LIQUIDOS CORPORALES El agua es la sustancia ms abundante en todos los sistemas orgnicos, constituyendo hasta un 70% del peso de la mayora de los organismos. Desde el inicio de los tiempos, la vida se desarroll en un ambiente acuoso, los organismos evolucionaron a partir de la denominada sopa primitiva, medio acuoso rico en sustancias orgnicas, a partir de la cual se obtenan los nutrientes necesarios para la formacin celular. A medida que transcurra el proceso evolutivo, cuando los organismos salieron del mar primitivo al medio terrestre, al estar expuestos a un medio areo, en vez del medio acuoso de costumbre, se vieron en la necesidad de establecer su propio medio interno, con caractersticas y composicin similar a la del medio donde se desarrollaron. Por tal razn, todos los seres vivos estn primariamente constituidos por compartimientos lquidos, conformados por molculas orgnicas e inorgnicas, necesarias para la nutricin celular. En fin, toda la evolucin ha sido moldeada por las propiedades del medio acuoso en el cual la vida se inicio. El agua es una molcula constituida por 2 tomos de hidrogeno, asociado mediante enlaces covalentes polares. Tiene una geometra espacial tetradrica asimtrica, presentando un ngulo de separacin entre los tomos de hidrogeno de 104.5 . Es una molcula polar, en base a la diferente electronegatividad (atraccin de electrones) que presentan sus componentes. El oxgeno al tener mayor atraccin por los electrones posee una carga parcial negativa (al tener mas hacia su lado la nube electrnica), mientras que el hidrogeno posee una carga parcial positiva. Esto implica la presencia de un dipolo elctrico, responsable de las interacciones electrosttica de las molculas de agua entre s, y con otras molculas (ver constante dielctrica, mas adelante).

A.

B.

Figura 1. A. Conformacin tridimensional de la molecula de agua, haciendo nfasis en el angulo de apertura de 104.5 en la molecula. B. Dipolo elctrico del agua. Se evidencia la carga parcial negativa sobre el tomo de oxgeno, y las cargas parciales positivas sobre los tomos de hidrogeno.

Las interacciones de las molculas de agua entre s se realiza mediante enlaces electrostticos (dbiles), denominados puentes de hidrogeno, el cual se define como la atraccin elctrica entre un tomo electronegativo (en este caso el oxgeno) y un tomo de hidrogeno (carga parcial positiva) de molculas de agua adyacentes. De acuerdo a su configuracin estructural, cada molcula puede establecer enlaces con 4 molculas a su alrededor.

Figura 2. Se evidencia la disposicin de los puentes de hidrogeno intermoleculares en el agua. Cada molcula puede interactuar con hasta 4 otras. Siguiendo usualmente una conformacin tetradrica.

Vamos a analizar las principales caractersticas fisicoqumicas del agua, a las cuales todas las funciones y estructuras celulares se encuentran adaptadas. Calor Especifico: Representa la cantidad de calor (caloras) necesaria para aumentar 1 C (grado centgrado) a 1 gr. del compuesto (agua); El agua tiene un calor especfico de 1 cal/gr C, es decir necesitas 1 calora para subir 1 grado centgrado de temperatura a 1 gr. de agua; esto es relativamente alto, y esto es excelente, ya que necesitamos una relativa gran cantidad de calor para que el agua aumente su temperatura, por lo que el agua puede retirar calor de los tejidos eficazmente aumentando poco a poco su temperatura hasta llegar a evaporarse; el ejemplo clsico es la sudoracin: el agua presente en el sudor agarra el calor de la piel, aumentando paulatinamente su temperatura hasta evaporarse, siendo esta la propiedad fundamental que le confiere al agua su carcter termorregulador. Calor de Vaporizacin: Relacionndose con la propiedad anterior, encontramos el calor de vaporizacin, definida como la energa calrica necesaria para pasar al agua de estado liquido a gaseoso, siendo de 540 cal/gr, lo cual contribuye a la propiedad termorreguladora del agua.

Punto de Ebullicin: es la temperatura a la cual el compuesto pasa de estado liquido a estado gaseoso, es decir, es la temperatura necesaria para que la energa cintica de las molculas de agua sea tal, que pueda comenzar el paso del estado lquido a gaseoso, en todo el lquido. Es relativamente alta (100 C), en comparacin con otros compuestos, lo que garantiza una captacin paulatina de calor sin llegar al nivel de evaporacin, as como un gran rango de temperaturas (0 100 C) en donde el agua puede mantenerse en estado lquido. Es importante destacar que el proceso de evaporacin no es lo mismo que la ebullicin. La evaporacin se produce en la superficie del lquido en base a la diferencia de presin existente con la atmosfera, implicando el paso paulatino de molculas del estado lquido al gaseoso, hasta igualar las presiones, por tanto no depende de la temperatura. Por el contrario la ebullicin se produce cuando toda la masa de lquido alcanza una temperatura (y una energa cintica) tal, que las molculas alcanzan una presin superior a la del medio externo y se convierten en gas. En vista de la necesidad de superar la presin externa (atmosfrica), el punto de ebullicin, como tal, vara de acuerdo a esta. Siendo menor en sitios con mayor altitud (y por lo tanto menor presin atmosfrica), y viceversa.

Conductividad calrica: Es la capacidad que tiene un compuesto de transmitir el calor a travs de ellos, es elevada en los metales, siendo seguida de cerca por el agua, y posteriormente por los compuestos orgnicos. En el agua es de 0,58 Wm-1K-1.

De tal manera que podemos concluir inicialmente, que gracias a la gran capacidad de captacin, conduccin y disipacin que presenta el agua (dada por su alto calor especifico, punto de ebullicin, conductividad calrica, y calor de vaporizacin), esta nos permite mantener nuestra temperatura corporal dentro de un rango normal (entre 36.8 y 37.5 grados centgrados), y as garantizar la ptima actividad enzimtica en los tejidos. Punto de Fusin: es la temperatura a la cual la energa cintica de las molculas de agua disminuye a un nivel tal, que pasa de estado lquido a estado slido. A condiciones normales de presin y temperatura es de 0 C.

El agua en estado slido se caracteriza por presentar un alto grado de ordenamiento molecular, enlaces rgidos, otorgndole una baja capacidad de deformacin, y una disminucin de su capacidad solvente. A diferencia del agua en estado lquido, la cual presenta menor grado de ordenamiento, alto grado de fluidez y de accin solvente, movimientos aleatorios y alto grado de deformabilidad. Tensin Superficial: Es una propiedad relacionada con la tendencia a la cohesin (atraccin intermolecular), presente en las molculas de agua en la superficie de un recipiente, las cuales a diferencia de las presentes en el interior del mismo, tienen un mayor nivel de energa (debido a que presentan menor numero de interacciones con otras molculas, solamente interactuando con las presentes en la parte inferior, ya que en la parte superior, se supone que debe existir otro elemento), lo cual genera un vector neto de fuerza hacia el interior del recipiente (ya que no hay fuerzas de interaccin en la parte superior), esto lleva a que las molculas traten de unirse entre s, para disminuir el rea total de la superficie, y lograr un estado energtico mas estable. Estas fuerzas de cohesin, permiten explicar entre otras cosas, porque un mosquito puede posarse sobre el agua sin hundirse, el fenmeno de la capilaridad, y la tendencia al colapso alveolar.Figura 3. Se evidencia la diferente interaccin de las molculas de agua entre la superficie y la parte interna del agua. En la superficie la atraccin intermolecular es mayor que el interior. Las molculas en el seno del lquido se encuentran rodeadas, por lo que las fuerzas de interaccin se compensan. Dicha atraccin superficial es tan grande que permite que un pequeo insecto se pose sobre el agua.

