Líquidos Orgánicos y su Composición

En un varón adulto de 70 kg, el agua constituye el 60% del peso corporal (42 litros). Este porcentaje varía dependiendo de la edad, sexo y el grado de obesidad. A medida que uno envejece, este porcentaje se reduce, debido a que el envejecimiento va acompañado de un aumento del porcentaje de grasa del peso corporal. En mujeres, el porcentaje de agua es del 50% debido a que presentan una mayor cantidad de grasa corporal. En bebés neonatos, el agua representa el 70-75%.

Distribución de los Líquidos Corporales

Unos 2/3 de todo este líquido queda dentro de las células y se reconoce como líquido intracelular (LIC); la otra tercera parte queda fuera de ellas y se llama líquido extracelular (LEC). El LEC está en constante movimiento: es transportado en la sangre circulante para mezclarse después con los líquidos tisulares a través de las paredes capilares por difusión. En el líquido extracelular están los iones y nutrientes que necesitan las células para mantenerse vivas, y todas ellas viven en un entorno prácticamente idéntico. Por eso, a este LEC se le llama también medio interno del organismo. Las células son capaces de vivir, crecer y realizar sus funciones esenciales siempre que este medio interno disponga de las concentraciones adecuadas de oxígeno, glucosa, iones, aminoácidos, sustancias grasas y otros.

Compartimentos del Líquido Corporal

El líquido corporal se distribuye en dos compartimentos principales: LIC y LEC. A su vez, el LEC se divide en líquido intersticial, plasma sanguíneo, linfa y líquido transcelular.

• Líquido Transcelular: Comprende el líquido de los espacios sinovial, peritoneal, pericárdico, intraocular y cefalorraquídeo. Aunque se considera un tipo especializado de LEC, en algunos casos su composición puede diferir de forma acentuada de la del plasma o la del líquido intersticial.

1. Compartimento Intracelular (LIC)

Entre 28 y 42 litros de líquido corporal se encuentran en el interior de las células; por lo tanto, el LIC constituye el 40% del peso total de una persona. El líquido del interior de cada célula posee su propia mezcla de diferentes constituyentes, pero las concentraciones de estas sustancias son similares entre unas células y otras. De hecho, la composición de los líquidos corporales es muy parecida entre animales diferentes, desde los microorganismos más primitivos hasta los humanos.

2. Compartimento Extracelular (LEC)

Representa el 20% del peso corporal, aproximadamente 14 litros en un varón de 70 kg. Los dos compartimentos de mayor tamaño del LEC son el líquido intersticial (el que quedaría entre las células y los tejidos, representando 3/4 partes) y el plasma sanguíneo (parte no celular de la sangre, 1/4 parte). Estos intercambian continuamente sustancias a través de los poros de las membranas capilares, que son permeables a casi todos los solutos del LEC, excepto a las proteínas. Debido a esto, el plasma y el líquido intersticial tienen casi la misma composición química, a excepción de las proteínas, que están más concentradas en el plasma. La linfa constituye el 1-3% de la masa corporal.

Composición de los Líquidos Orgánicos

1. Líquido Extracelular (LEC)

La composición iónica del plasma y del líquido intersticial es similar porque están separados solo por las membranas capilares. Esta composición está regulada por diversos mecanismos, pero especialmente por los riñones. Esto permite a las células permanecer bañadas continuamente en un líquido que contiene la concentración adecuada de electrolitos y nutrientes para una función óptima. Contiene grandes cantidades de iones sodio y cloro, cantidades considerables de iones bicarbonato, pero solo pequeñas cantidades de iones potasio, calcio, magnesio, fosfato y ácidos orgánicos. La diferencia más importante entre estos dos compartimentos es la mayor concentración de proteínas en el plasma, debido a que los capilares tienen una permeabilidad baja para las proteínas plasmáticas y solo pequeñas cantidades de proteínas pasan a los espacios intersticiales.

• LEC: Sodio, calcio, cloro, glucosa.
• Intersticial: Bajas proteínas.
• Plasma: Altas proteínas.

2. Líquido Intracelular (LIC)

Está separado del LEC por una membrana celular que es muy permeable al agua, pero no a la mayoría de los electrolitos del cuerpo. Al contrario que el LEC, el LIC contiene solo mínimas cantidades de iones sodio y cloro, y casi ningún ion calcio. En cambio, contiene grandes cantidades de iones potasio y fosfato, y cantidades moderadas de iones magnesio y sulfato. Además, las células contienen grandes cantidades de proteínas, casi cuatro veces más que el plasma.

