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Cindy L. Stanfield
PRINCIPIOS DE
FISIOLOGÍA HUMANA
C UA R TA E D I C I Ó N
Cindy L. Stanfield
Universidad del Sur de Alabama
TRADUCCIÓN
Ediciones gráficas Arial, S. L.
MAQUETACIÓN Y REVISIÓN TÉCNICA
GEA Consultoría Editorial, s. l.
REVISIÓN TÉCNICA
Juan Argüelles Luis
Profesor Titular de Fisiología
Universidad de Oviedo
es un sello editorial de
ERRNVPHGLFRVRUJ
PRINCIPIOS DE FISIOLOGÍA HUMANA
Cuarta edición
Cindy L. Stanfield
PEARSON EDUCACIÓN, S.A., 2011
ISBN: 978-84-7829-130-4
Materia: Fisiología, 612
Formato: 215 270
Páginas: 796
Todos los derechos reservados.
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©2011, PEARSON EDUCACIÓN S. A.
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ISBN: 978-84-7829-123-6
Depósito legal: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
Authorized translation from the English language edition, entitled PRINCIPLES OF HUMAN PHYSIOLOGY, 4th Edition by CINDY STANFIELD, published by
Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings, Copyright © 2011.
All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying,
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SPANISH language edition published by PEARSON EDUCACIÓN S.A., Copyright © 2011.
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Editor: Miguel Martín-Romo
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garantías, expresas o implícitas, sobre la información que se proporcione en ellas.
es un sello editorial de
A mi marido, Jim, por estar siempre allí.
Sobre la autora
Cindy L. Stanfield obtuvo tanto su licenciatura como su doctorado en Fisiología en la Universidad de California en Davis. Su experiencia con la investigación neurofisiológica siendo estudiante universitaria le incitó el interés por cursar el doctorado. En la
universidad, Stanfield estudió el papel de los neuropéptidos en la modulación del dolor
y dio clases en varios cursos de laboratorio sobre Fisiología, lo que despertó su gusto
por la enseñanza. Actualmente, enseña Fisiología humana e imparte cursos de laboratorio
y Neurociencia en la Universidad del Sur de Alabama y continúa con sus investigaciones
de Neurofisiología sobre modulación sensorial. Stanfield recibió el galardón Excellence
in Service del College of Allied Health Professions en 2003 y el galardón Excellence in
Teaching de la Alumni Association de la Universidad del Sur de Alabama en 2004. Además
de sus responsabilidades en la enseñanza y en la investigación, también trabaja como
asesora de los futuros profesionales de la salud en la Universidad del Sur de Alabama.
Stanfield es miembro de la Sociedad de Neurociencia (Society for Neuroscience), de la
Asociación Internacional para el Estudio del Dolor (International Association for the
Study of Pain), de la Sociedad Americana del Dolor (American Pain Society) y de la Asociación Nacional de Asesores para las Profesiones relacionadas con la Salud (National
Association of Advisors for the Health Professions). Reside en Mobile, Alabama, con su
marido, Jim, y sus muchos gatos y perros.
C.L.S.
Prefacio
P
rincipios de fisiología humana pretende ser un libro que
facilite al estudiante, en la medida de lo posible, el aprendizaje de la fisiología humana a la vez que proporciona
una perspectiva general sólida y amplia sobre el tema. Creemos
que un libro de texto sobre fisiología debería enfatizar la comprensión de conceptos por encima de la mera memorización de
hechos, así como proporcionar herramientas a los estudiantes
que cuentan con diversos niveles de preparación en materias
como Biología, Química, Física y Ciencias afines para ayudarles
en su estudio individual. Al abordar la cuarta edición inglesa, se
han realizado una serie de mejoras teniendo en cuenta estos
objetivos. Al mismo tiempo, se han mantenido las características del libro que han demostrado tener éxito: un estilo de escritura claro y preciso, un programa diseñado para maximizar el
aprendizaje del estudiante y cualidades pedagógicas que estimulan el interés del lector, le ayudan a pensar en procesos fisiológicos de una manera integral y refuerzan los conceptos más
importantes.
El mayor cambio en esta cuarta edición se plasma en la ejemplificación de cómo una enfermedad puede afectar a todos los
sistemas de órganos empleando la diabetes como paradigma. El
capítulo 1 presenta la diabetes como una epidemia global y describe las diversas clasificaciones de diabetes y su diagnóstico.
Cada capítulo posterior trata la diabetes en relación con el tema
central del capítulo. En el nuevo capítulo 24 final, Diabetes mellitus, se tratan en profundidad los síntomas, los tratamientos y las
nuevas direcciones que está tomando la investigación sobre este
trastorno.
Novedades de la cuarta edición
En respuesta a la información que hemos recibido de numerosos revisores y profesores, hemos mejorado esta edición en lo
que respecta a:
n Integración de sistemas. Los apartados de integración de
sistemas se han añadido al principio y al final de cada capítulo, relacionando el contenido del capítulo con lo que ya se
ha aprendido y preparando a los estudiantes para lo que van
a estudiar más adelante.
n Nuevo estilo de los diagramas de flujo. En los diagramas se
han empleado diferentes colores para indicar el estímulo, la
respuesta de los sistemas de órganos y el efecto de la respuesta. También se han añadido claves para ayudar a la
comprensión del estudiante.
n Nuevos estilos artísticos en las figuras y en las representaciones de células. Se han redibujado las figuras humanas y
las representaciones celulares para añadir realismo y dimensión, con el fin de ayudar al estudiante a visualizar los entornos físicos en los que tienen lugar los procesos fisiológicos.
n Comprender el ejercicio. La nueva sección «Comprender el
ejercicio» permite al estudiante recorrer en profundidad
cómo se adapta y ajusta la fisiología del organismo al ejercicio a corto y largo plazo.
n Respuestas a los ejercicios del final de cada capítulo. Ahora,
se dedica un apartado al final del libro en el que el estudiante
hallará las respuestas a los ejercicios del final de cada capítulo.
n Respuestas a las preguntas de las figuras. Las respuestas a
las preguntas de las figuras se han pasado de la página en la
que aparecía la figura al apartado de «Respuestas» al final del
libro para animar a los estudiantes a que piensen más sobre
la pregunta antes de buscar su respuesta.
También se ha revisado cuidadosamente cada capítulo en respuesta a las sugerencias de los revisores. Lo que sigue es un resumen de los cambios más importantes de cada capítulo.
Capítulo 1: Introducción a la fisiología
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: El desafío de la
homeostasis»
n Un «Test rápido» adicional
n Dos diagramas de flujo revisados
n Un nuevo apartado al final del capítulo: «Integración de
sistemas»
Ñ Incidencia de la diabetes: clasificaciones, diagnósticos, síntomas y tratamiento.
Capítulo 2: Células: estructura y función
n Nuevo cuadro:«Conexiones clínicas: ADN mitocondrial
en las enfermedades, la antropología y la medicina forense»
n Cuadro revisado: «Descubrimiento: Vaults y quimioterapia»
n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional
n Tres representaciones de células revisadas
n Nueva tabla que muestra el código genético humano
n Cuadro revisado: «Repaso de química: Átomos y moléculas»
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: síntesis de insulina
Capítulo 3: Metabolismo celular
n Nueva figura: «Equilibrio químico y ley de acción de
masas»
n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional
n Ampliación del debate sobre las reacciones de oxidaciónreducción
n Nuevo apartado «Energía y las leyes de la termodinámica»
P R E FA C I O
n Ampliación del debate sobre las leyes de la acción de masas
n Ampliación del debate sobre el mecanismo de la unión de las
enzimas
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Fuentes de energía para las células musculares»
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: efectos de la insulina en el metabolismo celular
Capítulo 4: Transporte de la membrana celular
n Ampliación del debate sobre el potencial de membrana
n Dos «Comprueba tus conocimientos» adicionales
n Nueva figura: «Transporte activo a través de la membrana»
n Diez representaciones de células revisadas
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Producción de
sudor»
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: transportadores GLUT4; efectos
de los fallos en el transporte de la glucosa
Capítulo 5: Mensajeros químicos
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Mensajeros químicos del ejercicio»
n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional
n Cuadro revisado: «Conexiones clínicas: Desde el ácido
acetilsalicílico a los inhibidores COX-2»
n Cuadro revisado: «Conexiones clínicas: Cólera y proteínas G»
n Trece representaciones de células revisadas
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: efectos del ejercicio en los niveles
de insulina en sangre y en la captación de glucosa
Capítulo 6: Sistema endocrino: glándulas endocrinas
y acción de las hormonas
n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional
n Ampliación del debate sobre la regulación de la liberación de
cortisol
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Por qué los atletas
toman esteroides»
n Una figura revisada
n Cinco diagramas de flujo revisados
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: células beta y liberación de insulina; diabetes como trastorno de las células frente al trastorno
de los receptores/señales de transducción
Capítulo 7: Células nerviosas y señales eléctricas
n Ampliación del debate sobre las células gliales
n Una representación de células revisada
n Un diagrama de flujo revisado
n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: debate sobre las neuropatías
Capítulo 8: Transmisión sináptica e integración neural
n Dos «Test rápido» adicionales
n Ampliación de la tabla 8.1
v
n Siete representaciones de células revisadas
n Nuevo apartado dedicado a las «Purinas»
n Debate sobre el neuropéptido de reciente descubrimiento
orexina
n Ampliación del debate sobre los endocannabinoides
Ñ Incidencia de la diabetes: continuación del debate sobre las
neuropatías
Capítulo 9: Sistema nervioso: sistema nervioso central
n Ampliación del debate sobre los astrocitos
n Ampliación del debate sobre la sustancia gris y la sustancia
blanca
n Ampliación del debate sobre los ciclos de sueño-vigilia
n Dos figuras revisadas
n Dos representaciones de células revisadas
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: ¿Puede el ejercicio afectar al encéfalo?»
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: transporte de la glucosa a través
de la barrera hematoencefálica; síntomas del SNC en los
casos de hipoglucemia e hiperglucemia en relación a los niveles de insulina y la diabetes
Capítulo 10: Sistema nervioso: sistemas sensoriales
n Ampliación del debate sobre los termorreceptores y los nocirreceptores, incluyendo una nueva tabla: «Canales iónicos
con un potencial de receptor transitorio en los termorreceptores y nocirreceptores»
n Ampliación del debate sobre las diferencias entre los conos y
los bastones
n Ampliación del debate sobre la visión del color y la transducción del sonido, el gusto y el olfato
n Ampliación del apartado dedicado a la anatomía del sistema
olfativo
n Nuevo cuadro:«Conexiones clínicas: Ceguera para el
color»
n Cinco imágenes nuevas
n Cuatro representaciones de células revisadas
n Dos figuras revisadas
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: retinopatías; pérdida de estímulos
sensoriales en las extremidades distales y lo que puede ocasionar una amputación
Capítulo 11: Sistema nervioso: sistemas autónomo y motor
n Ampliación del debate sobre la anatomía del sistema nervioso simpático
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Adaptaciones del
sistema nervioso periférico»
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
n Un diagrama de flujo revisado
n Una figura revisada
n Cuatro representaciones de células revisadas
Ñ Incidencia de la diabetes: continuación del debate sobre las
neuropatías
Capítulo 12: Fisiología muscular
n Revisión del debate sobre la terminología de las bandas de
fibras musculares
n Ampliación del debate sobre el ciclo de los puentes transversos
vi
P R E FAC I O
n
n
n
n
Ampliación del debate sobre los receptores DHP
Cuatro imágenes nuevas
Dos representaciones de células revisadas
Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: nuevo cuadro «Comprender el
ejercicio: Diabetes mellitus»
Capítulo 13: Aparato cardiovascular: función cardíaca
n Ampliación del debate sobre la anatomía del corazón y su
situación en el tórax
n Ampliación del debate sobre la extrasístole
n Ampliación del debate sobre la fibrilación auricular
n Un «Comprueba tus conocimientos» adicional
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Actividad simpática
n Nueva figura en el cuadro «Caja de herramientas: Ley de
Laplace»
n Dos diagramas de flujo revisados
n Dos figuras revisadas
n Tres representaciones de células revisadas
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: miocardiopatía y sus implicaciones en casos de infarto de miocardio
Capítulo 14: Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos,
flujo sanguíneo y presión arterial
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Regulación independiente del flujo sanguíneo»
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Respuestas cardiovasculares al ejercicio suave»
n Ampliación del debate sobre los mecanismos intrínsecos
que regulan el flujo sanguíneo
n Cuatro diagramas de flujo revisados
n Una figura revisada
n Una representaciones de células revisadas
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: efectos de la diabetes en los vasos
sanguíneos
Capítulo 15: Aparato cardiovascular: sangre
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Efectos de las
grandes alturas»
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: nuevo apartado «Diabetes y enfermedad cardiovascular»
Capítulo 16: Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
n Ampliación del debate sobre las presiones pulmonares
n Un diagrama de flujo revisado
n Una figura revisada
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Efectos del ejercicio sobre la ventilación»
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Capítulo 17: Aparato respiratorio: intercambio gaseoso
y regulación de la respiración
n Cuatro diagramas de flujo revisados
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Función de los
receptores sensoriales»
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Reclutamiento de
capacidades respiratorias de reserva»
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: cetoacidosis y compensación respiratoria
Capítulo 18: Aparato urinario: función renal
n Tres diagramas de flujo revisados
n Una figura revisada
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: efectos de un alto nivel de glucosa
en el tratamiento renal, la nefropatía y la insuficiencia renal
Capítulo 19: Aparato urinario: equilibrio electrolítico
e hídrico
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Sudoración, rehidratación y equilibrio hídrico»
n Ampliación del debate sobre la reabsorción de agua
n Ampliación del debate sobre la urea
n Un «Test rápido» adicional
n Nueve diagramas de flujo revisados
n Nueve representaciones de células revisadas
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: ampliación del debate sobre la
diabetes insípida
Capítulo 20: Aparato digestivo
n Ampliación del debate sobre la anatomía del hígado
n Un «Test rápido» adicional
n Tres diagramas de flujo revisados
n Cinco figuras revisadas
n Cinco representaciones de células revisadas
n Ampliación del debate sobre la leptina
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Función de la dieta»
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: nuevo apartado «Obesidad y diabetes»
Capítulo 21: Sistema endocrino: regulación del metabolismo
energético y del crecimiento
n El tema de la termorregulación, anteriormente estaba en el
primer capítulo, se ha cambiado al capítulo 21 para permitir
una mayor profundidad en el debate
n Un «Test rápido» adicional
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Metabolismo
energético»
n Tres nuevas figuras
n Ocho diagramas de flujo revisados
n Dos representaciones de células revisadas
n Ampliación del debate sobre la leptina
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: ampliación del debate sobre los
transportadores GLUT4
Capítulo 22: Aparato reproductor
n Seis diagramas de flujo revisados
n Tres figuras revisadas
P R E FA C I O
n Nuevo cuadro: «Comprender el ejercicio: Diferencias de
sexo»
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: diabetes gestacional
Capítulo 23: Sistema inmunitario
n Dos figuras revisadas
n Tres representaciones de células revisadas
n Nuevo cuadro:«Comprender el ejercicio: Movilización leucocitaria»
vii
n Dos nuevos apartados sobre integración de sistemas al
comienzo y al final del capítulo
Ñ Incidencia de la diabetes: relación entre los medicamentos antirrechazo y el desarrollo y la progresión de la diabetes
Las páginas siguientes proporcionan un resumen visual de las
características y los complementos de esta edición.
Un enfoque novedoso sobre la integración de sistemas
La cuarta edición pone más énfasis que nunca en la integración de sistemas para ayudar a los estudiantes
a comprender mejor cómo funciona el cuerpo humano en su totalidad. La diabetes como ejemplo de
enfermedad que afecta a los diferentes sistemas, nuevos ejercicios y el apartado «Integración de sistemas»
al final de cada capítulo destacan cómo los sistemas del organismo trabajan conjuntamente.
La diabetes como aplicación clínica
se integra en todo el proceso
Encéfalo: obnubilación, coma
Ojo: retinopatía
Esta edición se centra especialmente en la integración
de los sistemas utilizando el ejemplo clínico de la
diabetes a lo largo de los capítulos para ilustrar
cómo se interrelacionan los procesos fisiológicos.
El capítulo 1 presenta la enfermedad y un nuevo
capítulo final, «Diabetes mellitus», ofrece una
perspectiva de todo el organismo y proporciona una
visión global sobre este trastorno. Además de estos
dos capítulos, el tema de la diabetes se trata a lo largo
del libro siempre que su utilización como ejemplo
clínico es relevante. (Véase la página iv para una
lista detallada capítulo a capítulo con los apartados
dedicados a la incidencia de la diabetes.)
Corazón: miocardiopatía
Riñones: nefropatía,
proteinuria, poliuria
Tubo gastrointestinal:
polifagia
Gónadas: impotencia
C A P Í T U LO 1
Vasos sanguíneos: lesión
microvascular o macrovascular,
aterosclerosis
Test rápido 1.3
1. Define qué es la homeostasis y explica cómo permite que el organismo se adapte a cambios en su medio.
2. Explica cómo funciona la retroalimentación negativa para mantener
la homeostasis.
3. En ciertas formas de diabetes, las células beta del páncreas dejan
de secretar insulina a niveles adecuados. Describe cómo una falta de
insulina afectaría a la concentración de glucosa en sangre.
Nervios periféricos:
neuropatía
Diabetes: una epidemia
La diabetes es una enfermedad metabólica que afecta a las concentraciones de glucosa en sangre y al volumen de plasma, y
que causa sed excesiva y pérdida de líquidos, entre otras cosas.
De hecho, la diabetes afecta a todos los sistemas del cuerpo
humano. El término «diabetes» fue utilizado por primera vez en
el siglo II por un médico griego, Areteo de Capadocia. Diabetes
es una palabra griega que significa «sifón» o «flujo a través de»,
y describe el flujo excesivo de orina que caracteriza a la enfermedad.
Pies: úlceras
p. 694
p. 13
La prevalencia de la diabetes en la población mundial hace de
ella una de las mayores preocupaciones sanitarias para todos.
Por ejemplo, en EE. UU., según la American Diabetes Association, el 8% de la población (24 millones de personas) tienen diabetes, lo que supone un aumento del 13,5% en pocos años. De
esos 24 millones de casos de diabetes, 6 millones no están diagnosticados. Además, otros 57 millones de personas son prediabéticas, lo que significa que tienen una gran probabilidad de
desarrollar diabetes en el futuro.
La diabetes afecta a ciertos individuos más que a otros. La
tabla 1.2 muestra la prevalencia de la diabetes por grupos de
edades en EE. UU. Menos del 1% de los jóvenes menores
de 20 años padecen esta enfermedad; sin embargo, a medida
que la persona envejece, tiende más a desarrollar diabetes. Más
del 10% de los mayores de 20 años y un 23% de los mayores de
60 años sufren diabetes.
La prevalencia de la diabetes también varía dependiendo de
la raza o la etnia (tabla 1.3). Los nativos americanos tienen más
TABLA 1.2 Prevalencia de la diabetes en EE. UU. en función de la edad
y el sexo
viii
en personas de 20 años y mayores, en función de la raza y la etnia
Raza/etnia
% con diabetes
Blancos
6,6
Americanos de origen asiático
7,5
Hispanos
10,4
Afroamericanos
11,8
Nativos americanos y nativos de Alaska
14,2*
*La pr evalencia varía considerablemente entre los grupos, siendo la prevalencia más baja
(6%) la correspondiente a los nativos de Alaska y la más alta (29,3%) la correspondiente a los
nativos americanos del sur de Arizona.
400
350
300
250
200
150
100
50
0
1985
1992
1999
2006
Año
2013
2020
2025
FIGURA 1.9 Prevalencia de la diabetes en el mundo. Los datos para
2025 se predicen basándose en las tendencias actuales.
Prevalencia de la diabetes
FIGURA 24.1 Efectos de la diabetes
en los órganos de todo el cuerpo.
13
Introducción a la fisiología
TABLA 1.3 Prevalencia de la diabetes en EE. UU., 2004-2006,
Número de casos (millones)
que temporalmente inhibe la capacidad de los ovarios de secretar estrógenos. La reducción resultante de las concentraciones
de estrógenos en sangre elimina el estímulo que causó el primer
aumento de secreción de hormona luteinizante, permitiendo así
que la concentración de hormona luteinizante baje.
Grupo de edad
N.º de personas
con diabetes
Menores de 20 años
186.300
% de personas
con diabetes
0,22
20 años y mayores
23,5 millones
10,7
60 años y mayores
12,2 millones
23,1
Mujeres
11,5 millones
10,2
Hombres
12 millones
11,2
tendencia a desarrollar diabetes, seguidos por los afroamericanos y los hispanos. La prevalencia de la población blanca y la de
los americanos de origen asiático es considerablemente menor.
La alta prevalencia de la diabetes es un problema generalizado. Según la International Diabetes Association, 260 millones de
personas (el 7% de la población mundial) tienen diabetes. En
1985, se diagnosticó diabetes a 30 millones de personas en todo
el mundo; pero en 2000, ese número había aumentado hasta los
150 millones (fig. 1.9). En 2025 se espera que el número alcance
los 380 millones.
Obesidad y diabetes
¿Por qué está aumentando la prevalencia de la diabetes? Uno de
los factores más importantes es el envejecimiento de la población. Ahora, las personas vivimos más tiempo y un gran porcentaje de la población sobrevive dentro de las edades de alto riesgo
(mayores de 60 años). Además, los estilos de vida de muchos
jóvenes pueden llevarles a desarrollar diabetes. Las dietas actuales tienen más grasas e hidratos de carbono que en antes. Además de producir cambios directos en el metabolismo, estas dietas conducen a la obesidad, causa principal de la diabetes.
Actualmente, muchos jóvenes llevan una vida sedentaria: las
consolas de videojuegos han sustituido a los columpios y al
recreo, y las clases de educación física a menudo brillan por su
ausencia en los planes de estudios. Un estilo de vida tan sedentario puede ocasionar tanto cambios en el metabolismo como
obesidad, factores clave que desembocan en diabetes.
La prevalencia de la obesidad está en aumento, y la obesidad
en sí misma se está convirtiendo en una epidemia. La obesidad se define como tener un contenido de grasa corporal alto en
Integración de sistemas
En este capítulo se han explicado los vasos sanguíneos, incluyendo cómo el cuerpo regula el flujo sanguíneo a los diferentes
órganos. Claramente, todos los órganos dependen del flujo sanguíneo, pero no siempre necesitan la misma cantidad de sangre
en cada momento. Por tanto, el flujo sanguíneo está regulado
por la vasoconstricción o la vasodilatación de las arteriolas, de
manera que se suministre sangre al tejido que más lo necesite
en cada momento. No todas las arteriolas son iguales, sin
embargo. Los vasos sanguíneos en el cerebro están desprovistos
de receptores de control extrínseco y, como consecuencia, el
cerebro nunca se pone en peligro durante los intentos de mantener la presión arterial media. Los vasos sanguíneos de la piel
tienen una inervación especial por la que la actividad simpática
puede provocar vasodilatación a través de mecanismos desconocidos. El propósito de la vasodilatación es liberar calor al
entorno cuando la temperatura del cuerpo aumenta. El flujo
sanguíneo de los genitales está bajo control simpático y parasimpático, siendo la actividad parasimpática la que provoca la
vasodilatación que es necesaria para producir y mantener una
erección.
También se ha estudiado el flujo paralelo de la sangre en el
capítulo 13, por el cual cada órgano recibe sangre oxigenada. Sin
embargo, existen algunas excepciones a esta regla. Ya se ha
explicado una de estas excepciones (la vena porta que conecta
lechos capilares del hipotálamo a los lechos capilares de la adenohipófisis. Esta disposición permite una mayor concentración
de las hormonas trópicas hipotalámicas que afectan a la adeno-
Nuevos apartados de integración
de sistemas al final de cada capítulo
Estos apartados, al final de los capítulos, que tratan sobre
sistemas o aparatos, ofrecen al estudiante una idea general
de cómo lo que acaba de aprender tendrá una aplicación
en sus lecturas futuras y muestra cómo todos los sistemas
están relacionados.
p. 430
COMPRENDER EL E JERCICIO
Respuestas cardiovasculares al ejercicio suave
p. 431
ejercicio. Los cambios en la actividad simpática están facilitados por el centro de control
cardiovascular, que recibe información de
varios tipos de receptores en los músculos,
incluyendo los quimiorreceptores sensibles a
los factores químicos locales, y los mecanorreceptores y los propiorreceptores responsables
de la actividad física muscular. El aumento del
flujo sanguíneo de los músculos cardíaco y
esquelético son, en gran parte, el resultado de
la acción local de los factores químicos sobre
el músculo liso vascular.
Otros mecanismos también favorecen el
aumento del retorno venoso durante el ejercicio, facilitando, asimismo, el aumento del gasto cardíaco. Uno de tales mecanismos es la
bomba muscular esquelética; otra es la bomba respiratoria, cuya actividad aumenta
durante el ejercicio porque se respira más
rápido y profundamente. El tercer mecanismo
consiste en el aumento del tono venomotor.
Secundario a un incremento de la actividad
simpática sobre las venas.
200
Aumento
150
Gasto
cardíaco
100
Volumen
sistólico
50
0
Disminución
Otra forma de demostrar la
integración de sistemas viene de
la mano de los nuevos cuadros
«Comprender el ejercicio», que
aplican lo aprendido a lo largo
del capítulo al ejercicio físico.
Entre los temas tratados se
encuentran las diferencias de
sexo, la función de la dieta, los
efectos del ejercicio en la
ventilación o las adaptaciones
del sistema nervioso periférico
y de los mensajeros químicos
que intervienen al practicar
ejercicio.
la actividad nerviosa simpática y un aumento
de los niveles de adrenalina circulante.
¿Qué es lo que desencadena estas respuestas al ejercicio? En el sistema nervioso autónomo, las regiones corticales y límbicas del cerebro ejercen una influencia directa sobre la
actividad de las neuronas simpáticas y parasimpáticas, provocando un aumento de la
actividad simpática y un descenso de la actividad parasimpática al corazón, que explica el
aumento del ritmo cardíaco y la contractilidad
ventricular. Además, existe un aumento de la
actividad simpática en el aparato digestivo y
otros órganos (provocando vasoconstricción),
y un descenso de la actividad simpática de la
piel (que favorece la vasodilatación). Este
cambio en la actividad simpática en la piel es
una respuesta termorreguladora desencadenada por el aumento en la temperatura del
cuerpo que acompaña el ejercicio. La vasodilatación de la piel también está favorecida por
la liberación de bradicinina por las glándulas
sudoríparas, cuya actividad aumenta con el
Cambios durante el ejercicio
(porcentaje del valor en estado de reposo)
Nuevos cuadros
«Comprender
el ejercicio»
El ejercicio suave está acompañado de alteraciones profundas de la función cardíaca. El
gráfico muestra que el jogging aumenta el
gasto cardíaco del valor en estado de reposo
de 5 l/min a más de 11 l/min; en atletas muy
entrenados, el gasto cardíaco puede alcanzar
35 l/min. El ritmo cardíaco también aumenta
desde el estado de reposo de unos 72 latidos
por minuto hasta alrededor de 135 latidos por
minuto. El ejercicio provoca también cambios
importantes en el flujo sanguíneo: el flujo a los
músculos esqueléticos (y al músculo cardíaco
y la piel) aumentan, mientras que el flujo al
hígado y al tubo digestivo disminuye. Claramente, estos cambios son beneficiosos en
diferentes formas: 1) se aumenta el suministro
del oxígeno y nutrientes al músculo cardíaco y
los músculos activos esqueléticos, lo que es
apropiado teniendo en cuenta el aumento de
la actividad metabólica de estos órganos; 2) el
oxígeno y los nutrientes se conservan recortando el suministro a los tejidos cuya necesidad de nutrientes no es tan urgente, y 3) el
aumento del flujo sanguíneo y la piel ayuda al
cuerpo a deshacerse del exceso de temperatura generada por el ejercicio.
Durante el ejercicio, la disminución de la
resistencia cardiovascular en la piel y el músculo no es compensada por el aumento en la
resistencia de otros órganos, por lo que
la resistencia periférica total disminuye. Sin
embargo, la presión arterial aumenta levemente debido al aumento de gasto cardíaco.
Es importante observar en la figura que el
volumen sistólico aumenta rápidamente a
pesar de que solo se produce un modesto
aumento del volumen telediastólico (en el
ejercicio suave). Esto indica que el aumento
del volumen sistólico no se debe al efecto
Starling, sino a un aumento de la contractilidad ventricular resultante de un aumento en
–50
–100
Flujo
sanguíneo
muscular
Ritmo
cardíaco
Volumen
telediastólico
Presión
arterial
media
Resistencia
periférica
total
ix
Figuras nuevas y revisadas que ayudan a los estudiantes
a comprender los procesos fisiológicos
Cada figura en este texto ha sido desarrollada para obtener una máxima eficacia pedagógica.
Se han revisado las imágenes, las representaciones de células y los diagramas de flujo para
ayudar al estudiante a comprender el entorno físico en
el que tienen lugar los procesos fisiológicos.
Cavidad nasal
Faringe
Vías respiratorias
superiores
Cavidad oral
Epiglotis
Laringe
Glotis
Figuras con un nuevo diseño
Esófago
Tráquea
Anillos de cartílago
Pulmón derecho
Pulmón
izquierdo
Bronquios
primarios
Tubo respiratorio
Bronquios
secundarios
Colores más fuertes y estilos sólidos añaden
realismo y dimensión a las imágenes de las
figuras humanas y de las representaciones
celulares.
Bronquios
terciarios
Bronquíolos
terminales
Diafragma
Bronquíolo
terminal
Medio
extracelular
Saco alveolar
Bronquíolos
respiratorios
Medio intracelular
Vesícula
secretora
Alvéolos
FIGURA 16.2 Anatomía de
las vías respiratorias superiores
y el tubo respiratorio.
Fusión con
la membrana
plasmática
p. 454
p. 118
Liberación de los contenidos
FIGURA 4.22 Exocitosis.
x
glucosa plasmática
glucosa plasmática
Células beta en el páncreas
Retroalimentación
negativa
Retroalimentación Células alfa en el páncreas
negativa
secreción de glucagón
secreción de insulina
Mayoría de tejidos
Hígado y músculo
Hígado
Hígado
Tejido adiposo
captación de glucosa
por las células
síntesis de
glucógeno
gluconeogenia
gluconeogenia
lipólisis
glucogenólisis
glucogenólisis
ácidos grasos
plasmáticos
glucosa plasmática
glucosa plasmática
Glucosa ahorrada
Estímulo inicial
Respuesta fisiológica
FIGURA 14.13 Comparación
de la hiperemia
reactiva y activa.
(b)
Resultado
(a)
Hiperemia activa
FIGURA 21.7 Regulación de la concentración
plasmática de glucosa.
Tejido
metabolismo
Diagramas de flujo con un estilo revisado
p. 615
Todos los diagramas de flujo han sido revisados para facilitar
el que los estudiantes puedan concentrarse y comprender
cada proceso fisiológico. Los estímulos iniciales, la respuesta
fisiológica y los acontecimientos que se derivan de ello se
muestran ahora con colores diferentes. El sombreado indica
en qué parte del cuerpo tiene lugar un evento.
Cambio en la
variable regulada
( concentración de
glucosa en sangre)
consumo de O2
producción de CO2
concentración de O2
concentración de CO2
Punto de ajuste
(concentración de
glucosa en sangre
normal)
Músculo liso
arteriolar local
vasodilatación
Centro de integración
(células beta
del páncreas)
p. 12
de las señales
a los efectores
Retroalimentación
negativa
Retroalimentación
negativa
resistencia
flujo sanguíneo
Efectores
(células del
organismo)
Respuesta ( de la
concentración de
glucosa en sangre)
proporción de O2
eliminación de CO2
p. 408
concentración de O2
concentración de CO2
Estímulo inicial
Respuesta fisiológica
Resultado
(a)
FIGURA 1.7 Ciclo de autorregulación negativa.
Estímulo inicial
Respuesta fisiológica
Resultado
xi
12
Contenido atractivo que estimula
el interés del estudiante
Texto de apertura Atrae el interés del estudiante mostrándole
cómo se relacionan los procesos fisiológicos con la vida
cotidiana; por ejemplo, los efectos del miedo
en el organismo o cómo se forman los moratones.
Fisiología muscular
Todos hemos oído que Benjamin Franklin descubrió la electricidad volando una cometa durante una tormenta, pero ¿sabías que Luigi Galvani descubrió la «electricidad animal» colgando ranas diseccionadas de un alambre durante una tormenta?
Galvani enseñaba anatomía en la Universidad de Bolonia,
en Italia, y fue profesor de obstetricia en el Instituto de Artes
y Ciencias desde 1765 a 1797. En sus enseñanzas utilizaba
ranas diseccionadas. Para preparar una rana muerta, solía
colgarla de un gancho de cobre y después suspenderla sobre
un alambre de hierro. Hizo esto durante una tormenta y vio
cómo la rana recién muerta contraía sus músculos. Esto le
sugirió a Galvani que las ranas y otros animales tenían su propia forma de electricidad y que esta «electricidad animal»
«Descubrimientos» Trata cuestiones actuales en mayor
profundidad. Entre los temas que tratan se incluye
la ceguera de color, los vaults y la quimioterapia
o la neurogenia.
provocaba la contracción muscular.
En otros experimentos, el ayudante de Galvani descubrió
que el tejido nervioso activaba el tejido muscular. Mientras el
ayudante estaba diseccionando una rana, él utilizaba un bisturí que estaba cerca de una máquina que generaba electricidad.
Cuando tocaba con el bisturí el nervio ciático, el músculo se
contraía. Galvani concluyó que la carga electrostática del bisturí excitaba el nervio y que los nervios proporcionaban la electricidad que hace que los músculos se contraigan. Aunque esto
no es realmente cierto, como aprenderás en este capítulo, el
trabajo de Galvani dio lugar al campo de la electrofisiología,
el estudio de la actividad eléctrica en animales (o plantas).
«Conexiones clínicas» Ayuda a los estudiantes a aplicar
la fisiología que han aprendido a enfermedades
como el cáncer, la fibrosis quística y la diabetes.
CONTENIDOS
Estructura de los músculos esqueléticos 323
Mecanismo de generación de fuerza en el músculo 327
Microfotografía electrónica de las células musculares cardíacas.
Mecanismo de contracción de los músculos
esqueléticos 334
Tipos de fibras de los músculos esqueléticos 343
p. 322
Control de la actividad de los músculos esqueléticos 348
Músculos liso y cardíaco
351
DESCUBRIMIENTOS
Lipoproteínas y
colesterol plasmático
Página 589
Antihistamínicos
Página 129
Suplementos de creatina
Página 333
Neurogenia
Durante décadas, los neurocientíficos creyeron
que el cerebro humano adulto no podía producir
nuevas neuronas. Entonces, en los años setenta,
Pasquale Graziadel y cols. descubrieron que las
células basales del epitelio olfativo de la cavidad
nasal producían células receptoras nuevas (células receptoras sensoriales para el olor). En los
años noventa, otros investigadores encontraron
evidencias de la neurogenia, la producción de
nuevas neuronas, en el sistema nervioso central.
La neurogenia en especies inferiores deanimales ha sido evidente durante más de
30 años. Elizabeth Gould y cols. de Princeton
han estudiado la neurogenia en primates
durante los últimos años. En algunos de estos
estudios, se administró bromodeoxiuridina
(BrdU) a los animales para que sirviera como
marcador de la proliferación celular. Antes de
que las células puedan dividirse, tienen que
replicar nuevo ADN. La BrdU se incorpora al
ADN de nueva síntesis y, por tanto, marca cualquier ADN que se forme después de su administración. Las células que contienen BrdU en
su ADN se identifican post mortem mediante su análisis histológico. Utilizando esta técnica y otras, Gould y cols. descubrieron que la
neurogenia tiene lugar en varias áreas del
cerebro, incluyendo el hipocampo, la corteza
prefrontal, la corteza temporal inferior y la corteza parietal de los primates no humanos.
Fred Gage y cols., del Salk Institute for Biological Studies, han estudiado la neurogenia
en el hipocampo en especies animales inferiores y recientemente han proporcionado pruebas de que la neurogenia también tiene lugar
en el hipocampo de los seres humanos. Sus
estudios en la raza humana utilizaron BrdU,
del mismo modo que el estudio de Gould en
los primates inferiores. Los individuos estudiados eran pacientes que padecían cáncer del
doctor sueco Peter Eriksson. Eriksson estaba
tratando a los pacientes con BrdU para medir
la proliferación de las células tumorales. Estos
pacientes estuvieron de acuerdo en donar sus
cerebros al grupo de investigación de Gage al
morir. Los análisis post mortem de los cerebros mostraron que la BrdU se había incorporado al ADN de las neuronas en el hipocampo.
Estos hallazgos son la primera evidencia de
neurogenia en el cerebro humano.
El descubrimiento de la neurogenia en el
cerebro humano tiene una gran relevancia clí-
nica. Muchas enfermedades neurológicas,
incluyendo la enfermedad de Parkinson, la
enfermedad de Alzheimer o el derrame cerebral, implican la pérdida de neuronas funcionales. Si los científicos desvelaran los misterios
de la neurogenia, podrían ser capaces de
desarrollar técnicas que ayuden al sistema nervioso central a sustituir las neuronas perdidas.
p. 170
Tinción fluorescente de neuronas hipocampales.
p. 135
CONEXIONES CLÍNICAS
Diverticulosis
Página 600
Tratamiento
de la depresión
Página 210
Ceguera para el color
Página 284
xii
Desde el ácido acetilsalicílico a los inhibidores de COX-2
El ácido acetilsalicílico es uno de los numerosos fármacos antiinflamatorios no esteroideos
(AINE) que alivian el dolor mediante la disminución de la producción de determinadas
prostaglandinas (PG), eicosanoides que provocan dolor e inflamación. Una enzima fundamental en la síntesis de las PG es la ciclooxigenasa (COX). A comienzos de la década de los
noventa, se identificaron dos formas de COX:
COX-1 y COX-2. La COX-1, siempre presente
en el organismo, normalmente está asociada
a la síntesis de las PG necesarias para mantener la homeostasis. Por el contrario, la COX-2
se activa en presencia de sustancias químicas
liberadas al producirse daños en los tejidos e
infecciones, y conduce a la producción de PG
asociadas al dolor y la inflamación. El ácido
acetilsalicílico inhibe de forma no selectiva la
actividad de las dos formas de COX. La inhibición de la COX-2 es la que consigue el alivio
del dolor.
Aunque el ácido acetilsalicílico se utiliza
para tratar el dolor, la inflamación y la fiebre,
la inhibición de COX-1, por su parte, provoca
varios efectos secundarios (algunos favorables
y otros no). El ácido acetilsalicílico disminuye
la producción de tromboxano A2, sustancia
química que interviene en la formación de
coágulos sanguíneos. Sin embargo, a mayores
dosis, el ácido acetilsalicílico también reduce
la producción de PGI2 (prostaciclina), una sustancia química que inhibe la producción de
coágulos sanguíneos. Por tanto, los médicos a
menudo prescriben 82 mg de ácido acetilsalicílico (infantil) para evitar la formación de coágulos sanguíneos que puedan provocar infartos o derrames cerebrales, mientras que
normalmente se usan 350 mg de ácido acetilsalicílico para tratar el dolor (esta dosis puede
provocar un coágulo). Además, el ácido acetilsalicílico inhibe la producción de PGE2 en el
estómago, que indirectamente protege la
película de este órgano de los ácidos. Por tanto, entre los principales efectos secundarios
del ácido acetilsalicílico se encuentran las
úlceras y las hemorragias gástricas.
En la búsqueda de analgésicos, las compañías farmacéuticas han desarrollado fármacos
que inhiben de forma selectiva la COX-2 para
tratar el dolor crónico y las enfermedades
inflamatorias, como la artritis. Las principales
ventajas de los inhibidores de COX-2 (como
rofecoxib o celecoxib) consisten en que no
inhiben la producción de PGE2, por lo que provocan menos daño en la película del estómago que el ácido acetilsalicílico. Desafortunada-
mente, los inhibidores de COX-2 producen
efectos secundarios graves por sí mismos. Por
motivos que no se comprenden, estos fármacos parecen aumentar el riesgo de infarto y
derrame cerebral en individuos susceptibles a
las enfermedades cardiovasculares. Desgraciadamente, debemos seguir buscando el
«ácido acetilsalicílico perfecto».
Herramientas flexibles
para un repaso de química
y de matemáticas
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Constante de longitud para la conducción electrotónica
Vx = Voe–x/L
donde Vo es el cambio de voltaje en el sitio de origen, Vx es el cambio de
voltaje a una distancia determinada (x) del sitio de origen, e es la base
logarítmica natural (aproximadamente 2,7) y L es la constante de longitud. La constante de longitud es la distancia en la que el cambio inicial
de voltaje ha bajado a 1/e o al 37% de su valor, como muestra la figura.
Mide hasta qué distancia a lo largo del axón puede propagarse la
corriente antes de que se filtre hacia su exterior.
La constante de longitud depende de la resistencia al flujo de
corriente. En las neuronas, la corriente puede fluir a través de la membrana plasmática o a lo largo del citoplasma. La corriente fluye a lo largo
del camino que tenga menos resistencia. La resistencia de la membrana
al flujo de corriente (rm) es mayor que la resistencia del citoplasma (también llamada resistencia axial, dado que la corriente fluye a lo largo del
eje, ra). Por tanto, cuanto mayor sea la resistencia de la membrana y
menor la resistencia axial, más grande será la constante de longitud.
Matemáticamente, la constante de longitud se describe:
g rr
ll
m
L =
a
Las constantes de longitud suelen tener menos de 1 mm; esto es,
cuando un cambio de voltaje se haya extendido a 1 mm de distancia del
sitio de origen, el cambio de voltaje será menor que el 37% del cambio
inicial.
El factor más importante que afecta a la resistencia de la membrana
es el grado de mielinización. La mielina aísla el axón aumentando su
resistencia. El factor más importante que afecta a la resistencia axial es
el diámetro. Los axones con un diámetro mayor tienen una menor resistencia al flujo de corriente longitudinal y, por tanto, una menor resistencia axial.
Cambios de voltaje con relación al cambio inicial
«Caja de herramientas» y «Repaso de química»
revisan o presentan conceptos de
matemáticas, física y química y su aplicación
a la fisiología. Al presentar este contenido de
una forma que no interfiere con el flujo del
texto, estos cuadros facilitan a los profesores
flexibilidad para avanzar en el texto a medida
