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  • Si pretendemos hacer un programa de Fisiología el primer paso importante es establecer su concepto. Etimológicamente, Fisiología quiere decir conocimiento ( logos ) de la naturaleza ( physis ). Con el devenir de los tiempos, el amplio espacio científico que los griegos concebían bajo el término Physiologia se ha ido reduciendo sensiblemente. Muchas han sido las figuras que han contribuido al avance de nuestra disciplina desde la época helénica pero sin duda W. Harvey constituyó un punto de inflexión ya que supuso el inicio de la moderna Fisiología como ciencia experimental. Pero fue Bernard el que más se aproximó al concepto actual de Fisiología cuando en 1865 la definió como: “la Ciencia que trata de estudiar los fenómenos que ocurren en los seres vivos normales y de determinar las condiciones en las que estos fenómenos ocurren” Apenas algunos matices se han añadido a esta definición desde entonces, lo cual constituye un reconocimiento de la gran capacidad de percepción y reflexión del científico francés, a quién le debemos el concepto de medio interno y su constancia como condiciones indispensables para la vida libre , eje alrededor del cual gira toda nuestra interpretación fisiológica actual. Fue Cannon, quien posteriormente desarrolló estas ideas dando lugar al concepto de homeostasis , que el propio Cannon (1929) definió como: “el mantenimiento de la constancia del organismo por la acción coordinada de los procesos fisiológicos”.
  • En este tema nos vamos a centrar en el estudio de la membrana plasmática. Si pensamos que tanto el medio intracelular como el extracelular son compartimentos acuosos nos daremos cuenta de la importancia de existencia de una barrera física que impida la salida o la pérdida de enzimas, nucleótidos, otras moléculas hidrosolubles y, en definitiva, que mantenga la diferente composición existente entre ambos compartimentos. Evidentemente esta barrera no puede estar constituida por moléculas hidrosolubles, de hecho la composición de la membrana celular es lipídica. De hecho, la composición de todas las membranas que rodean a los orgánulos están constituidas principalmente pos fosfolípidos y proteínas. Los fosfolípidos se caracterizan por poseer un grupo fosfato. El ejemplo más común de molécula fosfolipídica es el constituido por la unión de dos moléculas de ácido graso a dos de los átomos de carbono del glicerol. El tercer átomo de carbono se une al grupo fosfato, el cual puede unirse a otras moléculas, de este modo si se une a una molécula de colina la molécula generada es la fosfatidilcolina. De este modo dentro de la molécula se describen dos regiones una polar o hidrófila y otra apolar o hidrófoba (moléculas anfipáticas). En el entorno acuoso en el que se encuentran estos fosfolípidos hace que alejen, en todo lo posible, las cadenas de ácidos grasos del contacto con el agua por lo que forman bicapas lipídicas. Prácticamente todas las moléculas de fosfolípidos de las membranas biológicas tienen estructura de bicapa lipídica, de forma que la porción polar queda en contacto con el agua a la apolar resguardada de ese contacto. La zona media hidrófoba de la membrana es la que impide el paso de moléculas e iones hidrosulobles. Pero sin embargo sabemos que existen moléculas polares que atraviesan la membrana. Esta propiedad selectiva y especializada del transporte de membrana se deben al componente proteico de las mismas.
  • Hay cuatro tipos de fosfolípidos en la membrana celular: fosfatidilcolina esfingomielina (en este fosfolípido la glicerina ha sido sustituída por un aminoalcohol llamado D-4-esfingenina) fosfatidilserina fosfatidiletanolamina La zona media hidrófoba de la membrana es la que impide el paso de moléculas e iones hidrosulobles. Pero sin embargo sabemos que existen moléculas polares que atraviesan la membrana. Esta propiedad selectiva y especializada del transporte de membrana se deben al componente proteico de las mismas. Tenga en cuenta que la fosfatidilserina sólo lleva una carga negativa neta, la importanciade la que hablaremos más adelante y los otros tres son eléctricamente neutros a pH fisiológico, llevando una carga positivo y uno negativo. En conjunto, estos cuatrofosfolípidos constituyen más de la mitad de la masa de lípidos en la mayoría de las membranas. Otros fosfolípidos, tales como los fosfolípidos de inositol, están presentes en cantidades menores pero son funcionalmente muy importante. Los fosfolípidos de inositol, por ejemplo, tienen un papel crucial en la señalización celular.
  • La fluidez de la membrana depende de su composición. En este aspecto el colesterol actúa como un amortiguador de la fluidez. El colesterol es un constituyente fundamental en las membranas celulares. Está constituido por una cabeza polar, un núcleo esteroideo, el cual se dispone paralelo a las cadenas de ácidos grasos de los fosfolípidos de la membrana y una cola hidrocarbonada. Si nos fijamos en el esquema veremos como las moléculas de colesterol se encuentran orientadas en la bicapa de forma que los grupos hidroxilos se encuentran próximos a las cabezas polares de los fosfolípidos. En esta posición el núcleo de anillos esteroideos interacciona e inmoviliza parcialmente las cadenas de hidrocarbono más cercanas a las cabezas polares. Al disminuir la movilidad de estos primeros grupos de CH2 de las cadenas de fosfolípidos el colesterol hace que, en esta región la membrana sea menos deformable y disminuye la permeabilidad de la bicapa a las moléculas de agua. De este modo puede decirse que el colesterol actúa como una amortiguador de la fluidez de la membrana. Las membranas eucariotas presentan grandes cantidades de colesterol (hasta una molécula de colesterol por cada una de fosfolípido, Although cholesterol tends to make lipid bilayers less fluid, at the high concentrations found in most eucaryotic plasma membranes, it also prevents the hydrocarbon chains from coming together and crystallizing. In this way, it inhibits possible phase transitions.) Además de los fosfolípidos, las proteínas y el colesterol existe otro integrante de las membranas celulares, los glicolípidos.
