Es una publicacin

Prefacio a la quinta edicin

Versii i en espaol de la 5.a edicin de la obra original en alemn

Taschenatlas der Physiologic Copyright MMI Georg Thieme Verlag

Revisor: Dra. M.a Jess Fernndez Aceero Doctor en Medicina y Ciruga

Universidad Complutense de Madrid

2001 Edicin en espaol Ediciones Harcourt, S.A. Velazquez, 24, 5." Dcha. 28001 Madrid. Espaa.

Fotocopiar es un delito. (Art. 270 C. P.) Para que existan libros es necesario el trabajo de un importante colectivo

(autores, traductores, dibujantes, correctores, impresores, editores...). El principal beneficiario de ese esfuerzo es el lector que aprovecha su contenido. Quien fotocopia un libro, en las circunstancias previstas por la ley, delinque y contribuye a la no existencia de nuevas ediciones. Adems, a corto plazo,

encarece el precio de las ya existentes. Este libro est legalmente protegido por los derechos de propiedad intelectual. Cualquier uso, fuera de los lmites establecidos por la legislacin vigente, sin el

consentimiento del editor, es ilegal. Esto se aplica en particular a la reproduccin, fotocopia, traduccin, grabacin o cualquier otro sistema de

recuperacin de almacenaje de informacin.

Ediciones Harcourt, S.A. Harcourt International Divisin Iberoamericana

Traduccin y produccin editorial: Diorki Servicios Integrales de Edicin. General Moscard, 30. 28020 Madrid

ISBN edicin original: 3-13-567705-2

ISBN edicin espaola: 84-8174-531-6

Depsito legal: B-26.118-2001 Impreso en Espaa por Graf os, S.A. Arte sobre papel

Desde la ltima edicin se ha avanzado notablemente en el campo de la Fisiologa y de muchas de sus ramas. En especial, ios rpidos avances en el conocimiento del genoma humano y de sus productos han aportado nuevas ideas sobre la fun-cin y la comunicacin de la clula. Ello ha obligado a revisar y ampliar, sobre todo, los captulos de Fundamentos y Fisiologa celular y la seccin sobre neu-rotransmisores, mecanismos de transmi-sin de seales intracelulares, defensa in-munitaria y estimulacin sensorial. Para facilitar la orientacin se ha elaborado un apndice con una lista de valores fisiolgi-cos normales y se ha ampliado el resumen de frmulas fundamentales en Fisiologa. Este apndice sirve tambin como ndice de abreviaturas.

Se han reducido algo los comentarios sobre fisiopatologa, que destacan la im-portancia del conocimiento fisiolgico para comprender las alteraciones fun-cionales en un paciente. Como, por otro lado, los conocimientos sobre este tema tambin han avanzado mucho por las razones antes mencionadas, hemos ela-borado otra obra muy parecida a sta: el Atlas de bolsillo sobre Fisiopatologa (S. Silbernagl, F. Lang, Editorial Thieme).

Estoy muy agradecido a nuestros aten-tos lectores (incluido a nuestro hijo Jakob) por sus valiosos comentarios y a nuestros

colegas por sus crticas, sobre todo al Prof. Dr. H. Antoni, Freiburg; Prof. C. v. Campenhausen, Mainz; Prof. Dr. W. Moll. Regensburg, Prof. K.-H. Plattig, Erlangen, y Dr. Ch. Walther. Marburg, as como a nuestros colegas y colaboradores del Instituto Wrzburger. En la elaboracin de prcticamente todas las figuras y grfi-cos y de numerosas tablas en color hemos contado con el importante trabajo del Sr. Rdiger Gay y de la Sra. Astried Rothenburger. Su magnfica implicacin y su extraordinaria profesionalidad han sido decisivas para el resultado de esta nueva edicin y merecen mi ms sincero agradecimiento. Tambin estoy muy agradecido a la editorial, sobre todo a la Sra. Marianne Mauch por su competen-cia como redactara, al Sr. Jrgen Lthje por su cuidado y a la Sra. Elsbeth Etwing por su importante trabajo en la produc-cin. A la Sra. Katharina Volker le debo mi agradecimiento por su atenta ayuda en la elaboracin del registro.

Es mi deseo que esta quinta edicin del Atlas siga siendo til para que los estu-diantes comprendan las relaciones fisiol-gicas y los mdicos y cientficos recuerden sus conocimientos y los amplen.

Wrzburg, septiembre de 2000 Stefan Silbernagl

Consulte el catlogo de publicaciones on-line Internet: www.harcourt.es

Prefacio a la primera edicin Del prefacio a la segunda edicin

Con los conocimientos morfolgicos de la Medicina recogidos en este Atlas, se pre-tende facilitar la comprensin de las rela-ciones fisiolgicas y funcionales.

En principio, se describen los sistemas de medida (unidades del SI) y los funda-mentos bsicos de la Fisiologa. La mate-ria se organiza en cuadros/textos, que permiten al lector concentrar su estudio en los temas que se abordan. Las relacio-nes fundamentales entre los distintos temas se destacan a travs de numerosos cuadros. La primera tabla/unidad de texto de cada captulo se plantea como una introduccin a la materia. Los temas especialmente complicados se dividen en ms unidades.

Al tratarse de un libro de bolsillo es imposible abordar la Fisiologa en toda su complejidad, por lo que hemos tratado de presentar los aspectos ms importantes de esta ciencia con referencias a la fisiopa-tologa. Agradeceremos cualquier comen-tario o crtica sobre este planteamiento.

La presente obra introduce a los alum-nos de Medicina y Biologa en la ciencia bsica de la Fisiologa humana y les sirve de ayuda para la preparacin de los ex-menes; tambin posibilita a los clnicos, los bilogos y los profesores de Biologa refrescar sus conocimientos previos. La extensa tabla de materias facilitar esta tarea.

Este Atlas debera resultar til para la formacin en los cuidados de los enfer-

mos, la medicina tcnica y la pedagoga de la salud y del deporte. Con el fin de ayudar al lector, la obra se organiza en recuadros grandes y pequeos en los que se distingue lo que tiene importancia general de los temas especiales o relacio-nados.

Los autores tambin desean poner al alcance de los miembros de los grupos de trabajo de las facultades de Biologa y a los profanos interesados en la Medicina y la Biologa conocimientos acerca del funcio-namiento del organismo humano. Por este motivo, los trminos especficos se explican en lenguaje vulgar.

La realizacin de este libro habra resul-tado imposible sin la ayuda cualificada del Sr. Rdiger Gay y de la Sra. Barbara Gay, en la parte grfica de la obra. Queremos darles las gracias a ellos y a los miembros de la editorial, sobre todo al Profesor Dr. Horst Seller y al Dr. Rainer Greger, que revisaron de forma crtica algunos captulos; a la Sra. Ins /ama, la Srta. Sarah Jones y la Sra. Gertraud Vetter, que fueron de gran ayuda para la preparacin del manuscrito, y a la Dra. Heidi Silbernagl, cuya fundamentada cr-tica en la lectura de pruebas result de gran ayuda.

Innsbruck y Basilea, agosto de 1975 Stefan Silbernac

Agamemnon Despopoulo

El 2 de noviembre de 1979, cuando la primera edicin de esta obra estaba ya en imprenta, el Dr. Agamemnon Des-popoulos y su esposa, Sarah Jones-Despopoulos, partieron con su barco desde Bizerta, Tnez, con la idea de atra-vesar el Atlntico. Desde ese momento permanecen desaparecidos y no existe ninguna esperanza de encontrarlos con vida.

Este Atlas no habra resultado posible sin el entusiasmo y la creatividad de Agamemnon Despopoulos, por lo que no result fcil seguir con esta obra en soli-tario. Tratando de preservar nuestro con-cepto inicial, que ha recibido una gran aceptacin, he reelaborado la obra, para adaptarla a los nuevos avances de la Fi-siologa y responder a los comentarios de los lectores.

Wrzburg, verano de 1983 Stefan Silbernagl

Dr. Agamemnon Despopoulos

Nacido en 1924 en Nueva York, hasta 1971 fue profesor de Fisiologa en la Universidad de Nuevo Mxico, Albuquerque, EE.UU., y poste-riormente fue consejero cientfico de la compa-a Ciba-Geigy, Basilea.

ndice de contenidos

Fundamentos, fisiologa celular

El cuerpo: un sistema abierto con un medio interno (con tabla 1.1) ... 2 Control y regulacin (con tablas 1.2-3) ... 4 La clula (con tablas 1.4-7) ... 8 Transporte hacia, a travs y entre las clulas (con tablas 1.8-9) ... 16 Transporte pasivo por difusin (con tablas 1.10-11) ... 20 Osmosis, filtracin y conveccin (con tabla 1.12) ... 24 Transporte activo (con tablas 1.13-15, D) ... 26 Migracin celular (con tabla 1.15, E) ... 30 Potencial elctrico de membrana y canales inicos (con tablas 1.16-17) ... 32 Papel de los iones de Ca2+ en la regulacin celular (con tabla 1.18) ... 36 Intercambio de energa (con tabla 1.19) ... 38

Nervio, msculo, trabajo 42

Origen y funcin de las clulas nerviosas (con tabla 2.1) ... 42 Potencial de membrana en reposo (con tabla 2.2) ... 44 Potencial de accin (con tabla 2.3) ... 46 Transmisin del potencial de accin en las fibras nerviosas (con tabla 2.4) ... 48 Estimulacin artificial de las clulas excitables ... 50 Transmisin sinptica (con tablas 2.5-8) ... 50 Placa motora terminal (con tabla 2.9) ... 56 Movilidad y tipos de msculo (con tabla 2.10) ... 58 Unidad motora del msculo esqueltico ... 58 Aparato contrctil de las fibras musculares estriadas (con tabla 2.11) ... 60 Contraccin de las fibras musculares estriadas (con tablas 2.12-13) ... 62 Propiedades mecnicas del msculo esqueltico (con tablas 2.14-15) ... 66 Musculatura lisa (con tabla 2.16) ... 70 Fuentes de energa de la contraccin muscular (con tabla 2.17) ... 72 El organismo en el trabajo corporal (con tabla 2.18) ... 74 Capacidad de rendimiento corporal, entrenamiento (con tabla 2.19) ... 76

Sistema nervioso vegetativo 78

Organizacin del sistema nervioso vegetativo (con tablas 3.1-3) ... 78 Acetilcolina y transmisin colinrgica en el SNV (con tabla 3.4) ... 82 Catecolaminas, transmisin adrenrgica y receptores adrenrgicos

(con tablas 3.5-6) ... 84 Glndulas suprarrenales ... 86 Transmisores no colinrgicos no adrenrgicos en el SNV ... 86

Sangre 88

Composicin y funciones de la sangre (con tabla 4.1) ... 88 Metabolismo del hierro, eritropoyesis (con tabla 4.2) ... 90 Propiedades circulatorias de la sangre (con tabla 4.3, A) ... 92 Plasma sanguneo, distribucin de los iones (con tabla 4.3, B, C) ... 92 Defensa inmune (con tablas 4.4-6) ... 94 Reacciones de hipersensibilidad (alergias) (con tabla 4.7, A, B) ... 100 Grupos sanguneos (con tabla 4.7, C, D) ... 100 Interrupcin de la hemorragia (hemostasia) (con tabla 4.8) ... 102 Fibrinlisis, inhibicin de la coagulacin (con tabla 4.9) ... 104

Respiracin 106

Funcin pulmonar, respiracin (con tabla 5.1) ... 106 Mecnica respiratoria (con tabla 5.2) ... 108 Limpieza del aire (con tabla 5.3, A) ... 110 Respiracin artificial (con tabla 5.3, A) ... 110 Neumotorax (con tabla 5.3, B) ... 110 Volmenes pulmonares y su determinacin (con tabla 5.4) ... 112 Espacio muerto y volumen residual (con tabla 5.5) ... 114 Relacin presin-volumen de los pulmones y el trax. Trabajo respiratorio