que los estudiantes lo van necesitando con
una gran variedad de antecedentes. Ejemplos
de temas tratados son la ecuación de Nernst,
la ley de Fick, la ley de Laplace y los enlaces
iónicos y covalentes.
Cuando el potencial eléctrico cambia en un sitio específico de la membrana plasmática, la corriente fluye desde este sitio por conducción
electrotónica, o flujo de corriente pasivo. La conducción electrotónica
desempeña una función crítica en la señalización eléctrica. Cuando la
corriente fluye pasivamente desde el sitio donde se ha originado, se
disipa por filtración a través de la membrana plasmática. Si suponemos
una estructura cilíndrica, lo anterior puede describirse de manera matemática utilizando la siguiente ecuación:
100%
37%
–λ
0
λ
Distancia del cambio inicial en el potencial de membrana
p. 190
REPASO DE QUÍMICA
Ácidos, bases y pH
Ciertas sustancias liberan iones de hidrógeno o protones (H+) cuando
se disuelven en agua y se conocen como ácidos. Un ejemplo conocido
es el ácido clorhídrico (HCl), que se disocia en iones de hidrógeno y
cloro:
HCl r H+ + Cl–
El HCl es un ejemplo de ácido fuerte, un ácido que se disocia completamente. Otros ácidos son ácidos débiles, lo que significa que no se disocian completamente. Por ejemplo, los grupos carboxilo (— COOH), que
se encuentran en los aminoácidos y otras biomoléculas, actúan como
ácidos débiles y se disocian como se muestra a continuación:
R — COOH s R — COO– + H+
Aquí, la flecha doble indica que el protón no solo puede disociarse del
anión (R — COO–), sino que puede combinarse con él.
Las sustancias que se combinan con protones se llaman bases y se
clasifican como fuertes o débiles dependiendo de si se combinan
completamente o no. Ejemplos de bases débiles son los grupos amino (— NH2), que se encuentran en los aminoácidos y otros compues-
tos, y que reaccionan con los protones, como se muestra a continuación:
R — NH2 + H+ s R — NH3+
La acidez de una disolución está determinada por la concentración
de sus iones hidrógeno, que se puede expresar en términos de molaridad o mediante un número llamado pH, que está definido según la
siguiente expresión:
p. 70
pH = log(1/[H+]) = – log [H+]
donde [H+] es la concentración de iones hidrógeno. Ten en cuenta que,
a medida que [H+] aumenta, el pH disminuye. Considera también que,
debido a que la escala de pH es logarítmica, un cambio de una unidad
de pH representa un cambio de diez veces la concentración de iones
hidrógeno. Dicha concentración en agua pura es de 10–7 M, dando un
pH de 7. Se dice que las disoluciones con un pH de 7 son neutrales. Una
disolución cuyo pH es menor de 7 se dice que es ácida; si el pH es mayor
de 7, la disolución es básica.
Preguntas definidas
de pensamiento crítico
Las preguntas de pensamiento crítico
incluidas en «Comprueba tus
conocimientos» están integradas en
cada capítulo y captan la atención
del estudiante para que resuelva
problemas y aplique la información
recién adquirida a situaciones
dadas y a escenarios clínicos.
Comprueba tus conocimientos
Una persona que hiperventila suele sentir una sensación de
hormigueo en las manos y pies, y puede que espasmos musculares
y contracciones. Explica el motivo de estos síntomas.
Comprueba tus conocimientos
José, que es camarero, lleva horas atendiendo mesas. La presión en las
venas de los pies ha aumentado a 26 mmHg, y la media de la presión
hidrostática capilar ha aumentado a 32 mmHg. Si el valor medio de la
presión hidrostática capilar es 32 mmHg, la presión hidrostática del
líquido intersticial de 1 mmHg, la presión osmótica capilar de
25 mmHg y la presión osmótica del líquido intersticial de 1 mmHg,
¿cuál es la presión neta de filtración a través de la pared capilar de los
pies de José? ¿Cuál es la consecuencia de esta presión?
p. 556
p. 416
xiii
Herramientas eficaces que establecen estándares
para los profesores y los estudiantes
Este libro se acompaña de tres de los productos mediáticos más eficaces y probados que
hay a disposición de los estudiantes de Fisiología, recogidos en el sitio web MasteringA&P
www.masteringaandp.com: el Interactive Physiology® 10-System Suite (IP-10), las simulaciones PhysioExTM
Lab y la página web The Physiology Place.
IP-10 presenta tutorías animadas y narradas que demuestran
concienzudamente conceptos difíciles, muchos de los cuales tienen
lugar a nivel celular y molecular. Una amplia selección de juegos y ejercicios
refuerzan el material.
PHISIOEX 8.0 permite a los estudiantes repetir las pruebas de laboratorio
tantas veces como quieran, experimentar sin perjudicar a animales vivos
y llevar a cabo experimentos cuya realización sería difícil en la vida real
debido al tiempo que durarían, a causa de su elevado coste o por motivos
de seguridad.
PÁGINA WEB THE PHYSIOLOGY PLACE presenta materiales de estudio y de
evaluación fáciles de utilizar y organizados en un claro formato en tres pasos.
En el Paso 1, los estudiantes hacen un examen previo para crear un plan de
estudio personalizado y específico de cada capítulo; el Paso 2 proporciona
ejercicios de revisión, y en el Paso 3 los estudiantes comprueban su nivel
de comprensión con varios tipos de ejercicios y un examen posterior. Cada
capítulo presenta nuevos diagramas de flujo interactivos, ejercicios
cuantitativos, noticias vía RSS y enlaces web actualizados.
xiv
Agradecimientos
E
n el momento de terminar la cuarta edición de este libro de
texto, me doy cuenta de que mi relación con todo el personal de apoyo ha crecido. Aunque el proceso de revisión es
muy exigente, el equipo de Benjamin Cummings ha contribuido a que dicho proceso no solo sea algo fácil de gestionar, sino
que es también algo de lo que disfrutar. A lo largo de la revisión,
he aprovechado la experiencia y el duro trabajo de muchos editores, revisores, artistas, personal de producción y profesores. Les hago extensivo mi más profundo y sincero agradecimiento.
Para comenzar, quiero agradecer a Frank Ruggirello, Deirdre
Espinoza y Serina Beauparlant su liderazgo e inversión en este
texto. También quiero expresar un agradecimiento especial a
nuestra editora de proyectos, Katy German, que ha mostrado
tener una gran paciencia y ha sabido respaldar nuestro trabajo
durante la elaboración de esta cuarta edición. Nunca podré dejar
de agradecer suficientemente a Laura Southworth, directora de
desarrollo artístico, y a Ellie Marcus, especialista en artes técnicas. Su trabajo en el programa artístico es uno de los puntos clave del texto y su diligencia también ha mejorado el texto. Asimismo, quiero agradecer a Laura por arreglárselas para hacerme
reír. Mi agradecimiento también a la editora de desarrollo de
esta edición, Elmarie Hutchinson, por sus sabias sugerencias
para refinar el texto. Uno se siente humilde al trabajar con una
correctora, pero Jill Hobbs hizo que este proceso fuera agradable
y le agradezco su excelente trabajo. Gracias a todas las personas
implicadas en la producción del libro, sobre todo a Caroline
Ayres, Beth Masse, Nancy Tabor, Jared Sterzer, Deborah Cogan,
Marilyn Perry y Blake Kim. También mi agradecimiento especial
para Tomo Narashima, creador del original estilo artístico de la
cubierta de esta edición. Gracias además a Shannon Cutt por su
experta coordinación de los complementos de impresión y
diversos medios de esta edición.
Además, quiero dar las gracias a los numerosos revisores por
sus comentarios sobre la tercera edición y sus sugerencias para
la cuarta. Los comentarios de los profesores han sido muy valorados y considerados durante cada revisión del texto. ¡Seguid
enviándolos!
También quisiera agradecer a mi marido, Jim, su apoyo y su
paciencia, que hicieron posible que yo continuara trabajando en
el libro. Mi agradecimiento se extiende a varios de mis amigos y
colegas de la Universidad del Sur de Alabama que han respaldado mis esfuerzos. Mi familia también se merece un agradecimiento especial por su cariño y apoyo: Addie (mamá), John,
Janice, Mike, Pat, Jim, Joe y Steve, así como a nietos, sobrinos,
hijos y bisnietos. Principalmente, quiero agradecer a mis estudiantes que me hayan planteado retos continuamente para sacar
a la mejor profesora que hay en mí.
Cindy L. Stanfield
Anatomy & Physiology
Benjamin Cummings Science
1301 Sansome Street
San Francisco, CA 94111
xviii
AG R A D E C I M I E N TO S
Revisores
Michael T. Griffin
Universidad Estatal Angelo
Cuarta edición
John P. Harley
Universidad del Este de Kentucky
Joseph L. Andreacci
Universidad de Bloomsburg
Rajen S. Anand
Universidad del Estado de California
Brian Antonsen
Universidad de Marshall
Barbara M. Butler
Universidad de Delaware
B. A. Buxton
Facultad de Medicina Osteopática
de Filadelfia
Patricia J. Clark
Universidad de Indiana-Purdue
de Indianápolis
Steve Henderson
Universidad Estatal de California, Chico
Anastasia Kariagina
Facultad Comunitaria Lansing
Heather R. Ketchum
Universidad de Oklahoma
Kevin Krown
Facultad de San Diego Mesa
Dean Vincent Lauritzen
Facultad de la Ciudad de San Francisco
Andrew J. Lokuta
Escuela de Medicina y Salud Pública
de la Universidad de Wisconsin
Jane Lubischer
Universidad Estatal de Carolina
del Norte
Christel Marschall
Facultad Comunitaria Lansing
Mary Jane Niles
Universidad de San Francisco
Paula E. Papanek
Universidad Marquette
Roberta L. Pohlman
Universidad Estatal Wright
Paul G. Wagner
Universidad Washburn
Larry Weiskirch
Facultad Comunitaria Onondaga
Scott D. Zimmerman
Universidad Estatal de Missouri
Breve tabla de contenidos
1 Introducción a la fisiología 1
2 Células: estructura y función 18
3 Metabolismo celular 56
4 Transporte de la membrana celular 94
5 Mensajeros químicos 126
6 Sistema endocrino: glándulas endocrinas
y acción de las hormonas
149
7 Células nerviosas y señales eléctricas 166
8 Transmisión sináptica e integración neural 196
9 Sistema nervioso: sistema nervioso central 215
10 Sistema nervioso: sistemas sensoriales 253
11 Sistema nervioso: sistemas autónomo
y motor
303
12 Fisiología muscular 322
13 Aparato cardiovascular: función cardíaca 360
14 Aparato cardiovascular: vasos sanguíneos, flujo
sanguíneo y presión arterial
395
15 Aparato cardiovascular: sangre 435
16 Aparato respiratorio: ventilación pulmonar
17 Aparato respiratorio: intercambio gaseoso
y regulación de la respiración
451
475
18 Aparato urinario: función renal 507
19 Aparato urinario: equilibrio electrolítico
e hídrico
534
20 Aparato digestivo 567
21 Sistema endocrino: regulación del metabolismo
energético y del crecimiento
22 Aparato reproductor 632
23 Sistema inmunitario 667
24 Diabetes mellitus 693
Respuestas
709
Créditos
717
Glosario
718
Índice alfabético
739
603
Índice
1
Introducción a la fisiología
1
Organización del cuerpo 2
Células, tejidos, órganos y sistemas de órganosÊUÊEsquema
general del organismo: una visión simplificada
Homeostasis: principio organizativo clave en fisiología 8
Control de la retroalimentación negativa en la homeostasis
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ El desafío de la
homeostasis 9
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Agotamiento producido
por una excesiva exposición al calor y la insolación 10
Diabetes: una epidemia 13
Prevalencia de la diabetesÊUÊObesidad y diabetesÊUÊ
Clasificación de la diabetesÊUÊDiagnóstico de la diabetes
mellitusÊUÊSíntomas de la diabetes mellitusÊUÊTratamiento
de la diabetes mellitusÊUÊDiabetes mellitus: una enfermedad
que afecta a todo el organismo
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
Ejercicios
Uniones intercelulares 38
Uniones estrechasÊUÊDesmosomasÊUÊUniones comunicantes
Funciones generales de la célula 40
MetabolismoÊUÊTransporte celularÊUÊComunicación
intercelular
Síntesis de las proteínas 41
Función del código genéticoÊUÊTranscripciónÊUÊ
TraducciónÊUÊDestino de las proteínasÊUÊProcesamiento
postraduccional y empaquetamiento de proteínasÊUÊ
Regulación de la síntesis de proteínasÊUÊDegradación
de las proteínas
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ ADN mitocondrial en las
enfermedades, la antropología y la medicina forense 43
División celular 49
Replicación del ADNÊUÊCiclo celular
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Por qué la ricina
es mortal
Integración de sistemas
15
Resumen del capítulo
16
Células: estructura
y función 18
3
Biomoléculas 19
Hidratos de carbonoÊUÊLípidosÊUÊAminoácidos y proteínasÊUÊ
Nucleótidos y ácidos nucleicos
R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Átomos y moléculas
22
Estructura de la célula 29
Estructura de la membrana plasmáticaÊUÊEstructura
del núcleoÊUÊContenidos del citosolÊUÊEstructura de
los orgánulos membranososÊUÊEstructura de los orgánulos
no membranosos
R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Moléculas polares y enlaces
de hidrógeno
31
53
53
54
Metabolismo celular
56
Tipos de reacciones metabólicas 57
Hidrólisis y reacciones de condensaciónÊUÊReacciones
de fosforilación y desfosforilación UÊReacciones de
oxidación-reducción
Reacciones metabólicas y energía 59
Energía y las leyes de la termodinámicaÊUÊCambios
de energía en las reaccionesÊUÊEnergía de activación
R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Disoluciones y concentraciones
Velocidades de reacción 64
Factores que afectan a las velocidades de reacciónÊUÊ
Función de las enzimas en las reacciones químicas
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Interacciones ligando-
R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Iones y enlaces iónicos
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Vaults y quimioterapia
52
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Cáncer
16
Ejercicios
2
49
33
36
proteína 66
R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Ácidos, bases y pH
70
62
ÍNDICE
xxi
Oxidación de la glucosa: la reacción central
del metabolismo energético 72
ATP: moneda energéticaÊUÊATP en acción
Ósmosis: transporte pasivo de agua
a través de las membranas 112
OsmolaridadÊUÊPresión osmóticaÊUÊTonicidad
Etapas de la oxidación de la glucosa: glucólisis, ciclo de Krebs
y fosforilación oxidativa 74
GlucólisisÊUÊCiclo de KrebsÊUÊFosforilación oxidativaÊUÊ
Cadena de transporte de electronesÊUÊResumen
de la oxidación de la glucosaÊUÊConversión de piruvato
en ácido láctico
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Determinación de la presión
D E S C U B R I M I E N T O S ■ ¿Pueden los desacopladores contribuir
a perder peso? 81
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Antioxidantes y radicales
libres 82
Almacenamiento y uso de energía: metabolismo de hidratos
de carbono, grasas y proteínas 85
Metabolismo del glucógenoÊUÊGluconeogenia: formación de
glucosa nuevaÊUÊMetabolismo de lípidosÊUÊMetabolismo
de proteínasÊUÊEfectos de la insulina en el metabolismo
celular
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Fuentes de energía
para las células musculares 85
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
Ejercicios
4
osmótica de una disolución 115
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Producción
de sudor
Transporte de sustancias en compartimentos
membranosos 117
Transporte de moléculas al interior celular mediante
endocitosisÊUÊTransporte de moléculas al exterior celular
mediante exocitosis
Transporte epitelial: movimiento de las moléculas
a través de dos membranas 118
Estructura epitelialÊUÊTransporte epitelial de solutosÊUÊ
Transporte epitelial de aguaÊUÊTranscitosis
Integración de sistemas
121
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Fibrosis quística
Resumen del capítulo
Ejercicios
122
123
124
90
91
5
91
Transporte de la
membrana celular
Mensajeros químicos
94
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Energía
96
Mensajeros químicos 128
Clasificación funcional de los mensajeros químicosÊUÊ
Clasificación química de los mensajerosÊUÊSíntesis
y liberación de mensajeros químicosÊUÊTransporte
de mensajeros
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Antihistamínicos
100
Velocidad de transporte
101
129
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Mensajeros químicos
del ejercicio
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Potenciales de equilibrio
y ecuación de Nernst
126
Mecanismos de comunicación intercelular 127
Comunicación directa mediante uniones comunicantesÊUÊ
Comunicación indirecta mediante mensajeros químicos
Factores que condicionan la dirección del transporte 95
Transporte pasivo frente a transporte activoÊUÊFuerzas
direccionales que actúan sobre las moléculas
de las disoluciones
116
131
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Desde el ácido acetilsalicílico
a los inhibidores de COX-2 135
Transporte pasivo 102
Difusión simple: transporte activo
a través de la bicapa lipídicaÊUÊDifusión facilitada:
transporte pasivo a través de proteínas de membranaÊUÊ
Difusión a través de canales
Mecanismos de transducción de señales 136
Propiedades de los receptoresÊUÊMecanismos
de transducción de señales para respuestas
mediadas por receptores intracelularesÊUÊMecanismos
de transducción de señales para respuestas mediadas
por receptores unidos a la membrana
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ley de Fick
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Cólera y proteínas G
y permeabilidad
105
Transporte activo 108
Transporte activo primarioÊUÊTransporte activo secundarioÊUÊ
Factores que afectan a la velocidad del transporte activoÊUÊ
Bombas y filtraciones: cómo coexisten en las células
mecanismos de transporte activo y pasivo
141
Comunicación a larga distancia a través de los sistemas
nervioso y endocrino 145
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
Ejercicios
147
146
146
xxii
ÍNDICE
6
Sistema endocrino: glándulas
endocrinas y acción de las
hormonas 149
Órganos endocrinos primarios 150
Hipotálamo e hipófisisÊUÊGlándula pinealÊUÊGlándula
tiroides y glándulas paratiroideasÊUÊTimoÊUÊGlándulas
suprarrenalesÊUÊPáncreasÊUÊGónadas
Órganos endocrinos secundarios
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Constante de longitud
para la conducción electrotónica 190
Mantenimiento de la estabilidad neural
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Anestesia local
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
Ejercicios
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Por qué los atletas toman
8
esteroides 158
Secreción anormal de las hormonas
161
163
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Adenomas hipofisarios
Ejercicios
7
164
164
Transmisión sináptica
e integración neural 196
197
Integración neural 203
SumaÊUÊCodificación por frecuencia
Modulación presináptica 205
Facilitación presinápticaÊUÊInhibición presináptica
165
Células nerviosas y señales
eléctricas 166
Generalidades del sistema nervioso
Células del sistema nervioso
NeuronasÊUÊNeuroglia
Neurotransmisores: estructura, síntesis y degradación 207
AcetilcolinaÊUÊAminas biógenasÊUÊNeurotransmisores
aminoácidosÊUÊPurinasÊUÊNeuropéptidosÊUÊ
Neurotransmisores únicos
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Tratamiento
de la depresión
210
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Función de los agentes
167
gabaérgicos en la ansiedad y los trastornos del sueño 211
167
Resumen del capítulo
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Neurogenia
170
Ejercicios
Establecimiento del potencial de membrana en reposo 173
Determinación de los potenciales de equilibrio
para los iones sodio y potasioÊUÊPotencial de membrana
en reposo de las neuronasÊUÊNeuronas en reposo
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Circuitos eléctricos
en biología
193
Sinapsis químicas 197
Anatomía funcional de las sinapsis químicasÊUÊMecanismos
de transducción de señal en las sinapsis químicasÊUÊSinapsis
excitatoriasÊUÊSinapsis inhibidoras
horario 162
Resumen del capítulo
193
194
Sinapsis eléctricas
162
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Ritmos circadianos y desfase
Integración de sistemas
192
156
Acción de las hormonas en la célula diana 157
Control de las concentraciones de hormonas en la sangre
Interacciones hormonales
192
176
9
212
213
Sistema nervioso: sistema
nervioso central 215
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Potencial de membrana
en reposo y ecuación GHK
178
Señales eléctricas mediante cambios en el potencial
de membrana 179
Descripción de los cambios en el potencial de membranaÊUÊ
Potenciales graduadosÊUÊPotenciales de acciónÊUÊ
Propagación de los potenciales de acciónÊUÊNeuropatía
periférica
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Neurotoxinas
180
Anatomía general del sistema nervioso central 216
Neuroglia ÊUÊSoporte físico del sistema nervioso centralÊUÊ
Irrigación del sistema nervioso centralÊUÊBarrera
hematoencefálicaÊUÊSustancias gris y blanca
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Derrame cerebral
222
Médula espinal 224
Nervios raquídeosÊUÊSustancias gris y blanca de la médula
espinal
ÍNDICE
Encéfalo 229
Corteza cerebralÊUÊNúcleos subcorticalesÊUÊDiencéfaloÊUÊ
Sistema límbico
D E S C U B R I M I E N T O S ■ La historia de Phineas Gage
235
Función integrada del SNC: los reflejos 236
Reflejo de estiramientoÊUÊReflejos de retracción y extensor
cruzado
Función integrada del SNC: el control motor voluntario 239
Componentes neurales de los movimientos voluntarios
precisosÊUÊControl cortical del movimiento voluntarioÊUÊ
Control postural por el tronco del encéfaloÊUÊFunción
del cerebelo en la coordinación motoraÊUÊFunción de
los núcleos basales en el control motor
Función integrada del SNC: el lenguaje
de la visiónÊUÊRegulación de la cantidad de luz que entra
en el ojoÊUÊRetinaÊUÊFototransducciónÊUÊBastones frente
a conosÊUÊVisión a colorÊUÊEntrada de la luz a ritmos
circadianosÊUÊBlanqueamiento de los fotorreceptores con
la luzÊUÊProcesamiento neural en la retinaÊUÊVías neurales
para la visiónÊUÊProcesamiento paralelo en el sistema
visualÊUÊPercepción de la profundidad
Oído y audición 284
Anatomía del oídoÊUÊNaturaleza de las ondasÊUÊ
Amplificación del sonido en el oído medioÊUÊ
Transducción de señales para el sonidoÊUÊ
Vías neurales del sonido
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Ceguera para el color
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Decibelios
242
Función integrada del SNC: el sueño 243
Funciones del sueñoÊUÊCiclos sueño-vigiliaÊUÊActividad
eléctrica durante la vigilia y el sueño
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Trastorno por estrés
postraumático 245
xxiii
284
288
Oído y equilibrio 292
Anatomía del aparato vestibularÊUÊConductos
semicirculares y transducción de la rotaciónÊUÊ
Utrículo y sáculo y transducción de la aceleración linealÊUÊ
Vías neurales para el equilibrio
Gusto 295
Anatomía de las papilas gustativasÊUÊTransducción
de señales en el gustoÊUÊVía neural del gusto
Función integrada del SNC: las emociones
y la motivación 247
Función integrada del SNC: el aprendizaje
y la memoria 247
AprendizajeÊUÊMemoriaÊUÊPlasticidad del sistema
nervioso
Olfato 297
Anatomía del sistema olfativoÊUÊTransducción de señales
olfativasÊUÊVía neural del olfato
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ ¿Puede el ejercicio
Resumen del capítulo
afectar al encéfalo? 250
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
Ejercicios
Integración de sistemas
Ejercicios
299
299
300
250
251
251
11 Sistema nervioso: sistemas
autónomo y motor
10 Sistema nervioso: sistemas
sensoriales
253
Principios generales de la fisiología sensorial 254
Fisiología de los receptoresÊUÊVías sensorialesÊUÊCodificación
sensorial
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Sinestesia
260
Sistema somatosensitivo 262
Receptores somatosensitivosÊUÊ orteza somatosensitivaÊUÊ
Vías somatosensitivasÊUÊPercepción del dolor
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Dolor de miembro
fantasma 270
Visión 270
Anatomía del ojoÊUÊNaturaleza y comportamiento
de las ondas de luzÊUÊAcomodaciónÊUÊDefectos clínicos
303
Sistema nervioso autónomo 304
Inervación dual en el sistema nervioso autónomoÊUÊ
Anatomía del sistema nervioso autónomoÊUÊ
Neurotransmisores y receptores autónomosÊUÊUniones
de neuroefectores autónomosÊUÊRegulación de la función
activa
Sistema nervioso somático 316
Anatomía del sistema nervioso somáticoÊUÊUnión
neuromuscular
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Adaptaciones del sistema
nervioso periférico 316
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Miastenia grave
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Curare
Resumen del capítulo
Ejercicios
320
320
319
319
xxiv
ÍNDICE
12 Fisiología muscular
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Isquemia miocárdica
322
Estructura de los músculos esqueléticos 323
Estructura a nivel celularÊUÊEstructura a nivel molecular
Mecanismo de generación de fuerza en el músculo 327
Modelo de deslizamiento de filamentosÊUÊCiclo de los
puentes transversos: cómo generan fuerza los músculosÊUÊ
Acoplamiento contracción-excitación: cómo se activan
y desactivan las contracciones muscularesÊUÊMetabolismo
de la célula muscular: cómo proporcionan ATP las células
musculares para dirigir el ciclo del puente transverso
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Suplementos de creatina
333
Mecanismo de contracción de los músculos esqueléticos 334
ContracciónÊUÊFactores que afectan a la fuerza generada
por fibras musculares individualesÊUÊRegulación de
la fuerza generada por músculos enterosÊUÊVelocidad
de acortamiento
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Física de la contracción
de los músculos esqueléticos
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Diabetes mellitus
347
Control de la actividad de los músculos esqueléticos 348
Actividad de los músculos a través de las articulacionesÊUÊ
Receptores musculares para la actividad coordinada
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Distrofia muscular
348
Músculos liso y cardíaco 351
Músculos lisosÊUÊMúsculo cardíaco
Resumen del capítulo
Ejercicios
Actividad eléctrica del corazón 368
Sistema de conducción del corazónÊUÊPropagación
de la excitación a través del corazónÊUÊBase iónica de
la actividad eléctrica cardíacaÊUÊRegistro de la actividad
eléctrica del corazón con un electrocardiograma
Ciclo cardíaco 378
Fases del ciclo cardíacoÊUÊPresión auricular y ventricularÊUÊ
Presión aórticaÊUÊVolumen ventricularÊUÊSonidos
del corazón
Gasto cardíaco y su control 382
Actividad autónoma del corazónÊUÊFactores que afectan
al gasto cardíaco: cambios en el ritmo cardíacoÊUÊFactores
que afectan a la actividad cardíaca: cambios del volumen
sistólicoÊUÊIntegración de los factores que influyen en el gasto
cardíaco
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ley de Laplace
340
Tipos de fibras de los músculos esqueléticos 343
Diferencias en la velocidad de contracción: fibras de
contracción rápida y de contracción lentaÊUÊDiferencias
en el método principal de producción de ATP: fibras
glucolíticas y vˆLÀ>Ãʜ݈`>̈Û>ÃÊUÊFibras de oxidación
lenta, glucolíticas rápidas y de oxidación rápida
Integración de sistemas
Anatomía del corazón 366
Miocardio y pared cardíacaÊUÊVálvulas y flujo sanguíneo
unidireccional
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Actividad simpática
338
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Tétanos
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
Ejercicios
356
357
391
392
393
14 Aparato cardiovascular: vasos
sanguíneos, flujo sanguíneo
y presión arterial 395
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ley de Poiseuille
Sinopsis de la vasculatura
13 Aparato cardiovascular:
360
Sinopsis del aparato cardiovascular 361
CorazónÊUÊVasos sanguíneosÊUÊSangre
Trayecto del flujo sanguíneo a través del corazón
y la vasculatura 363
Flujo en serie a través del aparato cardiovascularÊUÊFlujos
paralelos dentro del circuito pulmonar o sistémico
388
390
Leyes físicas que regulan el flujo sanguíneo y la presión
arterial 396
Gradientes de presión en el aparato cardiovascularÊUÊ
Resistencia en el aparato cardiovascularÊUÊRelación
entre los gradientes de presión y la resistencia
en la circulación sistémica
356
función cardíaca
365
399
399
Arterias 400
Arterias: un reservorio de presiónÊUÊPresión arterial
Arteriolas 404
Arteriolas y resistencia al flujo sanguíneoÊUÊControl
intrínseco de la distribución del flujo sanguíneo
a los órganosÊUÊControl extrínseco del radio arteriolar
y la presión arterial media
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Distensibilidad
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Regulación
independiente del flujo sanguíneo 410
404
ÍNDICE
Capilares y vénulas 411
Anatomía capilarÊUÊControl local del flujo sanguíneo a
través de los lechos capilaresÊUÊMovimiento de sustancias
a través de las paredes capilaresÊUÊVénulas
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Insuficiencia cardíaca
417
16 Aparato respiratorio:
ventilación pulmonar
Sinopsis de la función respiratoria
451
452
Venas 418
Venas: reservorio de volumenÊUÊFactores que influyen
en la presión venosa y el retorno venoso
Anatomía del aparato respiratorio 452
Vías respiratorias superioresÊUÊTubo respiratorioÊUÊ
Estructuras de la cavidad torácica
Sistema linfático
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Apnea del sueño
421
Presión arterial media y su regulación 421
Determinantes de la presión arterial media: ritmo cardíaco,
volumen sistólico y resistencia periférica totalÊUÊRegulación
de la presión arterial mediaÊUÊControl de la presión arterial
mediante barorreceptores de baja presión (receptores
de volumen)
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Hipertensión
428
Otros procesos reguladores cardiovasculares 429
Arritmia sinusal respiratoriaÊUÊReflejos quimiorreceptoresÊUÊ
Respuestas termorreguladoras
Integración de sistemas
Ejercicios
Fuerzas de la ventilación pulmonar 457
Presiones pulmonaresÊUÊMecanismo de la respiración
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ley de Boyle y ley de los gases
ideales 462
Factores que afectan a la ventilación pulmonar 466
Distensibilidad pulmonarÊUÊResistencia de las vías
respiratorias
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Surfactante pulmonar y ley
de Laplace 467
obstructiva crónica
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Respuestas
Resumen del capítulo
456
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Enfermedad pulmonar
430
cardiovasculares al ejercicio suave
xxv
431
468
Importancia clínica de los volúmenes respiratorios
y de los flujos de aire 469
Volúmenes y capacidades pulmonaresÊUÊEvaluación
de la función pulmonarÊUÊVentilación alveolar
432
433
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Efectos del ejercicio
sobre la ventilación
15 Aparato cardiovascular:
sangre
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
435
Ejercicios
Sinopsis de la composición de la sangre: el hematocrito
Plasma
472
472
473
473
436
437
Eritrocitos 437
Transporte de oxígeno y de dióxido de carbonoÊUÊCiclo vital
de los eritrocitos
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Efectos de las grandes
alturas 441
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Anemia
442
Plaquetas y hemostasia 444
Espasmos vascularesÊUÊTapón plaquetarioÊUÊFormación
del coágulo
Diabetes y enfermedad cardiovascular
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
Ejercicios
450
449
449
449
gaseoso y regulación de la
respiración 475
Sinopsis de la circulación pulmonar
Leucocitos 443
NeutrófilosÊUÊEosinófilosÊUÊBasófilos UÊMonocitosÊUÊLinfocitos
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Sanguijuelas y sangrías
17 Aparato respiratorio: intercambio
448
476
Difusión de gases 478
Presión parcial de los gasesÊUÊSolubilidad de gases
en líquidos
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Presiones parciales y ley
de Dalton 478
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ley de Henry y solubilidad
de los gases 479
Intercambio de oxígeno y dióxido de carbono 480
Intercambio gaseoso en los pulmonesÊUÊIntercambio gaseoso
en el tejido respiratorioÊUÊDeterminantes de la PO2 y la PCO2
alveolares
xxvi
ÍNDICE
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Aeroembolismo
481
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Edema pulmonar
484
y el conducto colectorÊUÊConservación del agua
en el asa de Henle
Transporte de gases en la sangre 485
Transporte de oxígeno en la sangreÊUÊTransporte de dióxido
de carbono en la sangre
Regulación central de la ventilación 491
Control neural de la respiración por parte
de las motoneuronasÊUÊGeneración del ritmo respiratorio
en el tronco encefálicoÊUÊSeñales periféricas a los centros
respiratorios
Control de la ventilación por parte
de los quimiorreceptores 495
QuimiorreceptoresÊUÊReflejos quimiorreceptores
Excreción 525
Velocidad de excreciónÊUÊEliminaciónÊUÊMicción
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
Ejercicios
531
531
532
19 Aparato urinario: equilibrio
electrolítico e hídrico
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Función de los receptores
534
sensoriales 495
Concepto de equilibrio 535
Factores que afectan a la composición plasmáticaÊUÊ
Equilibrio de solutos y agua
Regulación local de la ventilación y la perfusión 498
Relación ventilación/perfusiónÊUÊControl local
de la ventilación y la perfusión
Papel del aparato respiratorio en la homeostasis
ácido-base 500
Alteraciones ácido-base en la sangreÊUÊFunción del aparato
respiratorio en el equilibrio ácido-base
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Reclutamiento
de capacidades respiratorias de reserva 500
Integración de sistemas
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Sudoración, rehidratación
501
C A J A D E H E R R A M I E N TA S ■ Ecuación de Henderson-
Hasselbalch 502
Ejercicios
y equilibrio hídrico 538
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Por qué no podemos beber agua
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Efectos de las grandes alturas
Resumen del capítulo
Equilibrio hídrico 537
Osmolaridad y movimiento del aguaÊUÊReabsorción
de agua en el túbulo proximalÊUÊEstablecimiento
del gradiente osmótico medularÊUÊFunción del gradiente
osmótico medular en la reabsorción de agua
en el túbulo distal y el conducto colectorÊUÊDiabetes
insípida
503
546
Equilibrio de sodio 546
Mecanismo de la reabsorción del sodio en el túbulo
renalÊUÊEfectos de la aldosteronaÊUÊPéptido natriurético
auricular
503
504
Equilibrio de potasio 550
Manejo renal de los iones de potasioÊUÊRegulación
de la secreción de potasio por la aldosterona
18 Aparato urinario:
función renal
Funciones del aparato urinario
del mar
507
Equilibrio de calcio 551
Manejo renal de los iones de calcioÊUÊControl hormonal
de la concentración plasmática de calcio
508
Anatomía del aparato urinario 509
Estructuras del aparato urinarioÊUÊAnatomía macroscópica
del riñónÊUÊAnatomía microscópica del riñónÊUÊIrrigación
del riñón
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Cálculos renales
510
Procesos básicos de intercambio renal 512
Filtración glomerularÊUÊReabsorciónÊUÊSecreción
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Diálisis
523
Especialización local de los túbulos renales 524
Reabsorción sin regulación en el túbulo proximalÊUÊ
Absorción y secreción reguladas en el túbulo distal
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Osteoporosis
553
Interacciones entre líquidos y regulación electrolítica
554
Equilibrio ácido-base 556
Fuentes de alteraciones ácido-baseÊUÊMecanismos de
defensa contra las alteraciones ácido-baseÊUÊCompensación
de las alteraciones ácido-base
R E P A S O D E Q U Í M I C A ■ Iones y enlaces iónicos
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
Ejercicios
565
563
563
558
ÍNDICE
20 Aparato digestivo
567
Repaso de los procesos del aparato digestivo
568
Anatomía funcional del aparato digestivo
Tubo digestivo
568
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Úlceras
576
Metabolismo energético durante los estados de absorción
y postabsorción 608
Metabolismo durante el estado de absorciónÊUÊMetabolismo
durante el estado de postabsorción
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Metabolismo
energético 609
Digestión y absorción de nutrientes y agua 580
Hidratos de carbonoÊUÊProteínasÊUÊLípidosÊUÊAbsorción de
vitaminasÊUÊAbsorción de mineralesÊUÊAbsorción de agua
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Función de la dieta
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Intolerancia a la lactosa
581
588
Principios generales de la regulación digestiva 589
Vías neurales y endocrinas del control digestivoÊUÊ
Regulación de la ingesta de alimentosÊUÊObesidad y diabetes
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Lipoproteínas y colesterol
plasmático 589
Secreción digestiva y su regulación 592
Secreción de salivaÊUÊSecreción de ácido y pepsinógeno
en el estómagoÊUÊSecreción de jugo pancreático y bilisÊUÊ
Velocidades del movimiento de líquidos en el aparato
digestivo
Motilidad digestiva y su regulación 595
Actividad eléctrica del músculo liso digestivoÊUÊPeristaltismo
y segmentaciónÊUÊMasticado y degluciónÊUÊMotilidad
gástricaÊUÊMotilidad del intestino delgadoÊUÊMotilidad
del colon
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Diverticulosis
Integración de sistemas
Resumen del capítulo
Ejercicios
xxvii
600
600
600
601
Regulación del metabolismo de absorción
y de postabsorción 612
Función de la insulinaÊUÊFunción del glucagónÊUÊControl
mediante retroalimentación negativa de los niveles de
glucosa en sangre por la insulina y el glucagónÊUÊEfectos de
la adrenalina y de la actividad nerviosa simpática sobre el
metabolismoÊUÊDiabetes mellitus
Termorregulación 617
Equilibrio de la temperaturaÊUÊMecanismos de
transferencia de calor entre el organismo y el medio
ambienteÊUÊRegulación de la temperatura del organismoÊUÊ
Alteraciones en los puntos de control de la
termorregulación: fiebre
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Agotamiento térmico y golpe
de calor
Regulación hormonal del crecimiento 620
Crecimiento corporalÊUÊEfectos de la hormona
de crecimientoÊUÊOtras hormonas que afectan
al crecimiento
Hormonas tiroideas 625
Síntesis y secreción de las hormonas tiroideasÊUÊAcciones
de las hormonas tiroideas
Glucocorticoides 627
Factores que afectan a la secreción de glucocorticoidesÊUÊ
Acciones de los glucocorticoidesÊUÊFunción del cortisol
en la respuesta al estrésÊUÊEfectos de una secreción
anormal de glucocorticoides
Resumen del capítulo
Ejercicios
21 Sistema endocrino: regulación
del metabolismo energético
y del crecimiento 603
Sinopsis del metabolismo corporal 604
AnabolismoÊUÊRegulación de las vías metabólicas
Consumo, utilización y almacenamiento energético 605
Captación, utilización y almacenamiento energético
de los hidratos de carbono UÊCaptación, utilización
y almacenamiento energético de las proteínasÊUÊCaptación,
utilización y almacenamiento energético de las grasas
Equilibrio energético 606
Aporte energéticoÊUÊPérdida energéticaÊUÊTasa metabólicaÊUÊ
Equilibrio energético positivo y negativo
617
629
630
22 Aparato reproductor
632
Sinopsis de la fisiología reproductiva 633
Función de los gametos en la reproducción sexualÊUÊ
Selección y reparto de los genes en la gametogenia:
meiosisÊUÊComponentes del aparato reproductorÊUÊPasos
después de la fecundaciónÊUÊPautas de la actividad
reproductora durante la vida humana
Aparato reproductor masculino 638
Anatomía funcional de los órganos reproductores
masculinosÊUÊRegulación hormonal de las funciones
reproductoras en los hombresÊUÊEspermatozoides
y su desarrolloÊUÊRespuesta sexual en hombres
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Diferencias de sexo
642
xxviii
ÍNDICE
Aparato reproductor femenino 645
Anatomía funcional de los órganos reproductores
femeninosÊUÊÓvulos y su desarrolloÊUÊRespuesta sexual
en las mujeresÊUÊCiclo menstrualÊUÊRegulación hormonal
a largo plazo de la función reproductora de la mujer
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Disfunción eréctil
645
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Quistes ováricos
651
Fecundación, implantación y embarazo 655
Pasos de la fecundaciónÊUÊDesarrollo embrionario temprano
e implantaciónÊUÊDesarrollo embrionario tardío y fetalÊUÊ
Cambios hormonales durante el embarazoÊUÊDiabetes
gestacional
D E S C U B R I M I E N T O S ■ Métodos anticonceptivos
656
Parto y lactancia 661
Pasos del partoÊUÊLactancia
Resumen del capítulo
Ejercicios
para la inmunodeficiencia combinada grave 690
Resumen del capítulo
Ejercicios
690
691
24 Diabetes mellitus
693
Clasificación de la diabetes mellitus 694
Diabetes mellitus de tipo 1ÊUÊDiabetes mellitus de tipo 2
Efectos graves de la diabetes mellitus 695
Cetoacidosis diabéticaÊUÊComa hiperosmolar no cetósicoÊUÊ
Coma hipoglucémico
Complicaciones crónicas de la diabetes mellitus:
fase temprana 696
664
664
Complicaciones crónicas de la diabetes mellitus:
fase avanzada 697
Efectos adversos de la hiperglucemiaÊUÊEfectos de la diabetes
mellitus en la microvasculatura
23 Sistema inmunitario
Anatomía del sistema inmunitario
LeucocitosÊUÊTejidos linfoides
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Terapia génica
667
668
Retraso en la cicatrización de las heridas 701
Cicatrización de las heridasÊUÊTrastorno de la cicatrización
de las heridas en la diabetes
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Movilización
leucocitaria 669
Organización de las defensas del cuerpo 670
Defensas inespecíficasÊUÊDefensas específicas: respuesta
inmunitaria
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Herpes zóster
678
Inmunidad humoral 679
Función de los linfocitos B en la producción de anticuerposÊUÊ
Función de los anticuerpos en la inmunidad humoral
Inmunidad mediada por células 681
Funciones de los linfocitos T en la inmunidad mediada
por célulasÊUÊActivación de las células T colaboradoras UÊ
Activación de las células T citotóxicas: destrucción
de células infectadas por virus y tumorales
Respuesta inmunitaria en estados de salud
y de enfermedad 684
Generando inmunidad: vacunaciónÊUÊFunciones del sistema
inmunitario en las transfusiones y los trasplantesÊUÊ
Disfunciones inmunitarias
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Esclerosis múltiple
Progresión de la diabetes mellitus a estados críticos 700
Efectos de la diabetes mellitus en la macrovasculaturaÊUÊ
Miocardiopatía diabética
689
Tratamiento y manejo de la diabetes mellitus
703
Investigaciones actuales sobre la diabetes mellitus 704
Nuevas técnicas para la administración de insulinaÊUÊ
Tratamientos no farmacológicos de la diabetes mellitus
C O N E X I O N E S C L Í N I C A S ■ Cirugía bariátrica como
tratamiento de la diabetes
705
C O M P R E N D E R E L E J E R C I C I O ■ Transporte de glucosa
en la ejercitación del músculo y diabetes 706
Resumen del capítulo
Ejercicios
707
708
Respuestas
709
Créditos
717
Glosario
718
Índice alfabético
739
Introducción a la fisiología
El organismo humano es capaz de sobrevivir en una gran variedad
de condiciones ambientales. Puede vivir en selvas, montañas, ciudades muy pobladas
1
o desiertos. Puede soportar el calor de un verano en la India o el frío de un invierno en
Nueva Inglaterra. Con un entrenamiento adecuado, se puede
aclimatar a cambios de altitud mientras escala el Everest o
sobrevivir mientras corre una maratón de 42 km.
¿Cómo consigue hacerlo? Tal y como aprenderemos en
este capítulo y a lo largo de todo este libro, nuestro cuerpo
tiene una capacidad increíble para adaptarse a los cambios
que se producen en el medio, minimizando así los cambios internos. Por ejemplo, cuando una persona viaja de un
entorno frío a otro templado (que aumenta la temperatura
corporal), el organismo responde con rapidez, sudando y
aumentando el flujo de la sangre a la piel para ayudar a que
la temperatura vuelva a la normalidad. La capacidad del organismo de mantener un medio interno normal, llamada
homeostasis, es un tema de importancia primordial en este
libro de texto.
¡Bienvenidos al estudio de la fisiología humana!
Nuestro organismo se puede adaptar a muchas condiciones
ambientales.
CONTENIDOS
Organización del cuerpo
2
Homeostasis: principio organizativo clave en fisiología
Diabetes: una epidemia
13
8
2
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
OBJETIVOS

