CONTRACCIÓN DEL MÚSCULO LISO

El musculo liso, que está formado por fibras mucho menores, habitualmente de 1 a 5 μm de diámetro y de solo 20 a 500 μm de longitud. Por el contrario, las fibras musculares esqueléticas tienen un diámetro hasta 30 veces mayor y una longitud cientos de veces mayor. Muchos de los mismos principios de la contracción se aplican al músculo liso y al músculo esquelético. Lo que es más importante, esencialmente las mismas fuerzas de atracción entre los filamentos de miosina y actina producen la contracción en el músculo liso y en el músculo esquelético, pero la disposición física interna de las fibras musculares lisas es diferente.

TIPOS DE MÚSCULO LISO

El músculo liso de los distintos órganos es distinto del de la mayor parte de los demás en varios sentidos:

1. Dimensiones físicas.
2. Organización en fascículos o láminas.
3. Respuesta a diferentes tipos de estímulos.
4. Característica de la inervación.
5. Función.

Sin embargo, en aras de la simplicidad, el músculo liso en general se puede dividir en dos tipos principales: músculo liso multiunitario y músculo liso unitario (o monounitario).

Músculo liso multiunitario

Este tipo de músculo liso está formado por fibras musculares lisas separadas y discretas. Cada una de las fibras actúa independientemente de las demás y con frecuencia está inervada por una única terminación nerviosa, como ocurre en las fibras musculares esqueléticas. Además, la superficie externa de estas fibras, como en el caso de las fibras musculares esqueléticas, está cubierta por una capa delgada de sustancia similar a una membrana basal, una mezcla de colágeno fino y glucoproteínas que aísla las fibras separadas entre sí.

Las características fundamentales de las fibras musculares lisas multiunitarias son que cada una de las fibras se puede contraer independientemente de las demás, y que su control se ejerce principalmente por señales nerviosas. Por el contrario, una parte importante del control del músculo liso unitario es ejercida por estímulos no nerviosos. Algunos ejemplos de músculo liso multiunitario son el músculo ciliar del ojo, el músculo del iris del ojo y los músculos piloerectores que producen la erección del pelo cuando los estimula el sistema nervioso simpático.

Músculo liso unitario

Este tipo se denomina músculo liso sincitial o músculo liso visceral. El término «unitario» es confuso porque no se refiere a fibras musculares únicas. Por el contrario, se refiere a una masa de cientos a miles de fibras musculares lisas que se contraen juntas como una única unidad.

Las fibras habitualmente están dispuestas en láminas o fascículos, y sus membranas celulares están adheridas entre sí en múltiples puntos, de modo que la fuerza que se genera en una fibra muscular se puede transmitir a la siguiente. Además, las membranas celulares están unidas por muchas uniones en hendidura a través de las cuales los iones pueden fluir libremente desde una célula muscular a otra, de modo que los potenciales de acción o el flujo iónico simple sin potenciales de acción puede viajar desde una fibra a otra y hacer que las fibras musculares se contraigan simultáneamente. Este tipo de músculo liso también se conoce como músculo liso sincitial debido a sus interconexiones sincitiales entre las fibras. También se denomina músculo liso visceral porque se encuentra en la pared de la mayor parte de las vísceras del cuerpo, por ejemplo el aparato digestivo, las vías biliares, los uréteres, el útero y muchos vasos sanguíneos.

MECANISMO CONTRÁCTIL EN EL MÚSCULO LISO

Base química de la contracción del músculo liso

El músculo liso contiene filamentos tanto de actina como de miosina, que tienen características químicas similares a los filamentos de actina y miosina del músculo esquelético. No contiene el complejo de troponina necesario para el control de la contracción del músculo esquelético, de modo que el mecanismo de control de la contracción es diferente.

Estudios químicos han mostrado que los filamentos de actina y miosina del músculo liso interactúan entre sí de manera muy similar a como lo hacen en el músculo esquelético. Además, el proceso contráctil es activado por los iones calcio, y el trifosfato de adenosina (ATP) se degrada a difosfato de adenosina (ADP) para proporcionar la energía para la contracción.

Sin embargo, hay diferencias importantes entre la organización física del músculo liso y la del músculo esquelético, así como diferencias en el acoplamiento excitación-contracción, el control del proceso contráctil por los iones calcio, la duración de la contracción y la cantidad de energía necesaria.

• Base física de la contracción del músculo liso

El músculo liso no tiene la misma disposición estriada de los filamentos de actina y miosina que se encuentra en el músculo esquelético. Por el contrario, las técnicas de microfotografía electrónica indican la organización física, que muestra grandes números de filamentos de actina unidos a los cuerpos densos. Algunos de estos cuerpos están unidos a la membrana celular; otros están dispersos en el interior de la célula. Algunos de los cuerpos densos de la membrana de células adyacentes están unidos entre sí por puentes proteicos intercelulares. La fuerza de contracción se transmite de unas células a otras principalmente a través de estos enlaces.

Interpuestos entre los filamentos de actina de la fibra muscular están los filamentos de miosina. Estos filamentos tienen un diámetro superior al doble que los filamentos de actina. En las microfotografías electrónicas habitualmente se ven 5 a 10 veces más filamentos de actina que de miosina. La estructura que se ha propuesto de una unidad contráctil individual del interior de una célula muscular lisa, en la que se ven grandes números de filamentos de actina que irradian desde dos cuerpos densos; los extremos de estos filamentos se superponen a un filamento de miosina que está localizado a mitad de camino entre los cuerpos densos. Esta unidad contráctil es similar a la del músculo esquelético, aunque sin la regularidad de su estructura; de hecho, los cuerpos densos del músculo liso tienen la misma función que los discos Z del músculo esquelético.

Otra diferencia reside en que la mayoría de los filamentos de miosina tienen lo que se denomina puentes cruzados “lateropolares”, dispuestos de tal manera que los puentes de un lado basculan en una dirección y los del otro lado basculan en la dirección opuesta. Esta configuración permite que la miosina tire de un filamento de actina en una dirección en un lado a la vez que tira de otro filamento de actina en la dirección opuesta en el otro lado. La utilidad de esta organización es que permite que las células musculares lisas se contraigan hasta el 80% de su longitud, en lugar de estar limitadas a menos del 30%, como ocurre en el músculo esquelético.

• Comparación de la contracción del músculo liso con la contracción del músculo estriado

Aunque la mayoría de los músculos esqueléticos se contraen y relajan rápidamente, muchas de las contracciones del músculo liso son contracciones tónicas prolongadas, que a veces duran horas o incluso días. Por tanto, cabe esperar que las características físicas y químicas de la contracción del músculo liso sean diferentes de las del músculo esquelético.

• Ciclado lento de los puentes cruzados de miosina

La rapidez del ciclado de los puentes transversos de miosina en el músculo liso (es decir, su unión a la actina, su posterior liberación de la actina y su nueva unión para el siguiente ciclo) es mucho más lenta que en el músculo esquelético; de hecho, la frecuencia es tan baja como 1/10 a 1/300 de la del músculo esquelético. A pesar de todo, se piensa que la fracción de tiempo que los puentes cruzados permanecen unidos a los filamentos de actina, que es un factor importante que determina la fuerza de la contracción, está muy aumentada en el músculo liso. Una posible razón del ciclado lento es que las cabezas de los puentes cruzados tienen una actividad ATPasa mucho menor que en el músculo esquelético, de modo que la degradación del ATP que aporta energía a los movimientos de las cabezas de los puentes cruzados está muy reducida, con el consiguiente enlentecimiento de la frecuencia de ciclado.

• Baja necesidad de energía para mantener la contracción del músculo liso

Para mantener la misma tensión de contracción en el músculo liso que en el músculo esquelético solo es necesario de 1/10 a 1/300 de energía. También se piensa que esto se debe al lento ciclado de unión y separación de los puentes cruzados y a que solo es necesaria una molécula de ATP para cada ciclo, independientemente de su duración.

La baja utilización de energía por el músculo liso es importante para la economía energética global del cuerpo, porque órganos como los intestinos, la vejiga urinaria, la vesícula biliar y otras vísceras con frecuencia mantienen una contracción muscular tónica casi indefinidamente.

• Lentitud del inicio de la contracción y relajación del tejido muscular liso total

Un tejido muscular liso típico comienza a contraerse de 50 a 100 ms después de ser excitado, alcanza la contracción completa aproximadamente 0,5 s después, y después la fuerza contráctil disminuye en 1 a 2 s más, dando un tiempo total de contracción de 1 a 3 s. Este tiempo es aproximadamente 30 veces más prolongado que una contracción única de una fibra muscular esquelética media. Sin embargo, como hay tantos tipos de músculo liso, la contracción de algunos tipos puede ser tan corta como 0,2 s o tan larga como 30 s.

El inicio lento de la contracción del músculo liso, así como su contracción prolongada, está producido por la lentitud de la unión y la separación de los puentes cruzados a los filamentos de actina. Además, el inicio de la contracción en respuesta a los iones calcio es mucho más lento que en el músculo esquelético.

• La fuerza máxima de contracción muscular es a menudo mayor en el músculo liso que en el músculo esquelético

A pesar de la escasez relativa de filamentos de miosina en el músculo liso, y a pesar del tiempo lento de ciclado de los puentes cruzados, la fuerza máxima de contracción del músculo liso es con frecuencia mayor que la del músculo esquelético, hasta 4 a 6 kg/cm2 de área transversal para el músculo liso, en comparación con 3 a 4 kg para el músculo esquelético. Esta gran fuerza de la contracción del músculo liso se debe al período prolongado de unión de los puentes cruzados de miosina a los filamentos de actina.

• El mecanismo de “cerrojo” facilita el mantenimiento prolongado de las contracciones del músculo liso

Una vez que el músculo liso ha generado la contracción máxima, la magnitud de la excitación continuada habitualmente se puede reducir a mucho menos del nivel inicial, a pesar de lo cual el músculo mantiene su fuerza de contracción completa. Además, la energía que se consume para mantener la contracción con frecuencia es minúscula, a veces tan solo 1/300 de la energía necesaria para una contracción sostenida y comparable del músculo esquelético. Este efecto se denomina mecanismo de “cerrojo”.

La importancia del mecanismo de cerrojo es que permite mantener una contracción tónica prolongada en el músculo liso durante horas con un bajo consumo de energía. Es necesaria una señal excitadora continua baja procedente de las fibras nerviosas o de fuentes hormonales.

• Tensión-relajación del músculo liso

Otra característica importante del músculo liso, especialmente del tipo unitario visceral de músculo liso de muchos órganos huecos, es su capacidad de recuperar casi su fuerza de contracción original segundos a minutos después de que haya sido alargado o acortado. Por ejemplo, un aumento súbito del volumen de la vejiga urinaria, que produce distensión del músculo liso de la pared de la vejiga, produce un gran aumento inmediato de presión en la vejiga. Sin embargo, en los 15 s a 1 min siguientes, a pesar de la distensión continuada de la pared de la vejiga, la presión casi recupera su nivel original. Posteriormente, cuando se aumenta el volumen en otro escalón, se produce de nuevo el mismo efecto.

Por el contrario, cuando se produce una reducción súbita de volumen, la presión disminuye drásticamente al principio, aunque después aumenta en un plazo de otros pocos segundos o minutos hasta o casi hasta el nivel original. Estos fenómenos se denominan tensión-relajación y tensión-relajación inversa. Su importancia radica en que, excepto durante breves períodos, permiten que un órgano hueco mantenga aproximadamente la misma presión en el interior de su luz a pesar de grandes cambios de volumen sostenidos.

REGULACIÓN DE LA CONTRACCIÓN POR LOS IONES CALCIO

Al igual que en el caso del músculo esquelético, el estímulo que inicia la mayoría de las contracciones del músculo liso es un aumento de los iones calcio en el medio intracelular. Este aumento puede estar producido en diferentes tipos de músculo liso por la estimulación nerviosa de las fibras de músculo liso, por estimulación hormonal, por distensión de la fibra o incluso por cambios del ambiente químico de la fibra.

El músculo liso no contiene troponina, la proteína reguladora que es activada por los iones calcio para producir la contracción del músculo esquelético. En cambio, la contracción del músculo liso está activada por un mecanismo totalmente distinto, como se describe en el siguiente apartado.

Los iones calcio se combinan con la calmodulina para provocar la activación de la miosina cinasa y la fosforilación de la cabeza de miosina En lugar de la troponina, las células musculares lisas contienen una gran cantidad de otra proteína reguladora denominada calmodulina. Aunque esta proteína es similar a la troponina, inicia la contracción de una manera diferente. La calmodulina inicia la contracción al activar los puentes cruzados de miosina. Esta activación y la posterior contracción se producen según la siguiente secuencia:

1. La concentración de calcio en el líquido citosólico del músculo liso se incrementa como consecuencia de la entrada de calcio desde el líquido extracelular a través de los canales de calcio y/o la liberación de calcio desde el retículo sarcoplásmico.
2. Los iones calcio se unen a la calmodulina de forma reversible.
3. El complejo calmodulina-calcio se une después a la miosina cinasa de cadena ligera, que es una enzima fosforiladora, y la activa.
4. Una de las cadenas ligeras de cada una de las cabezas de miosina, denominada cabeza reguladora, se fosforila en respuesta a esta miosina cinasa. Cuando esta cadena no está fosforilada no se produce el ciclo de unión-separación de la cabeza de miosina con el filamento de actina. Sin embargo, cuando la cadena reguladora está fosforilada la cabeza tiene la capacidad de unirse repetitivamente al filamento de actina y de avanzar a través de todo el proceso de ciclado de “tirones” intermitentes, al igual que ocurre en el músculo esquelético, produciendo de esta manera la contracción muscular.