• LIC: Potasio, fosfato y aminoácidos.

3. Sangre

Contiene LEC (plasma) y LIC (líquido de los eritrocitos). Sin embargo, la sangre se considera un compartimento líquido separado porque está contenida en su propia cámara, el aparato circulatorio. El volumen sanguíneo medio de los adultos es del 7% del peso corporal (aproximadamente 5 litros). Alrededor del 60% de la sangre es plasma y el 40% eritrocitos (hematocrito), pero estos porcentajes pueden variar considerablemente dependiendo del sexo, peso, etc. Los eritrocitos constituyen el 99% del total de las células sanguíneas. El 1% restante del total del volumen sanguíneo lo ocupan las plaquetas y los leucocitos (glóbulos blancos).

Homeostasis del Líquido Extracelular (LEC)

La concentración de los solutos está regulada en gran parte por la cantidad de agua extracelular, que depende de:

• El consumo.
• Las pérdidas por el sudor, respiración y heces.
• La excreción renal: Cuando la concentración del LEC es alta (por falta de agua o exceso de solutos), el riñón retiene más agua y excreta una orina concentrada. Por lo tanto, el riñón puede regular la reabsorción del agua y los solutos.

El organismo es capaz de controlar el volumen de agua excretada gracias a la hormona antidiurética (ADH) o vasopresina, que hace que aumente la reabsorción de sodio y agua en los túbulos colectores de la nefrona, haciendo que el agua se quede en el organismo (al bajar la presión arterial, produce vasoconstricción).

Bases Iónicas de los Potenciales de Membrana

Células y Tejidos Excitables

Se diferencian de los demás porque acumulan y liberan energía eléctrica, conducen señales eléctricas, se comunican entre sí e integran señales y elaboran respuestas adecuadas.

Potencial de Membrana (PM)

Las células tienen una diferencia de potencial entre el interior y el exterior de la membrana plasmática, es decir, hay una diferencia de cargas continua que crea el potencial de membrana en reposo (PMR). El citoplasma es eléctricamente más negativo que el fluido extracelular. El PMR es necesario para la excitabilidad de neuronas, músculo esquelético, liso y corazón. También es importante en la función de otras células no excitables como las epiteliales (órganos de los sentidos) o las linfáticas. Algunos de los procesos que contribuyen a generar el PMR son: macromoléculas cargadas negativamente en el interior de la célula que no pueden salir, y el efecto de la bomba Na+/K+-ATPasa que trabaja sacando 3 iones de sodio e introduciendo 2 iones de potasio, ayudando así a mantener esa diferencia de voltaje negativa en el interior respecto al exterior.

Equilibrio Electroquímico

Si no hay una diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana, una partícula cargada tenderá a ir del lado más concentrado al menos, como si se tratara de una partícula no cargada. Sin embargo, si uno de los lados alcanza la suficiente carga del mismo signo que la partícula, el paso de iones se detiene. Entonces se forma el equilibrio electroquímico, que consiste en el equilibrio entre el gradiente químico y el gradiente eléctrico.

• El gradiente de concentración provoca un movimiento del ion desde el compartimento más concentrado hacia el menos concentrado.
• El gradiente eléctrico, de tendencia opuesta, tiende a detener la entrada de más iones.

El potencial de equilibrio es la carga que hay que aplicar en uno de los lados para oponerse al paso de un ion a favor de su gradiente químico. Este potencial se opone al paso de ese ion y equilibra la tendencia a difundirlo. Depende de cada ion, por ejemplo, de su monovalencia o divalencia. En el potencial de equilibrio, el flujo neto de iones a través de la membrana es cero.

Ecuación de Nernst

Sirve para conocer el potencial de equilibrio. E = (RT/ZF) * ln * (Ci/Ce)

• E = Diferencia de potencial en el equilibrio.
• R = Constante de los gases.
• T = Temperatura absoluta.
• Z = Carga del ion.
• F = Constante de Faraday.
• Ci = Concentración interna del ion.
• Ce = Concentración externa del ion.

Esta ecuación simplificada para una temperatura fisiológica y en logaritmos decimales es: E = (61/Z) * log * (Ci/Ce)

¿Por qué el Potencial de Membrana en Reposo es Negativo?

• Proteínas y fosfatos tienen carga negativa a un pH normal.
• Estos aniones atraen cationes cargados positivamente que pueden difundir a través de los canales celulares.
• La membrana es más permeable al potasio que al sodio (20-100 veces más).
• La bomba Na+/K+ bombea 3 iones de sodio fuera por cada 2 iones de potasio que introduce, generando negatividad adicional (5 al 20%).