Conocer los cuatro tipos de células más importantes del cuerpo
humano y definir sus características.

Describir la distribución del agua en el organismo y definir los
diversos compartimentos de los líquidos.

Definir qué es la homeostasis y explicar su importancia en el
funcionamiento del organismo. Describir la función de la
retroalimentación negativa en la homeostasis.
L
a fisiología, ciencia que se ocupa del funcionamiento del
organismo, puede ser un producto de la razón humana,
pero, sin duda, se concibió como resultado de la pasión, de
nuestro deseo natural de comprendernos a nosotros mismos y al
universo que habitamos. Para algunas personas, este deseo persiste más allá de la mera curiosidad y se convierte en el estímulo
para toda una vida de estudio. Gracias a los esfuerzos de esas
personas, la ciencia de la fisiología existe actualmente.
Como ocurre en muchos otros campos de estudio, la fisiología se puede definir de una manera sencilla, pero es casi imposible describirla sucintamente. Expresándolo con sencillez, la
fisiología intenta explicar el funcionamiento del organismo utilizando una serie de principios físicos y químicos establecidos.
Esta descripción puede parecer suficientemente clara, pero lo
mismo se podría decir de otras ramas de la biología, como la
bioquímica y la biología celular. Es difícil definir lo que diferencia a la fisiología, porque, como ocurre con muchas otras áreas
de estudio científico, carece de límites definidos. Para explicar
cómo funciona el organismo, los fisiólogos utilizan herramientas procedentes de muchos campos diferentes, entre los que se
encuentran la bioquímica, la biología celular, la genética, la física e incluso la ingeniería. En fisiología, hay materia para todos
los gustos. Por ejemplo, si se considera el nivel celular o molecular, se pueden encontrar temas especialmente interesantes,
como el transporte de membrana o el sistema de transmisión de
señales entre células nerviosas. Si se considera un nivel mayor, a
escala de órganos o de todo el organismo, el estudio de la función cardiovascular o respiratoria podría ser atractivo. La mayoría de los fisiólogos afirman que lo mejor de estudiar fisiología es
que se llegan a explorar todas estas cosas.
Como casi todo el mundo siente curiosidad por cómo funciona el cuerpo humano, hay muchas posibilidades de que
estudiar fisiología se convierta en una de las experiencias académicas más satisfactorias. También nos daremos cuenta de
que la fisiología, como el resto de las ciencias, no solo es una
colección de hechos trillados, sino que se trata, más bien, de un
trabajo que progresa día a día. Veremos que hay lagunas significativas en nuestra comprensión acerca de cómo funciona el
organismo y también que gran parte de lo que entendemos
ahora será susceptible de cambios a medida que se realicen
nuevos hallazgos.
Independientemente de la formación o de los intereses que
tengamos, el estudio de la fisiología ampliará nuestro enfoque
científico. Empezaremos a ver el «cuadro completo», comprendiendo el funcionamiento del cuerpo no como una colección de
fenómenos sin relación entre sí, sino como un todo conectado.
Puede que incluso descubramos algo más: que la fisiología es
hermosa. Casi todos los que hemos decidido hacer de ella nuestro trabajo diario pensamos así.
Organización del cuerpo
Si alguna vez hemos pasado un rato examinando un gráfico o
modelo anatómico detallado del cuerpo humano, nos habremos dado cuenta de que es una estructura altamente complicada e intrincada. Sin embargo, a pesar de su complejidad, hay
una simplicidad subyacente en el funcionamiento del cuerpo
humano.
Para un fisiólogo, tal vez lo más interesante acerca del organismo es que su funcionamiento puede explicarse mediante un
conjunto relativamente pequeño de principios. Por este motivo,
su enfoque al estudiar el organismo es eliminar todos los detalles
innecesarios para que lo esencial, esto es, los temas y los principios unificadores, se puedan ver con mayor claridad. Para tener
una idea de lo que esto significa, consideremos la figura 1.1, que
muestra las células del cerebro de cuatro formas o morfologías
diferentes. El cerebro contiene miles de millones de esas células.
Aunque no es probable que dos cualesquiera sean exactamente
iguales, se las puede clasificar en cuatro grupos según las diferencias entre estas formas generales. ¡Y esto es una suerte, ya que
el cerebro contiene miles de millones de esas células y no es probable que dos de ellas sean exactamente iguales! Sin embargo, si
consideramos el funcionamiento de estas células, las similitudes
entre ellas son más importantes que las diferencias, lo que les
permite agruparse en una sola categoría: todas las células de esa
categoría se especializan en la transmisión de información en
forma de señales eléctricas desde un punto del organismo a otro.
Por este funcionamiento compartido, todas estas células se clasifican en el grupo de las neuronas (o células nerviosas).
Así como la simplicidad que subyace en el organismo es uno
de los temas más importantes de la fisiología, otro es el grado de
interacción entre sus diversas partes. Si bien cada una de las
células del organismo, las unidades vivas más pequeñas que
hay, es capaz de realizar sus propios procesos vitales básicos de
manera independiente, los diversos tipos de células están especializados para llevar a cabo funciones diferentes muy importantes para el funcionamiento integral del organismo. Por este
motivo, en última instancia, todas las células dependen unas de
otras para sobrevivir. Igualmente, los órganos del cuerpo también están especializados en la realización de ciertas tareas vitales para el funcionamiento de otros órganos. Se sabe, por ejemplo, que las células necesitan oxígeno para vivir y que el torrente
sanguíneo lo transporta hasta las células, pero pensemos en
algunas de las muchas cosas que tienen que ocurrir para garantizar que el oxígeno que llega es suficiente para satisfacer las
necesidades celulares. Las células que transportan el oxígeno en
el torrente sanguíneo se llaman eritrocitos, y son fabricadas por
la médula ósea, un tejido que se encuentra en el interior de algunos huesos. Para garantizar que hay un número adecuado de
eritrocitos en la sangre, la síntesis de estas células se regula
mediante una hormona llamada eritropoyetina, secretada por
los riñones. Para asegurar un flujo adecuado de sangre a los tejidos del organismo, el corazón debe bombear un volumen suficiente de sangre cada minuto, por lo que el sistema nervioso
regula el ritmo y la fuerza de sus contracciones. A su vez, para
garantizar que la sangre transporte suficiente oxígeno, los pulmones deben poder admitir cantidades de aire adecuadas, lo
que requiere que el sistema nervioso controle los músculos respiratorios (como el diafragma). Finalmente, para proporcionar
la energía necesaria para la realización de estos y otros procesos,
el aparato digestivo descompone la comida ingerida en moléculas de menor tamaño, que son absorbidas por el torrente sanguíneo y distribuidas a las células de todo el organismo.
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
3
Célula de Purkinje
Célula piramidal
Célula estrellada
Célula en cesta
FIGURA 1.1 Formas de las células que se encuentran en el cerebro. Cada una de estas cuatro células es
una neurona que transmite señales eléctricas y químicas.
Este ejemplo muestra que el funcionamiento adecuado del
organismo no solo necesita que cada parte sea capaz de realizar
su propia función concreta, sino también que las partes sean
capaces de trabajar conjuntamente de manera coordinada. Para
ayudar a entender mejor cómo colaboran las diversas partes del
organismo, el resto del capítulo subraya los principios generales
relativos al funcionamiento del organismo; las funciones de
órganos específicos y sistemas de órganos son los temas de los
que se ocupan capítulos posteriores.
Células, tejidos, órganos y sistemas de órganos
El cuerpo humano es una estructura increíble que consiste en
células dispuestas de una manera ordenada. Las células se agrupan para formar tejidos, que se agrupan a su vez para formar
órganos. Los órganos trabajan conjuntamente formando sistemas de órganos. Ahora vamos a describir cada uno de estos
componentes jerárquicos.
Células y tejidos
Aunque hay más de 200 tipos de células diferenciadas presentes
en el organismo, se pueden clasificar en solo cuatro clases principales: 1) neuronas; 2) células musculares; 3) células epiteliales,
y 4) células del tejido conjuntivo. En la figura 1.2 se muestran las
células más representativas que pertenecen a cada uno de estos
tipos. Estas clasificaciones son muy amplias y están basadas,
principalmente, en diferencias funcionales. Hay otras formas
más rigurosas de clasificar las células con base en distinciones
anatómicas y orígenes embriológicos.
Como hemos mencionado anteriormente, las células nerviosas, o neuronas (v. fig. 1.2a), están especializadas en la transmisión de información en forma de señales eléctricas. Para lograrlo, las neuronas suelen poseer unas ramas que funcionan para
recibir señales o transmitir señales procedentes de o hacia otras
células. Ciertas neuronas, como las que hay en los ojos para responder a estímulos luminosos o las que hay en la piel para
responder a estímulos táctiles, reciben información del exterior
y nos permiten percibir el mundo a través de nuestros sentidos.
Otras neuronas transmiten señales a músculos, glándulas y a
otros órganos, posibilitando el control del movimiento, la secreción hormonal y otras funciones corporales. Incluso hay otras
neuronas, como las que están presentes en el cerebro, que procesan información, haciendo que podamos conceptualizar,
recordar, formular planes de acción y experimentar emociones.
La especialidad de las células musculares, o fibras musculares (v. fig. 1.2b), es contraerse, generando así la fuerza mecánica
y el movimiento. Estas células se encuentran en los músculos de
los brazos, las piernas y en otras partes del cuerpo cuyos movimientos están bajo control voluntario (llamados músculos esqueléticos), pero también se pueden encontrar en estructuras que
no están bajo control voluntario, como el corazón (músculo car-
4
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
Célula del músculo esquelético
Células del músculo liso
(a) Neuronas
Células del músculo cardíaco
(b) Células de los músculos (miocitos)
Células
sanguíneas
Membrana
basal
(c) Células epiteliales
Membrana
basal
Células
del hueso
(osteocitos)
FIGURA 1.2 Principales tipos de células del cuerpo humano.
(a) Neuronas. (b) Células de los músculos. (c) Células epiteliales.
(d) Células del tejido conjuntivo.
díaco) y los vasos sanguíneos (músculo liso). El hecho de flexionar un brazo, de que el corazón bombee sangre y de que el estómago mezcle los alimentos ingeridos son, todos ellos, ejemplos
de células musculares en acción.
Las células epiteliales se encuentran en tejidos llamados epitelios, que consisten en una capa continua y parecida a una
sábana envolvente de células en combinación con una fina capa
inferior de material no celular denominado membrana basal
(v. fig. 1.2c). Dependiendo del epitelio en cuestión, la capa de
células puede tener el espesor de una sola célula o de varias, y
estas pueden tener diversas formas y ser tanto cortas y aplanadas en algunos casos como altas y oblongas en otros. Sin embargo, en todos los casos, las células están estrechamente unidas
entre sí, formando una barrera que impide que las sustancias de
un lado del epitelio se mezclen libremente con las sustancias del
otro lado. De manera apropiada, los epitelios se encuentran
siempre que haya líquidos en el organismo que deban mantenerse separados del medio externo, como la superficie de la piel
o del revestimiento de la pared pulmonar. También se pueden
encontrar epitelios en las paredes de órganos huecos, como el
estómago, los intestinos y los vasos sanguíneos, donde separan
los líquidos de la cavidad interna de los líquidos corporales circundantes. La cavidad interna de un órgano hueco o de un vaso
sanguíneo suele recibir el nombre de luz.
Ciertas células epiteliales están especializadas en el transporte de sustancias específicas, como iones inorgánicos, moléculas
orgánicas o agua, de un sitio a otro. Por ejemplo, las células de la
pared gástrica transportan ácido (iones de hidrógeno) a la luz del
estómago para ayudar a digerir los alimentos. Las células de la
pared intestinal, que transportan nutrientes y agua desde la luz
del intestino hacia el torrente sanguíneo, son otro ejemplo.
Algunas células epiteliales forman glándulas, órganos especializados en la síntesis y secreción de un producto. Hay dos tipos
de glándulas: las glándulas exocrinas secretan un producto a un
Fibroblastos
(en la piel y
otros tejidos)
(d) Células del tejido conjuntivo
conducto que conduce al exterior del organismo (fig. 1.3a). Las
glándulas sudoríparas y las glándulas salivales son ejemplos de
glándulas exocrinas. Las glándulas endocrinas secretan hormonas, sustancias químicas que comunican un mensaje a las células del organismo, hacia el torrente sanguíneo (fig. 1.3b). Como
ejemplos de glándulas endocrinas están la hipófisis y la glándula
suprarrenal.
El último gran tipo de células, las células del tejido conjuntivo, es el más diverso. Este tipo de células incluye las células
sanguíneas, los osteocitos (células del hueso), los adipocitos
(células de la grasa) y otros muchos tipos de células que, a primera vista, parecerían no tener mucho en común en cuanto a
estructura o funcionamiento (v. fig. 1.2d).
En sentido estricto, el término tejido conjuntivo hace referencia a cualquier estructura cuya función principal es proporcionar un soporte físico a otras estructuras, anclarlas en su lugar
o unirlas entre sí. Como ejemplos conocidos de estructuras del
tejido conjuntivo, podemos mencionar los tendones, que anclan
los músculos a los huesos; los ligamentos, que conectan a los
huesos entre sí, y el tejido elástico de la piel, que le confiere resistencia y flexibilidad. Otro ejemplo de tejido conjuntivo son los
C A P Í T U LO 1
Medio externo
Introducción a la fisiología
5
Medio externo
Epitelio
Vaso sanguíneo
Conducto
Células
secretoras
Flujo
sanguíneo
Células
secretoras
Hormona
(a) Glándula exocrina
(b) Glándula endocrina
FIGURA 1.3 Glándulas. (a) Glándula exocrina. Las células secretoras liberan su producto, que viaja
a través de un conducto hacia el medio externo. (b) Glándula endocrina. Las células secretoras liberan
su producto, una hormona, en el torrente sanguíneo, el cual transporta la hormona por el medio interno.
huesos, que proporcionan un apoyo directo o indirecto a todas
las estructuras del organismo. En la mayoría de los casos, el tejido conjuntivo consiste en un conjunto de células bastante dispersas incrustadas en una masa de sustancias no celulares denominadas matriz extracelular, que contiene una densa malla de
proteínas y otras moléculas grandes. Entre los componentes
más importantes de la matriz extracelular se encuentran las largas y fibrosas proteínas llamadas elastina (que aporta elasticidad al tejido) y colágeno (que aporta al tejido resistencia a la
tensión, la capacidad de resistir estiramientos).
En un sentido más amplio, el término tejido conjuntivo comprende líquidos como la sangre y la linfa, que no proporcionan
un apoyo estructural como otros tejidos conjuntivos, sino que
sirven para «conectar» las diversas partes del cuerpo entre sí
proporcionando vías de comunicación. La sangre, por ejemplo,
lleva oxígeno de los pulmones al resto de los tejidos del organismo y transporta hormonas desde las glándulas que las secretan
a los tejidos que responden a ellas. Igualmente, la linfa lleva agua
y otras sustancias que se filtran a través de los vasos sanguíneos
por todo el cuerpo y los devuelve a la sangre.
Como regla general, las células de un tipo dado tienden a agruparse en el cuerpo con células del mismo tipo. Por ejemplo, las
células nerviosas siempre se encuentran junto con otras células
nerviosas, y las células epiteliales siempre se unen a otras células epiteliales. Cualquier grupo de células que desempeñen funciones similares recibe el nombre de tejido. Por tanto, los tejidos
también se clasifican en cuatro grupos básicos: tejido nervioso, tejido muscular, tejido epitelial y tejido conjuntivo. (El término tejido
también se usa por extensión para hacer referencia a cualquiera de
las sustancias de las que está compuesto el organismo.)
(los extremos de los nervios que controlan el ritmo cardíaco), tejido epitelial (que reviste las paredes de las cavidades cardíacas) y
tejido conjuntivo (que forma las válvulas cardíacas y otros tejidos
que mantienen las fibras musculares unidas).
Los diversos órganos se organizan en sistemas de órganos,
grupos de órganos que trabajan conjuntamente para realizar ciertas funciones. Un ejemplo es el aparato cardiovascular, cuya función es bombear sangre a todos los tejidos del organismo. El aparato cardiovascular incluye el corazón, los vasos sanguíneos y la
sangre (que no es un órgano, sino más bien un tejido). Otro sistema de órganos es el aparato digestivo, cuya función es descomponer los alimentos en moléculas más pequeñas para después
transportarlas al torrente sanguíneo. En este sistema se incluyen
la boca, las glándulas salivales, el esófago, el estómago, los intestinos, el hígado, la vesícula biliar y el páncreas. En algunos sistemas de órganos (p. ej., los aparatos cardiovascular y digestivo), los
órganos están conectados físicamente. En otros casos, los órganos no están conectados entre sí y se encuentran dispersos. Este
es el caso del sistema endocrino, que abarca todas las glándulas
del cuerpo que secretan hormonas, y del sistema inmunitario,
que protege el organismo de microorganismos invasores y de
otras sustancias extrañas. En la tabla 1.1 se muestra una lista
de todos los sistemas de órganos y sus funciones principales.
Aunque el concepto de un sistema de órganos es sencillo en
principio, las diferencias entre un sistema de órganos y otro no
siempre son claras: muchos órganos realizan funciones que son
esenciales para más de un sistema de órganos. Un ejemplo
importante lo constituye el páncreas, que se considera tanto
parte del aparato digestivo, porque secreta líquido y enzimas
digestivas a los intestinos, como del sistema endocrino, debido
a que secreta ciertas hormonas.
Órganos y sistemas de órganos
Generalmente, cuando dos o más tejidos se combinan para formar
estructuras que realizan funciones particulares, esas estructuras se
denominan órganos. El corazón, por ejemplo, es un órgano cuya
función principal es bombear sangre. Aunque está mayormente
compuesto de tejido muscular, también contiene tejido nervioso
Test rápido 1.1
1. Nombra y describe los cuatro tipos básicos de células y tejidos.
2. Nombra los diez sistemas de órganos y define brevemente la función
de cada uno.
6
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
TABLA 1.1 Sistemas y aparatos de órganos
Sistema/aparato
Algunos órganos/tejidos dentro del sistema
Función
Endocrino
Hipotálamo, hipófisis, glándulas suprarrenales, glándula
tiroides, glándulas paratiroideas, timo, páncreas
Facilitar la comunicación entre las células del organismo mediante la
liberación de hormonas al torrente sanguíneo
Nervioso
Cerebro, médula espinal, nervios periféricos
Facilitar la comunicación entre las células del organismo mediante
señales eléctricas y la liberación de neurotransmisores en huecos
minúsculos que hay entre ciertas células
Musculoesquelético
Músculo esquelético, huesos, tendones, ligamentos
Servir de soporte al cuerpo; permitir su movimiento voluntario, así como
las expresiones faciales
Cardiovascular
Corazón, vasos sanguíneos, sangre
Transportar moléculas por el organismo mediante el torrente sanguíneo
Respiratorio
Pulmones, faringe, tráquea, bronquios
Aportar oxígeno al cuerpo y eliminar dióxido de carbono del mismo
Urinario
Riñones, uréteres, vejiga, uretra
Filtrar la sangre para regular la acidez, el volumen de sangre y las
concentraciones de iones; eliminar residuos
Digestivo
Boca, esófago, estómago, intestino delgado, intestino
grueso, hígado, páncreas, vesícula biliar
Descomponer los alimentos y absorberlos en el organismo
Reproductor
Gónadas, aparato genital y glándulas reproductoras
Dar origen a la descendencia
Inmunitario
Glóbulos blancos (o leucocitos), timo, ganglios linfáticos,
bazo, amígdalas, tejido adenoideo
Defender el organismo contra agentes patógenos y células anormales
Tegumentario
Piel
Proteger el cuerpo del medio externo
Esquema general del organismo:
una visión simplificada
Cuando los fisiólogos tratan de entender y explicar las funciones
del organismo, suelen intentar reducir su complejidad a sus elementos esenciales para apreciar más fácilmente los temas y
principios unificadores. Esta tendencia a simplificar se observa
claramente en la figura 1.4, que muestra la visión «minimalista»
que tiene un fisiólogo del cuerpo humano. Esta figura no tiene
en absoluto un aspecto real: no solo la forma es incorrecta, sino
que es simplista y, aparentemente, faltan algunas partes. El aparato digestivo, por ejemplo, está dibujado como un tubo recto
que atraviesa el cuerpo de un extremo a otro. Los pulmones
parecen un único saco hueco. La intrincada red de vasos sanguíneos se muestra como un sencillo lazo, y el corazón, que bombea sangre por este lazo, es una simple caja. Diversos tipos de
células, como las de los tejidos nervioso, muscular y conjuntivo,
están dibujadas de la misma manera y se les da el mismo nombre genérico: «células». Además, los riñones aparecen simplemente como un sencillo túbulo ciego que da al exterior. (En realidad, cada riñón está compuesto por muchos de estos túbulos,
que son los que producen la orina.)
A pesar de la falta de detalle, o realmente gracias a ella, la
figura 1.4 resalta un concepto importante que no se ve tan claramente en una representación más realista: que el interior del
organismo y el exterior están separados por una sola capa de
tejido epitelial.
El medio externo del organismo
La figura 1.4 muestra que una capa de tejido epitelial separa el
medio externo del interior del organismo: esta barrera epitelial
no solo incluye la piel, sino también el revestimiento de las paredes de los pulmones, el aparato digestivo y los túbulos renales.
Esto significa que, cuando entra el aire a los pulmones o el alimento al estómago, estas sustancias siguen estando en el medio
externo porque se encuentran en la parte exterior de esta barrera epitelial. La figura 1.4 también muestra que esta barrera es
continua, es decir, que no hay una separación real entre la superficie externa de la piel y las superficies internas de los pulmones,
el aparato digestivo y los túbulos renales. Se puede decir que
todas forman parte del mismo «tejido».
El medio interno del organismo
Para vivir, las células deben admitir oxígeno y nutrientes de su
entorno y liberar en él dióxido de carbono y otros productos de
deshecho. La fuente original de oxígeno y nutrientes y el depositario último de los productos de deshecho descartados (incluyendo el dióxido de carbono) es el medio externo. Sin embargo,
como se muestra en la figura 1.4, la mayoría de las células del
organismo no son capaces de intercambiar sustancias directamente con el exterior, porque no están en contacto directo con
él. En su lugar, las células reciben oxígeno y nutrientes del
torrente sanguíneo, que también se lleva el dióxido de carbono
y los productos de deshecho de las células. Observa, también,
que la mayoría de las células no tienen un contacto directo con
la sangre, sino que están rodeadas de un líquido diferente que
intercambia sustancias con la sangre. Como este líquido constituye el medio más inmediato de la mayoría de las células del
organismo, recibe el nombre de medio interno. (El término
medio interno también se aplica a los líquidos del torrente sanguíneo que rodean a las células sanguíneas.)
Intercambio de sustancias entre los medios externo e interno Para hacer su trabajo, la sangre debe obtener oxígeno,
nutrientes y otras sustancias del medio externo y debe liberar en
él dióxido de carbono y otras sustancias innecesarias. La figura 1.4 muestra que se intercambian sustancias entre la sangre
y el medio externo en diversos lugares, incluyendo los pulmones, el tubo digestivo y los riñones.
En los pulmones, el oxígeno entra en el torrente sanguíneo
desde el aire que se inspira, mientras que el dióxido de carbono
sale del torrente sanguíneo y se expele en el aire que se espira.
En el tubo digestivo, el agua, las sales inorgánicas y los nutrientes que se obtienen de los alimentos digeridos son transportados
C A P Í T U LO 1
Medio
externo
Introducción a la fisiología
7
Nutrientes,
agua,
iones orgánicos
Aire
Medio
interno
Tubo digestivo
O2
Membrana
celular
CO2
Pulmones
Vasos sanguíneos
Secreción
Corazón
Absorción
Células
sanguíneas
Filtración
Reabsorción
Secreción
Células (nerviosas,
musculares, etc.)
Riñones
Capa de
células epiteliales
Excreción
Orina
Sustancia
no absorbida
FIGURA 1.4 Visión muy simplificada del esquema general del cuerpo humano. Los flujos
de sustancias se indican mediante flechas.
de la luz al torrente sanguíneo, proceso que se denomina absorción. Para ayudar a la digestión de los alimentos, el estómago
utiliza sustancias de la sangre para producir ácidos y proteínas
que, entonces, son transportados a la luz del estómago, proceso
conocido como secreción. Las sustancias no absorbidas (además
de las bacterias y los restos celulares) permanecen en el tubo
digestivo y son finalmente eliminadas del organismo en forma
de heces (proceso que recibe el nombre de excreción).
En los riñones, el líquido del torrente sanguíneo entra primero en los túbulos mediante un mecanismo llamado filtración.
A medida que este líquido viaja a lo largo de los túbulos, los
materiales necesarios (agua, sales inorgánicas y nutrientes) se
vuelven a transportar selectivamente al torrente sanguíneo, proceso conocido como reabsorción. Al mismo tiempo, las sustancias innecesarias son transportadas selectivamente del torrente
sanguíneo hacia los túbulos mediante la secreción. El líquido
que finalmente alcanza los extremos de los túbulos forma la orina, que es eliminada del organismo gracias a la excreción. Entre
las sustancias contenidas en la orina hay productos de desecho
celulares, así como el exceso de sales y de agua que no son necesarios para el organismo.
Compartimentos de los líquidos del organismo La sustancia
más abundante del organismo es el agua, que actúa como
disolvente de una gran variedad de solutos que se encuentran
en los líquidos del organismo. Entre estos solutos se encuentran pequeñas moléculas, como iones inorgánicos, azúcares y
aminoácidos, y grandes moléculas, como proteínas. La figura 1.4 muestra que el interior del organismo está dividido en
compartimentos separados (llenos de líquido) gracias a barreras de tipos diversos, incluyendo tejidos epiteliales y membranas celulares, que separan el contenido de las células de su
entorno. Aunque estos compartimentos están físicamente
separados, pueden intercambiar sustancias entre sí porque las
barreras que las separan son permeables, esto es, permiten que
las moléculas pasen a su través. Estas barreras dejan que ciertos tipos de moléculas las atraviesen con mayor facilidad que
otras, e incluso excluyen por completo a algunas moléculas,
por lo que es más preciso decir que las membranas celulares y
los tejidos epiteliales son selectivamente permeables o semipermeables.
El volumen de agua contenida en todos los compartimentos
del organismo es el agua corporal total (ACT), el volumen total
de líquido encerrado dentro de la capa epitelial externa (fig. 1.5a).
Para una persona que pese 70 kg, el volumen del ACT es 42 l, lo
que representa alrededor de un 60% del peso corporal total.
El ACT incluye el agua presente en los líquidos que hay dentro
de las células, llamado líquido intracelular (LIC) (fig. 1.5b), y el
8
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
(a) Agua corporal total (ACT)
(d) Plasma
(b) Líquido intracelular (LIC)
(c) Líquido extracelular (LEC)
(e) Líquido intersticial (LI)
Líquido del
organismo
Volumen (l)
ACT
42
LIC
28
LEC
14
Plasma
3
LI
11
(f) Distribución del ACT
FIGURA 1.5 Compartimentos del líquido del organismo. Los diversos compartimentos están indicados
en azul en varios esquemas simplificados del organismo similares a los que muestra la figura 1.4. (a) Agua
corporal total. (b) Líquido intracelular. (c) Líquido extracelular. (d) Plasma. (e) Líquido intersticial.
(f) Distribución del agua corporal total.
¿Cuál de los siguientes no incluye plasma: el agua total del organismo, el líquido extracelular o el líquido
P
intersticial?
líquido que hay fuera de las células, llamado líquido extracelular (LEC) (fig. 1.5c). En el diagrama del esquema del cuerpo
humano, el volumen de LEC en relación con el LIC está muy exagerado, ya que, en realidad, en el LIC hay, más o menos, dos tercios de ACT y solo alrededor de un tercio está presente en el LEC.
(Obsérvese que el líquido extracelular coincide con el medio
interno.)
Los LIC y LEC están separados por membranas celulares y su
composición difiere significativamente. El líquido intracelular
contiene muchas proteínas y es relativamente rico en potasio, por
ejemplo, mientras que el líquido extracelular contiene pocas proteínas y es relativamente rico en sodio. Estas diferencias de composición son necesarias para el adecuado funcionamiento de las
células y son posibles porque la permeabilidad de las membranas
celulares a muchos solutos es relativamente baja y las membranas
permiten el intercambio selectivo de ciertos solutos.
Del volumen total de líquido extracelular, un 20% se encuentra en la sangre y el resto fuera de ella. La parte presente en la
sangre (esto es, la parte líquida y no celular de la sangre) es el
plasma (fig. 1.5d). La parte que se encuentra fuera de la sangre y
que baña a la mayoría de las células del organismo es el líquido
intersticial (LI) (fig. 1.5e). El plasma y el líquido intersticial tienen una composición muy similar; la única gran diferencia es
que el plasma es relativamente rico en proteínas, que no abun-
dan en el líquido intersticial. El parecido de la composición del
plasma y el líquido intersticial se debe al hecho de que las paredes de los vasos sanguíneos más pequeños y más numerosos,
llamados capilares, son muy permeables a la mayoría de los
solutos, excepto a las proteínas.
Test rápido 1.2
1. ¿Por qué se hace referencia al líquido extracelular llamándolo el medio interno del organismo?
2. Nombra cada uno de los siguientes conceptos con el término adecuado: a) toda el agua que contiene el organismo; b) líquido que contienen las células; c) líquido que hay fuera de las células; d) líquido que
hay fuera de las células y que se encuentra en la sangre, y e) líquido
que hay fuera de las células y que se encuentra fuera de la sangre.
Homeostasis: principio
organizativo clave en fisiología
Nuestras células dependen unas de otras para sobrevivir: si se sacan
las células del cuerpo, suelen morir en un corto período de tiempo.
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
9
COMPRENDER EL E JERCICIO
El desafío de la homeostasis
Mantener la homeostasis puede ser un gran
desafío para los sistemas de órganos, especialmente cuando una persona se enfrenta a un
agente estresante, un estímulo que crea tensión en el organismo. Aunque se considera
que muchos agentes estresantes son dañinos,
uno de ellos, el deporte, se considera beneficioso para el organismo. Durante la práctica
de ejercicio, nuestros sistemas de órganos se
aceleran para mantener un medio interno
normal. Nuestra respiración es más profunda
para aumentar el aporte de oxígeno al organismo y eliminar el dióxido de carbono. El
corazón late más rápido y fuerte para aumentar el flujo de sangre, que hace llegar el oxígeno y otros nutrientes a nuestras células y se
lleva el dióxido de carbono y otros productos
de deshecho de las células. El hígado libera
glucosa al torrente sanguíneo y el tejido adiposo libera ácidos grasos para que nuestros
músculos en ejercicio los puedan utilizar para
crear energía. El aumento de la actividad muscular y nerviosa hace que aumentan las concentraciones de potasio extracelular. El flujo
de sangre a la piel aumenta y las glándulas
incrementan la producción de sudor a medida
que el organismo libera el calor producido por
el aumento de actividad muscular.
Estos son sólo algunos de los hechos que
ocurren dentro de nuestro organismo durante
la práctica del ejercicio. Cuando estos órganos
trabajan juntos adecuadamente, podemos
bailar, saltar e incluso correr maratones. Los
cambios descritos en el párrafo anterior son
cambios a corto plazo que permiten al organismo mantener la homeostasis. Sin embargo,
Los científicos han intentado establecer cultivos de larga duración
de varias células humanas, pero con poco éxito. A pesar de los avances en tecnología, la ciencia aún no puede reproducir las condiciones del cuerpo humano necesarias para sustentar la vida.
Dada la sensibilidad de nuestras células a las condiciones
cambiantes, ¿cómo puede el organismo tolerar las condiciones tan cambiantes del medio externo? Después de todo, los seres
humanos podemos vivir en climas muy cálidos, como los trópicos, y también en climas mucho más fríos. Podemos vivir a nivel
del mar, donde hay abundancia de oxígeno, o en las montañas,
donde la concentración de oxígeno en el aire es menor. Podemos
vivir en la sequedad de un desierto o en la humedad extrema de
un bosque lluvioso. ¿Cómo puede el organismo adaptarse a tal
variedad de condiciones? El organismo posee todo tipo de mecanismos reguladores que trabajan para mantener las condiciones
del medio interno relativamente constantes a pesar de los cambios en el medio externo. Este mantenimiento de condiciones
constantes en el medio interno se conoce como homeostasis.
A medida que vayamos avanzando en las lecciones, descubriremos que el concepto de homeostasis es un principio organizativo
clave en fisiología. De hecho, nueve de los diez sistemas de órganos trabajan para mantener la homeostasis (la excepción la constituye el aparato reproductor, que trabaja para mantener la especie, no el individuo). Para aprender más sobre cómo el organismo
se adapta a un agente estresante que afecta a la homeostasis
(v. Comprender el ejercicio: El desafío de la homeostasis).
Decir que el medio interno se regula para mantenerse constante significa que la composición, la temperatura y el volumen del
líquido extracelular no cambian significativamente en condiciones normales. (Ocurren pequeñas fluctuaciones y se consideran
los beneficios del ejercicio se notan a largo
plazo. Nuestro organismo se adapta a los
agentes estresantes que se repiten, como el
ejercicio. Los corredores de maratón tienen
músculos estrechos que tardan en fatigarse,
mientras que los levantadores de pesas tienen
grandes músculos que generan mucha fuerza,
pero que se cansan rápido. Entre los beneficios de la adaptación al ejercicio se incluyen
una mayor eficiencia del corazón y un aumento del metabolismo. El ejercicio ayuda a evitar
el desarrollo de enfermedades como la diabetes mellitus de tipo 2. También quema grasas.
Por tanto, aunque los agentes estresantes
puedan alterar la homeostasis del organismo
de manera temporal, este puede aprender a
adaptarse a algunos agentes estresantes para
que no sean tan duros la próxima vez.
normales.) El líquido extracelular se mantiene normalmente a
una temperatura cercana a los 37 ºC (temperatura normal del
organismo) y las concentraciones de muchos solutos (oxígeno,
dióxido de carbono, sodio, potasio, calcio y glucosa, por ejemplo)
también se mantienen relativamente constantes. La capacidad de
mantener esa constancia es importante, porque el organismo se
enfrenta continuamente a cambios potencialmente perturbadores que pueden originarse tanto en el medio externo como dentro
del mismo organismo. Cuando el medio se calienta o empezamos
a hacer ejercicio, por ejemplo, sube la temperatura del cuerpo. En
cualquiera de los dos casos, la subida de temperatura del organismo activa mecanismos reguladores para reducir la temperatura
corporal y hacer que vuelva a la normalidad. A medida que estudiemos fisiología, veremos que el organismo es capaz de mantener condiciones constantes en el medio interno solo gracias a los
esfuerzos de diversos sistemas de órganos que colaboran.
Comprueba tus conocimientos
La hemorragia es la pérdida de sangre entera, que está compuesta por
entre un 55% y un 60% de plasma. Si no entran nuevos líquidos al
organismo, ¿cómo se puede elevar el volumen del plasma hasta
niveles normales para mantener la homeostasis?
Pese a que los mecanismos reguladores de la homeostasis trabajen para resistir los cambios del medio interno, cada sistema
regulador tiene sus limitaciones, aun cuando no haya sido dañado por una enfermedad o un traumatismo y esté funcionando
normalmente. Por ejemplo, la temperatura corporal puede man-
10
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
CONEXIONES CLÍNICAS
Agotamiento producido por una excesiva
exposición al calor y la insolación
El agotamiento producido por una excesiva
exposición al calor es una consecuencia del
esfuerzo del organismo por regular su temperatura, en particular, por eliminar el exceso de
calor. Cuando el organismo tiene que eliminar
mucho calor, produce cantidades masivas de
sudor, por lo que el volumen de la sangre se
reduce significativamente. Además, el flujo de
sangre a la piel aumenta notablemente, lo
que desvía la sangre de otras áreas del organismo. Juntos, estos cambios producen una
reducción de la presión arterial, lo cual reduce
el flujo de sangre al cerebro y acelera síntomas
como debilidad, mareos e incluso pérdida de
conciencia.
Una afección mucho más grave es la insolación, por la que la temperatura corporal
aumenta sin control debido a un fallo del sistema termorregulador. Un esfuerzo excesivo o
temperaturas ambientales muy altas pueden
superar la capacidad del organismo de eliminar calor. Cuando esto ocurre, la temperatura
corporal aumenta a pesar de sus esfuerzos por
regularla. A medida que la temperatura continúa aumentando, el cerebro comienza a tener
problemas. Aparece el delirio, seguido de una
pérdida de conciencia. Finalmente, los centros
termorreguladores del cerebro empiezan a
fallar. Cuando esto sucede, el cerebro erróneamente deja de enviar señales a las glándulas
sudoríparas para que secreten sudor, con lo que
se deja de producirlo, entorpeciendo la capacidad del organismo de eliminar calor y causando
que la temperatura suba aún más rápido. Si no
se trata, esta espiral de acontecimientos conduce, inexorablemente, a la muerte.
La piel de una persona que experimenta
una insolación adquiere un color enrojecido
(debido al aumento del flujo de sangre), pero
también está seca (por la ausencia de sudor).
Estos signos hacen que sea fácil distinguir la
insolación del agotamiento producido por
una excesiva exposición al calor, en cuyo caso,
la sudoración es abundante y la piel está enrojecida y húmeda. Si alguien está experimentando una insolación o está a punto de sufrirla, es de vital importancia proporcionarle
atención médica inmediatamente. A menudo
se puede salvar la vida de una persona con
insolación si se la sumerge en agua helada, lo
cual reduce la temperatura corporal con rapidez a un nivel en el que es posible la termorregulación normal. Suponiendo que las elevadas temperaturas no hayan causado un daño
tenerse en niveles cercanos a la normalidad solo mientras las
temperaturas ambientales no sean demasiado extremas y los
demás agentes estresantes que puedan estar afectando al sistema
regulador no tengan demasiada importancia. Sin embargo, practicar deporte en exceso o temperaturas ambientales altas pueden
causar que la temperatura corporal suba sin control, con consecuencias potencialmente fatales. (V. Conexiones clínicas: Agotamiento producido por una excesiva exposición al calor y la
insolación.) De hecho, suele ser verdad que el fallo de cualquier
sistema en mantener la homeostasis da lugar, en última instancia, a signos y síntomas de enfermedad, porque este fallo afecta
negativamente al funcionamiento de los sistemas de órganos.
Control de la retroalimentación negativa
en la homeostasis
Como la temperatura corporal no varía libremente, sino que está
regulada para mantenerse en límites relativamente estrechos, se
permanente a los centros termorreguladores
del cerebro, los mecanismos reguladores
podrán, a partir de ese momento, asumir el
control de la situación.
hace referencia a ella como una variable regulada. Las concentraciones de potasio, sodio y calcio en el plasma también son
variables reguladas, porque se mantienen constantes mediante
mecanismos reguladores de la homeostasis de los sistemas de
órganos. La mayoría de los mecanismos reguladores de la
homeostasis siguen el mismo patrón: si una variable regulada
aumenta, el sistema responde haciendo que disminuya; si disminuye, el sistema responde haciendo que aumente. Se dice que
los sistemas que se comportan de esta manera funcionan
mediante retroalimentación negativa.
Un ejemplo conocido de un sistema de retroalimentación
negativa es el control de velocidad de crucero de un automóvil,
que funciona para mantener su velocidad constante en un punto deseado (fig. 1.6a y b). Si un coche que se esté desplazando en
un nivel plano empieza a subir una colina, comenzará a ir más
lento. Cuando el mecanismo de control detecta una diferencia
entre la velocidad real del vehículo y la velocidad deseada, alimenta el motor con más gasolina y la velocidad del automóvil
aumenta. Cuando esta alcanza la velocidad deseada, el sistema
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
11
96 km/h
93 km/h
88 km/h
96 km/h
El coche viaja
a una velocidad
ajustada de
96 km/h
La velocidad
disminuye,
la señal de
error aumenta
El flujo de
gasolina
al motor
aumenta
La velocidad
aumenta, la
señal de error
disminuye
El coche viaja
a una velocidad
ajustada de
96 km/h
Velocidad (km/h)
(a)
60
Punto
de ajuste
Señal
de error
50
Tiempo
(b)
La
concentración
de glucosa
en sangre
es normal
La concentración
de glucosa en
sangre aumenta;
la señal de
error aumenta
Se activa el
mecanismo
de regulación
Disminuye la
concentración
de glucosa en
sangre; la señal
de error disminuye
La
concentración
de glucosa
en sangre
es normal
Glucosa en sangre (mg/dl)
(c)
Señal
de error
100
Punto
de ajuste
(normal)
Tiempo
(d)
FIGURA 1.6 Control de la retroalimentación negativa de una variable regulada. (a) Acontecimientos
que tienen lugar a medida que un mecanismo de control de crucero regula la velocidad de un automóvil.
(b) El gráfico muestra los cambios de velocidad del automóvil a medida que sube una colina. La línea discontinua
de puntos representa la velocidad del punto de ajuste; las flechas verticales indican la señal de error.
(c) Acontecimientos que ocurren a medida que la concentración de glucosa en sangre se ajusta a la normalidad
después de un incremento inicial. (d) El gráfico muestra los cambios en la concentración de glucosa en sangre.
«desacelera» para mantener esa velocidad. Mientras la velocidad
real del coche no difiera de la velocidad deseada, el sistema no
realizará mayores ajustes en el flujo de gasolina.
Como el control de velocidad de crucero de un automóvil, la
mayoría de los mecanismos reguladores de la homeostasis realizan
ajustes solo cuando detectan una diferencia entre el valor real de la
variable regulada y el valor «deseado» normal, llamado punto de
ajuste. Cualquier diferencia entre el valor real y el punto de ajuste
constituye una señal de error. Como estos mecanismos suelen trabajar para aproximar la variable regulada al punto de ajuste, en
última instancia funcionan para que las señales de error sean mínimas. Obsérvese que el punto de ajuste no puede mantenerse absolutamente constante, del mismo modo que el control de velocidad
de crucero de un automóvil no puede mantener una velocidad con-
12
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
Cambio en la
variable regulada
( concentración de
glucosa en sangre)
Punto de ajuste
(concentración de
glucosa en sangre
normal)
Centro de integración
(células beta
del páncreas)
Hipófisis
Secreción de LH
Retroalimentación
positiva
de la secreción
de estrógenos
de las señales
a los efectores
Retroalimentación
negativa
Ovarios
Estímulo inicial
Efectores
(células del
organismo)
Respuesta ( de la
concentración de
glucosa en sangre)
Estímulo inicial
Respuesta fisiológica
Resultado
FIGURA 1.7 Ciclo de retroalimentación negativa. Este ciclo actúa para
controlar la concentración de glucosa en sangre, como se describe en el texto.
Las flechas hacia arriba y hacia abajo dentro de las cajas indican aumentos y
disminuciones, respectivamente. La línea discontinua de puntos indica que la
respuesta del sistema afecta a las señales de entrada.
creta en todo momento. Las variables reguladas fluctúan continuamente, pero los cambios se minimizan gracias a la retroalimentación negativa. Por ejemplo, la concentración normal de glucosa en
sangre es, aproximadamente, de 100 mg/dl de sangre. Después de
una comida, dicha concentración de glucosa en sangre aumenta, lo
que activa los mecanismos reguladores que bajan la concentración
de glucosa en sangre de nuevo a unos 100 mg/dl (fig. 1.6c y d).
Para que funcione correctamente, un mecanismo regulador
de la homeostasis debe tener un medio de detectar la variable
regulada. Esto se logra mediante la acción de sensores, células (a
menudo neuronas) que son sensibles a la variable en cuestión.
Por ejemplo, ciertos vasos sanguíneos contienen unas células
llamadas quimiorreceptores que son sensibles a las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono de la sangre. Asimismo,
en el cerebro y en otras partes del cuerpo hay unas neuronas
denominadas termorreceptores que son sensibles a las temperaturas. Los sensores suelen enviar unas señales (llamadas de
entrada) a un centro de integración (a menudo, un conjunto
concreto de circuitos neurales del cerebro), que compara la
variable regulada con el punto de ajuste y organiza la respuesta
adecuada. En respuesta a las señales de entrada que recibe, el
centro de integración envía señales (llamadas de salida) a las
células, tejidos u órganos que provocan la respuesta final.
Estas células, tejidos u órganos reciben el nombre de efectores.
La figura 1.7 muestra un ejemplo del mecanismo de control
homeostático en el caso de la glucosa en sangre. Las concentraciones son detectadas por ciertas células presentes en el páncreas
denominadas células beta. Cuando las concentraciones de glucosa
en sangre aumentan, las células beta actúan como centro de integración y liberan la hormona insulina en la sangre. La insulina hace
que la glucosa pase del plasma a las células de todo el organismo,
disminuyendo así la concentración de glucosa en sangre. Las célu-
Resultado
FIGURA 1.8 Ciclo de retroalimentación positiva. Este ciclo funciona en
el control de la secreción de estrógenos de los ovarios. La hormona LH estimula
la secreción de estrógenos, que estimula la liberación de LH, que estimula más
secreción de estrógenos, etc.
las beta que segregaban insulina detectan la disminución de estos
niveles, retroalimentando la información de entrada del sistema y
formando lo que se conoce como un ciclo de retroalimentación. Se
denomina retroalimentación negativa porque la respuesta del sistema (la disminución de la glucosa en sangre) es opuesta al cambio
que la provocó (la subida de la glucosa en sangre).
La retroalimentación negativa es importante, porque desencadena cambios en la variable regulada solo cuando es pertinente. Por ejemplo, una vez que una subida del nivel de glucosa en
sangre dispara una bajada compensatoria de la glucosa en sangre mediante retroalimentación negativa, la señal de error disminuye hasta que la glucosa en sangre haya recuperado niveles
casi normales. Por tanto, la compensación por retroalimentación negativa termina antes de que la glucosa en sangre disminuya hasta niveles por debajo del punto de ajuste.
Además de los sistemas de retroalimentación negativa, unos
cuantos sistemas de retroalimentación positiva son importantes
en fisiología. En la retroalimentación positiva, la respuesta del
sistema va en la misma dirección del cambio que pone en marcha.
En las mujeres, por ejemplo, la hipófisis (una pequeña glándula
situada en la base del cerebro) secreta una hormona llamada hormona luteinizante o lutropina, que estimula a los ovarios para que
secreten unas hormonas llamadas estrógenos, que regulan la función reproductora. Bajo ciertas condiciones, un aumento de la
concentración de estrógenos en el plasma puede desencadenar
un aumento de la secreción de hormona luteinizante. Esto estimula la secreción de estrógenos, que aumenta la secreción de hormona luteinizante aún más, lo cual conduce a una mayor secreción de estrógenos, etc. (fig. 1.8). El resultado es un rápido
aumento en el nivel de hormona luteinizante en el plasma, conocido como pico de hormona luteinizante, que provoca la ovulación. A diferencia de la retroalimentación negativa, que minimiza
los cambios de las variables fisiológicas, la retroalimentación positiva es útil en ciertos sistemas fisiológicos, porque permite que
una variable cambie rápidamente en respuesta a un estímulo.
Aun cuando una variable pueda cambiar rápidamente en la
retroalimentación positiva, no aumenta indefinidamente ni
entra en una espiral sin control. Esto se debe a que algún factor
siempre actúa para finalizar el ciclo de retroalimentación positiva, bien eliminando el estímulo original o limitando la capacidad del sistema para responder a ese estímulo. Durante un pico
de hormona luteinizante, por ejemplo, la concentración de hormona luteinizante aumenta rápidamente hasta un pico y después empieza a bajar, porque la subida provoca la ovulación,
C A P Í T U LO 1
Test rápido 1.3
1. Define qué es la homeostasis y explica cómo permite que el organismo se adapte a cambios en su medio.
2. Explica cómo funciona la retroalimentación negativa para mantener
la homeostasis.
3. En ciertas formas de diabetes, las células beta del páncreas dejan
de secretar insulina a niveles adecuados. Describe cómo una falta de
insulina afectaría a la concentración de glucosa en sangre.
Diabetes: una epidemia
La diabetes es una enfermedad metabólica que afecta a las concentraciones de glucosa en sangre y al volumen de plasma, y
que causa sed excesiva y pérdida de líquidos, entre otras cosas.
De hecho, la diabetes afecta a todos los sistemas del cuerpo
humano. El término «diabetes» fue utilizado por primera vez en
el siglo II por un médico griego, Areteo de Capadocia. Diabetes
es una palabra griega que significa «sifón» o «flujo a través de»,
y describe el flujo excesivo de orina que caracteriza a la enfermedad.
Prevalencia de la diabetes
La prevalencia de la diabetes en la población mundial hace de
ella una de las mayores preocupaciones sanitarias para todos.
Por ejemplo, en EE. UU., según la American Diabetes Association, el 8% de la población (24 millones de personas) tienen diabetes, lo que supone un aumento del 13,5% en pocos años. De
esos 24 millones de casos de diabetes, 6 millones no están diagnosticados. Además, otros 57 millones de personas son prediabéticas, lo que significa que tienen una gran probabilidad de
desarrollar diabetes en el futuro.
La diabetes afecta a ciertos individuos más que a otros. La
tabla 1.2 muestra la prevalencia de la diabetes por grupos de
edades en EE. UU. Menos del 1% de los jóvenes menores
de 20 años padecen esta enfermedad; sin embargo, a medida
que la persona envejece, tiende más a desarrollar diabetes. Más
del 10% de los mayores de 20 años y un 23% de los mayores de
60 años sufren diabetes.
La prevalencia de la diabetes también varía dependiendo de
la raza o la etnia (tabla 1.3). Los nativos americanos tienen más
TABLA 1.2 Prevalencia de la diabetes en EE. UU. en función de la edad
y el sexo
Grupo de edad
N.º de personas
con diabetes
Menores de 20 años
186.300
0,22
20 años y mayores
23,5 millones
10,7
60 años y mayores
12,2 millones
23,1
Mujeres
11,5 millones
10,2
Hombres
12 millones
11,2
% de personas
con diabetes
TABLA 1.3 Prevalencia de la diabetes en EE. UU., 2004-2006,
en personas de 20 años y mayores, en función de la raza y la etnia
Raza/etnia
% con diabetes
Blancos
6,6
Americanos de origen asiático
7,5
Hispanos
10,4
Afroamericanos
11,8
Nativos americanos y nativos de Alaska
14,2*
*La pr evalencia varía considerablemente entre los grupos, siendo la prevalencia más baja
(6%) la correspondiente a los nativos de Alaska y la más alta (29,3%) la correspondiente a los
nativos americanos del sur de Arizona.
400
Número de casos (millones)
que temporalmente inhibe la capacidad de los ovarios de secretar estrógenos. La reducción resultante de las concentraciones
de estrógenos en sangre elimina el estímulo que causó el primer
aumento de secreción de hormona luteinizante, permitiendo así
que la concentración de hormona luteinizante baje.
13
Introducción a la fisiología
350
300
250
200
150
100
50
0
1985
1992
1999
2006
Año
2013
2020
2025
FIGURA 1.9 Prevalencia de la diabetes en el mundo. Los datos para
2025 se predicen basándose en las tendencias actuales.
tendencia a desarrollar diabetes, seguidos por los afroamericanos y los hispanos. La prevalencia de la población blanca y la de
los americanos de origen asiático es considerablemente menor.
La alta prevalencia de la diabetes es un problema generalizado. Según la International Diabetes Association, 260 millones de
personas (el 7% de la población mundial) tienen diabetes. En
1985, se diagnosticó diabetes a 30 millones de personas en todo
el mundo; pero en 2000, ese número había aumentado hasta los
150 millones (fig. 1.9). En 2025 se espera que el número alcance
los 380 millones.
Obesidad y diabetes
¿Por qué está aumentando la prevalencia de la diabetes? Uno de
los factores más importantes es el envejecimiento de la población. Ahora, las personas vivimos más tiempo y un gran porcentaje de la población sobrevive dentro de las edades de alto riesgo
(mayores de 60 años). Además, los estilos de vida de muchos
jóvenes pueden llevarles a desarrollar diabetes. Las dietas actuales tienen más grasas e hidratos de carbono que en antes. Además de producir cambios directos en el metabolismo, estas dietas conducen a la obesidad, causa principal de la diabetes.
Actualmente, muchos jóvenes llevan una vida sedentaria: las
consolas de videojuegos han sustituido a los columpios y al
recreo, y las clases de educación física a menudo brillan por su
ausencia en los planes de estudios. Un estilo de vida tan sedentario puede ocasionar tanto cambios en el metabolismo como
obesidad, factores clave que desembocan en diabetes.
La prevalencia de la obesidad está en aumento, y la obesidad
en sí misma se está convirtiendo en una epidemia. La obesidad se define como tener un contenido de grasa corporal alto en
14
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
TABLA 1.4 Probabilidad de desarrollar diabetes mellitus
de tipo 2 en función del IMC
Los números hacen referencia a la probabilidad de desarrollar diabetes mellitus
de tipo 2 con un IMC menor de 25*.
IMC
Probabilidad de desarrollar diabetes mellitus de tipo 2
<25
1*
25-29,9
2,42
30-34,9
3,35
>35
6,16
*Los datos que se dan hacen referencia a un IMC menor de 25, al que se le asigna un valor
de 1. Fuente: adaptado de la American Heart Association, A Nation at Risk: Obesity in the
United States Statistical Sourcebook.
relación con la masa corporal magra (sin grasa). La obesidad se
mide con la escala del índice de masa corporal (IMC), que mide
el peso en relación con la talla. La ecuación que mide el IMC es
la siguiente:
IMC =
Peso corporal (kg)
Altura (m)2
Un IMC de 25-29 indica que una persona tiene sobrepeso; un
IMC de 30-39 indica obesidad, y un IMC mayor de 39 indica obesidad grave.
Por ejemplo, el porcentaje de adultos obesos en EE. UU. se
ha duplicado en los últimos 30 años. Según la American Heart
Association, el 35% de los adultos tienen sobrepeso y el 30% son
obesos, en comparación con el 15% de obesos que había en
1980. Entre los niños, el 10% de los que están en edad preescolar
y el 16% de los que tienen entre 6 y 19 años son obesos. La importancia de estas cifras es que hay una fuerte correlación entre la
obesidad y el desarrollo de diabetes mellitus de tipo 2 (así como
de otras enfermedades), como muestra la tabla 1.4.
Clasificación de la diabetes
Cuando se menciona la diabetes, la mayoría de las personas
piensan en insulina y glucosa. La insulina es una hormona liberada por el páncreas cuando las concentraciones de glucosa en
sangre son altas. Promueve la entrada de la glucosa en las células para que estas la utilicen para crear energía o la almacenen
en forma de glucógeno o triglicéridos para usarla como energía en otro momento. Sabemos que algunos diabéticos tienen
que inyectarse insulina para regular sus niveles de glucosa en
sangre. Sin embargo, la diabetes es mucho más complicada que
eso. Nos centraremos en cuatro tipos de diabetes en este texto:
la diabetes mellitus de tipo 1, la diabetes mellitus de tipo 2, la
diabetes gestacional y la diabetes insípida. La prevalencia
de diabetes descrita anteriormente hace referencia a la diabetes
mellitus.
Diabetes mellitus o diabetes sacarina
Sabemos que «diabetes» significa «sifón», una referencia a la
excesiva pérdida de líquidos de los diabéticos. «Mellitus» en griego significa «miel». La miel es dulce, como el líquido (la orina)
excretado por un diabético sin tratamiento. Una característica
notable de la diabetes mellitus (o diabetes sacarina, pero es
mucho más conocida como diabetes mellitus) son los altos niveles de glucosa en sangre, tan altos que parte de la glucosa es eliminada en la orina, proporcionándole un sabor dulce. Las personas no diabéticas raramente excretan glucosa en la orina.
Hay dos tipos de diabetes mellitus: el tipo 1 y el tipo 2. La
diabetes mellitus de tipo 1 también recibe el nombre de diabetes
mellitus insulinodependiente o diabetes mellitus juvenil: «insulinodependiente» porque el daño que se produce a las células
beta del páncreas hace que no secreten suficiente insulina en la
sangre para regular la glucosa en sangre, y «juvenil» porque aparece a una edad temprana. La diabetes mellitus de tipo 1 es el
tipo de diabetes más conocido, pero es, con diferencia, el menos
común de los dos tipos, representando menos del 5% de todos
los casos de diabetes mellitus.
La diabetes mellitus de tipo 2 se caracteriza por un fallo en la
respuesta a la insulina cuando sus concentraciones son normales. Este tipo de diabetes, también llamada diabetes mellitus no
insulinodependiente o diabetes mellitus del adulto, es la enfermedad asociada a la epidemia de diabetes. Las personas afectadas por diabetes de tipo 2 tienen células beta normales en el
páncreas que secretan insulina en cantidades adecuadas para
regular la glucosa en sangre. Sin embargo, como las células diana son incapaces de responder a la insulina, no admiten la glucosa de la sangre. Este fallo tiene dos consecuencias importantes: las células no obtienen la glucosa que necesitan para
producir energía y las concentraciones de glucosa en sangre
aumentan.
Diabetes gestacional
Una subclase de la diabetes mellitus no insulinodependiente es
la diabetes gestacional, que se desarrolla en el 4% de las mujeres
embarazadas (135.000 casos al año en EE. UU.). Los datos actuales sugieren que las hormonas producidas en grandes cantidades durante la gestación inducen una resistencia a la insulina.
Un 5-10% de las mujeres que sufren diabetes gestacional
desarrollan diabetes de tipo 2 después de dar a luz.
Prediabetes
En la prediabetes, las concentraciones de glucosa en sangre son
elevadas, pero no tanto como en la diabetes. En ayunas, los prediabéticos tienen concentraciones de glucosa en sangre de
100-125 mg/dl. Según la American Diabetes Association, se considera que hay 57 millones de norteamericanos prediabéticos, y
es probable que muchos desarrollen la diabetes de tipo 2 en
10 años.
Diabetes insípida
La diabetes insípida se diferencia de la diabetes mellitus en que
el problema no radica en la regulación de las concentraciones de
glucosa en sangre, sino en la regulación del volumen plasmático.
La palabra «insípido/a» proviene del latín y significa «que carece
de sabor», distinguiendo así la orina de las personas que padecen esta enfermedad de la orina dulce de las personas con diabetes mellitus. La hormona antidiurética (ADH) disminuye la
cantidad de agua que se pierde en la orina. Por tanto, una causa
de la diabetes insípida es una secreción inadecuada de ADH.
Otra causa de esta enfermedad es la resistencia de los tejidos a la
ADH, lo cual puede ocurrir durante el embarazo. Entre los síntomas principales que comparten los pacientes de diabetes mellitus y los de diabetes insípida se encuentran una micción copiosa
y una sed excesiva. Una persona con diabetes insípida puede
beber más de 15 l de agua y excretar más de 3 l de orina al día.
Los procedimientos de diagnóstico incluyen la medición de las
concentraciones de ADH en sangre, una resonancia magnética
C A P Í T U LO 1
del cerebro (la ADH es secretada por la hipófisis, situada en el
cerebro) y una prueba de restricción de agua en la que se priva
al paciente de beber agua y se mide la concentración de sodio en
el plasma cada hora (a medida que el volumen de plasma disminuye debido a una pérdida de líquido, la concentración de sodio
en plasma aumenta).
La diabetes insípida es una enfermedad rara que no vamos a
tratar en mayor detalle aquí. Volveremos sobre la diabetes insípida en el capítulo 18, en el que se describe la función de los
riñones en la regulación del volumen plasmático.
Diagnóstico de la diabetes mellitus
Para diagnosticar la diabetes, se miden las concentraciones de
glucosa en plasma en ayunas y se realiza una prueba de tolerancia a la glucosa. Mediciones aleatorias de la glucosa en plasma
pueden dar la primera indicación de prediabetes o de diabetes;
la determinación de la concentración glucosa en plasma en ayunas y una prueba de tolerancia a la glucosa, posteriormente,
confirmarían el diagnóstico.
La prueba de glucosa en plasma en ayunas requiere que el
paciente no coma nada durante las 8 h previas a la toma de
una muestra de sangre. Las concentraciones normales de glucosa en ayunas son de 60-100 mg/dl. Una glucosa en plasma
de 100-125 mg/dl indica prediabetes, y concentraciones superiores a 125 mg/dl indican diabetes.
La prueba oral de tolerancia a la glucosa requiere ayunar
durante 8 h, seguida de la ingesta de una solución que contiene
75 g de glucosa disuelta en agua. Se mide la glucosa en plasma
2 h después de que la persona haya consumido la solución. Una
concentración de glucosa en plasma de menos de 139 mg/dl se
considera normal, entre 140 y 199 mg/dl es prediabética y más
de 200 mg/dl indica diabetes.
Síntomas de la diabetes mellitus
La diabetes tiene muchos síntomas, que pueden variar dependiendo de la persona. Los síntomas que se suelen buscar para
establecer el diagnóstico es una concentración elevada de glucosa en sangre y orina. Dado que esta última conlleva la excreción
de agua, el resultado es una pérdida de líquidos en el organismo
y deshidratación.
A medida que la diabetes progresa, afecta virtualmente cada
sistema del cuerpo humano. Como sus células no pueden utilizar la glucosa de manera normal, a menudo los diabéticos sufren
fatiga. Las fluctuaciones de las concentraciones de glucosa en
sangre pueden producir obnubilación y, cuando son extremadamente altas, coma. La enfermedad puede afectar a los ojos, al
corazón, al aparato vascular, a los riñones, al estómago y a los
nervios periféricos. También puede causar disfunción eréctil. La
diabetes predispone a padecer arterioesclerosis, aumentando la
probabilidad de que el paciente sufra un derrame cerebral (también llamado ictus) o un infarto de miocardio. Todos estos síntomas y algunos más se tratarán en el contexto de los sistemas
afectados a medida que vayamos avanzando en el texto.
Tratamiento de la diabetes mellitus
Los tratamientos actuales empleados para la diabetes mellitus
ayudan a controlar las concentraciones de glucosa en sangre.
Mantener una glucosa en sangre en ayunas entre 70 y 120 mg/dl
ha demostrado ser eficaz en la disminución de la incidencia de
enfermedades oculares, renales y daños al sistema nervioso. Se
Introducción a la fisiología
15
suministra una dieta estricta a los pacientes diabéticos y se les
practican frecuentes análisis de glucosa en sangre para garantizar que sus concentraciones no fluctúan demasiado día a día.
Sin embargo, una prueba de reciente descubrimiento puede ser
incluso mejor en la determinación de las concentraciones de
glucosa en sangre a lo largo de un período de tiempo: la medición de la cantidad de una proteína concreta, la hemoglobina A1C, presente en la sangre.
La glucosa se une a la hemoglobina A1C dentro de los glóbulos
rojos. Normalmente, la glucosa se transporta en la parte plasmática de la sangre. Sin embargo, cuando existen concentraciones
altas, la glucosa entra en los glóbulos rojos y se une a la hemoglobina A1C; a mayores concentraciones de glucosa en sangre,
más glucosa se une a la hemoglobina A1C. Los glóbulos rojos tienen una vida corta de solo 3-4 meses. Durante este período, acumulan glucosa hasta que el bazo los elimina de la sangre. Por
tanto, la medición de las concentraciones de hemoglobina A1C
permite estimar de forma indirecta las concentraciones medias
de glucosa en sangre durante 2-3 meses.
El seguimiento de los niveles de glucosa en sangre no cura la
diabetes, pero sí que proporciona información útil para que el
paciente realice cambios en su estilo de vida para que la glucosa
en sangre vuelva a estar en niveles normales. Entre los cambios
de estilo de vida más importantes, se encuentran la dieta y la
práctica de ejercicio. Si los cambios de comportamiento no
resuelven el problema, será necesario acudir a la farmacopea.
Las personas con diabetes de tipo 1 suelen tener que inyectarse
insulina para controlar la concentración glucosa en sangre.
Puede que a veces los diabéticos de tipo 2 tengan que hacer lo
mismo, pero disponen de otras opciones farmacéuticas para
disminuir la glucosa en sangre. Las sulfonilureas y las meglitinidas son medicamentos que estimulan a las células beta para
que aumenten la secreción de insulina. Las tiazolidinedionas
aumentan la acción de la insulina en las células musculares
(miocitos) y las células grasas (adipocitos), y disminuyen la cantidad de glucosa producida por el hígado. Las biguanidas disminuyen la cantidad de glucosa producida por el hígado. También
hay disponibles otros fármacos para tratar la diabetes de tipo 2,
pero sus mecanismos de acción requieren más conocimientos
de fisiología; volveremos sobre estos medicamentos en los capítulos adecuados.
A medida que la diabetes progresa, el tratamiento también
debe progresar. Van apareciendo problemas secundarios derivados de la diabetes, como las enfermedades cardiovasculares,
que deben tratarse. Estos tratamientos exceden el ámbito de este
capítulo, pero se describirán posteriormente en el texto.
Diabetes mellitus: una enfermedad
que afecta a todo el organismo
Una de las características más dañinas de la diabetes mellitus es
que afecta a todos los sistemas de órganos. A medida que vayamos avanzando en los capítulos del libro, volveremos sobre la
diabetes como ejemplo de lo que ocurre cuando se trastorna
la homeostasis durante una enfermedad y de cómo responde el
organismo en su intento por compensarla.
Integración de sistemas
En este capítulo, hemos aprendido que nuestro organismo está
compuesto por células de varios tipos y que estas células deben
16
C A P Í T U LO 1
Introducción a la fisiología
trabajar conjuntamente de manera coordinada para mantener
la homeostasis. En los capítulos 2 a 4 aprenderemos más sobre
las células y sobre sus funciones básicas. En el capítulo 5, explicaremos cómo las células se comunican entre sí para poder fun-
cionar como un tejido o un órgano. En el resto del libro, trataremos los sistemas de órganos, pero siempre volveremos a la
célula y a su papel, asegurando que los órganos realizan sus funciones para mantener la homeostasis.
RESUMEN DEL CAPÍTULO
Organización del cuerpo, pág. 2
Las unidades vivas más pequeñas son las
células, que están especializadas en realizar
las diversas funciones del organismo. Las
células de distintos tipos se organizan en tejidos, que se combinan para formar los órganos, que llevan a cabo funciones concretas.
Las agrupaciones de órganos, que trabajan
conjuntamente para realizar ciertas tareas,
son los sistemas de órganos o aparatos. El
organismo contiene cuatro tipos principales
de células: 1) las neuronas, especializadas en
transmitir señales eléctricas de un lugar a
otro; 2) las células musculares (miocitos),
que generan la fuerza mecánica y el movimiento; 3) las células epiteliales, que están
organizadas en epitelios, tejidos parecidos a
sábanas que se encuentran en la piel y en el
revestimiento de las paredes de órganos huecos, y 4) las células del tejido conjuntivo, que
realizan diversas funciones y que se localizan
en los tendones, la sangre, la linfa y otros tejidos conjuntivos. Las células del organismo
intercambian sustancias con el líquido que
las rodea, todo lo cual recibe el nombre de
medio interno. Las sustancias se transportan
al medio interno y se eliminan de él gracias al
torrente sanguíneo, que intercambia sustancias con el medio externo.
Las barreras internas dividen el organismo en varios compartimentos llenos de líquido. El volumen total de agua que hay en todos
los compartimentos es el agua corporal
total (ACT), que incluye el líquido intracelular (LIC) y el líquido extracelular (LEC). El LIC
y LEC muestran importantes diferencias en su
composición y están separados por las membranas celulares. El LEC está formado por el
plasma, el componente líquido de la sangre, y
el líquido intersticial que rodea a las células
situadas fuera de la sangre. La composición
del plasma y del líquido intersticial es parecida y ambos están separados por los tejidos
epiteliales que revisten los vasos sanguíneos.
variables fisiológicas se regulan mediante
retroalimentación positiva, en la que un
cambio en una variable provoca una respuesta que va en la misma dirección.
Fluid and Electrolytes, Introduction to Body
Fluids, págs. 1–14
La incidencia de diabetes mellitus está
aumentando en EE. UU. y en el mundo. En
EE. UU., los ancianos, los nativos americanos
y los afroamericanos son los que se ven más
afectados. La obesidad aumenta la probabilidad de desarrollar diabetes mellitus. Hay dos
tipos de diabetes mellitus: el tipo 1 y el tipo 2.
El tipo 1 se produce como consecuencia de
una secreción inadecuada de insulina, mientras que el tipo 2 resulta de la respuesta
inadecuada de los tejidos a la insulina. Una
subclase de la diabetes mellitus de tipo 2 es la
diabetes gestacional, que se desarrolla en el
4% de las mujeres embarazadas. Más de
50 millones de estadounidenses tienen prediabetes, lo que significa que es probable que
desarrollen diabetes mellitus de tipo 2. La
diabetes insípida está asociada a una secreción inadecuada de hormona ADH y da como
resultado micciones copiosas.
El síntoma más importante de la diabetes mellitus es la hiperglucemia. La diagnosis
de la diabetes mellitus depende de las concentraciones de glucosa y de hemoglobina A1C en sangre. Otros síntomas incluyen la
poliuria, fatiga y daños a los sistemas de
órganos. Los tratamientos de la diabetes
mellitus regulan las concentraciones de glucosa en sangre e incluyen inyecciones de
insulina y fármacos de administración oral,
como sulfonilureas, meglitinidas, tiazolidinedionas y biguanidas.
Homeostasis: principio organizativo
clave en fisiología, pág. 8
El organismo es capaz de tolerar las condiciones cambiantes en el medio externo gracias a la homeostasis, el mantenimiento de
condiciones constantes en el medio interno.
Para mantener la homeostasis, los mecanismos reguladores trabajan para controlar
ciertas variables fisiológicas (variables reguladas), de modo que se minimicen las variaciones. La mayoría de estos mecanismos de
control operan mediante retroalimentación
negativa, en la que los cambios en una variable regulada provocan respuestas que van en
la dirección opuesta. Los mecanismos reguladores de la homeostasis trabajan para
minimizar las señales de error, diferencias
entre el valor real de una variable regulada y
el valor normal o «deseado» (el punto de
ajuste). Entre los mecanismos reguladores
de la homeostasis se encuentran los siguientes componentes: 1) sensores, que hacen un
seguimiento a la variable regulada; 2) un centro de integración, que recibe señales (de
entrada) de los sensores, compara la variable
regulada con el punto de ajuste y organiza la
respuesta adecuada, y 3) efectores, que reciben señales (de salida) del centro de integración y provocan la respuesta final. Algunas
Diabetes: una epidemia, pág. 13
EJERCICIOS
Preguntas de opción múltiple
1. ¿Cuál de los siguientes ilustra mejor
el concepto de retroalimentación positiva?
a) La secreción de ácido por parte de
las células del revestimiento de la
pared gástrica se suprime cuando
la acidez del contenido gástrico
aumenta.
b) Un aumento en la presión arterial
estimula la eliminación de agua en
la orina, lo cual reduce la presión
arterial.
c) Un aumento en la concentración de
H+ en la sangre causa un aumento
de la excreción de H+ en la orina.
d) Un aumento en la concentración de
dióxido de carbono de la sangre
estimula la respiración, lo cual
aumenta el ritmo de eliminación del
dióxido de carbono del organismo.
e) Las contracciones del útero empujan
al feto contra el cuello uterino, lo
cual provoca la liberación de
oxitocina al torrente sanguíneo;
entonces, la oxitocina estimula
contracciones más fuertes del útero.
2. La hormona aldosterona estimula la
reabsorción de iones sodio de la luz de
un túbulo renal. Con base en los conocimientos adquiridos sobre los tipos de
células del organismo, se puede suponer
que esta hormona actúa en
a) las neuronas.
b) las células musculares.
c) las células epiteliales.
d) las células del tejido conjuntivo.
C A P Í T U LO 1
3. Las hormonas son secretadas
a) hacia la sangre.
b) por las glándulas exocrinas.
c) por las glándulas endocrinas.
d) a y b son correctas
e) a y c son correctas
4. ¿Qué tipo de célula está especializada en
la contracción y la generación de fuerza?
a) muscular
b) epitelial
c) del tejido conjuntivo
d) nerviosa
5. La concentración normal de glucosa en
sangre es
a) 50 mg/dl.
b) 100 mg/dl.
c) 50 mg/ml.
d) 100 mg/ml.
e) 50 mg/l.
Preguntas objetivas
1. El medio interno del organismo es sinónimo de líquido (extracelular/intracelular).
2. El mantenimiento de las condiciones
normales en el medio interno es conocido como ————.
3. El plasma es líquido extracelular. (verdadero/falso)
4. En la homeostasis, todas las variables
fisiológicas se regulan para permanecer
constantes. (verdadero/falso)
5. La proteína elastina se encuentra en el
tejido (epitelial/conjuntivo).
6. La composición del plasma y del líquido
intersticial es idéntica. (verdadero/falso)
7. Una hormona que condiciona que la glucosa pase del plasma a las células es la
————.
Preguntas abiertas
1. Dibuja un diagrama de árbol que ilustre
la relación entre los siguientes componentes: el agua corporal total, el líquido
extracelular, el líquido intracelular, el
líquido intersticial y el plasma.
Introducción a la fisiología
17
2. Suponiendo que las moléculas de glucosa se ingieren, se absorben en el torrente
sanguíneo y después se convierten dentro de las células musculares en dióxido
de carbono, que se elimina mediante los
pulmones, describir el camino de esas
moléculas a medida que viajan por el
organismo, asegurándose de mencionar
las diversas barreras (epitelios o membranas celulares) que se deben cruzar.
Pensamiento crítico
1. La diabetes es una de las mayores preocupaciones sanitarias en EE. UU. Compara la prevalencia, causa principal y
diagnóstico de los diversos tipos de diabetes. ¿Cómo pueden los profesionales
sanitarios abordar la creciente epidemia
de diabetes?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple»
y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com)
para obtener herramientas adicionales de estudio.
2
Células: estructura y función
Si alguna vez has cogido una gota de agua de un estanque y la has puesto
bajo el microscopio, probablemente habrás observado varios organismos unicelulares.
Estos organismos sobreviven gracias a procesos relativamente sencillos. Toman
nutrientes de su entorno, los descomponen y los convierten
en energía utilizable o en sustratos necesarios para sintetizar
las grandes moléculas necesarias para la vida. Liberan productos de desecho en el entorno. Tienen movilidad en el
agua y responden a varios tipos de estímulos. Además, estos
organismos pueden crecer y reproducirse.
Las células de nuestro cuerpo son muy parecidas a estos
organismos unicelulares. Estas células necesitan nutrientes
para crear energía y sintetizar las moléculas necesarias. También generan productos de desecho que deben ser eliminados. Algunas de nuestras células tienen movilidad y la mayoría de ellas pueden crecer y reproducirse. Sin embargo, a
diferencia de los organismos unicelulares, las células del
cuerpo humano son parte de un organismo multicelular:
nosotros. Como tales, nuestras células deben llevar a cabo
actividades coordinadas, por lo que existen los diferentes
tipos de células que están especializadas en determinadas
funciones. La capacidad de los sistemas de órganos para realizar sus funciones depende de las células que los forman.
CONTENIDOS
Biomoléculas 19
Microfotografía electrónica en color de dos células nerviosas.
Estructura de la célula 29
Uniones intercelulares
38
Funciones generales de la célula
Síntesis de las proteínas
División celular
49
41
40
C A P Í T U LO 2
OBJETIVOS

Conocer las características generales de las cuatro clases
principales de biomoléculas (hidratos de carbono, proteínas,
lípidos y ácidos nucleicos) y describir brevemente sus funciones
en las células.

