Homeostasis eléctrica

8/16/2019 Homeostasis eléctrica

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TEMA 19. PROCESOS BIOQUÍMICOS Y METABÓLICOS

HOMEOSTASIS ELECTROLÍTICA

Introducción. La importancia del Agua

El agua es esencial para la supervivencia y supone ≈ 60% del peso corporal. Este

porcentaje varía con la edad siendo en recién nacidos 75% y en edad avanzada ≈50%. A su vez hay un contenido de agua distinto en diferentes tejidos, con unmáximo en el cerebro (90%) y mínimo en el tejido adiposo (10 %). La deficiencia oel exceso de agua afectan al funcionamiento de los tejidos y órganos ya que esnecesaria una hidratación celular adecuada para la actividad de las enzimas, elmantenimiento de los gradientes iónicos junto con el potenciál eléctrico, quedepende de los gradientes a través de las membranas.

Los trastornos hidroelectrolíticos son habituales en la práctica clínica, el equilibriohidroelectrolítico influye en el mantenimiento correcto del metabolismo y es labase de numerosos procedimientos terapeúticos debido a que los procesosfisiológicos tienen lugar en el plasma y por tanto la evaluación de los cuadrosfisiológicos y patológicos guarda relación con las concentraciones plasmáticas delos iones, aunque en la práctica se midan los valores de los iones en el suero, no enel plasma.

Compartimentos acuosos en el cuerpo humano:

- 2/3 del agua se encuentra en el liquido intracelular (LIC)

- 1/3 en el líquido extracelular (LEC) consta de:

• líquido intersticial (entre las células) • líquido linfático (15% del peso corporal) •

plasma (3% del peso corporal) • líquidos transcelulares como liquidogastrointestinal, orina, líquido cefalorraquídeo.

Existen barreras importantes para el intercambio entre los diferentescompartimentos como la pared de los vasos capilares membrana celular que separa

el líquido intersticial y es permeable al agua y los electrolitos, pero no a lasproteínas.

Los iones y las moléculas de bajo peso molecular presentan igual concentración enel líquido extracelular y en el plasma, pero la concentración de proteínas es 4-5veces mayor en el plasma que en el líquido intersticial. La concentración total decationes en plasma es ≈150 mmol/l, de los cuales el sodio es ≈140 mmol/l y el

potasio ≈4 mmol/l. Los aniones más abundanten en plasma son cloruro ≈ 100 mmol/l

y bicarbonato ≈ 25 mmol/l.


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La membrana plasmática separa el liquido intracelular del líquido extracelular.Ambos presentan diferente composición iónica ya que en el líquido intracelular elprincipal catión es el K+ con una concentración ≈110 mmol/l, mientras que la

concentracion de Na + y Cl - es ≈10 mmol/l, y los principales aniones son las

proteínas y el fosfato.Sin embargo, en el líquido extracelular la situación es opuesta. El principal cationes el Na + con una concentración de ≈145 mmol/l.

En la práctica clínica, en relación con el equilibrio electrolítico, el resto de anionesse considera en conjunto como “diferencia aniónica” y se calcula: Diferencia

aniónica = (Na+ + K+) - (Cl- + HCO3-).

Incluye fosfato, sulfato, proteínas, aniones orgánicos como lactato, citrato,piruvato, acetoacetato y beta hidroxibutirato. Su valor en una persona sana es ≈10

mmol/l. Esta cifra puede aumentar varias veces en condiciones patotógicas:insuficiencia renal o cetoacidosis diabética.

Movimiento del agua y los electrolitos

El movimiento del agua a través de las membranas celulares es libre pero elmovimiento de los iones y de las moléculas neutras está restringido. Las moléculaspequeñas son transportadas a través de las membranas celulares por medioproteínas de membrana específicas.

El movimiento de los electrolitos es debido a las diferencias en la composicióniónica entre los medios intracelular y extracelular debido a que existen gradientesde concentración entre ambos compartimentos. Como los iones presentan cargaeléctrica, la existencia de gradientes eléctricos se manifiestan en diferencias depotencial y en gradientes electroquímicos. El resultado es un medio intracelularelectronegativo con respecto al extracelular.

Estos gradientes suponen la existencia de una energía potencial, que las célulasutilizan para multitud de funciones: señalización, excitabilidad y su mantenimientorequiere un consumo constante de energía. Las células invierten entre un 30 % y un60 % de su producción energética en el mantenimiento de estos gradientes.