Determina una elevada cohesin entre las molculas

Debemos destacar la diferencia entre los fenmenos de cohesin y adhesin. El primero, como ya vimos, implica la atraccin intermolecular del agua, mientras que el segundo, implica la unin a otras molculas adyacentes. Esta diferencia adquiere importancia en la explicacin del fenmeno de la capilaridad, en donde la adhesin de las molculas de agua a la superficie de un vidrio de delgado dimetro, supera a la cohesin, implicando su desplazamiento a travs del mismo. Esta propiedad regula el ascenso del agua a travs de las plantas, en contra de la gravedad, y sin gasto energtico.Figura 4. Se evidencia el ascenso de las molculas de agua a travs de un conducto de muy fino grosor. Este fenmeno se produce ya que la atraccin adhesiva de las molculas con el vidrio, supera a la atraccin intermolecular (cohesin) del agua. Mientras mas fino sea el conducto, mas alto llegara la columna de agua. Este fenmeno continua hasta que el peso del lquido iguala la tensin superficial.

Constante dielctrica: Es una medida de la tendencia del disolvente a oponerse a las fuerzas de atraccin entre iones de carga opuesta (sales). Es una propiedad relacionado con el estado dipolar del agua, como vimos anteriormente, la molcula de H2O presenta cargas parciales en el tomo de hidrogeno (positivas) y de oxigeno (negativas), esto se relaciona con la capacidad solvente del agua, ya que al estar en presencia de cualquier sal por ejemplo, NaCl, las molculas de agua se interponen entre ese enlace inico. Los tomos de hidrogeno tienden a atraer al Cl-, y el oxgeno al Na+, rodendolos, rompiendo los enlaces dbiles intermoleculares (electrostticos) entre las molculas de agua y formando esferas de solvatacin, las cuales disociaran el NaCl. La constante dielctrica del agua es elevada, siendo de aproximadamente 80 F/m (a 298 grados Kelvin), lo que implica que sea un buen disolvente de compuestos inicos y sales cristalizadas.Figura 5. Se evidencia la formacin de una esfera de solvatacin rodeando al in sodio (catin). Ntese la orientacin hacia el in de todos los tomos de oxgeno con sus cargas parciales positivas. Dicha atraccin permite la disociacin de sales inicas, como el NaCl

Debemos destacar que la disolucin de electrolitos en el agua puede constituir un proceso reversible (electrolito dbil), o irreversible (electrolito fuerte), constituyendo as las soluciones amortiguadoras de pH. La misma agua puede comportarse como un electrolito, ya que un porcentaje de sus molculas pueden experimentar combinacin espontanea, generando protones (hidrogeniones, H3O+) y radicales hidroxilo (OH-), siguiendo una reaccin reversible, base de la capacidad amortiguadora del agua.

Figura 6. Se evidencia disociacin reversible de la molcula de agua en hidrogeniones y radicales hidroxilo. Este fenmeno, al ser reversible, se mantiene en equilibrio, de acuerdo a las necesidades del medio, e implica la capacidad buffer o amortiguadora del agua (capacidad de mantener el pH del medio ante modificaciones de la cantidad de cidos)

Debemos hacer nfasis en que estas propiedades pueden ser modificadas por las condiciones ambientales, como la presin y la temperatura, as como algunas propiedades pueden ser modificadas por el nmero de solutos disueltos en la solucin. (Las llamadas propiedades coligativas, como el aumento del punto de ebullicin, disminucin del punto de congelacin o la presin osmtica). Compartimientos lquidos del organismo Ya hemos descrito que el agua es el compuesto ms abundante del organismo, representando aproximadamente el 60% del Peso Corporal Total (PCT) de una persona adulta promedio, por lo que se dice que el Agua Corporal Total de una persona es igual al 60% del PCT. Sin embargo, esto puede ser modificado de acuerdo a la edad, sexo, y cantidad de tejido adiposo de la persona, de tal manera, que los neonatos tienen mayor porcentaje de agua que los ancianos; los varones ms que las hembras; y los obesos menor porcentaje que las personas atlticas (debido a la mayor presencia de tejido adiposo, el cual al repeler el agua, disminuye el porcentaje). Ver Figura 7 y Tabla 1

Figura 7. Distribucin del porcentaje de agua corporal total segn edad y sexo. Observamos como a medida que aumenta la edad, el porcentaje de agua disminuye, asi como para cualquier grupo etario, el porcentaje de agua es menor en el sexo femenino que en el masculino.

Contextura Delgado Promedio Obeso Recien Nacido 85 % 75 % 65 %

Grupo Etario Hombre Adulto 65 % 60 % 55 %

Mujer Adulta 55 % 50 % 45 %

Tabla 1. Contenido porcentual de agua en el organismo, clasificada segn contextura corporal de la persona, grupo etario y sexo.

Ahora, el agua en el organismo se dispone en 2 grandes compartimientos, el Liquido intracelular (LIC) y el liquido extracelular (LEC); el LIC corresponde a las 2/3 partes del ACT, (por lo que si el ACT representa el 60% del PCT, las 2/3 partes de eso, en relacin con el PCT, seria 40%), por lo que corresponde al 40% del PCT; mientras que el LEC corresponde a la tercera parte del ACT, por lo que en relacin con el PCT, constituira el 20% del PCT. Ahora, para complicar un poco la cosa, el LEC se divide en 3 compartimientos, el Liquido Intersticial (que rodea a las clulas), el Liquido Plasmtico (o Intravascular, que corresponde al plasma sanguneo) y el Liquido Transcelular (constituido por todos los denominados humores del organismo, humor vitreo, humor acuoso, LCR, liquido sinovial, con porcentajes despreciables en relacin al PCT); en relacin igualito con el PCT, el Liquido Intersticial representa el 15% del PCT, y el Liquido Plasmtico el 5% del PCT. Debemos hacer la distincin entre liquido plasmtico, y sangre total, ya que el plasma constituye solamente la parte liquida de la sangre, quedando el porcentaje correspondiente a los elementos formes sanguneos, denominado hematocrito, siendo este un 35-45% y el plasma un 55-65% del volumen sanguneo total. Ver Esquema 1 y Figura 8. Para realizar la medicin de estos compartimientos, se usan determinadas sustancias medidoras (idealmente, no deben ser txicas, deben distribuirse uniformemente, no alterar la distribucin hdrica, distribuirse nica y exclusivamente en el compartimiento deseado, no ser metabolizado hasta el equilibrio), es as, como para el caso del LEC se utiliza inulina, ya que se distribuye exclusivamente en este espacio, especficamente para el liquido intravascular tenemos el azul de Evans. Para el LIC, no hay un parmetro establecido, pero se puede obtener de la resta del ACT LEC, utilizando el oxido de tritio o de deuterio para medir el ATC. La accin de los medidores se basa en el principio de dilucin, en relacin con la conservacin de la masa.