Describir la estructura y las funciones principales de cada uno
de los siguientes componentes celulares: membrana plasmática,
núcleo, ribosomas, retículo endoplásmico rugoso, retículo
endoplásmico liso, aparato de Golgi, mitocondrias, lisosomas,
peroxisomas y citoesqueleto.

Definir transcripción y traducción y describir la función de cada
uno de los siguientes elementos en la síntesis de proteínas: ADN,
genes, codones, código genético, ARN mensajero, ARN de
transferencia, ribosomas, anticodones y retículo endoplásmico
rugoso.

Explicar cómo se almacena la información genética en el ADN
y cómo esta información pasa a otras células durante la
mitosis.

Describir brevemente lo que le ocurre a las proteínas tras su
síntesis, teniendo en cuenta los diversos destinos de las proteínas
de membrana, las proteínas secretadas y las proteínas
citoplásmicas.
Antes de empezar…
Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
Células: estructura y función
19
órganos, debemos entender sus unidades básicas: las células.
Este capítulo describe las estructuras básicas y el funcionamiento de las células. Para entender las células y sus funciones,
debemos comprender las moléculas que forman las células y
que interactúan con ellas. La mayoría de estas moléculas son
biomoléculas.
Biomoléculas
Las biomoléculas son moléculas sintetizadas por organismos
vivos que contienen átomos de carbono (v. «Repaso de química:
Átomos y moléculas»). El carbono tiene cuatro electrones en su
capa más externa y forma enlaces covalentes compartiendo esos
electrones con otros átomos, incluyendo otros átomos de carbono. Los átomos que se encuentran con mayor frecuencia en las
biomoléculas son: oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. La capacidad
del carbono de compartir cuatro electrones y formar enlaces
covalentes con otros átomos de carbono facilita el que las moléculas que contienen carbono sean grandes y complejas. Los átomos de carbono a menudo están dispuestos en cadenas o en un
anillo.
Los cuatro tipos básicos de biomoléculas son los hidratos de
carbono, los lípidos, las proteínas y los nucleótidos. Algunas biomoléculas son polímeros, que consisten en unidades repetidas.
Por ejemplo, las proteínas son polímeros de aminoácidos. Las
secciones siguientes tratan cada tipo de biomolécula. La tabla 2.1
muestra una lista de algunos grupos químicos funcionales que
se suelen encontrar en las biomoléculas.
Hidratos de carbono
1. Tipos de células, pág. 3
2. Compartimentos de los líquidos del organismo, pág. 7
E
n el capítulo 1 hemos aprendido el concepto de homeostasis y hemos comprobado que la fisiología implica el
estudio de cómo los sistemas de órganos colaboran para
mantener la homeostasis. Para comprender los sistemas de
Los hidratos de carbono están compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción de 1:2:1, con la fórmula química general (CH2O)n. La fórmula química también se puede
escribir como Cn(H2O)n, que puede ser interpretada como carbonos hidratados, o carbonos rodeados de agua, de ahí el nombre hidratos de carbono. Sin embargo, el nombre puede ser
engañoso, porque los carbonos se unen a los grupos hidroxilo
TABLA 2.1 Grupos funcionales que se suelen encontrar en las biomoléculas
Grupo funcional
Fórmula química
Estructura
Propiedad química
Hidroxilo
— OH
—O—H
Polar
Sulfhidrilo
— SH
—S—H
Polar
— HPO4−
Polar
— COOH
Ácido
Fosfato
Carboxilo
Amino
— NH2
Base
20
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
O
H
H
OH
H
H
HOCH2
OH
H
H
HO
FIGURA 2.1 Hidratos de carbono. (a) Ejemplos de tres
monosacáridos con la misma fórmula química: C6H12O6. (b) Ejemplos
de dos disacáridos. La sacarosa, o azúcar de mesa, está compuesta por
una glucosa y una fructosa. La lactosa, hidrato de carbono que se
encuentra en la leche, está compuesta por una glucosa y una galactosa.
(c) Un polisacárido, que es un polímero de un monosacárido. El
glucógeno es un polímero de glucosa que se encuentra en animales.
CH2OH
CH2OH
O
H
OH
OH
OH
CH2OH
H
Fructosa
Glucosa
HO
OH
OH
O
H
H
OH
H
H
OH
Galactosa
P ¿Cuántos grupos hidroxilo hay en una sola molécula de glucosa?
(a) Monosacáridos
CH2OH
O
H
H
OH
H
H
O
H
O
HO
H
HOCH2
H
Unidades de glucosa
OH
CH2OH
OH
OH
H
Sacarosa
(glucosa + fructosa)
CH2OH
CH2OH
O
HO
H
OH
O
H
O
H
H
OH
H
H
H
H
OH
H
OH
H
OH
Glucógeno
(c) Polisacárido
Lactosa
(galactosa + glucosa)
(b) Disacáridos
(— OH) e hidrógeno (— H), no a moléculas de agua. La presencia de varios grupos hidroxilo hace de los hidratos de carbono
moléculas polares y, por tanto, se pueden disolver en agua
(v. «Repaso de química: Moléculas polares y enlaces de hidrógeno»).
Basándose en sus tamaños moleculares, los hidratos de carbono también se pueden clasificar en tres grupos principales:
1) monosacáridos; 2) disacáridos, y 3) polisacáridos. Los monosacáridos son los azúcares simples, compuestos por una sola
unidad (fig. 2.1a). El monosacárido más común es la glucosa,
que es una fuente importante de energía para nuestras células.
La glucosa tiene la fórmula general C6H12O6. Otros dos monosacáridos, la fructosa y la galactosa, también tienen la fórmula
general C6H12O6. Sin embargo, cada una es una molécula diferente porque sus átomos están dispuestos de manera diferente,
aportando a cada una sus propiedades químicas características.
La ribosa y la desoxirribosa son otros dos monosacáridos
comunes. Estas moléculas son componentes importantes de
los nucleótidos, otra clase de biomoléculas que se describe más
tarde.
Los disacáridos son hidratos de carbono formados por
la unión, mediante enlace covalente, de dos monosacáridos
(fig. 2.1b). Como ejemplos de disacáridos se encuentran la sacarosa, compuesta por una glucosa y una fructosa, y la lactosa,
compuesta por una glucosa y una galactosa. La sacarosa también se conoce con el nombre de azúcar de mesa, mientras que
la lactosa es un hidrato de carbono que se encuentra en la leche.
Observa que todos los nombres de los monosacáridos y los disacáridos terminan en -osa.
Los polisacáridos son hidratos de carbono formados por la
unión covalente de varios monosacáridos. El glucógeno
(fig. 2.1c) es un polímero de subunidades de glucosa que se
encuentra en células animales. Varios tipos de células del organismo pueden almacenar glucosa en forma de glucógeno y
degradarlo más tarde cuando necesiten la glucosa para crear
energía. El almidón es un polisacárido que se encuentra en las
plantas. Los seres humanos consumimos almidón en varios productos vegetales: el proceso de digestión pone las subunidades
de glucosa del almidón a disposición como fuentes de energía.
La celulosa, otro polisacárido que se encuentra en las plantas,
es consumida por los seres humanos, pero no somos capaces de
digerirla y absorberla. Por tanto, la celulosa, también conocida
como fibra dietética, pasa a través de nuestro aparato digestivo.
Además de almacenar energía, los polisacáridos son componentes importantes de las membranas celulares, tema que trataremos más tarde.
Lípidos
Los lípidos son un grupo variado de biomoléculas que contienen, principalmente, átomos de carbono e hidrógeno unidos
entre sí por enlaces covalentes no polares. Por tanto, los lípidos
Células: estructura y función
C A P Í T U LO 2
21
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
O
C
CH2
HO
H
(a) Glicerol
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
(b) Ácido graso saturado
O
C
HO
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
CH2
CH2
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
CH2
(c) Ácido graso insaturado
H
H
C
O
O
C
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
O
H
C
O
C
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
O
H
C
O
H
CH2
C
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3
(d) Triglicérido
FIGURA 2.2 Triglicéridos. (a) Glicerol, un alcohol de tres carbonos que se encuentra tanto en
los triglicéridos como en los fosfolípidos. (b) Cadena de ácidos grasos, que normalmente consiste en un
número par de átomos de carbono con un grupo carboxilo (— COOH) al final. Este ejemplo es un ácido graso
saturado porque no tiene enlaces dobles entre los átomos de carbono. (c) Este ácido graso es insaturado
debido a la presencia del enlace doble entre los carbonos 9 y 10. Como contiene solo un enlace doble, es
un ácido graso monoinsaturado. (d) Triglicérido, compuesto por una columna vertebral de glicerol y tres
ácidos grasos.
Cada uno de los ácidos grasos de las partes (b) y (c) tiene 16 carbonos. ¿Cuál de los dos ácidos grasos
P
tiene más hidrógenos?
suelen ser moléculas no polares y no se disuelven en agua.
La mayoría de los lípidos también contienen algo de oxígeno,
y varios contienen fosfatos (— HPO4–), que, dependiendo de
la estructura, pueden proporcionar áreas de la molécula que
sean polares. Una molécula que contenga tanto regiones
polares como no polares se denomina anfipática. Hay cuatro
grandes clases de lípidos que varían en estructura y en funcionalidad: 1) triglicéridos; 2) fosfolípidos; 3) eicosanoides, y 4) esteroides.
Triglicéridos
Los triglicéridos, a los que solemos denominar «grasas», están
formados por dos componentes: una molécula de glicerol y tres
moléculas de ácidos grasos. El glicerol es un alcohol de tres carbonos (fig. 2.2a) que forma la «columna vertebral» de un triglicé-
rido; los ácidos grasos son largas cadenas de átomos de carbono
con un grupo carboxilo (— COOH) en un extremo (fig. 2.2b y c).
Los triglicéridos están formados por la unión de cada uno de los
tres ácidos grasos a un carbono diferente en la columna vertebral de glicerol (fig. 2.2d).
La mayoría de los ácidos grasos tienen un número par de átomos de carbono, que suele ser de 16 o 18 carbonos. Una característica importante de las cadenas de ácidos grasos es el número
de enlaces dobles existentes entre los carbonos. Si no hay enlaces dobles, cada carbono estará unido a un número máximo de
átomos de hidrógeno y, por tanto, estará saturado de átomos
de hidrógeno. Por ello, los ácidos grasos saturados contienen
carbonos que solo están unidos por enlaces simples (v. fig. 2.2b).
Por el contrario, los ácidos grasos insaturados contienen uno o
más pares de carbonos unidos por enlaces dobles y, por tanto,
tienen menos hidrógenos por carbono (v. fig. 2.2c). Un ácido
22
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
REPASO DE QUÍMICA
Átomos y moléculas
Toda la materia está compuesta por unidades fundamentales llamadas
átomos, que tienen un diámetro del orden de una mil millonésima de
centímetro. Los átomos, a su vez, están compuestos por tres tipos
de partículas elementales: 1) protones, cada uno de ellos portador de
una unidad de carga eléctrica positiva; 2) electrones, con una unidad
de carga eléctrica negativa cada uno, y 3) neutrones, que no tienen carga. Normalmente, un átomo posee igual número de protones que de
electrones, lo que representa una carga neta de cero. Los protones y los
neutrones están densamente concentrados en el centro del átomo llamado núcleo, mientras que los electrones se localizan en órbitas o
capas localizadas a diversas distancias del núcleo.
Los átomos se distinguen unos de otros por su número atómico,
que iguala al número de protones (y, por tanto, también al número de
electrones) que tienen. El número atómico también determina las propiedades químicas de un átomo. Las sustancias puras compuestas enteramente por átomos que tienen el mismo número atómico reciben el
nombre de elementos. Aunque se conocen más de 100 elementos, solo
cuatro representan más del 99% de todos los átomos del cuerpo: hidrógeno (H), carbono (C), nitrógeno (N) y oxígeno (O), cuyos números
atómicos son 1, 6, 7 y 8, respectivamente.
La mayoría de las sustancias están compuestas por dos o más átomos unidos o enlazados juntos para formar moléculas. Las moléculas
de agua, la sustancia más abundante del cuerpo, contienen dos átomos
de hidrógeno y uno de oxígeno, y se representan con la fórmula H2O. El
dióxido de carbono, un producto de deshecho generado por las células,
contiene dos átomos de oxígeno y uno de carbono, y se representa
como CO2. Con mucha frecuencia, los átomos de las moléculas se mantienen juntos mediante enlaces covalentes, que consisten en pares de
electrones compartidos entre los átomos adyacentes. Como todos los
graso monoinsaturado contiene exactamente un par de carbonos unidos por un enlace doble, mientras que un ácido graso
poliinsaturado contiene más de un par de carbonos unidos por
enlaces dobles. El grado de saturación determina propiedades
importantes de un lípido, incluidas algunas con implicaciones
clínicas significativas. Por ejemplo, los ácidos grasos saturados
están implicados en el desarrollo de las plaquetas, que pueden
obstruir las arterias, lo que puede causar un derrame cerebral
(o ictus) o un infarto de miocardio.
Los triglicéridos y los ácidos grasos son moléculas no polares
debido a la presencia de enlaces no polares carbono-carbono y
carbono-hidrógeno. No se disuelven en agua, pero sí en disolventes no polares, como el aceite.
Fosfolípidos
Los fosfolípidos son lípidos que contienen un grupo fosfato. Su
estructura es similar a la de los triglicéridos en cuanto a que un
glicerol forma la columna vertebral. Sin embargo, en vez de tres
ácidos grasos, un fosfolípido contiene dos ácidos grasos y tiene
un grupo fosfato unido al tercer carbono del glicerol (fig. 2.3).
Los dos ácidos grasos forman la región de la cola del fosfolípido,
átomos de un tipo dado poseen el mismo número de electrones para
compartir, cada elemento tiene una cierta capacidad de formar enlaces.
Los átomos de hidrógeno solo forman un enlace simple, pero el oxígeno, el nitrógeno o el carbono pueden formar dos, tres o cuatro enlaces
respectivamente:
H
O
N
C
Mientras cada átomo forme el número correcto de enlaces, los átomos pueden combinarse para formar una variedad casi ilimitada de
moléculas. Las moléculas del agua, el hidrógeno (H2) y el metano o gas
natural (CH4) pueden representarse como sigue:
H
H
H H
O
Agua
Hidrógeno
H
H C H
H
Metano
A veces, los átomos comparten dos pares de electrones, formando
enlaces dobles. Esto se ilustra en la siguiente representación de una
molécula de dióxido de carbono:
O C O
Dióxido de carbono
que es no polar por sus largas cadenas de átomos de carbono.
El grupo fosfato suele estar unido a otro grupo químico y, juntos, forman la región de la cabeza del fosfolípido, que sí es polar.
Por tanto, los fosfolípidos tienen tanto una región polar como
una región no polar, lo que hace que sean moléculas anfipáticas.
Esta propiedad de los fosfolípidos de ser anfipáticos les concede comportamientos únicos en un entorno acuoso. Las regiones polares pueden disolverse en agua, pero las regiones no
polares no. Por tanto, cuando los fosfolípidos están en un entorno acuoso, las regiones polares se colocan mirando al agua,
mientras que las no polares quedan enfrentadas. Los fosfolípidos forman dos estructuras fisiológicamente importantes cuando se sitúan en un entorno acuoso: las bicapas de fosfolípidos
y las micelas (fig. 2.4). En una bicapa de fosfolípidos (v. fig. 2.4a),
que es la estructura central de las membranas celulares, los
fosfolípidos se disponen en dos capas paralelas: las colas de fosfolípidos paralelos se sitúan mirando hacia adentro y entre
ellas, mientras que las cabezas si sitúan mirando al exterior,
donde entran en contacto con el entorno acuoso. Una micela
(v. fig. 2.4b) es una estructura esférica compuesta por una sola
capa de fosfolípidos; actúa en el transporte de las moléculas no
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
23
O
CH2
O
C
O
CH
CH3
N+
CH3
O
C
O
CH2
CH2
CH3
O
P
O
CH2
O–
Columna
Colas hidrófobas (no polares)
vertebral (dos cadenas de ácidos grasos)
de glicerol
(a) Molécula de fosfolípido (fosfatidilcolina)
Cabeza
hidrófila
Cabeza hidrófila (polar)
(grupo que contiene fosfato)
Colas
hidrófobas
(b) Representación esquemática de la molécula de fosfolípido
FIGURA 2.3 Fosfolípidos. (a) Un fosfolípido, constituido por una columna vertebral de glicerol unida
a dos cadenas de ácidos grasos y a un grupo que contiene fosfato. El fosfolípido que se muestra aquí es la
fosfatidilcolina. (b) La forma estándar de representar esquemáticamente un fosfolípido es enfatizando
la cabeza hidrófila y las colas hidrófobas de la molécula.
O
Agua
Agua
H
H
CH2
CH2
CH
CH
H
H
H
OH
CH
CH
CH2
CH2
CH
CH2
CH2
CH2
O
C
OH
CH2
CH3
OH
FIGURA 2.5 Eicosanoides. En estos ácidos grasos de 20 carbonos
modificados, los carbonos de la parte media de la cadena de carbono forman
un anillo, que hace que la molécula se doble sobre sí misma.
Agua
(a) Bicapa de fosfolípidos
(b) Micela
FIGURA 2.4 Estructuras formadas por fosfolípidos en un entorno
acuoso. (a) Una bicapa lipídica, que consiste en dos capas de fosfolípidos
alineados de tal manera que las cabezas polares miran al entorno acuoso y las
colas no polares se miran entre sí. (b) Una micela, una esfera formada por una
capa simple de fosfolípidos alineados de tal manera que las cabezas polares
miran al entorno acuoso y las colas no polares quedan enfrentadas entre sí.
ácido araquidónico, y contiene un anillo de cinco carbonos en la
parte media (fig. 2.5). Este anillo hace que la molécula se pliegue
sobre sí misma, de tal modo que dos cadenas de átomos de carbono se extiendan paralelas entre sí y a distancia del anillo. Los
eicosanoides son moléculas polares, y entre ellas se encuentran
las prostaglandinas y los tromboxanos.
Esteroides
polares en un entorno acuoso. Las cabezas de los fosfolípidos
miran hacia fuera, donde entran en contacto con el entorno
acuoso; las colas miran hacia adentro, formando un interior
hidrófobo.
Comprueba tus conocimientos
En función de sus propiedades químicas, explica por qué el aceite
vegetal y el agua no se mezclan.
Los esteroides tienen una estructura química única que consiste
en tres anillos de seis carbonos y un anillo de cinco carbonos
(fig. 2.6a). El esteroide más común es el colesterol (fig. 2.6b). La
presencia de un grupo hidroxilo polar en un extremo de la molécula de colesterol, que es en su mayoría no polar, la convierte en
una molécula ligeramente anfipática. El colesterol es un componente importante de la membrana plasmática, que es la que
rodea a las células. Además, el colesterol es el precursor de todos
los demás esteroides. Muchos de ellos funcionan como hormonas, incluyendo la testosterona (fig. 2.6c), el estradiol, el cortisol
y la 1,25-dihidroxivitamina D3.
Eicosanoides
Aminoácidos y proteínas
Los eicosanoides (también llamados icosanoides) son ácidos
grasos modificados que actúan en la comunicación intercelular.
Un eicosanoide se deriva de un ácido graso de 20 carbonos, el
Las proteínas son polímeros de aminoácidos, moléculas relativamente pequeñas que contienen un carbono central, un grupo amino, un grupo carboxilo, un hidrógeno y un grupo residual
24
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
CH
CH2
CH2
CH
CH2
CH
CH
CH2
CH2
CH
=
CH2
CH2
(a) Estructura de anillo esteroideo
CH3
CH2
CH
CH3
CH2
OH
CH3
CH2
CH3
CH
CH3
CH3
CH3
HO
O
(b) Colesterol
(c) Testosterona
FIGURA 2.6 Esteroides. (a) La estructura básica de todos los esteroides, consistente en tres anillos de seis
carbonos y un anillo de cinco carbonos. (b) El colesterol es el esteroide más común y el precursor de todos los
demás esteroides del organismo. (c) La testosterona, ejemplo de una hormona esteroidea.
Lisina
Tirosina
OH
Grupo Grupo Grupo
amino R carboxilo
Alanina
R
CH3
H
N
H
C
O
H2N
C
H
(a) Aminoácido
OH
C
H2N
H
C
COOH
H
H2N
CH2
O–
O
CH2
COOH
NH2
Glutamato
C
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
C
H
COOH
H 2N
C
COOH
H
(b) Estructuras químicas de cuatro aminoácidos
FIGURA 2.7 Aminoácidos. (a) Estructura básica de un aminoácido. El carbono central está unido a un
grupo amino, un grupo carboxilo, un hidrógeno y un grupo R. (b) Estructuras de cuatro de los 20 aminoácidos.
El grupo R es no polar en la alanina, una estructura polar aromática en la tirosina, ácida en el glutamato y
básica en la lisina.
o R (fig. 2.7a). Hay 20 grupos R diferentes y, por tanto, 20 aminoácidos diferentes. Los cuatro aminoácidos que se muestran
en la figura 2.7b, alanina, tirosina, glutamato y lisina, tienen grupos R con diferentes propiedades químicas. El grupo R es no
polar en la alanina, una estructura polar aromática con forma de
anillo en la tirosina, ácido en el glutamato y básico en la lisina.
Aunque trataremos los aminoácidos como componentes de las
proteínas, también tienen otras funciones, como la de la comunicación intercelular.
Los polímeros de los aminoácidos se forman al unirse dos
aminoácidos mediante un enlace peptídico; estos polímeros
reciben, por tanto, el nombre de polipéptidos. Se forma un enlace peptídico entre el grupo amino de un aminoácido y el grupo
carboxilo de otro aminoácido mediante una reacción de condensación, reacción que libera agua al unirse dos pequeñas moléculas (fig. 2.8). La longitud de los polipéptidos varía desde solo dos
a varios cientos de aminoácidos; el nombre que se les da varía,
dependiendo de la longitud o la función. Los péptidos son cade-
nas cortas de aminoácidos, normalmente de menos de 50. Las
proteínas consisten en cadenas generalmente más largas que
50 aminoácidos y, a menudo, de cientos de ellos.
La función de una proteína depende en gran medida de su
estructura tridimensional o conformación. La estructura de las
proteínas puede describirse mediante cuatro niveles diferentes:
estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria (fig. 2.9).
Los niveles de la estructura de proteínas pueden compararse
con el cable del auricular de un teléfono: la estructura primaria
es el cable estirado y liso, la secundaria es el cable enrollado, la terciaria son las espirales y vueltas del cable enrollado, y
la cuaternaria son dos cables enrollados juntos. Ahora, relacionemos esta analogía con los detalles de la estructura de proteínas.
La estructura primaria de las proteínas simplemente hace
referencia a la secuencia de aminoácidos, determinada por los
enlaces peptídicos que hay dentro de la cadena de péptidos
(v. fig. 2.9a). La estructura secundaria de las proteínas es el
Células: estructura y función
C A P Í T U LO 2
Grupo
carboxilo
R1
H
N
H
C
+
N
Aminoácido 1
O
C
H
OH
H
R2
H
C
Enlace
peptídico
Grupo
amino
O
25
H
N
C
H
OH
H
R1
O
H
R2
C
C
N
C
OH
H
H
H 2O
O
C
Péptido
Aminoácido 2
FIGURA 2.8 Formación de un enlace peptídico gracias a una reacción de condensación. El enlace
peptídico se forma entre dos aminoácidos y se libera agua.
Enlaces peptídicos
R3
R1
H
C
H
C
N
O
C
O
H
C
N
H
C
C
N
H
O
Aminoácido 2
N
C
N
O
C
Aminoácido 3
O
C
C
H
R4
R2
Aminoácido 1
H
O
R50
Aminoácido 4
Aminoácido 50
(a) Estructura primaria
Enlaces de H
-Hélice
(b) Estructura secundaria
-Lámina plegada
-Hélice
-Lámina plegada
(c) Estructura terciaria
FIGURA 2.9 Niveles de estructura de las proteínas. (a) La estructura
primaria, que es la secuencia de aminoácidos. (b) La estructura secundaria, que
está causada por la unión mediante enlaces de hidrógeno entre el hidrógeno
del grupo amino de un aminoácido y el oxígeno del grupo carboxilo de otro
aminoácido. Las estructuras secundarias más comunes incluyen A-hélices y
(d) Estructura cuaternaria
B-láminas plegadas. (c) La estructura terciaria, que es el patrón de plegamiento
producido por las interacciones entre los grupos R de los aminoácidos. La
proteína que se muestra aquí es la enzima lisozima. (d) La estructura cuaternaria,
que es la disposición de más de una cadena de polipéptidos en una sola proteína.
Aquí se muestra la hemoglobina, constituida por cuatro cadenas de polipéptidos.
26
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
patrón de plegamiento producido por los enlaces de hidrógeno
entre el átomo de hidrógeno del grupo amino de un aminoácido
y el átomo de oxígeno del grupo carboxilo de otro aminoácido del mismo polipéptido. Estos enlaces de hidrógeno pliegan al
polipéptido en varias formas, como A-hélices y B-láminas plegadas (v. fig. 2.9b), que contribuyen a la estructura tridimensional
de las proteínas.
La estructura terciaria de las proteínas es el plegamiento
producido por las interacciones entre los grupos R de diferentes
aminoácidos en el mismo polipéptido (v. fig. 2.9c). Recordemos
que los grupos R tienen propiedades químicas diferentes. Los
tipos de interacciones químicas que pueden ocurrir dependen
de los aminoácidos implicados e incluyen las siguientes: 1) enlaces de hidrógeno; 2) enlaces iónicos; 3) fuerzas de van der Waals,
y 4) enlaces covalentes. Se pueden formar enlaces de hidrógeno
entre los grupos R polares. Se pueden formar enlaces iónicos entre grupos R ionizados o cargados (v. «Repaso de química: Iones y enlaces iónicos»). Las fuerzas de van der Waals son
atracciones eléctricas que se producen entre los electrones de
un átomo y los protones de otro átomo. Los enlaces covalentes
se forman entre los grupos R de dos cisteínas. El grupo R de la
cisteína es un grupo sulfhidrilo y el enlace covalente resultante
se denomina puente disulfuro. Los puentes disulfuro son críticos para la estructura de los anticuerpos y de la hormona insulina.
La estructura cuaternaria de las proteínas existe solo en las
proteínas que contienen más de una cadena de polipéptidos. Un
ejemplo es la proteína hemoglobina (v. fig. 2.9d), implicada en el
transporte de oxígeno en la sangre. La hemoglobina es una proteína simple constituida por cuatro cadenas de polipéptidos
separadas. La hemoglobina, como todas las proteínas, solo puede funcionar adecuadamente cuando está conformada correctamente.
La conformación tridimensional de las proteínas se puede
clasificar en fibrosa o globular (fig. 2.10). Las proteínas fibrosas
suelen ser hebras extendidas y alargadas que funcionan en
estructuras o en la contracción. Entre las proteínas fibrosas están
el colágeno, una proteína que se encuentra en los tendones y el
pelo, y la tropomiosina, una proteína de las células musculares.
Las proteínas globulares están enrolladas y son irregulares y
voluminosas. Entre sus numerosas funciones está la de actuar
como mensajeros químicos para la comunicación intercelular, como receptores que unen mensajeros químicos, como proteínas transportadoras que transportan sustancias en la sangre o
a través de las membranas, y como enzimas que catalizan las
reacciones químicas del organismo. Entre los ejemplos de proteínas globulares se encuentran el fijador de oxígeno mioglobina, el mensajero químico insulina y una proteína de transporte
de membranas llamada bomba de Na+/K+. Algunas proteínas tienen tanto componentes fibrosos como globulares; un ejemplo
es la proteína muscular miosina, que tiene una cabeza globular
y una cola fibrosa. Todas las proteínas mencionadas aquí se tratarán con mayor detalle en las descripciones de los sistemas de
órganos más adelante en este libro.
Algunas proteínas tienen otras clases de moléculas orgánicas
unidas a ellas. Por ejemplo, las glucoproteínas tienen hidratos de
carbono unidos a las cadenas de polipéptidos, mientras que las
lipoproteínas tienen lípidos unidos a ellas. Las glucoproteínas y
las lipoproteínas son componentes importantes de la membrana plasmática que rodea a las células. Las glucoproteínas también contribuyen al reconocimiento celular, que es la capacidad
del sistema inmunitario para reconocer células que son parte del
organismo. Las lipoproteínas también se encuentran en la san-
Colágeno
Insulina
(a) Proteína fibrosa
(b) Proteína globular
Cola fibrosa
Cabeza globular
Miosina
(c) Proteína mixta
FIGURA 2.10 Estructura tridimensional de las proteínas. (a) Proteína
fibrosa, el colágeno, consistente en hebras finas. (b) Una proteína globular, la
insulina. (c) Proteína mixta, la miosina, con una cola fibrosa y una cabeza
globular.
¿Qué tipos de fuerzas químicas hacen que la molécula de mioglobina se
P
pliegue hasta lograr su estructura tridimensional?
gre, donde desempeñan una función importante en el transporte de lípidos.
Nucleótidos y ácidos nucleicos
La función de los nucleótidos es la transferencia de energía dentro de las células; forman el material genético de las células. La
estructura básica de un nucleótido se muestra en la figura 2.11a.
Los nucleótidos contienen un hidrato de carbono de cinco carbonos, una base nitrogenada y uno o más grupos fosfato. Los
hidratos de carbono que se encuentran en los nucleótidos son la
ribosa y la desoxirribosa. Las bases nitrogenadas de los nucleótidos se clasifican en dos tipos: 1) las pirimidinas, que contienen
un anillo de carbono simple e incluyen la citosina, la timina y el
uracilo, y 2) las purinas, que contienen un anillo de carbono
doble e incluyen la adenina y la guanina. Un nucleótido que tenga un fosfato recibe el nombre de nucleótido monofosfato
(fig. 2.11b); de modo similar, un nucleótido con dos fosfatos es
un nucleótido difosfato y un nucleótido con tres fosfatos es un
nucleótido trifosfato.
La función de varios nucleótidos es intercambiar energía
dentro de las células. Por ejemplo, la energía contenida en los
enlaces fosfato de la adenosina trifosfato (ATP) se puede utilizar
para dirigir los procesos celulares cuando el ATP se hidroliza a
adenosina difosfato (ADP). El dinucleótido nicotinamida adenina (NAD) y el dinucleótido flavina adenina (FAD) transfieren
energía en forma de electrones.
Células: estructura y función
C A P Í T U LO 2
27
NH2
H
N
O
N
H
H
Citosina (C)
O
H
CH3
N
Pirimidinas
O
N
H
H
Timina (T)
Grupo
fosfato
O
O
–O
P
O
CH2
Base
H
B
O
O
H
N
N
H
H
O–
Uracilo (U)
NH2
N
Hidrato de carbono
N
H
N
H
N
H
CH2OH
O
H
OH
H
OH
(a)
H
H
H
OH
H
Purinas
O
N
H
H
OH
H
N
H
H
Desoxirribosa
(b)
Adenina (A)
CH2OH
O
N
OH
N
NH2
H
Guanina (G)
Ribosa
O
O
O
Nucleótido
monofosfato
Nucleótido
difosfato
Nucleótido
trifosfato
FIGURA 2.11 Nucleótidos. (a) Estructura básica de un nucleótido. El hidrato de carbono en un nucleótido
puede ser desoxirribosa o ribosa. Entre las cinco bases posibles se encuentran las pirimidinas, que contienen
un solo anillo, y las purinas, que contienen dos anillos. (b) Representación esquemática de los nucleótidos. Los
nucleótidos monofosfato contienen un solo grupo fosfato, los nucleótidos difosfato contienen dos grupos
fosfato y los nucleótidos trifosfato contienen tres grupos fosfato.
P ¿Cuáles son las fórmulas químicas de la ribosa y la desoxirribosa?
O
CH2
O
H
Adenina
H
H
H
O
O
P
OH
O–
AMP cíclico (cAMP)
FIGURA 2.12 Nucleótido AMP cíclico (cAMP), una molécula mensajera
común.
Algunos nucleótidos forman un anillo debido a la unión
covalente entre un oxígeno del grupo fosfato y un carbono del
grupo hidrato de carbono, como muestra la figura 2.12. Entre
estos nucleótidos, llamados nucleótidos cíclicos, se encuentran
mensajeros químicos (moléculas que funcionan como señales
para que la célula haga algo) dentro de las células, como el AMP
cíclico (cAMP) y el GMP cíclico (cGMP).
Los polímeros de los nucleótidos comprenden los ácidos
nucleicos que trabajan en el almacenamiento y la expresión de
la información genética: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el
ácido ribonucleico (ARN) (fig. 2.13). Las moléculas de ADN se
28
Células: estructura y función
C A P Í T U LO 2
5
3
T
A
G
3
C
5
C
H
N
A
N
H
O
N
N
H
N
G
N
O
H
O–
H
Timina
Adenina
C
CH2
O
N
H
O
CH2
T
A
CH3
O
G
C
O
H
G
A
O
P
3
T
U
O–
T
O
U
O
P
O
U
O
A
O
T
C
P
O
H
N
A
T
G
CH2
O
O
H
N
N
H
N
N
H
O
H
A
G
C
G
N
N
H
Guanina
Citosina
O
3
5
5
C
A
P
O–
T
CH2
O
H
H
O
O
(a) ADN
H
C
A
3
N
O–
G
U
5
(b) Pares de bases
complementarias
(c) ARN
FIGURA 2.13 Ácidos nucleicos. (a) El ADN, que consiste en dos cadenas de nucleótidos que se mantienen
juntas gracias a los enlaces de hidrógeno según la ley de los pares de bases complementarias. (b) Pares de
bases complementarias: la adenina (A) y la timina (T) forman dos enlaces de hidrógeno entre ellas, y la
citosina (C) y la guanina (G) forman tres enlaces de hidrógeno entre ellas. (c) El ARN, que consiste en una
cadena simple de nucleótidos.
P ¿Qué tipo de enlace químico une los fosfatos con los hidratos de carbono para formar una cadena?
encuentran en el núcleo de una célula, donde guardan la información genética. Las moléculas de ARN se encuentran tanto en
el núcleo de las células como en su citoplasma, y son necesarias
para la expresión de la información genética. Tanto el ADN como
el ARN son polímeros de los nucleótidos, con el grupo fosfato de
un nucleótido unido al hidrato de carbono de otro, formando
una cadena en la que las bases salen hacia los lados. Sin embargo, como veremos a continuación, hay diferencias importantes
en sus estructuras.
El ADN (v. fig. 2.13a) consiste en dos hebras de nucleótidos
enrolladas entre sí en una doble hélice. El hidrato de carbono
del ADN es la desoxirribosa. Las bases del ADN son: adenina (A),
guanina (G), citosina (C) y timina (T). Los extremos de las hebras
se han etiquetado como 3 o 5, siendo 3 el extremo del hidrato
de carbono y 5 el del fosfato. Las dos hebras de ADN en una
sola molécula son antiparalelas entre sí, estando una hebra de
5 a 3 alineada con la otra hebra de 3 a 5. Las dos cadenas
de ADN se mantienen juntas gracias a los enlaces de hidrógeno
que se establecen entre las bases según la ley de emparejamiento de bases complementarias, por la que cuando haya dos
hebras de ácidos nucleicos unidas por enlaces de hidrógeno,
la G de una hebra siempre se emparejará con la C de la hebra
opuesta, y la A siempre se emparejará con la T en el ADN (o con
el U en el ARN). La citosina y la guanina forman tres enlaces de
hidrógeno entre ellas, y la adenina y la timina forman dos enla-
ces de hidrógeno entre ellas (v. fig. 2.13b). Gracias a estos emparejamientos, las dos cadenas de ADN son complementarias
entre sí.
El ARN (v. fig. 2.13c) consiste en una cadena simple de
nucleótidos con un extremo 3 y un extremo 5. El hidrato de carbono del ARN es la ribosa. Las bases del ARN son: adenina, guanina, citosina y uracilo. Las bases del ARN también siguen la ley
de emparejamiento de bases complementarias: la guanina y la
citosina forman enlaces de hidrógeno entre ellas, como en el
ADN, pero la adenina forma enlaces de hidrógeno con el uracilo
en vez de con la timina. Aun cuando el ARN sea monocatenario,
son necesarios los emparejamientos de bases complementarias
para sintetizar ARN a partir de ADN (el ARN será complementario del ADN, salvo que la timina será sustituida por el uracilo) y
para posibilitar el plegamiento de una sola molécula de ARN
sobre sí misma.
Test rápido 2.1
1. Los hidratos de carbono, ¿suelen ser polares o no polares? ¿Y los triglicéridos?
2. Nombra las dos estructuras que los fosfolípidos pueden formar en un
entorno acuoso. ¿Qué funciones fisiológicas están asociadas a estas
estructuras?
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
29
Ribosomas
flotando
libremente
Vault
Retículo
endoplásmico
liso
Polisoma
Microtúbulo
Centríolos
Núcleo
Nucléolo
Lisosoma primario
Peroxisoma
Cromatina
Aparato de Golgi
Mitocondria
Retículo endoplásmico
rugoso
Membrana
plasmática
Citosol (líquido
intracelular)
(a)
Colas
hidrófobas
de ácidos
grasos
Cabezas
hidrófilas
de fosfato
Líquido extracelular
(b)
FIGURA 2.14 Estructuras de una célula típica. (a) Imagen tridimensional de una célula. La membrana
plasmática separa la célula del líquido extracelular. El núcleo contiene la información genética. El citoplasma
contiene los orgánulos y el citoesqueleto, ambos rodeados por un líquido llamado citosol. Entre los orgánulos
se encuentran las mitocondrias, el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, los lisosomas, los peroxisomas,
los ribosomas y los vaults. (b) Ampliación de una parte de la membrana plasmática que muestra la bicapa
lipídica.
3. Nombra las subunidades que componen los polímeros siguientes:
glucógeno, proteínas y ácidos nucleicos. ¿Cuáles son las funciones
generales de cada uno de estos polímeros?
4. Nombra los cuatro tipos de reacciones químicas responsables de la
estructura terciaria de las proteínas por orden de fuerza del enlace.
Estructura de la célula
Cuando se juntan de una cierta manera, las biomoléculas forman
las unidades básicas de la vida: las células. El cuerpo humano contiene más de 1014 de células que trabajan conjuntamente para
mantener la homeostasis. Sorprendentemente, todas estas células
derivan de un único óvulo fecundado. Durante el desarrollo,
las células se diferencian en más de 200 tipos de células, cada una
especializada en su función. Aunque las células pueden especializarse tanto anatómica como funcionalmente, suelen tener los
mismos componentes básicos. En esta sección describimos los
componentes básicos de una célula «típica» (fig. 2.14).
Cada célula está rodeada por una membrana plasmática,
que la separa del líquido extracelular. Dentro de la célula hay
dos componentes principales: el núcleo, que es una estructura
que contiene la información genética para la célula y que está
rodeada por una membrana, y el citoplasma, que incluye todo
lo que hay dentro de la célula menos el núcleo. El citoplasma
mismo consiste en dos componentes principales: el citosol, o
líquido intracelular, y los orgánulos. El citosol es un líquido
parecido a un gel. Los orgánulos, que son estructuras compuestas por una variedad de biomoléculas, realizan funciones específicas en la célula, de modo parecido a como los órganos realizan funciones específicas en el organismo. Los orgánulos
membranosos están separados del citosol por una o más membranas, y los orgánulos no membranosos carecen de esa frontera
con el citosol.
30
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
Líquido extracelular
Cadena de hidratos
de carbono unida a
los lípidos
Glucolípido
Cadena de hidratos
de carbono unida a
las proteínas
Glucoproteína
Proteínas integrales
de membrana
Molécula de colesterol
Cabeza de
fosfolípidos (polar)
Colas de ácidos
grasos (no polares)
Proteínas periféricas
de membrana
Filamento del citoesqueleto
Bicapa de
fosfolípidos
Cabeza de
fosfolípidos (polar)
Citosol
FIGURA 2.15 Membrana plasmática. La flexible membrana plasmática
es, principalmente, una capa doble de fosfolípidos que tiene las
colas hidrófobas del fosfolípido enterradas dentro de la bicapa y las cabezas
hidrófilas de fosfato de cara al citosol y al líquido extracelular. Hay proteínas
integrales de membrana dispersas por toda la bicapa. Las proteínas periféricas
de membrana están asociadas a las proteínas integrales de membrana,
Esta sección describe la anatomía de una célula; las funciones generales de los diversos componentes de una célula se tratarán en una sección posterior.
Estructura de la membrana plasmática
La célula contiene varios tipos de membrana que hacen de
barrera entre compartimentos. Esta sección se centra en la
estructura de la membrana plasmática, que separa a la célula de
su medio externo. Las estructuras de la membrana nuclear, o
carioteca, que separa el núcleo del citoplasma, y las de las membranas situadas alrededor de los orgánulos, que separan el/los
compartimento/s interno/s de los orgánulos del citosol, son
similares a las de la membrana plasmática.
La estructura de la membrana plasmática, descrita como un
mosaico fluido, está compuesta por fosfolípidos, colesterol, proteínas e hidratos de carbono (fig. 2.15). A continuación, vamos a
describir cada uno de estos componentes.
Bicapa de fosfolípidos
Los fosfolípidos están dispuestos en una bicapa de tal modo que
las cabezas hidrófilas afrontan los entornos acuosos que hay
dentro de la célula (el citosol) y fuera de la célula (el líquido
extracelular); las colas hidrófobas se disponen mirándose unas a
otras (v. fig. 2.15). Esta bicapa forma la estructura básica de
la membrana. Se considera que la membrana es fluida porque los fosfolípidos y las otras moléculas de la membrana
no están unidas por enlaces químicos y pueden moverse lateralmente, en ocasiones incluso moviéndose de un extremo de
principalmente en el lado que está de cara al citosol, donde funcionan como
parte del citoesqueleto. Las moléculas de colesterol están dispersas por la
bicapa lipídica. Los hidratos de carbono, unidos a los lípidos de la membrana
o a las proteínas de la membrana, están de cara al líquido extracelular. Estos
lípidos y proteínas se denominan glucolípidos y glucoproteínas,
respectivamente.
la bicapa al otro. Las moléculas de colesterol se encuentran dentro de la bicapa lipídica, donde interfieren con las interacciones
hidrófobas entre las colas de fosfolípidos, que podrían hacer
que la bicapa se cristalizara y disminuyera su fluidez.
La bicapa de fosfolípidos constituye una barrera al movimiento de las grandes moléculas polares. Aunque las moléculas
de agua son polares, suelen poder cruzar la bicapa lipídica a través de canales hídricos, proteínas que forman poros en la membrana.
Proteínas de la membrana
La membrana plasmática se describe como un mosaico debido
a la presencia de proteínas dispersas en la bicapa, como islas en
un mar de fosfolípidos. Hay dos clases principales de proteínas
de la membrana: proteínas integrales de membrana y proteínas de membrana periféricas (v. fig. 2.15). Las proteínas integrales de membrana están incrustadas dentro de la bicapa lipídica,
de modo que solo se las puede disociar de la membrana si esta
se altera físicamente. Las proteínas integrales de membrana son
moléculas anfipáticas que están en contacto tanto con la bicapa
lipídica como con el entorno acuoso. Las superficies polares de
la proteína están de cara al entorno acuoso, que podría ser el
citosol, el líquido extracelular o ambos. Las zonas no polares
están incrustadas dentro de la bicapa lipídica.
Algunas proteínas integrales de membrana reciben el nombre de proteínas transmembranosas, porque cruzan la bicapa
lipídica, con superficies expuestas tanto al citosol como al líquido extracelular. A menudo, una proteína transmembranosa cruza la membrana por varios sitios. Las proteínas transmembrano-
Células: estructura y función
C A P Í T U LO 2
31
REPASO DE QUÍMICA
Moléculas polares y enlaces de hidrógeno
Cuando dos átomos están unidos por medio de enlaces covalentes,
comparten electrones. Sin embargo, este reparto puede ser equitativo
o no. Ciertos átomos, como el oxígeno (O), el nitrógeno (N) o el azufre (S), se adhieren fuertemente a los electrones. Por tanto, cuando se
unen a otros átomos, tienden a tirar de los electrones de otros átomos.
Como resultado, cada átomo de oxígeno, nitrógeno o azufre adquiere
una carga parcialmente negativa, porque tiene unos pocos electrones
más que los que le corresponderían en un «reparto equitativo» de electrones; esto es, tiene más electrones que los necesarios para equilibrar
la carga positiva de los protones en su núcleo. Por el contrario, al átomo
al que el oxígeno, nitrógeno o azufre está unido se queda con menos
carga de electrones que la que le correspondería en el «reparto equitativo», lo que le da una carga parcialmente positiva. Esto se puede ilustrar
como sigue para las moléculas en las que el oxígeno, el nitrógeno o el
azufre están unidos al hidrógeno, representando la R el resto de la molécula y la δ una carga parcial:
– +
R O H
–
R N H
H +
– +
R S H
Los enlaces caracterizados por un reparto de electrones tan desigual
se conocen como enlaces polares. En contraste, en los enlaces no polares los electrones se reparten más o menos equitativamente, de modo
que los átomos se quedan sin carga. Los enlaces carbono-carbono
(C — C) y carbono-hidrógeno (C — H) son ejemplos comunes de enlaces
no polares que se encuentran en las moléculas del organismo.
La presencia de cargas eléctricas dentro de una molécula polar
produce fuerzas eléctricas, cuya dirección sigue una regla simple: las
cargas de signo contrario se atraen; las cargas del mismo signo se
repelen. La región positiva de una molécula polar es atraída eléctricamente a la región negativa de otra molécula polar (o, en algunos
casos, las regiones positiva y negativa pueden estar dentro de la misma gran molécula polar). Esta atracción eléctrica mantiene juntas a las
dos moléculas polares, formando un enlace de hidrógeno. El enlace
polar se denomina enlace de hidrógeno, porque en una molécula polar suele ser un hidrógeno el que contiene la carga parcialmente
positiva. La molécula polar más común es el agua. Los enlaces de
hidrógeno entre moléculas polares de agua pueden representarse
como sigue:
+
H
H
O
–
Enlace
de hidrógeno
H
+
O
+
H
H
–
+
O
–
O
H
–
H
H
+
H
O
H
–
Aunque los enlaces de hidrógeno son enlaces débiles y pueden romperse fácilmente, son importantes para determinar la estructura de
grandes biomoléculas, como las proteínas y los ácidos nucleicos, y para
estabilizar las propiedades de las sustancias en el agua. El comportamiento de las moléculas en el agua es crítico para el funcionamiento
celular. Las moléculas polares son atraídas eléctricamente hacia las
moléculas polares de agua y, por tanto, se disuelven en agua. Las moléculas polares se denominan hidrófilas («amigas del agua») debido a su
capacidad para disolverse en el agua. Las moléculas no polares se denominan hidrófobas («enemigas del agua»), porque no se disuelven en el
agua.
Aunque el agua es el disolvente más común del organismo, las
membranas están compuestas por lípidos y la forma como una sustancia se disuelve en los lípidos también es importante para la fisiología.
Las moléculas no polares se disuelven en los lípidos y pueden penetrar
la bicapa de fosfolípidos de membranas; por tanto, se denominan lipófilas («amigas de los lípidos»). Las moléculas polares no pueden disolverse en lípidos ni penetrar la bicapa de fosfolípidos de las membranas;
por ello se denominan lipófobas («enemigas de los lípidos»). La tabla a
continuación resume la naturaleza de las moléculas que se mantienen
juntas gracias a los enlaces covalentes. Obsérvese que las moléculas
hidrófilas son lipófobas y que las moléculas hidrófobas son lipófilas.
Reparto de electrones en el enlace covalente
Clase de enlace covalente
Propiedad en el agua
Propiedad en los lípidos
Reparto equitativo
No polar
Hidrófoba
Lipófila
Reparto desigual
Polar
Hidrófila
Lipófoba
sas incluyen canales que permiten a los iones penetrar (o cruzar)
la membrana y proteínas transportadoras que transportan moléculas de un lado a otro de la membrana. Otras proteínas integrales de membrana están situadas solamente en un lado de esta.
Algunas de las proteínas que están de cara al citosol funcionan
como enzimas que catalizan las reacciones químicas que ocu-
rren en el citosol o como una clase especial de proteínas llamadas proteínas G (que se describen más adelante). Algunas de las
proteínas que miran al líquido extracelular funcionan como
enzimas que catalizan reacciones en el líquido extracelular o
como moléculas receptoras que unen mensajeros químicos de
otras células.
32
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
Las proteínas de membrana periféricas están unidas libremente a la membrana por asociaciones con proteínas integrales
de membrana o fosfolípidos. Las proteínas de membrana periféricas pueden disociarse de la membrana y, pese a ello, dejar la
membrana intacta. La mayoría de las proteínas de membrana
periféricas están situadas en la superficie citosólica de la membrana plasmática y a menudo funcionan como parte de un grupo de proteínas que compone el citoesqueleto.
Envoltura
nuclear o
carioteca
Poros
nucleares
Comprueba tus conocimientos
Nucléolo
Un científico desea determinar si una proteína concreta es una
proteína de membrana y, en tal caso, si es una proteína integral de
membrana o periférica. ¿Qué tipo de experimentos contestarían a
estas preguntas?
Cromatina
FIGURA 2.16 Núcleo. El núcleo está separado del citoplasma por
Hidratos de carbono de la membrana
También asociados a la membrana plasmática están los hidratos de carbono, unidos covalentemente a los lípidos de membrana o a proteínas para formar los glucolípidos o las glucoproteínas, respectivamente (v. fig. 2.15). Los hidratos de carbono de
la membrana plasmática están situados principalmente en la
superficie extracelular, donde tienen dos funciones principales:
forman el glucocáliz, una capa protectora que también mantiene juntas a las células, y funcionan en el reconocimiento celular,
esto es, etiquetan a la célula como perteneciente al organismo o
como un tipo diferente de célula. El reconocimiento es un
aspecto importante tanto de la respuesta inmune como del crecimiento tisular.
Estructura del núcleo
La mayoría de las células tienen un solo núcleo que contiene el
material genético de la célula, el ADN. El ADN existe en forma de
hilos finos llamados cromatina, salvo durante la división celular.
El núcleo suele aparecer como una estructura esférica prominente en la célula (fig. 2.16). Rodeando al núcleo está la membrana nuclear, o carioteca, constituida por dos membranas.
Estas membranas se fusionan intermitentemente, dejando huecos llamados poros nucleares, que permiten un movimiento
selectivo de moléculas entre el núcleo y el citoplasma. Dentro
del núcleo hay una estructura llamada nucléolo, que es el lugar
donde se realiza la síntesis de un tipo de ARN llamado ARN ribosómico (rARN). El núcleo interviene en la transmisión y expresión de la información genética. Codificada en el ADN está la