FUENTE DE IONES CALCIO QUE PROVOCAN LA CONTRACCIÓN

Una distinción importante es que el retículo sarcoplásmico, que proporciona prácticamente todos los iones calcio para la contracción, musculoesquelética, está desarrollado solo ligeramente en la mayor parte del músculo liso. En su lugar, la mayoría de los iones calcio que provocan la contracción entran en la célula muscular desde el líquido extracelular en el momento del potencial de acción u otro estímulo. Es decir, la concentración de iones calcio en el líquido extracelular es superior a 10−3 molar, en comparación con un valor inferior a 10−7 molar en el interior de la célula muscular lisa; esta situación origina una rápida difusión de los iones calcio en la célula desde el líquido extracelular cuando se abren los canales de calcio. El tiempo necesario para que tenga lugar esta difusión se sitúa, en promedio, entre 200 y 300 ms, y recibe el nombre de período latente, antes de que se inicie la contracción. Este período latente es unas 50 veces superior para el músculo liso que para la contracción del músculo esquelético.

Papel del retículo sarcoplásmico del músculo liso

Algunos retículos sarcoplásmicos muy poco desarrollados que se sitúan cerca de las membranas celulares en algunas células del músculo liso más grandes. Pequeñas invaginaciones de la membrana celular, denominadas cavéolas, terminan en las superficies de estos túbulos. Las cavéolas sugieren una rudimentaria analogía del sistema de túbulos transversos del músculo esquelético. Cuando se transmite un potencial de acción a las cavéolas, según se cree estimula la liberación de iones calcio desde los túbulos sarcoplásmicos contiguos de la misma forma que los potenciales de acción en los túbulos transversos del músculo esquelético provocan la liberación de iones calcio desde los túbulos sarcoplásmicos transversos. En general, cuanto más extenso es el retículo sarcoplásmico en la fibra de músculo liso más rápidamente se contrae.

La contracción del músculo liso depende de la concentración extracelular de iones calcio

Aunque los cambios en la concentración extracelular de iones calcio con respecto a la concentración normal tienen un efecto escaso en la fuerza de la contracción del músculo esquelético, no sucede así para la mayoría de los músculos lisos. Cuando la concentración extracelular de iones calcio disminuye a aproximadamente entre 1/3 y 1/10 de la normal, la contracción del músculo liso suele cesar. Por tanto, la fuerza de la contracción del músculo liso suele ser muy dependiente de la concentración de los iones calcio en el líquido extracelular.

Se necesita una bomba de calcio para inducir la relajación del músculo liso

Para provocar la relajación del músculo liso después de que se haya contraído es preciso extraer los iones calcio de los líquidos intracelulares. Esta extracción se consigue mediante una bomba de calcio que bombea los iones calcio fuera de la fibra de músculo liso de nuevo al líquido extracelular, o al retículo sarcoplásmico, si estuviera presente. Esta bomba necesita ATP y es de acción lenta en comparación con la bomba de rápida acción del retículo sarcoplásmico en el músculo esquelético. Por consiguiente, una única contracción de músculo liso a menudo dura unos segundos, y no centésimas o décimas de segundo, como sucede en el músculo esquelético.

La miosina fosfatasa es importante en la interrupción de la contracción

La relajación del músculo liso tiene lugar cuando los canales de calcio se cierran y la bomba de calcio transporta iones calcio fuera del líquido citosólico de la célula. Cuando la concentración de iones calcio disminuye por debajo de un nivel crítico, los procesos que se acaban de señalar se invierten automáticamente, excepto la fosforilación de la cabeza de miosina. La inversión de esta reacción precisa otra enzima, la miosina fosfatasa, que está localizada en el citosol de la célula muscular lisa y que escinde el fosfato de la cadena ligera reguladora. Después se interrumpe el ciclo y finaliza la contracción. Por tanto, el tiempo necesario para la relajación de la contracción muscular está determinado en gran medida por la cantidad de miosina fosfatasa activa en la célula.

• Posible mecanismo de regulación del fenómeno de cerrojo

Debido a la importancia del fenómeno de cerrojo en el músculo liso, y como este fenómeno permite el mantenimiento a largo plazo del tono en muchos órganos que tienen músculo liso sin un gran gasto de energía, se han hecho muchos intentos de explicarlo. Entre los muchos mecanismos que se han propuesto, uno de los más sencillos es el siguiente.

Cuando las enzimas miosina cinasa y miosina fosfatasa están intensamente activadas, la frecuencia de ciclado de las cabezas de miosina y la velocidad de contracción son elevadas. Después, cuando disminuye la activación de las enzimas, lo hace también la frecuencia de ciclado, pero al mismo tiempo la desactivación de estas enzimas permite que las cabezas de miosina permanezcan unidas al filamento de actina durante una proporción cada vez mayor del período de cicladoComo el número de cabezas unidas a la actina determina la fuerza estática de la contracción, se mantiene, o “cierra”, la tensión; sin embargo, el músculo utiliza poca energía porque el ATP no se degrada a ADP excepto en las pocas ocasiones en las que una cabeza se separa.

CONTROL NERVIOSO Y HORMONAL DE LA CONTRACCIÓN DEL MÚSCULO LISO

Aunque las fibras musculares esqueléticas son estimuladas exclusivamente por el sistema nervioso, la contracción del músculo liso puede ser estimulada por señales nerviosas, estimulación hormonal, distensión del músculo y otros diversos estímulos. El principal motivo de esta diferencia es que la membrana del músculo liso contiene muchos tipos de proteínas receptoras que pueden iniciar el proceso contráctil. Además, otras proteínas receptoras inhiben la contracción del músculo liso, que es otra diferencia respecto al músculo esquelético. Por tanto, en esta sección se analiza el control nervioso de la contracción del músculo liso, seguido del control hormonal y de otros mecanismos de control.

UNIONES NEUROMUSCULARES DEL MÚSCULO LISO

Anatomía fisiológica de las uniones neuromusculares del músculo liso

Las uniones neuromusculares del tipo muy estructurado que se encuentran en las fibras del músculo esquelético no aparecen en el músculo liso. Por el contrario, las fibras nerviosas autónomas que inervan el músculo liso generalmente se ramifican de manera difusa encima de una lámina de fibras musculares. En la mayoría de los casos estas fibras no establecen contacto directo con la membrana de las células de las fibras musculares lisas, sino que forman las uniones difusas que secretan su sustancia transmisora hacia el recubrimiento de matriz del músculo liso, con frecuencia a una distancia de varios nanómetros a varios micrómetros de las células musculares; después la sustancia transmisora difunde hacia las células. Además, cuando hay muchas capas de células musculares, las fibras nerviosas con frecuencia inervan solo la capa externa. La excitación muscular viaja desde esta capa externa hacia las capas internas por conducción de los potenciales de acción en la masa muscular o mediante difusión adicional de la sustancia transmisora.

Los axones que inervan las fibras musculares lisas no tienen los extremos terminales ramificados típicos que se observan en la placa motora terminal de las fibras musculares esqueléticas. Por el

contrario, la mayoría de los axones terminales delgados tiene múltiples varicosidades distribuidas a lo largo de sus ejes. En estos puntos se interrumpen las células de Schwann que rodean a los axones, de modo que se puede secretar la sustancia transmisora a través de las paredes de las varicosidades. En las varicosidades hay vesículas similares a las de la placa terminal del músculo esquelético y que contienen la sustancia transmisora. Pero, al contrario de las vesículas de las uniones del músculo esquelético, que siempre contienen acetilcolina, las vesículas de las terminaciones de las fibras nerviosas autónomas contienen acetilcolina en algunas fibras y noradrenalina en otras, y de manera ocasional también otras sustancias.

En algunos casos, particularmente en el tipo multiunitario del músculo liso, las varicosidades están separadas de la membrana de la célula muscular por tan solo 20 a 30 nm, la misma anchura que tiene la hendidura sináptica que aparece en la unión del músculo esquelético. Estas uniones se denominan uniones de contacto, y actúan de manera muy similar a la unión neuromuscular del músculo esquelético; la rapidez de la contracción de estas fibras musculares lisas es considerablemente más rápida que la de las fibras estimuladas por las uniones difusas.

Sustancias transmisoras excitadoras e inhibidoras secretadas en la unión neuromuscular del músculo liso

Las sustancias transmisoras más importantes que secretan los nervios autónomos que inervan el músculo liso son acetilcolina y noradrenalina, aunque nunca son secretadas por las mismas fibras nerviosas. La acetilcolina es una sustancia transmisora excitadora de las fibras musculares lisas en algunos órganos y un transmisor inhibidor en el músculo liso de otros órganos. Cuando la acetilcolina excita una fibra, la noradrenalina habitualmente la inhibe. Por el contrario, cuando la acetilcolina inhibe una fibra, la noradrenalina habitualmente la excita.

Tanto la acetilcolina como la noradrenalina excitan o inhiben el músculo liso uniéndose en primer lugar a una proteína receptora de la superficie de la membrana de la célula muscular. Algunas de las proteínas receptoras son receptores excitadores, mientras que otras son receptores inhibidores. Así, el tipo de receptor determina si el músculo liso es inhibido o excitado y también determina cuál de los dos transmisores, acetilcolina o noradrenalina, participa en la producción de la excitación o de la inhibición. Estos receptores se analizan con más detalle en el capítulo 61 en relación con la función del sistema nervioso autónomo.

POTENCIALES DE MEMBRANA Y POTENCIALES DE ACCIÓN EN EL MÚSCULO LISO

Potenciales de membrana en el músculo liso

El voltaje cuantitativo del potencial de membrana del músculo liso depende de la situación momentánea del músculo. En el estado de reposo normal el potencial intracelular es de aproximadamente –50 a – 60 mV, alrededor de 30 mV menos negativo que en el músculo esquelético.

Potenciales de acción en el músculo liso unitario

Los potenciales de acción se producen en el músculo liso unitario (como el músculo visceral) de la misma forma que en el músculo esquelético. Normalmente no se producen en la mayoría de los tipos multiunitarios de músculo liso, como se analiza en una sección posterior.

Los potenciales de acción del músculo liso visceral se producen en una de dos formas:

1. Potenciales en espiga.
2. Potenciales de acción con meseta.

• Potenciales en espiga

Los potenciales de acción en espiga típicos, como los que se ven en el músculo esquelético, aparecen en la mayoría de los tipos de músculo liso unitario. La duración de este tipo de potencial de acción es de 10 a 50 ms. Estos potenciales de acción se pueden generar de muchas maneras, por ejemplo mediante estimulación eléctrica, por la acción de hormonas sobre el músculo liso, por la acción de sustancias transmisoras procedentes de las fibras nerviosas, por distensión o como consecuencia de su generación espontánea en la propia fibra muscular.

• Potenciales de acción con meseta

Un potencial de acción de músculo liso con una meseta. El inicio de este potencial de acción es similar al del potencial en espiga típico. Sin embargo, en lugar de la repolarización rápida de la membrana de la fibra muscular, la repolarización se retrasa durante varios cientos hasta 1.000 ms (1 s). La importancia de esta meseta es que puede ser responsable de la contracción prolongada que se produce en algunos tipos de músculo liso, como el uréter, el útero en algunas situaciones y ciertos tipos de músculo liso vascular.

Los canales de calcio son importantes en la generación del potencial de acción del músculo liso

La membrana de la célula muscular lisa tiene muchos más canales de calcio activados por el voltaje que el músculo esquelético, aunque tiene pocos canales de sodio activados por el voltaje. Por tanto, el sodio participa poco en la generación del potencial de acción en la mayor parte del músculo liso. Por el contrario, el flujo de iones calcio hacia el interior de la fibra es el principal responsable del potencial de acción. Este flujo ocurre de la misma manera autorregenerativa que se produce en los canales de sodio de las fibras nerviosas y de las fibras musculares esqueléticas. Sin embargo, los canales de calcio se abren muchas veces más lentos que los canales de sodio, y también permanecen abiertos mucho más tiempo. Estas características explican en gran medida los prolongados potenciales de acción en meseta de algunas fibras musculares lisas.

Otra característica importante de la entrada de los iones calcio en las células durante el potencial de acción es que los iones calcio actúan directamente sobre el mecanismo contráctil del músculo liso para producir la contracción. Así, el calcio realiza dos tareas a la vez.