AGUA CORPORAL TOTAL (60% DEL PCT)

LIC (40% DEL PCT)

LEC (20% DEL PCT)

Liq. Intersticial (15% DEL PCT)

Liq. Plasmtico (5% DEL PCT)

Liq. Transcelular

Esquema 1. Distribucin de los lquidos corporales

Figura 8. Esquema de distribucin de los lquidos corporales

En algunas situaciones clnicas se puede presentar un acumulo patolgico de lquido en espacios virtuales extracelulares, como por ejemplo la cavidad pleural o peritoneal, denominado tercer espacio, esto puede implicar una deplecin de volumen intravascular importante (de acuerdo a la capacidad de almacenamiento del espacio, por ejemplo, hasta 5 L puede almacenar el peritoneo) y un estado de shock a la clula. Debemos aprender a analizar problemas relacionados con el volumen de estos compartimientos. Ejemplo: Cuanto representa el Volumen de Liquido Intersticial de una persona adulta mayor de sexo masculino de 70 Kg. de peso? R: Lo nico que nos importa es que la persona pesa 70 Kg (este seria el PCT), y que nos piden el liquido intersticial, por lo que si vemos el esquema esto representa el 15% del PCT, es decir, el 15% de 70Kg, lo cual es 10.5 LT. Debemos acotar que la distribucin porcentual de agua en los diferentes tejidos del organismo es diferente, llegando a un mximo en el rin, hasta un mnimo en el tejido seo y en el esmalte dental. Otro aspecto muy importante dentro de los lquidos corporales, es la composicin inica de los mismos.

Podemos analizar la composicin inica y osmolar de cada compartimiento, resumindola as:

Dibujo obtenido con autorizacin, de www.temasdefisiologia.com.ar Figura 9. Composicin inica de los compartimientos celulares.

En el plasma podemos evidenciar que el principal catin (ion con carga positiva), es el Na+ con unas concentraciones normales entre 135 y 145 mEq/L, seguido por el potasio con valores entre 4 y 5 mEq/L, as como tambin hay presencia de Ca++, magnesio, etc.., en el caso de los aniones, el ms importante es el ion cloruro (100 mEq/L aprox.), as como el ion bicarbonato (valores entre 21-27 mmol/L). La distribucin inica intracelular vara de un tejido a otro. Por ejemplo, la composicin intracelular de las neuronas es distinta de la que se observa en las clulas musculares, y stas a su vez son distintas de las existentes en las clulas sanguneas. A pesar de ello seguimos unos patrones. Al comparar con el LEC, el LIC se caracteriza por una concentracin de sodio baja, y una concentracin de potasio alta. Este fenmeno es consecuencia de la actividad de la bomba sodio potasio, que se encarga de sacar tres iones Na+ e introducir 2 iones K+ por cada molcula de ATP hidrolizada. Por lo tanto a nivel intracelular, el principal catin es el potasio, con una concentracin normal de aprox. 150 mEq/L, existe sodio con 10 mEq/L, y calcio con 5 mEq/L (recordar que siempre hay mayor concentracin de calcio en el exterior celular que el interior, siempre que el calcio libre en la celula aumenta, es para hacer algo, bien sea sealizacin intracelular, exocitosis, contraccin muscular o apoptosis). El anin fundamental intracelular son los aniones orgnicos o protenas, luego tenemos los fosfatos y el bicarbonato. Es importante destacar que esta distribucin desigual entre los compartimientos que podemos evidenciar es debida al efecto Gibbs-Donnan, como ya explicaremos.. Entre el lquido intersticial y el lquido plasmtico prcticamente no hay diferencias de osmolaridad ni de composicin inica, debido a que se encuentran en permanente intercambio y equilibrio gracias a la presencia del endotelio capilar, sin embargo, a nivel plasmtico hay una pequea mayor cantidad de protenas, lo cual pudiese influir en cambios en la distribucin inica segn el Equilibrio GibbsDonnan (ver mas adelante)

Las concentraciones inicas de cada compartimiento, en mili moles, pueden resumirse as: Electrolito Sodio (mM) Potasio (mM) Cloro (mM) Liquido Intracelular 5 - 15 130 - 160 05 Lquido Extracelular 135 - 145 3.5 4.5 100 - 106

Tabla 2. Resumen de las concentraciones inicas en los compartimientos celulares

Transporte de sustancias a travs de la membrana Todas las clulas se encuentran en un equilibrio dinmico con el medio que las rodea, de tal manera, que siempre existe un movimiento de solutos entre el compartimiento intracelular y extracelular, garantizando la estabilidad del medio interno, manteniendo as un estado estacionario. Como vimos, entre ambos compartimientos existe una diferente composicin inica, la cual influye en el movimiento de las sustancias entre ellos. Vamos a aclarar que mecanismos de transporte pueden utilizar las molculas para atravesar la bicapa lipdica semipermeable. Para que exista un movimiento de solutos entre 2 compartimientos, deben garantizarse 2 elementos: un gradiente o consumo energtico que impulse al soluto, y una permeabilidad de la membrana al mismo. En relacin con el gradiente energtico (fuerza impulsora), este es establecido bien sea por un gradiente de concentracin qumico o elctrico (en el caso de iones) entre los 2 compartimientos, o bien por el gasto energtico de ATP, para impulsar a dicho soluto. En relacin con el gradiente electroqumico, podemos catalogar a los mecanismos de transporte en 2 grandes grupos. El Transporte pasivo, en el cual las molculas son transportadas siguiendo la direccin establecida por su gradiente electroqumico, y el denominado Transporte activo, en el cual las molculas son transportadas en contra de su gradiente electroqumico. Dentro del transporte pasivo encontramos diversos mecanismos: Difusin: Es el paso de solutos, a travs de una membrana semipermeable, siguiendo su gradiente de concentracin electroqumico. Es un proceso que depende del movimiento trmico, al azar, de las molculas.

El flujo neto de difusin de una molcula, segn la primera Ley de Fick, depende de diferentes variables como lo son: la magnitud del gradiente de concentracin, el coeficiente de difusin, el espesor de la membrana y el rea de superficie de la membrana, analizaremos cada una: El gradiente electroqumico: Es la fuerza que acta sobre una molcula para facilitar su paso por la membrana. Tiene 2 componentes: El gradiente de concentracin qumico, y el gradiente elctrico (en el caso de iones). En relacin al primero, mientras mayor sea la diferencia de concentracin de la sustancia entre los 2 compartimientos, mayor ser la fuerza impulsora para permitir el movimiento de la sustancia hacia el compartimiento de menor concentracin. Esto se cumplir para una molcula no cargada (no electroltica o no inica). En el caso de una molcula con carga elctrica, debemos aadir el gradiente elctrico (derivado de la diferencia de carga elctrica entre los 2 compartimientos, por ejemplo, una molcula con carga positiva, tendera a difundir con mayor fuerza hacia un compartimiento negativo), inclusive este gradiente elctrico puede, en algunas circunstancias, contrarrestar el gradiente qumico (de concentracin), de la misma sustancia y neutralizar el proceso de difusin (ver Potencial de Equilibrio de un ion)

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El coeficiente de difusin: Es una caracterstica que depende del tamao de la molcula, la viscosidad y la temperatura del medio. En general, mientras menor sea el tamao de la molcula y viscosidad del medio, as como mayor sea la temperatura, mayor ser la capacidad propia de la molcula de difundir. Igualmente, se debe tomar en cuenta las caractersticas de la membrana plasmtica, especialmente su caracterstica lipdica, por lo que la liposolubilidad o no, de la molcula tambin influye en la capacidad que tenga la misma de poder difundir a travs de la membrana. Esto es conocido como coeficiente de particin, mientras mayor sea el mismo, implica que mayor liposolubilidad tiene la molcula, mayor coeficiente de difusin tendr y ms fcilmente difundir. El espesor de la membrana: mientras mas gruesa sea la membrana, mas distancia debe recorrer el soluto para atravesar de un compartimiento a otro, por lo que la tasa de difusin ser menor El area de superficie: Mientras mayor sea el rea de superficie a travs de la cual puede presentarse la difusin de la molcula, mayor ser la tasa de difusin.