información genética para la síntesis de ARN y de proteínas. Más
adelante en este capítulo describiremos las importantes funciones del ADN y del ARN en la síntesis de proteínas.
Contenidos del citosol
El citosol es un líquido, con la consistencia de un gel, crucial
para muchos procesos celulares. Varias enzimas del citosol catalizan reacciones químicas específicas, como las diez enzimas
que rompen una glucosa en dos piruvatos en el proceso llamado
glucólisis. El citosol también almacena energía en forma de triglicéridos o glucógeno en masas llamadas inclusiones. Las
moléculas que van a ser liberadas de la célula, o secretadas, se
almacenan en sacos rodeados por membrana llamados vesículas secretoras. Además, la composición molecular del citosol es
su envoltura nuclear (o carioteca). Sus poros permiten el movimiento
de sustancias específicas entre el núcleo y el citoplasma. Situado en el
núcleo está el ADN, que contiene la información genética de cada
individuo. El ADN existe en forma de hilos finos llamados cromatina.
También dentro del núcleo se encuentra el nucléolo, donde se realiza
la síntesis del rARN.
crítica para el funcionamiento de las células. Por ejemplo, la
composición iónica del citosol desempeña un papel crucial en
las actividades de las células nerviosas y musculares.
Estructura de los orgánulos membranosos
Las membranas que rodean a ciertos orgánulos representan una
barrera entre el citosol y el interior del orgánulo, que crea compartimentos dentro del citoplasma. En algunos casos, dos membranas rodean un orgánulo, creando compartimentos dentro de
él. A continuación se describe la estructura de cada orgánulo
membranoso.
Retículo endoplásmico
El retículo endoplásmico consiste en una red elaborada de
membrana que cierra un compartimento interior llamado luz
(fig. 2.17). Hay dos tipos de retículo endoplásmico que difieren
en apariencia y función: el retículo endoplásmico rugoso y el
retículo endoplásmico liso. El primero recibe ese nombre por su
apariencia granular o «rugosa» con el microscopio, debida a la
presencia de ribosomas, que son complejos de rARN y proteínas necesarios para la síntesis de proteínas. Además, el retículo
endoplásmico rugoso tiene el aspecto de sacos aplanados. Por
el contrario, el retículo endoplásmico liso consiste en túbulos y
no tiene ribosomas adheridos a él, lo que le da un aspecto «liso».
La membrana del retículo endoplásmico rugoso se continúa por un lado con la membrana exterior de la membrana nuclear y por el otro lado con el retículo endoplásmico liso
(v. fig. 2.17).
El retículo endoplásmico es importante en la síntesis de
varios tipos de biomoléculas. El retículo endoplásmico rugoso
está asociado a la síntesis de proteínas que se secretarán de la
célula o se incorporarán a la membrana plasmática o están destinadas a otro orgánulo. En el retículo endoplásmico liso tiene
lugar la síntesis de lípidos, incluyendo los triglicéridos y los esteroides, y es el lugar en el que se almacenan los iones de calcio.
Células: estructura y función
C A P Í T U LO 2
33
REPASO DE QUÍMICA
Iones y enlaces iónicos
Cuando los átomos forman enlaces químicos, los electrones de los átomos interactúan. Vimos en «Repaso de química: Moléculas polares y enlaces de hidrógeno» cómo los electrones podían ser compartidos por átomos para formar enlaces covalentes. Sin embargo,
algunos átomos tienden a ganar o perder electrones completamente
durante una reacción química, terminando con un exceso o un déficit
de los mismos. Cuando se ganan o pierden electrones de un átomo o
molécula, el número de electrones cargados negativamente ya no es
igual al número de protones cargados positivamente, y se forma una
partícula cargada llamada ion. Los átomos que ganan un electrón
adquieren una carga negativa y se denominan aniones, mientras que
los átomos que pierden un electrón adquieren una carga positiva y se
llaman cationes.
Cuando los aniones y los cationes están presentes en los sólidos,
tienden a formar cristales en los que los cationes y los aniones están
estrechamente relacionados. Un ejemplo conocido es el cloruro sódico (NaCl) o sal de mesa, que contiene iones de sodio (Na+) e iones de
cloruro (Cl–). Los iones de sodio se forman cuando los átomos de sodio
pierden un electrón, produciendo un ion con 11 protones y 10 electrones. Los iones de cloruro se forman cuando los átomos de cloro ganan
un electrón, produciendo un ion con 17 protones y 18 electrones. Este
proceso ocurre como sigue:
del organismo son electrolíticos y contienen varios iones pequeños
(conocidos como iones inorgánicos), entre los que se encuentran el
sodio, el potasio (K+), el calcio (Ca+), el hidrógeno (H+), el magnesio
(Mg2+), el cloruro, el sulfato (SO42–) y el bicarbonato (HCO3–).
También se pueden encontrar grupos químicos ionizados en ciertos
tipos de biomoléculas. Los iones y las moléculas que contienen un
número significativo de grupos ionizados son hidrófilos, porque están
eléctricamente atraídos hacia el agua.
Cl–
Cl–
Cl–
Na+
Cl–
Na+
Cl–
Na+
Cl–
Na+
Cl–
Cl–
Cl–
H 2O
Cl
Na
–
e–
O
H
Na
+
Cl
–
H
+
O
–
En un cristal de NaCl, los cationes (Na ) y los aniones (Cl ) se mantienen unidos gracias a fuerzas eléctricas de atracción debidas a sus cargas
opuestas. Estas fuerzas a veces se denominan enlaces iónicos. Cuando los sólidos iónicos se disuelven en agua, las atracciones eléctricas
entre los iones y las moléculas polares de agua afectan a los enlaces
iónicos, dejando libres a los cationes y a los aniones para disociarse en
partículas separadas. Este proceso se puede ilustrar para el cloruro sódico como se muestra en la columna derecha.
Las soluciones que contienen iones disueltos se describen como
electrolíticas, porque son buenas conductoras de la electricidad, en
cuyo caso las sustancias iónicas se denominan electrólitos. Los líquidos
Además, el retículo endoplásmico liso está especializado en ciertas células. Por ejemplo, en las células hepáticas, el retículo
endoplásmico liso contiene enzimas antitóxicas que descomponen las sustancias tóxicas de la sangre.
Aparato de Golgi
El aparato de Golgi consiste en sacos aplanados rodeados de
membrana llamados cisternas (fig. 2.18). El aparato de Golgi está
+
Cl–
+
H
–
H
+
H
H
O
–
–
+
H
H
H
O
O
+
H
–
H
+
O
H
Na+ –
–
O
H
H
+
–
+
H
H
O
H
–
H
+
O
H
–
O
O
+
H
H
Na+ –
–
H
O
H
H
+
O
–
+
+
H
Cl–
H
estrechamente asociado al retículo endoplásmico por una cara,
llamada la cara cis, aunque las membranas del aparato de Golgi
y del retículo endoplásmico están separadas. La otra cara del
aparato de Golgi se orienta hacia la membrana plasmática y recibe el nombre de cara trans. El aparato de Golgi procesa las moléculas sintetizadas en el retículo endoplásmico y las prepara para
que sean transportadas a su ubicación final. Empaqueta moléculas en vesículas y dirige a las vesículas hacia el lugar adecuado.
Algunas vesículas transportan sustancias hacia emplazamientos
34
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
Luz del
retículo
endoplásmico
Retículo
endoplásmico
liso
Poro nuclear
Ribosoma
Núcleo
Retículo
endoplásmico
rugoso
Envoltura nuclear
FIGURA 2.17 Retículo endoplásmico. La membrana del retículo endoplásmico se continúa con la
membrana externa de la envoltura nuclear. El retículo endoplásmico rugoso es el más cercano al núcleo y está
constituido por sacos aplanados con ribosomas adheridos a su superficie externa. La membrana del retículo
endoplásmico se continúa con la del retículo endoplásmico liso, que es tubular y carece de ribosomas.
Aparato de Golgi
Retículo
endoplásmico
Cisternas
Cara
cis
Cara
trans
Membrana
plasmática
Citosol
Líquido
extracelular
FIGURA 2.18 Aparato de Golgi. El aparato de Golgi consiste en apilamientos de sacos aplanados
llamados cisternas. Una cara del aparato de Golgi mira hacia el retículo endoplásmico; la otra cara a la
membrana plasmática.
intracelulares, mientras que las vesículas secretoras transportan
las sustancias hacia el exterior celular.
Mitocondrias
Las mitocondrias están rodeadas por dos membranas (fig. 2.19).
La membrana mitocondrial externa separa la mitocondria del citosol, mientras que la membrana mitocondrial interna divide cada
mitocondria en dos compartimentos: el espacio intermembranoso,
el área entre las dos membranas, y la matriz mitocondrial, el com-
partimento más interno. La membrana mitocondrial interna es un
compartimento funcional en sí mismo porque alberga una serie de
proteínas y otras moléculas llamadas cadena de transporte de electrones. Para aumentar el área del sistema de transporte de electrones, la membrana interna se dobla en túbulos llamados crestas.
A menudo, se llama a las mitocondrias las «centrales eléctricas» de
la célula, porque la mayor parte de la energía que la célula puede
utilizar, el ATP, se produce en estos orgánulos.
El número de mitocondrias por célula varía considerablemente en los diversos tipos de células dependiendo de las nece-
C A P Í T U LO 2
Membrana externa
Espacio
intermembranoso
Matriz
Membrana
interna
Células: estructura y función
35
sidades energéticas de cada célula en particular. Por ejemplo,
como las células musculares demandan grandes cantidades de
energía, contienen numerosas mitocondrias. Por el contrario,
los glóbulos rojos, cuya función principal es el transporte de
gases, no contienen mitocondrias.
Lisosomas
Los lisosomas son pequeños orgánulos esféricos rodeados de
una membrana simple (fig. 2.20). Los lisosomas contienen enzimas que degradan los restos intracelulares y extracelulares que
se hayan introducido en la célula. Por ejemplo, después de que
los lisosomas se fusionen con orgánulos viejos que ya no estén
funcionando, las enzimas existentes dentro de los lisosomas
degradan los orgánulos y reciclan los componentes utilizables,
eliminando los productos de desecho de la célula. En caso de
que haya demasiados restos extracelulares, las células pueden
digerir partículas extracelulares gracias a un proceso llamado
endocitosis, en el que las partículas se encierran dentro de una
vesícula y se llevan al interior de la célula. Entonces, los lisosomas se fusionan con la vesícula, haciendo que sus enzimas puedan degradar las partículas. El proceso de endocitosis se describe en el capítulo 4.
Crestas
(a)
Mitocondria
Matriz
Crestas
Peroxisomas
Los peroxisomas son orgánulos esféricos ligeramente más
pequeños que los lisosomas y están rodeados por una membrana simple. Su función es la degradación de moléculas como los
aminoácidos, los ácidos grasos y la materia tóxica externa. En el
proceso de esta degradación, a menudo producen peróxido de
hidrógeno (H2O2), que es tóxico en sí mismo. Una de las características más notables de los peroxisomas es la presencia de la
enzima catalasa, que cataliza la descomposición del peróxido de
hidrógeno para formar agua y oxígeno:
(b)
FIGURA 2.19 Mitocondrias. (a) Dibujo de una mitocondria. La membrana
mitocondrial externa separa la mitocondria del citosol, mientras que la
membrana mitocondrial interna separa la mitocondria en una matriz interna
y el espacio intermembranoso. La membrana interna tiene numerosos
repliegues llamados crestas. (b) Microfotografía de una mitocondria.
Lisosomas
2 H2O2 r 2 H2O + O2
Esta reacción evita la acumulación del tóxico peróxido de
hidrógeno.
Subunidad ribosómica
grande
Subunidad ribosómica
pequeña
(a) Subunidades ribosómicas
(b) Ribosoma
FIGURA 2.21 Ribosomas. Para que dé comienzo la síntesis de proteínas,
FIGURA 2.20 Microfotografía electrónica de los lisosomas.
(a) las dos subunidades libres del citosol deben unirse para formar (b) un
ribosoma.
36
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
DESCUBRIMIENTOS
Vaults y quimioterapia
En los años ochenta, los científicos descubrieron los vaults en las células hepáticas humanas. Los vaults son ribonucleoproteínas que
consisten en ARN (llamado vault ARN o vARN)
y proteínas. Son más grandes que los ribosomas, que también son ribonucleoproteínas, y
se han encontrado en casi todas las células del
organismo en las que se ha buscado su presencia. La mayoría de los vaults están en el
citoplasma, pero se han encontrado algunos
en el núcleo; incluso un estudio los ha localizado en los poros nucleares. Se han detectado
tres tipos de proteínas en los vaults, siendo la
más abundante la proteína vault mayor (PVM).
La estructura molecular de las proteínas vault
se ha conservado en la evolución de los organismos eucarióticos, lo que sugiere que realizan una función crítica.
Aunque el funcionamiento de los vaults
sigue siendo objeto de investigación, algunas
evidencias indican que contribuyen al transporte intracelular. Los vaults tienen una gran
cavidad interna capaz de albergar cientos de
proteínas. Algunos estudios sugieren que funcionan como lanzaderas entre el núcleo y el
citoplasma, transportando sustancias como
los ribosomas, el ARN y las proteínas a lo largo
de esta vía. Puede que los vaults y el citoesqueleto colaboren en el transporte citoplásmico.
Los vaults también podrían participar en el
desarrollo embrionario, señalando la supervivencia o la diferenciación celular. A medida
que se desarrolla el embrión, muchas células
sufren un proceso llamado apoptosis, o muerte celular programada. Puede que los vaults
induzcan cambios bioquímicos dentro de las
células que se oponen a las señales responsables de la apoptosis.
A pesar de que su funcionamiento sigue
siendo un misterio, potencialmente los vaults
podrían tener un papel muy valioso en la terapia contra el cáncer. A finales de los años
noventa, los investigadores descubrieron que
los pacientes con cáncer que muestran resistencia a gran variedad de quimioterapias, lo
que se llama resistencia a múltiples fármacos, tienen una mayor concentración de
vaults en sus células que las personas que no
poseen esta resistencia. Varios estudios sugieren que se pueden utilizar las concentraciones
de PVM en pacientes con cáncer como marcador para identificar a esas personas que ofrecen resistencia a los tratamientos propuestos
Estructura de los orgánulos no membranosos
A pesar de que los orgánulos no membranosos no tienen una
barrera que los separe del citosol, se consideran orgánulos, porque están constituidos por biomoléculas organizadas en estructuras que realizan funciones específicas dentro de la célula.
Ribosomas
Los ribosomas son gránulos densos compuestos por rARN y proteínas que participan en la síntesis de proteínas. Cada ribosoma
consiste en una subunidad pequeña y una subunidad grande,
separadas entre sí y situadas en el citosol cuando el ribosoma no
está activo (fig. 2.21a). Durante la síntesis de proteínas (de las
que se habla más tarde en este capítulo), las dos subunidades se
juntan en el citosol para formar un ribosoma funcional
(fig. 2.21b). Después de que la síntesis de proteínas haya comenzado, algunos ribosomas permanecen libres en el citosol, mientras que otros se unen al retículo endoplásmico rugoso. Las proteínas sintetizadas en los ribosomas libres pueden quedarse en
el citosol o entrar en una mitocondria, el núcleo o un peroxiso-
para su enfermedad. Algunos estudios también indican que la PVM contribuye a la progresión del cáncer, posiblemente por su función transportadora. Es necesario seguir
investigando para dilucidar totalmente el funcionamiento de las proteínas vault, lo que
también podría conducir a un mejor tratamiento del cáncer.
ma. Las proteínas sintetizadas en el retículo endoplásmico rugoso serán empaquetadas en vesículas por el aparato de Golgi y
dirigidas a su destino final.
Vaults
Los vaults son el orgánulo de más reciente descubrimiento y se
consideran prometedores en el tratamiento contra el cáncer
(v. «Descubrimientos: Vaults y quimioterapia»). Los vaults son
estructuras con forma de barril que incluyen proteínas y ARN
vault (vARN). La mayoría de los vaults están situados en el citoplasma e interactúan con el citoesqueleto; un pequeño porcentaje de vaults se encuentran en el núcleo. Aunque el funcionamiento de los vaults sea desconocido, los estudios sugieren que
ayudan en el transporte intracelular y que también pueden
constituir una señal química para la supervivencia celular.
Centríolos
Los centríolos son estructuras cortas y cilíndricas constituidas
por manojos de filamentos de proteínas. Cada célula tiene dos
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
37
Ribosoma
Retículo
endoplásmico
Filamento
intermedio
Mitocondria
Microtúbulo
Microfilamento
Proteína
integral de
membrana
Proteína
periférica de
membrana
Membrana
plasmática
FIGURA 2.22 Citoesqueleto. El citoesqueleto está constituido por tres tipos de filamentos que aportan
a la célula soporte estructural y que dan algún grado de motilidad o contractibilidad. Los orgánulos están
suspendidos en el citosol mediante los filamentos.
Actina G
Actina F
Microfilamento
(actina)
FIGURA 2.23 Microfilamentos. Filamento de actina, el microfilamento
más común. Los filamentos de actina consisten en dos hebras de actina F
dispuestas helicoidalmente, una proteína fibrosa formada por cadenas de
la proteína globular actina G.
centríolos orientados perpendicularmente entre sí (v. fig. 2.14).
Su función es dirigir el desarrollo de una estructura llamada huso
mitótico (o huso acromático) durante la división celular.
Citoesqueleto
El citoesqueleto es un entramado de proteínas fibrosas, también
denominadas filamentos, que dota a la célula de estructura y
soporte, de manera similar a como el esqueleto proporciona
apoyo para el cuerpo (fig. 2.22). El citoesqueleto no es rígido ni
tiene una estructura fija. Las proteínas fibrosas que lo forman
pueden desmontarse y volver a montarse cuando sea necesario.
Entre las funciones del citoesqueleto se encuentran el apoyo
mecánico y la estructura, el transporte intracelular de sustancias, la suspensión de los orgánulos, la formación de uniones
intercelulares, la contracción y el movimiento de ciertas células.
Varios tipos de filamentos forman el citoesqueleto, incluyendo los
microfilamentos, los filamentos intermedios y los microtúbulos.
La clasificación de los filamentos se basa en sus diámetros.
Los microfilamentos tienen el diámetro más pequeño (7 nm)
entre las proteínas fibrosas. Un microfilamento llamado actina
(fig. 2.23) tiene varias funciones en las células, incluyendo la
contracción muscular, el movimiento «ameboide» de las células
y la separación del citoplasma durante la división celular. Otros
microfilamentos de actina proporcionan el soporte estructural
para unas proyecciones especiales de las células llamadas
microvellosidades, que a menudo se encuentran en las células
epiteliales especializadas en el intercambio de moléculas. La
actina es una estructura dinámica, que se desmonta y se vuelve
a montar constantemente. La unidad de actina es una proteína
globular llamada actina G. Para formar los filamentos de actina,
la actina G debe polimerizarse para formar actina F, que entonces se une a una segunda actina F para formar una hélice.
Los filamentos intermedios tienen un diámetro (10 nm)
entre el de los microfilamentos y el de los microtúbulos. Los filamentos intermedios tienden a ser más fuertes y más estables que
los microfilamentos. Los filamentos intermedios llamados queratina se encuentran en las células de la piel y del pelo. La miosina es un filamento intermedio que se encuentra en las células
38
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
Punta del cilio
-Tubulina
-Tubulina
Dímero
Tubulin
dimer
de tubulina
Radio
Brazos
de dineína
Microtúbulo
Doblete de
microtúbulos
Microtúbulos
Membrana
Filamentos
de anclaje
Par
central de
microtúbulos
FIGURA 2.24 Microtúbulos. Disposición de microtúbulos en un cilio. Cada cilio contiene diez pares
de microtúbulos, nueve como dobletes periféricos y un par central. Los dobletes contienen brazos de
dineína para la motilidad. Los microtúbulos se montan y se desmontan en unas subunidades llamadas
dímeros.
musculares, donde colabora con la actina para producir la contracción.
Los microtúbulos, los filamentos que tienen el diámetro
más grande (25 nm), están compuestos por largos tubos huecos. Como los microfilamentos, los microtúbulos son estructuras dinámicas que constantemente se están montando y desmontando. La unidad de montaje de un microtúbulo es el
heterodímero de subunidades globulares llamadas B y C tubulina. Los microtúbulos dotan de fuerza al citoesqueleto. También forman las fibras de huso, que ayudan en la distribución
de los cromosomas durante la división celular y en el movimiento direccional de las vesículas y las grandes biomoléculas
dentro del citosol. Además, los microtúbulos son los componentes de dos estructuras motiles: los cilios y los flagelos
(fig. 2.24).
Los cilios y los flagelos son protuberancias con forma de
pelos que salen de la superficie celular y que pueden moverse de
una manera similar a una ola. El movimiento de los cilios propulsa partículas a lo largo de los conductos huecos del organismo. Por ejemplo, en las vías respiratorias, los cilios arrastran la
mucosidad que contiene partículas inhaladas atrapadas en los
pulmones hacia la boca, donde puede tragarse. Un cilio consiste
en diez pares de microtúbulos dispuestos de modo que nueve de
los pares rodean a un par central. Los microtúbulos emparejados están conectados por proteínas llamadas brazos de dineína,
que ayudan a generar la fuerza necesaria para que los microtúbulos se deslicen uno por detrás del otro; este movimiento deslizante crea el movimiento en forma de olas de un cilio. Los flagelos son parecidos a los cilios en su estructura básica, pero son
más largos y en los seres humanos solo se encuentran en un tipo
de célula: el espermatozoide. Los flagelos propulsan a los espermatozoides a través del aparato reproductor femenino hacia el
óvulo.
Comprueba tus conocimientos
Se sabe que el humo de los cigarrillos paraliza y destruye los cilios
situados en las vías respiratorias que van hacia los pulmones. ¿Cuál
es la consecuencia de la pérdida de acción de los cilios?
La tabla 2.2 resume los diversos componentes de la célula y
sus funciones principales.
Test rápido 2.2
1. ¿Dónde se encuentra almacenada la información genética de una
célula? ¿Qué tipo de molécula almacena esta información?
2. Describe la estructura básica de la membrana plasmática. Nombra
cuatro funciones de las proteínas de membrana.
3. Describe las funciones básicas de cada uno de los orgánulos.
4. ¿Cuáles son los tres tipos de filamentos que se encuentran en el citoesqueleto? Nombra una función especial de cada tipo de filamento.
Uniones intercelulares
En muchos tejidos, las células se mantienen juntas gracias a
unas proteínas de membrana especiales llamadas moléculas de
adhesión celular. Otras proteínas funcionan en adhesiones celulares más especializadas, en las que el fin es más amplio que la
mera unión de células entre sí. Hay tres tipos principales de
uniones especiales: las uniones estrechas, los desmosomas y las
uniones comunicantes (también llamadas uniones gap o en hendidura).
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
39
TABLA 2.2 Resumen de las estructuras celulares y de sus funciones
Parte de la célula
Estructura
Función
Membrana plasmática
Bicapa lipídica con proteínas y moléculas de colesterol
dispersas
Establece y mantiene los límites de la célula y la integridad
de su estructura; las proteínas que lleva en su interior
realizan múltiples funciones
Núcleo
Rodeado de una envoltura nuclear de doble capa
Alberga el ADN, que establece la función celular y la síntesis
de proteínas
Nucléolo
Estructura oval oscura dentro del núcleo
Síntesis del ARN ribosómico
Citosol
Líquido con la consistencia de un gel
Metabolismo celular, almacenamiento
Retículo endoplásmico rugoso
Se continúa con la envoltura nuclear; sacos aplanados
salpicados de ribosomas
Síntesis de proteínas y procesamiento posterior a la
traducción
Retículo endoplásmico liso
Se continúa con el retículo endoplásmico rugoso;
estructura tubular sin ribosomas
Síntesis de lípidos y procesamiento de proteínas posterior a
la traducción; transporte de moléculas del retículo
endoplásmico al aparato de Golgi; almacenamiento de
calcio
Aparato de Golgi
Serie de sacos aplanados cerca del retículo
endoplásmico
Procesamiento posterior a la traducción; empaquetamiento
y clasificación de proteínas
Mitocondrias
De forma ovalada, con una membrana externa y una
membrana interna con pliegues llamados crestas que se
proyectan hacia la matriz
Síntesis de ATP
Lisosomas
Son granulares y con forma de saco; están dispersos por
el citoplasma
Descomposición de los restos celulares y extracelulares
Peroxisomas
De aspecto parecido al de los lisosomas, pero más
pequeños
Descomposición de sustancias tóxicas, incluyendo el
peróxido de hidrógeno
Vaults
Pequeños, con forma de barril
Desconocida; posiblemente el transporte de moléculas
entre el núcleo y el citoplasma
Ribosomas
Orgánulos granulares compuestos por proteínas y rARN;
situados en el citosol o sobre la superficie del retículo
endoplásmico rugoso
Traducción de mARN para sintetizar proteínas
Centríolos
Dos montones cilíndricos de filamentos de proteínas
colocados perpendicularmente entre sí
Dirigir el desarrollo del huso mitótico durante la división
celular
Citoesqueleto
Compuesto por filamentos de proteínas, incluyendo
microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos
Soporte estructural de la célula; movimiento y contracción
celular
Orgánulos membranosos
Orgánulos no membranosos
Uniones estrechas
Desmosomas
Las uniones estrechas se suelen encontrar en el tejido epitelial
especializado en el transporte molecular. En las uniones estrechas, unas proteínas integrales de membrana llamadas ocludinas
fusionan células adyacentes entre sí para que formen una barrera
casi impermeable al movimiento de sustancias entre células
(fig. 2.25). Gracias a esta barrera, los solutos tienen, en general,
que cruzar la capa epitelial de células para pasar de un lado del
epitelio al otro (transporte transepitelial), más que tener que dar
la vuelta alrededor de las células (movimiento paracelular).
Las células epiteliales a menudo revisten estructuras huecas,
como los órganos del aparato digestivo o los túbulos renales.
El compartimento interno de un órgano hueco, la luz, se separa
del citosol de cada célula epitelial por la membrana apical. La
membrana que mira al líquido extracelular se denomina membrana basolateral. Las células epiteliales que revisten los órganos a menudo tienen uniones estrechas que restringen o regulan
el movimiento de moléculas de la luz del órgano hacia la sangre
o de la sangre a la luz. Debido a estas uniones estrechas, la composición de los contenidos de la luz puede ser diferente de la de
la sangre.
Los desmosomas se encuentran en tejidos sujetos a estrés mecánico, como los del corazón, el útero y la piel. Un desmosoma es
una unión filamentosa entre dos células adyacentes que aporta
fuerza para que las células no se rasguen cuando el tejido está
sometido a estrés. La figura 2.26a muestra la estructura de los
desmosomas en el corazón, donde están estrechamente asociados a otro tipo de uniones, llamadas uniones comunicantes (que
se describen a continuación). En el lugar que ocupa cada desmosoma hay una placa formada por glucoproteínas agrupadas
dentro de cada célula. Saliendo de esta placa hay tanto filamentos de proteínas intracelulares como filamentos de proteínas
llamadas cadherinas, que cruzan la membrana plasmática en
dirección al espacio extracelular. Las cadherinas están unidas a
los filamentos intracelulares en la placa.
Uniones comunicantes
Aunque las uniones comunicantes se encuentran en muchos
tipos de tejidos, son más conocidas por su presencia en el
músculo liso y en el cardíaco, donde permiten que el músculo se
40
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
Microvellosidades
Membrana
apical
Luz
Unión
estrecha
Membrana plasmática
de células adyacentes
Soluto polar
Membrana
basolateral
Espacio
intercelular
Ocludinas
Líquido
intersticial
Sangre
Soluto polar
Uniones estrechas
FIGURA 2.25 Uniones estrechas. Las uniones estrechas se suelen encontrar en el tejido epitelial, donde
limitan el movimiento de las moléculas por el espacio intersticial entre las células epiteliales. Unas proteínas
llamadas ocludinas unen dos células adyacentes entre sí de tal manera que forman uniones casi impermeables.
Las moléculas polares que no pueden cruzar las bicapas lipídicas tampoco suelen poderse mover entre las
células conectadas por uniones estrechas.
contraiga como una unidad. Las uniones comunicantes son
áreas en las que dos células adyacentes están conectadas por
unas proteínas de membrana llamadas conexones (fig. 2.26b).
Cada conexón se compone de seis proteínas de membrana más
pequeñas llamadas conexinas. Los conexones de las células
adyacentes se unen entre sí, formando pequeños canales que
facilitan que los iones y las moléculas pequeñas se muevan entre
las dos células.
Las uniones comunicantes proporcionan un acoplamiento
eléctrico y metabólico directo de las células adyacentes. El movimiento de iones entre las células acopla eléctricamente a estas
últimas, de tal modo que si las propiedades eléctricas de una
célula cambian, los iones pasan de esta célula a la adyacente
mediante la unión comunicante, produciendo el mismo tipo de
cambio eléctrico. Este proceso permite que las células del corazón, por ejemplo, actúen de una manera coordinada para que
puedan contraerse al unísono. En lugares como los huesos, las
uniones comunicantes permiten que los nutrientes viajen de
las células cercanas al torrente sanguíneo a células que se
encuentran profundamente dentro del tejido. Las uniones
comunicantes también permiten el paso de algunos mensajeros
químicos, como la molécula cAMP. De esta manera, una señal
iniciada en una célula puede ser transmitida a las células adyacentes.
Funciones generales de la célula
Nuestras células tienen funciones especializadas que contribuyen a la homeostasis. Por ejemplo, las células musculares se
contraen para generar fuerza y las células nerviosas usan
impulsos eléctricos y mensajeros químicos para la comunicación. A pesar de estas funciones específicas, la mayoría de las
células del organismo realizan varias funciones generales, de
las que vamos a hablar a continuación. En capítulos posteriores se describen en detalle las funciones especializadas de las
células.
Metabolismo
Todas las células del organismo realizan varias reacciones químicas. El metabolismo se refiere a todas las reacciones químicas que
tienen lugar en el organismo, y se puede dividir en dos clases de
reacciones químicas: 1) anabolismo, la síntesis de moléculas grandes a partir de moléculas pequeñas, que requiere un aporte de
energía, y 2) catabolismo, la descomposición de moléculas grandes en moléculas más pequeñas, lo cual libera energía. Cada
segundo, miles de reacciones anabólicas y catabólicas tienen lugar
en casi cada célula del organismo. Estas reacciones están reguladas en gran medida por la presencia de enzimas. Aprenderemos
más sobre el metabolismo celular y las enzimas en el capítulo 3,
y sobre el metabolismo de todo el organismo en el capítulo 21.
Transporte celular
Hemos visto que la bicapa lipídica es una barrera para las moléculas hidrófilas. Sin embargo, las células necesitan que las
moléculas hidrófilas realicen sus funciones, y las células también liberan moléculas hidrófilas al medio extracelular. El proceso por el que las moléculas entran o salen de las células se llama
transporte de membrana.
Las moléculas no polares pueden penetrar la membrana
plasmática y, simplemente, la atravesarán por difusión. Las
moléculas polares más pequeñas también pueden penetrar la
mayoría de las membranas plasmáticas. Sin embargo, las moléculas polares más grandes no pueden atravesar la bicapa lipídica; algunas de estas moléculas solo pueden cruzar las membranas plasmáticas con la ayuda de proteínas transmembranosa o
vesículas. Por ejemplo, algunas moléculas, como la glucosa y los
aminoácidos, son transportadas a través de la membrana
mediante proteínas transportadoras. Otras moléculas, como el
agua y los iones, pueden moverse a través de canales. Las proteínas y otras macromoléculas son demasiado grandes para
ser transportadas a través de la membrana plasmática por proteínas transportadoras o para moverse a través de los canales. En
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
41
Célula muscular
cardíaca
Membranas
plasmáticas
de células
adyacentes
Membranas plasmáticas
de células adyacentes
Placa
Espacio
intercelular
Conexón
Conexinas
Filamentos
intracelulares
Espacio
intercelular
Canal para el paso de
moléculas pequeñas e iones
Filamentos intercelulares
(cadherinas)
(a) Desmosoma
(b) Uniones comunicantes
FIGURA 2.26 Desmosomas y uniones comunicantes en el músculo cardíaco. (a) Los desmosomas son
uniones fuertes entre células en tejidos sujetos a estrés. Los filamentos de proteínas salen de una placa situada
cerca de la membrana plasmática, donde las dos células se unen. Algunos de estos filamentos están
localizados dentro de las células (filamentos intracelulares), mientras que otros filamentos, llamados
cadherinas (filamentos intercelulares), salen hacia el espacio intercelular, uniendo las dos células entre sí.
(b) Las uniones comunicantes son áreas de membrana que contienen unas proteínas llamadas conexones, que
forman canales que unen el citoplasma de dos células adyacentes. Estos canales permiten que los iones y las
moléculas pequeñas pasen entre las células adyacentes.
su lugar, para que estas macromoléculas se muevan, deben ser
empaquetadas en vesículas. En el capítulo 4 se describe en detalle el transporte celular.
Comunicación intercelular
La comunicación es otra función que realizan todas las células.
Una sola célula del organismo no puede existir aislada. Las células deben comunicarse unas con otras para mantener un entorno en el que puedan sobrevivir. La comunicación puede ser
directa, como ocurre a través de las uniones comunicantes. Sin
embargo, a menudo la comunicación implica que una célula
libere un mensajero químico que actúa sobre una segunda célula. Las dos células que se comunican pueden ser adyacentes
entre sí o bien pueden estar en áreas muy diferentes del organismo. En general, unas células liberan moléculas mensajeras que
alcanzan a otras células, llamadas células diana, que contienen
proteínas que funcionan como receptores para ese mensajero
específico. La unión de la molécula mensajera a su receptor específico desencadena una respuesta en la célula diana.
Como ejemplo de esa comunicación intercelular, un mensajero químico, la hormona antidiurética (ADH), se libera en la
sangre por exocitosis de una glándula endocrina en el cerebro.
Cuando la ADH alcanza sus células diana (ciertas células renales), la hormona se une a sus receptores. Esta unión estimula la
inserción de canales de agua en las células renales, lo que
aumenta la conservación del agua, impidiendo que parte del
agua pase a formar orina. Los diversos tipos de mensajeros químicos y los mecanismos por los que producen una respuesta en
las células diana son los temas de los que trata el capítulo 5.
Test rápido 2.3
1. Describe brevemente los tres tipos de adhesiones celulares y pon un
ejemplo de dónde se encuentra cada una.
2. Describe la función de las proteínas transmembranosas en el transporte de moléculas a través de la membrana plasmática.
Síntesis de las proteínas
En este punto deberíamos darnos cuenta de que las proteínas
son biomoléculas muy importantes de nuestras células. Dentro
42
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
del ADN están los códigos de la síntesis de todas las proteínas de
nuestras células. Este código se llama código genético, y es universal a todas las especies animales. A pesar de que el ADN esté
situado en el núcleo, la síntesis de proteínas tiene lugar en el
citoplasma. Por tanto, el código debe transmitirse a otra molécula, llamada ARN mensajero (mARN), que pueda salir hacia el
citoplasma. Los pasos generales de la síntesis de proteínas son:
Gen
(a) Doble cadena
de ADN
(b) Cadena sentido
del ADN
1. El ADN se transcribe según el código genético para formar un
mARN complementario en el núcleo.
2. El mARN se mueve del núcleo al citoplasma.
3. En el citoplasma, los ribosomas traducen el mARN para formar la secuencia correcta de aminoácidos de la proteína.
Triplete
Triplete
Triplete
G T C
A C A
T G A
Transcripción
C A G
U G U
A C U
Codón
Codón
Codón
(c) mARN
Para una excepción a la regla sobre la síntesis de proteínas,
véase «Conexiones clínicas: ADN mitocondrial en las enfermedades, la antropología y la medicina forense».
FIGURA 2.27 Código genético. (a) Un gen, que es una parte del ADN que
describe el proceso de transcripción del ARN a partir del ADN,
utilizando mARN como ejemplo.
La figura 2.28 ilustra el proceso de transcripción. El primer
paso es que el ADN se desenrolla y se separa en dos cadenas en
el lugar en el que está ocurriendo la transcripción. La cadena
sentido del ADN contiene el gen y las funciones como si fuera
una plantilla para la síntesis de mARN. La secuencia promotora
identifica la sección de ADN con el gen. Esta secuencia es una
secuencia de bases específica a la que se puede unir la enzima
ARN polimerasa. Cuando la ARN polimerasa se une a la secuencia promotora, inicia la separación del ADN en dos cadenas.
Esto permite que los ribonucleótidos libres en forma de trifosfato (ATP, UTP, GTP y CTP) se alineen con la plantilla de ADN
TABLA 2.3 Código genético humano
Segunda base del codón
U
Phe
U
C
A
Transcripción
La transcripción es el proceso en el que el ARN es sintetizado
utilizando información contenida en el ADN, y tiene lugar en el
núcleo. Se pueden transcribir tres tipos de ARN a partir del ADN:
1) mARN; 2) rARN, y 3) tARN (ARN de transferencia). Cada tipo
de ARN está implicado en la síntesis de proteínas. Esta sección
G
C
Ser
A
Tyr
G
Cys
U
Phe
Ser
Tyr
Cys
C
Leu
Ser
STOP
STOP
A
Leu
Ser
STOP
Trp
G
U
Leu
Pro
His
Arg
Leu
Pro
His
Arg
C
Leu
Pro
Gln
Arg
A
Leu
Pro
Gln
Arg
G
Ile
Thr
Asn
Ser
U
Ile
Thr
Asn
Ser
C
Ile
Thr
Lys
Arg
A
Met
Thr
Lys
Arg
G
Val
Ala
Asp
Gly
U
Val
Ala
Asp
Gly
C
Val
Ala
Asp
Gly
A
Val
Ala
Glu
Gly
G
Tercera base del codón
Recordemos que el ADN está constituido por dos cadenas de
nucleótidos que se mantienen juntas gracias a los enlaces
de hidrógeno entre los pares de bases complementarias. La
secuencia de las cuatro bases del ADN codifica para la secuencia
de los aminoácidos en las proteínas. La sección del ADN que
codifica para una proteína o proteínas concreta/s se denomina
gen (fig. 2.27a). Solo una cadena de ADN, la hebra sentido, contiene el código real.
En las proteínas hay veinte aminoácidos diferentes. La
secuencia de bases del ADN debe proporcionar información
suficiente como para especificar cada aminoácido en una cadena polipeptídica. Una secuencia de tres bases, llamada triplete,
codifica un solo aminoácido (fig. 2.27b). Cada base puede concebirse como una letra del alfabeto que se use en palabras que
solo tengan una longitud de tres letras e indiquen un aminoácido concreto. Con cuatro bases que pueden adoptar tres posiciones en un triplete, hay 43 = 64 palabras posibles en el código
genético. Durante la transcripción, que vamos a describir en
breve, este código se pasa al mARN, cuya secuencia de bases es
complementaria a la cadena sentido del ADN. Por tanto, un triplete de ADN es complementario de una secuencia de tres bases
en el mARN, llamada codón, que codifica para el mismo aminoácido (fig. 2.27c).
Observa que hay 64 codones posibles, pero solo 20 aminoácidos. Por tanto, aun cuando cada codón codifique solo para un
aminoácido, algunos aminoácidos son codificados por más de
un codón. Por ejemplo, CCC siempre codifica para el aminoácido prolina, pero CCG también codifica para la prolina. En cada
mARN se encuentra un codón, llamado codón de iniciación, el
AUG, que también codifica el aminoácido metionina. Hay tres
codones de terminación que indican que ha llegado el final de la
codificación de la proteína. Como estos codones de terminación
no codifican ningún aminoácido, realmente solo 61 de los
64 codones codifican aminoácidos. El código genético se muestra en la tabla 2.3.
codifica para una/s proteína/s concreta/s. (b) Tripletes, las secuencias de tres
bases que codifican para una secuencia de aminoácido. (c) Codones de mARN
transcritos, complementarios al código en los tripletes de ADN.
Primera base del codón
Función del código genético
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
43
CONEXIONES CLÍNICAS
ADN mitocondrial en las enfermedades,
la antropología y la medicina forense
El núcleo de cada célula somática contiene
46 cromosomas que consisten en un total de
más de 3.000 millones de pares de bases, con
aproximadamente 25.000 genes. Los genes
codifican para proteínas que realizan muchas
funciones en el organismo, incluidas algunas
dentro de las mitocondrias. El ADN nuclear
codifica para el 95% de las proteínas que se
encuentran en las mitocondrias. Sin embargo,
cada mitocondria también tiene su propio
ADN, que codifica para el otro 5% de las proteínas. El ADN mitocondrial (mtADN) consiste
en una espiral única de ADN con, aproximadamente, 16.500 pares de bases que contienen
37 genes. Estos 37 genes son esenciales para
la función mitocondrial, ya que las mutaciones de los genes mitocondriales pueden ser
causa de enfermedades. De los 37 genes del
ADN mitocondrial, 13 codifican las enzimas
implicadas en la fosforilación oxidativa. Los
otros 24 genes codifican ARN de transferencia
y ARN ribosómicos que ayudan en la síntesis
de proteínas dentro de las mitocondrias.
A diferencia del ADN nuclear, que proviene
tanto de los cromosomas maternos como de
los paternos, el ADN mitocondrial proviene
exclusivamente de la madre. Durante la fecundación, un ovocito y un espermatozoide aportan, cada uno, un juego único de 23 cromosomas nucleares que se unen para formar un
cigoto, que contiene dos juegos de cromosomas, uno donado del ovocito y uno del espermatozoide. Sin embargo, durante el proceso
de fertilización, solo la cabeza del espermatozoide se une con el ovocito. La cabeza contiene un núcleo, pero ni mitocondria ni otros
orgánulos. Por tanto, el padre solo dona el
ADN nuclear a la nueva célula. Las mitocon-
drias del cigoto, y, por tanto, el mtADN, provienen exclusivamente del ovocito, con lo que
aquel adquiere un valor especial en la salud, la
antropología y la medicina forense.
Las mutaciones del ADN mitocondrial
suelen tener un origen somático, esto es, no
son hereditarias. Aunque la mayoría de las
mutaciones que afectan a las proteínas en la
cadena de transporte de electrones son letales, otras mutaciones resultan en enfermedades. Una de las afecciones mitocondriales
más comunes es la neuropatía óptica hereditaria de Leber. Este tipo de neuropatía puede
ser causada por una mutación en uno de los
cuatro genes mitocondriales diferentes que
codifican para proteínas que son parte del
complejo I de la cadena de transporte de
electrones. Estas mutaciones causan daños al
nervio óptico, que transmite las señales que
contienen información visual del ojo al cerebro. Por tanto, la neuropatía óptica hereditaria de Leber ocasiona ceguera. Otras mutaciones del ADN mitocondrial causan cáncer,
encefalopatía (daños en el cerebro), acidosis
láctica (un aumento de la acidez de la sangre), neuropatía (daños en los nervios), retinitis pigmentaria (pérdida de visión progresiva
debido a daños en la retina) y sordera. También se han encontrado asociaciones entre el
mtADN mutado y las enfermedades neurodegenerativas, incluyendo las enfermedades de
Alzheimer y de Parkinson.
El origen materno del mtADN ha proporcionado a los antropólogos y a los forenses
una herramienta para determinar la ascendencia. Cuando los ADN nucleares materno y
paterno se combinan durante la fecundación,
la descendencia hereda características de
según la ley de emparejamiento de bases complementarias.
(Recordemos que la base uracilo en el ARN sustituye a la timina
en el ADN.) La ARN polimerasa también cataliza la formación de
enlaces entre los ribonucleótidos alineados, creando un polinucleótido llamado pre-mARN que, finalmente, será el mARN
monocatenario.
El pre-mARN pasa por un procesamiento postranscripcional
en el núcleo antes de que el mARN final pase a través de los
ambos padres. En las células germinales de
esta descendencia, el ADN es una combinación de genes maternos y paternos. Cada
generación, por tanto, aumenta la mezcla de
genes. Por el contrario, el mtADN se conserva
a lo largo de las generaciones, variando solo
como resultado de mutaciones. La tasa de
mutaciones del ADN es incierta; se estima desde 1 mutación cada 30 generaciones a 1 cada
600 generaciones.
Los antropólogos usan el mtADN para examinar la ascendencia como parte de sus investigaciones. Por ejemplo, en 1987, los científicos informaron haber encontrado un ancestro
común a todos nosotros. Según la datación
(que puede ser imprecisa porque se basa en
una tasa estimada de mutación del ADN), este
ancestro vivió en África hace 200.000 años. El
linaje ancestral propuesto se basa en la similitud del mtADN con el del ser humano que vive
actualmente.
Los forenses utilizan el mtADN principalmente en los casos de personas desaparecidas. En esas situaciones, comparan el mtADN
de la persona en cuestión con el mtADN de la
madre.
poros nucleares y entre en el citoplasma (fig. 2.29). Dentro de un
gen hay regiones con exceso de bases, llamadas intrones, que no
codifican para la secuencia de aminoácidos de las proteínas.
Aunque estos intrones se transcriben en la molécula de mARN
inicial, deben ser eliminados antes de que el mARN salga del
núcleo. Después de que se eliminen los intrones de la molécula
inicial de mARN, los segmentos de codificación restantes, llamados exones, se unen. Otros aspectos del procesamiento postrans-
44
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
ADN
(cadena
sentido)
ARN polimerasa
3
5
5
3
Secuencia
promotora
Exones
Transcripción
Pre-mARN
5
3
Procesamiento
postranscripcional
(eliminación de intrones,
adición de CAP y cola
de poli-A)
El ARN polimerasa
se une al promotor
Núcleo
3
5
5
3
Intrones
5
mARN
El ADN se desenrolla
y se separa
3
-A-A-A-A-A…
CAP del ARN
3
5
5
3
3
El nucleótido libre del ARN se
alinea y se añade a la nueva
cadena de ARN
Comienza la síntesis de ARN
5
5
3
La ARN polimerasa
baja por el ADN
El ARN se alarga
3
5
5
3
Citoplasma
5
Poro nuclear
3
-A-A-A-A-A…
Envoltura
nuclear
FIGURA 2.29 Procesamiento postranscripcional. Después de la
transcripción, el pre-mARN sigue sufriendo más procesamiento en el núcleo.
Los intrones transcritos son eliminados y los exones restantes se empalman
entre sí. Una estructura química llamada CAP se añade al extremo 5’, y una cola
poli-A (varios nucleótidos con la base adenina) se añade al extremo 3’. Después
de que el procesamiento haya finalizado, la molécula de mARN puede pasar
del núcleo al citoplasma.
Alargamiento
Alargamiento
3
5
5
3
Nucleótidos
de ARN
U
Traducción
C
G
A
Cadena antisentido
ADN que
se vuelve a
enrollar
5
3
3
5
ARN
polimerasa
ARN que
se alarga
cripcional incluyen la adición de un grupo químico llamado CAP
al extremo 5, necesario para iniciar la traducción, y la adición de
varios nucleótidos de adenina llamados cola poli-A al extremo 3, que protege al mARN de su degradación en el citoplasma.
Después de que haya terminado el procesamiento, el mARN
entra en el citoplasma y puede tener lugar la traducción del
mARN.
ADN desenrollado
(cadena sentido)
FIGURA 2.28 Transcripción. La ARN polimerasa se une a la secuencia
promotora de una molécula de ADN, haciendo que este se desenrolle. Las dos
cadenas de ADN se separan, exponiendo las bases para emparejarse con las
bases complementarias de nucleótidos libres. Estos se alinean y la ARN
polimerasa cataliza la formación de un enlace entre ellos, generando una
cadena de mARN que se alarga. La figura ampliada muestra que el proceso de
alargamiento tiene lugar según la ley de pares de bases complementarias.
La traducción es el proceso en el que se sintetizan los polipéptidos utilizando codones de mARN como plantilla para montar los
aminoácidos correctos a lo largo de la secuencia. Otro tipo de
molécula de ARN, el tARN, transporta el aminoácido adecuado
al ribosoma basándose en interacciones con el codón de mARN.
Según la ley de emparejamiento de bases complementarias,
dentro de su hebra simple de nucleótidos, el tARN tiene una forma que recuerda a la de un trébol (fig. 2.30). El extremo 3 de la
molécula de tARN contiene un sitio de unión para un aminoácido específico. Otra región del tARN contiene una secuencia de
bases, llamada anticodón, complementaria al codón mARN. Es
la interacción correcta entre el codón del mARN y el anticodón
del tARN lo que garantiza que se añade el aminoácido correcto a
la cadena polipeptídica que se está alargando.
La traducción ocurre en el citoplasma con la ayuda de los