• Los potenciales de onda lenta en el músculo liso unitario pueden conducir a la generación espontánea de potenciales de acción

Algunas células musculares lisas son autoexcitadoras. Es decir, los potenciales de acción se originan en las propias células musculares lisas sin ningún estímulo extrínseco. Esta actividad con frecuencia se asocia a un ritmo de ondas lentas básico del potencial de membrana. La propia onda lenta no es el potencial de acción. Es decir, no es un proceso autorregenerativo que se propaga progresivamente a lo largo de las membranas de las fibras musculares, sino que es una propiedad local de las fibras musculares lisas que forman la masa muscular.

No se conoce la causa del ritmo de ondas lentas. Una hipótesis es que las ondas lentas están producidas por la aparición y desaparición del bombeo de iones positivos (probablemente iones sodio) hacia el exterior a través de la membrana de la fibra muscular, es decir, el potencial de membrana se hace más negativo cuando el sodio se bombea rápidamente y menos negativo cuando la bomba de sodio es menos activa. Otra hipótesis es que las conductancias de los canales iónicos aumentan y disminuyen de manera rítmica.

La importancia de las ondas lentas es que, cuando son lo suficientemente intensas, pueden iniciar potenciales de acción. Las ondas lentas en sí mismas no pueden producir la contracción muscular. No obstante, cuando el máximo del potencial de la onda lenta negativa en el interior de la membrana celular aumenta en dirección positiva desde –60 hasta aproximadamente –35 mV (el umbral aproximado para generar potenciales de acción en la mayor parte del músculo liso visceral), se produce un potencial de acción que se propaga a lo largo de la masa muscular y se produce la contracción.  De modo que en cada pico de la onda lenta se producen uno o más potenciales de acción. Estas secuencias repetitivas de potenciales de acción desencadenan una contracción rítmica de la masa del músculo liso. Por tanto, las ondas lentas se denominan ondas marcapasos.

Excitación del músculo liso visceral por distensión muscular

Cuando el músculo liso visceral (unitario) es distendido lo suficiente, habitualmente se generan potenciales de acción espontáneos, que se deben a una combinación de:

1. Los potenciales de onda lenta normales
2. La disminución de la negatividad global del potencial de membrana que produce la distensión.

Esta respuesta a la distensión permite que la pared del tubo digestivo, cuando se distiende excesivamente, se contraiga automática y rítmicamente. Por ejemplo, cuando el tubo digestivo está excesivamente lleno por el contenido intestinal, las contracciones automáticas locales con frecuencia generan ondas peristálticas que propulsan el contenido desde el intestino excesivamente lleno, habitualmente hacia el ano.

DESPOLARIZACIÓN DEL MÚSCULO LISO MULTIUNITARIO SIN POTENCIALES DE ACCIÓN

Las fibras musculares lisas del músculo liso multiunitario (como el músculo del iris del ojo o el músculo erector de cada uno de los cabellos) normalmente se contraen sobre todo en respuesta a estímulos nerviosos. Las terminaciones nerviosas secretan acetilcolina en el caso de algunos músculos lisos multiunitarios y noradrenalina en el caso de otros. En ambos casos, las sustancias transmisoras producen despolarización de la membrana del músculo liso, y esto a su vez produce la contracción. Habitualmente no se producen potenciales de acción, porque las fibras son demasiado pequeñas para generar un potencial de acción. (Cuando se producen potenciales de acción en el músculo liso unitario visceral, se deben despolarizar simultáneamente de 30 a 40 fibras musculares antes de que se produzca un potencial de acción autopropagado.) Sin embargo, en las células musculares lisas pequeñas, incluso sin potencial de acción, la despolarización local (denominada potencial de la unión) que produce la propia sustancia transmisora nerviosa se propaga “electrotónicamente” en toda la fibra y es lo único necesario para producir la contracción muscular.

Los efectos de los factores tisulares locales y las hormonas determinan la contracción del músculo liso sin potenciales de acción

Aproximadamente la mitad de las contracciones del músculo liso se inician probablemente por factores estimuladores que actúan directamente sobre la maquinaria contráctil del músculo liso y sin potenciales de acción. Dos tipos de factores estimulantes no nerviosos y no relacionados con el potencial de acción que participan con frecuencia son:

1. Factores químicos tisulares locales.
2. Varias hormonas.

• Contracción del músculo liso en respuesta a factores químicos tisulares locales

Se analiza el control de la contracción de las arteriolas, metaarteriolas y esfínteres precapilares. Los más pequeños de estos vasos tienen una inervación escasa o nula. Sin embargo, el músculo liso es muy contráctil y responde rápidamente a los cambios de las condiciones químicas locales del líquido intersticial circundante y a la distensión originada por cambios en la presión arterial.

En el estado normal de reposo muchos de los vasos sanguíneos pequeños permanecen contraídos. Sin embargo, cuando es necesario un flujo sanguíneo tisular adicional múltiples factores pueden relajar la pared vascular, permitiendo de esta manera el aumento del flujo. Así, un potente sistema de control de retroalimentación local controla el flujo sanguíneo a la zona tisular local. Algunos de los factores de control específicos son:

1. La ausencia de oxígeno en los tejidos locales produce relajación del músculo liso y, en consecuencia, vasodilatación.
2. El exceso de anhídrido carbónico produce vasodilatación.
3. El aumento de la concentración de iones hidrógeno produce vasodilatación.

La adenosina, el ácido láctico, el aumento de los iones potasio, la disminución de la concentración de los iones calcio y el aumento de la temperatura corporal producen vasodilatación local. La disminución de la presión arterial, al originar una menor distensión del músculo liso vascular, hace también que estos pequeños vasos sanguíneos se dilaten.

• Efectos de las hormonas sobre la contracción del músculo liso

Muchas de las hormonas circulantes en la sangre afectan en cierto grado a la contracción del músculo liso, y algunas tienen efectos profundos. Entre las más importantes se encuentran la noradrenalina, la adrenalina, la angiotensina II, la endotelina, la vasopresina, la oxitocina, la serotonina y la histamina.

Una hormona produce contracción del músculo liso cuando la membrana de la célula muscular contiene receptores excitadores activados por hormonas para esa hormona. Por el contrario, la hormona produce inhibición si la membrana contiene receptores inhibidores para ella en lugar de receptores excitadores.

Mecanismos de la excitación o la inhibición del músculo liso por hormonas o por factores tisulares locales

Algunos receptores hormonales de la membrana del músculo liso abren canales iónicos de sodio o de calcio y despolarizan la membrana, al igual que ocurre después de la estimulación nerviosa. A veces se producen potenciales de acción, o potenciales de acción que ya se están produciendo pueden potenciarse. En otros casos se produce despolarización sin potenciales de acción y esta despolarización permite la entrada de iones calcio en la célula, lo que facilita la contracción.

Se produce inhibición cuando la hormona (u otro factor tisular) cierra los canales de sodio y calcio para impedir la entrada de estos iones positivos; también se produce inhibición si los canales de potasio, que normalmente están cerrados, se abren, lo que permite que iones potasio positivos difundan hacia el exterior de la célula. Estas dos acciones aumentan el grado de negatividad en el interior de la célula muscular, un estado que se denomina hiperpolarización y que inhibe intensamente la contracción muscular.

Algunas veces la contracción o la inhibición del músculo liso es iniciada por hormonas que no producen directamente ningún cambio en el potencial de membrana. En estos casos la hormona puede activar un receptor de membrana que no abre ningún canal iónico, sino que produce un cambio interno de la fibra muscular, como la liberación de iones calcio desde el retículo sarcoplásmico intracelular; después el calcio induce la contracción. Para inhibir la contracción se sabe que otros mecanismos activan la enzima adenilato ciclasa o guanilato ciclasa de la membrana celular; las porciones de los receptores que sobresalen hacia el interior de las células están acopladas con estas enzimas, dando lugar a la formación de monofosfato cíclico de adenosina (AMPc) o monofosfato cíclico de guanosina (GMPc), denominados segundos mensajeros. El AMPc y el GMPc tienen muchos efectos, uno de los cuales es modificar el grado de fosforilación de varias enzimas que inhiben indirectamente la contracción. Se activa la bomba que mueve iones calcio desde el sarcoplasma hacia el retículo sarcoplásmico, así como la bomba de la membrana celular que saca iones calcio de la propia célula; estos efectos reducen la concentración de los iones calcio en el sarcoplasma, inhibiendo de esta manera la contracción.

Como sabemos bien los músculos en el cuerpo humano nos otorgan

• Soporte
• La posibilidad de realizar movimientos firmes y precisos con distintos niveles de intensidad.
• Aproximadamente el 40% del cuerpo es músculo esquelético, y tal vez otro 10% es músculo liso y cardíaco. Algunos de los principios básicos de la contracción se aplican también a los diferentes tipos de músculo.

Anatomía fisiológica del músculo esquelético

Fibras musculares

Todos los músculos esqueléticos están formados por numerosas fibras cuyo diámetro varía entre 10 y 80 μm.  En la mayoría de los músculos esqueléticos, las fibras se extienden a lo largo de toda la longitud del músculo. Todas las fibras, excepto alrededor de un 2%, habitualmente están inervadas por una sola terminación nerviosa localizada cerca del punto medio de la fibra.

Sarcolema

La membrana que recubre a la fibra muscular se conoce como sarcolema. El sarcolema contiene una membrana celular verdadera denominada membrana plasmática. En cada uno de los dos extremos de la fibra muscular la capa superficial del sarcolema se fusiona con una fibra tendinosa. Las fibras tendinosas a su vez se agrupan en haces para formar los tendones musculares, que después insertan los músculos en los huesos.

Miofibrillas

Cada fibra muscular contiene varios cientos a varios miles de miofibrillas, a su vez cada miofibrilla está formada por aproximadamente 1.500 filamentos de miosina y 3.000 filamentos de actina adyacentes entre sí, que son grandes moléculas proteicas polimerizadas responsables de la contracción muscular real.

El retículo sarcoplásmico

En el sarcoplasma que rodea a las miofibrillas de todas las fibras musculares también hay un extenso retículo denominado retículo sarcoplásmico. Este retículo tiene una organización especial que es muy importante para controlar la contracción muscular.

Mecanismo general de la contracción muscular

El inicio y la ejecución de la contracción muscular se producen en las siguientes etapas secuenciales:

1. Un potencial de acción viaja a lo largo de una fibra motora hasta sus terminales sobre las fibras musculares.
2. En cada terminal, el nervio secreta una pequeña cantidad de la sustancia neurotransmisora acetilcolina.
3. La acetilcolina actúa en una zona local de la membrana de la fibra muscular para abrir múltiples canales de cationes “activados por acetilcolina” a través de moléculas proteicas que flotan en la membrana.
4. La apertura de los canales activados por acetilcolina permite que grandes cantidades de iones sodio difundan hacia el interior de la membrana de la fibra muscular. Esto provoca una despolarización local que a su vez inicia un potencial de acción.
5. El potencial de acción viaja a lo largo de la membrana de la fibra muscular de la misma manera que los potenciales de acción viajan a lo largo de las membranas de las fibras nerviosas.
6. El potencial de acción despolariza la membrana muscular, y buena parte de la electricidad del potencial de acción fluye a través del centro de la fibra muscular, donde hace que el retículo sarcoplásmico libere grandes cantidades de iones calcio que se han almacenado en el interior de este retículo.
7. Los iones calcio inician fuerzas de atracción entre los filamentos de actina y miosina, haciendo que se deslicen unos sobre otros en sentido longitudinal, lo que constituye el proceso contráctil.
8. Después de una fracción de segundo los iones calcio son bombeados de nuevo hacia el retículo sarcoplásmico por una bomba de Ca++ de la membrana y permanecen almacenados en el retículo hasta que llega un nuevo potencial de acción muscular; esta retirada de los iones calcio desde las miofibrillas hace que cese la contracción muscular

Mecanismo molecular de la contracción muscular

En la ilustración anterior muestra el mecanismo básico de la contracción muscular. Muestra el estado relajado de un sarcómero (superior) y su estado contraído (inferior). En el estado relajado, los extremos de los filamentos de actina que se extienden entre dos discos Z sucesivos apenas comienzan a superponerse entre sí. Por el contrario, en el estado contraído estos filamentos de actina han sido traccionados hacia dentro entre los filamentos de miosina, de modo que sus extremos se superponen entre sí. Esto quiere decir que la contracción muscular se produce por un mecanismo de deslizamiento de los filamentos.

Características moleculares de los filamentos contráctiles

La molécula de miosina está formada por seis cadenas polipeptídicas, dos cadenas pesadas, cada una de las cuales tiene un peso molecular de aproximadamente 200.000, y cuatro cadenas ligeras. Los filamentos de miosina está formado por 200 o más moléculas individuales de miosina.

Actividad ATPasa de la cabeza de miosina. Otra característica de la cabeza de la miosina que es esencial para la contracción muscular es que actúa como una enzima ATPasa. Esta propiedad permite que la cabeza escinda el ATP y que utilice la energía procedente del enlace fosfato de alta energía del ATP para aportar energía al proceso de la contracción.