El potencial de membrana en reposo en una fibra nerviosa puede suceder en tres condiciones:

1. Solo por la difusión de potasio.
2. Por difusión de potasio y sodio.
3. Por difusión de potasio y sodio y el bombeo de estos por la bomba Na+/K+.

Cambios de Potencial de Membrana

Cuando sucede un cambio de potencial de membrana de una célula, puede ocurrir:

1. Potencial Lento

La frecuencia con la que llega el potencial no sobrepasa la frecuencia umbral, por lo que no es suficiente para producir la despolarización y se extingue rápidamente. Puede ser variable (varias frecuencias) y no se propaga, ya que produce un potencial local (electrotónico) muy bajo que disminuye y luego muere.

2. Potencial de Acción

Si el cambio de potencial sobrepasa la frecuencia umbral, se produce el potencial de acción, que sigue la ley del todo o nada y continúa por la célula sin sufrir cambios, lo que permite a las células excitables transportar señales.

Potencial de Acción: Canales que Participan

Son causados por la apertura de canales para sodio y potasio.

1. Canal de Sodio

Puede estar en tres estados:

• Reposo: Cerrado pero disponible para su apertura por estímulos químicos o eléctricos (-90 mV).
• Activo: Abierto. Permite el paso de una corriente iónica (-90 mV a +35 mV).
• Inactivo: Cerrado y no disponible para su apertura (+35 mV a -90 mV).

2. Canal de Potasio

Puede estar en dos estados:

• Reposo: Cerrado (-90 mV).
• Activación lenta: Deja de salir potasio lentamente hasta la hiperpolarización (+35 mV a -90 mV).

Fases del Potencial de Acción

1. Potencial de membrana en reposo.
2. Estímulo despolarizante umbral: apertura de canales de sodio voltaje-dependientes.
3. Entrada rápida de sodio: despolarización.
4. Cierre de canales de sodio, apertura de canales de potasio.
5. Salida de iones potasio: hiperpolarización.
6. Canales de potasio siguen abiertos, iones potasio siguen saliendo (periodo refractario absoluto y relativo).
7. Vuelta a potencial de reposo (gracias a la bomba Na+/K+).

El período refractario es el período durante el cual es imposible generar otro potencial de acción y coincide con la primera parte del potencial de acción. Esto ocurre porque un gran número de canales de sodio son inactivados y no pueden volver a abrirse hasta que la membrana se repolariza. El período refractario relativo sucede durante la última parte del potencial de acción; aquí la célula es capaz de disparar un nuevo potencial, pero necesita un estímulo mayor de lo normal. La conducción de potasio está aumentada durante este período.

Conducción del Potencial de Acción

Los potenciales de acción y respuestas subumbrales se propagan por flujos de corriente locales. El proceso de conducción del potencial de acción, conocido como conducción electrotónica, es:

1. Un potencial escalonado por encima del umbral alcanza la zona gatillo.
2. Los canales de sodio regulados por voltaje se abren y entra sodio en el axón.
3. La carga positiva fluye en las secciones adyacentes del axón por el flujo de corriente local.
4. El flujo de corriente local desde la región activa hace que nuevas secciones de la membrana se despolaricen.
5. El período refractario impide la conducción retrógrada. La pérdida de potasio desde el citoplasma repolariza la membrana.

El potencial de acción conduce el impulso sin decremento. Para ello, el potencial de acción se regenera a lo largo de la fibra y se dice que es propagado además de conducido. Cuando un área del axón alcanza el umbral, el influjo de sodio y la generación de potencial de acción se repetirán una y otra vez en una dirección en cada segmento de la membrana a lo largo de la célula excitable.

El tamaño y la forma del potencial de acción permanecen invariables; solo se permiten variaciones en la frecuencia de disparo para transmitir señales a lo largo de la fibra. La máxima frecuencia está limitada por la duración del período refractario absoluto (1 ms) a aproximadamente 1000 impulsos/s en nervios grandes.

Transporte de Sustancias a Través de la Membrana Plasmática

Membrana Plasmática

Está constituida estructuralmente por una bicapa de fosfolípidos que intercalan colesterol para controlar su fluidez y permeabilidad. En la membrana se insertan proteínas de diversos tipos que son las que constituyen las características funcionales de la membrana. Estas proteínas son, en su mayoría, glucoproteínas (están asociadas a glúcidos). Dependiendo de la forma en la que estén dispuestas en la membrana, pueden ser:

1. Integrales: Atraviesan por completo toda la estructura.
2. Periféricas: Incluidas de manera parcial en una de las superficies de la membrana, unidas covalentemente a lípidos o asociadas a ellos mediante un dominio hidrofóbico. Dependiendo de la superficie en la que se encuentren, pueden ser extracelulares o intracelulares.