ribosomas. Recordemos que estos pueden encontrarse libres en
el citosol o unidos al retículo endoplásmico rugoso. El ribosoma
alinea el mARN con los tARN que transportan los aminoácidos
correctamente codificados y contiene las enzimas que catalizan
la formación de enlaces peptídicos entre los aminoácidos, formando así un polipéptido. Los ribosomas pueden contener dos
C A P Í T U LO 2
Extremo de aceptación de aminoácidos
3
mARN
5
45
Células: estructura y función
A UG
3
5
A UG
5
La subunidad ribosómica
pequeña se une al mARN
(los factores de iniciación
no se muestran)
3
Met
Met
Bucle 3
Bucle 1
UAC
A UG
Bucle 2
UAC
El tARN con la metionina (met)
se carga en la subunidad
ribosómica pequeña
5
3
Sitio P
U A C
Anticodón
Se liberan los
Met
factores de
iniciación
FIGURA 2.30 ARN de transferencia. La unión por enlaces de hidrógeno
entre pares de bases complementarias es responsable de la estructura en
trébol del ARN de transferencia. El tARN se une a un aminoácido específico en
un extremo y tiene una secuencia de bases llamada anticodón en el otro
extremo que reconoce el codón mARN complementario.
UAC
A UG
Sitio A
Se une la subunidad
ribosómica grande
5
3
FIGURA 2.31 Iniciación de la traducción. En el citosol, los factores
moléculas de tARN al mismo tiempo en dos regiones ribosómicas diferentes identificadas como sitio P y sitio A.
Ahora que ya tenemos algunos conocimientos acerca de los
componentes necesarios para la traducción, volvemos al proceso en sí mismo. El primer paso de la traducción es la iniciación
(fig. 2.31). Los ribosomas no implicados de manera activa en la
traducción se encuentran libres en el citosol como subunidades
individuales. Para empezar la traducción, ciertos factores de iniciación se unen al CAP que se añadió al extremo 5 de la molécula de mARN durante el procesamiento postranscripcional; otros
factores de iniciación forman un complejo con la subunidad
ribosómica pequeña y un tARN cargado (tARN unido a su aminoácido), llevando el anticodón complementario al codón de
iniciación (AUG). La unión de los factores de iniciación desencadena la unión de la subunidad ribosómica pequeña al mARN, de
tal manera que el primer codón de iniciación (AUG) que se
encuentra dentro del mARN se alinea correctamente para que
dé comienzo la traducción. A continuación, la subunidad ribosómica grande se une, causando una disociación de los factores
de iniciación y la alineación del primer tARN en el sitio P del
ribosoma. Después, una segunda molécula de tARN cargada con
el anticodón correspondiente entra en el sitio A del ribosoma y
comienza la traducción. (Para aprender acerca de los peligros de
las sustancias químicas que bloquean la traducción, véase
«Conexiones clínicas: Por qué la ricina es mortal».)
Durante el proceso de traducción (fig. 2.32), una enzima del
ribosoma, la peptidil transferasa, cataliza la formación de un
enlace peptídico entre los dos aminoácidos. El primer aminoácido, que siempre es la metionina, se libera de la molécula de
tARN y el tARN libre (tARN sin su aminoácido) abandona el
de iniciación se unen a la región CAP de una molécula de mARN y a la
subunidad ribosómica pequeña, desencadenando que la subunidad
ribosómica pequeña se una al mARN. Un tARN con el anticodón
complementario al codón de iniciación del mARN se une al mARN según la
ley de pares de bases complementarias. La subunidad ribosómica grande
se une de tal manera que el primer tARN se sitúa en el sitio P del ribosoma
y se liberan los factores de iniciación.
sitio P del ribosoma. El ribosoma, entonces, baja las tres bases del
mARN (un codón), colocando el segundo tARN en el sitio P
del ribosoma. El siguiente tARN cargado entra en el sitio A, trayendo el tercer aminoácido para añadirlo al polipéptido. Este
proceso continúa hasta que se alcanza un codón de terminación
en el mARN. En ese punto, se libera el polipéptido, y el ribosoma
y el mARN se disocian. Más de un ribosoma traduce una molécula de mARN dada al mismo tiempo, formando lo que se llama
un polirribosoma (fig. 2.33).
Comprueba tus conocimientos
Durante la transcripción, a 1 de cada 10.000 pares de bases se une una
secuencia de nucleótidos errónea. Hay enzimas presentes en el núcleo
para corregir estos errores. ¿Qué pasaría si una célula no pudiera
corregirlos?
Destino de las proteínas
Las proteínas sintetizadas en una célula pueden ser destinadas
al núcleo, al citosol, a la membrana plasmática o a uno de los
46
Células: estructura y función
C A P Í T U LO 2
FIGURA 2.32 Traducción. A partir de la iniciación, las moléculas de tARN
Met
Ser
Sitio P
ocuparán sitios en el ribosoma según la ley de pares de bases complementarias
entre el anticodón del tARN y el codón del mARN. El tARN transporta los
aminoácidos adecuados para que se añadan a la cadena de polipéptidos.
Las enzimas del ribosoma catalizan la formación de un enlace peptídico.
La primera molécula de tARN se libera del sitio P del ribosoma. A continuación,
el ribosoma baja un codón de la molécula de mARN, poniendo el segundo
tARN en el sitio P. Un nuevo tARN ocupa el sitio A, trayendo consigo el
siguiente aminoácido para que se una a la cadena polipeptídica.
Sitio A
U A C UG C
A UG A CGC A AGGG
5
Se forma el enlace peptídico
Enlace peptídico
Met
tARN con
el siguiente
Glu
aminoácido
que se va a
añadir al
polipéptido
U
GU
Ser
U A C UG C
A UG A CGC A AGGG
5
Met
U
A
Ser
El tARN se
libera del sitio P
El ribosoma
baja un codón
El nuevo tARN
se une al sitio A
Glu
C
UG C GU U
A UG A CGC A AGGG
5
Se forma el enlace peptídico
Met
Ser
Glu
Pro
UG C GU U
A UG A CGC A AGGG
CC
tARN con
el siguiente
aminoácido
que se va a
añadir al
C polipéptido
5
Me
t
Ser
U
G
Glu
Pro
El tARN se
libera del sitio P
El ribosoma
baja un codón
El nuevo tARN
se une al sitio A
¿Cuál es el código de alguno de los tripletes de ADN para el aminoácido
P
serina?
orgánulos, o bien pueden ser secretadas de la célula hacia el
líquido extracelular. A menos que el destino final de una proteína sea permanecer en el citosol, la primera secuencia de aminoácidos en funcionamiento que se traduce en una cadena polipeptídica es la secuencia líder. Esta es sintetizada durante la
traducción por ribosomas que hay libres en el citosol y determina el destino de la proteína (fig. 2.34a). En primer lugar, la
secuencia líder determina si una proteína será sintetizada en el
citosol o en el retículo endoplásmico. En segundo lugar, la
secuencia líder determina si las proteínas sintetizadas en el citosol permanecerán allí (en cuyo caso no hay secuencia líder) o
entran en una mitocondria, un peroxisoma o en el núcleo
(fig. 2.34b). La secuencia líder determina el destino de las proteínas por interacciones específicas con otras proteínas bien en la
membrana de un orgánulo o bien en la membrana nuclear.
A continuación, vamos a describir cómo la secuencia líder hace
que los ribosomas se unan al retículo endoplásmico y dónde se
destinan las proteínas sintetizadas por esos ribosomas.
El proceso de la síntesis de proteínas con el retículo endoplásmico se ilustra en la figura 2.35. La síntesis de proteínas
comienza en el citosol, como se ha descrito previamente. Si la
secuencia líder designa que la síntesis ha de ocurrir en el retículo endoplásmico, entonces la secuencia líder y su ribosoma asociado se unen a unas proteínas del retículo endoplásmico llamadas proteínas de reconocimiento de señal. Una vez que el
ribosoma se ha unido al retículo endoplásmico, la síntesis de
proteínas continúa: la cadena polipeptídica pasa a través de la
membrana y entra a la luz del retículo endoplásmico rugoso a
medida que se va formando. La cadena polipeptídica pasa desde
la luz del retículo endoplásmico rugoso a la luz del retículo endo-
C
GU U CC C
A UG A CGC A AGGG
5
FIGURA 2.33 Microfotografía electrónica de un polirribosoma.
C A P Í T U LO 2
Secuencia líder
Met
Secuencia líder
Met
Polipéptido
completado
mARN
Las subunidades
ribosómicas se separan
(a) Traducción de la secuencia líder y del polipéptido en el citosol
Núcleo
El polipéptido se
mueve hacia el núcleo
El polipéptido
permanece en el citosol
(no hay secuencia líder)
El polipéptido
va hacia el
peroxisoma
El polipéptido
se dirige hacia
la mitocondria
(b) Destino de los polipéptidos traducidos en el citosol
FIGURA 2.34 Orientación de las proteínas traducidas en el citosol.
(a) El primer aminoácido de una nueva cadena polipeptídica es una metionina
(met), porque su codón también es el codón de iniciación. La secuencia líder
es una secuencia de aminoácidos sintetizada en los primeros momentos de la
traducción. Después de la traducción, el ribosoma, el mARN y el polipéptido
se separan. (b) La secuencia líder determina el destino final de una proteína:
si permanece en el citosol (en cuyo caso no se habría traducido ninguna
secuencia líder), se dirige hacia una mitocondria o un peroxisoma o penetra
en el núcleo.
plásmico liso y, finalmente, al aparato de Golgi mediante mecanismos que se describen a continuación. A lo largo de esta ruta,
también tiene lugar otro proceso importante: el procesamiento
postraducción.
Procesamiento postraduccional
y empaquetamiento de proteínas
La traducción sola no suele proporcionar una proteína funcional. El conjunto de cambios en la cadena polipeptídica inicial,
llamado procesamiento postraducción, debe tener lugar para
producir la proteína final. El procesamiento postraducción
incluye la división de algunos aminoácidos, que puede ocurrir
en cualquier lugar a lo largo de la ruta del retículo endoplásmico
rugoso hacia el aparato de Golgi e incluso después del empaquetamiento realizado por este. Por ejemplo, la secuencia líder debe
ser eliminada del polipéptido, siendo también común la división
del «exceso» de otros aminoácidos. Otro procesamiento postraducción incluye la adición de grupos químicos, como los lípidos
o los hidratos de carbono, para formar lipoproteínas y glucopro-
Células: estructura y función
47
teínas, respectivamente. Los hidratos de carbono se añaden al
polipéptido en el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi
mediante un proceso llamado glucosilación.
Desde la luz del retículo endoplásmico, el polipéptido debe
llegar al aparato de Golgi (a menos que sea destinado a permanecer en el retículo endoplásmico), cuya luz no se continúa con
el retículo endoplásmico. Por tanto, el retículo endoplásmico
liso empaqueta el polipéptido en pequeñas vesículas de transporte que se desprenden de él (v. fig. 2.35). Entonces, la membrana de la vesícula se fusiona con la del aparato de Golgi, vaciando
su contenido en la luz del aparato de Golgi en una cisterna cercana al retículo endoplásmico.
Una vez que está en el aparato de Golgi, el polipéptido pasa
por un procesamiento mayor a medida que viaja hacia la cara
trans en el extremo opuesto del aparato de Golgi. Este clasifica y
empaqueta proteínas en vesículas que son dirigidas a sus ubicaciones adecuadas. El mecanismo preciso de cómo se dirigen las
vesículas a sus destinos no se conoce del todo, pero ciertas sustancias químicas funcionan como marcadores para la clasificación de proteínas. Entre los destinos de las proteínas empaquetadas por el aparato de Golgi se incluyen sitios dentro de la
célula (lisosomas o aparato de Golgi) o la membrana plasmática;
otra posibilidad es que las proteínas sean secretadas de la célula
por exocitosis.
Una proteína sintetizada en el retículo endoplásmico rugoso y empaquetada por el aparato de Golgi es la insulina, la hormona deficiente en el 5% de los casos de diabetes mellitus. La
insulina es sintetizada por las células beta del páncreas. Inicialmente, los ribosomas traducen el mARN para formar un polipéptido de 110 aminoácidos llamado preproinsulina (fig. 2.36).
La secuencia líder se elimina en la luz del retículo endoplásmico
formando una cadena de 86 aminoácidos llamada proinsulina.
Esta se pliega en su estructura terciaria, que incluye tres puentes disulfuro, y se transporta al aparato de Golgi, donde se
empaqueta en vesículas secretoras. Dentro de las vesículas, la
proinsulina se divide en insulina, que consiste en 51 aminoácidos, y péptido C (o péptido conector). Se puede encontrar péptido C en el centro de la proinsulina (la cadena de conexión),
por lo que la insulina final comprende dos hebras de polipéptido unidas por dos puentes disulfuro. Tanto la insulina como el
péptido C son secretados por exocitosis, y ambos tienen actividad biológica.
Regulación de la síntesis de proteínas
El funcionamiento de las células a menudo puede ser regulado
variando la cantidad de una cierta proteína en la célula. Por
ejemplo, aumentando el número de proteínas transportadoras,
puede aumentarse el transporte de una molécula concreta. La
síntesis de proteínas puede ser regulada bien a nivel de la transcripción o a nivel de la traducción.
Regulación de la transcripción
Una vez sintetizado y en el citoplasma, el mARN está presente de
una forma funcional durante poco tiempo. Parte del mARN se
une a las proteínas en el citoplasma, que lo inactivan hasta que
se reciba una señal química adecuada; otro mARN es rápidamente degradado por enzimas en el citosol. Como el mARN es necesario para la síntesis de proteínas, la velocidad de transcripción
afecta a la cantidad de proteínas de una célula. La transcripción puede ser activada (inducida) o desactivada (reprimida),
dependiendo de si la célula requiere más o menos cantidad de
48
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
Núcleo
mARN
El mARN pasa del núcleo al citosol
y se une a las subunidades ribosómicas
La secuencia líder es traducida y se le
une la proteína de reconocimiento de señal
Proteína de Ribosoma
reconocimiento
de señal
2
1 La proteína de reconocimiento
de señal se une al retículo
endoplásmico rugoso,
haciendo que el ribosoma
se una
mARN
1
El polipéptido pasa
a la luz del retículo
endoplásmico liso
Proteína
receptora
2 El polipéptido se alarga y se
libera en la luz del retículo
endoplásmico rugoso (el
polipéptido está atrapado
en la luz)
Polipéptido
Las vesículas de transporte que contienen
el polipéptido se desprenden del retículo
endoplásmico liso y se fusionan con la cara cis
del aparato de Golgi, liberando el polipéptido
en la luz del aparato de Golgi
Cara cis del
aparato de Golgi
Polipéptido empaquetado
en vesículas por el aparato de Golgi
Lisosoma
Cara trans del
aparato de Golgi
Vesícula secretora
Líquido
intracelular
Líquido
extracelular
La vesícula de Golgi
se convierte en un lisosoma
Proteínas
de membrana
Las proteínas de la
vesícula se insertan
en la membrana plasmática
La vesícula libera
el polipéptido por
exocitosis
FIGURA 2.35 Síntesis de proteínas en el retículo endoplásmico. Cuando la secuencia líder hace que el
ribosoma se una al retículo endoplásmico, la traducción continúa con el polipéptido, formándose en la luz del
retículo endoplásmico rugoso. Después, el polipéptido pasa a la luz del retículo endoplásmico liso, donde es
empaquetado dentro de una vesícula de transporte. La membrana de esta se fusiona con la membrana de una
cisterna en la cara cis del aparato de Golgi, liberando el polipéptido hacia la luz del aparato de Golgi. Este
empaqueta el polipéptido en una vesícula y la dirige al sitio adecuado, que podría ser un lisosoma o la
membrana plasmática.
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
49
CONEXIONES CLÍNICAS
Por qué la ricina es mortal
En febrero de 2005, una estudiante de la Universidad de Texas estaba haciendo la colada
cuando descubrió una sustancia pulverulenta
en un rollo que contenía monedas. El incidente rápidamente ocupó los titulares del país
cuando el polvo dio positivo en la prueba de la
ricina, una toxina muy poderosa capaz de
matar a las pocas horas de exposición. Aunque pruebas posteriores y más meticulosas
desmintieron la presencia de ricina, el caso
atrajo una atención renovada hacia la toxina,
temida desde hace tiempo por su potencial
como arma para los bioterroristas. De hecho,
en otoño de 2003, se encontraron viales con
polvo de ricina en dos sobres enviados por
correo postal, uno de los cuales estaba dirigido a la Casa Blanca. Ambos sobres contenían
cartas que se quejaban de la normativa del
transporte por carretera y estaban firmadas
con el seudónimo «Ángel Caído».
El 5% del peso seco de la semilla del ricino
es ricina. Solo unos 500 μg de ricina (una cantidad del tamaño de una cabeza de alfiler)
resultan mortales, porque la ricina es una proteína inactivante de los ribosomas, lo cual bloquea la síntesis de proteínas.
El ricino consiste en dos cadenas de polipéptidos unidas por un solo puente disulfuro:
ricina A y ricina B. La ricina A, la porción citotóxica, es una enzima que despuriniza una
molécula específica de adenina en la subunidad ribosómica grande. Por sí misma, la ricina A no puede penetrar en las células para
acceder a los ribosomas. Sin embargo, la ricina B se une a las glucoproteínas y a los glucolípidos de la membrana plasmática, lo cual
induce la endocitosis. Una vez dentro de la
célula, parte de la ricina se filtra al citosol, donde se disocia en ricina A y ricina B. La ricina A
se une a la subunidad ribosómica grande,
catalizando la despurinización y evitando, así,
que la subunidad grande interactúe con la
subunidad pequeña durante la síntesis de
proteínas. Una sola ricina por molécula puede
inactivar hasta 50.000 ribosomas, impidiendo
así la síntesis de proteínas y causando la muer-
proteína. La regulación de la transcripción suele ocurrir en
el momento en el que la ARN polimerasa se une a la secuencia
promotora del ADN. En esta fase, ciertas moléculas aumentan o
disminuyen la capacidad de la ARN polimerasa para unirse a la
secuencia promotora.
Regulación de la traducción
Las células pueden regular la traducción de las proteínas por
mecanismos que siguen sin conocerse en detalle. La traducción
se suele regular durante la iniciación. Para que esta dé comienzo
deben estar presentes por lo menos 11 proteínas, incluyendo los
factores de iniciación. Algunas de estas proteínas pueden activarse o desactivarse, induciendo o reprimiendo de este modo la
traducción.
te celular. No se conoce cura para el envenenamiento por ricina, pero las investigaciones
actuales están buscando maneras de inactivar
la ricina con anticuerpos que se unirían a la
ricina B, evitando que la ricina entrara en las
células.
Semillas de ricino.
esta se asocie a un proteasoma, un complejo que contiene proteasas para descomponer y destruir las proteínas. Las moléculas de ubicuitina se liberarán del complejo para etiquetar otra
proteína.
Test rápido 2.4
1. Define transcripción y traducción. ¿En qué lugar de la célula ocurre
cada uno de estos procesos?
2. Describe las funciones de la ARN polimerasa en la transcripción.
3. ¿Qué nombre recibe la primera parte de una cadena polipeptídica
que se traduzca del mARN? ¿Cuál es su función?
División celular
Degradación de las proteínas
La mayoría de las proteínas de las células están presentes durante un largo período de tiempo, pero otras proteínas tienen una
vida corta. A la mayoría de proteínas de vida corta les marca para
una degradación rápida otra proteína llamada ubicuitina. La
unión de varias moléculas de ubicuitina a una proteína hace que
La vida de la mayoría de las células es de duración limitada, de
modo que es necesaria la división celular para proporcionar una
línea continua de células al organismo. La división celular también es necesaria para el crecimiento de los tejidos, especialmente durante los primeros años de vida. Hay dos tipos de división celular: la mitosis, que tiene lugar en la mayoría de las
50
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
Secuencia
señal
Cadena B
NH3
Preproinsulina
S
S
S
S
COOH
Cadena A
S
S
Cadena C
Secuencia
señal
Cadena B
NH3
Proinsulina
S
S
S
S
COOH
Cadena A
S
S
Cadena C
Cadena B
NH3
Insulina
Cadena A
S
S
S
S
COOH
S
NH3
S
COOH
FIGURA 2.36 Síntesis de insulina. La insulina está sintetizada
inicialmente como preproinsulina, que se convierte en proinsulina mediante
la separación de 24 aminoácidos. A continuación, la proinsulina se convierte
en insulina por separación de otros 35 aminoácidos.
células, y la meiosis, que ocurre solo en las células reproductoras. Aquí nos vamos a centrar en la mitosis; la meiosis se describirá en el capítulo 22.
Replicación del ADN
Cada célula del organismo (excepto los eritrocitos o glóbulos
rojos maduros) contiene una copia de los genes de todo el cuerpo en su ADN. Por tanto, cuando una célula se divide, el ADN
debe copiarse exactamente para que cada célula hija reciba un
ADN completo. Antes de que podamos entender el proceso de la
división celular, debemos comprender el mecanismo de copia
del ADN, llamado replicación.
Juntas, una molécula completa de ADN transportando un
paquete de información genética específica más sus proteínas asociadas componen un cromosoma (fig. 2.37). La mayoría de las células humanas contienen 23 pares de cromosomas. De cada par, un cromosoma es heredado del padre y el
otro de la madre. Juntos, esos 23 pares de cromosomas forman el genoma humano. Dentro del núcleo, los cromosomas
se enrollan alrededor de unas proteínas llamadas histonas.
Los cromosomas suelen encontrarse esparcidos por el núcleo
en forma de estructuras similares a cuentas de un collar llamadas cromatina.
Durante la replicación del ADN, cada cadena de ADN sirve
de plantilla para la síntesis de una nueva cadena de ADN. Se dice
que el proceso es semiconservador, porque cada nueva molécula
de ADN consiste en una cadena nueva más otra vieja (o conservada) que funciona como plantilla de la cadena nueva. El proceso comienza con la acción de la helicasa, una enzima que hace
que una sección del ADN se desenrolle y se separe formando
una horquilla de replicación (fig. 2.38).
Cada cadena de ADN actúa como plantilla para la adición del
nucleótido complementario correspondiente a la cadena nueva
en crecimiento. Los nucleótidos están presentes libremente en
su forma trifosfato en el núcleo (ATP, TTP, CTP y GTP). Cuando
se alinean según la ley de emparejamiento de bases complementarias, la enzima ADN polimerasa cataliza una reacción que
añade el siguiente nucleótido a la cadena de polinucleótidos en
crecimiento. En el proceso, dos fosfatos se separan del nucleótido, aportando algo de energía para la reacción.
La ADN polimerasa cataliza la replicación solo en sentido de
5 a 3, lo cual plantea un problema, porque el ADN consiste en
dos hebras antiparalelas. Para la hebra 5 a 3, la ADN polimerasa simplemente comienza en un extremo de la sección desenrollada del ADN y cataliza la formación de la hebra complementaria de principio a fin, recibiendo esta cadena de nueva síntesis el
nombre de cadena líder. Para la hebra 3 a 5 de ADN, la ADN
polimerasa cataliza partes del nuevo ADN de 5 a 3, formando
varios segmentos llamados fragmentos de Okazaki. Otra enzima,
la ADN ligasa, une los fragmentos de Okazaki entre sí para formar la cadena retardada. El resultado final del proceso son dos
copias idénticas de ADN, de las que una se transmitirá a cada
una de las dos células hijas durante la división celular.
Normalmente, la replicación del ADN es precisa; las enzimas
del núcleo corrigen cualquier error que pudiera haber ocurrido.
Sin embargo, puede haber alteraciones en el ADN, lo que se llama mutaciones. Las mutaciones dentro de una sola célula no
Centrómero
Cromosoma,
listo para la
división celular
Cromatina (ADN
enrollado alrededor
de proteínas histonas)
Proteínas histonas
Doble hélice de ADN
FIGURA 2.37 Cromosoma. Un cromosoma es una estructura fuertemente
enrollada organizada y existente justo antes de la división celular. En otros
momentos, el material genético de una célula está presente en el núcleo como
cromatina, que consiste en la doble hélice de ADN enrollada alrededor de
proteínas histonas.
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
51
Dirección general de la replicación
G0
ADN polimerasa
Horquilla de replicación
Cadena líder
3
Fragmentos
de Okazaki de la
hebra retardada
5
3
5
Cadenas parentales
3
5
Interfase
Ciclo de
reentrada
G1
(crecimiento)
Ciclo de
salida
ón celular
Divisi
3
5
C(
cito
cin
esi
s)
M (mitosis)
Helicasa
S
(replicación
del ADN)
G2
(crecimiento)
ADN polimerasa
FIGURA 2.38 Replicación del ADN. La helicasa cataliza el proceso por el
que se desenrolla el ADN y las dos cadenas se separan exponiendo las bases.
La ADN polimerasa cataliza la formación de ADN complementario a partir de
las dos cadenas, siendo la cadena líder sintetizada en dirección 5’ a 3’ de la
cadena parental y la cadena retardada en dirección 3’ a 5’ de la cadena
parental.
suelen ser perjudiciales para todo el organismo. No obstante, las
mutaciones de los genes que controlan el crecimiento celular,
llamados protooncogenes, pueden ser muy graves, porque el crecimiento de las células que contienen protooncogenes mutados
ya no se regula. Las mutaciones de este tipo son responsables del
cáncer (v. «Conexiones clínicas: Cáncer»).
Ciclo celular
El ciclo vital de una célula puede separarse en dos divisiones
principales: la interfase y la división celular. Durante la interfase, la célula realiza sus funciones fisiológicas normales; durante
la división celular, la célula deja de llevar a cabo muchas de sus
funciones fisiológicas normales. La figura 2.39 muestra el ciclo
celular. Obsérvese que la interfase es el período entre la división celular anterior y el comienzo de la siguiente. La duración
de la interfase varía considerablemente de un tipo de célula a
otro. Por ejemplo, las células que revisten el tubo digestivo
sufren divisiones celulares cada pocos días, mientras que las del
músculo esquelético nunca se dividen.
La interfase se compone de cuatro fases: G0, G1, S y G2. La «G»
proviene de la palabra inglesa «gap», que significa «intervalo», ya
que en el núcleo no ocurre casi nada que esté relacionado con la
división celular. Durante G0, la célula realiza funciones no relacionadas con la división celular. Las células que no sufren división celular, como las del músculo esquelético, permanecen en
G0 durante toda su vida. Otras células, como ciertos leucocitos,
necesitan una señal para pasar de G0 a G1. Durante G1, la célula
comienza a mostrar signos de que pronto va a ocurrir una división, como un incremento en la tasa de la síntesis de proteínas.
En la fase S tiene lugar la replicación del ADN, y en ese momento los cromosomas están en parejas. Durante la interfase, los
centríolos se duplican, de modo que también están por parejas
al comienzo de la división celular. Durante G2, la rápida síntesis
de proteínas continúa a la vez que la célula crece hasta alcanzar
aproximadamente el doble de su tamaño original. A partir de G2,
la célula entra en la división celular.
La división celular consta de dos fases: mitosis y citocinesis
(v. fig. 2.39). La mitosis, que es la división de los componentes
nucleares, incluye cinco fases: 1) profase; 2) prometafase; 3) meta-
Cit
oci
nes
is
Telofa
se
Anafase
Metafase e
s
etafa
Prom e
fas
Pro
FIGURA 2.39 Ciclo celular. La mayoría de las células pasa por un ciclo
continuo que incluye división celular. La interfase comprende los períodos
entre divisiones celulares y consta de cuatro fases: G0, G1, S y G2. La mitosis y la
citocinesis son los períodos reales de división celular. La mitosis comprende
cinco fases: la profase, la prometafase, la metafase, la anafase y la telofase.
La citocinesis es la división del citoplasma. Algunas células dejan el ciclo y
entran en G0, fase durante la cual no tienen lugar actividades relacionadas con
la división celular. Algunas de estas células permanecen en G0, mientras que
otras recomienzan el ciclo en respuesta a una señal química.
fase; 4) anafase, y 5) telofase. Aunque las fases de la mitosis son
continuas y se superponen, pueden identificarse gracias a ciertos
hechos (fig. 2.40).
1. Profase. Los pares de cromatina se condensan hasta el punto
de que ahora los cromosomas son visibles con el microscopio óptico. En este estado condensado y duplicado, cada
elemento de los pares de cromosomas recibe el nombre de
cromátida, y las dos cromátidas de un cromosoma (cromátidas hermanas) están unidas entre sí por una estructura
estrecha llamada centrómero. Los microtúbulos del citoesqueleto de la célula se desintegran en subunidades individuales de la proteína tubulina de que están constituidos y
serán utilizados a continuación para formar el huso mitótico.
Los pares de centríolos empiezan a migrar a los polos opuestos de la célula, y el huso mitótico se desarrolla entre ellos.
2. Prometafase. La membrana nuclear se desintegra, ya no es
visible el nucléolo, los centríolos se encuentran en polos
opuestos de la célula y los cromosomas se unen por sus centrómeros a las fibras del huso.
3. Metafase. Los cromosomas se disponen en el plano medio
(ecuador o plano ecuatorial) de la célula.
4. Anafase. Los pares de cromátidas se separan y los cromosomas migran a lo largo del huso mitótico hacia polos opuestos
de la célula.
52
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
FIGURA 2.40 Hechos de la división celular. Se muestra una célula
hipotética que solo tiene seis cromosomas (en vez de los 46). (a) Aparición
de la célula en la interfase, que precede la división celular. (b-f) Hechos más
importantes de las cinco fases de la mitosis. (g) Hechos más importantes de
la citocinesis.
P ¿Qué tipo de filamento compone las fibras del huso mitótico?
5. Telofase. Se desarrollan nuevas envolturas nucleares a ambos
lados de la célula, los cromosomas empiezan a descondensarse en fibras de cromatina y el huso mitótico comienza a
desintegrarse.
La citocinesis es la división del citoplasma. Este se divide por
escisión, que empieza durante las fases tardías de la mitosis
(anafase o telofase). La escisión se logra gracias a la contracción
de los microfilamentos (principalmente actina), que forman un
anillo alrededor del plano medio de la célula, y el huso mitótico
se desintegra. Entonces, las dos células hijas resultantes entran
en la interfase en G0.
Cromatina
Centríolos
Citoplasma
(a) Interfase
Antes de la división
celular, el ADN se dispersa
por el núcleo en forma
de cromatina
Envoltura
nuclear
Nucléolo
Centríolos
migrando
hacia los polos
opuestos
Centrómero
(b) Profase
El ADN se ha replicado
y condensado en
cromosomas
Cromátidas
de cromosoma
emparejadas
Fibras del huso
mitótico en
formación
Envoltura
nuclear en
descomposición
(c) Prometafase
La envoltura nuclear se
descompone, los centríolos
se mueven a los polos
opuestos de la célula y el
huso mitótico empieza a
desarrollarse entre los centríolos
Test rápido 2.5
1. Define replicación. ¿En qué se diferencia la replicación de la transcripción?
2. Nombra las cinco fases de la mitosis. ¿Durante cuál de ellas empieza
a desintegrarse la membrana nuclear?
Fibras del huso
mitótico
(d) Metafase
Los pares de cromosomas
se alinean en el ecuador
de la célula y se unen al
huso mitótico en sus
centrómeros
Centríolos
Integración de sistemas
En este capítulo hemos estudiado las células y las biomoléculas
que se encuentran en ellas. También hemos aprendido en
detalle acerca de las proteínas; estas realizan muchas funciones importantes en las células, que se verán a medida que
avancemos por los capítulos 3 al 5. En el capítulo 3 trataremos
el metabolismo celular, para el que son necesarias proteínas
que actúan como enzimas. En el capítulo 4 examinaremos el
transporte a través de las membranas celulares, gran parte del
cual depende de las proteínas transmembranosas. En el capítulo 5 exploraremos la comunicación intercelular, para la que
son necesarias proteínas que funcionan como receptores para
las moléculas mensajeras. Como las proteínas son críticas
para la mayor parte de los procesos fisiológicos, en el capítulo 3
centraremos nuestra atención en cómo la actividad de las proteínas en nuestro organismo está regulada mediante la síntesis
y degradación de aquellas, y el control de las que ya están presentes en las células.
También hemos aprendido acerca de los diversos orgánulos que hay dentro de las células y sus funciones únicas. A medida que vayamos viendo los sistemas, se hará énfasis en ciertos
orgánulos, como el retículo endoplásmico liso de las células
musculares y los lisosomas de los leucocitos. La función de las
uniones especiales se tratará en varios capítulos, incluyendo
las uniones comunicantes en ciertos tipos de células musculares
y las uniones estrechas en órganos cuya función principal es el
intercambio, como es el caso de los aparatos renal y digestivo.
Tampoco nos podemos olvidar de la membrana celular, cuyas
propiedades permiten a las neuronas comunicarse mediante
señales eléctricas.
(e) Anafase
Las cromátidas
hermanas de cada par
de cromosomas se
separan y se desplazan
a lo largo del huso mitótico
hacia los polos opuestos
de la célula
Cromosomas
Cromosomas
(separándose)
Citoplasma en división
Centríolos
(f) Telofase
La envoltura
nuclear se vuelve a
desarrollar y el huso
mitótico se
Nucléolo
descompone
Envoltura
nuclear
Cromatina
Citoplasma
(g) Citocinesis
El citoplasma se
separa y se forman
dos células hijas
Células hijas
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
53
CONEXIONES CLÍNICAS
Cáncer
Cada año, en EE. UU. se diagnostica cáncer a
más de un millón de personas, y aproximadamente 500.000 personas mueren cada año de
esta enfermedad. A pesar de que el cáncer
puede surgir en casi cualquier tipo de tejido
corporal y ocasiona diversas enfermedades,
por lo menos algo es común a todos los cánceres: las células cancerosas se dividen de manera incontrolada y acaban desplazando a las
células del organismo, que funcionan normalmente, consumiendo una energía vital para
las células normales del cuerpo.
El crecimiento y la división celular están
controlados por unos genes llamados protooncogenes. Una mutación en uno de ellos
puede producir un oncogén que motive un
crecimiento y una división celulares anormales.
Las mutaciones pueden tener lugar espontáneamente o pueden estar inducidas por
sustancias llamadas mutágenos. Un ejemplo
de mutágeno es el DDT, que fue muy utilizado
en la composición de los pesticidas en los
años sesenta del siglo XX. En algunos casos,
incluyendo el cáncer, las células mutadas se
dividen rápidamente, pasando la mutación a
sus células hijas, que entonces también se
dividen con rapidez. Para librar al organismo
del cáncer, estas células mutadas deben ser
eliminadas.
La mayoría de las estrategias terapéuticas,
incluyendo la radioterapia y la quimioterapia,
están dirigidas a diferentes fases de la rápida
división de las células.
Como las células cancerosas se dividen con
rapidez, estas terapias dañan a las células cancerosas más de lo que puedan dañar a las
células normales del organismo cuya división
sea más infrecuente. Lamentablemente, las
células normales de rápida división también
se ven afectadas por estas estrategias terapéuticas. Por ejemplo, como las células capilares sufren una división celular rápida, la pérdida del cabello es una de las consecuencias de
la terapia contra el cáncer.
La función de la genética y de los agentes
medioambientales (como el tabaquismo) en
el comienzo de un crecimiento y la división
anormales de las células es, actualmente,
objeto de una investigación intensa. Los
investigadores están aprendiendo a manipular el sistema inmunitario del organismo, con
la esperanza de detener el crecimiento de las
células cancerosas, «engañando» al sistema
inmunitario propio del paciente para que destruya al cáncer. A veces, el sistema inmunitario
de un paciente no reconocerá las células cancerosas como anómalas, porque no son tan
diferentes de las células normales como para
estimular una reacción inmunitaria. Otras
veces, el sistema inmunitario puede reconocer las células cancerosas, pero su respuesta
no es lo suficientemente fuerte como para destruir el cáncer de inmunoterapias para ayudar
al sistema inmunitario a reconocer las células
cancerosas como claramente anómalas y para
reforzar el ataque con la esperanza de que las
células malignas sean destruidas.
Biomoléculas, pág. 19
Estructura de la célula, pág. 29
Los cuatro tipos básicos de biomoléculas
son: los hidratos de carbono, los lípidos, las
proteínas y los nucleótidos. Los hidratos de
carbono son moléculas polares y se pueden
clasificar en tres grupos principales: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. Los
lípidos suelen ser moléculas no polares e
incluyen los triglicéridos, los fosfolípidos, los
eicosanoides y los esteroides. Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas. Las proteínas
son polímeros de aminoácidos. Los ácidos
nucleicos son polímeros de nucleótidos e
incluyen el ADN y el ARN.
La membrana plasmática separa la célula del
líquido extracelular. Está compuesta por una
bicapa de fosfolípidos y por proteínas y colesterol incrustados en dicha bicapa. En la
superficie externa de la membrana se encuentran hidratos de carbono en forma de glucolípidos o glucoproteínas.
Dentro de la célula están el núcleo y el
citoplasma. El núcleo contiene el material
genético de la célula, el ADN; por tanto, tiene
funciones en la transmisión y expresión de la
información genética. El citoplasma está formado por el citosol y los orgánulos. El citosol
es un líquido de la consistencia de un gel que
contiene almacenes de enzimas, glucógeno y
triglicéridos, así como vesículas secretoras.
Entre los orgánulos se encuentran: los retículos endoplásmicos liso y rugoso, que desempeñan un papel importante en la síntesis de
los lípidos y las proteínas, respectivamente; el
aparato de Golgi, que procesa las moléculas y
las prepara para el transporte; las mitocondrias, que son el lugar donde se realiza la
mayor parte de la síntesis de ATP en las células;
los lisosomas y los peroxisomas, que degradan
los productos de deshecho, y los ribosomas,
que son sitios para la síntesis de proteínas.
Microfotografía electrónica en color de un tumor
canceroso en el tejido pulmonar.
RESUMEN DEL CAPÍTULO
54
C A P Í T U LO 2
Células: estructura y función
El citoesqueleto da a las células su forma,
les proporciona soporte estructural, transporta sustancias dentro de la célula, mantiene orgánulos en su interior, forma uniones
con otras células para formar tejidos y causa
contracciones y movimientos en ciertas células. El citoesqueleto consiste en filamentos
de proteínas, incluyendo microfilamentos,
filamentos intermedios y microtúbulos.
moléculas pequeñas desde el citosol de una
célula al citosol de otra.
Funciones generales de la célula, pág. 40
Casi todas las células del organismo realizan
varias funciones generales, incluyendo el
metabolismo, el transporte celular de moléculas a través de las membranas y la comunicación intercelular.
Uniones intercelulares, pág. 38
Habitualmente existen tres tipos especializados de uniones intercelulares. Las uniones estrechas suelen encontrarse en el tejido
epitelial, donde forman barreras impermeables al movimiento de sustancias entre las
células. Los desmosomas son uniones fuertes que aportan resistencia al estrés mecánico. Las uniones comunicantes proporcionan canales entre dos células adyacentes
que hacen posible el movimiento de iones y
Para las proteínas sintetizadas en el citosol, la
secuencia líder determina si la proteína permanecerá en el citosol o penetrará en una
mitocondria, en un peroxisoma o en el núcleo.
Finalmente, el aparato de Golgi empaquetará
en vesículas las proteínas sintetizadas en el
retículo endoplásmico y estas serán dirigidas
al lugar adecuado dentro de la célula o secretadas fuera de esta.
División celular, pág. 49
Síntesis de las proteínas, pág. 41
Los genes del ADN contienen los códigos
para la síntesis de proteínas. Este código se
transcribe al mARN en el núcleo. Después, el
mARN migra hacia el citoplasma, donde los
ribosomas lo traducen para sintetizar las
proteínas.
La secuencia líder de una proteína determina su destino. Una proteína será sintetizada en el citosol o en el retículo endoplásmico.
El ciclo celular incluye la interfase y la división celular. La interfase es el período entre
divisiones celulares; la mitosis y la citocinesis componen el proceso de división celular.
Durante la fase S de la interfase, el ADN se
replica de modo que cada célula hija recibirá
una copia exacta de ADN. Las cinco fases de
la mitosis son: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase. La citocinesis tiene
lugar después de la mitosis.
EJERCICIOS
Preguntas de opción múltiple
1. ¿Cuál de las siguientes biomoléculas no
es un polímero?
a) un polisacárido
b) un fosfolípido
c) una proteína
d) un ácido nucleico
2. Un ácido graso que tiene dos enlaces
dobles entre los átomos de carbono recibe el nombre de
a) ácido graso saturado.
b) ácido graso insaturado.
c) ácido graso monoinsaturado.
d) ácido graso poliinsaturado.
e) eicosanoide.
3. ¿Cuál de las siguientes moléculas no forma parte de un fosfolípido?
a) colesterol
b) glicerol
c) fosfato
d) ácido graso
4. El enlace de hidrógeno entre el hidrógeno del grupo amino de un aminoácido y
el oxígeno del grupo carboxilo de otro
aminoácido en una proteína es responsable de
a) la estructura primaria de una
proteína.
b) la estructura secundaria de una
proteína.
c) la estructura terciaria de una
proteína.
d) la estructura cuaternaria de una
proteína.
5. ¿Cuál de los ácidos nucleicos siguientes
no es una pirimidina?
a) citosina
b) timina
c) uracilo
d) adenina
6. El glucógeno y los lípidos están almacenados
a) como inclusiones en el citosol.
b) en vesículas de almacenamiento.
c) en vesículas secretoras.
d) en lisosomas.
e) en el nucléolo.
7. ¿Qué orgánulo produce la mayor parte
del ATP de una célula?
a) núcleo
b) peroxisoma
c) aparato de Golgi
d) mitocondria
e) retículo endoplásmico liso
8. ¿Qué unión intercelular permite una
rápida transmisión de señales eléctricas
entre células adyacentes?
a) el desmosoma
b) la unión comunicante
c) la unión estrecha
d) todas las repuestas son correctas
9. Para iniciar la transcripción del ADN,
la enzima ARN polimerasa se une al/
a la
a) codón de iniciación.
b) codón de terminación.
c) secuencia promotora.
d) centrómero.
e) secuencia líder.
10. La secuencia base del tARN que reconoce
el codón de mARN según la ley de emparejamiento de bases complementarias se
denomina
a) codón tARN.
b) anticodón.
c) aminocodón.
d) codón líder.
e) codón de iniciación.
11. Para que las proteínas se sinteticen en el
retículo endoplásmico rugoso, la secuencia líder debe unirse a un/una ————
de la membrana del retículo endoplásmico.
a) vesícula de transporte
b) vesícula secretora
c) vesícula recubierta
d) proteína de reconocimiento de señal
e) promotor
12. Durante la replicación, ¿qué enzima hace
que el ADN se desenrolle?
a) la ADN polimerasa
b) la ARN polimerasa
c) la ADN cinasa
d) la helicasa
e) la ADN ligasa
13. ¿Qué es una cadena retardada?
a) una secuencia de nucleótidos en el
ADN que une la ARN polimerasa
b) una secuencia de aminoácidos al
principio de un polipéptido que
dirige el polipéptido a su destino
c) la cadena de ADN de nueva síntesis
formada por la unión de los
fragmentos de Okazaki
d) los filamentos de proteína que se
extienden entre dos células para
formar los desmosomas
e) los filamentos de proteína que
forman los cilios
14. ¿Durante qué fase de la mitosis se desarrolla el huso mitótico?
a) profase
b) metafase
c) anafase
C A P Í T U LO 2
d) telofase
e) prometafase
15. ¿Durante qué fase de la mitosis se mueven los pares de cromosomas hacia polos
opuestos de la célula?
a) profase
b) metafase
c) anafase
d) telofase
e) prometafase
9. Dibuja un gráfico que muestre la síntesis de proteínas señalando el destino
final de las proteínas en la célula.
13. La replicación del ADN tiene lugar durante la (interfase/mitosis).
Pensamiento crítico
14. La división del citoplasma en dos células
hijas durante la división celular se llama
————.
Preguntas objetivas
1. Los monosacáridos son moléculas (polares/no polares/anfipáticas).
Preguntas abiertas
3. La molécula precursora de todos los esteroides es ————.
4. Según la ley de emparejamiento de bases
complementarias, en el ARN la base adenina se empareja con ————.
5. Las proteínas transmembranosas son
ejemplos de proteínas (integrales/periféricas) de membrana.
6. La membrana del retículo endoplásmico
liso se continúa con la membrana del
aparato de Golgi. (verdadero/falso)
7. Los microfilamentos proporcionan
soporte estructural para unas proyecciones en forma de pelos de la membrana
plasmática llamadas ————.
8. Las proteínas que forman las uniones
comunicantes entre dos células adyacentes se llaman ————.
9. Una sección del ADN que codifica para
una proteína específica se denomina
————.
55
12. La primera sección que se traduce de un
polipéptido es la denominada ————,
y es importante a la hora de dirigir la proteína traducida a su destino final.
15. La sustancia química que etiqueta las
proteínas para su destrucción en una
célula se llama ————.
2. Los triglicéridos son moléculas (polares/
no polares/anfipáticas).
Células: estructura y función
1. Nombra las cuatro clases principales de
biomoléculas. Describe la función principal de cada clase.
2. Define los cuatro niveles de estructura de
las proteínas y explica las interacciones
químicas responsables de cada nivel.
3. Describe la estructura de la membrana
plasmática. Nombra, al menos, una función de cada uno de los componentes
principales.
4. Ciertas células de la glándula suprarrenal
sintetizan y secretan muchas hormonas
esteroideas. ¿Qué orgánulo ha de ser
abundante en estas células y por qué?
5. Nombra los tres tipos especiales de uniones intercelulares y haz una lista detallando las funciones especiales de cada
una.
6. Define cada uno de los términos siguientes: transcripción, traducción y replicación. ¿Dónde ocurre cada uno de estos
procesos en una célula?
10. El codón de mARN que se transcribe del
triplete ATC del ADN es ————.
7. Describe la relación anatómica y funcional entre el retículo endoplásmico rugoso, el retículo endoplásmico liso y el aparato de Golgi en la síntesis de proteínas.
11. Más de un codón puede codificar un solo
aminoácido. (verdadero/falso)
8. Describe cómo se regula la concentración
de una cierta proteína en una célula.
1. La parte líquida de la sangre, el plasma,
está principalmente compuesta de agua.
La membrana plasmática está principalmente compuesta de fosfolípidos.
Según lo que sabemos sobre las biomoléculas, adivina qué clases de biomoléculas pueden disolverse en el plasma y
cuáles pueden atravesar la membrana
plasmática.
2. Nombra algunos factores que causan
cáncer y los objetivos de esos factores en
las células. ¿Cómo puede la radiación
causar cáncer y a la vez ser utilizada para
luchar contra él?
3. ¿Qué diferencias cabría esperar encontrar
entre las células musculares, las células
grasas, las células secretoras de saliva (la
saliva contiene, principalmente, agua y
proteínas) y las células epiteliales?
4. Explica cómo la mutación de una sola
base (llamada mutación puntual) en un
gen puede o no producir una enfermedad. ¿Puedes mencionar una enfermedad
causada por una mutación puntual producida en la proteína hemoglobina? ¿Cuál
es la función de las mutaciones en la evolución? ¿Son todas las mutaciones perjudiciales?
5. El cromosoma humano medio contiene
150 106 pares de nucleótidos. Hay
23 cromosomas humanos que existen
por parejas en todas nuestras células,
excepto en los gametos. En ocasiones,
debe haber errores en la replicación.
¿Cuáles son las consecuencias de estos
errores? ¿Las enzimas de las células
enmiendan todos los errores?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple»
y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com)
para obtener herramientas adicionales de estudio.
3
Metabolismo celular
Imagina una fábrica que manufactura cientos de compuestos químicos usando
solo las materias primas que se pueden encontrar en una tienda de alimentación. Esta
fábrica funciona durante las 24 horas del día y puede acelerar o ralentizar su producción casi de manera inmediata, dependiendo de la demanda
de sus productos. La fábrica solo genera residuos no contaminantes y puede repararse a sí misma cuando surja la necesidad. Suena como un sueño utópico del futuro, ¿verdad? Bueno, en realidad, sucede cada día. Tú mismo tienes millones de
fábricas químicas que trabajan de esta manera en tu propio
cuerpo: tus células. Cada célula es tu propia «fábrica», pero
las células no pueden funcionar solas. Dependen unas de
otras para las materias primas, la eliminación de residuos y la
producción de energía. En este capítulo, sin embargo, nos
centraremos en las reacciones que ocurren dentro de una
sola célula.
CONTENIDOS
Tipos de reacciones metabólicas
57
Reacciones metabólicas y energía
59
Velocidades de reacción
Microfotografía electrónica en color de una célula con numerosas
mitocondrias.
64
Oxidación de la glucosa: la reacción central
del metabolismo energético 72
Etapas de la oxidación de la glucosa: glucólisis,
ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa 74
Almacenamiento y uso de energía: metabolismo
de hidratos de carbono, grasas y proteínas 85
C A P Í T U LO 3
OBJETIVOS