(con tabla 5.6) ... 116 Tensin superficial de los alvolos (con tabla 5.7, A) ... 118 Pruebas respiratorias dinmicas (con tabla 5.7, B, C) ... 118 Intercambio de gases en el pulmn (con tabla 5.8) ... 120 Circulacin pulmonar. Relacin ventilacin-perfusin (con tabla 5.9) ... 122 Transporte de CO2 en la sangre (con tabla 5.10) ... 124 Unin del CO2 en la sangre (con tabla 5.11, A) ... 126 CO2 en el lquido cefalorraqudeo (con tabla 5.11, B) ... 126 Saturacin de O2 y transporte en la sangre (con tabla 5.12) ... 128 Respiracin tisular, hipoxia (con tabla 5.13) ... 130 Regulacin de la respiracin, estmulos respiratorios (con tabla 5.14) ... 132 Respiracin en el buceo (con tabla 5.15) ... 134 Respiracin en la altura (con tabla 5.16) ... 136 Intoxicacin por O2 ... 136

Equilibrio acidobsico 138 6

Valor de pH, lampones, equilibrio acidobsico (con tabla 6.1) ... 138 El tampn bicarbonato-dixido de carbono (con tabla 6.2) ... 140 Acidosis y alcalosis (con tablas 6.3-4) ... 142 Medida del equilibrio acidobsico con tabla 6.5) ... 146

Rion 148 7

Estructura y funciones del rion (con tabla 7.1) ... 148 Circulacin renal (con tabla 7.2) ... 150 Filtracin glomerular, aclaramiento (con tabla 7.3) ... 152 Vas de transporte en la nefrona (con tablas 7.4-5) ... 154 Reabsorcin de sustancias orgnicas (con tabla 7.6) ... 158

Excrecin de sustancias orgnicas (con tabla 7.7) ... 160 Reabsorcin de Na+ y CI (con tabla 7.8) ... 162 Reabsorcin de agua y concentracin de orina (con tablas 7.9-10) ... 164 Contenido corporal de agua (con tabla 7.11) ... 168 Regulacin del contenido en agua y sal (con tabla 7.12) ... 170 Diuresis y diurticos (con tabla 7.13, A) ... 172 Alteraciones del equilibrio de sal y agua (con tabla 7.13, B) ... 172 Rion y equilibrio acidobsico (con tablas 7.14-15) ... 174 Reabsorcin y excrecin de fosfato, Ca2* y Mg2+ (con tabla 7.16) ... 178 Contenido en potasio (con tablas 7.17-18) ... 180 Acoplamiento tubuloglomerular. Sistema renina-angiotensina (con tabla 7.19) ... 184

Corazn y circulacin 186

Esquema general (con tabla 8.1) ... 186 Sistema vascular y corriente sangunea (con tabla 8.2) ... 188 Fases de accin del corazn (con tabla 8.3) ... 190 Formacin y transmisin del estmulo en el corazn (con tablas 8.4-5) ... 192 Electrocardiograma (ECG) (con tablas 8.6-7) ... 196 Excitacin cardaca en presencia de alteraciones electrolticas ... 198 Alteraciones del ritmo cardaco (con tabla 8.8) ... 200 Relacin presin-volumen en el ventrculo cardaco (con tabla 8.9) ... 202 Trabajo y rendimiento cardaco ... 202 Regulacin del volumen sistlico (con tabla 8.10, A) ... 204 Circulacin venosa (con tabla 8.10, B) ... 204 Presin arterial (con tabla 8.11) ... 206 Vas de intercambio endotelial (con tabla 8.12) ... 208 Aporte de O2 al miocardio (con tabla 8.13) ... 210 Regulacin de la circulacin (con tablas 8.14-16) ... 212 Shock cardiognico (con tabla 8.17) ... 218 La circulacin antes y en el momento del nacimiento (con tabla 8.18) ... 220

Contenido en calor y termorregulacin 222

Contenido en calor (con tabla 9.1) ... 222 Termorregulacin (con tabla 9.2) ... 224

Digestin 226

Nutricin (con tabla 10.1) ... 226 Intercambio de energa y calorimetra (con tabla 10.2) ... 228 Homeostasis de la energa, peso corporal (con tabla 10.3) ... 230 Tubo digestivo: esquema general, defensa inmune, circulacin

(con tabla 10.4) .. .232 Integracin nerviosa y hormonal (con tabla 10.5) ... 234 Saliva (con tabla 10.6) ...236 Deglucin (con tabla 10.7, A, B) ... 238 Vmito (con tabla 10.7, C) ... 238 Estmago: estructura y motilidad (con tabla 10.8) ... 240 Jugo gstrico (con tabla 10.9) ... 242 Duodeno: estructura y motilidad (con tabla 10.10) ... 244

Pncreas (con tabla 10.11) ... 246 Bilis (con tabla 10.12) ... 248 Funcin excretora del hgado; bilirrubina (con tabla 10.13) ... 250 Digestin de la grasa (con tabla 10.14) . . . 252 Distribucin y almacenamiento de la grasa (con tablas 10.15-16) ... 254 Digestin y absorcin de los hidratos de carbono y las protenas (con tabla 10.17) ... 251 Absorcin de las vitaminas (con tabla 10.18) ... 260 Absorcin del agua y los minerales (con tabla 10.19) ... 262 Intestino grueso, vaciamiento intestinal, heces (con tabla 10.20) ... 264

Hormonas, reproduccin 266 I 11

Sistemas de integracin del cuerpo (con tabla 11.1) ... 266 Las hormonas (con tablas 11.2-3) ... 268 Seales humorales: regulacin y efectos (con tabla 11.4) ... 272 Transmisin celular de las seales extracelulares (con tablas 11.5-7) ... 274 Sistema hipotlamo-hipofisario (con tabla 11.8) ... 280 Metabolismo de los hidratos de carbono, hormonas pancreticas (con tablas 11.9-10) ... 282 Hormonas tiroideas (con tablas 11.11-12) ... 286 Contenido en calcio y fosfato (con tablas 11.13-14) ... 290 Biosntesis de las hormonas esteroideas (con tabla 11.15) ... 294 Corteza suprarrenal: glucocorticoides (con tabla 11.16) ... 296 Oognesis, ciclo menstrual (con tabla 11.17) . . . 298 Regulacin hormonal del ciclo menstrual (con tabla 11.18) ... 300 Estrgenos ... 302 Progesterona ... 303 Prolactina, oxitocina ... 303 Regulacin hormonal del embarazo y el parto (con tabla 11.19) ... 304 Andrgenos, funcin testicular (con tabla 11.20) ... 306 Reflejos sexuales, cpula, fecundacin (con tabla 11.21) ... 308

- Sistema nervioso central y sentidos 310

12 Estructura del sistema nervioso central (con tabla 12.1, A, C-E) ... 310 Lquido cefalorraqudeo (LCR) (con tabla 12.1, B) ... 310 Recepcin y produccin de estmulos (con tabla 12.2) ... 312 Sentido del tacto (con tabla 12.3) ... 314 Sensibilidad profunda, reflejo de distensin muscular (con tabla 12.4) .. . 316 Dolor (con tabla 12.5) ... 318 Reflejo polisinptico (con tabla 12.6, A) ... 320 inhibicin de la transmisin sinptica (con tabla 12.6, B, C) ... 320 Transmisin del estmulo sensitivo en el SNC (con tabla 12.7) ... 322 Funcin (senso)motora (con tablas 12.8-10) . . . 324 Hipotlamo, sistema lmbico (con tabla 12.11) ... 330 Organizacin de la corteza cerebral, EEG (con tabla 12.12) ... 332 Ritmo vigilia-sueo, ritmo circadiano (con tabla 12.13) ... 334 Conciencia, memoria, lenguaje (con tabla 12.14) ... 336 Gla (con tabla 12.15, A, B) ... 338 Sentido del gusto (con tabla 12.15. C-E) ... 338 Sentido del olfato (con tabla 12.16) .. . 340 Sentido del equilibrio (con tabla 12.17) ... 342

Estructura del ojo, lgrimas, humor acuoso (con tabla 12.18) ... 344 El aparato ptico del ojo (con tabla 12.19) ... 346 Agudeza visual, fotosensores (con tablas 12.20-21) ... 348 Adaptacin del ojo a las diferentes intensidades de luz (con tabla 12.22) ... 352 Transformacin del estmulo ptico en la retina (con tabla 12.23) ... 354 Visin de los colores (con tabla 12.24) ... 356 Campo visual, vas pticas y elaboracin del estmulo visual

(con tabla 12.25) ... 358 Movimientos oculares, visin plstica y visin lejana (con tabla 12.26) ... 360 Fsica del sonido, estmulo sonoro y sensibilidad acstica (con tabla 12.27) ... 362 Conduccin y sensores del sonido (con tablas 12.28-29) ... 364 Elaboracin del estmulo sonoro en el SNC (con tabla 12.30) ... 368 Voz y lenguaje (con tabla 12.31) ... 370

Apndice 372

13 Magnitudes y unidades de medida ... 372 Potencias y logaritmos ... 380 Representacin grfica de los datos medidos ... 381 El alfabeto griego ... 384 Valores normales ... 384 Frmulas importantes en Fisiologa ... 388

Bibliografa adicional relacionada 391

ndice alfabtico (tambin de abreviaturas) 394 \ r

Fundamentos, fisiologa celular

...cuando se deshace un organismo vivo, aislando sus distintas partes, slo es para fac litar su anlisis experimental, de ningn modo para entenderlo por separado. Para pode comprender la importancia y significado real de una propiedad fisiolgica, se tiene qui pensar siempre en el todo y valorar sus efectos sobre la totalidad del sistema.

(Claude Bernard, 186S|

El cuerpo: un sistema abierto con un medio interno

La vida se nos muestra en su forma ms simple en la clula individual. Esta clula necesita dos condiciones, en principio contrapuestas, para sobrevivir: en ocasiones, debe protegerse del desorden del entorno inanimado y, en otras, debe funcionar como un sistema abierto (v. 40) para el intercambio de calor, oxgeno, nutrientes y desechos, as como de informacin.

La proteccin se consigue sobre todo con la membrana celular, cuyas propiedades hidrfobas impiden que se mezclen los com-ponentes hidrfilos presentes en solucin acuosa en el interior y el exterior de la clula, algo que resultara mortal. La permeabilidad de esta barrera viene determinada por unas molculas proteicas, que actan en forma de poros (canales) o de protenas de transporte complejas, denominadas transportadoras (v. 26 y ss.). Son selectivas para determinadas sustancias y su actividad est regulada. La membrana celular tiene una permeabilidad relativamente buena para las molculas hidrfobas (como los gases), lo que representa una ventaja para el intercambio de CO2 y 02 y la entrada de sustancias lipfilas, permitiendo tambin la eliminacin de gases txicos (como CO) y otros txicos lipfilos. Otras protenas presentes en la membrana celular son los receptores, que se encargan de la recepcin de seales del entorno y de la transmisin de informacin del interior celular (transduccin de seales), as como las enzimas, que permiten la modificacin metablica de los sustratos celulares.

Si consideramos el mar antiguo como el entorno de la clula (A), se puede decir que viva en un medio constante, incluso aunque la clula obtena su alimento del mismo y eli-

minaba hacia l las sustancias de desecho Adems, la clula poda responder a las sea les ambientales, por ejemplo cambios en la concentraciones de nutrientes, de forma mo tora mediante seudpodos o flagelos.