FUERZAS

Los iones más significativos en los medios biológicos son los cationes sodio (Na +),potasio (K +) y calcio (Ca2+) - el anión cloruro (Cl -

Las fuerzas que mueven a los iones entre dos compartimentos separados por unabarrera física (p.e., una membrana) son de difusión y de campo eléctrico.Lasfuerzas de difusión son las que mueven al ión desde el compartimento de mayor

concentración al de menor. El campo eléctrico mueve a los iones en razón al signode su carga eléctrica.


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Las proteínas de la membrana celular con funcion transportadora

La membrana celular es una bicapa lipídica con casi nula conductancia eléctrica ysupone una importante barrera de difusión para todos los iones o moléculas polares y también para las macromoléculas, como las proteínas.

Existen complejos supramoleculares de naturaleza proteíca integrados en lamembrana que son capaces de transportar iones de un lado a otro. Estos complejosson las bombas iónicas, los intercambiadores iónicos y los canales iónicos, todosellos son responsables de las asimetrías iónicas y los potenciales de membrana.Cuando, debido a cualquier circunstancia, este potencial tiende a hacerse menoselectronegativo (o más electropositivo) estamos ante una despolarización, si elpotencial tiende a hacerse más electronegativo estamos ante una hiperpolarizacióno repolarización.

El impulso nervioso consiste en la propagación a lo largo de la neurona de una ondaconsistente en una despolarización seguida de una repolarización, lo que sedenomina potencial de acción. Este potencial es causado por la apertura y cierre decanales iónicos específicos. Se observan también potenciales de acción en lascélulas musculares (estriadas, miocárdicas y lisas) y en las células secretoras.

El movimiento pasivo de electrolitos a traves de los canales iónicos está impulsadopor el gradiente electroquímico. En la mayoría de las células, el potencial demembrana varía entre 50 y 90 mV y es negativo en el interior de la célula. Es una

fuente de energía para el transporte de numerosas sustancias, por ejemplo:cotransporte de sodio y de glucosa por el transportador SGLT (Sodium-GlucoseLinked Transporter) de la mucosa del intestino delgado (SGLT1) y de las células deltúbulo proximal de las nefronas en el riñón (SGLT1 y SGLT2).


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La despolarización de la membrana favorece el incremento de la concentración deCa2+ intracelular porque activa los canales de calcio dependientes de voltaje.

Cotransporte de sodio y de glucosa por el transportador SGLT (Sodium-Glucose Linked Transporter)

Los intercambiadores iónicos son sistemas antiporte, no dependientes de energía,que intercambian iones del mismo signo eléctrico de uno a otro lado de lamembrana celular, a favor de gradientes electroquímicos. Algunas proteínastransportadoras de membranas facilitan el paso de moléculas pequeñas, como losaminoácidos, a través de la misma, como en el transporte intestinal de aminoácidos.

Las bombas iónicas son sistemas de transporte activo que transportan iones encontra de su gradiente de concentración. Esto requiere energía que en la mayoríade los casos se obtiene por hidrólisis de ATP.

Gradiente de sodio y potasio

Un gradiente importante es el gradiente de concentración de sodio y potasio através de las membranas celulares que se mantiene por medio de la bomba de sodio y potasio. El sodio es un contribuyente importante de la osmolaridad del liquidoextracelular y un determinante de la distribución de agua entre el líquidoextracelular y el líquido intracelular. La distribución de agua entre el plasma y ellíquido intersticial está determinada por la presión oncótica ejercida por lasproteínas plasmáticas.

La bomba de Na +-K + o Na +/K +-ATPasa

Es una proteína transmembrana que actúa como un transportador de intercambioantiporte, (la transferencia simultánea de dos solutos en diferentes direcciones),que hidroliza ATP (función ATPasa) sufriendo fosforilaciones reversibles duranteel proceso de transporte. Se puede considerar como un transportador iónicorecibiendo el nombre de bomba de sodio o como una enzima, denominandose ATP-asa Bomba de Na +/K + o Na +/K +-ATPasa.

Hidroliza una una molécula de ATP y la energía liberada impulsa la transferenciade 3 iones sodio desde el interior de la célula hasta el exterior al tiempo que 2iones potasio entran en la célula. Mantiene los gradientes iónico y de potencialelectrico (es electrogénica) a traves de la membrana celular.


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Estructura:

Está formada por dos subunidades: α y β que forman un tetrámero integrado en la

membrana. La subunidad α tiene un peso molecular de ≈ 100.000 Da y estácompuesta por diez segmentos transmembrana: M1 a M10, en ella se encuentra elcentro de unión del ATP, una Cys, que se localiza en el lado citosólico de lamembrana, posee dos centros de unión a potasio extracelulares y tres centros deunión a sodio intracelulares. Estos centros se encuentran accesibles para los ionessi la proteína está fosforilada.