Los filamentos de actina están formados por actina, tropomiosina y troponina. El esqueleto del filamento de actina es una molécula de la proteína F-actina bicatenaria.

Cada una de las hebras de la doble hélice de F-actina está formada por moléculas de G-actina polimerizadas, cada una de las cuales tiene un peso molecular de aproximadamente 42.000. A cada una de estas moléculas de G-actina se le une una molécula de ADP. Se piensa que estas moléculas de ADP son los puntos activos de los filamentos de actina con los que interactúan los puentes cruzados de los filamentos de miosina para producir la contracción muscular.

El filamento de actina también contiene otra proteína, la tropomiosina. Estas moléculas están enrolladas en espiral alrededor de los lados de la hélice de F-actina. En estado de reposo las moléculas de tropomiosina recubren los puntos activos de las hebras de actina evitando cualquier posibilidad de que se produzca una contracción.

Troponina: Se trata de complejos de tres subunidades proteicas unidas entre sí de manera laxa, cada una de las cuales tiene una función específica en el control de la contracción muscular. Una de las subunidades (troponina I) tiene una gran afinidad por la actina, otra (troponina T) por la tropomiosina y la tercera (troponina C) por los iones calcio. Se piensa que este complejo une la tropomiosina a la actina. Se piensa que la intensa afinidad de la troponina por los iones calcio inicia el proceso de la contracción.

Tan pronto como el filamento de actina es activado por los iones calcio, las cabezas de los puentes cruzados de los filamentos de miosina son atraídos hacia los puntos activos del filamento de actina y de algún modo esto hace que se produzca la contracción.

Por el contrario, si un filamento de actina puro sin la presencia del complejo troponina-tropomiosina (pero en presencia de iones magnesio y ATP) se une instantánea e intensamente a las cabezas de las moléculas de miosina. Después, si se añade el complejo troponina-tropomiosina al filamento de actina, no se produce la unión entre la miosina y la actina. Por tanto, se piensa que los puntos activos del filamento de actina normal del músculo relajado son inhibidos o cubiertos físicamente por el complejo troponina-tropomiosina.

Efecto de la longitud muscular sobre la fuerza de contracción en el músculo intacto entero.

El músculo entero tiene una gran cantidad de tejido conjuntivo; además, los sarcómeros de diferentes partes del músculo no siempre se contraen la misma magnitud.

Cuando el músculo está en su longitud normal en reposo, que corresponde a una longitud del sarcómero de aproximadamente 2 um, se contrae con una fuerza de contracción próxima a la fuerza máxima cuando es activado. Sin embargo, el aumento de la tensión que se produce durante la contracción, denominado tensión activa, se reduce a medida que el músculo es distendido más allá de su longitud normal, es decir, hasta una longitud del sarcómero mayor de aproximadamente 2,2 um.

Relación de la velocidad de contracción con la carga

Un músculo esquelético se contrae rápidamente cuando lo hace frente a una carga nula, hasta un estado de contracción completa en aproximadamente 0,1 s para un músculo medio. Cuando se aplican cargas, la velocidad de la contracción se hace cada vez más lenta a medida que aumenta la carga.

La disminución de la velocidad de contracción al aumentar la carga está producida por el hecho de que una carga sobre un músculo en contracción es una fuerza inversa que se opone a la fuerza contráctil que produce la contracción muscular.

Energética de la contracción muscular

Generación de trabajo durante la contracción muscular

Cuando un músculo se contrae contra una carga realiza un trabajo. Esto significa que se transfiere energía desde el músculo hasta la carga externa para levantar un objeto hasta una mayor altura o para superar la resistencia al movimiento.

Eficiencia de la contracción muscular.

La eficiencia de una máquina o de un motor se calcula como el porcentaje del aporte de energía que se convierte en trabajo en lugar de en calor. El porcentaje de aporte energético al músculo (la energía química de los nutrientes) que se puede convertir en trabajo, incluso en las mejores condiciones, es menor del 25%, y el resto se convierte en calor.

Características de la contracción de todo el músculo

Contracción isométrica frente a isotónica.

Se dice que la contracción muscular es isométrica cuando el músculo no se acorta durante la contracción e isotónica cuando se acorta, pero la tensión del músculo permanece constante durante toda la contracción.

En el sistema isométrico, el músculo se contrae contra un transductor de fuerza sin disminuir la longitud del músculo. En el sistema isotónico el músculo se acorta contra una carga fija.

Las características de la contracción isotónica dependen de la carga contra la que se contrae el músculo, así como de la inercia de la carga. Sin embargo, el sistema isometrico registra estrictamente los cambios de la fuerza de la propia contracción muscular. Por tanto, el sistema isométrico se utiliza la mayoría de las veces cuando se comparan las características funcionales de diferentes tipos de músculo.

Fibras musculares rápidas frente a lentas

Todos los músculos del cuerpo están formados por una mezcla de las denominadas fibras musculares rápidas y lentas, con otras fibras intermedias entre estos dos extremos. Los músculos que reaccionan rápidamente, entre ellos el tibial anterior, están formados principalmente por fibras «rápidas», y sólo tienen pequeñas cantidades de la variedad lenta. Por el contrario, los músculos que, como el soleo, responden lentamente pero con una contracción prolongada están formados principalmente por fibras «lentas».

Las diferencias entre estos dos tipos de fibras

Fibras lentas (tipo I, músculo rojo):

1) Fibras más pequeñas, 2) también están inervadas por fibras nerviosas más pequeñas, 3) vascularización y capilares más extensos para aportar cantidades adicionales de oxígeno, 4) números muy elevados de mitocondrias, también para mantener niveles elevados de metabolismo oxidativo, y 5) las fibras contienen grandes cantidades de mioglobina.

La mioglobina da al músculo lento un aspecto rojizo y el nombre de músculo rojo.

Fibras rápidas (tipo II, músculo blanco):

1) Fibras grandes para obtener una gran fuerza de contracción, 2) retículo sarcoplásmico extenso para una liberación rápida de iones calcio para iniciar la contracción, 3) grandes cantidades de enzimas glucolíticas para la liberación rápida de energía por el proceso glu- colítico, 4) vascularización menos extensa porque el metabolismo oxidativo tiene una importancia secundaria, y 5) menos mitocondrias, también porque el metabolismo oxidativo es secundario.

Un déficit de mioglobina roja en el músculo rápido le da el nombre de músculo blanco.

Mecánica de la contracción del músculo esquelético

Una unidad motora es el conjunto de todas las fibras musculares inervadas por una sola fibra nerviosa.

Todas las motoneuronas que salen de la médula espinal inervan múltiples fibras nerviosas y el número depende del tipo de músculo. Todas las fibras musculares que son inervadas por una única fibra nerviosa se denominan unidad motora.

Contracciones musculares de diferente fuerza: sumación de fuerzas. Sumación significa la adición de los espasmos individuales para aumentar la intensidad de la contracción muscular global. La sumación se produce de dos maneras: 1) aumentando el número de unidades motoras que se contraen de manera simultánea, lo que se denomina sumación de fibras múltiples, y 2) aumentando la frecuencia de la contracción, lo que se denomina sumación de frecuencia y que puede producir tetanización.

Cambios de la fuerza muscular al inicio de la contracción: el efecto de la escalera (Treppe).

Cuando un músculo comienza a contraerse después de un período de reposo prolongado, su fuerza de contracción inicial puede ser tan pequeña como la mitad de su fuerza entre 10 y 50 contracciones musculares después. Es decir, la fuerza de la contracción aumenta hasta una meseta, un fenómeno que se denomina efecto de la escalera o Treppe.

Hay potenciales eléctricos a través de las membranas de prácticamente todas las células del cuerpo. Algunas células, como las células nerviosas y musculares, generan impulsos electroquímicos rápidamente cambiantes en sus membranas, y estos impulsos se utilizan para transmitir señales a través de las membranas de los nervios y de los músculos. En otros tipos de células, como las células glandulares, los macrófagos y las células ciliadas, los cambios locales de los potenciales de membrana también activan muchas de las funciones de las células.

  El potencial de membrana en reposo de las fibras nerviosas grandes cuando no transmiten señales nerviosas es de aproximadamente –90 mV. Es decir, el potencial en el interior de la fibra es 90 mV más negativo que el potencial del líquido extracelular que está en el exterior de la misma, 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 se trata de una bomba electrógena porque se bombean más cargas positivas hacia el exterior que hacia el interior (tres iones Na+ hacia el exterior por cada dos iones K+ hacia el interior), dejando un déficit neto de iones positivos en el interior; esto genera un potencial negativo en el interior de la membrana celular.

A veces el canal de potasio de dominios de poro en tándem, o canal de «fuga» de potasio (K+), en la membrana nerviosa a través dela que pueden escapar iones potasio incluso en una célula en reposo, stos canales de fuga de K+ también pueden dejar que se pierdan algunos iones sodio pero los canales son mucho más permeables al potasio que al sodio, en general aproximadamente 100 veces más permeables.

Las 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 desde el potencial de membrana negativo en reposo normal hasta un potencial positivo y termina con un cambio casi igual de rápido de nuevo hacia el potencial negativo. Para conducir una señal nerviosa el potencial de acción se desplaza a lo largo de la fibra nerviosa hasta que llega a su extremo. Las fases del potencial de acción son las siguientes:

Fase de reposo

La fase de reposo es el potencial de membrana en reposo antes del comienzo del potencial de acción. Se dice que la membrana está «polarizada» durante esta fase debido al potencial de membrana negativo de –90 mV que está presente.

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, un proceso denominado despolarización. En las fibras nerviosas grandes el gran exceso de iones sodio positivos que se mueven hacia el interior hace que el potencial de membrana realmente se «sobreexcite» más allá del nivel cero y que se haga algo positivo. En algunas fibras más pequeñas, así como en muchas neuronas del sistema nervioso central, el potencial simplemente se acerca al nivel cero y no hay sobreexcitación hacia el estado positivo.

Fase de repolarización

En un plazo de algunas diezmilésimas de segundo 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, que se denomina repolarización de la membrana.

El actor necesario en la producción tanto de la despolarización como de la repolarización de lamembrana nerviosa durante el potencial de acción es el canal de sodio activado por el voltaje. Uncanal de potasio activado por el voltaje también tiene una función importante en el aumento de la rapidez de la repolarización de la membrana. Estos dos canales activados por el voltaje tienen una función adicional a la de la bomba Na+-K+ y de los canales de fuga de K+.Este canal tiene dos compuertas, una cerca del exterior del canal, denominada compuerta de activación, y otra cerca del interior, denominada compuerta de inactivación. La parte superiorizquierda de la figura representa el estado de estas dos compuertas en la membrana en reposo normal,cuando el potencial de membrana es de –90 mV. En este estado la compuerta de activación estácerrada, lo que impide la entrada de iones sodio hacia el interior de la fibra a través de estos canalesde sodio.

Activación del canal de sodio

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 (habitualmente algún punto entre –70 y –50 mV) que produce un cambio conformacional súbito en la activación de la compuerta, que bascula totalmente hasta la posición de abierta.

Inactivación del canal de sodio

El cambio conformacional que hace bascular la compuerta de inactivación hacia el estado cerrado es un proceso algo más lento que el cambio conformacional que abre la compuerta de activación. Por tanto, después de que el canal de sodio haya permanecido abierto durante algunas diezmilésimas de segundo se cierra la compuerta de inactivación y los iones sodio ya no pueden pasar hacia el interior de la membrana. En este punto el potencial de membrana comienza a recuperarse de nuevo hacia el estado de membrana en reposo, lo que es el proceso de repolarización. Otra característica importante de la inactivación del canal de sodio es que la compuerta de inactivación no se abre de nuevo hasta que el potencial de membrana se normaliza o casi a valores de reposo. Por tanto, en general el canal de sodio no se puede abrir de nuevo sin que antes se repolarice la fibra nerviosa.

Funciones de otros iones durante el potencial de acción

Iones con carga negativa (aniones) no difusibles en el interior del axón nervioso

En el interior del axón hay muchos iones de carga negativa que no pueden atravesar los canales de la membrana. Incluyen los aniones de las moléculas proteicas y de muchos compuestos de fosfato orgánicos, compuestos de sulfato y similares. Como estos iones no pueden salir del interior del axón, cualquier déficit de iones positivos en el interior de la membrana deja un exceso de estos aniones negativos no difusibles. Por tanto, estos iones negativos no difusibles son responsables de la carga negativa en el interior de la fibra cuando hay un déficit neto de iones potasio de carga positiva y deotros 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 (o hacia el interior del retículo endoplásmico de la célula), creando un gradiente de ion calcio de aproximadamente 10.000 veces.

Inicio del potencial de acción

Un ciclo de retroalimentación positiva abre los canales de sodio

Este proceso es un círculo vicioso de retroalimentación positiva que, una vez que la retroalimentación es lo suficientemente intensa, continúa hasta que se han activado (abierto) todos los canales de sodio activados por el voltaje. Posteriormente, en un plazo de otra fracción de milisegundo, 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.