La evolucin de la clula individual a lo: conjuntos de clulas, la especializacin d( los grupos celulares en rganos, la aparicir de la bisexualidad y la organizacin en gru pos sociales, as como el inicio de la vida er la Tierra han aumentado la supervivencia, le capacidad de rendimiento, el radio de ac cin y la independencia de los seres vivos En esta evolucin fue importante el desarro lio simultneo de una infraestructura com pleja en el organismo. Cada clula individua tiene las mismas necesidades para sobreviv! que consegua en el mar antiguo y el liquide del espacio extracelular se encarga de mantener constante este entorno (B). Sir embargo, su volumen no es ilimitado, sine que es menor que el intracelular (v. 168). La actividad metablica de las clulas hara que el contenido de este lquido en oxgeno y nutrientes disminuyera con rapidez y se sustituyera por productos de desecho, si no se hubieran desarrollado rganos, que per-miten mantener este medio interno (homeos-tasis), al aportar nutrientes, electrlitos y agua y eliminar los productos de desecho por la orina y las heces. La circu/acin san-gunea permite que estos rganos se rela-cionen con todos los rincones del organismo y el intercambio metablico entre la sangre y el intersticio (espacio intercelular) resulta fundamental para que el medio celular sea constante. El tubo digestivo y el hgado son los responsables de la incorporacin y modi-ficacin de los nutrientes y de su distribucin por el organismo. Los pulmones se ocupan del intercambio de gases (captacin de O2 y eliminacin de CO2), mientras que el hgado y los rones eliminan las sustancias extra-

|0 as y de desecho y la piel mantiene la tem-peratura. En la regulacin del medio inter-no influyen los rones (intercambio de agua, osmolaridad, concentraciones inicas, valor del pH) y los pulmones (presiones de O2 y CO2, valor del pH) (B).

La especializacin de las clulas y los r-ganos en determinadas tareas exige una in-tegracin, de la que se encarga el transpor-te a distancia mediante conveccin, la trans-misin humoral de informacin (hormonas) y la transmisin de seales elctricas por el sistema nervioso. Estos sistemas no slo se ocupan de la eliminacin de desechos y el aporte de sustancias y, por consiguiente, del mantenimiento del medio interno en cir-cunstancias extremas, sino que tambin se ocupan de controlar y regular funciones que mantienen la vida en un sentido ms amplio, el mantenimiento de la especie. El de-sarrollo de los rganos sexuales y la apari-cin de clulas encargadas de la reproduccin se incluyen entre ellas, junto con el control de la ereccin, la eyaculacin, la fecunda-cin, la implantacin, la adaptacin de las funciones del organismo materno y fetal du-rante la gestacin y la regulacin del parto y la lactancia.

El sistema nervioso central, que elabo-ra las seales de los receptores perifricos de las clulas y rganos sensitivos y activa los efectores orgnicos transformados y diri-gidos hacia el exterior -los msculos es-quelticos- e influye sobre las glndulas endocrinas, ocupa una posicin central en el comportamiento humano y animal. No se ocupa slo de la bsqueda de nutricin y agua, de la proteccin del calor o el fro, la eleccin de la pareja, la atencin de los hijos incluso mucho tiempo despus del nacimien-to, y la integracin en el sistema social, sino tambin del inicio, la expresin y la elabora-cin de sentimientos, como la alegra, la pena, la curiosidad, el deseo, la felicidad, la furia, la clera, el miedo y la envidia, de la creativi-dad, el inters, la experiencia y la responsabi-lidad. Esta perspectiva supera las fronteras de la mera Fisiologa, el mbito de inters de esta obra, pero las ciencias del comporta-miento, la Sociologa y la Psicologa son dis-ciplinas prximas a ella, aunque slo excep-cionalmente se hayan analizado las relacio-nes entre las mismas.

Control y regulacin

Los rganos especializados slo pueden cocB perar cuando se puedan armonizar sus neceB sidades, es decir, tienen que ser controlable* y regulables. Se denomina control a la posm bilidad de modificar desde fuera un parmJ tro, como la presin arterial, de forma calc lada (p. ej., modificando la frecuencia card; ca) (v. 218). A pesar de los mltiples factore que influyen sobre la presin arterial y la fre cuencia cardaca, este objetivo slo se logr cuando se puede registrar la presin arteri conseguida realmente, compararla con el v lor deseado y corregir con rapidez posible desviaciones respecto del mismo. Si al levar tarse con rapidez, la presin arterial descien de, la frecuencia cardaca aumentar, hast conseguir normalizarla. El aumento de la fre cuencia cardaca se terminar cuando la pre sin arterial recupere los valores normales despus volver a descender. El control co este tipo de retroalimentacin negativ se denomina regulacin. En la regulacii (Cl) interviene el regulador, que intent conseguir el valor deseado y que controla la funciones necesarias para conseguir este ob jetivo. En este circuito regulador participar sensores, que determinan el valor real de parmetro y lo comunican al regulador, qu( a su vez lo compara con el valor deseado y si encarga de regularlo, si el valor real est a terado. Esta regulacin se puede producir er un solo rgano (autorregulacin) o desde ur rgano superior (sistema nervioso centra glndulas endocrinas). Los componentes d un sistema regulador, a diferencia de los de control, pueden trabajar de una forma re lativamente inexacta, sin que el valor desea do (al menos como media) se modifique Adems, pueden responder frente a altera ciones inesperadas [en el caso de la regula cin de la presin arterial (C2), una prdid de sangre].

Los reguladores que mantienen constanl una magnitud se denominan reguladore conservadores, sobre los que influyen lo estmulos que causan la desviacin del valo real respecto del deseado (D2). En el organis mo el valor deseado no suele ser una cons-l tante inmodificable, sino que se puede adapB tar cuando as lo exijan las circunstancias. SM produce de este modo una modificacin dem

valor deseado, que altera la diferencia entre ste y el valor real, con la consiguiente activa-cin del sistema regulador (D3). En estas cir-cunstancias se regula la modificacin del va-lor deseado (no el estmulo que la produjo), de forma que se puede hablar de la regula-cin de las consecuencias o de regu-lacin asistida. Ejemplos de esta situacin son la fiebre (v. 224) y el ajuste de la longitud muscular a travs de los husos musculares y las motoneuronas y(v. 316).

En el organismo no slo se regulan magni-tudes sencillas, como la presin arterial, el va-lor del pH celular, la longitud muscular, el peso corporal y la concentracin de glucosa plasmtica, sino tambin procesos comple-jos, como la fecundacin, el embarazo, el crecimiento, la diferenciacin de los rganos y la elaboracin de los estmulos sensitivos y la actividad motora de los msculos esquelti-cos, as como el mantenimiento del peso cor-poral al correr y al permanecer de pie. El proceso de regulacin puede durar slo mili-segundos (movimiento intencional) o varios aos (crecimiento).

Los sistemas de regulacin descritos antes permiten mantener un valor real medio cons-tante con oscilaciones ms o menos impor-tantes en forma de ondas. Cuando se produ-ce un estmulo modificador brusco, estas osci-laciones se hacen ms importantes, pero en un sistema estable de regulacin se normali-zan (E, paciente 1). Estas oscilaciones suelen representar slo un pequeo porcentaje, aunque en ocasiones son considerables. Por ejemplo, la glucosa plasmtica se duplica des-pus de la comida, por lo que slo se intenta evitar los valores extremos (hiper o hipoglu-cemia) y las desviaciones crnicas. Cuanto ms exacto deba ser el control, ms sensible habr de ser el sistema de regulacin (factor de intensificacin ms alto), lo que prolonga la duracin de las oscilaciones (E, paciente 3) y vuelve inestable la regulacin en situaciones extremas, con la consiguiente oscilacin del valor real entre los valores extremos (oscila-cin de la regla, E, paciente 4).

Las oscilaciones del valor real despus de un estmulo modificador se pueden amorti-guar de forma que: a) cuanto ms intensa sea la seal del sensor, con ms rapidez se aleja el valor real del terico (propiedades diferenciales del sensor) (v. 312 y ss.), y

b) se informa de la probable magnitud de la alteracin al sistema regulador fmagniucj de la alteracin). En la termorregulacin se produce un fenmeno de contrarregulaciil desencadenado por los receptores de fro de la piel, antes de que se llegue a modificar el valor real (temperatura central) (v. 224). Lai desventajas de los sensores D en los circu tos reguladores quedan demostradas por los presosensores arteriales en la regulado aguda de la presin arterial: las elevaciones lentas, pero constantes de la presin artericl que se producen en la hipertensin escapa de la regulacin, mientras que una dismira cin rpida de la misma en un paciente hi-pertenso desencadena una rpida respuesta para volver a elevarla. Para la regulacin a largo plazo de la presin arterial son neces ros otros sistemas reguladores.

La clula

La clula es la unidad ms pequea de los se-res vivos y ella (ninguna unidad menor) puede realizar las funciones fundamentales del orga-nismo, como el metabolismo, el crecimiento, el movimiento, la multiplicacin y la transmi-sin de la herencia (W. Roux, v. 4). El creci-miento, la multiplicacin y la herencia son posibles por la divisin celular.

Los componentes celulares son la membrana celular, el citosol o citoplasma (50% del volumen) y las estructuras subcelula-res incluidas en el mismo con su propia mem-brana limitante, las organelas celulares (A, B). Las organelas de las clulas eucariotas son muy especializadas. Por ejemplo, su ma-terial gentico se concentra en el ncleo celu-lar, sus enzimas de desecho en los lisosomas, y la produccin oxidativa de ATP se realiza en las mitocondrias.

El ncleo celular contiene el jugo nu-clear (cariolinfa), el cuerpo nuclear (nuclolo) y la cromatina que contiene la informacin hereditaria, los cidos desoxtrribonucleicos (ADN). La doble hlice de ADN (hasta de 7 cm de longitud) est arrollada y plegada, de forma que contiene los cromosomas de 10 um de longitud. En los hombres hay 46 pa-res de cromosomas, 22 autosomas y 2 cro-mosomas sexuales (XX en la mujer y XY en el varn). El ADN se compone tambin de una secuencia de molculas con tres ele-mentos (los nucletidos), correspondientes a una pentosa (desoxirribosa), un fosfato y una base. Del azcar del esqueleto azcar-fosfato (desoxirribosa-fosfato-desoxirribosa) cuelga una de cuatro bases distintas. El pa-trn de secuencia de las bases constituye el cdigo gentico que determina cada una de las 100.000 protenas diferentes que sin-tetiza una clula a lo largo de su vida (ex-presin gentica). Las dos hebras de ADN se pliegan de forma que en la doble hlice siempre coinciden la base adenina (A) con iinina (T) y guanina (G) y cirosina (C). La secuencia de bases de una hebra de ADN (E) es una imagen especular de la otra, lo que permite emplearla como matriz para la sn-tesis de una hebra complementaria nueva que contenga una informacin idntica, algo que sucede antes de cada particin celular

para duplicar la informacin gentica (re-plicacin).

La transmisin del cdigo gentico del ADN nuclear (secuencia de bases) a la sn-tesis proteica en el citosol (secuencia de ami-nocidos) es realizada por el cido ribonucleico mensajero (ARNm, Cl). Esta molcula se sintetiza en el ncleo celular y se diferencia; del ADN en que slo tiene una hebra constij tuida por ribosa en lugar de desoxirribosa y contiene uracilo (U) en lugar de timina. En la cadena de ADN, cada aminocido (glutama-to, E) de la protena codificada viene determij nado por tres bases consecutivas (triplete da bases, en el ejemplo C-T-C; codogn)] Cuando se lee el ADN, en el ARNm se sustil tuye por el triplete de bases complementaria (en el ejemplo, G-A-G), que constituye el cal don (E). La lectura del codn en el ribosoma (C2) se realiza a travs del ARNt (de transfej rencia) relativamente corto, que contiene a triplete de bases complementario del codij (en el ejemplo, C-U-C), denominado antica don (E).