La membrana plasmática tiene una permeabilidad selectiva, puesto que solo deja pasar algunas sustancias a través de la bicapa lipídica. Esta permeabilidad es mayor a menor tamaño y mayor hidrofobicidad; las moléculas cargadas también tienen dificultad para atravesar la bicapa.

Tipos de Transporte Transmembrana

1. Transporte Pasivo

Sin gasto de energía y a favor de gradiente.

– Difusión Simple

• A través de la Bicapa Lipídica: No necesita energía, ocurre a favor de gradiente y es inespecífico. La capacidad de difusión de la bicapa depende de: la diferencia de concentración a ambos lados de la membrana, la permeabilidad de la membrana a la sustancia (hidrofobicidad = lipofilia), la temperatura (que determina la energía cinética de las moléculas) y la superficie de la membrana. Todo esto está regulado por la ley de Fick: Q = – (dc/dx) * A * D, donde Q es la velocidad de paso del soluto (mg/s), dc/dx es el gradiente de concentración, A es el área de difusión y D es el coeficiente de difusión. Por este método atraviesan la membrana moléculas liposolubles (oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno, benceno), moléculas hidrosolubles pequeñas y sin carga (agua, urea, etanol).
• A través de Canales Proteicos: No necesita energía, ocurre a favor de gradiente y es específico, ya que sucede mediante unas proteínas que dejan un orificio en medio por el que pasan las sustancias. Algunas de estas proteínas tienen varias subunidades entre las cuales aparece el orificio antes citado. Existen varios tipos de estos canales: aquellos que están siempre abiertos y los canales tipo compuerta que están siempre cerrados y se abren como respuesta a señales químicas, mecánicas o eléctricas.

Canales Abiertos

Permiten el paso continuo de sustancias. De este tipo son las acuaporinas, poros de membrana que permiten el paso de agua en los procesos osmóticos. También los canales de fuga de iones, que permiten la salida de iones de la célula.

Canales Tipo Compuerta

Están regulados y su apertura (causada por un cambio conformacional) depende de diversos factores. Los activados por voltaje se abren al cambiar el potencial de membrana; los activados por ligando (ROC) se abren cuando una molécula concreta se une a él; y los que se abren por acción mecánica lo hacen cuando la membrana se deforma (contracción, cambio de volumen). El paso de sustancias por estos canales es igual de rápido que a través de la bicapa debido a las interacciones débiles que se producen entre los residuos del interior del poro y las partículas que lo atraviesan. Son altamente selectivos, ya que solo dejan pasar un tipo exclusivo de ion o un grupo con las mismas características; esto lo consigue con filtros selectivos como el tamaño del ion o la atracción de las cargas.

– Difusión Facilitada

No necesita energía, ocurre a favor de gradiente y es específica y saturable, ya que sucede mediante transportadores proteicos (carriers). Los transportadores son proteínas integrales que trabajan cambiando su conformación. Están abiertos a uno de los lados de la membrana y su modo de funcionamiento consiste en que la molécula transportada entra en el canal del transportador y se une a él; seguidamente, la proteína transportadora cambia su conformación de modo que el canal queda abierto hacia el lado contrario de la membrana. Dado que la fuerza de unión del receptor es débil, el movimiento térmico de la molécula unida hace que se libere del receptor y sea liberada hacia este lado. Los transportadores que intervienen en este transporte son los uniportes, que transportan un solo sustrato.

2. Transporte Activo

En contra de gradiente, necesita energía (ATP) y proteínas transportadoras (ATPasa + receptor). Mantiene las diferencias de concentración entre el LEC y el LIC. Permite la absorción de micronutrientes en el intestino, la reabsorción en el riñón y la generación y transmisión del impulso nervioso.

– Primario

Consigue la energía directamente del ATP mediante la defosforilación de ATP o cualquier otro fosfato de alta energía. Las proteínas transportadoras que lo llevan a cabo se llaman bombas:

Bomba Na+/K+-ATPasa:

1. Se unen 3 iones de sodio del LIC al transportador.
2. La ATPasa se fosforila con fosfato inorgánico (Pi) del ATP.
3. Cambia la conformación de la proteína y se liberan los iones de sodio al LEC.
4. Entran 2 iones de potasio del LEC al transportador.
5. La proteína vuelve a cambiar su conformación liberando Pi y se liberan los iones de potasio al LIC.