Todas estas variables son recogidas en la denominada primera Ley de Difusin de Fick, la cual establece que: J= -DA c/x Donde: J= tasa de difusin D= coeficiente de difusin del ion A= rea de superficie de intercambio c= Gradiente de concentracin qumico del ion x = Espesor de la membrana Es decir, la difusin de un ion es directamente proporcional al coeficiente de difusin del mismo, al rea de superficie de intercambio de la membrana, al gradiente de concentracin que lo mueve, e inversamente proporcional al espesor de la membrana. Recordemos, sin embargo, que el paso de sustancias a travs de la membrana, depende, no solo, del gradiente electroqumico, sino de la permeabilidad de la membrana a dicha sustancia. Hay sustancias que logran atravesar libremente la membrana plasmtica (teniendo un peso molecular bajo, siendo lipofilica, no polar, y no teniendo carga elctrica), siguiendo obviamente su gradiente de concentracin, siendo este el ejemplo caracterstico de los gases plasmticos (O2 y CO2), al igual que hay otras que no pueden atravesarla libremente (por ser de alto peso molecular, ser polar, o tener carga elctrica), estas ltimas requieren de canales proteicos en la membrana celular que permitan el paso a travs de la misma (ejemplo, los canales inicos en el caso de los iones, y las acuaporinas en el caso del agua), hablando en este caso de difusin pasiva o simple. Por el contrario, hay molculas mas grandes aun, como la glucosa y algunos monosacridos, que tampoco pueden atravesar libremente la membrana y requieren una protena transportadora que permita su paso a travs de la membrana, captando inicialmente la molcula en el exterior celular y sufriendo posteriormente un cambio conformacional hasta liberarla en el interior celular, siendo esto conocido como difusin facilitada. Encontramos una diferencia importante a nivel de la cintica de dichos procesos de transporte, ya que la difusin simple presenta una cintica de tipo lineal, en donde a mayor cantidad de molculas, mayor velocidad de transporte, sin presentar saturacin; mientras que la difusin facilitada, al tener una protena transportadora, que presenta cambios conformacionales necesarios para el transporte del soluto, presenta una cintica con saturacin, en donde llega un punto que independientemente de la cantidad de molculas presentes, no se puede transportar a mayor velocidad.

Figura 10. Cinticas de Transporte. Se compara la cintica lineal de la difusin simple, con la cintica de saturacin de la difusin facilitada, esta ltima en base a la mxima velocidad de cambio conformacional que puede experimentar la protena transportadora.

Figura 11. Mecanismos de transporte a travs de la membrana. Se evidencian los procesos de transporte pasivo (difusin) y transporte activo. La difusin puede implicar el paso de solutos directamente a travs de la membrana (gases plasmticos), o bien el paso de molculas con carga elctrica (iones), o molculas pequeas polares (agua), a travs de canales proteicos, denominndose difusin simple. Otro tipo de molculas de un mayor tamao (glucosa, aminocidos), requieren de protenas transportadoras, las cuales captan la molcula en el exterior celular y sufren un cambio conformacional que las transporta al medio intracelular, denominndose Difusin Facilitada. Los sistemas de transporte activo tambin usan protenas transportadoras (bombas), sin embargo, desplazan los solutos en contra de su gradiente de concentracin, por lo que requieren un gasto energtico extra, usualmente en forma de ATP (transporte activo primario).

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Osmosis: Es el movimiento de agua a travs de una membrana semipermeable, impulsada por una diferente concentracin de solutos entre ambos compartimientos, en donde el agua pasara del compartimiento con menor cantidad de solutos, al que tenga mayor concentracin de solutos disueltos en la solucin, o bien, analizndolo desde el punto de vista del agua, es lo mismo decir, la difusin del agua de un compartimiento con mayor concentracin a uno con menor concentracin. El movimiento del agua es pasivo y la energa que alimento este desplazamiento es la diferencia de presin osmtica (gradiente osmtico) a travs de la membrana plasmtica. La presin osmtica es la fuerza impulsora de la difusin de agua, y est determinada exclusivamente por el nmero de molculas presentes en la solucin (osmoles), no depende de factores como el tamao de las mimas, la masa o su naturaleza qumica. Se calcula segn la Ley de Vant Hoff: = nCRT En donde, es presin osmtica. N, la cantidad de partculas disociables por molcula; C, la concentracin total de solutos; R, la constante de los gases; y, T, la temperatura en grados Kelvin.

Desde un punto de vista fsico es la presin necesaria para detener el proceso de osmosis; Ejemplo: si estamos en presencia de dos compartimientos con una diferencia de solutos importante, entonces se va a establecer un gradiente osmtico (derivado de la diferencia de concentracin de solutos disueltos en solucin ver ms adelante) grande, necesitando mayor presin para impedir este proceso (imagnense poner un gran pistn contrarrestando la difusin de liquido, mientras mas quiera el liquido moverse, mas fuerza tienes que hacer con el pistn para impedirlo), por lo que la presin osmtica es un parmetro en relacin con el gradiente osmtico entre 2 compartimientos, a mayor presin osmtica, mayor cantidad de solutos disueltos en un compartimiento y por lo tanto mayor gradiente osmtico y tendencia a la osmosis.

Figura 12. Gradiente osmtico entre 2 compartimientos. Si suponemos que el compartimiento A tiene una mayor concentracin de solutos que el compartimiento B. Al tener mayor cantidad de solutos disueltos en solucin (osmoles) ejerce un poder osmtico de atraccin de agua, facilitando la difusin de la misma del compartimiento B al A (osmosis), esto aumentara la cantidad de lquido en A, hasta que la presin hidrosttica alcanzada en este compartimiento contrarreste la continua difusin de agua desde B (estado de equilibrio). La presin hidrosttica iguala a la presin osmtica en el estado de equilibrio.

La presin osmtica suele correlacionarse segn los trminos, osmolaridad y osmolalidad, ambos elementos son medidas de concentracin de solutos, que toman en cuenta el numero de partculas disueltas en una solucin y no la masa del soluto, esto est relacionado de manera directa con la presin osmotica de una solucin, ya que esta depende del nmero de partculas disueltas en la solucin, y no del tipo de soluto presente. Ambos trminos suelen confundirse y se utilizan de forma errnea como si fueran sinnimos. 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 solvente, para cualquier solucin suele calcularse experimentalmente en base a la disminucin del punto de congelacin de la solucin. Para las soluciones diluidas la diferencia entre ambos parmetros es insignificante. Las medidas de la osmolaridad dependen de la temperatura, porque el volumen del disolvente vara segn la misma. Por el contrario, la osmolalidad, que depende de la masa del disolvente, es independiente de la temperatura. Por dicha razn suele preferirse la osmolalidad para los sistemas biolgicos. Hemos mencionado en reiteradas ocasiones que la presin osmtica y la osmolaridad dependen del nmero de partculas disueltas en la solucin (que constituirn los osmoles), esto a su vez, depende de la capacidad de disociacin de la partcula, por ejemplo: el NaCl al disociarse en agua, genera un tomo de Na y uno de Cl, por lo que cada mol de NaCl realmente tiene 2 osmoles, o genera 2 osmoles eficaces, que es realmente lo que genera presin osmtica en el organismo; igualmente 1 mol de CaCl2, al disociarse genera 1 mol de Ca++ y 2 moles de Cl-, por lo que genera 3 osmoles eficaces; al igual que 1 mol de glucosa, al no poder disociarse genera igualmente 1 solo osmol de glucosa. Podemos tambin incluir el concepto de tonicidad de una solucin, el cual es la capacidad que tiene una determinada solucin de cambiar el volumen de una clula, teniendo esto intima relacin con la osmolaridad de la solucin y el interior celular. Por ejemplo, se dice que una solucin es isotnica cuando no altera el volumen celular (esto se presenta cuando los 2 compartimientos presentan la misma osmolaridad), es hipertnica, cuando lleva a una disminucin del volumen celular (presentndose cuando el exterior celular es hiperosmolar, lo que genera un gradiente osmtico que tiende a movilizar el agua hacia el exterior celular), y es hipotnica, cuando lleva a un aumento del volumen intracelular (esto presentndose ante un medio hipoosmolar, en donde el gradiente osmtico lleva al agua hacia el interior celular, para tratar de aumentar la osmolaridad extracelular y alcanzar el equilibrio).