Definir metabolismo y distinguir entre reacciones catabólicas y
anabólicas.

Describir lo que ocurre en los siguientes tipos de reacciones
metabólicas: hidrólisis, condensación, fosforilación,
desfosforilación, oxidación, reducción.

Explicar la relación del cambio de energía en una reacción entre
1) las energías de los reactantes y los productos, y 2) la dirección
de la reacción.

Definir la energía de activación y describir su influencia en las
velocidades de reacción.

Describir el mecanismo general de la acción enzimática y discutir
los diferentes factores que influyen en las velocidades de las
reacciones catalizadas.

Describir la función de la ATP en el metabolismo energético.

Describir en términos generales los eventos que se producen en
las siguientes etapas del metabolismo de la glucosa: glucólisis,
ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa.

Describir en términos generales cómo el organismo es capaz de
obtener energía de la degradación de grasas, proteínas y glucógeno,
y cómo almacena energía sintetizando estos compuestos.
Antes de empezar…
Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
1. Biomoléculas, pág. 19
2. Mitocondrias, pág. 34
3. Estructura de la membrana celular, pág. 30
E
n el capítulo 1 describimos la homeostasis como el aspecto
fundamental de la fisiología. La homeostasis requiere la
coordinación de los sistemas de órganos en el mantenimiento del medio interno del organismo en un estado compatible con la vida. Para llevar a cabo sus funciones, las células que
componen los órganos deben trabajar de manera eficiente, lo
que requiere muchas reacciones químicas diferentes y energía.
El compendio de todas las reacciones químicas que ocurren en
las células se denomina metabolismo. En este capítulo nos centraremos en las reacciones que suministran la energía que las
células necesitan para llevar a cabo su trabajo. En primer lugar,
se debe obtener la energía de las biomoléculas que se ingieren
en la alimentación y, después, se debe procesar para que se pueda destinar tanto al trabajo inmediato como al almacenaje para
futuras necesidades. El conjunto de reacciones involucradas en
el almacenamiento y uso energético (también conocido como
intercambio energético) se denomina metabolismo energético.
Tipos de reacciones metabólicas
Cualquier reacción química implica la transformación de los
materiales que entran en la reacción, denominados reactantes,
en diferentes materiales, llamados productos. En la reacción:
A + B r C + D
Metabolismo celular
57
los reactantes A y B se transforman en los productos C y D. Por
convenio, las reacciones se escriben normalmente con los reactantes a la izquierda y los productos a la derecha. Se dice que
una reacción «avanza» cuando transcurre de izquierda a derecha; esto es, cuando los reactantes se convierten en productos.
Bajo ciertas circunstancias, algunas reacciones pueden evolucionar en la dirección contraria; en ese caso, se dice que es
reversible.
Una adecuada comprensión de las reacciones químicas
requiere que nos demos cuenta de que, a pesar de que decimos
que una reacción avanza en uno u otro sentido, en realidad es
bidireccional, lo que significa que ocurre en los dos sentidos al
mismo tiempo; es decir, cuando las moléculas reactantes se
están convirtiendo en productos, algunos productos se están
convirtiendo a su vez en reactantes. Para indicar esto, las reacciones normalmente se representan con una flecha de doble
dirección, como se muestra:
A + B s C + D
Cuando decimos que una reacción va en sentido directo o en
sentido inverso, nos estamos refiriendo la dirección neta de la
reacción. Supón, por ejemplo, que para un intervalo de tiempo
algunas moléculas de productos se transforman en reactantes,
pero un mayor número de reactantes se transforman en productos. En este caso, la reacción neta evoluciona en sentido directo,
porque se convierten más moléculas reactantes en productos
que al revés. A menos que se diga lo contrario, se usarán los términos directo e inverso para referirse a la dirección neta de la
reacción.
Las reacciones metabólicas se clasifican en catabólicas o
anabólicas, dependiendo de si las moléculas de los productos
son mayores o menores que las de los reactantes. Una reacción
es catabólica si supone la degradación de moléculas grandes en
moléculas más pequeñas. Ejemplos de reacciones catabólicas
son la degradación de proteínas en aminoácidos o la degradación del glucógeno en moléculas de glucosa separadas. Una
reacción es anabólica si supone la síntesis de moléculas grandes
a partir de otras más pequeñas. Ejemplos de estas reacciones
son la síntesis de proteínas a partir de aminoácidos y la síntesis
de glucógeno a partir de glucosas, procesos ambos que tienen
lugar en las células tras la absorción de los nutrientes ingeridos.
La degradación y la síntesis de moléculas grandes se conocen, normalmente, como catabolismo y anabolismo, respectivamente.
En la mayoría de los casos, las reacciones metabólicas están
conectadas en una serie de etapas, de manera que los productos
de una reacción sirven como reactantes para la siguiente. Tal
serie de reacciones es denominada vía metabólica, y se puede
representar tanto así
A + X r B r C r D + Y
como así
Y
A r B r C r D
X
Esta ruta, en particular, consiste en una serie de tres reacciones.
En el primer paso, el material inicial A reacciona con X para formar B, que se transforma en C en la segunda reacción. C entra
entonces en la tercera reacción, que desemboca en D e Y. Los
58
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
productos finales, D e Y, se conocen como los productos finales
de la ruta. Las sustancias del medio de la ruta (B y C en este ejemplo) se denominan intermediarios.
Más adelante, en este capítulo examinaremos un grupo de
reacciones metabólicas involucradas en la oxidación de la glucosa, importante porque suministra la mayor parte de la energía
que las células necesitan. A pesar de que cada una de las reacciones que forman parte de esta ruta es única, muchas tienen características comunes y se pueden clasificar en unas pocas categorías generales. En las siguientes secciones, examinaremos tres
tipos generales de reacciones metabólicas que ocurren en la
mayoría de los procesos del metabolismo, incluyendo la oxidación de la glucosa: 1) reacciones de hidrólisis y de condensación;
2) reacciones de fosforilación y desfosforilación, y 3) reacciones
de oxidación-reducción.
Hidrólisis y reacciones de condensación
Cuando comes carne que contiene proteínas, tu aparato digestivo descompone las relativamente largas moléculas de proteína
en aminoácidos, que son considerablemente más pequeños y
más fáciles de absorber por el torrente sanguíneo. Esta reacción,
como la mayoría de las reacciones catabólicas que ocurren en el
organismo, es un ejemplo de hidrólisis. En la hidrólisis, que literalmente significa «rotura por el agua», el agua reacciona con
moléculas, causando la rotura de los enlaces que mantienen la
estructura de la molécula. En este caso, los enlaces hidrolizados
son los enlaces peptídicos que unen aminoácidos para formar
proteínas. La fórmula general de una reacción de hidrólisis es
como la siguiente:
A — B + H2O r A — OH + H — B
En esta reacción, la molécula A — B se descompone en sus partes
constituyentes, A y B, como resultado de la rotura del enlace que
las mantenía unidas originalmente. En este proceso, una molécula de agua (H2O) se divide en dos partes, un grupo hidroxilo
(— OH) y un hidrógeno (— H), uno de los cuales se combina con
A, mientras que el otro lo hace con B. Como resultado, el enlace
entre A y B se rompe y es reemplazado por nuevos enlaces. La
división de un disacárido en dos monosacáridos es un ejemplo
de hidrólisis, como se muestra para la hidrólisis de la sacarosa:
sacarosa + H2O r glucosa + fructosa
La hidrólisis inversa, denominada condensación, consiste en
la unión de dos o más moléculas pequeñas para formar una más
grande, como cuando los aminoácidos se combinan para formar proteínas. En este proceso, el agua se genera como un producto:
A — OH + H — B r A — B + H2O
La sacarosa se sintetiza a partir de la condensación de glucosa y
fructosa.
glucosa + fructosa r sacarosa + H2O
Reacciones de fosforilación y desfosforilación
En muchas reacciones metabólicas, particularmente aquellas
relacionadas con el intercambio energético, un grupo fosfato
puede ser añadido o eliminado de una molécula. La adición de
un grupo fosfato (abreviado como P) se conoce como fosforilación y se puede escribir de manera abreviada como sigue:
A + Pi r A — P
Aquí, el grupo fosfato libre se abrevia como Pi, por ser fosfato
inorgánico, que bajo condiciones fisiológicas prevalece mayori–
–
tariamente en sus formas ionizadas HPO 24 o H2PO4 . El enlace
que se forma en esta reacción (que es el que une A con P) se
conoce como enlace fosfatídico. Un ejemplo común de fosforilación es la adición de un grupo fosfato al ADP para sintetizar
la ATP.
ADP + Pi r ATP + H2O
Debido a la producción de agua como producto, esta reacción es
también una condensación.
La eliminación de un grupo fosfato, conocida como desfosforilación, se representa de la siguiente manera:
A — P r A + Pi
Un ejemplo de desfosforilación es la eliminación de un grupo
fosfato de la ATP para producir ADP:
ATP + H2O r ADP + Pi
Debido a que una molécula de agua está implicada en la rotura
de la ATP, esta reacción es también una hidrólisis.
Reacciones de oxidación-reducción
Las reacciones de oxidación-reducción son fundamentales
para el metabolismo energético. El concepto de oxidación fue
desarrollado por primera vez a finales del siglo XVIII después de
que Antoine Lavoisier definiera el oxígeno (del francés oxygene,
«formador de ácidos») como la sustancia del aire que reaccionaba con sustancias combustibles. Así, la oxidación se describió
como cualquier reacción en la que estuviera involucrada el oxígeno.
Por ejemplo, el metabolismo celular incluye la oxidación de
la glucosa a agua y dióxido de carbono, que ocurre como se
muestra a continuación:
C6H12O6 + 6 O2 r 6 CO2 + 6 H2O
En esta reacción, O2 es la forma molecular del oxígeno (la forma
en la que el oxígeno se encuentra en la atmósfera) y CO2 es el
dióxido de carbono. La característica principal del oxígeno es su
habilidad para atraer los electrones hacia él y alejarlos de los
otros átomos en una molécula.
Hoy, el término oxidación se usa para describir reacciones
que separan electrones de un átomo o una molécula. Los electrones separados deben ser aceptados por otro átomo o
molécula en un proceso llamado reducción. De esta manera,
las reacciones de oxidación y reducción van siempre acopladas.
Una reacción de oxidación-reducción se escribe del siguiente
modo:
A· + B s AB·
En esta reacción, el punto después de la A representa un electrón. A se oxida (pierde un electrón) y B se reduce (gana un
C A P Í T U LO 3
electrón). Aunque el producto de la reacción es AB, en realidad
B posee una mayor densidad electrónica que A (lo cual es similar a lo que acabamos de ver para el oxígeno).
En otras reacciones de oxidación reducción, los electrones
son completamente retirados o añadidos a moléculas. Estas
reacciones son primordiales en las fosforilaciones oxidativas,
principal mecanismo para la síntesis de ATP en nuestras células.
Durante la fosforilación oxidativa, los electrones (e–) se eliminan
de pares de átomos de hidrógeno, convirtiéndolos en iones cargados positivamente (H+), un ejemplo de oxidación:
H2 r 2 H+ + 2 e–
En otros puntos en la fosforilación oxidativa, la reacción puede
ocurrir al revés. Esto es, los electrones se combinan con iones de
hidrógeno (protones) para formar moléculas de hidrógeno no
cargadas, un ejemplo de reducción:
2 H+ + 2 e– r H2
Otra forma común de reacción de oxidación-reducción en
los sistemas biológicos es la adición o sustracción de protones a
una molécula, como se muestra en la siguiente reacción:
HA — BH r A == B + 2 H
En este ejemplo, la sustracción de dos átomos de hidrógeno provoca que el enlace simple entre A y B se transforme en un doble
enlace. A pesar de que átomos de hidrógeno están siendo eliminados (no electrones), a la reacción se la sigue considerando de
oxidación, porque cada uno de estos átomos sustraídos portaba
un electrón. Como consecuencia, la sustracción de estos átomos
implica la eliminación de electrones que originalmente pertenecían a los reactantes. (Como ejemplo de este hecho, a los átomos
de hidrógeno a veces se les conoce como equivalentes de reducción.) La adición de protones a una molécula, lo contrario de la
reacción anterior, se conoce como reducción, y se representa de
la siguiente manera:
A == B + 2 H r HA — BH
Test rápido 3.1
1. ¿Cuál es la diferencia principal entre una reacción anabólica y una
catabólica?
2. Describe en términos generales qué ocurre en las reacciones de hidrólisis, fosforilación y oxidación-reducción.
Reacciones metabólicas y energía
Las reacciones metabólicas que ocurren en el organismo desempeñan muchas funciones. Una de las funciones más importantes es permitir a las células transformar las materias primas
del entorno en la gran variedad de sustancias de las que el cuerpo está hecho. Las reacciones metabólicas, además, nos proveen de energía, definida en sentido amplio como la capacidad
para generar un trabajo. El trabajo más evidente que realiza un
organismo es el movimiento. Cuando empujamos un carro de
la compra, por ejemplo, ejercemos una cierta fuerza sobre el
carro para desplazarlo cierta distancia. La cantidad de trabajo
realizado es el producto de la fuerza ejercida por la distancia
Metabolismo celular
59
recorrida (trabajo = fuerza × distancia). Sin embargo, el organismo realiza trabajo también de otras maneras, incluso mientras se descansa, y debe hacerlo de forma continua para mantenerse con vida. El corazón realiza trabajo cuando bombea
sangre, los riñones realizan trabajo cuando fabrican orina y las
células realizan trabajo cuando se dividen para reparar daños
tisulares. Todo este trabajo se realiza utilizando la energía derivada de las reacciones metabólicas. En esta sección exploraremos la naturaleza de las relaciones entre las reacciones químicas y la energía.
Energía y las leyes de la termodinámica
Para entender cómo la energía puede producir un trabajo,
necesitamos conocer las diferentes formas de energía y las
leyes físicas que las gobiernan. Existen dos formas de energía,
energía cinética y energía potencial. La energía cinética está
asociada al movimiento (cinesis = movimiento) e incluye las
energías térmica, electromagnética y eléctrica. En pocas palabras, las moléculas poseen energía cinética porque se mueven
o vibran aleatoriamente a cualquier temperatura por encima
del cero absoluto. Esta energía térmica aumenta proporcionalmente con el aumento de la temperatura de las moléculas. La
energía potencial es una energía de almacenamiento que puede ser transformada en energía cinética. (En otras palabras, la
energía potencial tiene el potencial de convertirse en energía
cinética.) La energía potencial incluye la energía química,
mecánica (como la almacenada en una goma elástica estirada),
nuclear (la que mantiene los núcleos de los átomos unidos) y
gravitacional. Así, las moléculas tienen energía potencial en
sus núcleos y en los enlaces entre átomos. La energía nuclear
no es accesible (excepto durante las reacciones de fisión
nuclear), pero la energía almacenada en los enlaces se puede
liberar cuando estos se rompen.
La primera ley de la termodinámica establece que la energía
en un sistema cerrado permanece constante; esto es, la energía
ni se crea ni se destruye. De esta manera, la energía cinética y la
potencial son intercambiables, pero la energía neta de un sistema no se puede cambiar. Piensa, por ejemplo, en el estiramiento
de una goma elástica. Podemos aplicarle energía cinética para
estirarla y sacarla de su longitud de reposo (en la que ninguna
fuerza externa actúa sobre ella). Según vamos estirando la goma,
se está almacenando energía. De esta manera, la energía cinética
utilizada para estirarla se convierte en energía potencial. Si liberamos la goma elástica estirada, toda la energía potencial almacenada se transformará en energía cinética.
La segunda ley de la termodinámica establece que todos los
procesos naturales evolucionan en la dirección en la que la energía se expande. Por ejemplo, cuando se rompe una molécula
grande en moléculas más pequeñas, se libera la energía almacenada en la molécula de origen. Otro ejemplo es la difusión de
moléculas desde áreas en las que están más concentradas (tienen mayor energía) hacia áreas menos concentradas (tienen
una energía más baja); a este proceso se le llama difusión. En la
siguiente sección, discutiremos los intercambios de energía en
las reacciones químicas.
Cambios de energía en las reacciones
Es una verdad irrefutable de la naturaleza que las reacciones
químicas van siempre acompañadas o bien de la liberación o
bien de la ganancia de energía. En otras palabras, en todas las
reacciones está implicado el intercambio energético de una u
60
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
Productos
Energía liberada
ΔE =
negativo
Energía
Energía
Reactantes
Energía añadida
Reactantes
Productos
Progresión de la reacción
(a)
ΔE =
positivo
Progresión de la reacción
(b)
FIGURA 3.1 Cambios de energía en las reacciones. Las flechas curvas indican la transferencia de
energía en la reacción. (a) Cuando la energía de los reactantes es mayor que la de los productos, el cambio
de energía es negativo, y se libera energía en la reacción. (b) Cuando la energía de los productos es
mayor que la de los reactantes, el cambio de energía es positivo, y se añade energía a la reacción.
otra manera. Este intercambio ocurre porque las moléculas
tienen energía; diferentes tipos de moléculas tienen diferentes
cantidades de energía. Cuando una reacción libera energía, lo
hace porque los reactantes tenían más energía que los productos; en este caso, los reactantes entran en la reacción con una
determinada cantidad de energía y los productos salen de la
reacción con menor energía. La energía «extra» debe ser liberada de una u otra manera durante el transcurso de la reacción:
reactantes r productos + energía
La energía liberada debe ser en forma de calor o bien de otra
manera, y bajo determinadas condiciones podría utilizarse para
realizar algún trabajo.
Un ejemplo familiar de liberación de energía por parte de
una reacción es la combustión de gasolina. Cuando la gasolina
se quema con el oxígeno del aire, se genera energía (calor y luz)
en forma de llamas. Cuando se quema para la combustión interna de un motor de coche, parte de esta energía se usa para desarrollar el trabajo necesario para moverlo.
La variación de energía de cualquier reacción (expresada como
$E) es la diferencia entre la energía de los productos (Eproductos) y
la energía de los reactantes (Ereactantes): $E = Eproductos – Ereactantes.
(El símbolo $, o delta, se usa normalmente para denotar cambios
en alguna magnitud). Debido a que los productos tienen menos
energía que los reactantes en una reacción de liberación de energía, la variación de energía $E en esa reacción tomará un valor
negativo. Esta situación se ilustra en la figura 3.1a, en la que el eje
y representa la cantidad de energía presente en las moléculas
reactantes o productos, y el eje x representa el progreso de la reacción, esto es, la transformación de los reactantes en productos.
Una reacción de liberación de energía es una reacción exergónica.
La figura 3.1b representa la variación de energía que sucede
en una reacción que requiere energía para que progrese, la cual
se puede representar de la siguiente manera:
reactantes + energía r productos
En este caso, los productos tienen mayor energía que los reactantes, así que la variación de energía $E es ahora positiva. Como
la energía no se crea, la energía «extra» adquirida por los produc-
tos debe provenir de una fuente distinta de las moléculas reactantes. Una reacción que requiere energía para su progreso se
conoce como reacción endergónica. Un ejemplo de una reacción endergónica es la síntesis de proteínas; para la formación
de cada enlace peptídico se requiere energía.
La variación de energía $E se expresa normalmente en unidades de energía o calor, como calorías (cal) o kilocalorías (kcal),
aunque también se puede expresar en julios (J) o kilojulios (kJ).
Una caloría es la cantidad de energía que se le debe aplicar a un
gramo (o 1 ml) de agua para aumentar su temperatura un grado
centígrado (ºC) en condiciones normales. Una caloría equivale a
4,18 julios, y una kilocaloría o un kilojulio son 1.000 calorías o
julios, respectivamente.
La cantidad de energía liberada o consumida en una reacción no solo depende de la naturaleza de los reactantes y los productos involucrados, sino también de la cantidad de reactantes
consumidos o productos formados. Según aumenta esta cantidad, la variación de energía aumenta de manera proporcional.
Por eso, $E suele expresarse en unidades de kcal/mol o algún
equivalente.
La energía química, la energía almacenada en los enlaces
que mantienen la estructura molecular unida, es una forma
de energía potencial. Cuando hablamos de la variación de
energía en una reacción, nos estamos refiriendo a una variación en una energía potencial. En los diagramas energéticos
como el de la figura 3.1, se supone que los reactantes y los
productos se encuentran a la misma temperatura (tienen la
misma energía cinética), de manera que cualquier diferencia
entre la energía de reactantes y productos reflejará las diferencias en sus energías potenciales. En la siguiente sección
veremos cómo la variación de energía no solo refleja su ganancia o liberación, sino también el sentido en el que evoluciona
dicha reacción.
Cómo la variación de energía en una reacción
determina su dirección
Nuestra experiencia nos dice que las reacciones químicas tienen una tendencia natural a evolucionar en uno u otro sentido.
Por ejemplo, una vez que prendes un trozo de papel, este arderá hasta quedar reducido a cenizas (siempre que haya suficiente cantidad de oxígeno), pero nunca habrás visto un papel
ardiendo que pare de arder espontáneamente. La razón de esto
C A P Í T U LO 3
es que la reacción de combustión del papel es exergónica, y una
reacción exergónica siempre evoluciona hacia la formación de
los productos. (Decir que un proceso ocurre espontáneamente
es decir que ocurre por sí solo, sin necesidad de aplicarle ninguna energía.) Reconstituir las cenizas en papel requeriría que la
reacción evolucionara en sentido contrario, lo que implica la
necesidad de energía, no de su liberación. Esto no ocurre, porque las reacciones endergónicas no evolucionan en sentido directo de manera espontánea, solo lo hacen cuando se les suministra
energía. (De hecho, las reacciones endergónicas evolucionarían
espontáneamente en sentido inverso si no se les suministra
energía.)
Estas reglas reflejan otra verdad de la naturaleza: los sistemas
tienden a evolucionar desde estados de mayor energía potencial
a estados de menor energía potencial. Sabemos, por ejemplo,
que una roca caerá de una colina espontáneamente, pero no trepará por ella (a menos que se la impulse), porque la energía
potencial de la roca disminuye según rueda colina abajo; para
poder subir la colina, su energía potencial tendría que incrementarse. Igualmente, una reacción exergónica (reactantes r productos + energía) evoluciona en sentido directo de
manera espontánea, porque la energía potencial disminuye
según los reactantes: de mayor energía, se transforman en productos de menor energía. En contraste, una reacción endergónica (reactantes + energía r productos) no avanza en sentido
directo de manera espontánea, puesto que la energía potencial
aumenta según los reactantes: de menor energía, se transforman
en productos de mayor energía. (Estrictamente hablando, es la
variación en la energía libre de la reacción, no la variación en
la energía potencial, la que determina la dirección de la reacción. La energía libre es la energía que puede extraerse de una
molécula.)
Dada la naturaleza de las reacciones catabólicas como liberadoras de energía y a que las reacciones anabólicas requieren
energía, podemos suponer que las reacciones catabólicas deberían ocurrir de manera espontánea en las células, mientras que
las reacciones anabólicas ocurrirán solo cuando se les suministre energía. Las reacciones anabólicas suceden porque ciertos
mecanismos celulares las acoplan a reacciones catabólicas. Este
acoplamiento aprovecha la energía liberada en las reacciones
catabólicas para proporcionarle a las reacciones anabólicas la
energía que requieren para evolucionar. En el siguiente ejemplo,
la reacción A r B libera energía. Esta energía se usa para que la
reacción C r D suceda.
A r B + energía
C + energía r D
Se dice que una reacción está en equilibrio cuando no hay
una dirección neta para ella, es decir, cuando los reactantes se
convierten en productos a la misma velocidad que los productos en reactantes. El equilibrio sucede cuando el reactante y el
producto tienen la misma energía, de tal manera que la variación de energía, $E, es cero. Observa que el equilibrio se alcanza no cuando las concentraciones de reactantes y productos son
iguales, sino cuando los niveles de energía de los reactantes y
los productos son iguales. Por ejemplo, cuando las moléculas
de los reactantes tienen más energía que las moléculas de los
productos, la concentración de los productos debe ser mayor
que la de los reactantes en el equilibrio para que los niveles de
energía de los reactantes y productos sean iguales. Cuando la
diferencia entre la energía potencial de los reactantes y produc-
Metabolismo celular
61
tos es grande, entonces la diferencia en la concentración cuando la reacción está en equilibrio también es grande. Como se
muestra en la siguiente sección, podemos cambiar la energía
tanto de productos como de reactantes alterando su concentración.
Ley de acción de masas
La energía de las moléculas reactantes y productos viene determinada por diferentes factores, incluyendo el número y tipo de
enlaces químicos, la naturaleza del disolvente en el que están
disueltos y la concentración de las moléculas. En general, según
la concentración aumenta, la energía de las moléculas también
lo hace (v. «Repaso de química: Disoluciones y concentraciones»). Matemáticamente, la relación entre las concentraciones
reactantes y productos en el equilibrio se puede expresar
mediante la constante de equilibrio. Considerando la siguiente
reacción:
aA + bB s cC + dD
La constante de equilibrio para esta reacción a una temperatura
determinada viene dada por K, donde:
K =
[C]c[D]d
[A]a[B]b
Debido a que K es una constante, la reacción muestra que un
incremento en la concentración de los reactantes desplazará el
equilibrio hacia la derecha, es decir, hacia la formación de más
productos. Del mismo modo, un incremento en la concentración de productos desplazará el equilibrio hacia la izquierda; se
producirá menos cantidad de productos o la reacción evolucionará hacia la formación de reactantes. Este fenómeno se conoce
como ley de acción de masas. Haciendo referencia a la fisiología, se puede enunciar de manera simplificada como sigue: Un
incremento en la concentración de los reactantes con respecto a
los productos hará que la reacción tienda a evolucionar hacia la
formación de productos, y un incremento en la concentración de
los productos hará evolucionar la reacción hacia la formación
de reactantes.
Comprueba tus conocimientos
Dada una reacción química, reactante s producto, la constante de
equilibrio se puede calcular como sigue:
K =
[producto]
[reactante]
Si la constante de equilibrio es 2, ¿cuál es la relación reactanteproducto cuando la reacción está en equilibrio? ¿Es una reacción
exergónica o endergónica? Responde a estas mismas preguntas para
las constantes de equilibrio de 10, 0,1 y 0,01.
La ley de acción de masas es fundamental en los procesos
fisiológicos, porque las concentraciones de reactantes y productos en las células está cambiando continuamente. Por ejemplo,
después de una comida, los niveles de glucosa en sangre aumentan según esta se absorbe en el tubo digestivo. En respuesta a
este proceso, la hormona insulina se libera a la sangre para inducir la captación de la glucosa sanguínea por las células de los
tejidos. Un incremento de los niveles de glucosa conlleva un
incremento en su metabolismo celular.
62
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
REPASO DE QUÍMICA
Disoluciones y concentraciones
El equilibrio químico y la ley de acción de masas quedan
reflejados en la figura 3.2. Las dos gráficas muestran el cambio
en la concentración de reactantes y productos para una reacción
simple (reactantes s productos) con el paso del tiempo. La pendiente de la curva representa la velocidad de la reacción, en la
que una mayor pendiente conlleva una velocidad mayor. En
la figura 3.2a, la reacción puede evolucionar hasta alcanzar el
equilibrio. Esta reacción es exergónica, ya que en el equilibrio
hay más productos que reactantes. En la figura 3.2b, la reacción
evoluciona hasta el equilibrio, y entonces se le añade más cantidad de reactantes. Esta perturbación hace desplazarse el equilibrio hacia la formación de más productos, hasta que se alcanza
de nuevo el equilibrio.
las concentraciones pueden expresarse en micromoles por litro
(μmol/l = 1 × 10–6 mol/l) o nanomoles por litro (nmol/l = 1 × 10–9
mol/l). La concentración de sustancias específicas a menudo se indica
utilizando corchetes. Por ejemplo, [Na+] representa la concentración
de iones sodio.
De manera ocasional, las concentraciones se expresan en términos
de masa de soluto en una unidad de volumen de disolución –en gramos por litro (g/l) o microgramos por litro (μg/l = 1 × 10–6 g/l), por ejemplo. A menudo, en fisiología, la unidad de volumen es un decilitro
(dl = 0,1 l), lo que es equivalente a 100 mililitros (100 ml). La concentración de una disolución que contiene 1 gramo de soluto por decilitro se
expresa habitualmente como un porcentaje (1%), porque la mayoría de
las disoluciones fisiológicas se encuentran en agua (100 ml de agua
pesan 100 g).
Reactante
Concentración
Una disolución es una mezcla de moléculas disueltas en un líquido. La
sustancia disuelta, que es normalmente un sólido o un gas en estado
puro, se denomina soluto, mientras que el líquido se llama disolvente.
Se dice que las moléculas de soluto están disueltas cuando están completamente separadas unas de otras y rodeadas por moléculas de disolvente.
La concentración de una disolución es una medida de la cantidad
de soluto contenida por unidad de volumen de la disolución. La cantidad de soluto se expresa generalmente en términos de moles (mol), y
el volumen se expresa en litros (l). Si un mol de soluto se encuentra en
1 litro de disolución, se dice que la concentración es 1 molar
(1 M = 1 mol/l). Si 1/1.000 de un mol (es decir, 1 milimol) de soluto se
disuelve en 1 litro de disolución, la concentración es 0,001 molar o
1 milimolar (1 mM = 1 × 10–3 mol/l). Para disoluciones muy diluidas,
Producto
Tiempo
(a)
Añadir reactante
Energía de activación
Reactante
Concentración
Cuando las moléculas reactantes entran en la reacción, no se
convierten en productos directamente, pasan primero por un
estado intermedio de alta energía llamado estado de transición,
desde donde se descomponen para formar los productos. La
reacción inversa (la conversión de productos en reactantes)
también debe pasar primero por este estado de transición. De
esta manera, las transformaciones que ocurren en una reacción
son continuas y graduales, no súbitas, como se muestra en la
figura 3.3a. La «joroba» en medio de la curva, conocida como
barrera de la energía de activación, surge porque la energía
potencial del estado de transición es mayor que la de los reactantes y la de los productos.
Por ejemplo, anteriormente habíamos descrito la combustión de un trozo de papel como ejemplo de proceso liberador de
energía. Sin embargo, el papel no arde espontáneamente. En
lugar de esto, algo de energía, como una llama o el calor suministrado por una lupa, se le debe administrar al papel para que
se pueda superar la barrera de la energía de activación. Para que
los reactantes se puedan transformar en productos, o viceversa,
Producto
Tiempo
(b)
FIGURA 3.2 Equilibrio químico y ley de acción de masas. Para una
reacción reversible exergónica simple con un reactante que se convierte en un
producto (reactante s producto), se dibujan las concentraciones de reactantes
(línea verde) y productos (línea roja) a lo largo del tiempo. (a) Se permite a la
reacción continuar hacia el equilibrio. (b) Tras alcanzar el equilibrio, se añade
más reactante, el cual, por la ley de acción de masas, lleva a la producción
de más producto.
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
63
Barrera de la energía de activación
C
Estado de
transición
B
Reactantes
Productos
D
A+B
Energía
Energía
A
A+B
C+D
Progresión de la reacción
C+D
(a)
Progresión de la reacción
(a)
Energía
Reactantes
Energía de
activación
hacia los
productos
A
A
B
Energía de
activación
hacia los
reactantes
B
Productos
Progresión de la reacción
FIGURA 3.3 Barrera de la energía de activación. Las reacciones descritas
A+B
Energía
(b)
A+B
A+B
son reacciones de liberación de energía. (a) Diagrama de energía similar al de
la figura 3.1a, pero con la barrera de la energía de activación incluida.
(b) Diagrama de energía en el que las energías de activación de las reacciones
hacia los productos y hacia los reactantes se indican mediante flechas
verticales.
C+D
Progresión de la reacción
(b)
las moléculas deben tener suficiente energía potencial para
superar la barrera de la energía de activación, para lo cual deben
adquirir algo de energía «extra», llamada energía de activación,
que es la diferencia entre la energía del estado de transición y la
de los reactantes o productos. La energía de activación se indica
en la figura 3.3b como la distancia vertical entre los estados inicial o final de energía y el pico de la curva. Observa que para la
reacción mostrada en la figura, que es una reacción de liberación de energía, la energía de activación para la reacción directa
es menor que para la reacción inversa. Para una reacción endergónica observaríamos lo contrario.
Si las moléculas deben adquirir energía extra para superar
la barrera de la energía de activación y reaccionar, ¿de dónde
proviene esta energía «extra»? Las moléculas adquieren esta
energía mediante choques entre ellas, lo cual sucede siempre
porque se encuentran en constante movimiento térmico. Considera, por ejemplo, la reacción A + B r C + D. Para que las
moléculas A y B reaccionen, primero deben colisionar. Cuando
esto sucede, algo de la energía cinética que poseen se convierte
en energía potencial. Si esta ganancia de energía es igual o
superior a la energía de activación, las dos moléculas entrarán
FIGURA 3.4 Efecto de la barrera de la energía de activación. (a) Colisión
de dos moléculas de reactante, A y B, con suficiente energía para llegar al
estado de transición. La energía de la colisión supera la barrera de la energía de
activación, dando lugar a la formación de los productos C y D. (b) Colisión de
A y B sin suficiente energía para llegar al estado de transición. No se supera la
barrera de la energía de activación, por lo que la reacción no sucede.
A medida que la barrera de la energía de activación disminuye, ¿el cambio
P
de energía de la reacción aumenta, disminuye o se mantiene igual?
en el estado de transición para dar lugar a los productos C y D
(fig. 3.4a).
La importancia de la barrera de la energía de activación es tal
que condiciona la rapidez con que se produce la reacción, un
tema que será tratado con detenimiento en la siguiente sección.
Aquí es importante recalcar que no todas las colisiones entre las
moléculas reactantes producen reacción, ya que algunos choques no generan la suficiente energía potencial como para salvar
64
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
la barrera de la energía de activación. Cuanto más rápido se
estén moviendo dos moléculas que van a colisionar, mayor será
la energía potencial generada en el choque. Si la energía liberada
es menor que la energía de activación, entonces las moléculas
no entrarán en el estado de transición y no reaccionarán
(fig. 3.4b); simplemente saldrán de la colisión inalteradas.
hasta que veamos algún efecto. La velocidad de una reacción
viene determinada por una gran variedad de factores, incluyendo 1) las concentraciones de reactantes y productos; 2) la
temperatura, y 3) la altura de la barrera de la energía de activación.
Concentraciones de reactantes y productos
Test rápido 3.2
1. En una reacción exergónica, ¿qué tiene más energía: los reactantes o
los productos?
2. ¿Qué factor determina la dirección de una reacción? ¿Las reacciones
que van hacia los productos de forma espontánea son exergónicas o
endergónicas?
3. Realiza una breve descripción de la ley de acción de masas.
4. ¿Qué es la energía de activación? ¿Cómo afecta a la reacción?
Velocidades de reacción
La velocidad de una reacción se mide como la velocidad de desaparición de reactantes para la generación de productos; normalmente se expresa como un cambio en la concentración por
unidad de tiempo (mol/litro-segundo, o algún equivalente).
Por ejemplo, según avanza la reacción A + B r C + D, las
concentraciones de A y B disminuyen, mientras que las de C y
D aumentan. Esta velocidad de reacción se puede expresar
como el cambio en las concentraciones de C o D por unidad de
tiempo.
La velocidad de una reacción metabólica tiene una gran
importancia fisiológica, ya que el buen funcionamiento del
organismo depende de que las reacciones transcurran a las
velocidades que concuerden con las necesidades metabólicas
de cada momento. Velocidades mayores o menores a las necesarias al final provocan una desregulación en el metabolismo
celular. Quizás el ejemplo más clarificador sea lo que acontece
en la hipotermia, cuando la temperatura corporal cae por debajo de lo normal. Cualquier descenso en la temperatura del organismo provoca una disminución en las reacciones metabólicas,
y cualquier descenso en la temperatura central de unos pocos
grados puede llevar a una persona a la desorientación y debilidad, e incluso a la pérdida de conciencia. Un nuevo descenso
en la temperatura podría precipitar una parada cardíaca y la
muerte.
Más adelante en esta sección veremos cómo las reacciones
metabólicas se aceleran o catabolizan por unas moléculas especiales denominadas enzimas, y cómo las velocidades de reacción
de estas reacciones se controlan normalmente mediante cambios en la actividad de estas enzimas. Primero, sin embargo,
comenzaremos el estudio de las velocidades de reacción echando un vistazo a los factores que afectan a las velocidades de reacción en general.
Factores que afectan a las velocidades
de reacción
Sabemos que algunas reacciones progresan más velozmente
que otras. Por ejemplo, una reacción de oxidación-reducción
(la combustión de la gasolina) puede ocurrir con una velocidad
explosiva, mientras que la oxidación del hierro (otra reacción
de oxidación) sucede tan despacio que pueden pasar semanas
Cuando hablamos de velocidad de reacción, normalmente nos
referimos a velocidad neta: la diferencia entre la velocidad de la
reacción directa (reactantes r productos) y la inversa (productos r reactantes). De acuerdo con la ley de acción de masas,
cualquier incremento en la concentración de reactantes traerá
consigo un incremento en la velocidad de la reacción directa sin
afectar a la velocidad de la reacción inversa. Del mismo modo,
cualquier incremento en la concentración de los productos conllevará un aumento en la velocidad de la reacción inversa sin
afectar a la directa. Por tanto, un incremento en la concentración de reactantes supone un incremento en la velocidad neta
de la reacción en sentido directo. Y a la inversa, un aumento en
la concentración de los productos disminuirá la velocidad neta
de la reacción directa, y si la variación de la concentración es
suficiente, puede suceder que la reacción evolucione en sentido
contrario. El efecto de las concentraciones de los reactantes y
productos sobre la velocidad de una reacción se debe a que se
afectan las frecuencias de las colisiones entre las moléculas.
Según aumenta el número de moléculas, también aumenta el
número de colisiones que se producen en un período determinado.
Temperatura
En general, la velocidad de una reacción aumenta cuando
aumenta la temperatura, y disminuye cuando la temperatura
desciende. Refrigeramos la comida, por ejemplo, porque el
enfriamiento frena las reacciones de descomposición, lo que
ayuda a conservar más tiempo los alimentos.
La temperatura controla la velocidad de la reacción, porque
afecta a la frecuencia y a la energía de las colisiones. Según
aumenta la temperatura, la media de la energía cinética de las
moléculas aumenta, lo que aumenta la energía de las colisiones. El resultado es un aumento en la cantidad de colisiones
que producen la suficiente energía para saltar la barrera de
la energía de activación, lo que incrementa la velocidad de la
reacción.
Altura de la barrera de la energía de activación
La altura de la barrera de la energía de activación difiere entre
reacciones. En igualdad de condiciones, la velocidad de reacción
es mayor según disminuye la barrera de la energía de activación.
La razón de esto es que a una temperatura dada, solo una cantidad de las colisiones que se producen tienen la suficiente energía para superarla y producir la reacción (fig. 3.5). Conforme se
reduce la barrera de la energía de activación, la proporción de las
colisiones que generan la energía suficiente para sobrepasarla
aumenta, no porque las colisiones sean más energéticas, sino
porque la energía mínima para que una colisión sea eficaz ha
disminuido. (Esta situación es análoga a una competición de salto de altura: si la altura del listón es menor, el número de atletas
capaces de superarla será mayor.)
Observa que, a medida que la altura de la barrera de la energía de activación disminuye, las velocidades de las reacciones
C A P Í T U LO 3
Barrera de la energía
de activación alta
Número de reactantes
Barrera de la energía
de activación baja
Metabolismo celular
La enzima queda libre
Enzima
para unir otra
E
molécula
de sustrato
Centro
activo
S
Sustrato
S
El sustrato puede
abandonar el centro
activo sin
E
cambios
S
P
Energía de los reactantes
FIGURA 3.5 Energía de las moléculas reactantes. La energía de
una molécula reactante individual varía, pero más o menos sigue una curva
de población con forma de campana. Para que los reactantes sean
convertidos en productos, su energía debe ser mayor que la barrera de la
energía de activación. Si dicha energía es relativamente baja, una mayor
proporción de reactante tendrá la suficiente energía para ser convertida
en producto (en el gráfico, todos los reactantes a la derecha de la barrera
de la energía de activación baja). Por el contrario, cuando la barrera de
la energía de activación es relativamente alta, pocos reactantes tendrán
suficiente energía para ser convertidos en producto (en el gráfico, solo
aquellos reactantes con energía por encima de la barrera de la energía
de activación alta).
inversa y directa aumentan, debido a que la energía de activación para ambos procesos resulta menor. Sin embargo, por razones más allá del alcance de este libro, la velocidad neta de la
reacción se incrementa a pesar del aumento de la velocidad de
la reacción inversa.
Función de las enzimas
en las reacciones químicas
Si iniciaras una típica reacción metabólica mezclando en un
vaso de precipitados los reactantes necesarios, esta se produciría muy lentamente. De hecho, la mayoría de las reacciones
metabólicas se producirían tan despacio que serían incompatibles con la vida. Las reacciones metabólicas suceden a velocidades considerablemente mayores, gracias a la presencia de
enzimas, biomoléculas (casi todas proteínas) especializadas en
actuar como catalizadores, término general para sustancias
que incrementan las velocidades de reacción. En esta sección
analizaremos cómo las enzimas cumplen esta tarea y cómo
regulando la actividad enzimática se pueden controlar las velocidades de reacción para adecuarlas a las necesidades del organismo.
Mecanismos de acción enzimática
Las células poseen una gran variedad de enzimas, cada una
especializada en catalizar una reacción o un grupo de reacciones
particulares. Para catalizar una reacción, la enzima debe unirse
primero a la molécula reactante, que en el contexto de reacciones enzimáticamente catalizadas recibe el nombre de sustrato.
Entonces, la enzima actuará sobre el sustrato para generar una
molécula de producto, que será finalmente liberada. Así, la
65
El producto
abandona
la enzima
El sustrato se
une a la molécula
de enzima
Complejo
enzima-sustrato
E
P
(a)
El sustrato se puede convertir
en producto por la enzima
Producto
Enzima
E
Centro activo
SD
SA
Sustrato A
Sustrato D
SB
SC
Sustrato B
Sustrato C
(b)
FIGURA 3.6 Función de la especificidad de sustrato en el mecanismo
de acción enzimática. (a) Mecanismo de acción enzimática. El grado de ajuste
entre la molécula de sustrato S y el sitio activo de la enzima permite la unión y
la formación de un complejo enzima-sustrato. Tras la unión, el sustrato puede
abandonar el centro activo sin cambios, o puede convertirse a producto P por
la enzima. Entonces, el producto abandona el centro activo, dejando a la
enzima libre para unir otra molécula de sustrato y catalizar la reacción otra vez.
(b) Especificidad de sustrato. Debido a que solo la forma del sustrato
candidato Sc es complementaria al centro activo de la enzima, solo puede
unirse a ella.
acción de una enzima podría describirse como la reacción en
dos pasos que se muestra a continuación:
E
(enzima)
+
S
(sustrato)
s
E·S
s
P
(complejo
(producto)
enzima-sustrato)
+
E
(enzima)
La doble flecha en el primer paso (el de la unión enzima sustrato) implica que el sustrato se puede unir a la enzima y también
liberarse de ella antes de que esta tenga la oportunidad de actuar
sobre él (fig. 3.6a). Se dice que esta unión es reversible porque el
sustrato interacciona con la proteína a través de uniones débiles
y, por tanto, podría disociarse de ella después de haberse unido
(v. «Caja de herramientas: Interacciones ligando-proteína»). Si
la molécula de sustrato permanece unida a la enzima suficiente
tiempo, se convertirá en el producto en el segundo paso (paso
catalítico). Después del paso catalítico, la enzima sale de la reacción en la misma forma en la que entró, de tal manera que ni se
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Interacciones ligando-proteína
Cuando un sustrato se une a una enzima, lo hace a través de interacciones débiles (puentes de hidrógeno, enlaces iónicos, fuerzas de van der
Waals, pero no enlaces covalentes). Las moléculas que interaccionan
con las proteínas de este modo se llaman ligandos. Así, podemos generalizar la interacción entre proteínas y ligandos como una reacción
reversible:
La fuerza de la interacción entre una proteína y un ligando, llamada
afinidad, depende del grado de la forma complementaria y del número
y fuerza de las interacciones químicas. En el siguiente ejemplo, el ligando A forma más interacciones iónicas con la proteína que el ligando B.
Por tanto, la proteína tiene más afinidad por el ligando A.
proteína + ligando s proteína – ligando
Los ligandos pueden unirse a las proteínas porque tienen una forma
complementaria a una porción de la proteína, llamada sitio de unión, al
igual que una llave tiene una forma complementaria a una cerradura.
Los ligandos también son atraídos químicamente a los sitios de unión
de las proteínas. La unión entre un ligando y una proteína es específica,
porque solo ciertos ligandos encajan en el sitio de unión.
+
–
–
–
+ –
+
+ –
–
Ligando A
+
–
+
+
+ +
Ligando B
Proteína
Sitio de
unión
Ligando
Proteína
Una mayor afinidad aumenta la probabilidad de que una proteína
dada tenga un ligando unido a ella. En términos de la población de proteínas, una mayor afinidad significa que más proteínas tendrán ligando
unido a ellas. Esto se muestra en el siguiente gráfico para la unión de los
ligandos A y B a la proteína, suponiendo solo que un ligando está presente en un momento determinado.
Número de ligando unido
Las interacciones entre proteínas y ligandos siguen la ley de acción
de masas, de manera que el aumento en la cantidad de proteína o de
ligando incrementa el número de proteínas con ligando unido. Esto se
explica en el siguiente gráfico, que muestra la relación entre el número
de proteínas con ligando unido y la concentración de ligando.
Número de ligando unido
66
Alta [proteína]
Ligando A
Ligando B
Concentración de ligando
Baja [proteína]
En el organismo suceden muchos tipos de interacciones proteínaligando, tal como se muestra en la siguiente tabla y se comenta a lo
largo del texto.
Concentración de ligando
Proteína
Ligando
Función
Enzima
Sustrato
Catalizar reacciones químicas en el organismo
Enzima
Modulador
Regulación alostérica de la actividad enzimática
Receptor
Mensajero químico (p. ej., neurotransmisores, hormonas)
Comunicación de mensajes entre células
Transportador
Soluto
Transporte de solutos a través de las membranas plasmáticas
Transportador
Soluto
Transporte de solutos en la sangre
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
67
Producto
Sustrato
S
E
Sustrato
Producto
S
P
E
Enzima
P
E
Enzima
E
Enzima
Enzima
FIGURA 3.7 Modelo de ajuste inducido de actividad enzimática. En este modelo, tanto el sustrato como el producto pueden unirse al sitio activo,
permitiendo que la reacción pueda darse en ambos sentidos.
consume ni se altera. La enzima es libre entonces para actuar
sobre una nueva molécula de sustrato y generar un nuevo producto. De hecho, una sola molécula de enzima es capaz de catalizar una reacción repetidamente, y teóricamente podría generar
cantidades ilimitadas de productos. Como indica la doble flecha, la enzima también puede catalizar la reacción inversa, de
tal manera que el producto podría convertirse de nuevo en sustrato.
A pesar de que la reacción que acabamos de ver ilustra lo esencial de la acción enzimática, pertenece solo a la más simple de las
reacciones enzimáticas, en la cual la enzima actúa sobre una sola
molécula de sustrato cada vez para generar un único producto,
como se expresa en la siguiente notación simplificada:
S
E
P
En realidad, la mayoría de las enzimas actúan sobre dos o más
sustratos y generan más de un producto.
Especificidad de sustrato
Las enzimas normalmente se especializan en catalizar una reacción, en particular porque tienen la habilidad de «reconocer» y
unirse a un solo tipo de sustrato, fenómeno conocido como
especificidad de sustrato. Esta especificidad no es necesariamente absoluta, ya que algunas enzimas son capaces de actuar sobre
una gran variedad de sustratos siempre y cuando guarden relación sobre algunas características determinadas. Un ejemplo es
la pepsina, enzima secretada por las células de la pared gástrica
que degrada las proteínas de la comida en fragmentos más
pequeños. La pepsina es capaz de actuar sobre casi todas las
proteínas, siempre y cuando contengan determinados aminoácidos, pero no es capaz de actuar sobre otros componentes de
los alimentos, como los hidratos de carbono.
La base de la especificidad de sustrato reside en la complementariedad de formas entre la enzima y los sustratos: solo si un
sustrato encaja perfectamente en un lugar determinado de la
enzima, denominado sitio activo, esta puede actuar para dar
lugar a la catálisis de la reacción. Como se muestra en la figura 3.6b, una molécula no complementaria es incapaz de unirse
al sitio activo de una manera eficiente y, por tanto, no actúa
como sustrato para la enzima.
A día de hoy existen dos modelos para describir el mecanismo de la unión enzimática: el modelo llave-cerradura (v. fig. 3.6)
y el modelo de ajuste inducido (fig. 3.7). En el modelo llavecerradura, el sustrato encaja en el sito activo del mismo modo en
el que una llave encaja en una cerradura, explicando así la especificidad enzima-sustrato. El inconveniente de este modelo es
que no explica la reversibilidad que presentan la mayoría de las
reacciones enzimáticamente catalizadas (si la enzima es estrictamente específica para un sustrato, entonces no puede serlo
para su producto en la reacción inversa). El más reciente modelo
de ajuste inducido es más susceptible a las reacciones reversibles. En este modelo, el sustrato encaja en el sitio activo de una
manera más parecida a la que un pie encaja en un calcetín que
una llave en una cerradura: las formas son similares, pero no
estrictamente complementarias. Cuando el sustrato se une a la
enzima, se induce un cambio conformacional en ella que provoca una mejor unión, igual que el pie dentro del calcetín hace que
la forma de este adopte la forma del pie.
Coenzimas y cofactores
A pesar de que las enzimas son proteínas, muchas poseen componentes no proteicos adicionales denominados cofactores,
que son necesarios para la correcta función enzimática. Muchas
enzimas contienen iones metálicos, como el hierro, cobre o zinc,
que funcionan como cofactores, uniéndose fuertemente a las
cadenas laterales de ciertos aminoácidos, y manteniendo de esta
manera a la enzima en su conformación habitual. Sin estos
iones, la forma de las enzimas se alteraría, provocando una pérdida de su actividad. Otras enzimas utilizan vitaminas (compuestos orgánicos diferentes que son necesarios en pequeñas
cantidades y que deben ingerirse con la dieta) o derivados de
vitaminas como cofactores.
Comprueba tus conocimientos
La alcohol deshidrogenasa, una enzima que se encuentra en el
estómago y el hígado, elimina el etanol del organismo por oxidación
a acetaldehído. El zinc es el cofactor de la alcohol deshidrogenasa. Si la
ingesta de zinc de una persona fuera deficiente, ¿cómo afectaría a la
actividad de la alcohol deshidrogenasa y a la capacidad de la persona
de tolerar el alcohol?
Algunos cofactores derivados de vitaminas actúan como
coenzimas, moléculas que no tienen la actividad catalítica en sí
mismas, pero participan directamente en las reacciones catalizadas por sus enzimas correspondientes. Una coenzima suele
servir para más de un tipo de enzima; a menudo una coenzima
se puede disociar de una enzima para unirse a otra, permitiéndole participar en más de una reacción. En unos pocos casos, las
enzimas se encuentran permanentemente unidas a sus enzimas
correspondientes. Normalmente, las coenzimas transportan
determinados grupos químicos de una reacción a otra. Al igual
que las enzimas, las coenzimas no se modifican de manera per-
68
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
manente por las reacciones en las que participan y, por tanto, se
pueden reciclar para continuos usos.
Existen tres coenzimas importantes en el metabolismo energético: la flavina adenina dinucleótido (FAD), un derivado de la
vitamina B12 (riboflavina); la nicotinamida adenina dinucleótido
(NAD), un derivado de la vitamina B3 (niacina), y la coenzima A
(CoA), un derivado de la vitamina B5 (ácido pantoténico).
FAD y NAD actúan como transportadores de hidrógeno
(electrones) en ciertas reacciones de oxidación-reducción y
hacen de lanzaderas de electrones de un sitio a otro de la célula. La FAD adquiere electrones reclutando pares de átomos
de hidrógeno, resultando del proceso una FAD reducido a
FADH2:
FAD + 2 H r FADH2
Posteriormente, la FADH2 libera estos electrones a otro aceptor
y vuelve a quedar en su estado oxidado, FAD, libre para cargarse
con un nuevo par de electrones.
La NAD+ también transporta pares de electrones, pero de una
manera diferente: recoge un electrón de un átomo de hidrógeno
y el otro como electrón libre, al que toma de un átomo de hidrógeno, que deja como protón (H+). De este modo, la reducción de
la NAD+ sucede de la siguiente manera:
NAD+ + 2 H r NADH + H+
Observa que en este proceso la NAD+, que posee una carga positiva, se reduce a NADH, sin carga alguna. (La carga positiva se
compensa con la carga negativa del electrón adquirido.) Posteriormente, la NADH libera su par de electrones a otro aceptor a
través de la reacción inversa a la que acabamos de ver, transformándose de nuevo en su forma oxidada NAD+, lista para captar
un nuevo par de electrones. Veremos varios ejemplos en los que
la NAD+ y la FAD participan a lo largo de este capítulo.
La CoA capta grupos químicos denominados grupos acetilo
(— CH2COOH) en determinadas reacciones metabólicas y los
transporta hacia otras reacciones. En el proceso, cada CoA se
une covalentemente a un grupo acetilo, formando un compuesto conocido como acetil coenzima A (acetil-CoA). La función de
la CoA en la oxidación de la glucosa se explicará más adelante en
este capítulo.
Factores que afectan a las velocidades
de las reacciones enzimáticamente catalizadas
Las enzimas aceleran las reacciones metabólicas reduciendo la
energía de activación. Esto se muestra en la figura 3.5, considerando la elevada energía de activación en ausencia de enzima y
cómo esta disminuye en presencia de ella. Claramente, un mayor
número de moléculas poseen la energía suficiente para superar
