poros de la membrana celular o, en el caso de las sustancias liposolubles,
a través de la matriz lipídica de la membrana.

El transporte activo implica el transporte real de una sustancia a través de la membrana mediante una estructura física de carácter proteico que penetra en todo el espesor de la membrana.

Las partículas muy grandes entran en la célula mediante una función especializada de la membrana celular que se denomina endocitosis. Las formas principales de endocitosis son la pinocitosis y la fagocitosis. La pinocitosis se refiere a la ingestión de partículas diminutas que forman vesículas de líquido extracelular y partículas dentro del citoplasma celular. La fagocitosis se refiere a la ingestión de partículas grandes, como bacterias, células enteras o porciones de tejido
degenerado.