Umbral para el inicio del potencial de acción

No se producirá un potencial de acción hasta que el aumento inicial del potencial de membrana sea lo suficientemente grande como para dar origen al ciclo de retroalimentación positiva que se ha descrito en el párrafo anterior. Esto se produce cuando el número de iones sodio que entran en la fibra supera al número de iones potasio que salen. Habitualmente es necesario un aumento súbito del potencial de membrana de 15 a 30 mV. Por tanto, un aumento súbito del potencial de membrana en una fibra nerviosa grande desde –90 mV hasta aproximadamente –65 mV suele dar lugar a la aparición explosiva de un potencial de acción. Se dice que este nivel de –65 mV es el umbral para la estimulación.

La propagación de cada potencial de acción a lo largo de una fibra nerviosa reduce ligeramente las diferencias de concentración de sodio y de potasio en el interior y en el exterior de la membrana, porque los iones sodio difunden hacia el interior durante la despolarización y los iones potasio difunden hacia el exterior durante la repolarización. Para un único potencial de acción este efecto es tan pequeño que no se puede medir, con el tiempo se hace necesario restablecer las diferencias de las concentraciones de membrana de sodio y de potasio, que se consiguen por la acción de la bomba Na+-K+ de la misma manera que se ha descrito previamente para el restablecimiento original del potencial en reposo. Es decir, 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 de la célula.

En 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 solo después comienza la repolarización, Este tipo de potencial de acción se produce en las fibras musculares cardíacas, en las que la meseta dura hasta 0,2 a 0,3 s y hace que la contracción del músculo cardíaco dure este mismo y prolongado período de tiempo.

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 habituales activados por el voltaje, denominados canales rápidos, y 2) los canales de calcio-sodio activados por el voltaje (canales de calcio de tipo L), que tienen una apertura lenta y que, por tanto, se denominan canales lentos.

Conducción «saltatoria» en las fibras mielinizadas de un nódulo a otro

Aunque los iones apenas pueden fluir a través de las gruesas vainas de mielina de los nervios mielinizados, sí lo hacen fácilmente a través de los nódulos de Ranvier. Por tanto, los potenciales de acción se producen solo en los nódulos. A pesar de todo, los potenciales de acción se conducen desde un nódulo a otro.

La conducción saltatoria es útil por dos motivos. Primero, 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 hasta 5 a 50 veces. Segundo, la conducción saltatoria conserva la energía para el axón porque solo se despolarizan los nódulos, permitiendo una pérdida de iones tal vez 100 veces menor de lo que sería necesario de otra manera, y por tanto precisa poco gasto de energía para restablecer las diferencias de concentración de sodio y de potasio a través de la membrana después de una serie de impulsos nerviosos.

Excitación: el proceso de generación del potencial de acción

Esta apertura regenerativa automática se puede deber a un trastorno mecánico de la membrana, a los efectos químicos sobre la membrana o al paso de electricidad a través de la membrana. Todos estos enfoques se utilizan en diferentes puntos del cuerpo para generar potenciales de acción nerviosos o musculares: presión nerviosa para excitar las terminaciones nerviosas sensitivas de la piel, neurotransmisores químicos para transmitir señales desde una neurona a la siguiente en el cerebro y una corriente eléctrica para transmitir señales entre células musculares sucesivas del corazón y del intestino

Umbral de excitación y «potenciales locales agudos»

Un estímulo eléctrico negativo débil puede no ser capaz de excitar una fibra. Sin embargo, cuando aumenta el voltaje del estímulo se llega a un punto en el que se produce la excitación.

Inhibición de la excitabilidad: «estabilizadores» y anestésicos locales

Al contrario de los factores que aumentan la estabilidad nerviosa, otros factores, denominados factores estabilizadores de la membrana, pueden reducir la excitabilidad. Por ejemplo, una concentración elevada de calcio en el líquido extracelular reduce la permeabilidad de la membrana a los iones sodio y reduce simultáneamente la excitabilidad. Por tanto, se dice que el ion calcio es un «estabilizador»

«Período refractario» tras un potencial de acción, durante el cual no se puede generar un nuevo estímulo

No se puede producir un nuevo potencial de acción en una fibra excitable mientras la membrana siga despolarizada por el potencial de acción precedente. El motivo de esta restricción es que poco después del inicio del potencial de acción se inactivan los canales de sodio (o los canales de potasio, o ambos), y ninguna magnitud de la señal excitadora que se aplique a estos canales en este momento abrirá las compuertas de inactivación. La única situación que permitirá que se vuelvan a abrir es que el potencial  de membrana vuelva al nivel del potencial de membrana en reposo original o cerca de este. Entonces, en otra pequeña fracción de segundo se abren las compuertas de inactivación del canal y se puede iniciar un nuevo potencial de acción. El período durante el cual no se puede generar un segundo potencial de acción, incluso con un estímulo intenso, se denomina período refractario absoluto.

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FISIOLOGIA DE LA MEMBRANA, EL NERVIO, Y EL MUSCULO.

TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS CELULARES

“El líquido extracelular contiene una gran cantidad de sodio, pero solo una pequeña cantidad de potasio. En el líquido intracelular ocurre lo contrario. Además, el líquido extracelular contiene una gran cantidad de iones cloruro, mientras que el líquido intracelular contiene muy pocos de estos iones. Sin embargo, la concentración de fosfatos y de proteínas del líquido intracelular es considerablemente mayor que la del líquido extracelular. Estas diferencias son muy importantes para la vida de la célula“

2.1 LA BARRERA LIPÍDICA Y LAS PROTEÍNAS.

La estructura de la membrana que recubre el exterior de todas las células del cuerpo, esta membrana está formada casi totalmente por una bicapa lipídica, aunque también contiene grandes números de moléculas proteicas insertadas en los lípidos, muchas de las cuales 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 moléculas proteicas de la membrana tienen unas propiedades totalmente diferentes para transportar sustancias. Sus estructuras moleculares interrumpen la continuidad de la bicapa lipídica y constituyen una ruta alternativa a través de la membrana celular. Muchas de estas proteínas penetrantes pueden actuar como proteínas transportadoras.

«Difusión» frente a transporte activo»

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: difusión o transporte activo. Por el contrario, el transporte activo se refiere al movimiento de iones o de otras sustancias a través de la membrana en combinación con una proteína transportadora de tal manera que la proteína transportadora hace que la sustancia se mueva contra un gradiente de energía, como desde un estado de baja concentración a un estado de alta concentración. Este movimiento precisa una fuente de energía adicional, además de la energía cinética. Por el contrario, el transporte activo se refiere al movimiento de iones o de otras sustancias a través de la membrana en combinación con una proteína transportadora de tal manera que la proteína transportadora hace que la sustancia se mueva contra un gradiente de energía, como desde un estado de baja concentración a un estado de alta concentración.

Difusión.

Una única molécula en una solución rebota entre las otras moléculas primero en una dirección, después en otra, después en otra, y así sucesivamente, rebotando de manera aleatoria miles de veces por segundo. Este movimiento continuo de moléculas entre sí en los líquidos o los gases se denomina difusión.

Difusión a través de la membrana celular.

La difusión a través de la membrana celular se divide en dos subtipos, denominados difusión simple y difusión facilitada. Difusión simple significa que 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.

Difusión de sustancias liposolubles a través de la bicapa lipídica.

Un factor importante que determina la rapidez con la que una sustancia difunde a través de la bicapa lipídica es la liposolubilidad. La velocidad de difusión de cada una de estas sustancias a través de la membrana es directamente proporcional a su liposolubilidad. De esta manera se pueden transportar cantidades especialmente grandes de oxígeno; por tanto, se puede liberar oxígeno en el interior de la célula casi como si no existiera la membrana celular.

Difusión de agua y de otras moléculas insolubles en lípidos a través de canales proteicos.

Muchas de las membranas celulares del cuerpo contienen «poros» proteicos denominados acuaporinas que permiten selectivamente el rápido paso de agua a través de la membrana celular. Las acuaporinas están muy especializadas, y existen al menos 13 tipos diferentes en las diversas células de los mamíferos. Otras moléculas insolubles en lípidos pueden atravesar los canales de los poros proteicos de la misma manera que las moléculas de agua si son hidrosolubles y de un tamaño lo suficientemente pequeño. Sin embargo, a medida que se hacen mayores su penetración disminuye rápidamente. Por ejemplo, el diámetro de la molécula de urea es solo un 20% mayor que la del agua, y a pesar de ello su penetración a través de los poros de la membrana celular es aproximadamente 1.000 veces menor que la del agua.

Difusión a través de poros y canales proteicos: permeabilidad
selectiva y «activación» de canales.

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. el diámetro de un poro y sus cargas eléctricas proporcionan una selectividad que permite el paso de solo ciertas moléculas a su través.

Los poros proteicos denominados acuaporinas o canales de agua permiten el rápido paso de agua a través de las membranas celulares pero impiden el de otras moléculaslas 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.

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

Permeabilidad selectiva de los canales proteicos.

La selectividad 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. Los canales de potasio permiten el paso de iones potasio a través de la membrana celular con una facilidad aproximadamente 1.000 veces mayor que para el paso de iones sodio. Este alto grado de selectividad no puede explicarse completamente por los diámetros moleculares de los iones, ya que los iones potasio son solo ligeramente mayores que los de sodio. En la parte superior del poro del canal se distribuyen bucles de poro que forman un estrecho filtro de selectividad. Como revestimiento del filtro de selectividad hay oxígenos de carbonilo. Cuando los iones potasio hidratados entran en el filtro de selectividad, interaccionan con los oxígenos de carbonilo y envuelven la mayoría de sus moléculas de agua ligadas, lo que permite que los iones potasio deshidratados pasen a través del canal.

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:

1. Activación por el voltaje. En el caso de activación por el voltaje, la conformación molecular de la compuerta o de sus enlaces químicos responde al potencial eléctrico que se establece a través de la membrana celular
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, que produce un cambio conformacional o un cambio de los enlaces químicos de la molécula de la proteína que abre o cierra la compuerta

Estado abierto frente a estado cerrado de los canales activados.

Muestra los registros de la corriente eléctrica que fluye a través de un único canal de sodio cuando hay un gradiente de potencial de aproximadamente 25 mV a través de la membrana. Obsérvese que el canal conduce la corriente según un mecanismo de «todo o nada». Es decir, la compuerta del canal se abre súbitamente y después se cierra súbitamente, de modo que cada estado abierto dura únicamente desde una fracción de milisegundo hasta varios milisegundos, lo que demuestra la rapidez con la que se producen los cambios durante la apertura y el cierre de las compuertas moleculares proteicas. A un potencial de voltaje dado, el canal puede permanecer cerrado todo o casi todo el tiempo, mientras que a otro nivel de voltaje puede permanecer abierto todo o la mayor parte del tiempo.

Método del pinzamiento zonal de membrana (patch-clamp) para el registro del flujo de las corrientes iónicas a través de canales aislados.

De manera muy simple, se coloca una micropipeta, que tiene un diámetro de solo 1 o 2 μm, sobre la parte externa de una membrana celular. Después se aplica aspiración en el interior de la pipeta para traccionar la membrana contra la punta de la pipeta, lo que crea un sello en el que los bordes de la pipeta tocan la membrana celular. El resultado es un minúsculo «parche» de membrana en la punta de la pipeta a través del cual se puede registrar el flujo de la corriente eléctrica.

La difusión facilitada necesita proteínas transportadoras de membrana.

También se denomina difusión mediada por un transportador porque una sustancia que se transporta de esta manera difunde a través de la membrana con la ayuda de 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.

Una proteína transportadora con un poro de un tamaño lo suficientemente grande como para transportar una molécula específica a lo largo de una parte de su longitud. También muestra un «receptor» de unión en el interior del transportador proteico. La molécula que se va a transportar entra en el poro y queda unida. Después, en una fracción de segundo se produce un cambio conformacional o químico en la proteína transportadora, de modo que el poro ahora se abre en el lado opuesto de la membrana. Como la fuerza de unión del receptor es débil, el movimiento térmico de la molécula unida hace que se separe y que se libere en el lado opuesto de la membrana. La velocidad a la que se pueden transportar moléculas por este mecanismo nunca puede ser mayor que la velocidad a la que la molécula proteica transportadora puede experimentar el cambio en un sentido y en otro entre sus dos estados.

Factores que influyen en la velocidad neta de difusión.

Muchas sustancias pueden difundir a través de la membrana celular. Lo que habitualmente es importante es la velocidad neta de difusión de una sustancia en la dirección
deseada. Esta velocidad neta está determinada por varios factores.

La velocidad neta de difusión es proporcional a la diferencia de concentración a través de una membrana.