La sntesis de ARN en el ncleo celul lar se produce bajo el control de las ARN-poj imerasas (tipos I-III), cuyo efecto sobre ej ADN se encuentra bloqueado en condicionei normales por protenas represoras. Cuandl el represor se elimina (desrepresin) y los faa tores de transcripcin generales se ligan a la denominada secuencia promotora del ADti (TATA en el caso de la polimerasa II), se prel duce la fosforilacin de la misma. Una vez aa tivada, se produce en un punto determinad! la separacin de las dos hebras del ADN, lo que permite la lectura del cdigo y la codifI cacin de una cadena de ARNm (transcrip-cin Ca, D). Este ARNhn sintetizado pJ la polimerasa (ARN nuclear heterogneo) ti J ne un capuchn en el extremo 5' y una col de poliadeninas en el 3' (D) y est empaqua tado en una envoltura de protenas, de foi ma que da lugar a las partculas de ribonuclecl protena nucleares heterogneas (PRNhr Este ARN primario o pre-ARNm contiene ni slo secuencias de bases que codifican arr nocidos para las protenas (exones), si tambin otras que no intervienen en la codi cacin (mirones). Los intrones, que pued contener desde 100 hasta 10.000 ncleo! dos, son separados de la cadena de ARB (splicing, Clb, D), ya que contienen infc*

macin para una separacin exacta. Este splicing depende del ATP y se produce por la accin conjunta de numerosas protenas loca-lizadas en un complejo de ribonucleoprotei-nas (spliceosoma). Los intrones representan la parte del len en el pre-ARNm. En el caso del factor VIII de la coagulacin, que contiene 25 intrones, representan un 95% de la cade-na de nucletidos. Esta modificacin pos-transcripcional permite alterar el ARNm (metilacin).

El ARN abandona el ncleo a travs de los poros nucleares (unos 4.000 por cada c-lula) hacia el citosol (Ce). Son complejos proteicos de alto peso molecular (125 MDa) en la envoltura nuclear, que se encargan del transporte selectivo de molculas de gran ta-mao hacia el ncleo (factores de transcrip-cin, ARN-polimerasas o receptores de hor-monas esteroideas citoplasmticos), desde el ncleo (ARNm, ARNt) o en ambas direcciones (protenas del ribosoma). Para que una molcula pueda desplazarse en una u otra di-reccin (con un mecanismo dependiente de ATP) se necesita una seal especfica, que di-rige la molcula hacia el poro. La salida del ARNm del ncleo depende de la estructura en capuchn del extremo 5', la entrada de protenas al ncleo depende de una o dos se-cuencias concretas de pocos aminocidos (sobre todo bsicos), que forman parte de la cadena peptdica de las protenas nucleares y que forman un lazo peptdico en la superfi-cie proteica. Esta seal de localization nu-clear est oculta por un chaperon (hsp90 en el caso del receptor citoplasmtico de los glu-cocorticoides, v. 278, [hormona]) en ausencia de su ligando y slo se muestra en presencia de la hormona que libera la hsp90 del receptor. Este receptor activado puede en-trar al ncleo, donde se une a secuencias del ADN especficas y regula la transcripcin de determinados genes.

La envoltura nuclear est compuesta por dos membranas de fosfolpidos, que se interrumpen a nivel de los poros nucleares. Estas dos membranas estn estrechamente unidas y la externa se contina con la mem-brana del retculo endoplasmtico (RE) (F).

El ARNm que abandona el ncleo llega a los ribosomas (Cl), que se localizan sueltos en el citosol o ligados a la cara citoslica del RE. Cada ribosoma est constituido por do-

cenas de protenas, que se asocian con mol-culas de ARN estructural [ARNr (ribosmi-co)]. Las dos unidades del ribosoma se trans-criben en el nuclolo a partir de numerosos genes para el ARNr y salen del ncleo por se-j parado a travs de los poros. Su unin en for-ma de ribosoma constituye una mquina bioqumica para la sntesis proteica (tra-duccin) (C2). Para la formacin de cada se-cuencia peptdica es necesario un ARNt es-pecfico (para cada uno de los 21 aminocidos que producen las protenas), a cuyaj extremo C-C-A (idntico en todos los ARNt) se une el aminocido inicial y que presenta en el otro extremo un anticodn, que reconoce el codn del ARNm (E) (el ribosoma con-1 tiene dos sitios de unin del ARNt, uno paral el aminocido recin fabricado y otro para etj siguiente; no se muestra en E). La sntesis empieza con la lectura de un codn de inicio y termina con un codn de terminacin. Despus el ribosoma se divide en sus dos mi-tades y se separa del ARNm (C2). La velocH dad de sntesis de un ribosoma es 10-20 ami-j nocidos/segundo. La cadena de ARNm es! leda en distintos sitios por varios ribosomaa al mismo tiempo (polirribosomasj, de formal que la velocidad de sntesis de una protenaj es ms alta que la de su ARNm. Por ejemplo] en la mdula sea se producen unas 5 x lO1! copias de hemoglobina a razn de 574 ami-j nocidos/segundo.

El retculo endoplasmtico (RE, C, F) desempea un papel central en la sntesis proteica y lipdica de la clula y acta como] una reserva de Ca2+ intracelular (v. 17, A)J Corresponde a un laberinto en forma de re-j des de canales ramificados y vesculas aplaH nadas, cuyos espacios internos (cisternas! aproximadamente un 10% del volumen celuj lar) estn unidos entre s y rodeados de und membrana, que representa hasta el 70% dd la masa total de membrana celular. En la suj perficie externa de una parte del RE se localiJ zan los ribosomas (RE rugoso), en los que sd sintetizan las protenas de la membrana (G)j del RE, del aparato de Golgi, de los lisosomas] etc., as como las protenas para exportacin] Cuando se empieza a sintetizar una protena (en el extremo aminoterminal) en los riboso mas (al principio libre) se origina una secuenj ca de sealizacin, a la que se liga una PR9

sj

(partcula de reconocimiento de seal) en el citoplasma. La consecuencia de esta unin es que: a) la sntesis en curso se detiene y b) el ri-bosoma (con la mediacin del PRS y el re-ceptor del PRS) se une al receptor de riboso-mas de la membrana del RE. En este mo-mento se reinicia la sntesis proteica. Una vez concluida la sntesis de protenas para la ex-portacin, la cadena peptdica es secretada a la cisterna a travs de una protena transloca-dora. Cuando se sintetizan protenas de membrana, los dominios de membrana (G2) interrumpen la sntesis cerrando las protenas translocadoras, al tiempo que sitan la se-cuencia peptdica hidrfoba en la membrana fosfolipdica. El RE sin ribosomas se denomina RE liso y en l se sintetizan los lpidos (p. ej., las lipoprotenas, v. 254 y ss.). Las protenas fabricadas en el RE son transporta-das en forma de vesculas con membrana (l-pidos) hacia el aparato de Golgi.

El aparato o complejo de Golgi (F) est constituido por compartimientos funcional-mente comunicados entre s, en los que se elaboran los productos elaborados en el RE. Consta de una red de Golgi-ds (superficie de entrada, prxima al RE), de vesculas planas apiladas (pilas del Golgi) y de una red de Golgi-trcms (seleccin). En el aparato de Golgi: * se sintetizan los polisacridos. se modifican las protenas (modificacin postraduccin), como la glucosilacin de las protenas de membrana en determinados aminocidos (ya se produce en el RE), que posteriormente forman el glucoclix en la su-perficie externa de la clula (v. 14), o la y-car-boxilacin de los restos de glutamato (v. 102). * fosforila el componente glucdico de las glucoprotenas (p. ej., la manosa-6-fosfato) y empaqueta determinadas protenas para su exportacin en vesculas secretoras (granu los de secrecin), cuyo contenido se exocita ha cia el espacio extracelular (pncreas) (v. 246).

El aparato de Golgi representa, por tanto, una estacin de modificacin, seleccin y reparto central de las protenas y lpidos fa-bricados en el RE.

La regulacin de la expresin genti-ca se produce a nivel de la transcripcin (Ca), la modificacin del ARN (Clb), de la

exportacin del ARNm (Ce), de la elimina-1 cin del ARN (Cid), de la traduccin (Ce), I de la modificacin y seleccin (Ff) y la degra-1 dacin proteica (Fg).

En las mitocondrias (A, B y v. 17, B se produce la oxidacin de los lpidos y los hi-1 dratos de carbono a CO2 y H20 empleando* O2. En ellas se produce el ciclo del cido c-l trico, la cadena respiratoria y la /ormacin de ATP necesaria para los mismos. Las clu-l las implicadas en el transporte y con un me-1 tabolismo activo tienen muchas mitocon-l drias, como los hepatocitos y los epitelios in-1 testinales y renal. Las mitocondrias se rodeaiH de una membrana externa lisa y una mem-B brana interna, que muestra una superficie* mucho mayor por la presencia de pliegues profundos (crestas) y que est implicada en ell transporte (v. 17, B). Las mitocondrias se ori-l ginan posiblemente en bacterias aerobias ,1 que vivan en simbiosis con las clulas anae-B robias (hiptesis simbitica], de las queB quedan como reliquias el ADN (bacteriano! y la doble membrana de las mitocondriasl Tambin tienen ribosomas para la sntesis proteica.

Los lisosomas son vesculas (F), que deri-B van del RE a travs del aparato de Golgi y quel se ocupan de la limpieza intracelular de macromolculas. Estas sustancias de desechB entran a la clula por endocitosis (como la al-l bmina en el tbulo renal, v. 158) o fagocitosis (bacterias por los macrfagos, v. 94 y ss.),l pero tambin se pueden originar dentro de lal misma por la destruccin de organelas pro| pias (auto/aga, por ejemplo de mitocori drias), que se eliminan en los autofagosoma: (B, F). Los fragmentos de membrana endocl tados pueden reincorporarse de nuevo a la misma (reciclado de receptores en la endocitosis mediada por receptor, v. 28). Estacione; intermedias en este trfico de vesculas sos los endosomas precoces y tardos. Los en| dosomas tardos y los lisosomas contienen hi drolasas acidas (proteases, nucleasas, lipa sas, glucosidasas, fosfatases, que slo son ac uvas en medio cido), una H+-ATPasa d membrana, que acidifica el interior del lisosq ma a un pH 5, y diversas protenas transport tadoras, que a) separan los productos del desecho (entre otros, aminocidos) del citoplasB ma y b) se ocupan de la entrada de H* para el

transportadores o receptores hormonales. Las protenas se anclan a los restos de ami-nocidos lipfilos o se colocan sobre prote-nas ya ancladas. Algunas protenas de mem-brana se pueden mover con libertad en la membrana, mientras que otras se anclan en el citoesqueleto, como los intercambiadores amnicos de los eritrocitos. La superficie ce-lular est revestida por el glucoclix, com-puesto por las porciones glucdicas de las glu-coprotenas y los glucolpidos de la membra-na celular (61,4) y de la matriz extracelular. El glucoclix permite las interacciones clula-clula (reconocimiento de superficie, entr otros). Las selectinas son protenas de mem brana que se unen a componentes del gluco clix (v. neutrfilos).