Figura 13. Se evidencia los cambios celulares en relacin a soluciones de diferente tonicidad. En la primera situacin se coloca una clula una solucin A, experimentando un aumento de volumen, lo cual implica que la solucin es hipotnica. En la segunda situacin, no hay cambios celulares, implicando que la solucin es isotnica. En la ltima situacin, la celula disminuye su volumen (crenacin), indicando que la solucin es hipertnica.

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 H20, de forma que son isosmticas. Cuando se introducen hemates, que para este ejemplo tienen una osmolalidad del lquido intracelular de 300 mOsm/Kg H20 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 realmente isotnica, mientras que la de urea, es hipotnica. A que se debe esto?, es causado por la diferente permeabilidad de la membrana plasmtica a la sacarosa y a la urea. La membrana de los hemates contiene transportadores exclusivos para la urea, de forma que esta molcula atraviesa con facilidad la membrana, siguiendo su gradiente de concentracin, lo que aumenta la osmolaridad intracelular y conlleva la entrada de agua al interior celular. Por el contrario, la membrana de los hemates carece de transportadores para la sacarosa, por lo que esta no consigue entrar a la clula, ejerciendo su efecto osmtico en la solucin, contrarrestando los mismos 300 mOsm intracelulares, constituyendo una solucin isosmtica. De esto concluimos que para que una molcula pueda ejercer una presin osmtica a travs de una membrana, no puede atravesarla, siendo estos elementos denominados osmoles eficaces, mientras que la urea es un osmol ineficaz. Dada su abundancia en el LEC, el Na+ (VN = 135-145 mmol/L) es el principal determinante de la osmolalidad de este compartimiento, generando una osmolaridad aproximada de 290-300 mOsm/L, siendo esta la osmolaridad plasmtica normal. Las variaciones de la concentracin de sodio son los principales determinantes si el medio esta hiperosmolar o hipoosmolar, otros osmoles importantes plasmticos son la glucosa y la urea, debido a sus concentraciones importantes a nivel vascular, es as como podemos calcular la osmolaridad plasmtica con la siguiente formula: Osm = 2 (Na+) + 0.055 (glucosa) + 0.36 (BUN, urea)

u Osm= 2 (Na) + (Glucosa / 18) + (urea/2.8) (tomando como valores normales, Glucosa (60-100 mg/dl), Urea = 7-20 mg/dl) ,cual sea la frmula que se utilice, hay que destacar que los principales parmetros clnicos para determinar la osmolaridad plasmtica son el sodio, la glucosa y la urea en sangre, siendo, sin embargo, el ms importante el sodio. La consideracin de la glucosa y la urea adquiere especial importancia en pacientes diabticos (Hiperglicemia), o en pacientes con falla renal crnica (retencin de desechos nitrogenados). Recordemos que las posibles diferencias de presin osmtica entre el LEC y el LIC son responsables del desplazamiento del lquido entre estos compartimientos. Dado que la membrana plasmtica de las clulas contiene canales para el agua (acuaporinas), el agua puede atravesarla con facilidad. Por tanto, un cambio en la osmolalidad del LEC o del LIC determina un rpido movimiento de agua entre estos compartimientos, induciendo un equilibrio osmtico entre los compartimientos. De esta forma, si estamos en presencia de un paciente que nos llega con los siguientes valores plasmticos: Na+ = 146 mEq/L, K= 5 mEq/L, glucosa = 120 mg/dl, Urea = 32 mg/dl. Podemos afirmar que su osmolaridad plasmtica con seguridad debe estar por encima de los 300 mOsm/L, y por ende presenta una hiperosmolaridad a nivel plasmtico, en base a lo cual la clula tendera a dejar salir agua de su interior, para compensar la osmolaridad. Si el caso es, Na+ = 130 mEq/L, Glucosa = 85 mg/dl, Urea = 18 mg/dl El paciente se encuentra en un estado hipoosmolar, independientemente que las concentraciones de glucosa y urea del paciente se encuentren normales, recuerden que el sodio es el principal osmol eficaz del plasma, en base a esto la clula va a tender a ingresar agua a su interior y aumentar paulatinamente su volumen para tender a aumentar la osmolaridad plasmtica y volverla a valores normales. Las clulas, en condiciones fisiolgicas, estn rodeadas de una solucin isotnica, por lo que no debemos esperar cambios de su volumen, sin embargo, el mantenimiento de este estado estable es un proceso activo, en el que se consume ATP y esta implicada de forma especfica la Na+/K+ ATPasa. Esta necesidad de consumir energa para mantener el volumen celular en una solucin isotnica es consecuencia del efecto de las protenas intracelulares sobre la distribucin de los iones a travs de la membrana plasmtica, segn el denominada efecto Gibbs-Donnan. Este efecto se produce cuando una membrana que separa dos soluciones es permeable a algunas de las molculas en la solucin, pero no a todas. Por ejemplo, en las clulas, las protenas intracelulares no son difusibles, quedando retenidas en el interior celular, a diferencia del resto de molculas orgnicas y iones. El concepto de este fenmeno establece que cuando tenemos 2 compartimientos con iones, y en uno de ellos hay iones no difusibles (ejemplo: protenas), los iones difusibles tendrn a redistribuirse para mantener la ley de electroneutralidad (es decir, el resto de iones que puedan salir de la membrana se arreglaran de manera tal que la carga elctrica en ambos compartimientos sea la

misma), presentando el mismo producto de concentraciones a ambos lados de la membrana, sin embargo, siempre la sumatoria de los iones ser mayor en el compartimiento donde este el ion no difusible. Lo explicaremos mejor con el presente dibujo:

Figura 14. Equilibrio Gibbs-Donnan

Supongamos la situacin 1, en donde tenemos un compartimiento A (intracelular) y un compartimiento B (extracelular), como vemos existe una electroneutralidad entre ambos compartimientos (dada por la presencia de 100 cargas positivas en el interior y exterior celular), sin embargo, vemos que existe un desbalance de concentraciones qumicas, ya que en el interior celular no hay iones cloro, as como en el exterior celular no hay protenas, sin embargo, las protenas se quedan retenidas en el interior celular, por lo que el ion que va a tender a difundir es el cloro (siguiendo su gradiente qumico). A medida que va entrando al interior celular, las cargas negativas intracelulares van aumentando, lo cual desbalancea la electroneutralidad entre ambos compartimientos, e impulsa (por gradiente elctrico), al sodio a entrar tambin al interior celular, resultando ahora en un aumento importante de solutos en el interior celular, como se ve en la situacin 2, sin embargo, vemos que se mantiene la electroneutralidad (iguales cargas positivas en el interior y exterior celular), es decir, hubo una redistribucin de los iones entre ambos compartimientos, que llevo a un aumento en el nmero de solutos en el interior celular, que se mantuvo hasta llegar a la electroneutralidad, y que ocurri como consecuencia de la presencia de protenas en el interior celular. Al existir mayor cantidad de solutos disueltos en la solucin en el interior celular, aumenta la osmolaridad intracelular, lo que provocara un gradiente osmtico que impulsara al agua a entrar a la clula, aumentando por lo tanto el volumen intracelular. Este fenmeno, ocurre en todas las clulas como consecuencia del efecto Gibbs-Donnan que acabamos de describir. En las clulas, el efecto Gibbs Donnan aumenta el nmero de molculas con actividad osmtica en el interior celular, produciendo edema intracelular. Sin embargo, este