La velocidad a la que la sustancia difunde hacia dentro es proporcional a la concentración de las moléculas en el exterior, porque esta concentración determina cuántas moléculas chocan contra el exterior de la membrana cada segundo. Por el contrario, la velocidad a la que las moléculas difunden hacia afuera es proporcional a su concentración en el interior de la membrana. Por tanto, 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 la difusión de iones: el «potencial de Nernst»

Las cargas eléctricas de los iones hacen que se muevan a través de la membrana aun cuando no haya ninguna diferencia de concentración que produzca el movimiento. la concentración de iones negativos es la misma a los dos lados de la membrana, aunque se ha aplicado una carga positiva al lado derecho de la membrana y una carga negativa al izquierdo, creando un gradiente eléctrico a través de esta. La carga positiva atrae los iones negativos, mientras que la carga negativa los repele. La diferencia de concentración ahora tiende a mover los iones hacia la izquierda, mientras que la diferencia eléctrica tiende a moverlos hacia la derecha. Cuando la diferencia de concentración se hace lo suficientemente elevada, los dos efectos se contrarrestan entre sí. A la temperatura corporal normal (37 °C), la diferencia eléctrica que permitirá que se alcance el equilibrio entre una diferencia de concentración dada de iones univalentes, como los iones Na+, se puede determinar a partir de la fórmula siguiente, que se denomina ecuación de Nernst: donde FEM es la fuerza electromotriz (voltaje) entre el lado 1 y el lado 2 de la membrana, C1 es la concentración en el lado 1 y C2 es la concentración en el lado 2. Esta ecuación es muy importante para comprender la transmisión de los impulsos nerviosos.

Efecto de una diferencia de presión a través de la membrana

Esta diferencia de presión se produce, por ejemplo, en la membrana capilar sanguínea de todos los tejidos del cuerpo. La presión es aproximadamente 20 mmHg mayor en el interior del capilar que en el exterior. La presión realmente significa la suma de todas las fuerzas de las diferentes moléculas que chocan contra una unidad de superficie en un momento dado. Por tanto, al tener una presión mayor en un lado de la membrana que en el otro, la suma de todas las fuerzas de las moléculas que chocan con los canales de ese lado de la membrana es mayor que en el otro lado

Ósmosis a través de membranas con permeabilidad selectiva: «difusión neta» de agua.

La sustancia más abundante que difunde a través de la membrana celular es el agua. Cada segundo difunde normalmente una cantidad suficiente de agua en ambas direcciones a través de la membrana del eritrocito igual a aproximadamente 100 veces el volumen de la propia célula. Sin embargo, normalmente la cantidad 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 se produce esto, tiene lugar un 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.

Presión osmótica.

La cantidad de presión necesaria para detener la ósmosis se denomina presión osmótica de la solución de cloruro sódico. El principio de una diferencia de presión que se opone a la ósmosis.

Importancia del número de partículas osmóticas (concentración molar) en la determinación de la presión osmótica.

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. La razón de esto es que todas las partículas de una solución, independientemente de su masa, ejercen, en promedio, la misma cantidad de presión contra la membrana

«Osmolalidad»: el osmol

Un osmol es el peso molecular-gramo de un soluto osmóticamente activo. Por tanto, 180 g de glucosa, que es el peso molecular-gramos de la glucosa, son equivalentes a un osmol de glucosa porque la glucosa no se disocia en iones. Si un soluto se disocia en dos iones, un peso moleculargramo del soluto se convertirá en dos osmoles porque el número de partículas osmóticamente activas es ahora el doble que en el caso del soluto no disociado. Por tanto, cuando está totalmente disociado, un peso molecular-gramo de cloruro sódico, 58,5 g, es igual a dos osmoles.

Relación entre osmolalidad y presión osmótica.

A la temperatura corporal normal, 37 °C, una concentración de un osmol por litro producirá una presión osmótica de 19.300 mmHg en la solución. De la misma manera, una concentración de 1 mosmol por litro es equivalente a una presión osmótica de 19,3 mmHg. La multiplicación de este valor por la concentración 300 miliosmolar de los líquidos corporales da una presión osmótica calculada total de los líquidos corporales de 5.790 mmHg. Sin embargo, el valor medio de esta variable es en promedio de solo aproximadamente 5.500 mmHg.

El término «osmolaridad»

Osmolaridad es la concentración osmolar expresada en osmoles por litro de solución en lugar de osmoles por kilogramo de agua. Aunque en sentido estricto son los osmoles por kilogramo de agua (osmolalidad) los que determinan la presión osmótica, para las soluciones diluidas como las que se encuentran en el cuerpo las diferencias cuantitativas entre la osmolaridad y la osmolalidad son menores del 1%.

«Transporte activo» de sustancias a través de las membranas

En ocasiones es necesaria una gran concentración de una sustancia en el líquido intracelular aun cuando el líquido extracelular contenga solo una pequeña concentración. Esta situación tiene lugar, por ejemplo, para los iones potasio. Por el contrario, es muy importante mantener las concentraciones de otros iones bajas en el interior de la célula aunque su concentración en el líquido extracelular sea elevada. Así sucede especialmente para los iones sodio. Ninguno de estos dos efectos podría producirse por difusión simple, porque la difusión simple finalmente equilibra las concentraciones a ambos lados de la membrana.

Transporte activo primario y transporte activo secundario.

El transporte activo se divide en dos tipos según el origen de la energía que se utiliza para facilitar el transporte: transporte activo primario y transporte activo secundario. En el transporte activo primario la energía procede directamente de la escisión del trifosfato de adenosina (ATP) o de algún otro compuesto de fosfato de alta energía. En el 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

Transporte activo primario

La bomba sodio-potasio transporta iones sodio hacia el exterior de las células e iones potasio hacia el interior.

Entre las sustancias que se transportan mediante transporte activo primario están el sodio, el potasio, el calcio, el hidrógeno, el cloruro y algunos otros iones. El mecanismo de transporte activo que se ha estudiado con mayor detalle es la bomba sodio-potasio (Na+-K+), que es el proceso de transporte que bombea iones sodio hacia fuera a través de la membrana celular de todas las células y al mismo tiempo bombea iones potasio desde el exterior hacia el interior

La bomba Na+-K+ es importante para controlar el volumen celular.

Una de las funciones más importantes de la bomba Na+-K+ es controlar el volumen de todas las células. Sin la función de esta bomba la mayoría de las células del cuerpo se hincharían hasta explotar. El mecanismo para controlar el volumen es el siguiente: en el interior de la célula hay grandes cantidades de proteínas y de otras moléculas orgánicas que no pueden escapar de la célula

Naturaleza electrógena de la bomba Na+-K+

El hecho de que la bomba Na+-K+ desplace tres iones Na+ hacia el exterior por cada dos iones K+ que desplaza hacia el interior significa que se desplaza una carga positiva neta desde el interior de la célula hasta el exterior en cada ciclo de bombeo. Esta acción genera positividad en el exterior de la célula, aunque produce un déficit de iones positivos en el interior de la célula; es decir, produce negatividad en el interior. Por tanto, se dice que la bomba Na+-K+ es electrógena porque genera un potencial eléctrico a través de la membrana celular.

Transporte activo primario de iones calcio.

Los iones calcio
normalmente se mantienen a una concentración muy baja en el citosol intracelular de prácticamente todas las células del cuerpo, a una concentración aproximadamente 10.000 veces menor que en el líquido extracelular. Este nivel de mantenimiento se consigue principalmente mediante dos bombas de calcio que funcionan mediante transporte activo primario. Una de ellas, que está en la membrana celular, bombea calcio hacia el exterior de la célula. La otra bombea iones calcio hacia uno o más de los orgánulos vesiculares intracelulares de la célula, como el retículo sarcoplásmico de las células musculares y las mitocondrias en todas las células. En todos estos casos la proteína transportadora penetra en la membrana y actúa como una enzima ATPasa, con la misma capacidad de escindir el ATP que la ATPasa de la proteína transportadora de sodio,

Transporte activo primario de iones hidrógeno.

En los túbulos renales hay células intercaladas especiales en la porción distal de los túbulos distales y en los conductos colectores, que también transportan iones hidrógeno mediante transporte activo primario. En este caso se secretan grandes cantidades de iones hidrógeno desde la sangre hacia la orina con el objetivo de eliminar de los líquidos corporales el exceso de iones hidrógeno. Los iones hidrógeno se pueden segregar hacia la orina contra un gradiente de concentración de aproximadamente 900 veces.

Transporte activo secundario: cotransporte y contratransporte.

Este gradiente representa un almacén de energía porque el exceso de sodio en el exterior de la membrana celular siempre intenta difundir hacia el interior. En condiciones adecuadas esta energía de difusión del sodio puede arrastrar otras sustancias junto con el sodio a través de la membrana celular. Este fenómeno, denominado cotransporte, es una forma de transporte activo secundario. Para que el sodio arrastre otra sustancia con él es necesario un mecanismo de acoplamiento, lo cual se consigue por medio de otra proteína transportadora de la membrana celular. En este caso el transportador actúa como punto de unión tanto para el ion sodio como para la sustancia que se va a cotransportar. Una vez que los dos están unidos, el gradiente de energía del ion sodio hace que este ion y la otra sustancia sean transportados juntos hacia el interior de la célula. En el contratransporte, los iones sodio intentan una vez más difundir hacia el interior de la célula debido a su gran gradiente de concentración.

Cotransporte de glucosa y aminoácidos junto con iones sodio

La glucosa y muchos aminoácidos se transportan hacia el interior de la mayor parte de las células contra grandes gradientes de concentración; el mecanismo de esta acción es totalmente mediante cotransporte.

Contratransporte con sodio de iones calcio e hidrógeno.

Dos mecanismos de contratransporte (p. ej., transporte en una dirección opuesta al ion primario) especialmente importantes son el contratransporte sodio-calcio y el contratransporte sodiohidrógeno.

Transporte activo a través de capas celulares,

En muchas localizaciones del cuerpo se deben transportar sustancias a través de todo el espesor de una capa celular en lugar de simplemente a través de la membrana celular. El transporte de este tipo se produce a través de: 1) el epitelio intestinal; 2) el epitelio de los túbulos renales; 3) el epitelio de todas las glándulas exocrinas; 4) el epitelio de la vesícula biliar, y 5) la membrana del plexo coroideo del cerebro, junto con otras membranas. El mecanismo básico para el transporte de una sustancia a través de una lámina celular es: 1) transporte activo a través de la membrana celular de un polo de las células transportadoras de la capa, y después 2) difusión simple o difusión facilitada a través de la membrana del polo opuesto de la célula.

Los genes están situados en el núcleo de una célula, que controlan la herencia padres e hijos.
Cada gen, que está compuesto por ácido desoxirribonucleico (ADN), controla automáticamente la formación de otro ácido nucleico, el ácido ribonucleico (ARN), que después se dispersa por toda la célula para controlar la formación de una proteína específica. El proceso completo, desde la transcripción del 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.

LOS GENES EN EL NUCLEO CELULAR CONTROLAN LA SINTESIS DE LAS PROTEINAS. (BLOQUES BASICOS DEL ADN)

Los compuestos químicos del ADN son:
1) el ácido fosfórico
2) el azúcar desoxirribosa
3) cuatro bases nitrogenadas (dos purínicas, adenina y guanina, y dos pirimidínicas, timina y citosina).

LOS NUCLEOTIDOS SE ORGANIZAN PARA FORMAR DOS HEBRAS DE ADN UNIDAS LAXANTEMENTE ENTRE SI.

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.
Cuando las dos hebras de la molécula de ADN se escinden quedan expuestas las bases purínicas y pirimidínicas proyectándose a un lado de cada hebra de ADN, estás moléculas reflejadas son las que conforman el código genético.
El código genético está formado por tripletes, los tripletes sucesivos controlan en último término la secuencia de aminoácidos en una molécula proteica que la célula debe sintetizar.
EL ARN SE SINTETIZA EN EL NÚCLEO A PARTIR DE UNA PLATILLA DE ARN.
Montaje de la cadena de ARN a partir de los nucleótidos activados usando una cadena de ADN como plantilla: proceso de transcripción .

Para crear la molécula de ARN se realiza bajo la influencia de una enzima, la polimerasa de ARN.
Se trata de 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 que se transcribirá hay una secuencia de nucleótidos denominada 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.
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:
* 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.
*Después, 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 de los enlaces de fosfato de alta energía que va rompiendo; esta energía se usa para crear el enlace covalente del fosfato que queda en el nucleótido con la ribosa en el extremo de la cadena de ARN en crecimiento.
* 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. Después, la polimerasa puede usarse una y otra vez para formar más cadenas de ARN.
* 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.

TIPOS DE ARN.