El citoesqueleto posibilita que la clul adopte diversas morfologas (p. ej., en la di visin celular), que se mueva (migracin, ci lios) y que se produzca el transporte intrace lular (vesculas, mitosis). Contiene filamento de actina, microtbulos originados en lo centrosomas y filamentos intermedios como vimentina, desmina, queratina y neu rof lamentos.

fp> equilibrio de cargas (canales de Cl~). Estas protenas de transporte y enzimas son apor-tadas a los lisosomas primarios desde el apa-rato de Golgi. La manosa-6-fosfato (M6P) sir-ve como etiqueta, ya que se liga con los re-ceptores para M6P en la membrana de Golgi y forma la estructura mediante endocitosis mediada por receptores ayudada por una clatrina (v. 28). En el medio cido las prote-nas se separan del receptor y se desfosfori-lan; posteriormente, se recicla (F). Las pro-tenas desfosforiladas ya no son reconocidas por el receptor M6P, lo que impide que re-gresen al aparato de Golgi.

Los peroxisomas contienen enzimas (im-portadas mediante una secuencia sealizado-ra), con las que oxidan determinadas molcu-las'orgnicas (R-H2), como los aminocidos D y los cidos grasos: R-H2 + 02 - R + H202. La cata/asa presente en los peroxisomas convierte 2 H202 en 02 + H2O y oxida toxi-nas, como el alcohol, entre otras.

Mientras que las membranas de las orga-nelas se ocupan de la compartimentalizacin intracelular, la membrana celular (G) se encarga de proteger el interior celular del espacio extracelular (v. 2). Se compone de una bicapa lipdica (Gl) y es lisa o muestra digitaciones profundas (ribete en cepillo y la-

berinto basal, B). Segn el tipo celular contiene distintos porcentajes de fosfolpidos (so bre

todo fosfatidilcolina, G3, serina y etano lamina, as como esfingomielina), colesterinc (= colesterol) y g/uco/pidos (p. ej., cerebro sidos), cuyas porciones hidrfobas estar opuestas entre s, mientras que las porciona hidrfilas se orientan hacia el entorno acuo so, lquido extracelular o citosol (64). L composicin lipdica de ambas capas de 1; membrana es muy distinta y los glucolpido slo estn presentes en la capa externa. E colesterol aparece en ambas y reduce la flui dez de la membrana y su permeabilidad par las sustancias polares. En la membrana lip: dica fluida bidimensional estn integrada protenas, que pueden representar desde < 25 (membrana de la mielina) al 75% (men brana interna de la mitocondria) de la mas de la membrana segn el tipo de la misma; a gunas atraviesan la doble capa lipdica un (Gl) o ms veces (G2) (protenas irn, membrana) y actan como canales inico:

Transporte hacia, a travs y entre las clulas

La membrana celular lipfila protege al inte-rior de la clula del lquido del espacio extra-celular de composicin completamente dis-tinta (v. 2). Su presencia resulta fundamental para que la clula pueda mantener su medio interno gastando energa metablica. Los ca-nales (poros), los transportadores, las bombas inicas (v. 26 y ss.) y el proceso de citosis (v. 28) permiten el transporte transmem-brana de determinadas sustancias, bien sea la importacin o exportacin de sustratos metabiicos o metabolitos o el transporte di-rigido de iones, con los que se puede produ-cir y modificar el potencial de Ia clula (v. 32), que resulta fundamental para la ex-citabilidad de los nervios y las clulas muscu-lares. Tambin el transporte dirigido puede mitigar las consecuencias de la entrada de de-terminadas sustancias para las que la mem-brana tiene una buena permeabilidad, como el agua y el CO2. Este mecanismo regulador permite compensar los cambios no deseados del volumen celular y del pH intracelular. Procesos de transporte intracelular Como la clula est dividida en distintos es-pacios por las distintas membranas de las or-ganelas y en cada clula hay que superar dis-tancias intracelulares muy importantes, exis-ten numerosos procesos de transporte intracelular especficos, entre los que des-tacan: * la exportacin de ARN y la importacin de protenas a travs de los poros nucleares de la envoltura nuclear (v. 11, C), el transporte de protenas del RER al com-plejo de Golgi (v. 13, F), * el transporte axonal en las fibras nervio sas, que debe recorrer distancias hasta de 1 m (v. 42). Este transporte se suele producir a lo largo de los filamentos del citoesqueleto. El movimiento de las vesculas rodeadas de di- nena de los microtbulos en una direccin y de las rodeadas de kinesina en la contraria se realiza consumiendo energa en forma de ATP (v. 13, F).

El transporte transmembrana intra-celular se produce en:

los lisosomas: captacin de iones H+ del citosol y eliminacin hacia el mismo de meta-bolitos, como aminocidos (v. 12); * el RE, que posee adems de una protena translocadora (v. 10) dos protenas transpor tadoras de Ca2* (A). Una bomba de Ca2* ATPasa permite bombear este ion desde e! citosol y este Ca2* almacenado se puede vol ver a liberar hacia el mismo a travs de un ca nal de Ca2+ en respuesta a una seal (v. 36); * las mitocondrias, cuya membrana exter na contiene grandes poros (porinas, permea bles para molculas

cas (como el ATP). Las clulas conforman una unidad metablica y elctrica muy estre-cha (sincitio), como sucede en el epitelio, el msculo liso, el miocardio y la gla del SNC. El acoplamiento elctrico permite que la ex-citacin de una clula muscular se extienda a las vecinas, desencadenando una onda de excitacin en zonas amplias de un rgano (estmago, intestino, va biliar, tero, ur-ter, aurculas y cmaras cardacas; v. 70). Tambin se comunican as determinadas neuronas de la retina y del SNC (sinopsis elctrica). Las uniones en hendidura de la gla (v. 338) y de los epitelios permiten que las tensiones producidas por su funcin de transporte o barrera se repartan a todas las clulas. Si en una clula se produjera un aumento importante de la concentracin de Ca2* (caso extremo: agujero en la membrana celular) o de H+, los conexones se cerraran (C3) de forma que para poder mantener la funcin de todo el sincitio se la dejara sola con sus problemas. Transporte de agrupaciones celulares La funcin de separacin entre el interior y el exterior que realiza la membrana celular en la clula individual, es asumida en los or-ganismos multicelulares por agrupaciones celulares. Los epitelios (piel, tubo digestivo, tracto genitourinario, va respiratoria, etc.), los endotelios de los vasos sanguneos y la gla del SNC son barreras de mucha superfi-cie. Separan el espacio extracelular de los es-pacios de composicin diferente, como el aire (piel, epitelio bronquial), del contenido del tubo digestivo, de los espacios llenos de orina y bilis (tbulo, vejiga urinaria, vescula biliar), de las cmaras lquidas de los ojos, de la sangre (endotelio), del liquido cefalorraqu-deo (barrera hematolquida) y del espacio extracelular del SNC (barrera hematoen-ceflica). Sin embargo, esta separacin debe permitir que se transporten determinadas sustancias, lo que se denomina transporte transcelular, en el que se combina la impor-tacin hacia el interior de la clula por un lado y su exportacin por el contrario. A dife-rencia de las clulas con membrana plasmti-ca redondeada (clulas sanguneas), en las c-lulas epiteliales y endoteliales su estructura (v. 9, A, B) y funcin de transporte dependen

de su polaridad. La membrana apical I (orientada hacia fuera) de una clula epitelial muestra unas protenas de transporte distintas a la membrana basotateml, que mira hacia la sangre. La mezcla lateral de ambos tipos de membrana est impedida por las uniones de cierre, a cuyo nivel la capa fosfo-lipdica de la membrana cambia de direccin (D2).

El transporte a travs de dichas barreras celulares no slo es transcelular, sino que tambin puede ser entre las clulas: trans-porte paracelular. Determinados epitelios (intestino delgado y tbulo renal proximal) muestran una relativa permeabilidad para las molculas pequeas (goteo), mientras que otros son menos permeables (nefrona distal, colon). Esta permeabilidad depende de las uniones (uniones tight, znula occludens; D), con las que las clulas se unen entre s. Las vas paracelulares y la permeabilidad, que tambin puede ser especfica para determina-dos cationes, constituyen elementos funcio-nales de cada epitelio concreto. La barrera endotelial de los vasos puede ser superada por las macromolculas mediante transcito-sis (v. 28), por lo que el transporte paracelu-lar desempea un papel fundamental en estas clulas, sobre todo en los endotelios fenestra-dos. Las macromolculas amnicas, como la albmina, que deben permanecer en la san-j gre por su efecto coloidosmtico (v. 208), son; retenidas por las cargas de la pared de las hendiduras intercelular e incluso en las fenes-traciones. Transporte a distancia Por ltimo, existe el transporte a distancia entre los rganos del cuerpo y entre ste y el mundo exterior, predominando en este con-texto la conuecdn (v. 24).

Transporte pasivo por difusin La difusin es e\ transporte de una sustancia en funcin del movimiento accidental de sus molculas o iones (Al). Como este transporte se produce en todas las direcciones del es-pacio, la difusin neta, es decir, el transporte dirigido, slo se produce cuando la con-centracin de la sustancia en el sitio de origen es mayor que en el sitio de destino, o dicho de otro modo, cuando existe un gra-diente de concentracin como fuerza im-pulsora (la difusin unidireccional se produce sin gradiente de concentracin, pero en este caso la difusin en ambos sentidos es igual, por lo que la difusin neta es O). La difusin equivale a la diferencia de concentracin y necesita tambin una fuerza impulsora pro-pia: el transporte pasivo (= transporte cuesta abajo).

Si se analiza la relacin entre el agua y el gas O2, ste difunde rpidamente hacia el agua por su mayor presin inicial (A2), lo que va elevando la presin parcial de O2 (Po2, me-dida que se emplea en lugar de la concentra-cin para los gases), de forma que puede se-guir difundiendo O2 hacia el agua cercana po-bre en O2 (Al). La pendiente del perfil de Po2 o gradientes dPo2/dx en cada capa se va ha-ciendo cada vez menor al alejarse la onda de O2 (exponencial) (A3). Por tanto, en el orga-nismo la difusin slo resulta adecuada para transporte en distancias cortas, ya que la difusin es ms lenta en los lquidos que en los gases.

La cantidad de sustancia que difunde por unidad de tiempo (denominada velocidad de difusin), Jdiff (mol s'1) es proporcional a la superficie disponible para la difusin (F) y a la temperatura absoluta (T), as como inversa-mente proporcional a la viscosidad del me-dio de solucin y el radio (r) de las partculas que difunden.

Segn la ecuacin de Stokes-Einstein se pueden agrupar T, y r como un coeficiente

de difusin D:

(C = concentracin; = distancia de difusin) Como la fuerza impulsora dC/dx disminuye de forma exponencial en funcin de la distan- cia de difusin, el tiempo de difusin aumen-B ta en funcin del cuadrado de dicha distancia, 1 de forma que si una molcula determinada! necesita 0,5 ms para recorrer la primera , necesitara 5 s para recorrer 100 y 14 hl para llegar 1 cm. Cuando en el ejemplo anterior de difusin del O2 libre en un lquido (A2), se mantiene IaI Po2 sobre el agua constante, despus de un rato se consigue la misma Po2 en el lquido, momento en el que cesa la difusin neta: equilibrio de Ia difusin. Un ejemplo de estel tipo lo representa la difusin de O2 desde ell alvolo pulmonar hacia la sangre y del CoM en direccin contraria (v. 120).

Supongamos ahora dos espacios distintos, a y b, (Bl), llenos de una solucin que mues-l tra una concentracin C de una sustancia di-1 suelta mayor en un lado que en otro (Ca >J Cb). La pared que separa los espacios tiene! poros con una longitud y los poros tienen! una superficie conjunta F. Como los poros son permeables para dicha sustancia, sta di-fundir desde a hacia b, por lo que Ca - Cb = AC, la fuerza impulsora. Si tenemos en cuenta slo los dos espacios a y b (y nos olvidamos del gradiente dC/dx descrito a nivel del poro para simplificar el estudio), la ecuacin de difusin de Fick (comparar con 1.2) sera ahora:

La velocidad de difusin ser mayor cuanto I mayores sean F, D y AC y menor cuanto ms I gruesa sea la pared de separacin ().