  • Los componentes proteicos de la membrana pueden dividirse en proteínas periféricas y proteínas integrales. Debido a que la membrana celular no es sólida y en su interior, fosfolípidos y proteínas pueden desplazarse lateralmente. Ello origina que las proteínas no presenten una distribución uniforme, sino que la distribución de las mismas presenta un patrón en mosaico que cambia constantemente la que se ha denominado modelo de mosaico fluido. Aunque la mayoría de lípidos y proteínas pueden moverse libremente por en el plano de la membrana el intercambio entre las monocapas es poco frecuente (es poco probable que una porción hidrofílica grande cambie de monocapa si tiene que ser arrastrada a través del interior no polar de la bicapa lipídica). Existen excepciones en los que los componentes de la membrana no pueden difundir libremente, por ejemplo, el secuestro de los receptores de acetilcolina (proteína integral de membrana) en la placa motora terminal de músculo esquelético. En este tipo de distribución el citoesqueleto parece fijar ciertas proteínas de membrana. Pero no sólo las proteínas desempeñan funciones celulares importantes. Determinados fosfolípidos presentes en diminutas proporciones en la membrana plasmática tienen importantes funciones en la transducción de señales. El bifosfato de fosfatidilinositol, cuando se hidroliza por una fosfolipasa C activada por un receptor, libera inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol. El IP3 se libera en el citosol, donde actúa sobre receptores del retículo endoplásmico para provocar la liberación de Ca2+, lo que afecta a muchos procesos celulares. El diacilglicerol permanece en la membrana, donde junto con el Ca2+ interviene en la activación de la proteinkinasa C, una proteína muy importante en la transducción de señales. La fluidez de la membrana depende de su composición. En este aspecto el colesterol actúa como un amortiguador de la fluidez.
  • Aunque la estructura básica de la membrana celular sea la bicapa lipídica la mayoría de funciones específicas se llevan a cabo mediante la acción de proteínas. Su tipo y cantidad son muy variables en función del tipo celular. Como los lípidos, las proteínas de membrana a menudo se encuentran asociadas a cadenas de oligosacáridos (presentes en el exterior celular). De este modo la superficie celular presenta una cubierta rica en carbohidratos, el glicocálix, que veremos posteriormente. Existen diferentes formas de asociación entre la bicapa lipídica y las proteínas: Proteínas transmembrana (1,2,3,): Pueden atravesar completamente la bicapa, teniendo porciones de la proteína en contacto con el exterior y el interior celular. Al igual que sus vecinos los lípidos, estas proteínas transmembrana son moléculas anfipáticas (la región hidrofóbica se localiza en el interior de la membrana e interacciona con las colas hidrofóbicas de los lípidos). La hidrofobicidad de algunas de estas proteínas se aumenta por la formación de interacciones covalentes con cadenas de ácidos grasos que se insertan desde la monocapa citosólica (1). Proteínas localizadas en el citosol (4, 5, 7): ya sea por asociación con la monocapa lipídica por una hélice alfa anfipática (4) o por una o más uniones covalentes lipídicas por ejemplo por cadena de ácidos grasos (5) (son proteínas traducidas en citosol). Otras proteínas sólo se localizan en la superficie celular unidas mediante un oligosacárido por un puente covalente al fosfatidilinositol (6)(son proteinas traducidas en retículo endoplasmático). Otras proteínas se unen a la membrana mediante interacciones no covalentes con otras proteínas. Se les deomina proteínas periféricas de membrana (pueden liberarse de la membrana exponiendo a las células a medios hipo o hipertónicos o modificando el pH). El resto de proteínas transmembrana o ancladas a la bicapa mediante grupos lipídicos o con otras proteínas mediante inusuales uniones estrechas (pero que no pueden separarse por estos medios) se denominan proteínas integrales. El tipo de unión en la membrana refleja la función de la proteína. Solo las transmembrana actúan a ambos lados de la membrana o pueden transportar moléculas a su través. Los receptores de superficie son proteínas transmembrana que unen moléculas señal en el exterior celular y generan señales intracelulares. Las proteínas que sólo funcionan en uno de los lados normalmente se asocian con otras proteínas o lípidos que también actúan en ese lado. La mayoría de las proteínas transmembrana atraviensan la bicapa como una  hélice simple (1),  hélice multiple (2) o como barriles β (3). Además las proteínas siempre tiene una única orientación en la membrana. Esta asimetría refleja el proceso de síntesis e inserción desde RE y las diferentes funciones de dominios extra e intracelulares. Los residuos proteicos que atraviesan la bicapa lipídica son aminoácidos con cadenas laterales no polares. Debido a que en enlace peptídico es polar y al ambiente hidrofóbico en que se encuentran estos enlaces peptídicos están dirigidos por puentes de hidrógeno, función de los cuales se optimiza al formarse la alpha hélice. Los barriles beta son más rígidos y cristalizan más rápido que las alpha hélices. El número de cadenas que atraviesan la membran puede oscilar de 8 a 22 y son abundantes en mitocondria, Cloroplastos y bacterias. Algunas forman poros llenos de agua que posibilitan el paso de sustancias hidrofílicas, otras actúan como receptores o incluso como enzimas (mayoritariamente restringidos a mitocondria, Cloroplastos y bacterias). En células eucariotas la mayoría de proteínas transmembrana son alpha hélice. The helices within these proteins can slide against each other, allowing the protein to undergo conformational changes that can be exploited to open and shut ion channels, transport solutes, or transduce extracellular signals into intracellular ones. In β barrel proteins, by contrast, each β strand is bound rigidly to its neighbors by hydrogen bonds, making conformational changes of the barrel itself unlikely. Al igual que los lípidos de membrana las proteínas pueden estar glicosiladas. De hecho, la gran mayoría de las proteínas en células animaleslo están. Al igual que ocurría en lípidos los oligosacátidos se añaden en el lumen de retículo y golgi. Por esta razón los oligos siempre se encuentran en la cara externa de la membrana. Otra diferencia que existe entre la cara citosólica y la externa en las proteínas de membrana es que el citosol es un ambiente reductor por lo que en la cara externa se formarán intra y entre proteínas puentes disulfuro entre la cys. Estos puentes son muy importantes en el mantenimiento de la conformación estructural o en la asociación con otros polipéptidos.