• ARN mensajero precursor (pre-ARNm), que es un gran ARN de cadena única inmaduro que se procesa en el núcleo para formar ARN mensajero (ARNm) maduro. El pre-ARN incluye dos tipos diferentes de segmentos denominados intrones, que son eliminados por un proceso de corte y empalme (splicing), y exones, que se conservan en el ARNm final.
  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.
• ARN nuclear pequeño (ARNnp), que dirige el corte y empalme de pre-ARNm para formar ARNm.
• ARN mensajero (ARNm), que transporta el código genético al citoplasma para controlar el tipo de proteína que se forma.
• ARN de transferencia (ARNt), que transporta los aminoácidos activados a los ribosomas para usarlos en el montaje de la molécula proteica.
  El ARNt actúa como vehículo para transportar su tipo específico de aminoácido a los ribosomas, donde se van formando las moléculas proteico
• ARN ribosómico, que, junto con 75 proteínas distintas, forma ribosomas, las estructuras físicas y químicas en las que se montan realmente 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: el ARNt transporta los aminoácidos al ribosoma para su incorporación en la molécula proteica en desarrollo, mientras que el ARNm proporciona la información necesaria para el secuenciado de aminoácidos en el orden adecuado para cada tipo específico de proteína que se va a fabricar.
• MicroARN (ARNmi), que son moléculas de ARN monocatenario de 21 a 23 nucleótidos capaces de regular la transcripción y la traducción génicas.
  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.

FORMACIONDE PROTEINAS EN LOS RIBOSOMAS, PROCESO DE TRADUCCION.

El ARNm se desplaza por el ribosoma, se forma una molécula proteica, en un proceso que se conoce como traducción, una molécula sencilla de ARNm 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.

REGULACION GENETICA.
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 SISTEMA GENETICO DEL ADN CONTROLA LA REPRODUCCION CELULAR..
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 celular, su ciclo vital puede ser de 10-30 h.

FENOMENOS FISICOS Y QUIMICOS DE LA REPRODUCCIÓN CELULAR.

• El ADN se replica del mismo modo en que se transcribe el ARN a partir del ADN, excepto por algunas diferencias importantes:
• Se replican las dos cadenas de ADN de cada cromosoma, y no solo una de ellas.
• Las dos cadenas completas de la hélice de ADN se replican de extremo a extremo, y no solo algunas porciones como sucede en la transcripción del ARN.
• Las principales enzimas que participan en la replicación del ADN componen un complejo de muchas enzimas, denominado polimerasa de ADN, que es comparable a la polimerasa de ARN. La polimerasa de ADN 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.
• 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 replica toda la cadena. Después, la ADN ligasa une los extremos de estas subunidades.
• 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.
• Como las hélices de ADN de cada cromosoma miden aproximadamente 6 cm de longitud y tienen millones de giros helicoidales, sería imposible que las dos hélices de ADN recién formadas se desenrollaran si no hubiera algún mecanismo especial.

CROMOSOMAS Y SU REPLICACION.
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.
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.

MITOSIS CELULAR.
El caso real de la división celular se llama “mitosis”.
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 centríolos.
Este movimiento se debe a la polimerización de las proteínas de los microtúbulos que crecen entre los pares respectivos de centríolos y los separan.
El crecimiento se controla a menudo mediante factores de crecimiento que proceden de otras partes del organismo. Algunos de estos factores de crecimiento circulan en sangre, pero otros se originan en los tejidos adyacentes

PROFASE.
Mientras se forma el haz, los cromosomas del núcleo se condensan en cromosomas bien definidos.
PROMETAFASE.
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.
Los dos ásteres del aparato mitótico se separan. Este empuje parece suceder porque las puntas de los microtúbulos de ambos, donde se imbrican entre sí para formar el huso mitótico, realmente se empujan mutuamente
ANAFASE.
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.
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.

Un telómero es una región de secuencias de nucleótidos repetitivas situadas en cada extremo de una cromátida.
En el curso de la división celular, una pieza corta de ARN cebador se une a la cadena de ADN para iniciar la replicación.
Cada vez que una célula se divide, una persona media pierde de 30 a 200 pares de bases en los extremos de los telómeros de esa célula

DIFERENCIACION CELULAR.
Una característica especial del crecimiento y la 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.

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 pueda unir a la membrana celular y digerir la célula.
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.
La apoptosis se inicia mediante la activación de una familia de proteasas que se conocen como caspasas y que se sintetizan y almacenan en la célula en forma de procaspasas inactivas.

CANCER.
El cáncer se debe en la mayoría de los casos a la mutación o a alguna otra activación anormal de los genes celulares que controlan el crecimiento y la mitosis celular. Los protooncogenes son genes normales que codifican diversas proteínas responsables del control de la adhesión celular, el crecimiento y la visión. Si mutan o se activan de forma excesiva, los protooncogenes pueden convertirse en oncogenes con funcionamiento anómalo capaces de provocar cáncer.
Algunas de las células mutadas que se crean mueren, y las que no se mueren se convierten en células cancerosas.
La mayoría de las células mutadas forma proteínas anormales en el interior de los cuerpos celulares como consecuencia de su alteración genética.

La probabilidad de mutaciones aumenta enormemente cuando una persona se expone a determinados factores químicos, físicos o biológicos
Los irritantes físicos también provocan cáncer, como sucede durante la abrasión continuada del revestimiento del aparato digestivo por algunos alimentos. El daño de los tejidos conduce a una sustitución mitótica rápida de las células. Cuanto más rápida sea la mitosis, mayor será la probabilidad de mutación.
En muchas familias hay una importante tendencia hereditaria al cáncer. Esta es consecuencia de que la mayoría de los cánceres requieren no solo una mutación, sino dos o más antes de que aparezca el cáncer.

En familias particularmente predispuestas al cáncer se supone que ya han mutado uno o más genes cancerosos en el genoma heredado, por lo que en estas familias tienen que producirse muchas menos mutaciones adicionales antes de que comience a crecer un cáncer.

• Estas aportan las estructuras de los tejidos y los órganos del cuerpo
• Ingieren nutrientes y los convierten en energía
• Realizan funciones especializadas
• Contienen el código hereditario del organismo que controla las sustancias sintetizadas por las células
• Realizan copias de si mismas

ORGANIZACIÓN DE LAS CÉLULAS

Sus dos partes mas importantes son el núcleo y el citoplasma. El citoplasma esta separado de los líquidos circundantes por una membrana celular que también se le conoce como membrana plasmática. Las diferentes sustancias que componen la celula se les conoce como Protoplasma.

El Protoplasma esta compuesto principalmente por: Agua, Electrolitos, Proteínas, lípidos e Hidratos de Carbono

AGUA:

• principal liquido de la celula.
• presente en la mayoria de las celulas (excepto adipocitos)
• concentracion del 70 a 80%
• Muchos componentes quimicos estan disueltos en el agua

IONES

Son los productos químicos inorgánicos de las reacciones celulares y son necesarios para el funcionamiento de algunos mecanismos de control celular.

Iones importantes

• potasio
• magnesio
• fosfato
• sulfato
• bicarbonato

Iones en menores cantidades

• sodio
• cloruro
• calcio

PROTEINAS:

• La segunda sustancia mas abundante
• entre el 10 y 20% de la masa corporal
• son de dos tipos. Proteínas estructurales y proteínas funcionales

Proteínas Estructurales	Proteínas Funcionales
*Están presentes en forma de filamentos largos *Forman microtubulos que proporciona los citoesqueletos de orgánulos celulares *usos de los filamentos finos para mantener unidas las partes del citoplasma y nucleoplasma	*Compuesto por combinaciones de moléculas en un formato tubular-globular. *Son principalmente las enzimas de las células *Móviles dentro del liquido celular *Adheridas a las estructuras membranosas dentro de la célula

LIPÍDOS:

Son diferentes sustancias que se agrupan porque tienen una propiedad común de ser solubles en disolventes grasos.

los lipídos mas importantes son los fosfolipidos y el colesterol, que juntos solo son el 2% de la masa total de la célula. Estos ayudan a formar barreras de la membrana celular y de la membrana intracelular.

algunas células contiene grandes cantidades de Trigliceridos (Grasas neutras). En los adipocitos los trigliceridos son hasta el 95% de la masa celular. La grasa almacenada en estas células es el principal almacén de organismo de nutrientes energéticos que después se pueden usar para proporcionar energía siempre que el organismo lo necesite.

HIDRATOS DE CARBONO:

Las células del ser humano no mantienen grandes cantidades de reservas de hidratos de carbono (1% de su masa total; 3% en células musculares; 6% en los hepatocitos) pero siempre están presentes en forma de glucosa disuelta en el LEC y así es muy accesible a la célula. Ademas se almacenan en las células en forma de Glucógeno.

Estructura física de la célula

Membrana celular (membrana plasmática)

• Cubre la célula
• Tiene un grosor de 7,5 a 10 nm
• Esta formada por proteinas y lipidos
• 55% de proteinas
• 25% de fosfolipidos
• 3% de colesterol
• 4% de otros lipidos
• 3% de hidratos de carbono
• La barrera lipídica impide la penetración de sustancias hidrosolubles

la bicapa lipídica esta formada por tres principales lípidos

• Fosfolípidos
• Esfingolípidos
• Colesterol

Fosfolipidos

Son los mas abundantes de la membrana. un extremo es soluble en agua (hidrófilo) y el otro extremo solo es soluble en grasas (Hidrófobo). Las porciones hidrofóbicas se unen en la zona media de la membrana. Las porciones Hidrófilas se encuentran en las superficies y están en contacto con el agua intracelular y el agua extracelular.

la zona media es impermeable a las sustancias hidrosolubles como iones, glucosa, urea) pero el oxigeno, dióxido de carbono y alcohol pueden penetrar con facilidad.

Esfingolípidos

derivados de aminoalcohol esfingosina, tiene grupos hidrófobos e hidrófilos y estan presentes en pequeñas cantidades en la membrana, especialmente en las células nerviosas. Su funciones son: la protección frente a factores perniciosos del entorno, la transmisión de señales y sitios de adhesión para proteinas extracelulares.

Colesterol

esta disuelta en la bicapa de la membrana, este se encarga de determinar el grado de permeabilidad de la bicapa y también controla la fluidez de la membrana.

Proteínas celular integrales y periféricas en la membrana

otras proteínas integrales actúan como proteínas transportadoras de sustancias.

PROTEÍNAS PERIFÉRICAS:

se unen a las proteínas integrales funcionan como enzimas o controladores de sustancias a través de los poros de la membrana celular.

Hidratos de carbono >GLUCOCALIZ<

se encuentran en la superficie externa de la membrana. sus funciones son:

• Tienen una carga negativa, que repele a otrros objetos cargados negativamente
• Se une al glucocaliz de otras celulas, uniendo las celulas entre si.
• los hidratos de carbo actuan como componentes del receptor para la union de hormonas.

Citoplasma y sus organulos

La porción de liquido dentro de una célula se le conoce como citosol, en ella se dispersan las partículas, ahí se encuentran los organulos importantes que veremos a continuación:

Reticulo Endoplasmatico

Es una estructura membranosa que desempeña un papel importante en la síntesis de las moléculas complejas requeridas por la célula.

Reticulo endoplasmatico Liso	Reticulo endoplasmatico Rugoso
ayuda a la síntesis de sustancias lipídicas	sintetizan nuevas moléculas proteicas en la célula

Aparato de Golgi

Funciona asociado al retículo endoplásmico ya que de éste salen vesículas de transporte que se fusionan en el aparato para formar vesículas secretoras y lisosomas

Lisosomas

estos orgánulos vesiculares se forman por la ruptura del aparato de golgi. Se digieren las estructuras dañadas y sustancias no deseadas.

Peroxisomas

son formados por autorreplicación y contienen oxidasas que son capaces de combinas oxigeno con los iones hidrógeno para formar peróxido de hidrógeno

Mitocondria

En las células se encuentran entre menos de cien hasta varios miles, dependiendo la cantidad de energía que necesita la célula.

Se reproducen por si solas.

Citoesqueleto celular: Estructuras filamentosas y tubulares.

Es una red de filamentos que da forma a la célula, soporta su membrana plasmática, organiza sus estructuras internas e interviene en el transporte, movilidad y división celular.

Núcleo

Es el centro de control de la célula y contiene grandes cantidades de ADN que controlan las actividades citoplasmáticas y nucleares.

Membrana Nuclear

También es conocida como cubierta nuclear, consiste en dos membranas bicapa separadas, una dentro de la otra. Tienen varios miles de poros nucleares que atraviesan la membrana nuclear, cada poro mide solo unos 9 nm de diámetro.

Comparación entre la celula animal y las formas de vida precelulares

En la célula nucleada se desarrollan órganos mas complejos, el mas importante es el núcleo el cual proporciona un centro de control para las actividades celulares y también logra la reproducción exacta de una generación a otra.

Sistema funcionales de la célula.

Endocitosis

Pinocitosis

Las moléculas se unen a receptores proteicos que son específicos de la proteína que se va a absorber, estos se encuentran en unas hendiduras revestidas y por debajo de estas hendiduras hay una red de proteína fibrilar conocida como clatrina. Una vez que las moléculas proteicas se han unido a los receptores las hendiduras se invaginan hacia el interior y las proteínas fibrilares hacen que se cierren los bordes y la porción invaginada se rompe separándose de la superficie de la célula.