Cuando se analiza la difusin a travs de IaI membrana lipdica de la clula, hay que re-J cordar que las sustancias hidrfilas se disuel-J ven menos en la misma (v. gradiente intra-J membrana de Cl comparado con C2), por]

La ecuacin de Pick (Adolf Pick, 1855) in-dica:

en la que la constante de proporcionalidad R representa la constante general de los gases (8,3144 K1 mol1).

lo que resulta ms difcil que la atraviesen por difusin simple. El coeficiente de distribu-cin aceite-agua k de una sustancia mide su liposolubilidad (C). Una sustancia difunde a travs de Ia doble mem-brana fosfolipdica con mayor rapidez cuanto ma-yor sea su k (D). La frmula 1.3 quedara

Mientras que en presencia de Ia misma k el radio de Ia molcula r (compare 1 .1 ) se corresponde con Ia magnitud de D (comprese el malonmido de dietilo con Ia etilurea en D), el valor de k puede variar en muchas decenas en presencia de Ia mis-ma r (comprese Ia urea con el etanol en D), con-dicionando de forma decisiva Ia permeabilidad de Ia membrana.

Como en el organismo no se puede determi-nar la magnitud de k, D y , en la prctica se resumen como coeficiente de permeabili-dad, por lo que:

En la que la cantidad difundida por unidad de superficie y tiempo (neta) es proporcional a AC y P (E, lnea azul para la pendiente P). En el caso de la difusin de los gases, el valor DC de 1.4 se sustituye por (coe-ficiente de solubilidad por diferencia de pre-sin parcial; v. 126) y Jdiff [mol s^1] por Vdif [m3 s'1]. El valor k a D se denomina facilidad de difusin o coeficiente de difusin de Krogh K [m2 s"1 Pa"1], de forma que en la ecuacin de difusin de Fick:

Se denomina difusin no inica a aquell en la que la forma no cargada de una bas (amoniaco = NH3) o cido (cido frmico) di bil atraviesa con ms facilidad la membran que la cargada (F). La membrana es much ms permeable para NH3 que para NH4 (v. 176 y ss.). Como la carga de una sustai cia depende del valor de pH de la soluci (valor pK, v. 378), este parmetro influye e la difusin de los cidos y bases dbiles.

Hasta el momento no se ha analizado difusin de sustancias con carga electric (iones). En ella interviene la diferencia potencial, por ejemplo en la membrana c lular, una fuerza que puede facilitar la difi sin (electrodifusin) y que condiciona qu los iones con carga positiva (cationes) se c rijan hacia el lado de la membrana con ca ga negativa, mientras que los de carga neg< uva (aniones) lo hagan hacia el lado con ca ga positiva. Una condicin previa pai dicho tipo de transporte es que existan c< nales inicos en la membrana (v. 32 y ss permeables para el ion que se desee tran portar. Adems, los iones que difunden a f vor de un gradiente de concentracin tran portan tambin su carga y producen un p< tendal de difusin (v. 32 y ss.). La carga elctrica de los iones puede modificar el coeficiente de permeabilidad del ion X (= Px) cora dicionando Ia conductividad elctrica de Ia membrana para el mismo, gx (v. 32):

donde RyT tienen su significado habitual y Zx re-presenta Ia carga del ion, F Ia constante de Faraday (9,65 10" A s mol'1) y CxIa actividal inica media en Ia membrana (ndice d = a ul lado; ndice j = al otro lado de Ia membrana):

A diferencia de P, g tambin depende de Ia com centracin. Cuando Ia concentracin extracelule de K* aumenta de 4 a 8 mmol/kg H2O (no se mod fica a nivel intracelular 160 mmol/kg H2O), se pro duce un aumento del 20% de c y de g.

Como la mayora de las sustancias con im-portancia biolgica son polares y lipfobas (k pequea), su difusin simple a travs de la membrana sera demasiado lenta, por lo que, adems de los canales locales, existen otras protenas de membrana, denominadas transportadoras, que ligan la molcula que deben transportar (p. ej., Ia glucosa) en un lado de la membrana y la vuelven a soltar al otro lado (tras un cambio conformacional) (G). En este tipo de transporte con transpor-

tador (p. ej., GLU-uniportador para glucosa, v. 158) resulta fundamental un gradiente de concentracin, igual que para la difusin sim-ple (transporte pasivo), por lo que esta di-fusin facilitada se puede saturar (E) y es especfica para sustancias parecidas a nivel estructural, que pueden inhibirse competiti-vamente entre ellas. Los transportadores comparten estas propiedades con el trans-porte activo (v. 26).

el O2 como la capacidad de difusin del pul mn DL, de forma que:

Si se analiza la velocidad de transporte Jd(( (mol s"1) en una superficie F, se puede susti-tuir en 1.4 y:

Como el intercambio alveolar de gases (v. 120) y no se pueden medir en el ser vivo, con frecuencia se considera el valor K F/ para

Osmosis, filtracin y conveccin

El transporte de agua o volumen (JJ a tra-vs e las membranas en el organismo se produce por osmosis (= difusin de agua) o filtracin. La membrana debe ser permeable al agua (conductividad hidrulica, Kf), de for-ma que la diferencia de presin osmtica o hidrosttica ( ) empuja el lquido a tra-vs de la misma.

El flujo osmtico de agua (A) se calcula: = , [1.11]

y segn Ho// y Stavermann : = [1.12]

dnde = coeficiente de reflexin de los fragmentos implicados, R = constante gene-ral de los gases (v. 20), T = temperatura ab-soluta y ACosm (osm UgH2O'1) = diferencia entre Ia concentracin mayor y menor de las partculas (A: Q8n, - C;sm). ACosm tiene un valor negativo como fuerza tractora en la osmosis, de forma que Ju puede ser negativa (compare 1.11). El flujo de agua viene controlado por el gradiente de concentracin de la sustancia disuelta, de forma que la concentracin mayor chupa el lquido hacia ella (Qsm). Como el medio en el que se produce la disolu-cin es el H2O, al ser la concentracin de H2O en a, Qsm, mayor que en b, Qsm, la fuerza Qi2O ~ Cn2O se comporta como fuerza tracto-ra para la difusin de H2O (A). En la osmosis tambin resulta fundamental que > O, es de-cir, que la permeabilidad para las partculas sea menor que para el agua/

La membrana celular dispone adems de ca-nales de agua para que sta pueda permear (acuaporinas). Una clula principal tbulo re-nal contiene 107 canales de este tipo, corres-pondientes a acuaporinas de tipo 2 en la por-cin luminal de la membrana (generalmente) y de tipos 3 y 4 en la membrana basolateral (permanentes?). La permeabilidad de este epi-telio (A derecha) se controla mediante la forma-cin y destruccin de acuaporina 2, que se al-macena en la membrana de las vesculas intra-celulares. En presencia de ADH (receptores V2, cAMP; v. 274) aparece en minutos en la por-cin luminal de la membrana, aumentando la permeabilidad (1,5 10~171 s"1 por canal).

Para la filtracin (B): = , [1.13]

La filtracin se produce en los capilare sanguneos; stos son permeables para lo iones y molculas pequeos, por lo que s pueden filtrar libremente ( = O), pero para las protenas plasmticas (B, X). La d ferencia de concentracin genera una dife rencia de presin onctica , que se dirig en contra de la , de forma que la filtra cin slo se produce mientras > (B v. 152, 208).

La osmosis y la filtracin permiten que S arrastren las sustancias disueltas: atracci por los solventes. La cantidad de una SIK tancia disuelta que se transporta de este modi (Jx) depende de Ju y de la actividad media d Ia sustancia Ox (v. 376) en el lugar de entrad; ya que las partculas que no consiguen atravs sar la pared se reflejan. Este fenmeno i puede medir con el coeficiente de reflexin <

Jx = J11(I-O)QJm0I-S-1] [1.1' En el caso de las molculas grandes que ^ reflejaran por completo (p. ej., X en B), < valor de es 1, mientras que para las mol culas pequeas es < 1. Por ejemplo,.esl coeficiente vale 0,68 para el cido rico en | pared del tbulo proximal renal. Se denom na coeficiente de cribado a 1 - (v. 154).

Algunas sustancias de bajo peso molecule se unen en el plasma a las protenas: uni a protenas plasmticas (C), lo que imp de su paso libre a travs de los endotelios o ( filtro glomerular (v. 154 y ss.). Si la fracci de filtracin glomerular fuera del 20%, s producira una filtracin del 20% de una sus tancia que lo hiciera con libertad, pero si e

Transporte activo En muchos lugares del organismo hace falta transportar sustancias con gasto energtico, es decir, en contra de su concentracin qu-mica y/o, en el caso de los iones, contra su potencial elctrico (v. 22). Este transporte no se puede realizar con los procesos pasivos (porque se dirige en contra del gradiente y consume energa, v. 20 y ss.) y son necesarios los denominados mecanismos de trans-porte activo, que dependen del consumo de energa. Una parte considerable de la energa qumica que el organismo adquiere a travs de la nutricin (convertida en ATP uti-lizable, v. 41) se emplea en este tipo de transporte. La energa liberada por la hidr-lisis del ATP se emplea en numerosos siste-mas de transporte transmembrana de iones, sustratos metablicos y productos de dese-cho. Este gasto de energa consigue en las clulas y las organelas orden desde el punto de vista termodinmico, lo que resulta funda-mental para la vida y funcin normal de todas las clulas y del organismo en su conjunto (v. 38 y ss.).

Si la energa de la hidrlisis del ATP se uti-liza directamente para el transporte o meca-nismo de bomba se habla de transporte activo primario y se denomina a las bom-bas inicas de este tipo ATPasas. Estas bombas consiguen un gradiente electroqumi-co de una forma relativamente lenta (ATPasa NaYK+: 1 s'1 por m2 de superficie de la membrana). Este gradiente se puede emplear para un flujo inico rpido, despus de aumentar la permeabilidad del canal inico (v. 32 y ss.; p. ej., flujo de Na+ en el potencial de accin: 1.000 s"1 m~2).

Otros ejemplos de este tipo de bomba son las ATPasas NaVK+ de la membrana celular, las ATPasas de Ca2+ del retculo endopls-mico y la membrana plasmtica, la ATPasa H+/K+ de las glndulas gstricas y el tbulo renal y la ATPasa H+ de los lisosomas, que transportan de forma activa primaria Na+, K+, Ca2+ o H+. Salvo la ATPasa H+, estas bombas estn constituidas por 2 unidades y 2 (denominadas clase P), en las que las unidades a se fosforilan y conforman el canal de transporte (Al).

La ATPasa Na+TK+ se encarga de la ho-meostasis de /a concentracin de Na+ y K+

intracelular, que resulta esencial para man tener el potencial de membrana de la clula En cada ciclo de transporte se sacan 3 ione de Na+ de la clula y se bombean hacia su in-terior 2 de K+ (Al, 2), empleando una mole cula de ATP para la fosforilacin del trans portador (A2b), lo que desencadena un can bio conformacional de la protena y cambio en la afinidad de los sitios de unin para M Na+ y el K+. El cambio conformacional pee mite el transporte, ya que expone los sitios de unin hacia el otro lado de la membran (A2, b, d). La defosforilacin permite reo perar la situacin de origen (A2; e, f). La ve-locidad de bombeo de la ATPasa Na+/Kj aumenta cuando se eleva la concentracin ir tracelular de Na+ por entrada del mismo o lo hace la concentracin de K+. Por eso se de-nomina ATPasa NaVK+ activable. La ouaba na y los glucsidos cardacos inhiben 1 ATPasa Na+/K+.