  • La membrana plasmática separa el medio intra del extraceluar. De hecho la mayorñia de las molñeculas presentes en los sistemas vivos son hidrosolubles por lo que la bicapa lipídica se convierte en una barrera excepcional para el paso de moléculas hidrosolubles y ello posibilita el mantenimiento de diferente concentración para diferentes sustancias entre el citosol y el exterior celular. De hecho se dice l que la membrana celular posee una permeabilidad selectiva. En general cuanto más pequeña e hidrofóbica es una molécula más rápido difunde a través de la membrana. Así, el O2 y el CO2 difunden sin problemas. Las pequeñas moléculas polares no cargadas, como el agua y la urea, también difunden aunque más lentamente. Por supuesto que la membrana celular es altamente impermeable para las moléculas cargadas (iones) ya que la carga y el elevado grado de hidratación disminuye su difusibilidad. Para el transporte de moléculas impermeables a la bicapa existen mecanismos específicos denominados proteínas transportadoras de membrana. Así pues existen dos tipos de transporte: 1- requiere la acción de transportador 2- sin intervención de transportador A su vez el primero puede dividirse en difusión facilitada y transporte activo. El transporte que no precisa de transportados se denomina difusión simple. La ósmosis es la difusión neta de disolvente (agua) a través de una membrana. En función de los requerimientos energéticos el transporte de membrana puede clasificarse en transporte pasivo, en el que el movimiento neto de moléculas e iones a través de una membrana se produce de una concentración más alta a una inferior (a favor de gradiente de concentración) y no requiere energía metabólica. El transporte pasivo comprende la difusión simple, la ósmosis y la difusión facilitada. El transporte activo es un movimiento neto a través de una membrana que se produce contragradiente de concentración (hacia la región de concentración más elevada). EL tgransporte activo requiere el gasto de energía metabólica o ATP e implica proteínas transportadoras específicas. Las proteínas transportadoras además pueden clasificarse en dos grandes grupos: 1-Proteínas transportadoras o permeasas. Las cuales se unen a un soluto específico y tras una serie de cambios conformacionales transfieren el solluto a tra vés de la membrana. 2- Proteínas canal. Las cuales forman un poro acuoso que se extiende a través de la membrana. Cuando ese poro se abre se permite el paso de solutos específicos (normalemnte iones inorgánicos de un tamaño y carga concretos). Es una transporte mucho más rápido que el mediado por transportador.
  • Difusión simple Las moléculas en solución se encuentran en continuo movimiento aleatorio como resultado de su energía térmica. Este movimiento tiende a distribuir las moléculas de forma homogénea. Por ello siempre que existe una diferencia de concentración entre dos regiones de una solución, o una solución dividida por una membrana permeable para la molécula objeto de estudio, el movimiento molecular aleatorio tiende a eliminar el gradiente y a distribuir de una forma homogénea las moléculas. De esta forma las moléculas de la parte con una concentración mayor difundirán a la zona de menor concentración. Existirá una difusión neta. Hemos indicado que la membrana plasmática es permeable a la difusión de moléculas apolares como el O2 o las hormonas esteroideas y para moléculas pequeñas polares sin carga. Este tipo de moléculas difunden a través de la membrana. De hecho la concentración de O2 es mayor en la porción extracelular y por ello tiende a entrar mientras que el CO2, cuya concentración es mayor dentro de la célula, tiende a salir. La velocidad de difusión depende de varios factores: 1- La magnitud de la diferencia de concentración a través de la membrana (es el motor que impulsa la difusión) 2-La permeabilidad de la membrana a la sustancia 3- La temperatura de difusión 4- La superficie de la membrana a través de la que difunden las sustancias (por ejemplo la existencia de pliegues aumenta el área de difusión). Ósmosis La ósmosis es la difusión neta de agua (del disolvente) a través de la membrana. Para que se produzca, la membrana debe ser de permeabilidad selectiva, es decir debe ser más permeable a las moléculas de agua que por lo menos a una especie de soluto. Así existen dos requerimientos: 1- Existir una diferencia de concentración de soluto entre ambos lados de la membrana selectivamente permeable 2- La membrana debe ser relativamente impermeable al soluto. Los solutos que no pueden pasar libremente a través de la membrana se dice que son osmóticamente activos. La difusión de agua se produce (al igual que con otros solutos y gases) cuando está más concentrada a una lado que a otro. La solución mñas diluida tiene mayor concentración de moléculas de agua y menor concentración de soluto. Aunque pueda parecer confuso los principios de la ósmosis son los mismos que gobiernan la difusión de un soluto pero haciendo referencia al agua. Si tenemos un tanque dividido en dos compartimientos iguales con una membrana artificial que puede moverse libremente. In compartimiento tiene 180g/L de glucosa y otro 360g/L. Si la membrana es permeable a la glucosa, ésta difundirá del compartimiento de 360 al de 180g/l, hasta que ambos compartimientos contengan 270g/L de glucosa. Si la membrana no es permeable a la glucosa sino al agua se logrará el mismo resultado por la difusión del agua. Cuando el agua difunde del compartimiento de 180g/L al de 360g/L la primera disolución se concentra más y la segunda se diluye. Esto va acompañado con variaciones de volumen. La ósmosis cesará cuando ambas concentraciones se hayan igualado. Las membranas celulares se comportan de manera similar porque el H2O puede atravesar la bicapa. La ósmosis y el movimiento de la partición de la membrana se podrían evitar por una fuerza que se les opusiera. La fuerza que sería necesaria ejercer para evitar la ósmosis es la presión osmótica. A mayor concentración de soluto mayor es la presión osmótica. Por lo tanto el agua pura tiene una presión osmótica de 0 y una solución de glucosa 360g/l tiene el doble de presión osmótica que una de 180g/L.