efecto es contrarrestado por la actividad de la Na+/K+ ATPasa, encargada de sacar de forma activa 3 molculas de sodio, introduciendo solamente 2 molculas de potasio, de tal manera, que reducimos el nmero de partculas con actividad osmtica dentro de la clula respecto al que se observara como consecuencia del Efecto Donnan, manteniendo el volumen celular en las soluciones isotnicas. Filtracin: Es el paso de molculas de agua y solutos a travs de una membrana semipermeable siguiendo un gradiente de presin, siendo esta una diferencia con la difusin, la cual se caracteriza por ser mediada por un gradiente de concentracin electroqumico. El principal ejemplo donde vemos este fenmeno, es en el intercambio de solutos a nivel de los capilares sanguneos, en donde encontramos 2 presiones opuestas que regulan el movimiento de agua y solutos. Una presin en el interior del vaso sanguneo, denominada presin hidrosttica intravascular, la cual depende de la fuerza ejercida por la columna de agua contra las paredes del vaso sanguneo, la cual tiende a impulsar la salida de liquido hacia el exterior del capilar (constituyendo el fenmeno de filtracin como tal); y una segunda presin, determinada por la presencia de protenas en el interior del capilar (las cuales, no pueden salir del mismo, debido a la impermeabilidad relativa de la pared endotelial a estas molculas de gran tamao), denominada presin oncotica plasmtica (similar a la presin osmtica), y deriva de la tendencia de las protenas a retener agua con ellas (ya que, al quedarse retenidas dentro del capilar, aumentan su concentracin y generan un gradiente osmtico que tiende a mantener agua con ellas), esta presin tiende a contrarrestar a la presin hidrosttica, y a favorecer la entrada de liquido al interior del vaso (fenmeno conocido como absorcin). Estas presiones juegan un equilibrio dinmico a nivel de los capilares sanguneos, que permiten que en el extremo arterial de los capilares, la presin hidrosttica intravascular sea mayor que la presin oncotica, y se permita la salida de liquido hacia las clulas, mientras que hacia el extremo venoso del capilar, la presin oncotica supera a la presin hidrosttica plasmtica, lo que permite la recaptacin de la mayora del liquido previamente filtrado. Ver Figura 15

Figura 15. Proceso de Filtracion y Absorcin a nivel capilar. Evidenciamos como a nivel del extremo arterial, la presin hidrosttica es alta y supera a la presin oncotica, lo que lleva a permitir la salida de liquido hacia el exterior del capilar; mientras que en el extremo venoso, ya la presin hidrosttica ha cado (como consecuencia de la salida de liquido), y ahora la presin oncotica la supera, por lo que se favorece la reabsorcin de agua hacia el interior del mismo.

-

Arrastre por solvente: Este fenmeno se presenta en determinados epitelios (como el intestinal y el renal), en donde existe una alta tasa de absorcin de elementos (tanto agua como solutos), los cuales pueden ser absorbidos, o bien, a travs de la clula (transporte Transcelular), o bien pasando por un espacio presente entre las clulas (transporte paracelular). En este caso, si se produce la absorcin de agua (mediada por un gradiente osmtico, como siempre), a travs del espacio paracelular, al ser este amplio, y no selectivo, esta agua puede arrastrar consigo otros elementos presentes en el lumen, como por ejemplo

iones Na+ y Cl, independientemente de su gradiente electroqumico, por esto se denomina arrastre por solvente.Figura 16. Se evidencia el fenmeno de arrastre por solvente. Cuando el agua se mueve siguiendo su gradiente osmtico por va paracelular a travs de una hendidura altamente permeable, el flujo de agua puede condicionar el arrastre de solutos con ella.

En el caso del transporte activo, el mecanismo es llevado a cabo por protenas transportadoras (bombas), las cuales pueden transportar uno o dos solutos al mismo tiempo (cotransportadores), en una misma direccin (simporters) o en direccin contraria (antiporters). Podemos encontrar 2 categoras: una en la cual, la molcula sea transportada en contra de su gradiente, impulsada por el gasto directo de ATP (utilizando protenas transportadoras dependientes de ATP), denominndose Transporte Activo Primario, teniendo como ejemplo la bomba Na+/K+ ATPasa, la cual bombea 3 tomos de sodio hacia el exterior celular e introduce 2 tomos de potasio, en contra del gradiente; o bien la posibilidad de impulsar un soluto en contra de su gradiente, gracias a la energa suministrada por el movimiento de otro soluto a favor de su gradiente, siendo esto conocido como Transporte activo Secundario, un ejemplo seria el intercambiador Na+/Ca++ presente en la membrana celular, el cual introduce 3 molculas de sodio al interior celular (a favor de su gradiente), y saca 1 tomo de calcio hacia el exterior (en contra del gradiente), sin requerir un gasto directo de ATP, o bien el transportador SGLT-1, que permite la entrada de Glucosa al interior celular (en contra de su gradiente), siendo impulsada por el gradiente que favorece la entrada de 2 tomos de Sodio a la clula.

Figura 17. Bomba Sodio Potasio. Se evidencia la actividad de la protena transportadora, la cual mueve 3 iones de sodio hacia el exterior celular (en contra del gradiente de concentracin), y 2 iones de potasio al interior celular. Requiere el gasto extra de 1 molcula de ATP. Es un ejemplo de transporte activo.

Podemos resumir dichos transportes en la siguiente figura:

Figura 18. Mecanismos de transporte a nivel celular.

En la siguiente figura podemos evidenciar ejemplos de transporte activo y pasivo a nivel celular, vemos que el sodio puede entrar al interior celular, as como el potasio puede salir hacia el exterior, siguiendo sus gradientes de concentraciones electroqumicos y la permeabilidad generada por la presencia de canales inicos especficos para ellos; de igual manera la glucosa puede entrar al interior celular gracias a la presencia de transportadores GLUT, constituyendo estos ejemplos de transporte pasivo. En relacin al transporte activo, podemos evidenciar la bomba sodio-potasio ATPasa, como ejemplo de transporte activo primario, en donde se gasta ATP, para permitir la salida de sodio al exterior celular y la entrada de potasio hacia la clula, en contra de sus gradientes. Y un ejemplo de transporte activo secundario, como el intercambiador Na+/Ca++, ya descrito anteriormente.