Fagocitosis

se produce del mismo modo que la pinocitosis excepto que es con particulas grandes. solo algunas celulas tienen la capacidad de hacer fagocitosis (macrofagos, algunos leucocitos sanguineos)

Digestión de las sustancias extrañas introducidas por pinocitosis y fagocitosis dentro de la célula por lisosoma

inmediatamente después de que aparece una vesícula ya sea de pinocitosis o fagocitosis, los lisosomas se unen a ella que vacían sus hidrolasas ácidas dentro de ella. se forma una vesícula digestiva y lo que queda en la vesícula es el cuerpo residual este se excreta por exocitosis (lo contrario a endocitosis)

Regresión de los tejidos y autolisis de las células dañadas

Los tejidos suelen regresar aun tamaño mas pequeño y los lisosomas son los responsables de esto. De igual manera son los responsables de la eliminación de las celulas dañadas esto se da por una rotura de los lisosomas quien libera hidrolasas y estas comienzan a digerir las sustancias orgánicas circundantes.

Si ocurre la Autolisis (si se digiere toda la célula) se forma una celula nueva del mismo tipo que ocupara su lugar.

Los lisosomas tambien pueden matar a las bacterias fagocitadas antes de que provoquen daños a la celula.

1. Lisozima: una sustancia que disuelve la membrana celular bacteriana
2. Lisoferrina: se une al hierro y otras sustancias antes de que promuevan el crecimiento bacteriano
3. Medio ácido: un pH en 5 que activa las hidrolasas e inactiva los sistemas metabólicos bacterianos

AUTOFAGIA

Los lisosomas desempeñan un papel importante en la autofagia (comerse a sí mismo) es un proceso de limpieza en el cual los organulos y los grandes agregados proteicos obsoletos se degradan y se reciclan

FUNCIONES ESPECIFICAS DEL RE

La mayor parte de la síntesis comienza en el RE luego pasan por por el aparato de golgi donde son procesados nuevamente antes de ser liberados en el citoplasma. Las proteínas se forman en el reticulo endoplasmatico rugoso en el interior de los ribosomas .

En el reticulo endoplasmatico liso se sintetizan lípidos especialmente, fosfolípidos y colesterol

EL RE también proporciona las enzimas que controlan la división del glucógeno cuando es necesario usar el glucógeno para energía y también proporciona una gran cantidad de enzimas que son capaces de detoxificar las sustancias que podrían deñar a las células.

FUNCIONES DEL APARATO DE GOLGI

Procesa las sustancias que se ya se han procesado y formado en el RE , tambien sintetizan algunos hidratos de carbono que no se pueden formar en el RE (ejemplo: Acido Hialuronico y el sulfato de condroitina)

LA MITOCONDRIA EXTRAE ENERGIA DE LOS NUTRIENTES

Todos los hidratos de carbono se convierten el glucosa en el aparato digestivo, las proteinas en aminoacidos y las grasas en acidos grasos.

Dentro de la célula los alimentos reaccionan químicamente con el oxígeno, bajo la influencia de las enzimas que controlan las reacciones y canalizan la energía liberada en la dirección adecuada, casi todas las reacciones oxidativas se producen en la mitocondria y la energía que se libera se usa para formar ATP. Después el ATP se usa en la célula para dar energía prácticamente a todas las reacciones metabólicas.

CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DEL ATP

TRIFOSFATO DE ADENOSINA

Se le conoce como la moneda energética de la célula debido a que se puede gastar y recomponer continuamente.

Es un nucleótido formado por:

• La base nitrogenada adenina
• El azúcar pentosa Ribosa
• Tres radicales Fosfato.

los 2 últimos radicales de fosfato están conectados a la molécula por enlaces de fosfato de alta tensión

El ATP se usa para muchas funciones celulares por ejemplo:

• Transporte de membrana
• Síntesis de compuestos químicos a través de la célula
• Contracciones musculares o movimiento ciliar

Movimiento Amebiano

Es el movimiento de la célula con relación en su entorno. Comienza con la protrusión de un seudopo desde un extremo de la célula esto genera una exocitosis continuada y forma una membrana celular en el borde del seudópo y una endocitosis continuada.

Cilios y movimientos ciliares

Es un movimiento como de un látigo de los cilios que se encuentran en la superficie de las células. esto se produce principalmente en las vías aéreas y en las superficies internas de las trompas uterinas del aparato reproductor.

Este movimiento provoca que una capa de moco y partículas atrapadas en el se desplacen a la faringe a una velocidad de 1cm/min.

En las trompas uterinas los cilios provocan un movimiento lento del liquido, este movimiento transporta el ovulo desde el ovario al útero.

El flagelo del espermatozoide tiene el mismo tipo de estructura y el mismo tipo de mecanismo contráctil pero este flagelo es mucho mas largo y se desplaza con ondas cuasi-sinusoidal.

Organización funcional del cuerpo humano y control del medio interno

Para hablar de fisiología tenemos que empezar definiendo la.

FISIOLOGÍA: Es la ciencia que pretende explicar los mecanismos físicos y químicos responsables del origen, desarrollo y progresión de la vida.

Como ya sabemos cada tipo de vida por mas pequeño que sea posee sus propias características funcionales, por lo que la fisiología puede separarse en:

• Fisiología Vírica
• Fisiología bacteriana
• Fisiología Celular
• Fisiología Vegetal
• Fisiología de los invertebrados
• etc.

Pero por ahora nos enfocaremos en la fisiología humana.

FISIOLOGÍA HUMANA: Intenta explicar las características y mecanismos específicos del cuerpo humana que hacen que sea un ser vivo.

Las células como unidades vivas del cuerpo

Liquido extracelular: el medio interno

El 60% del cuerpo humano es agua del adulto es liquido. casi todo este liquido se encuentra dentro de las células (liquido intracelular, LIC) una tercera parte se encuentra en los espacios exteriores de las células (liquido extracelular, LEC)

liquido extracelular	liquido intracelular
Iones sodio y cloruro, nutrientes   Medio interno del organismo Milieu interieur –Fisiologo Frances Claude Bernaude Dióxido de carbono Movimiento constante por todo el cuerpo en dos etapas 1)Movimiento de la sangre dentro de los vasos sanguíneos 2)Movimiento entre los capilares sanguíneos y los espacios intercelulares	Iones potasio, magnesio y fosfato

HOMEOSTASIS

En 1929 el fisiologo estadounidense Walter Cannon acuño el termino homeostasis para referirse al mantenimiento de unas condiciones casi constantes del medio interno.

a veces se considera a la enfermedad como un estado de ruptura de la homeostasis, pero se sabe que incluso en presencia de la enfermedad, los mecanismos homeostaticos siguen activos y mantienen las funciones vitales.

La Fisiopatología: pretende explicar como se alteran los diversos procesos fisiológicos durante las enfermedades y las lesiones.

Los órganos y tejidos realizan diversas funciones que colaboran en el mantenimiento de estas condiciones relativamente constantes, por lo que hablaremos de alguno de ellos y como contribuyen a la homeostasis:

Aparato Respiratorio

Origen de los nutrientes en el LEC	Eliminación de los productos finales metabólicos
Cada vez que la sangre atraviesa el organismo también fluye por los pulmones y capta el oxigeno de los alvéolos, adquiriendo el oxigeno que necesitan las células. La membrana alveolar tiene un grosor de 0.4 a 2.0 µm lo que permite la difusión rápida del oxigeno	Al mismo tiempo que se capta el oxigeno, se libera el dióxido de carbono desde la sangre hacia los alvéolos y el movimiento respiratorio expulsa el dióxido de carbono del cuerpo

Aparato Digestivo

Origen de los nutrientes en el LEC	Eliminación de los productos finales metabólicos
cuando la sangre atraviesa las paredes del aparato digestivo absorbe los nutrientes (hidratos de carbono, acidos digestivos, y aa) y estos se llevan al LEC	Lo que ingerimos y no es digerido dentro de nuestro organismo es eliminado en las heces

Higado

Origen de los nutrientes en el LEC	Eliminación de los productos finales metabólicos
Es el encargado de cambiar la composición química de las sustancias, para convertirlas en formas mas utilizables	Es el encargado de La detoxificacion o eliminación de fármacos y productos químicos que ingerimos; Secreta estos residuos en la bilis para luego ser eliminadas en las heces

Aparato Locomotor

Los músculos contribuyen a la homeostasis, porque sin ellos el organismo no podría desplazarse para obtener los alimentos que se necesitan para la nutrición, también permite la movilidad como protección frente al entorno

Riñones

Con el paso de la sangre a través de los riñones se eliminan del plasma la mayoría de sustancias que las células ya no necesitan y también se eliminan los productos finales del metabolismo celular (urea, ácido úrico, exceso de iones y agua)

Regulación de las funciones corporales

El sistema nervioso se divide en:

• La porción de aferencia sensitiva
• El sistema nervioso central (o porción integradora)
• Porción eferente motora

Los receptores sensitivos detectan el estado del cuerpo o su entorno. (La piel, ojos. oídos) estos son enviados al sistema nervioso central que esta formado por cerebro y médula espinal. El cerebro almacena la información, genera los pensamientos, crea la ambición y determina las reacciones que debe manifestar el cuerpo en repuesta a las sensaciones y se transmiten las señales a la porción motora eferente para llevar acabo los deseos del sujeto.

SISTEMA NERVIOSO AUTONOMO/NEUROVEGETATIVO

Funciona a una escala subconsciente y controla los funciones de los órganos internos

El Sistema Hormonal esta conformado por ocho glándulas endocrinas mayores y varios órganos y tejidos que segregan Hormonas.

Las hormas se transportan en el liquido extracelular a otras partes del cuerpo para regular las funciones celulares, las hormonas proporcionan un sistema de regulacion que complementa al sistema nervioso.

Protección del cuerpo

Sistema Tegumentario

Este sistema essta constituido por: La piel, el pelo, las uñas, las glandulas

Cubren, amortiguan y protegen los tejidos profundos y los órganos del cuerpo. La piel es nuestra primera barrera contra patógenos y separa el medio interno y el mundo exterior. también nos ayuda a la regulación de la temperatura y la excreción de los residuos (sudor). La piel suele comprender aprox entre el 12 y 15% del peso corporal.

Reproducción

Puede sonar un poco cruel dicho de esta forma pero la reproducción nos ayuda a mantener la homesotasis generando nuevos seres que ocuparan el lugar de aquellos que mueren.

Sistema de control del organismo.

Estos sistemas actúan dentro del organismo para controlar las funciones de sus componentes o las interrelaciones entre los órganos.

Ejemplo: existe un mecanismo encargado de mantener una concentración casi exacta y contante de oxigeno en el liquio extracelular. Como el oxigeno es una de las principales sustancias que requieren las reacciones químicas de las células. Este mecanismo funciona dependiendo de las características químicas de la hemoglobina, que esta presente en todos los eritrocitos. La hemoglobina se combina con el oxigeno a medida que la sangre atraviesa los pulmones, luego la sangre atraviesa los capilares tisulares, su propia afinidad por el oxigeno permite que no lo libere los tejidos si ya hay demasiado; sin embargo si la concentración del oxigeno en el liquido tisular es demasiado baja, se libera oxigeno suficiente para restablecer una concentración adecuada.

La concentracion del dioxido de carbono (principal producto final metabólico de la celula) esta regulada de una forma diferente.

cuando hay demasiado dióxido en la sangre se estimula el centro respiratorio haciendo que la persona tenga una respiración rápida y profunda, este proceso continua hasta que la concentración vuelve a la normalidad.

Regulación de la presión arterial

varios sistemas nos ayudan a la regulacion de la presion arterial, por ejemplo los barroreceptores.

En las paredes de la zona en que se bifurcan las arterias carótidas en el cuello y también en el cayado torácico en el tórax, se encuentran los barroreceptores que se estimulan cuando se estira la pared arterial.

Cuando la presión arterial es elevada los barroreceptores se estimulan envían descargas de impulsos nerviosos al bulbo raquídeo cerebral y estos impulsos inhiben el centro vasomotor y disminuyen el numero de impulsos transmitidos desde el centro vasomotor a través del sistema nervioso simpático hacia el corazón y los vasos sanguíneos. La ausencia de estos impulsos hace que disminuya la actividad de bomba en el corazón y produce una dilatación de los vasos sanguíneos periféricos, lo que aumenta el flujo de sangre hasta que la presión arterial disminuya y recupere sus valores normales.

Si es caso es el contrario, el descenso de la presión arterial por debajo de lo normal relaja los receptores de estiramiento y hace que el centro vasomotor se vuelva mas activo de lo habitual, lo que provoca vasoconstriccion y aumento de la acción de la bomba cardíaca hasta alcanzar la normalidad.

Valores normales de los principales componentes en el liquido extracelular

	valor normal	intervalo normal	limite No mortal aprox a corto plazo	UNIDADES
Oxigeno (venoso)	10	35-15	10-1.0	mmHg
Dióxido de carbono (venoso)	45	35-45	5-80	mmHg
Ion sodio	142	138-146	115-175	mmol/l
Ion potasio	4,2	3,8-5	1,5-9	mmol/l
Ion cloruro	106	103-112	70-130	mmol/l