  • El transporte de moléculas grandes y polares se hace difícil por difusión simple. Para su transporte intervienen proteínas transportadoras. A este tipo de transporte se le denomina difusión facilitada y no precisa consumo de ATP. Al intervenir un transportador aparece una especificidad, competencia y saturación en el transporte. Al igual que en las enzimas estos transportadores sólo actúan sobre moléculas específicas. Así los transportadores de glucosa sólo interaccionan con la glucosa y no con monosacáridos emparentados. Lo mismo ocurre con los transportadores de aa. En el caso que dos aa sean transportados por el mismo transportador existirá una competencia por atravesar la bicapa. A medida que aumente la concentración de la molécula transportada la velocidad de transporte también aumentará hasta un límite, transporte máximo, en el que los transportadores se han saturado.
  • Transporte activo El transporte activo está mediado por proteínas transportadoras que precisan de energía para llevar a cabo su labor. Existen ocasiones en los que la difusión simple y la difusión facilitada son incapaces de explicar ciertos aspectos del transporte celular. Los revestimientos del intestino delgado y de los túbulos renales mueven glucosa del lado de menor concentración al de mayor (de luz a sangre). Otras células expulsan Ca2+ al medio extracelular y asi mantienen una concentración intracelular del catión entre 1000 y 10000 veces más baja que en el exterior celular. El transporte activo es el movimiento de iones y moléculas en contra de gradiente de concentración, desde las concentraciones más bajas a las más elevadas. Este transporte requiere el aporte de energía a partir del ATP. Podemos dividir entre un transporte activo primario (cuando es necesaria la hidrólisis de ATP para que el transportador funcione) Transporte activo secundario o transporte acoplado. En el transporte activo primario los transportadores abarcan todo el espesor de la membrana y se piensa que la secuencia de acontecimientos en el transporte ocurre: 1- Unión de la molécula o ión a transportar en uno de los lados de la membrana en el lugar de reconocimiento 2- degradación de ATP estimulada por la unión al lugar de reconocimiento y fosforilación del transportador 3- cambio conformacional del transportador inducido por la fosforilación 4- liberación de la molécula, ión, al lado opuesto de la membrana Este tipo de transportadores a menudo se denominan bombas. Aunque algunos de ellos sólo transportan una molécula o ión cada vez, otros intercambian una molécula o ión por otra. El más importante de estos últimos es la boma Na+/K+. La bomba Na+/K+ es capaz de impulsar tres iones Na+ fuera de la célula por cada dos iones K+ que introduce en la misma. La bomba Na+/K+ se encuentra en practicamente todas las células animales. Trabaja como un sistema de recambio antiporte, bombeando Na+ en contra de concentración hacia fuera y K+ hacia el interior celular. La bomba Na+/K+ está constituida por dos proteínas globulares, una mayor de unos 100000Da y otra menor de unos 45000Da. Se ha determinado como la subunidad mayor del complejo posee tres sitios de unión a Na+ en el interior celular y dos sitios de unión a K+ en el exterior. Además en la cara intracelular y próxima al lugar de unión de los iones Na+, dicha subunidad tiene actividad ATPasa. Así pues, una vez se han fijado los iones Na+ y K+ a sus respectivos enclaves en el interior y exterior celular, la energía aportada por la ruptura de la molécula de ATP origina un cambio conformacional en la molécula que impulsa los iones Na+ al exterior y los K+ al interior celular. Este transporte activo contragradiente de energía origina el acúmulo intracelular de K+ y liberación de Na+. (último dibujo: 1. Coupled carriers couple the uphill transport of one solute across the membrane to the downhill transport of another. 2. ATP-driven pumps couple uphill transport to the hydrolysis of ATP. 3. Light-driven pumps , which are found mainly in bacterial cells, couple uphill transport to an input of energy from light, as with bacterio-rhodopsin.
  • Podemos observar que es lo que ocurre a nivel molecular. El grupo fosfato terminal del ATP se transfiere a un residuo de aspártico de la ATPasa en presencia de Na+. Luego, este grupo fosfato se hidroliza en presencia de K+. La fosforilación dependiente de Na+ está acoplada a un cambio conformacional de la ATPasa que da lugar al transporte de Na+ hacia el exterior celular, mientras que la desfosforilación dependiente de K+ que tiene lugar subsecuentemente, da lugar al transporte de K+ hacia el interior de la célula cuando la ATPasa recupera su conformación original. El gradiente Na+/K+ que genera la bomba cumple importantes funciones celulares: 1- Proporciona energía para el transporte de acoplado de otras moléculas. 2- La actividad de las bombas Na+/K+ puede ser ajustado (generalmente por hormonas tiroideas) para regular el gasto calórico en reposo y el índice metabólico basal del cuerpo. 3- Los gradientes de Na+ y K+ en células nerviosas y musculares son utilizados para producir impulsos electroquímicos (necesarios para el fduncionamiento de nervios y músculo). 4- La extrusión activa de Na+ es importante para mantener el equilibrio osmótico celular. Su acumulación promovería la entrada de agua hasta lesionar la célula.