Se denomina transporte activo secun-dario al transporte con gasto de energa de una molcula (como la glucosa) mediante ur protena transportadora (en el ejemp SGLT2), al que se acopla el transporte pasivi de un ion (en este caso Na+) (Bl). En es caso el gradiente electroqumico del Na+ diri gido hacia el interior de la clula (A) gene* la fuerza para la entrada activa secundaria de 1 glucosa hacia la misma. Dicho acoplamientl se conoce como contransporte. Se denJ mina simporte cuando la sustancia transpol tada circula en la misma direccin que el icl (Bl, 2, 3) y antiporte (contratransportJ cuando el gradiente de iones, Na+ o H+, es contrario al transporte activo secundara (B4). El gradiente electroqumico de H+ resul tante se puede emplear para el simporfe ai tiuo terciario de pptidos (B5).

Aunque en el antiporte de Na/H+ (B4) j NaVCl- (B2) no se genera ninguna cargj elctrica neta (transporte electroneutroj en el simporte de Na+ + glucosa0 (Bl), de Nd + aminocidos0 (B3), 2 Na+ + aminocidos H+ + pptidos0 (B5) s se produce: transpol te electrognico o reognico. En el tranj porte electroneutro la nica fuerza tractora a el gradiente qumico de Na+, mientras quj en el transporte electrognico el potencial d membrana interna negativo representa uri fuerza tractora adicional (v. 32 y ss.). Si \

:

transporte secundario activo de glucosa se acoplara con la entrada de 2 iones de Na+ en lugar de 1 (simporte SGLTl), se duplicara la fuerza tractora. Cuando se tiene que superar un gradiente de concentracin de varias potencias de 10 (caso extremo, los iones H+ en el estmago LIO6), tienen que participar las ATPasas, que pueden ser electrognicas (p. ej., la ATPasa NaVK+; 3 Na+/2 K+; v. 46) o electroneutras (ATPasa HYK+: 1 H+/! K+).

En estos mecanismos de transporte activo cabe destacar: se saturan, es decir, tienen una capacidad limitada (J11J, son ms o menos especficos, de forma que slo unas sustancias qumicas determina-das y en general parecidas pueden ser trans-portadas por la protena transportadora; estas sustancias compiten entre ellas por el transporte (inhibicin competitiva), estas sustancias similares suelen transportarse con distinta facilidad, dada su distinta afinidad (~1/KM) por el sistema transportador, se inhiben cuando se altera el suministro de energa de la clula.

Todas las afirmaciones anteriores, menos la ltima, afectan tambin al transporte pasivo, es decir, la difusin facilitada por un trans-portador (v. 22).

La velocidad del transporte J53, de un sistema saturable sigue la cintica de Michaelis-Menten: en la que C representa la concentracin de la

sustancia que se desea transportar, Jmx la velo-cidad mxima de transporte de la misma y KM la concentracin a la mitad de la saturacin, es decir, 0,5 Jmax (v. 383).

Otro tipo distinto de transporte activo es la citosis, que se basa en la formacin de ves-culas rodeadas de membrana de 50-400 nm de dimetro y que se pueden originar en Ia membrana plasmtica (endocitosis) o incor-porarse a la misma (exociosis) consumiendo energa en forma de ATP. Las citosis especfi-cas permiten la entrada de macromocu/as 'protenas, lipoprotenas, polinucletidos y -acridos) a la clula o su exportacin. Estas

sustancias se transportan de la misma man ra en el interior celular (v. 12 y ss.).

Dentro de la endocitosis (v. tabla 1. pg. 13) se puede distinguir la entrada con nua e inespecfica de lquido extracelular vesculas relativamente pequeas (pinociB sis), que permite la entrada a la clula de B molculas disueltas en el mismo, y la endo tosis mediada por receptor (= adsortiva), es-pecfica de determinadas macromolculas (C). Esta ltima empieza en pequeas hendidu (pits) de la membrana plasmtica, que con frecuencia tienen su superficie interna rev tida por la protena da trina (hendiduras ve-vestidas o coated pits). Los receptores para la endocitosis mediada por receptor son pro-tenas integrales de la membrana celu como la de la lipoprotena LDL (hepatocitc o de la cobalamina unida al factor intrnse (epitelio ileal). En las hendiduras revestic por clatrina se pueden acumular miles de re-ceptores de distintos tipos (C), lo que aumet mucho la eficiencia de la unin de !gande Las vesculas endocitsicas estn envueltae principio por clatrina (vesculas revestidas

clatrina). Tras eliminarla, la vescula se der.o-mina endosoma inicial y a partir de ella receptores recirculan hacia la membrana (C tabla 1.6, pg. 13). El ligando endocita puede ser exocitado de nuevo (al otro lado la clula) o digerirse en los isosomas (C]. v. 13). Por ltimo, tambin se produce la fa-gocitosis (con frecuencia mediada por

ceptor) de patgenos o de desechos clula del propio organismo (v. 94 y ss.). Los pro-ductos de la digestin pequeos, como ami cidos, azcar y nucletidos, se transport por los lisosomas hacia el citosol, donde que dan disponibles para el metabolismo celu Tras la unin de determinadas hormn como la insulina, con los receptores de la perficie de la clula diana, el complejo hor mona-receptor queda dentro de una her dura revestida y es endocitado (internal! do; v. 282) y digerido por los lisosomas. Esfc mecanismo permite reducir la densidad de ceptores disponibles para unirse a hormo (regulacin a Ia baja de los receptores presencia de una mayor oferta hormonal). La exocitosis (v. tabla 1.6, pg. 13) perrl te

la exportacin dirigida de macromolcul (como las enzimas pancreticas, v. 246 y ss.l la liberacin de hormonas (p. ej., en la I

pfisis posterior, . 280) o neurotransmiso-res (v. 50 y ss.). Estas sustancias permane-cen empaquetadas en las vesculas secre-toras (revestidas por clatrina) y se liberan cuando se produce una seal (aumento de la concentracin intracelular de Ca2+). El ma-terial de empaquetado, es decir, la membra-na de las vesculas, son endocitadas de nuevo (recicladas). La fusin de la membrana exoci-tada explica la incorporacin de sus prote-nas integradas a Ia membrana plasmtica (v. tabla 1.6, pg. 13) y permite que el conte-nido lquido de las vesculas se vace hacia el exterior (exocitosis constitutiva).

El complejo proteico coatomero realiza en este caso Ia funcin de Ia clatrina. Las vesculas em-piezan a producirse en el aparato de Golgi trans porque Ia GNRP (protena liberadora de nucleti-do guanina) de Ia membrana de Golgi fosforila el GDP del ARF (factor de ribosilacin ADP) citosoli-co a GTD (D1). Las molculas de ARF-GTP se an-clan en Ia membrana y forman los coatomeros (D2), a partir de los que se producen las vescu-las revestidas por coatomeros (D3). Estas ves-culas contienen en Ia membrana v-SNARE (re-ceptor proteico asociado a las vesculas de sinap-tosomas), que reconocen el tfdiana, del ingls target)-SNARE de Ia membrana diana (en este caso Ia membrana plasmtica); as se produce Ia rotura del complejo ARF-GTP, con liberacin de ARF-GDP y coatomero y por ltimo fusin de las membranas y exocitosis (D4,5).

La entrada de macromolculas (protenas, hormonas) mediante endocitosis en un lado de la clula y su liberacin en el lado contra-rio constituye el transporte transceular de sustancias, por ejemplo en los endotelios: transcitosis.

Migracin celular La mayora de las clulas del organismo son capaces de desplazarse de forma activa (E), aunque en condiciones normales pocas clu-las utilizan esta capacidad. Los espermato-zoides disponen de un sistema especial de movimiento, ya que los movimientos de su cola en forma de ltigo le permiten despla-zarse a una velocidad de 2.000 um/min. Otras clulas se pueden mover, aunque de forma ms lenta, como los fibroblastos a 1.2 /min, que pueden acudir a una herida y formar una cicatriz. Tambin se producen

desplazamientos en el desarrollo embrionm rio, en los granulocitos neutrfilos y /os macrfagos, que pueden atravesar las pa-redes vasculares bajo control quimiotc co dirigindose hacia las bacterias invasore (v. 94 y ss.). y, por ltimo, en las clulas tu-morales degeneradas, que pueden migre hacia diversos tejidos corporales donde eje cen un efecto pernicioso (metstasis).

La migracin consiste en el desplazarme to sobre una base fija (El) y se produce cua do la clula mvil: a) se despolimerizan la actina y la tubulii del citoesqueleto; b) se endocitan fragmen de la membrana celular y se transportan ha-cia adelante en forma de vesculas endoc cas, y c) se eliminan hacia fuera iones y lqul do celular en la parte trasera de la clula, * en su parte anterior (lamelipodio) a) se polimeriza la actina con la participacin de la profilina, es decir, se juntan los monomer de actina (E2) y con la colaboracin de Ia miosina I (de la membrana plasmtica) se des-plaza hacia adelante (gasto de ATP); b) las vesculas de la membrana celular vuelven formarse, y c) vuelven a entrar los iones y l-quido desde el exterior.

Los fragmentos de la membrana que no B encuentran implicados momentneamen en la citosis se desplazan a modo de una hilera de orugas desde delante hacia atrae Como la membrana celular se encuentra an-clada en el caso de los fibroblastos sob todo a la fibronectina de la matriz extraceh lar, la clula se desplaza hacia delante. La c-lula consigue este anclaje mediante recept res especficos, como los de fibronectina de los fibroblastos.

Potencial elctrico de membrana y canales inicos

El transporte de iones conlleva un cambio de carga, es decir, el desarrollo de una dife-rencia de potencial elctrico. Los iones que abandonan la clula por difusin, como el K+, producen un potencial de difusin, por el cual el exterior celular tiene ms carga positi-va que el interior. Este potencial tiende a atraer a los iones que han salido por difusin de la clula (difusin facilitada por gradiente qumico; v. 20 y ss.) de nuevo al interior celular (transporte mediado por potencial; v. 22). La difusin de K+ se mantiene hasta que ambas fuerzas de traccin (de sentidos opuestos) se equilibran, es decir, hasta que su suma o gra-diente electroqumico sea O (igual que el potencial electroqumico). En ese momento a concentracin del ion a ambos lados de la membrana es igual (concentracin de equili-brio) con un potencial determinado (potencial de equilibrio).

El potencial de equilibrio Ex de un ion X entre la cara interna (i) y externa (a) de la membrana celular se puede calcular con la ecuacin de Nernst:

donde R es la constante general de los gases (= 8.314 J K-1 mol1), T es la temperatura absoluta (en el cuerpo 310 K), F la constante de Faraday, es decir, la carga por mol (= 9,65 104 A - S - mol"1), zx el nmero de cargas del ion (+1 para K+, +2 para Ca2+, -1 para Cb, etc.), In el logaritmo natural y [X] la con-centracin efectiva (= actividad, v. 376) del ion X. Para una temperatura corporal de 310 K el valor R T/F = 0,0267 V"1. Si se cam-bia ln[X]a/[X], por -ln[X]/[X]a, V en mV y In en log (v. 380 y s.), la ecuacin de Nernst quedara sustituyendo en 1.17:

Si X fuera, por ejemplo, el K+ y las con-centraciones fueran (K+), = 140 y (K+)a = 4,5 mmol/kg H2O, el potencial de equilibrio para K+ sera EK = -61 1 log 31 = -91 mV. Si la membrana celular slo fuera permeable

para los iones K+, el potencial de membra-na Em coincidira con este valor de -91 m* Em = EK(Al).