REGULACIN DEL BALANCE HDRICO Diariamente, nosotros ingerimos una variedad de alimentos y agua, as como excretamos productos de desecho. En un individuo sano, estos procesos tienen lugar sin cambios significativos en el volumen de lquidos corporales ni en su composicin. Este mantenimiento del equilibrio en estado estacionario, en el que el volumen y la composicin de los lquidos corporales permanece constante aunque se aada y elimine agua y solutos del organismo, refleja en gran medida la funcin de diversas clulas epiteliales y sistemas de regulacin orgnicos. Todos los das se ingieren diversos volmenes de lquido y se produce agua por el metabolismo celular. Es importante recordar que la cantidad de agua que se aade al organismo cada da no es constante, aunque se puede regular en cierta medida por el mecanismo de la sed. Adems, se pierde agua a travs del sudor, la respiracin y las heces. La cantidad de agua que se pierde por estas vas tambin experimenta cambios a lo largo del tiempo, segn la frecuencia respiratoria, la actividad fsica, la temperatura ambiental, y la presencia o ausencia de diarrea. La nica va de excrecin de agua regulada en el cuerpo son los riones. El organismo mantiene el equilibrio del agua en estado estacionario asegurndose de que la cantidad de agua que se incorpora cada da al mismo es exactamente que la eliminada o excretada. El cuerpo controla la cantidad de agua que contiene a travs de los cambios de la osmolalidad del LEC. Cuando el cuerpo recibe un exceso de agua, la osmolalidad del LEC disminuye. Por el contrario, cuando se pierde demasiada agua, la osmolalidad aumenta. Las clulas del hipotlamo cerebral controlan los cambios de dicha osmolalidad del LEC respecto del punto lmite (de referencia osmolar) que cada persona tiene determinada genticamente. Cuando se produce una desviacin respecto de este punto, se activan unas seales hormonales y neurales (efectoras). Por ejemplo, cuando aumenta la osmolalidad del LEC, se envan seales neuronales a otra regin del hipotlamo para estimular la sensacin de sed. Al mismo tiempo, se secreta hormona antidiurtica (vasopresina) en la neurohipofisis, que acta sobre los riones para reducir la excrecin de agua. Por tanto, se aumenta la ingesta de agua al tiempo que se reducen las prdidas corporales, de forma que la osmolalidad del LEC recupera su valor predeterminado. Cuando la osmolalidad del LEC se reduce, se inhibe la sed, as como la liberacin de vasopresina, lo que se traduce en una reduccin en la ingesta de agua y un aumento de la excrecin renal. Estas acciones, de nuevo, estn orientadas a normalizar la osmolalidad del LEC segn los valores deseados. POTENCIAL DE MEMBRANA Ya hemos descrito que la membrana celular es una bicapa lipdica selectivamente permeable a diferentes molculas, de hecho, es prcticamente impermeable a los iones, comportndose como una especie de aislante entre 2 soluciones llenas de iones (cargas elctricas), el lquido intracelular y

el lquido extracelular. Como sabemos existe una diferencia en la distribucin inica entre el exterior y el interior celular, existiendo una gran cantidad de Na+ y Cl- en el exterior de la clula y una gran cantidad de K+ y A- (protenas, AA) en el interior celular. Al ser los iones molculas cargadas elctricamente (bien sea positiva o negativamente), hay una distribucin diferencial de cargas elctricas dentro y fuera de la clula, es decir, existe un potencial elctrico diferente a ambos lados de la membrana, cuando decimos potencial elctrico hablamos de energa potencial elctrica (sencillamente energa elctrica generada por un acumulo de cargas elctricas, que son en este caso los iones). Esta separacin de cargas se mantiene porque la doble capa lipdica de la membrana bloquea la libre difusin de los iones. Por lo que esta separacin de cargas da origen a una diferencia de potencial elctrico, o voltaje, a travs de la membrana (es decir, debido a los diferentes potenciales elctricos a ambos lados de la membrana se genera una diferencia de potencial, o diferencia de voltaje), denominado POTENCIAL DE MEMBRANA (Vm) El potencial de membrana se define como: El potencial elctrico en la parte interna de la clula menos el potencial en la parte externa. Es decir, Vm = Vic - Vec Sin embargo, por convencin, el potencial fuera de la clula se establece en 0. Por lo cual el potencial de membrana va a ser igual al potencial en la parte interna de la clula. Vm = Vic Si aplicamos la Ley de Ohm para determinar la diferencia de potencial, I = P/R, podramos despejar la formula, y concluir que la diferencia de potencial (P), es igual a la corriente elctrica que fluye (I), multiplicada por la resistencia de la membrana (R), siendo esta otra forma de interpretar el potencial de membrana. El potencial de membrana depende entonces de la diferente distribucin inica a travs de la membrana plasmtica, lo cual a su vez, est regulado por el trfico o movimiento de iones a travs de la misma. El potencial de membrana de una clula en reposo recibe el nombre de potencial de membrana en reposo, y suele ser de alrededor de -60 a -70 mV, debido al gran acumulo de cargas elctricas negativas en el interior celular. Para lograr entender como la diferencia de distribucin de los iones genera este potencial de reposo, comenzaremos con un ejemplo de permeabilidad exclusiva de membrana, como es el caso de las clulas gliales, las cuales son exclusivamente permeables a un tipo de ion en reposo (potasio), esta explicacin nos detallara igualmente lo que es el potencial de equilibrio de un ion. La clula glial tiene un potencial de reposo de -75mV, en ella la inmensa mayora de los canales inicos son exclusivamente permeables al K+. Como resultado de ello, la membrana de la clula glial solo permite la movilizacin de K+. Al igual que el resto de las clulas, la gla tiene una elevada concentracin de K+ y A- en el interior celular y una gran concentracin de Na+ y Cl- en la externa. Como el K+ est presente en una gran concentracin en el interior de la clula se genera un gradiente qumico que lo impulsa a salir al exterior, como resultado de esto, progresivamente, el interior celular se va haciendo ms negativo (ya que estn saliendo cargas positivas, el K+, quedndose los A-, que son protenas, que no pueden salir a travs de la membrana), esto lleva a que a medida que el K+ sale (y el interior se va haciendo cada vez ms negativo), la misma difusin

se autolimita, llega un punto en que el interior es tan negativo, que comienza a atraer por gradiente elctrico al potasio, contrarrestando su salida por gradiente qumico. As podemos ver que el trfico de iones est sujeto a 2 fuerzas: una fuerza de arrastre qumica que depende del gradiente de concentracin a travs de la membrana (que, en este caso, impulsa al K+ a salir); y una fuerza de arrastre elctrica que depende de la diferencia de potencial a travs de la membrana (que, en este caso, al salir progresivamente el K+, y volvindose el interior celular ms negativo, atrae K+ del medio externo).

Figura 19. En la primera situacin, observamos una clula exclusivamente permeable al K+, en donde, en base a la diferencia de gradiente de concentracin, entre el interior y el exterior celular, este va a difundir hacia el lquido extracelular, dejando atrs, las cargas inicas negativas generadas por el acumulo de protenas intracelulares. A medida que sigue saliendo el K+, el potencial intracelular va hacindose cada vez ms negativo, lo que implica que se establece un gradiente elctrico al interior celular (al ser el K+ un in positivo), que tiende a contrarrestar el gradiente de concentracin qumico que impulsa la salida de K+. El potencial de membrana (potencial intracelular), la tendencia de arrastre al medio intracelular por el gradiente elctrico, contrarresta e iguala al gradiente de concentracin qumico que tiende la salida del in, se denomina potencial de equilibrio.

En resumen, una vez que la difusin de K+ ha alcanzado cierto punto, se desarrolla un potencial a travs de la membrana con el cual la fuerza elctrica que arrastra K+ al interior de la clula est en perfecto equilibrio con la fuerza qumica que arrastra al K+ fuera de la clula. Es decir, el movimiento hacia fuera de K+ (arrastrado por su gradiente de concentracin qumico) es igual al movimiento hacia dentro de K+ (arrastrado por la diferencia de potencial elctrico de la membrana). Este potencial de membrana al cual ocurre dicho fenmeno, recibe el nombre de potencial de equilibrio del potasio. En una clula permeable tan solo a los iones de K+, el Ek (potencial de equilibrio del potasio) es igual al potencial de membrana en reposo, que es de -75 mV. Entonces podemos definir al potencial de equilibrio de un ion como el potencial de membrana al cual no hay un flujo neto del ion a travs de la membrana, o bien como el potencial de membrana que contrarresta la tendencia del ion a seguir su gradiente de concentracin qumico. En el potencial de equilibrio se alcanza un equilibrio electroqumico en donde las fuerzas qumicas y elctricas que actan sobre un ion son iguales y opuestas y no ocurre difusin neta del mismo.