  • Transporte activo secundario o transporte acoplado En este tipo de transporte la energía necesaria para llevar a cabo el trabajo contragradiente se obtiene del transporte a favor de gradiente electroquímico de un soluto, normalmente un ión, para transportar el otro. Un ejemplo típico y muy común en las células de este tipo de transporte se da por la acción del Na+. Evidentemente la acción de la bomba Na+/K+ y la hidrólisis de ATP se hacen necesarias de forma indirecta, ya que mantiene las bajas concentraciones de Na+ en el interior celular. La difusión de Na+ hacia el interior celular, a favor de gradiente de concentración puede impulsar el movimiento de un ión o molécula en contra de su gradiente de concentración. En el caso que la otra molécula se mueva en la misma dirección que el Na+ (es decir hacia el interior celular) el transporte acoplado se denomina cotransporte o simporte. Si la otra molécula se mueve en dirección opuesta (hacia el exterior celular) se denomina contratransporte o antiporte. Ejemplo de este tipo de transporte lo podemos encontrar en las células epiteliales del intestino delgado y de los túbulos renales. Transportan glucosa en contra de su gradiente de concentración por un transportador que requiere la unión simultánea de Na+. La glucosa y el Na+ son transportados al interior de la célula como resultado del gradiente de Na+ creado por las bombas Na+/K+. Así la glucosa pasa de la luz intestinal y de los túbulos renales a la sangre. Otro ejemplo con otro ión que no es el Na+ es el intercambio de Cl- por bicarbonato a trasvés de la membrana del eritrocito. La difusión de bicarbonato al exterior de la célula impulsa la entrada de cloruro.
  • Los polipéptidos, proteínas y otras muchas moléculas demasiado grandes para transportarse a través de una membrana por los transportadores vistos hasta ahora. Sin embargo muchas células segregan estas moléculas (ejemplo hormonas y neurotransmisores) a través del proceso de exocitosis. Esto implica la fusión de la membrana plasmática con la de la vesícula que contiene estos productos celulares. En el proceso de endocitosis interviene un receptor. Así, moléculas específicas pueden ser captadas debido a la interacción con el receptor-transportador. La acción conjunta de ambos procesos proporciona un transporte masivo celular (ya que permite el transporte de un gran número de moléculas simultáneamente). En el tema siguiente estudiaremos que tipo de ruta siguen las moléculas endocitadas, su fisión con lisosomas y digestión, su reciclaje y eliminación.
  • Transcript

    • 1. ORGANIZACION FUNCIONAL Y CONTROL DEL MEDIO INTERNO Dra. Trinidad Mujica Departamento de Fisiología
    • 2. OBJETIVOS
      • Definición de Fisiología
      • Explicación de los factores físicos y químicos responsables de la configuración del organismo a lo largo del origen, el desarrollo y la progresión de la vida.
      • Identificación de los principales sistemas del organismo humano y sus funciones.
      • Conocer y entender los procesos vitales.
      • Comprensión del concepto de homeostasis, sistemas de retroalimentación y la relación entre homeostasis y enfermedad
    • 3. Concepto de Fisiología FISIOLOGÍA FUNCIONAMIENTO Physiologia : Conocimiento de la Naturaleza. Definición actual: Ciencia que estudia los fenómenos físicos y químicos que permiten el funcionamiento de los seres vivos y su adaptación a los cambios del entorno que los rodea 1. Introducción ¿Qué es la vida? Características fundamentales de los seres vivos: Reproducción, Nutrición, Organización, Crecimiento, Propósito específico, Excitabilidad y Motilidad, Adaptabilidad.
    • 4. 2. Niveles de organización funcional
    • 5. 3. Componentes químicos de la vida AGUA: el componente más abundante (80%)
    • 6.
      • Químico. Átomos y moléculas, los constituyentes de la materia viva.
      • Celular. Célula, la unidad estructural y funcional básica.
      • Tisular (hístico). Tejidos, grupos de células similares especializadas en en funciones especiales.
      • Órganico. Órganos, estructuras de morfología definida formadas por diferentes tejidos, con funciones específicas
      • Sistémico. Diferentes órganos unidos para desempeño de una función.
      • Organismo . conjunto de sistemas integrados estructural y funcionalmente.
      2. Niveles de organización funcional
    • 7. Organización Estructural
      • Niveles:
        • Químico: Atomos (C, H, O, N, Ca, K, Na) y moléculas (proteínas, carbohidratos, grasas y vitaminas) esenciales para mantenimiento de la vida.
        • Celular: Unidad estructural y funcional básica
        • Tisular: Tejidos, grupos de células similares.
        • Sistémico: Diferentes órganos unidos para desempeño de una función
    • 8. MEDIO INTERNO: LIQUIDO EXTRACELULAR E INTRACELULAR
      • 56% del cuerpo humano adulto es líquido (2/3 intracelular y 1/3 extracelular)
      • Se encuentra en constante movimiento
      • Transportado rapidamente por la sangre circulante
      • Contiene iones y nutrientes para mantenimiento de la vida celular
    • 9. Liquido Extracelular
      • Origen de los nutrientes
        • Sistema Respiratorio: El O2
        • Tracto Gastrointestinal: Hidratos de Carbono, ácidos grasos y aminoácidos
        • Hígado: Órgano que se encarga de la conversión de algunas sustancias hacia formas manejables.
        • Sistema muscular esquelético: Movilidad para autoprotección, mantenimiento de la temperatura y obtención de alimento
    • 10. Liquido Extracelular
      • Eliminación de los productos finales del metabolismo:
        • Pulmones: Elimina CO2
        • Riñones: Elimina úrea, ácido úrico, excesos de iones y agua
    • 11. INTRACELULAR VS EXTRACELULAR
      • EXTRACELULAR
      • Contiene grandes cantidades de iones Na, Cl y bicarbonato, nutrientes como oxígeno, glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. Contiene además CO2 y otros productos celulares que van hacia los riñones para su excreción.
      • INTRACELULAR
      • Contiene grandes cantidades de iones K, Mg, PO4.
    • 12. Homeostasis
      • Definición: Mantenimiento del organismo dentro de límites que le permiten desempeñar una función de manera adecuada
    • 13.
      • Condiciones esenciales del medio interno:
        • Concentración óptima de gases, elementos nutritivos, iones y agua
        • Temperatura óptima
        • Volumen óptimo
    • 14.
      • Enfermedad: Alteración de la homeostasis
    • 15. Regulacion de la homeostasis
      • Sistemas nervioso y endocrino
        • S. nervioso: Detecta alteraciones y envía señales en forma de impulsos nerviosos que producen cambios rápidos
    • 16.