Activación por fosforilación

La subunidad β contiene una sola región helicoidal transmembrana no parece seresencial para el transporte ni para la actividad pero podría realizar la función deanclar el complejo proteico a la membrana lipídica.

Funciones de la bomba de Na +-K+

Es el principal determinante de la concentración citoplasmática de sodio con unaimportante función en la regulación del volúmen celular, del pH citoplasmático y dela concentración calcio a través de los intercambiadores Na +/H + y Na +/Ca2+.


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Necesidad de adaptaciones dirigidas por la bomba de Na +-K +

Una de las causas son los cambios en las cantidades de sodio y de potasio de ladieta. Las hormonas que controlan el volúmen y la composición iónica del LEC suelenactuar directamente sobre la bomba de sodio en el intestino y en el riñón.

El proceso electrogénico implica la fosforilación de un residuo de Asp por el ATPen presencia de Na+ y su desfosforilación por hidrólisis en presencia de K+. Lafosforilación y desfosforilación produce cambios conformacionales y de afinidadpor los sustratos.

E1 tiene alta afinidad por ATP, Mg2+, Na+ y baja afinidad por K +. E2 tiene alta afinidad por K + y baja afinidad por Na +.

Después de liberar ADP hay un cambio conformaciónal de E1-P a E2-P que produce

la liberación de Na + y la unión de K +. Finalmente se produce una desfosforilación yla liberación de potasio al interior de la célula.

Control de la actividad de la Na+/K+-ATPasa

- control a corto plazo: afecta a los efectos directos en las propiedades cinéticasde la enzima debido a concentraciones de sodio y ATP citoplasmáticos y porhormonas como insulina,angiotensina II, vasopresina, hormona paratiroidea (PTH) yaldosterona.

- control a largo plazo: afectan a la síntesis y degradación de la enzima.


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Control de la actividad de la Na+/K+-ATPasa por hormonas:

Insulina, aldosterona, angiotensina II, vasopresina y hormona paratiroidea (PTH)aumentan la actividad de enzimas proteína quinasa.

La insulina actividad de la tirosina quinasa (TK) por fosforilación de la Tyrcercana al extremo N-terminal. La La angiotensina II, vasopresina y hormona paratiroidea (PTH) elevan la

actividad de las proteínas quinasas PKA y PKC produciendo la actividad de laNa +/K +-ATPasa que se activa por fosforilación de determinados lugaresde su actividad catalítica.

La forma fosforilada de la bomba tiene una afinidad baja por los iones Na + ylos expulsa hacia el espacio extracelular.

Estuctura de la subunidad catalítica de la Na +/K +-ATPasa y sus lugares defosforilación

El lugar de unión de ATP y el lugar de fosforilación están situados en el segmentointracelular M4-M5. Hay una Asp que se fosforila y activa a la enzima. Además haytros lugares de fosforilación situados en el segmento N-terminal.

Importancia fisiológica de la bomba de sodio

La bomba de sodio tiene una gran importancia fisiologica ya que el transporte deagua y sodio en el lado luminal de las células epiteliales del intestino y los riñonesestá ligado al gradiente iónico generado por la bomba Na+/K+-ATPasa.

Esta enzima es fundamental para la absorción del agua en el intestino y sureabsorción en el riñón. El deterioro de la función de la bomba de sodio en el riñónestá ligado a la fisiopatología de la hipertensión y el deterioro de la función de labomba de sodio en el intestino delgado está ligado a ladiarrea crónica.

La aldosterona es una hormona esteroidea, de la familia mineralocorticoide,

producida en la glándula suprarrenal que actúa en la conservación del sodio,secretando potasio e incrementando la presión sanguínea, presenta valores bajosen la Enfermedad de Addison y altos en el hiperaldosteronismo.


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ESPIRONOLACTONA INHIBICIÓN DE LA ACCIÓN DE LA ALDOSTERONAEN EL TRATAMIENTO DEL HIPERALDOSTERONISMO ALDOSTERONASISTEMA RENINA-ANGIOTENSINA-ALDOSTERONA

La aldosterona actúa sobre receptores específicos situados en las células deltúbulo contorneado distal del riñon incrementandose la permeabilidad al potasio y

al sodio en su membrana apical luminal, se activa las bombas Na +/K+ basolaterales,estimulando la hidrólisis de ATP que conduce a la fosforilación de la bomba; seexpulsan iones Na + hacia el espacio extracelular entre cada célula epitelial deltúbulo y se produce reabsorción de Na+ y de agua, que arrastra el Na+, hacia loscapilares sanguíneos adyacentes aumentándose la concentración de Na + en plasma.