Ca2+-ATPasa / H+-ATPasa (bomba de protones) / H+/K+-ATPasa (doble dirección).

– Secundario

Consigue la energía del gradiente creado por el ATP (depende de la energía del gradiente artificial creado por el transporte activo primario, que arrastra a otras moléculas en contra de su gradiente). Se lleva a cabo por proteínas transportadoras que movilizan 2 sustratos (cotransporte, que puede ser simporte (hacia el mismo lado) o antiporte (a lados contrarios).

Transportadores Simporte:

• Na+-Glucosa (SGLT):

1. El sodio se une al transportador desde el lumen del intestino.
2. Esto abre un sitio de unión para la glucosa, la cual se une a él.
3. Esto produce el cambio de conformación del transportador, transportando los solutos al interior de la célula.

• Na+-Aminoácidos / Na+-K+-2Cl- / Na+-Sales Biliares (intestino delgado) / Na+-Colina (célula nerviosa) / Na+-Neurotransmisor (célula nerviosa).

Transportadores Antiporte: Na+-Ca2+ / Na+-H+ / HCO3–Cl- / H+-K+.

Familias de Transportadores de Glucosa (GLUT): En los transportadores de glucosa, puede también entrar la maltosa, pero no puede ser transportada. Se convierte así en un inhibidor competitivo del transporte de glucosa.

3. Transporte con Deformación de Membrana

Moléculas grandes y con gasto de energía.

– Endocitosis

Transporte intramolecular. Entrada de macromoléculas y grandes partículas desde el medio extracelular al interior de la célula por invaginaciones de la membrana plasmática. Dependiendo de la naturaleza de la partícula que se incorpora, puede ser:

1. Pinocitosis: Líquido y partículas en disolución.
2. Fagocitosis: Partículas sólidas grandes como microorganismos y restos celulares. Muchas veces la fagocitosis se completa con un proceso digestivo en el que la vesícula formada por endocitosis (fagosoma) se une a otra que contiene enzimas digestivas (lisosoma).

Un tipo especial de fagocitosis es la regulada por receptores de membrana: es específica y solo se lleva a cabo cuando el ligando se une al receptor y forma el complejo ligando-receptor. Una vez pasa esto, se produce la endocitosis en una vesícula recubierta de clatrina. Dentro de la célula, la vesícula pierde la cubierta de clatrina y se divide, dirigiendo al ligando y al receptor por caminos diferentes. Los ligandos se dirigen a los lisosomas o al Golgi para su procesamiento y los receptores vuelven a la membrana por exocitosis.

– Exocitosis

Transporte extracelular. Proceso por el cual las macromoléculas son transportadas al exterior mediante vesículas que se fusionan con la membrana. Dependiendo de las sustancias que secrete y el origen del proceso, puede ser:

1. Constitutiva: Ocurre en todas las células, es continua y sirve para excretar y renovar la membrana.
2. Regulada: En células específicas y originada por un determinado estímulo.

Transcitosis: Tipo especial de transporte que se produce en el endotelio. Consiste en el paso de sustancias a través de sus células desde el plasma sanguíneo hasta el líquido intersticial directamente. Las proteínas plasmáticas se concentran en las caveolas, que luego sufren endocitosis y forman vesículas. Las vesículas atraviesan la célula con la contribución del citoesqueleto. El contenido de las vesículas se libera hacia el líquido intersticial por exocitosis.

Transporte Transepitelial

Los epitelios son barreras protectoras del medio externo, regulan el intercambio de materia y energía con este y contribuyen a mantener el volumen y la composición de los compartimentos corporales. Las células epiteliales presentan diferenciaciones en su membrana dependiendo de su orientación. La membrana apical se encuentra en contacto directo con el medio externo, suele estar replegada en microvellosidades y contiene gran cantidad de transportadores activos. La membrana basal se encuentra en contacto con el medio interno y contiene gran cantidad de transportadores en ambas direcciones. La membrana lateral está en contacto con otras células y presenta uniones estrechas y comunicantes. Esta distinción entre las proteínas transportadoras de la membrana apical y basolateral produce lo que se llama polarización del epitelio. Esto permite el transporte direccional selectivo a través del epitelio. El transporte desde la luz hacia el LEC se llama absorción y desde el LEC hacia la luz, secreción.