        • S. Endocrino: detecta cambios y a través de la sangre envía los reguladores químicos (hormonas). Estos cambios son lentos.
        • Ambos mecanismos se coadyuvan para lograr el equilibrio.
    • 17. Sistemas de Retroalimentación
      • Definición :
          • Ciclo de eventos monitorizados constantemente y enviados a la región central
      • Componentes:
        • Centro de control: Determina el punto de mantenimiento de alguna función: ej. Presión arterial, frecuencia cardiaca, temperatura etc.
        • Receptor: Monitoriza cambios producidos y envía información (impulso aferente). Ante cambios (stress) considerados como estimulo.
        • Efector: Recibe mensaje (impulso eferente) y emite una respuesta (efecto)
    • 18.
      • Tipos:
        • Sistemas de retroalimentación positiva: Si la respuesta potencia el estímulo original. Ejm. Coagulación Sanguínea.
        • Sistema de retroalimentación negativa: Si la respuesta invierte el estímulo original.
    • 19. Enfermedad
      • Definición: Es la pérdida del equilibrio o la capacidad del organismo para conservar sus funciones.
      • Tipos:
        • Enfermedades locales : Afecta un área determinada del organismo
        • Enfermedades sistémicas: Afectan muchas partes del organismo o su totalidad.
      • Tipos de alteraciones:
        • Subjetivas: Síntomas
        • Objetivas: Signos
    • 20. AUTOMATICIDAD DEL ORGANISMO
      • El organismo esta constituído por aprox. 100 billones de células organizadas en diferentes estructuras funcionales (órganos).
      • Cada estructura funcional participa en el mantenimiento de las condiciones homeostáticas del medio interno
      • Células participan activamente en la conservación de la homeostasis.
      • La disfunción entre el medio interno y las células, pueden producir enfermedad (leve o moderada) y la muerte si esta es severa.
    • 21. Fisiología
      • Determinacion de las funciones de cada uno de los sistemas organicos
      • Relacion entre estructura y función
      • Divisiones:
        • F. Celular
        • F. sistémica
          • S. Nervioso
          • S. Muscular
          • S. Endocrino
          • S. Cardiovascular
          • S. Respiratorio
          • S. Renal
          • S. Reproductor
          • S. Digestivo
    • 22. FISIOLOGIA CELULAR Dra. Trinidad Mujica Departamento de Fisiología
    • 23. Fisiología Celular
      • Célula y su función
        • Organización de la célula;
          • Núcleo (membrana nuclear)
          • Citoplasma (membrana celular)
        • Protoplasma: Compuesto básicamente por:
          • Agua
          • Electrolitos
          • Proteínas
          • Lípidos
          • Hidratos de carbono
    • 24.
        • Unidad viva básica del organismo
        • Nº total ~ 100 billones
        • Características similares: metabolismo, consumo de O 2 , división celular…
        • Organización de la célula
          • Núcleo: ADN empaquetado (cromatina) rodeado de membrana nuclear
          • Citoplasma (rodeado de membrana celular)
      4. La célula
    • 25. Estructura física de la célula
      • Denominadas organelas :
        • Membrana celular
        • Membrana nuclear
        • Retículo endoplásmico
        • Aparato de Golgi
        • Mitocondria
        • Lisosomas
        • Centriolos
    • 26. Estructuras membranosas de la célula
      • Compuestas por:
        • Lípidos y proteínas
      • Comprenden:
        • Membrana celular
        • Membrana nuclear
        • Membrana del retículo endoplásmico
        • Membrana mitocondrial
        • Lisosomas
        • Aparato de golgi
    • 27. Membrana Celular
      • Características:
        • Delgada y elástica (7.5-10 nm grosor)
        • Formada en mayor proporción por proteínas y lípidos
          • 55% proteínas
          • 25% de fosfolípidos
          • 13% de colesterol
          • 4% de otros lípidos
          • 3% de hidratos de carbono
        • Estructura básica, bicapa lipídica (2 moléc. de grosor)
        • Parte hidrofóbica (porción ácido graso) e hidrofílica (porción fosfato)
        • Grandes moléculas de prot. globulares intercalándose a lo largo de la lámina lipídica.
    • 28. Membrana Celular
        • Constituye una barrera fundamental impermeable a iones, glucosa y úrea. El O2, CO2 y alcohol (liposolubles) atraviesan esta porción de la membrana con facilidad.
        • Posee moléculas de colesterol que se encuentran disueltas en la bicapa lipídica. Contribuye a la determinación del grado de permeabilidad a los constituyentes hidrosolubles de los líquidos corporales .
    • 29. Membrana Celular
        • Proteínas:
          • Conformadas por Glucoproteínas.
          • Tipos de proteínas:
            • Integrales (toda la membrana): proporcionan canales estructurales (poros), proteínas transportadoras, enzimas.
            • Periféricas (ancladas a la superficie de membrana, en la parte interna y unidas a las integrales), actúan como enzimas u otro tipo de reguladores.
    • 30. Membrana Celular
        • Carbohidratos (glucocáliz celular)
          • Se encuentran en forma de glucoproteínas y glucolípidos. La porción gluco, sobresalen hacia el exterior de la célula.
          • Posee proteoglicanos (sust. Hidrocarbonadas unidas por pequeños grupos proteícos)
    • 31. Membrana Celular
      • Funciones de las moleculas de hidratos de carbono (glucocáliz):
        • Están cargadas negativamente.
        • Punto de anclaje con otras células
        • Actúan como receptores de membrana, activando a los segundos mensajeros
        • Participan en acciones inmunitarias
    • 32. Membranas
      • Compuestas por:
        • Lípidos (fosfolípidos, colesterol) y proteínas
      • Tipos:
        • Membrana plasmática
        • Membrana nuclear
        • Membrana del retículo endoplásmico
        • Membrana mitocondrial
        • Lisosomas
        • Aparato de Golgi
      4. La célula
    • 33.