Figura 20. Difusin del Na+ a travs de una membrana exclusivamente permeable al mismo, que demuestra que la difusin del mismo se mantendr hasta que las cargas negativas en el compartimiento 1, tiendan a arrastrar al interior, la misma cantidad de ion que tiende a salir, y se establezca el potencial de equilibrio.

El potencial de equilibrio para cualquier ion puede calcularse mediante una ecuacin derivada en 1888 de los principios bsicos de la termodinmica por el fisicoqumico alemn Walter Nernst. La ecuacin de Nernst puede utilizarse para calcular el potencial de equilibrio de cualquier ion que se encuentra a ambos lados de una membrana permeable para el. E = Vic-Vec= (RT/zF) * ln (Cec/Cic) Una vez descrito como los gradientes inicos generan el potencial de reposo glial, y como este es igual al potencial de equilibrio del potasio, (por tener una permeabilidad exclusiva al mismo). Analizaremos el caso del resto de las clulas, en donde esto no ocurre igual, ya que la mayora de las clulas son permeables a 3 tipos de iones en reposo, el Na+, el K+ y el Cl-. Para entender cmo se relacionan estos iones, vamos a pensar rpidamente en nuestro ejemplo anterior de las clulas gliales, imagnense que a estas clulas (exclusivamente permeables al potasio en reposo), le ponemos ahora unos canales inicos abiertos en reposo para el Na+, que va a pasar?, pues que el Na+ va a tender a entrar al interior de la clula, siguiendo su gradiente electroqumico, (elctrico por la carga negativa en el interior de la clula, derivada de la salida de potasio en reposo, y el acumulo de las protenas intracelulares con carga negativa, y qumico por la mnima concentracin del mismo en el medio intracelular). Este influjo de cargas positivas (Na+) despolariza la clula (es decir, lleva su potencial de membrana a valores ms positivos, ya que estoy metiendo cargas positivas al interior celular, disminuyendo la diferencia de cargas entre el interior y el exterior celular), pero solo ligeramente por encima del potencial de equilibrio del K+. El nuevo potencial de membrana no se aleja mucho del potencial inicial ya que la conductancia o permeabilidad de la membrana en reposo al Na+ es muy poca, es decir, solamente hay pocos canales de Na+ abiertos en reposo, por lo cual no logra entrar tantos iones como para despolarizar significativamente la membrana. En el ejemplo glial estbamos en un potencial de equilibrio, ya que haba un equilibrio entre la cantidad de K+ que sala y que entraba por la membrana, pero ahora ya que se despolariza un poco la membrana por la entrada de Na+, esto reduce la fuerza elctrica negativa que arrastraba al K+ al interior de la clula, por lo tanto se establece un flujo neto de K+ al exterior de la clula (siguiendo su gradiente electroqumico), este flujo neto tiende a contrarrestar el flujo de entrada del Na+. Por lo

que, el potencial de membrana alcanza un nuevo potencial de reposo, un nuevo punto de equilibrio, con el cual el movimiento hacia fuera de K+ neto equilibra exactamente el movimiento hacia dentro de Na+. Este punto de equilibrio suele ser de -60mV a -70 mV, en el caso de la neurona. Para comprender como se determina este punto de equilibrio, tngase en cuenta que la magnitud del flujo de un ion a travs de una membrana celular es el producto de su fuerza de arrastre electroqumica (la suma de las fuerzas de arrastre qumicas y elctrica) por la conductancia o permeabilidad de la membrana al ion. Una clula tiene relativamente pocos canales de reposo abiertos para el Na+, de forma que, en estado de reposo, la conductancia para el Na+ es muy baja. Por lo que, pese a las grandes fuerzas qumicas y elctricas que arrastran al Na+ al interior de la clula, la entrada de este es escasa. En contraste con ello, como hay muchos canales de reposo de K+, la conductancia de membrana para el K+ es relativamente grande. Como resultado de ello, la pequea fuerza neta hacia fuera que acta sobre el K+ con el potencial de membrana en reposo es suficiente para producir un flujo de K+ hacia fuera igual al de Na+ hacia dentro. Ahora, si el potencial de membrana en reposo depende del gradiente electroqumico para el sodio y para el potasio, debemos suponer, que estos gradientes no pueden mantenerse de manera indefinida. La salida constante de potasio estara limitada al agotarse el potasio intracelular, alcanzando unas concentraciones similares a las del medio extracelular, terminando la difusin, y vis a versa para el sodio. La disipacin de los gradientes inicos se evita gracias a la actividad de la bomba Na+-K+ ATPasa, que mueve estos iones en contra de sus gradientes electroqumicos, extrayendo Na+ de la clula e introduciendo en ella K+. La bomba juega 2 roles importantes en el mantenimiento del potencial de membrana en reposo. En primer lugar, tiene un pequea contribucin directa electrogenica, ya que saca 3 cargas positivas de Na+ e introduce 2 cargas positivas de K+ al interior celular (dejando el interior celular ms negativo). En segundo lugar, la contribucin indirecta ms importante es mantener los gradientes inicos, ya que saca fuera de la clula el Na+ que est entrando y permite que se mantenga el gradiente qumico, e igualmente introduce el K+ que est saliendo, para que su gradiente se mantenga.

Figura 21. Observamos el flujo inico responsable de mantener el potencial de membrana en reposo. La mayor cantidad de canales de K+ abiertos implica una salida neta del in al medio extracelular, dejando el interior celular cargado negativamente. Al haber canales inicos de Na+ (en mucha menor cantidad) abiertos, este entra el medio intracelular, impulsado por el gradiente electroqumico. La entrada de este catin implica que el medio intracelular no llega a alcanzar nunca un potencial tan negativo como para igualar el potencial de equilibrio del potasio, manteniendo el potencial de membrana alrededor de -70 mV. Para mantener dichos gradientes inicos, la bomba Na+/K+ ATPasa permite la salida de 3 iones Na+ y la entrada de 2 K+, en contra de su gradiente de concentracin.

En relacin con el Cl-, vamos a ignorar su contribucin actualmente, y solamente acotaremos, que en reposo no hay un flujo neto del ion, ya que en el potencial de membrana en reposo iguala al potencial de equilibrio del ion. Igualmente, en relacin con el clculo del potencial de membrana, ya que esta, en el caso neuronal, determinado por dos o mas clases de iones, la influencia de cada ion no esta solo determinado por la concentracin del ion, sino tambin por la facilidad con la que el ion cruza la membrana, la ecuacin que permite relacionar todas estas variables en relacin con el Na+, K+ y Cl-, se conoce como ecuacin de Goldman (clculo del potencial de membrana)

V rest =

E g +E g +E g g +g +gNa Na K K Cl Na K Cl

Cl

Realizado por: Dr. Luis Alberto Isea M. Clases Fisiologa Normal. Fisiopatologa Humana Agradecimientos a: Dra. Maria Lew ( y su grupo de trabajo), por la disposicin del material de lquidos del organismo de www.temasdefisiologia.com.ar

2011/LAIM