En presencia del potencial de equilibrio i tipo de iones implicados X determina en qj medida se desplazan en una direccin por I gradiente qumico o en la contraria por el po-tencial elctrico. El potencial electroqu-mico (Em - Ex, tambin denominado fuer! tractora electroqumica, aunque no se tral de una fuerza fsica) tambin es O, igual qtl la suma de ambas corrientes inicas, la denl minada corriente neta de iones (Ix).

Para medir la permeabilidad de url membrana para los iones se utiliza en IuJ del coeficiente de permeabilidad P (v. ecJ cin 1.5, pg. 22) la conductividad (depel diente de la concentracin) gx [S nr2] (calca lo v. ecuacin 1.9. pg. 22). Se refiere al superficie de la membrana y depende del w lor G [S] (= !/resistencia [1/]).

La ecuacin de Ohm para la corriere neta de iones/superficie de la membranal [A nrr2] quedara, por tanto:

Ix = S*-(En,-Ex). [ I l l Ix sera distinto de O cuando el potencial 1 membrana real E111 se alejara del potenc de equilibrio Ex, algo que sucede, por eje po, cuando la ATPasa Na+-K+ (electrog ca!, v. 26) est activada de forma pasaje (hiperpolarizacin. A2) o cuando la membe na celular no slo resulta permeable para lo: iones K+, sino tambin para el Na+ (despoil rizacin, A3) y el Cl". Si la membrana fuel permeable para ms tipos de iones, resultan decisiva la contribucin de la conductividl para cada uno de ellos gK, gNa y ga a la col ductividad global de la membrana (gm), es de cir, el valor de la conc/uctiuidacf fraccionas fx, que se calcula:

fx = Sx/sm ni Si se conocen la conductividad fraccionada! los potenciales de equilibrio (comparar 1.1J de los iones implicados, se puede calcular E como:

Em = EK.fK + ENa.fNa + Ec|.fcl [1.1

P" Si en la frmula 1.21 se sustituyen los va-

lores reales para una clula nerviosa en reposo (fK = 0,90; fNa = 0,03; fc, = 0,07; EK = -0,90 mV; ENa = +70 mV; Ec] = -83 mV) se obtiene un valor de En, de -85 mV. La resta Em - Ex permite obtener una fuerza de traccin de +5 mV para el K+, de -145 mV para el Na+ y de -2 mV para el Cl~, que implican que el K+ circulara hacia fuera con una fuerza de traccin pequea (pero con una g elevada), mientras que la corriente de Na+ desplazara cantidades pequeas hacia la clula a pesar de la importante fuerza de traccin, porque gNa o fNa de la clula en reposo son muy pequeos. Si los canales de Na+ se abrieran por el potencial de accin (v. 46), se producira un aumento enorme de INa. El potencial, producido por el transporte de un tipo de iones, empuja tambin a otros aniones o cationes a cruzar la membrana (electrodifusin, v. 22), siempre que sta sea permeable para los mismos. Por este meca-nismo se produce, por ejemplo, la salida de Cl~ de la clula como consecuencia del poten-cial de difusin del K+ hasta que Eg = Em, lo que segn la ecuacin 1.18 significa que la concentracin intracelular de Cl~ desciende hasta ser 1/25 la extracelular (fenmeno de-nominado de comparticin pasiva de Cl~ en-tre los espacios intra y extracelular). En el ejemplo anterior tambin se produce una pe-quea fuerza de traccin desde el interior ha-cia el exterior (En, - Ecl = -2 mV), lo que indica que el Cl" est ms concentrado en el citosol de lo que debera si slo se produjera una comparticin pasiva del mismo (Ecl = Em) y sugiere que existe un mecanismo de entrada activa en la clula (denominada comparticin activa del Cl~), por ejemplo mediante un transportador simporte NaCl (v. 29 B). La membrana dispone de canales ms o menos especficos para el transporte de iones (poros), de forma que la conductividad de la misma para Na+, Ca2+, K+ o Ch depende de qu canales y en qu cantidad estn abiertos en cada momento. La tcnica del patch-clamp (absorcin de electrones) ha posibilitado la medicin de la corriente inica por un canal concreto de forma directa (B) y ha de-mostrado que la conductividad de la membra-

na no depende del grado de apertura de ios canales inicos, sino de la frecuencia med de apertura, de forma que la probabilidad de estar abiertos condiciona la permeabi dad a los iones. El canal se abre con frecue ca en salvas repetidas (B2), que slo durar. milisegundos pero que permiten la entrac de miles de iones.

La tcnica del patch-clamp consiste colocar la apertura (de 0,3-3 de dimetr de un electrodo de cristal sobre la membrai celular, de forma que quede tapada por un pequeo parche de membrana (patch) y slo contenga un canal (o muy pocos) (para eso se deja el parche de membrana sobre la mei brana celular o, como se muestra en Bl, separa para poder estudiarlo de forma ais da). Para un determinado potencial de mei brana (voltaje clamp o borne) slo se pueB medir la corriente en el canal incluido y repi sentar la curua corriente/voltaje (curva W/ (B3), cuya pendiente se corresponde con conductividad del canal (v. ecuacin 1.18). voltaje en el que la curva W (extrapolad! corta al eje de las X (I = O) se denomina po-tencia! de corriente nulo. En su valor influ el tipo de iones que producen la corriente En el ejemplo B el potencial de corriere nulo es -90 mV. En este caso slo existe un gradiente electroqumico para Na+ y K+ y el valor de EK para este gradiente es -90 \ ENa, por el contrario, es +90 mV. El canal permeable, exclusivamente para los iones K" pero no, p. ej., para el Na+. Adems, los dis-tintos tipos de canales se pueden disting con b/oqueantes de los canales especfiod

El estado de apertura de los canales i

Papel de los iones de Ca2+ en Ia regulacin celular La concentracin de iones de Ca2+ libres en el liquido intersticial [Ca2+]a es aproximadamente 1,3 mmol/1, mientras que la concentracin en el citosol [Ca2+] es 4-5.000 veces menor (0,1-0,01 /), ya que el Ca2+ abandona de forma activa el citosol hacia el depsito intra-celular [retculo endoplasmtico (v. 17, A), ve-sculas, mitocondrias, ncleo?] o hacia el exte-rior. Ambos transportes se producen de forma activa primaria (ATPasas Ca2+) y el ltimo puede ser tambin activo secundario (trans-portador de intercambio Ca2+/3 Na+J (Al). Si la [Ca2+Ij aumenta, por ejemplo por la aparicin de un flujo de Ca2+ a travs de los cana/es de Ca2+ desde el depsito y del espa-cio extracelular (A2). Los canales de Ca2+ de la membrana celular se abren: - por despolarizacin (clulas nerviosas y

musculares), - por Hgandos exgenos (protena G0,

v. 274), - por sea/es ntracelu/ares como IP3 o

cAMP (v. 274 y ss.) y - por estiramiento de la membrana celular o

estmulos trmicos. Los canales de Ca2+ de los depsitos con fre-cuencia se abren por la elevacin local de la [Ca2+Ij (flujo de Ca2+ desde el exterior como desencadenante) o por el inositoltrifosfato (IP3, A2 y v. 276)

La elevacin de la [Ca2+] es una seal para muchas funciones celulares importantes (A). Resulta fundamental, por ejemplo, en la contraccin de las clulas musculares, en la exocitosis de neurotransmisores en las termi-naciones presinpticas de la neurona, en la exocitosis de hormonas en las clulas endo y neuroendocrinas, en la excitacin de algunas clulas sensitivas, en el cierre de las uniones en hendidura de determinadas clulas (v. 19 C) y en la apertura de canales para otros iones, en la migracin de leucocitos y clulas tumo-rales (v. 30), en la activacin de las plaquetas y en la movilidad de los espermatozoides. Este efecto viene mediado en parte por la calmo-dulina. Cuando aumenta la [Ca2+I1, la cal-modulina se une a hasta 4 iones de Ca2+ (A2). Este complejo calmodulina-Ca2* ac-tiva numerosas enzimas, como la cinasa CaM II, y desencadena la contraccin muscu-

lar mediante la cinasa de las cadenas ligera de miosina (v. 70).

Muchas clulas reaccionan frente a un esfl mulo u hormona con una serie completa de elevaciones de la [Ca2+]de corta duracin, re guiares y que revierten solas: las oscilacio-nes de la [Ca2+] (B). En este caso la sen* cuantitativa para la respuesta celular no es tanto la elevacin absoluta de [Ca2+], como frecuencia de las oscilaciones. As, la pro ten-cinasa II dependiente de calmodulina (ci-nasa CaM-II) se activa durante un period corto cuando la frecuencia del aumento de [Ca2+I1 es baja, fosforilando slo sus protein; diana, pero se vuelve a desactivar con rapide (Bl,3). Cuando dicha frecuencia es supericB la enzima se autofosforila, lo que retrasa cae vez ms su desactivacin (B3), de forma que la actividad enzimtica entre las seales de [Ca2+Ij cada vez se reduce de forma ms lente lo que conduce a que cada elevacin posteric de [Ca2+Ij ejerza un efecto sumativo (B2i. Igual que en el potencial de accin (v. 4(9 esta transmisin de la informacin por un mecanismo todo-o-nada controlado por la frw cuencia resulta mucho ms clara para la clu que la amplitud de la [Ca2+],, que puede ose lar por otras razones.

La concentracin extracelular de Ca2B [Ca2+J0, resulta fundamental para la coagule cin de la sangre, la formacin de hueso y la excitabilidad de las clulas musculares y ner-viosas y se regula de forma estrecha por ho monas (PTH, calcitonina) (v. 290) y reprB senta una seal de retroalimentacin en el c co regulador (v. 290). Los sensores de Ca2+ son protenas de membrana que detee tan valores de [Ca2+J3 elevados en la superf ci celular y activan (mediante una protein Gq) IP3 + DAG intracelulares (diacilglicerine como segundo mensajero (Cl y v. 274 y ss.). IP3 origina en las clulas C parafoliculares un aumento de [Ca2+], con exocitosis hacia el [Ca2+J3 V disminucin de la calcitonina (C2; Por el contrario, en las clulas paratiroidea un valor de la [Ca2+]a elevado disminuye el reparto del [Ca2+I3 aumentando PTH. proce so mediado por DAG y fosfocinasa C (PKC as eventualmente por la reduccin de la cor centracin de cAMP (por protena G. . 27* (C3). Tambin hay sensores para el Ca2+ en los osteoclastos y los epitelios renal e inteaB tinal.

Intercambio de energa

La energa (J) es la capacidad de un sistema de producir trabajo (J), para la cual resulta esencial la existencia de una diferencia de potencial (= gradiente de potencial, tam-bin denominada, aunque no sea muy correc-to, fuerza tractora), que permite mover ma-teria. Este gradiente de potencial se traduce en trabajo mecnico, como la altura de la cada del agua (m) en las centrales hidroelc-tricas, en trabajo elctrico en voltaje (V) y en las reacciones qumicas en la modificacin de la denominada entalpia libre [AG (J mol"1)]. Para calcular cunto trabajo se puede produ-cir, se tiene que multiplicar la diferencia de potencial (factor de intensidad) por el correspondiente factor de capacidad, la al-tura de la cada del agua por la fuerza de gra-vedad de la misma (N), el voltaje por la canti-dad de carga (C) y AG por la cantidad de sus-tancia (mol).

No se puede vivir sin energa. Las plantas la obtienen del sol y convierten el CO2 del aire en oxgeno y enlaces orgnicos. Los hombres y los animales pueden emplear di-rectamente estas sustancias para cubrir sus necesidades energticas, lo que indica que una forma de energa se puede transformar en otra. Si dichos cambios se producen en un sistema cerrado (intercambio de ener-ga, pero no de sustancias con el medio), la cantidad global de energa permanece constante. El