      • Citoplasma
      • Agua
      • Proteínas disueltas
      • Electrolitos (Na + , Cl - , K + …)
      • Glucosa
      • Pequeñas cantidades de compuestos lipídicos
      • Fibrillas de actina, tubulina… (citoesqueleto)
      • Glóbulos de lípidos, gránulos de glucógeno, vesículas secretoras
      • Orgánulos: Ribosomas, Retículo endoplásmico, aparato de Golgi, mitocondrias, lisosomas.
      4. La célula
    • 34. Retículo Endoplasmico
      • Estructuras tubulares aplanadas interconectadas que rodean al núcleo
        • Paredes formadas por bicapa lipídica membranosa
        • El interior contiene la matriz endoplásmica.
        • 2 tipos
          • Con ribosomas: retículo endoplásmico rugoso (granular)
          • Sin ribosomas: retículo endoplásmico agranular o liso
      4. La célula
    • 35. Ribosomas y retículo endoplásmico rugoso
      • Ribosomas:
        • Se encuentran anclados a las superficies externas de muchas regiones del retículo endoplásmico rugoso
        • Compuestos por una mezcla de ARNr y proteínas
        • Encargados de la síntesis proteica.
      4. La célula
    • 36. Retículo endoplásmico agranular o liso (REL)
      • Carece de ribosomas acoplados
      • Actúa en la síntesis de sustancias lipídicas, en el procesamiento de las proteínas y otros procesos enzimáticos celulares (p.e. glicosilación de proteínas, detoxificación de xenobióticos).
      4. La célula
    • 37. Aparato de Golgi
        • Intimamente relacionado con el retículo endoplásmico
        • Posee membranas celulares parecidas a las del REL
        • Consta de un apilamiento varias capas de vesículas cerradas y planas.
        • Es importante en células secretoras. Estas expulsan las sustancias a secretar (p.e., hormonas).
        • Conjuntamente con el retículo endoplásmico forman los lisosomas, vesículas secretoras u otros componentes citoplasmáticos.
      4. La célula
    • 38. Lisosomas
      • Orgánulos vesiculares formados en el aparato de golgi y dispersas a lo largo del citoplasma.
      • Proporcionan un sistema digestivo intracelular (sustancias y estructuras intracelulares, especialmente las dañadas, partículas alimenticias ingeridas por las celulas, bacterias…)
      4. La célula
    • 39. Mitocondria
      • Centrales energéticas
      • Respiración celular (oxidación de glucosa, AG y AAs)
      • Cadena de transporte de electrones
      • Síntesis de ATP: moneda energética celular
      4. La célula
    • 40. Respiración celular
      • Glucólisis  citosol
      • Ciclo de Krebbs  matriz mitocondrial
      • Cadena
      • transportadora  crestas
      • de electrones mitocondriales
    • 41. Cómo producen energía otros nutrientes
    • 42.  
    • 43.  
    • 44.  
    • 45. 5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos.
      • Las células han de diferenciarse para ejercer su función
      • Diferenciación: cambios estructurales y funcionales de las células a medida que proliferan en el embrión para formar los diferentes tejidos y órganos.
      • Consecuencia de la represión selectiva del genoma .
      • Una célula normal expresa menos de la mitad de su genoma (nº genes ~ 25000).
      • Células con funciones similares se agrupan formando TEJIDOS (NERVIOSO, EPITELIAL, MUSCULAR, CONJUNTIVO).
      • Los ORGANOS están normalmente formados por los 4 tipos de tejido
    • 46. 5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos. Tejido muscular
        • Miocitos especializados en la contracción-> función mecánica
    • 47. 5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos. Tejido epitelial
        • Las células epiteliales forman estructuras membranosas.
        • Funciones:
              • - Revestimiento (epitelios simples o estratificados).
            • - Secretoras ( glándulas de moco, hormonas…).
    • 48. 5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos. Tejido conjuntivo (conectivo)
      • Conjunto heterogéneo de tejidos derivados del mesodermo, formados por células rodeadas de grandes cantidades de material extracelular
      • Función de sostén y separación de los diferentes elementos tisulares y también se convierte en un medio logístico (p.e. plasma de la sangre).
      • Tipos:
      • - No especializado (TC propiamente dicho)
      • - Especializado (adiposo, cartílago, hueso, médula ósea, sangre)
    • 49. 5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos. Tejido conjuntivo (conectivo)
    • 50.
        • Tejido Nervioso
        • Neuronas, especializadas en generar y conducir impulsos eléctricos.
        • Células de la glía: sostén
      5. Diferenciación celular. Tejidos y órganos.
    • 51.
      • Membrana celular: estructura y composición.
      • Transporte a través de la membrana.
      • Transporte pasivo.
          • 3.1. Difusión simple.
          • 3.2. Difusión facilitada.
      • 4. Transporte activo.
      • Endocitosis y exocitosis.
      • Comunicación intercelular: mensajeros y receptores.
      Funciones de las membranas celulares. Paso de sustancias. Mensajeros químicos. Receptores.
    • 52. 1. Membrana plasmática
      • Barrera física entre el LIC y el LEC
      • Otras funciones: transporte, comunicación, reconocimiento, adhesión
    • 53. Fosfolípidos mayoritarios en las membranas eucariotas 1. Membrana plasmática
    • 54. COLESTEROL 1. Membrana plasmática
      • El colesterol amortigua la fluidez de la MP (= menos deformable)
      • Disminuye la permeabilidad de la MP al agua
    • 55. La mayoría de las membranas celulares constituyen un “mosaico fluido” de fosfolípidos y proteínas. 1. Membrana plasmática
    • 56.
      • Las características funcionales de la MP dependen de las proteínas que contiene.
      • Muchas proteínas de membrana son glucoproteínas.
      • Tipos (por la forma en la que están dispuestas en la MP):
        • - Periféricas : incluidas de manera parcial en una de las superficies de la membrana, unidas covalentemente a lípidos o asociadas a ellos mediante un dominio hidrofóbico.