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El sistema regula a largo plazo el volúmen extracelular y la presión sanguínea.Puede activarse cuando hay pérdida de volumen sanguíneo, una caída en la presiónsanguínea, como en una hemorragia, y en especial cuando hay aumento de la

osmolaridad del plasma.

Inhibición de la bomba Na +/K +

La bomba Na +/K + puede ser inhibida por los glicósidos cardiotónicos, que sonmoléculas glicosídicas que se obtienen a partir de diversas plantas (Digitalis sp.,Strophantus sp.) y de animales (sapos del género Bufo), como por ejemplo ladigoxina y la ouabaína. Este tipo de compuestos tienen una importancia en eltratamiento de la insuficiencia cardíaca.

Gradiente de sodio y potasioUn gradiente importante es el gradiente de concentración de sodio y potasio através de las membranas celulares, este se mantiene por medio de la bomba desodio y potasio. El sodio es un contribuyente importante de la osmolaridad delliquido extracelular y un determinante de la distribución de agua entre el líquidoextracelular y el líquido intracelular.

La distribución de agua entre el plasma y el líquido intersticial está determinadapor la presión oncótica ejercida por las proteínas plasmáticas.

Concepto de osmolaridad:

Se conoce como osmolaridad a la medida que expresa y relaciona el nivel deconcentración de los componentes de diversas disoluciones. El concepto deriva dela presión osmótica que cambia en las células del organismo cuando se introduce ladisolución en cuestión. La presión osmótica puede definirse como la presión que sedebe aplicar a una solución para detener el flujo neto de disolvente a través de unamembrana semipermeable. La osmolaridad depende de la concentración de moléculas en el agua y la presión osmótica es proporcional a la concentración molal de unadisolución: 1 mmol de una sustancia disuelta en 1 kg de agua a 38ºC ejerce unapresión osmótica de 19 mmHg.


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En condiciones fisiológicas la concentración promedio de todas las sustanciasosmóticamente activas en el líquido extracelular es de 290 mmol/kg agua y en

condiciones normales la osmolaridad del líquido intracelular es idéntica.El movimiento de agua entre el líquido intracelular y el líquido extracelular (LEC)está causado por las diferencias en osmolaridad. El ión Na + es el más abundante enel líquido extracelulary es el determinante más importante de su osmolaridad.

Otros determinantes: glucosa y urea. La glucosa normalmente está presente en elplasma a una concentración demasiado baja con 5 mmol/l ≡ 90 mg/dl paracontribuír a la osmolaridad, pero puede convertirse en un determinante principalcuando su concentración aumenta por causa de la diabetes.

Diuresis Osmótica

Es el aumento de la micción debido a la presencia de ciertas sustancias en el líquidofiltrado por los riñones, como la glucosa, que provocan que llegue agua adicional a laorina, lo que incrementa su cantidad. Ejemplos de la importancia fisiológica de losfenómenos osmóticos;

En los seres vivos es muy común el fenómeno de la ósmosis: Las células adquierennutrientes y agua a través de la membrana celular, que es semipermeable y el

intestino grueso tiene la función de tomar el agua mediante ósmosis a través de lascélulas epiteliales, por lo que se permite el paso de las moléculas de agua pero nodel material de desecho.


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Cuando se suda, el agua sale de la piel a través de un proceso de ósmosis. Si sebebe agua de mar, el exceso de sal, al llegar al estómago, provoca que el agua delinterior de las células del estómago salga hacia el exterior (donde la concentraciónde sal es mayor) por ósmosis, y las células del estomago pierden toda su agua y

mueren, lo que lleva a la muerte del individuo.Presión oncótica

La presión oncótica es una forma de presión osmótica debida a las proteínasplasmáticas que aparece entre el compartimento vascular e intersticial y sueletender a que entre agua en el sistema circulatorio.

Al ser los capilares sanguíneos poco permeables a los compuestos de elevado peso

molecular, como las proteínas, éstas tienden a acumularse en el plasma sanguíneo,resultando menos abundantes en el líquido intersticial.

De este gradiente de concentración entre el interior de los capilares y el espaciointersticial se produce la tendencia del agua a compensar dicha diferenciaretornando al capilar sanguíneo con una cierta presión, la presión oncótica capilar.Dicha presión se opone al filtrado que finalmente se produce a través del endoteliocapilar, gracias a que la presión hidrostática capilar supera a la presión oncóticacapilar..

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