        • - Integrales : abarcan todo el espesor de la membrana. Son anfipáticas.
      1. Membrana plasmática
    • 57. Segmento hidrófobo Barriles formados por diferente número de cadenas que configuran un canal o poro Glicosilación de proteínas y formación depuentes disulfuro entre cisteínas 1. Membrana plasmática Ejemplos de estructuras de proteínas de membrana
    • 58. 2. Transporte a través de la membrana.
      • La MP tiene una permeabilidad selectiva.
      • A ↓ tamaño y ↑ hidrofobicidad, ↑difusión a través de la bicapa.
      • Moléculas hidrosolubles y cargadas no pueden atravesar la bicapa (la mayoría).
      • Es necesario un sistema de transporte para las moléculas impermeables a la bicapa: proteínas transportadoras de membrana
    • 59. 2. Transporte a través de la membrana. TRANSPORTE ACTIVO TRANSPORTE PASIVO DIFUSIÓN SIMPLE DIFUSIÓN FACILITADA Tipos de transporte:
    • 60.
      • T Pasivo: No necesita energía (ATP).
      • La difusión simple ocurre a través de la bicapa (inespecífico) o por poros (específico).
      • Ocurre a favor de gradiente .
      • La capacidad de difundir a través de la bicapa depende de:
        • - La diferencia de concentración a través de la membrana
        • - La permeabilidad de la membrana a la sustancia (hidrofobicidad = lipofilia)
        • - La Tª: determina la energía cinética de las moléculas
        • - La superficie de la membrana
      • Ej.: O 2 y CO 2, EtOH, NH 3 , fármacos liposolubles
      3. Transporte pasivo: difusión simple.
    • 61.
      • Agua : aquaporinas (permiten el paso por ósmosis).
      • Iones (Na + , K + ). La apertura del canal está regulada por:
        • Ligando , su unión a una determinada región del canal provoca la transformación estructural que induce la apertura.
        • Voltaje (tema siguiente).
      3. Transporte pasivo: difusión simple. Difusión simple a través de canales :
    • 62. 3. Transporte pasivo: difusión facilitada.
      • T Pasivo : No necesita energía .
      • Ocurre a favor de gradiente.
      • La difusión facilitada es específica y saturable: mediada por proteínas transportadoras.
      • Implica un cambio conformacional en la proteína.
      • Ejemplos: glucosa, algunos aminoácidos…
    • 63. 4. Transporte activo
      • Necesita energía (ATP) y proteínas transportadoras (receptor + ATPasa).
      • Es contra gradiente (“contracorriente”).
      • Mantiene las diferencias de concentración entre el LEC y el LIC (p.e. K + , Na + , Ca +2 …), permite la absorción de micronutrientes en intestino y la reabsorción en el riñón… y la generación y transmisión del impulso nervioso
      • Tipos :
        • - TA primario : la energia procede directamente del ATP…
        • - TA secundario o acoplado : la energía procede del gradiente generado por el TA primario.
    • 64. 4. Transporte activo primario Bomba de Ca +2 Bomba de Na + /K + Mantiene ↓ [Ca +2 ] LIC Mantiene ↓ [Na + ] LIC ↑ [K + ] LIC LEC LIC
      • Transporte de iones: Na + , K + , Ca +2 , H + , Cl - …
      • Ocurre en todas las células, fundamental en miocitos y neuronas
    • 65. 4. Transporte activo primario - Proporciona energía para el transporte 2º de otras moléculas. - Las células nerviosas y musculares utilizan el gradiente K + /Na + para producir impulsos eléctricos. - La salida activa de Na + es importante para mantener el equilibrio osmótico celular. Funciones de la bomba de Na + /K + :
    • 66. 4. Transporte activo secundario
      • La difusión de Na + hacia el interior celular (a favor de gradiente) impulsa el movimiento de otra molécula en contra de su gradiente.
        • - Simporte : la otra molécula se mueve en la misma dirección que el Na+
        • - Antiporte : en dirección opuesta
      • Ejemplos : transporte acoplado al Na + de glucosa y AAs en células epiteliales del intestino delgado y de los túbulos renales, antiporte de H + y Ca +2
    • 67. 4. Transporte activo secundario
    • 68. 4. Transporte activo secundario
    • 69. 5. Endocitosis y exocitosis: transporte masivo Endocitosis Exocitosis
      • Transporte de moléculas grandes
      • Ingestión de partículas
      • y microorganismos (fagocitosis)
      Liberación (secreción) de hormonas y neurotransmisores
    • 70. 6. Comunicación intercelular Tipos de comunicación intercelular
      • La comunicación celular es la capacidad que tienen todas las células de intercambiar información fisicoquímica con el medio ambiente y con otras células .
      Miocitos Neuronas Inflamación Hormonas Por ejemplo… Coagulación
    • 71. 6. Comunicación intercelular: mensajeros y receptores
      • Receptores : proteínas o glicoproteínas presentes en la membrana plasmática, en la membrana de las organelas o en el citosol celular, a las que se unen específicamente moléculas señalizadoras ( ligandos o mensajeros ):
      • Hormonas
      • Neurotransmisores
      • Citoquinas
      • Factores de crecimiento
      • Moléculas de adhesión
      • Componentes de la matriz extracelular
      Receptor = cerradura Ligando = llave
    • 72. Receptores de membrana
          • Receptores con actividad tirosina quinasa
          • Receptores acoplados a proteína G
          • Sistema adenilato ciclasa-AMPc
          • Sistema fosfolípidos de membrana
          • Sistema del calcio
      • Los mensajeros hidrosolubles (p.e., hormonas) interaccionan con receptores de la superficie de las células diana.
      • El acoplamiento ligando-receptor desencadena una señal intracelular mediada por SEGUNDOS MENSAJEROS . TIPOS:
      6. Comunicación intercelular: mensajeros y receptores

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