la barrera de la energía de activación en presencia de la enzima.
Observa que la altura de la barrera de la energía de activación no
afecta a la variación global de la energía de la reacción ($E), que
depende solo de la diferencia del estado energético de reactantes y productos. De esta manera, las enzimas no afectan directamente a la cantidad de energía requerida o liberada, sino solo a
la velocidad de la reacción.
La velocidad a la que una enzima puede catalizar una reacción se ve afectada por diferentes factores, incluyendo 1) la velocidad catalítica de la enzima; 2) la concentración enzimática;
3) la concentración del sustrato, y 4) la afinidad de la enzima por
el sustrato.
Tasa catalítica La tasa catalítica de una enzima se mide como
la cantidad de producto que es capaz de generar por unidad de
tiempo, asumiendo que el sitio activo está siempre ocupado por
una molécula de sustrato. Como tal, la tasa catalítica refleja la
velocidad a la que la enzima es capaz de salir del paso catalítico
del proceso en dos pasos previamente descrito. Algunas enzimas
son más rápidas que otras y pueden transformar cientos de
moléculas de sustrato en productos cada segundo; otras enzimas requieren más de un minuto para la transformación de un
único sustrato. A igualdad de otros factores, la tasa de una reacción aumenta cuando mayor sea la tasa catalítica de la enzima
implicada en el proceso.
Concentración de sustrato La velocidad de una reacción enzimática aumenta según se incrementa la concentración de sustrato, de acuerdo con la ley de acción de masas. Como en lo
descrito para la concentración enzimática, un incremento en el
número de moléculas de sustrato aumenta la probabilidad de
que estas se unan a la enzima. Una enzima solo puede catalizar
una reacción cuando un sustrato se une a ella. Además, una
enzima se puede reciclar para ser usada una y otra vez. Una vez
que un sustrato se ha transformado en un producto y este ha
sido liberado, la enzima puede unirse a un nuevo sustrato para
convertirlo en nuevo producto. Cuando la concentración de
sustrato es baja, pasará más tiempo hasta que una nueva molécula sea capaz de unirse a la enzima, y, como resultado, su sitio
activo permanecerá desocupado por un período mayor de
tiempo. Bajo estas condiciones, la velocidad de la reacción se
reducirá, porque durante mucho rato la enzima está vacía.
A mayores concentraciones de sustrato, menos tiempo pasará
hasta que la siguiente molécula ocupe el sitio activo. Esto significa que la mayoría del tiempo, el sitio activo de la enzima permanecerá ocupado, lo que le da la oportunidad de catalizar la
reacción. En consecuencia, la velocidad de la reacción será
mayor.
La figura 3.8 muestra cómo la velocidad de una reacción
enzimáticamente catalizada varía con la concentración de sustrato, [S], y de enzima. En bajas y moderadas concentraciones, la
velocidad aumenta según se incrementa [S], como era de esperar. En altas concentraciones, sin embargo, la pendiente de la
curva se suaviza hasta permanecer horizontal, indicando que
nuevos incrementos en [S] no aumentarán más la velocidad de
reacción. Dada una concentración fija de enzima, cuando la [S]
es muy grande, el sitio activo está siempre ocupado, y se dice
que la enzima se encuentra 100% saturada. (El porcentaje de
saturación de una enzima indica la proporción de tiempo que
su sitio activo permanece ocupado; así, a un 25% de saturación,
el sitio activo está ocupado el 25% del tiempo.) Aumentar [S] más
allá de ese punto no causará ningún efecto, porque todas las
moléculas de enzima se encuentran ocupadas. Bajo estas condiciones, la velocidad de la reacción estará condicionada únicamente por la tasa catalítica y la concentración de la enzima.
Cuando se aumenta la concentración enzimática, la reacción
puede ocurrir a una velocidad mayor para una determinada cantidad de sustrato.
Concentración enzimática La tasa catalítica de una enzima
influye en la velocidad de una reacción, porque afecta a la velocidad con la que una enzima, de manera individual, puede convertir sustratos en productos. Pero la velocidad de una reacción
también aumenta de manera proporcional a la cantidad de enzima presente, según la ley de acción de masas. Un aumento en el
número de moléculas de enzima incrementa la probabilidad de
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
69
Alta [E]
Velocidad de la reacción
Velocidades
máximas
Enzima con alta
afinidad por sustrato
Baja [E]
Enzima con baja
afinidad por sustrato
Velocidad
de la reacción
Diferencia en
la velocidad
de la reacción
a baja [S]
Baja [S] Concentración de sustrato [S]
Concentración de sustrato [S]
FIGURA 3.8 Influencia de la concentración de sustrato en la velocidad
de una reacción catalizada por una enzima. La unión de un sustrato a la
enzima aumenta cuando aumenta la [S], hasta que se alcanzan
concentraciones altas de sustrato, en cuyo caso todas las moléculas de enzima
están unidas (100% de saturación). A una mayor concentración de enzima, se
puede unir más sustrato y se alcanzará una velocidad de reacción más rápida.
P
Al aumentar la velocidad de la reacción, ¿aumenta la concentración de
moléculas enzimáticas libres (no unidas)?
que un sustrato se una a ellas y, consecuentemente, de que sea
transformado en un nuevo producto. Dado que las enzimas son
proteínas, la concentración enzimática se puede regular mediante la síntesis y/o degradación proteica, según se describió en el
capítulo 2.
La figura 3.8 muestra dos curvas, una para bajas concentraciones de enzima y otra para altas. Observa que para una concentración determinada de sustrato, la velocidad de reacción
es mayor a mayor concentración de enzima. Véase también
que, aunque las dos curvas tienen una velocidad máxima, esta
es mayor para la reacción con mayor concentración enzimática.
Afinidad La afinidad de una enzima se mide como la avidez de
su sitio activo para su sustrato. (Afinidad es un término general
para referirse a la atracción entre dos objetos.) Generalmente
hablando, mayores afinidades se traducen en mayores velocidades de reacción. Resulta bastante intuitivo si se considera que el
sitio activo debe ser ocupado por una molécula de sustrato antes
de que la enzima pueda catalizar reacción alguna. Cuando los
sustratos se encuentran presentes en una concentración determinada, el sitio activo se ocupará un mayor porcentaje de tiempo si la enzima tiene una mayor afinidad por su sustrato. Si la
afinidad es baja, el sitio activo permanecerá ocupado un menor
espacio de tiempo, en igualdad de condiciones. De manera que
una mayor afinidad generará una mayor cantidad de productos
en un período fijo de tiempo.
Una afinidad alta implica un ajuste perfecto entre el sitio
activo de la enzima y la molécula de sustrato. Tal ajuste maximizará el área de contacto entre la enzima y el sustrato, de tal modo
que se maximizarán también las fuerzas atractivas que deben
existir entre los dos. La afinidad también se encuentra influenciada por otros factores que incrementan estas fuerzas de atrac-
FIGURA 3.9 Influencia de la afinidad enzima-sustrato en la velocidad
de una reacción catalizada por una enzima. Se muestran los diagramas de
velocidad de reacción frente a concentración de sustrato de dos enzimas que
tienen diferentes afinidades por el sustrato. Con el propósito de comparar, se
asume que las dos enzimas tienen la misma tasa catalítica y se encuentran
presentes a la misma concentración. Ten en cuenta que, a una menor
concentración de sustrato, la enzima con mayor afinidad es capaz de catalizar
la reacción a una velocidad más rápida.
ción, como la presencia de cargas eléctricas opuestas en la enzima y el sustrato.
La figura 3.9 muestra cómo el grado de saturación de una
enzima y, por consiguiente, la velocidad a la que puede catalizar
una reacción se ve afectado no solo por la concentración de sustrato, sino también por la afinidad de la enzima por él. En una
concentración de sustrato determinada, una enzima con mayor
afinidad presentará un mayor grado de saturación que el que
presentaría una enzima con menor afinidad, de manera que su
velocidad máxima la alcanzará a menores concentraciones de
sustrato.
Otros factores que afectan a las velocidades de las reacciones
enzimáticamente catalizadas Las velocidades de reacción se
pueden ver afectadas por otro tipo de condiciones como, por
ejemplo, la temperatura de la mezcla de reacción o su pH
(v. «Repaso de química: Ácidos, bases y pH»). Cambios en la
temperatura o el pH alteran la estructura de todas las proteínas;
estos cambios afectan a la estructura, y, por tanto, a la actividad
de las enzimas. En general, la actividad enzimática decae si la
temperatura o el pH pasan a valores significativamente mayores
o menores de lo normal. Dentro del organismo, los cambios en
la temperatura raramente son significativos, debido a que la
temperatura corporal se regula para que permanezca constante.
En los líquidos extra- e intracelulares, el pH también se regula
para que permanezca constante (dentro del rango 7,2 a 7,4),
pero varía de manera apreciable en determinadas localizaciones
dentro del aparato digestivo. La luz del estómago, por ejemplo,
contiene líquidos claramente ácidos (el pH puede ser menor
de 2); en el intestino, el líquido luminal es más básico, con un pH
mayor de 8. Especialmente significativo es que la actividad de la
pepsina, una enzima que se encuentra en el estómago, es mayor
cuando el pH se encuentra en un rango de valores ácidos, mientras que la de la tripsina, una enzima digestiva similar que actúa
en el intestino, es mayor con pH básico.
70
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
REPASO DE QUÍMICA
Ácidos, bases y pH
Ciertas sustancias liberan iones de hidrógeno o protones (H+) cuando
se disuelven en agua y se conocen como ácidos. Un ejemplo conocido
es el ácido clorhídrico (HCl), que se disocia en iones de hidrógeno y
cloro:
HCl r H+ + Cl–
El HCl es un ejemplo de ácido fuerte, un ácido que se disocia completamente. Otros ácidos son ácidos débiles, lo que significa que no se disocian completamente. Por ejemplo, los grupos carboxilo (— COOH), que
se encuentran en los aminoácidos y otras biomoléculas, actúan como
ácidos débiles y se disocian como se muestra a continuación:
R — COOH s R — COO– + H+
Aquí, la flecha doble indica que el protón no solo puede disociarse del
anión (R — COO–), sino que puede combinarse con él.
Las sustancias que se combinan con protones se llaman bases y se
clasifican como fuertes o débiles dependiendo de si se combinan
completamente o no. Ejemplos de bases débiles son los grupos amino (— NH2), que se encuentran en los aminoácidos y otros compues-
Regulación de la actividad enzimática
Acabamos de ver cómo las enzimas catalizan reacciones y cómo
la velocidad de estas reacciones viene determinada por varios
factores. A continuación echaremos un vistazo a cómo el organismo regula la actividad de sus enzimas para ajustar las velocidades de las reacciones metabólicas.
Como consecuencia de los cambios en el organismo, las
velocidades de las reacciones metabólicas están continuamente
variando para ajustarse a las necesidades de cada momento.
Este ajuste se logra por medio de mecanismos que regulan la
actividad de ciertas enzimas. En algunos casos, las concentraciones de las enzimas celulares se ajustan para acelerar o frenar
determinados procesos. Una mayor cantidad de enzimas puede
ser sintetizada para, por ejemplo, incrementar la concentración
enzimática y con ello las velocidades de las reacciones. Alternativamente, las enzimas se pueden degradar o inactivar para conseguir el efecto contrario. Lo más común es que las velocidades
de reacción se ajusten mediante cambios en la actividad de enzimas ya existentes. Esta manera de alterar las velocidades de
reacción es considerablemente más rápida que variar la concentración enzimática. Dos mecanismos comunes para alterar la
actividad de enzimas existentes son las modificaciones covalentes y los reguladores alostéricos.
Regulación alostérica Algunas enzimas tienen un sitio de unión
denominado sitio de regulación, que es específico para moléculas generalmente conocidas como moduladoras. (El sitio de
regulación es diferente del centro activo.) Un modulador induce
un cambio conformacional en la enzima que cambia la estructura del centro activo, provocando un cambio en la actividad de
la enzima al variar su tasa catalítica, su afinidad por el sustrato o
tos, y que reaccionan con los protones, como se muestra a continuación:
R — NH2 + H+ s R — NH3+
La acidez de una disolución está determinada por la concentración
de sus iones hidrógeno, que se puede expresar en términos de molaridad o mediante un número llamado pH, que está definido según la
siguiente expresión:
pH = log(1/[H+]) = – log [H+]
donde [H+] es la concentración de iones hidrógeno. Ten en cuenta que,
a medida que [H+] aumenta, el pH disminuye. Considera también que,
debido a que la escala de pH es logarítmica, un cambio de una unidad
de pH representa un cambio de diez veces la concentración de iones
hidrógeno. Dicha concentración en agua pura es de 10–7 M, dando un
pH de 7. Se dice que las disoluciones con un pH de 7 son neutrales. Una
disolución cuyo pH es menor de 7 se dice que es ácida; si el pH es mayor
de 7, la disolución es básica.
ambas. Este tipo de mecanismo regulatorio se conoce como
regulación alostérica (fig. 3.10). En la regulación alostérica, la
unión del modulador al centro regulador se produce a través de
interacciones débiles y, por tanto, es reversible. Así, el modulador puede fácilmente desalojar el centro regulador después de
haberse unido a él. La velocidad de las reacciones catalizadas
sujetas a regulación alostérica varía con la concentración de sustrato según una función sigmoidea, tal y como se muestra en la
figura 3.10b. La curva sigmoidea indica que la enzima tiene una
mayor afinidad por el sustrato cuando este se encuentra en concentraciones mayores (propiedad común para las enzimas reguladas alostéricamente).
La unión del modulador a la enzima puede traer tanto un
incremento como un descenso en la actividad enzimática,
dependiendo de la enzima en cuestión. Un modulador que
incrementa la actividad enzimática se denomina activador; un
modulador que disminuye la actividad enzimática se denomina
inhibidor. Un activador alostérico desplaza la curva hacia la
izquierda, indicando un incremento en la velocidad de reacción
para una concentración de sustrato determinada, mientras que
un inhibidor alostérico desplaza la curva hacia la derecha, indicando un descenso en la velocidad de la reacción (fig. 3.10c).
Algunas enzimas tienen más de un tipo de modulador alostérico. A veces estos diferentes moduladores afectan a la enzima de
maneras diferentes (algunos son inhibidores, mientras que otros
son activadores).
Regulación covalente Otro tipo de regulación es la regulación
covalente, en la cual los cambios en la actividad enzimática
vienen determinados por la unión covalente de grupos químicos específicos a lugares específicos de la enzima (fig. 3.11). En
este proceso, la formación de enlaces covalentes entre el grupo
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
Sitio de regulación
Modulador
Cataliza la formación
de enlaces covalentes
entre el grupo químico
y la molécula de enzima
Enzima
+
71
Sitio activo
Enzima con
la actividad
modificada
(a)
Enzima
A
Enlace covalente
Velocidad de la reacción
Enzima normal
+
Grupo
químico
Enzima alostérica
Enzima con
la actividad
modificada
Enzima
B
Cataliza la rotura
del enlace covalente
FIGURA 3.11 Regulación covalente de la actividad enzimática.
Concentración de sustrato
La unión covalente de un grupo químico a una molécula de enzima modifica la
actividad enzimática. La formación de estos enlaces covalentes está catalizada
por otra enzima (A); la eliminación del grupo químico requiere de nuevo la
acción de otra enzima (B), que rompe los enlaces covalentes.
(b)
Velocidad de la reacción
Sitio
activo
Enzima
Con activador
alostérico
Con inhibidor
alostérico
La desfosforilación la catalizan las fosfatasas, en un proceso que
se puede representar como:
E—P
fosfatasa
E + Pi
Las proteínas cinasa y fosfatasas generalmente son específicas de enzimas dianas, que son a su vez dianas para otros
mecanismos de regulación alostérica o regulación covalente
adicional.
Concentración de sustrato
(c)
FIGURA 3.10 Regulación alostérica de la actividad enzimática.
(a) Unión reversible de una molécula moduladora a un sitio de regulación
en una enzima. Cuando se une, el modulador altera el sitio activo y, por tanto,
la actividad de la enzima. (b) Efecto de la concentración del modulador en la
actividad enzimática. La velocidad a la que una enzima alostérica cataliza las
reacciones aumenta con la concentración de sustrato siguiendo una función
sigmoidea (con forma de S). (c) Los activadores aumentan la velocidad de la
reacción a una concentración de sustrato dada, mientras que los inhibidores
disminuyen la velocidad de la reacción.
¿Por qué aumenta la cantidad de enzima unida a medida que aumenta
P
la concentración del modulador?
químico y la enzima la cataliza otra enzima diferente (enzima A
en la fig. 3.11). Debido a que las uniones covalentes son relativamente fuertes, el grupo químico permanecerá unido a la
enzima, a menos que los enlaces que los unen se rompan, lo
cual requeriría la acción de otra enzima (enzima B en la
fig. 3.11).
Una manera común de regulación enzimática por modificaciones covalentes es la unión o eliminación de grupos fosfato (Pi)
a las enzimas. La fosforilación de una enzima diana (E) se cataliza por un tipo de enzimas denominadas proteínas cinasa, como
se muestra a continuación:
E + Pi
proteína cinasa
E—P
Inhibición por retroalimentación A través de la regulación alostérica o covalente, se puede incrementar o disminuir la actividad
de una enzima, pero las reacciones de una vía metabólica normalmente están catalizadas por diferentes enzimas, de las cuales solo unas pocas pueden ser reguladas. A través del control de
enzimas clave, las células pueden ejercer el control sobre las
rutas enteras.
Ciertas enzimas de las rutas metabólicas son más propensas
a ser el blanco de regulación que otras. Por ejemplo, dentro de
una vía metabólica, las velocidades de las reacciones individuales varían. La velocidad de la ruta total solo pude ser tan rápida
como la velocidad de su reacción más lenta, la cual recibe el
nombre de reacción limitante. La enzima que cataliza la reacción limitante es frecuentemente objeto del proceso regulatorio
conocido como inhibición por retroalimentación.
En la inhibición por retroalimentación, un producto intermediario de una vía metabólica es capaz de inhibir alostéricamente a la enzima que cataliza una reacción anterior en el tiempo de la misma ruta. Tomando como ejemplo una vía metabólica
consistente en tres etapas catalizadas por tres enzimas diferentes (E1, E2, y E3):
(–)
A
E1
B
E2
C
E3
D
Aquí, la molécula C actúa como inhibidor alostérico de la enzima E2, que se encarga de catalizar el segundo paso de la ruta,
72
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
tal y como se indica con la flecha con el signo negativo sobre
ella.
Normalmente, la inhibición por retroalimentación regula las
actividades enzimáticas con el fin de mantener las velocidades
de las reacciones constantes. Bajo estas condiciones (conocidas
como estado estacionario), los tres pasos de la ruta descrita suceden a la misma velocidad, debido a que C se consume en el tercer paso tan rápido como se genera en el segundo, lo cual mantiene [C] constante. Si la velocidad del segundo paso se
incrementa por alguna razón, [C] aumentaría, lo cual suprimiría
la actividad de E2, contrarrestando así el cambio en la concentración.
La inhibición por retroalimentación puede también acelerar
o disminuir las reacciones metabólicas de acuerdo con las necesidades del organismo. Suponga, por ejemplo, que en el ejemplo anterior la velocidad del tercer paso aumenta como respuesta a una necesidad metabólica puntual que requiere la
formación de más producto D. La aceleración del tercer paso
provocará un consumo más rápido de C, lo cual causará una
disminución en [C]. Esta caída de [C] reducirá la acción inhibitoria sobre E2, permitiendo, de esta manera, acelerar el paso dos
de la ruta.
A menudo, el inhibidor alostérico en la retroinhibición es el
producto final de la ruta, y a este tipo de regulación se la conoce
como inhibición por producto final. Por ejemplo, en la siguiente
ruta, su producto final, D, inhibe E1:
(–)
A
E1
B
E2
E3
C
D
La enzima inhibida es normalmente la que cataliza la etapa
limitante o la que cataliza la primera reacción de la ruta. Algunas rutas metabólicas, sin embargo, tienen ramificaciones. En
estas rutas, las primeras enzimas de los puntos de ramificación
suelen regularse también para controlar la velocidad de las
reacciones de las ramificaciones. Considera la siguiente vía
metabólica:
A
B
E1
E2
C
D
El intermediario B se puede transformar en C o D, dependiendo
de la actividad relativa de las enzimas 1 y 2.
ción estables en condiciones normales, aunque también permite acelerarlas o retrasarlas cuando cambian las condiciones.
Test rápido 3.3
1. Indica cuál de las siguientes características produciría una mayor velocidad neta de reacción en la dirección de los productos si aumentase: temperatura, concentración de reactantes, concentración de
productos, altura de la barrera de la energía de activación (selecciona
todas las que cumplan la condición).
2. ¿Cómo es la velocidad de una reacción enzimática afectada por la
tasa catalítica de una enzima? ¿Y por su afinidad por el sustrato?
3. ¿Cuál es la principal diferencia entre la regulación alostérica y la regulación covalente? ¿Y entre la retroalimentación y la inhibición
anterógrada?
Oxidación de la glucosa:
la reacción central
del metabolismo energético
Hemos estudiado cómo ciertas reacciones químicas son capaces
de liberar energía, mientras que otras la consumen; también
hemos comprobado que la energía liberada por algunas reacciones puede ser aprovechada para realizar algún trabajo a nivel
celular. Hemos aprendido cómo las enzimas catalizan estas
reacciones para que puedan ocurrir a la velocidad que requiera
el organismo en cada momento. En esta sección aunaremos
toda esta información para comprender cómo las células utilizan la degradación de los nutrientes para producir y almacenar
suficiente energía como para mantener todos los procesos que
tienen lugar en cada organismo.
¿Alguna vez te has planteado por qué respiramos? La respuesta es simple: la respiración nos permite obtener el oxígeno
del aire cuando inspiramos, y nos deshacemos del dióxido de
carbono cuando espiramos. Este intercambio de gases es crucial
para nuestra supervivencia, ya que derivamos la mayor parte de
nuestra energía de la reacción del oxígeno con la glucosa y otros
compuestos que actúan como combustibles. Cuando el oxígeno
reacciona con estos combustibles, se libera energía y dióxido de
carbono como desecho. Esto es evidente en la reacción del oxígeno con la glucosa (C6H12O6), que se desarrolla de la siguiente
manera:
C6H12O6 + 6 O2 r 6 CO2 + 6 H2O + energía
Activación por alimentación anterógrada Otro mecanismo
mucho menos frecuente de regulación enzimática es la activación por alimentación anterógrada, en la que se produce la
activación de una enzima por una sustancia intermedia que
aparece en la parte proximal de una vía metabólica, como la
siguiente:
(+)
A
E1
B
E2
C
E3
D
En este ejemplo, E3, que cataliza el tercer paso, se activa por la
sustancia B, que se produce en el primero. Igual que sucede en
la inhibición por el producto final, la activación por alimentación anterógrada ayuda a mantener las velocidades de la reac-
Podemos ver cómo la completa oxidación de una molécula de
glucosa requiere seis moléculas de oxígeno y genera seis moléculas de dióxido de carbono y otras tantas de agua. También se puede apreciar en esta reacción la liberación de energía, lo cual es la clave para convertirla en una reacción de
vital importancia para las células. Las cantidades de energía
liberadas son de 686 kcal por cada mol de glucosa
($E = –686 kcal/mol).
ATP: moneda energética
Cuando se libera energía en una reacción, esta debe ser «capturada» en ciertas formas antes de que se pueda utilizar para la
realización de algún trabajo; de otra manera, simplemente se
disiparía (se liberaría al medio) en forma de calor. Cuando el car-
C A P Í T U LO 3
Adenosina
NH2
C
N
C
HC
C
N
Trifosfato
CH
N
N
CH2
O
HC
O
O
H
H
C
C
OH
OH
O
P
O
O–
C
P
O–
O
O
P
O–
O–
Metabolismo celular
73
La fosforilación oxidativa requiere oxígeno y un sistema de
transporte de electrones. En secciones posteriores podrá aprender ejemplos específicos de fosforilación a nivel de sustrato y de
fosforilaciones oxidativas. Ahora veremos cómo la degradación
de la ATP libera energía.
Tal y como ya hemos dicho anteriormente, el vapor generado en una planta energética actúa como un almacén temporal de energía, debido a que se utiliza para generar electricidad:
durante este proceso pierde la energía que ganó con la combustión del carbón. Del mismo modo, la ATP también actúa como
un almacén temporal de energía, porque después se degrada a
ADP y Pi, proceso en el cual pierde la energía que almacenó
cuando se sintetizó:
ATP (+ H2O) r ADP + Pi + energía
ATP
FIGURA 3.12 ATP.
bón se quema en un horno, por ejemplo, se libera energía en
forma de calor. Si esta energía no se captura, simplemente se
disipa a la atmósfera, sin realizar ningún trabajo. Una planta de
energía, por el contrario, captura la energía liberada en la combustión del carbón usando el calor para generar vapor a presión.
Este vapor se usa después para mover un generador eléctrico, y
al hacerlo se realiza un trabajo. De esta manera, el vapor actúa
como un almacén temporal de energía o como un «intermediario» que facilita la transferencia de energía de la combustión del
vapor al generador eléctrico. Las células aprovechan la energía
liberada en una reacción como la oxidación de la glucosa para
sintetizar un compuesto denominado adenosina trifosfato (ATP), que sirve como un almacén temporal de energía
(fig. 3.12). La ATP se sintetiza de un nucleótido llamado adenosina difosfato (ADP) y un fosfato inorgánico (Pi) de acuerdo con
la siguiente reacción:
ADP + Pi + energía r ATP (+ H2O)
La síntesis de ATP es un ejemplo de una reacción de condensación, ya que se genera agua como producto. (El agua a
menudo se omite en la notación de la reacción para simplificarla.) La cantidad de energía requerida para generar un mol
de ATP en condiciones normales es de alrededor de 7 kcal
($E = +7 kcal/mol).
La formación de ATP es una reacción de fosforilación, porque implica la adición de un grupo fosfato (P) a otro compuesto,
ADP. La síntesis de ATP tiene lugar a través de dos procesos básicos: la fosforilación a nivel de sustrato y la oxidativa. En la fosforilación a nivel de sustrato, se trasfiere un grupo fosfato desde
un intermediario (X) al ADP, para formar ATP:
X – P + ADP r X + ATP
Por ejemplo, en las células musculares, la creatinina fosfato puede donar su grupo fosfato al ADP para formar ATP:
creatinina fosfato + ADP r creatinina + ATP
Esta reacción a menudo se conoce como la hidrólisis del ATP, ya
que el agua es uno de los reactantes. (Debido a que la hidrólisis
del ATP libera energía e implica la rotura de un enlace simple, el
enlace entre la molécula de ATP y cada uno de sus fosfatos se
conoce como enlace de fosfato de alta energía.)
Cuando las células necesitan energía para realizar un trabajo
o poner en marcha reacciones endergónicas, la obtienen hidrolizando la ATP previamente sintetizada. Debido a que la oxidación de la glucosa y otras reacciones exergónicas suministran
la energía necesaria para sintetizar ATP, estas reacciones son la
última fuente para la energía celular.
ATP en acción
Las células pueden sintetizar ATP usando la energía liberada de
la oxidación de la glucosa, porque esta tiene una variación
de energía negativa y, por tanto, tiene lugar de manera espontánea. En contraste, la síntesis de ATP tiene una variación de energía positiva y no ocurre espontáneamente. Cuando las células
usan la oxidación de la glucosa (o alguna otra reacción exotérmica) para sintetizar ATP, parte de la energía liberada se emplea
para suministrar la energía necesaria para la síntesis de ATP.
Esto se consigue gracias a mecanismos que acoplan las reacciones de liberación de energía con aquellas que necesitan energía,
de manera que suceden juntas (fig. 3.13). Cuando, a continuación, se degrada la ATP, la energía que se libera se acopla a
mecanismos que permiten su aprovechamiento para la realización de trabajo.
Hemos visto que la oxidación de un mol de glucosa produce
686 kcal de energía. Como solo se requieren 7 kcal para sintetizar
un mol de ATP, la oxidación de un mol de glucosa es suficiente
para sintetizar 98 moles de ATP. Cuando se mide la cantidad real
de ATP sintetizada en la oxidación de un mol de glucosa, resulta
que solo se forma la tercera parte del valor teórico antes mencionado, esto es, 38 moles de ATP por mol de glucosa. ¿Por qué tan
poco? Para entender esto, se debe considerar la variación de
energía del proceso global.
Cuando se oxida un mol de glucosa y se producen 38 moles
de ATP, el proceso completo se puede escribir de la siguiente
manera:
C6H12O6 + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi r
6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
En la fosforilación oxidativa, la ADP une fosfato (Pi)inorgánico
libre para formar ATP:
ADP + Pi r ATP
La variación de energía para esta reacción es la suma de la
variación de energía para la oxidación de la glucosa (–686 kcal)
y la variación de energía de la síntesis de 38 moles de ATP
74
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
C6H12O6 + 6 O2
Oxidación
de la glucosa
6 CO2 + 6 H2O
Calor
ATP
Calor
TRABAJO
Energía
Energía
Movimiento celular
Síntesis de moléculas
Transporte a través de las membranas
ADP + Pi
FIGURA 3.13 Acoplamiento de reacciones en la transferencia de energía. Reacciones como
la oxidación de la glucosa liberan energía que se utiliza para la síntesis de ATP. La posterior rotura
de la ATP libera energía que se utiliza para llevar a cabo diversos tipos de trabajo celular.
P
Al romperse la molécula de ATP para formar ADP y P, ¿aumenta o disminuye la energía potencial
de la molécula?
(38 moles 7 kcal/mol = 266 kcal). Por tanto, la oxidación de la
glucosa libera más energía de la que se usa en la síntesis de ATP,
proporcionando una variación de energía neta que es negativa
($E = –686 kcal + 266 kcal = –420 kcal). Debido a que la variación
de energía neta es negativa, la reacción puede avanzar hacia la
formación de ATP.
Este ejemplo ilustra el principio general de que cuando una
reacción exergónica se usa para hacer evolucionar a un proceso
endergónico, la energía liberada no se puede utilizar con un 100%
de eficiencia; parte de la energía liberada siempre acaba en la
basura. Como las células usan en torno a 266 kcal de energía para
la síntesis de ATP de las 686 kcal generadas en la oxidación de un
mol de glucosa, solo un 40% de la energía liberada se rentabiliza
(266 kcal/686 kcal = 0,388 0,4). Para el restante 60% de la energía
liberada, la experiencia nos dice que al menos algo de ella se desprende en forma de calor (v. fig. 3.13), De hecho, el «calor corporal» es, en realidad, calor generado como producto de algunas
reacciones metabólicas, incluyendo la oxidación de la glucosa.
Test rápido 3.4
1. La reacción de oxidación de la glucosa ¿es catabólica o anabólica?
¿Libera energía o la necesita?
2. ¿De dónde procede la energía para la síntesis de ATP? Cuando la ATP
se disocia, ¿para qué se utiliza la energía liberada?
3. Cuando la energía procedente de la oxidación de la glucosa se utiliza
para sintetizar ATP, solo cierta fracción de la energía liberada se utiliza para este propósito. ¿Qué sucede con el resto de la energía liberada?
Etapas de la oxidación de la
glucosa: glucólisis, ciclo de Krebs
y fosforilación oxidativa
Hemos visto que la oxidación de la glucosa libera energía, y que
esta energía es utilizada por las células para la síntesis de ATP.
Exactamente cómo las células realizan esta hazaña es el tema de
esta sección.
En una célula, la oxidación de la glucosa no se lleva a cabo en
una única etapa; se produce en tres etapas distintas, que se llevan a cabo en distintos lugares dentro de la célula. Las etapas
son: 1) glucólisis, que tiene lugar en el citosol; 2) el ciclo de Krebs
(también conocido como ciclo del ácido cítrico, ciclo de los ácidos
tricarboxílicos o ATC), que se produce en la matriz mitocondrial,
y 3) fosforilación oxidativa, que tiene lugar a lo largo de la membrana mitocondrial interna. Cada una de estas etapas conlleva
una serie de reacciones químicas que se mostrarán a continuación, empezando con un repaso de la glucólisis.
Glucólisis
La glucólisis, que significa «rotura de azúcar», es una vía metabólica que comprende diez reacciones, cada una catalizada por
una enzima citosólica diferente (fig. 3.14). En la glucólisis, cada
molécula de glucosa (que tiene seis carbonos) se degrada a
dos moléculas de piruvato (la forma ionizada del ácido pirúvico),
que contiene tres átomos de carbono cada una. Estas moléculas
de piruvato normalmente se degradan todavía más en las sucesivas etapas de la oxidación de la glucosa.
Los principales resultados de la glucólisis se muestran en la
figura 3.15 y se pueden resumir de la siguiente manera:
1. Al final de la glucólisis, cada molécula de glucosa se ha dividido en dos moléculas de piruvato.
2. Durante este proceso se consumen dos moléculas de ATP
(una en cada una de las reacciones 1 y 3), aunque se producen cuatro más por fosforilación a nivel de sustrato (dos en la
reacción 7 y dos en la reacción 10). Esto proporciona una síntesis neta de dos moléculas de ATP por molécula de glucosa
consumida.
3. Se reducen dos moléculas de NAD+ en el paso 6, cediendo
dos moléculas de NADH por cada molécula de glucosa.
Cuando se tienen en cuenta todos los reactantes y productos,
para la reacción global de la glucólisis tenemos:
glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi r 2 piruvato + 2 NADH
+ 2 H+ + 2 ATP
Observa que durante la glucólisis ni se consume oxígeno ni se produce dióxido de carbono. Aunque, de hecho, se consume oxígeno
y se produce dióxido de carbono durante la oxidación de la glucosa, no es durante la glucólisis, sino en fases más tardías.
La glucólisis es útil para las células, porque produce algo de
ATP, pero, sobre todo, es importante porque prepara el terreno
para las posteriores etapas del proceso, que producen mucho
más ATP. El NADH que se produce en la glucólisis finalmente
C A P Í T U LO 3
CH2OH
O
O
H
H
OH
Glucosa
Gliceraldehído-3-fosfato (2)
H
H
HO
OH
H
H
OH
P
O
O–
H
O
H
OH
Glucosa-6-fosfato
Triosafosfato
isomerasa
CH2
Fosfoglucoisomerasa
H
Dihidroxiacetona
C
fosfato
2
CH2
P
O–
OH
CH2
O
O–
OH
O–
C
O
2 NAD+
1,3-Bisfosfoglicerato (2)
O
OH
CH
2 NADH + H+
O
OH
H
P
5
H
HO
O
Gliceraldehído-3-fosfato 6
deshidrogenasa
ADP
O
O–
CH2
Pi
ATP
Hexocinasa 1
O–
75
Metabolismo celular
O
P
O
O
P
CH
OH
O–
C
O
O–
O
O
P
O–
O–
CH2
2 ADP
Fosfoglicerato cinasa 7
2 ATP
O–
O
O
CH2
O–
H
OH
OH
H
Fructosa-6-fosfato
O
CH2OH
OH
Aldolasa 4
3-Fosfoglicerato (2)
H
O–
CH2
O
P
CH
OH
O–
COOH
ATP
Fosfofructocinasa 3
ADP
O
O–
P
O
O
CH2
O–
H
H2C
P
O–
2-Fosfoglicerato (2)
O–
OH
OH
H
Fructosa-1,6-bisfosfato
O
Fosfoglicerato mutasa 8
O
OH
CH2
OH O
CH
O
COO–
O–
P
O–
H
Enolasa 9
2 H 2O
FIGURA 3.14 Reacciones de la glucólisis. Los números con círculo indican la secuencia
de las reacciones individuales. Las enzimas que catalizan estas reacciones aparecen en cursiva
al lado de cada número. Los números en paréntesis indican el número de moléculas producidas
por cada molécula de glucosa.
CH2
Fosfoenolpiruvato (2)
O
O
P
COO–
O–
C
O–
2 ADP
renunciará a sus electrones, liberando así la energía que se utiliza para sintetizar más ATP por fosforilación oxidativa. Además, los piruvatos que se generan, con el tiempo, se catabolizan en la siguiente etapa de oxidación de la glucosa, el ciclo de
Krebs.
Como veremos más adelante en este capítulo, el piruvato
puede evolucionar a través de las siguientes etapas de la oxidación de la glucosa solo si hay disponible una determinada cantidad de oxígeno en el interior celular. Si la disponibilidad de oxígeno no es suficiente, el piruvato será transformado en un
compuesto denominado ácido láctico (o lactato), el cual ya no se
degrada más. A medida que continuamos nuestra discusión
sobre el metabolismo de la glucosa, supón que el oxígeno está
fácilmente disponible a menos que se indique lo contrario.
Ciclo de Krebs
La glucólisis se asemeja a la mayoría de las rutas metabólicas
porque consta de una secuencia de etapas con puntos iniciales
Piruvato cinasa 10
2 ATP
CH3
Piruvato (2)
C
O
COO–
y finales diferenciados. En contraste, el ciclo de Krebs, la siguiente etapa en la oxidación de la glucosa, no tiene ni punto inicial ni
punto final, porque es circular, como su nombre implica.
La oxidación de la glucosa no progresa más allá de la glucólisis hasta que el piruvato, formado en el citosol, entra en la
matriz mitocondrial. En la matriz mitocondrial, el piruvato se
transforma en acetil-CoA en una reacción que reduce NAD+ a
NADH + H+ y que produce dióxido de carbono (fig. 3.16). Nos
76
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
Glucosa
G
L
U
C
Ó
L
I
S
I
S
2 NAD+
2 ADP + 2 Pi
2 NADH + H+
A la fosforilación oxidativa
2 ATP
2 Piruvato
(a)
(b) Reacción general: glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi
2 piruvato + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
FIGURA 3.15 Resumen de la glucólisis. (a) Resumen esquemático de los principales reactantes
y productos de la ruta de la glucólisis. Los números indican las cantidades producidas o consumidas
por cada molécula de glucosa. (b) Reacción general de la glucólisis.
De la glucólisis
Paso intermedio
CH3
Piruvato
C
O
COO–
CoA
NAD+
Piruvato
deshidrogenasa
NADH + H+
A la fosforilación oxidativa
CO2
CH3
Acetil-CoA
O
C
CoA
Al ciclo de Krebs
(a)
(b) Reacción general: piruvato + CoA + NAD+
acetil-CoA + CO2 + NADH + H+
FIGURA 3.16 Paso intermedio entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. (a) El producto final de la
glucólisis, el piruvato, pasa a ser el sustrato inicial del ciclo de Krebs, el acetil-CoA, en la matriz mitocondrial.
(b) Reacción general del paso intermedio.
referimos a esta reacción como la etapa de unión, ya que une la
glucólisis con el ciclo de Krebs. El acetil-CoA es el sustrato inicial para el ciclo de Krebs, y, como veremos más adelante, se
genera en el metabolismo de proteínas, lípidos e hidratos de
carbono. Como la glucólisis produce dos moléculas de piruvato por molécula de glucosa, una molécula de glucosa da lugar
al final a dos moléculas de acetil-CoA. Cada acetil-CoA participa en una «vuelta» completa del ciclo de Krebs.
Las reacciones del ciclo de Krebs se describen en detalle en
la figura 3.17. Este diagrama comienza con acetil-CoA, que puede provenir de diversas fuentes. Los principales resultados del
ciclo de Krebs se muestran en la figura 3.18 y se pueden resumir
de la siguiente manera:
1. Por cada vuelta de ciclo, se generan dos moléculas de dióxido
de carbono como productos finales (una en cada uno de los
pasos 3 y 4).
2. La ATP solo se genera en el ciclo de Krebs por fosforilación a
nivel de sustrato.
3. En una sola vuelta del ciclo de Krebs, se producen un total de
cuatro equivalentes de reducción (3 NADH + H+ y 1 FADH2)
(en los pasos 3, 4, 6 y 8).
El cómputo general por cada vuelta de ciclo es:
acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 3 H2O r
2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
77
Acetil-CoA
CH3
O
C
O
NADH + H+
CH2
NAD+
COO–
8
C
Malato
CoA
1
H2O
COO–
CoA
COO–
Oxaloacetato
H
C
COO–
CH2
Citrato
sintasa
HO
COO–
C
Citrato
CH2
Malato
deshidrogenasa
COO–
OH
Aconitasa 2
COO–
CH2
CH2
COO–
7
Fumarasa
H
C
COO–
H
C
OH
COO–
H2O
Ciclo de Krebs
NAD+
COO–
Isocitrato
3
deshidrogenasa
CH
Fumarato
NADH + H+
CO2
CH
COO–
COO–
FADH2
Isocitrato
Succinato
6 deshidrogenasa
CH2
-Cetoglutarato
CH2
COO–
FAD
C
-Cetoglutarato
deshidrogenasa
CH2
Succinato
Succinil-CoA
sintetasa
CH2
5
COO–
Pi
4
H2O
CoA
GDP
ATP
CO2
CH2
C
ADP
CoA
NAD+
NADH + H+
CH2
GTP
COO–
CoA
COO–
O
O
Succinil-CoA
FIGURA 3.17 Reacciones del ciclo de Krebs. Los números con círculo indican la secuencia de
las reacciones individuales. Las enzimas que catalizan estas reacciones se encuentran en cursiva al
lado de cada número.
P ¿De qué tipo de reacción es un ejemplo el paso 8 del ciclo de Krebs?
En la oxidación de una molécula de glucosa, se producen dos
moléculas de piruvato durante la glucólisis, generando así
dos moléculas de acetil-CoA, que entrarán en el ciclo de Krebs.
La reacción neta para el paso de unión y el ciclo de Krebs por
glucosa es como sigue:
2 piruvato + 8 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 Pi + 6 H2O r
6 CO2 + 8 NADH + 8 H+ + 2 FADH2 + 2 ATP
Cuando se combina con las dos moléculas de ATP por molécula
de glucosa generadas en la glucólisis, las dos moléculas de ATP
adicionales producidas durante el ciclo de Krebs hacen un total
de cuatro moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. Como
veremos, sin embargo, casi toda la ATP se genera durante la etapa
final de la oxidación de la glucosa, la fosforilación oxidativa. El
ciclo de Krebs desempeña un papel importante en este proceso
porque aporta 8 de las 12 moléculas de coenzimas reducidas que
más adelante irán a parar a la fosforilación oxidativa para ceder
sus electrones y liberar energía para sintetizar más ATP.
El ciclo de Krebs y el paso de unión producen el 100% de las
seis moléculas de dióxido de carbono resultantes de la oxidación
completa de la glucosa. Observa que de momento no se ha consumido nada de oxígeno, lo que significa que el 100% del oxígeno
consumido esperado (seis moléculas de oxígeno por molécula de
78
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
Acetil-CoA
3 NAD+
1 FAD
3
H2O
3 NADH + H+
Ciclo
de
Krebs
1 ADP + 1 Pi
A la fosforilación oxidativa
1 FADH2
2 CO2
1 ATP
(a)
(b) Reacción general: acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 3 H2O
2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP + CoA
FIGURA 3.18 Resumen del ciclo de Krebs. (a) Resumen esquemático de los principales reactantes
y productos del ciclo de Krebs. Los números indican las cantidades producidas o consumidas por cada
molécula de acetil-CoA que entra en el ciclo de Krebs. (b) Reacción general del ciclo de Krebs.
glucosa) deberá consumirse durante la fosforilación oxidativa, la
última etapa de la oxidación de la glucosa. Como veremos a continuación, el oxígeno desempeña un papel vital en la fosforilación oxidativa, ya que es el último aceptor de todos los electrones
cedidos por el NADH + H+ o el FADH2. Sin él, los electrones no
tendrían dónde ir y la fosforilación oxidativa se detendría.
Fosforilación oxidativa
La mayoría de la ATP sintetizada por las células se consigue por
fosforilación oxidativa, que implica dos procesos simultáneos:
1) el transporte en la membrana mitocondrial interna de átomos
de hidrógeno o de electrones a través de una serie de componentes, conocidos como la cadena de transporte de electrones, que
libera energía, y 2) el aprovechamiento de esta energía para sintetizar ATP, lo que se lleva a cabo por un mecanismo conocido
como acople quimiosmótico.
En la fosforilación oxidativa, las coenzimas reducidas
(NADH + H+ y el FADH2) generadas en las anteriores etapas de la
oxidación de la glucosa sirven como fuente de energía para las
síntesis de ATP: el NADH + H+ y el FADH2 liberan electrones a la
cadena de transporte de electrones y, según estos electrones
recorren la cadena, se libera energía. La mayoría de esta energía
se captura y se aprovecha para conducir la síntesis de ATP, que
es catalizada por una enzima denominada ATP sintasa.
Cadena de transporte de electrones
La cadena de transporte de electrones comprende una serie de
componentes localizados en la membrana mitocondrial interna.
La mayoría de estos componentes son proteínas especializadas en
funcionar como transportadores de electrones, esto es, unen electrones de manera reversible y así tienen la capacidad de cederlos
al siguiente componente. Entre estos transportadores de electrones se encuentran otros componentes denominados citocromos,
que poseen grupos químicos especiales denominados hemo capaces de albergar iones de hierro. (El grupo hemo también se puede
encontrar en la hemoglobina, tal y como su nombre sugiere.) También podemos encontrar varias proteínas ferrosulfuradas, las cuales contienen átomos de hierro unidos a azufre. La mayoría de
estas proteínas se agregan en forma de grandes complejos que se
encuentran firmemente embebidos en la membrana mitocondrial
interna. Unos pocos transportadores de electrones son moléculas
individuales que se mueven libremente en la bicapa lipídica y
transportan tanto en una dirección como en la otra. Una de ellas,
denominada coenzima Q, no es una proteína, sino una pequeña
molécula compuesta mayoritariamente por hidrocarburos.
Los electrones se transportan en esta cadena por las coenzimas reducidas (NADH y FADH2) generadas en la glucólisis, el
paso de unión y el ciclo de Krebs. Estas coenzimas reducidas
ceden sus electrones a ciertos componentes de la cadena que
actúan como aceptores. Estos aceptores de electrones los donan a
otros aceptores diferentes, que, a su vez, los pasan a los siguientes, y así sucesivamente. Cada vez que los electrones se mueven
de un componente al siguiente, pierden algo de energía, y es esta
energía la que se utilizará para la síntesis de ATP.
Los electrones recorren la cadena saltando de un componente al siguiente en una secuencia específica mostrada en la figura 3.19. La NADH dona su par de electrones al primer componente aceptor de la cadena, denominado flavina mononucleótido
(FMN). En el proceso, la NADH se oxida a NAD+ (que queda libre
para capturar un nuevo par de electrones en la glucólisis o el
ciclo de Krebs), mientras que la FMN se reduce. La FMN pasa
entonces los electrones al siguiente componente de la cadena,
una proteína ferrosulfurada, y se oxida, quedando libre para
aceptar un nuevo par de electrones de otra molécula de NADH.
A pesar de que los electrones abandonan la NADH en forma
de hidrógenos, la mayoría de los componentes de la cadena no
transportan átomos de hidrógeno, solo electrones libres. Consecuentemente, en algún punto los electrones se extraen del átomo
de hidrógeno original, los cuales quedan en solución como iones
hidrógeno (H+), mientras que los electrones continúan moviéndose a lo largo de la cadena. Sin embargo, algunos componentes
sí que transportan protones, pero lo hacen a través de la membrana mitocondrial interna. En tres componentes, los protones
se mueven al espacio intermembranoso, en donde se concentran. En el último componente, los protones se mueven en la
dirección opuesta, de vuelta a la matriz mitocondrial. En esencia,
podemos pensar en la cadena de transporte de electrones como
algo que transporta tanto protones como una combinación de
protones y electrones. La liberación de electrones (denotados
como e–) a la cadena de transporte de electrones por el NADH se
representa en lo alto de la figura 3.19 de la manera siguiente:
NADH + H+ r NAD+ + 2H+ + 2e–
Observa que la liberación de electrones por el FADH2 está escrita
en la figura 3.19 de manera similar.
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
79
Desde la glucólisis, el paso intermedio
y el ciclo de Krebs
NADH + H+
NAD+
2 e– + 2 H+
Mononucleótido de flavina
Proteína ferrosulfurada
Del ciclo
de Krebs
FADH2
2e– + 2H+
Coenzima Q
FAD
Citocromo b
Proteína ferrosulfurada
Citocromo c1
Citocromo c
Citocromo a
Citocromo a3
C
A
D
E
N
A
ADP + Pi
Energía
ATP
D
E
T
R
A
N
S
P
O
R
T
E
ADP + Pi
Energía
ATP
D
E
E
L
E
C
T
R
O
N
E
S
ADP + Pi
Energía
ATP
2 e– + 2 H+
1/2 O
2
H2O
FIGURA 3.19 Cadena de transporte de electrones. Las flechas indican el camino del electrón desde un
donador de electrones inicial (NADH o FADH2) hasta el oxígeno, aceptor final de electrones. Las flechas
onduladas a la derecha indican que el movimiento de electrones a través de la cadena libera energía,
aprovechada para llevar a cabo la síntesis de ATP por la fosforilación oxidativa.
P ¿Qué componentes de la cadena de transporte de electrones contienen grupos hemo?
Después del paso de FMN a la proteína ferrosulfurada, los
electrones pasan a la coenzima Q, que los pasa a un citocromo
denominado citocromo b, y así sucesivamente. Cuando al final los
electrones alcanzan el último componente de la cadena, el citocromo a3, se recombinan con hidrogeniones para formar hidrógenos, que reaccionan inmediatamente con el oxígeno del agua:
con la anterior, podemos ver que el resultado neto del transporte de electrones es lo mismo que si la NADH simplemente hubiera cedido sus electrones directamente al oxígeno del agua, lo
cual es una reacción exergónica:
2 e– + 2 H+ + ½ O2 r H2O
Si este es el resultado, entonces ¿para qué usar la cadena de
transporte de electrones? La cadena de transporte de electrones
provee de un mecanismo para aprovechar la energía liberada de
una manera útil, a saber, para sintetizar ATP. (Veremos cómo
(El átomo de oxígeno se escribe como ½ O2 porque entra en la
reacción en su forma molecular, O2.) Combinando esta reacción
NADH + H+ + ½ O2 r NAD+ + H2O + energía
80
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
Matriz
Espacio intermembranoso
Espacio
intermembranoso
Alta concentración
de H+
Iones H+
Membrana externa
Membrana interna
III
I
aQ
Coenzim
Membrana
mitocondrial
interna
2 e– + 2 H+
NADH + H+
ATP sintasa
IV
Citocromo c
2 e– + 2 H+
NAD+
Baja concentración
de H+
ADP
+ Pi
1/2 O
2
ATP
H2O
Matriz
Mitocondria
FIGURA 3.20 Acoplamiento quimiosmótico. La oxidación de la NADH
permite a los pares de electrones pasar a través de tres grandes complejos de
la membrana mitocondrial interna (I, III y IV), que contienen los componentes
de la cadena de transporte de electrones. (Los electrones son transportados
desde el complejo I al complejo III por la coenzima Q, y desde el complejo III al
complejo IV por el citocromo c.) Según estos electrones se mueven a través de
sucede este acoplamiento un poco más adelante.) La cantidad
precisa de ATP generado depende de las condiciones de la célula; se sintetizan dos o tres moléculas de ATP por cada par de electrones donados por la NADH.
La FADH2 también dona electrones a la cadena de transporte, pero no los dona a la FMN por las siguientes razones: FAD se
encuentra unido permanentemente a su enzima vecina succinato deshidrogenasa (v. paso 6 del ciclo de Krebs, fig. 3.17), la cual,
a diferencia del resto de las enzimas del ciclo de Krebs, se
encuentra insertada en la membrana mitocondrial interna. Por
esta razón, la FADH2 no es libre de moverse por donde quiera,
como lo es la NADH. Debido a su localización, la FADH2 se elimina físicamente de la FMN y, por tanto, no le puede donar sus
electrones, sino que los dona a la coenzima Q (v. fig. 3.19).
Estos electrones, como los que vienen desde el NADH, con el
tiempo se combinan con oxígeno para formar agua, pero, como
entran en la cadena en un punto intermedio, liberan menos
energía. Como consecuencia, solo se sintetizan una o dos moléculas de ATP por cada par de electrones cedidos por la FADH2,
en contraste con las dos o tres moléculas de ATP producidas
cuando los electrones son cedidos por la NADH.
Sabemos que se libera energía cuando los electrones se mueven a lo largo de la cadena de transporte de electrones y que esta
energía se utiliza para la síntesis de ATP. Pero ¿cuál es el mecanismo que acopla la liberación de energía con la síntesis de ATP?
La respuesta es el acoplamiento quimiosmótico, que discutiremos a continuación.
Acoplamiento quimiosmótico
El proceso que acopla el transporte electrónico con la síntesis de
ATP, conocido como acoplamiento quimiosmótico, primero
utiliza la energía liberada en la cadena de transporte de electrones para transportar protones en contra de gradiente a través de
la membrana mitocondrial interna; luego utiliza la energía almacenada en este nuevo gradiente creado para sintetizar ATP
(fig. 3.20).
los complejos, se libera energía, parte de la cual se utiliza para el transporte de
iones hidrógeno (H+) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso.
Los protones se mueven en dirección contraria (a favor del gradiente de
concentración) gracias a la enzima ATP sintasa, en el proceso de liberación
de energía que es utilizado para sintetizar ATP. (Para simplificar, la liberación de
electrones por FADH2 se ha omitido del esquema.)
La membrana mitocondrial interna contiene cuatro componentes distintos de la cadena de transporte de electrones
(v. fig. 3.20). Tres de estos cuatro complejos, además de funcionar como transportadores de electrones, pueden actuar como
transportadores de iones de hidrógeno (H+) a través de la membrana. Según los electrones pasan a través de estos complejos
(designados por números romanos I, III y IV), estos utilizan la
energía generada para transportar protones desde la matriz
mitocondrial hacia el espacio intermembranoso. Este movimiento de protones crea una diferencia de concentración (un
gradiente de concentración) a lo largo de la membrana tal que la
concentración fuera de ella es mayor que en la matriz (v. fig. 3.20).
Este gradiente de concentración representa un almacén de energía potencial. (Una diferencia en el potencial eléctrico a lo largo
de la membrana se añade, además, a esta energía almacenada.)
La enzima ATP sintasa, que cataliza la síntesis de ATP, se
localiza en la membrana mitocondrial interna junto con los
componentes de la cadena de transporte de electrones, y utiliza
la energía almacenada en forma de gradiente de protones para
desarrollar su función. Al igual que los complejos previamente
descritos, es capaz de trasportar protones a través de la membrana. En este caso, sin embargo, los protones se mueven a favor de
gradiente, no en contra (v. fig. 3.20). Este flujo de protones libera
energía, que la ATP sintasa se encarga de aprovechar para sintetizar ATP. A veces, los protones se cuelan a través de la membrana de manera independiente a la ATP sintasa; este movimiento
de protones se desacopla de la síntesis de ATP y es una de las
razones por la cual la producción de ATP por par de electrones
cedidos por la NADH o la FADH2 es menor a la cantidad óptima
(tres o cuatro, respectivamente). (V. «Descubrimientos: ¿Pueden los desacopladores contribuir a perder peso?».)
Resumen de la fosforilación oxidativa
Hemos visto que, en la fosforilación oxidativa, la última etapa
de la oxidación de la glucosa, ocurren los siguientes acontecimientos:
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
81
DESCUBRIMIENTOS
¿Pueden los desacopladores contribuir a perder peso?
El movimiento de electrones en la cadena de
transporte está unido a la síntesis de ATP
mediante el acoplamiento quimiosmótico. Si
este acoplamiento fuera perfecto, por cada
NADH + H+ que proporcionara electrones y
protones (iones de hidrógeno) a la cadena
transportadora de electrones se generarían
tres moléculas de ATP, y por cada FADH2 que
proporcionara electrones y protones se producirían dos de ATP. Sin embargo, en la realidad, algunos de los protones transportados al
espacio intermembranoso de la mitocondria
atraviesan la membrana mitocondrial interna
hacia la matriz independientemente del canal
de ATP sintasa. Estos protones «filtrados» no
contribuyen a la síntesis de ATP, y se dice que
son «desacopladores» de la fosforilación oxidativa. Existe una fuga basal que se produce
de manera continua, y las proteínas desacopladoras aumentan la cantidad de protones
fugados. Cuanto mayor sea el desacoplamiento, menos ATP por oxígeno consumido producirá el organismo.
Se encuentran mitocondrias desacopladas en casi todos los tejidos, pero las proteínas desacopladoras se localizan de manera
particular en el tejido adiposo, el hígado y el
músculo esquelético. Aunque se desconoce
la función fisiológica de las proteínas desacopladoras en los seres humanos, resultan
interesantes para la pérdida de peso, porque
el desacoplamiento aumenta la velocidad
metabólica del organismo. Un aumento de
la velocidad metabólica permite al organismo «quemar» más energía y, por tanto, perder peso.
1. LA NADH y FADH2, generadas en las anteriores etapas de la
oxidación de la glucosa, ceden sus electrones a la cadena
transportadora de electrones. Estos electrones fluyen a través de la cadena para salir de ella y combinarse con oxígeno,
formando agua como producto final.
2. El movimiento de los electrones a lo largo de la cadena libera
energía, que se utiliza para bombear protones al espacio intermembranoso. Esto genera un gradiente de concentración de
protones a través de la membrana que sirve para almacenar la
energía liberada durante el transporte electrónico.
3. Esta energía almacenada se libera cuando los protones fluyen a favor de gradiente a través de la ATP sintasa, que usa
esta energía para sintetizar ATP. Como máximo, se producen
tres ATP por cada par de electrones cedidos por la NADH, y
dos por la FADH2.
Dado que se generan 10 moléculas de NADH y dos moléculas
de FADH2 por cada molécula de glucosa oxidada, es de esperar
que se sinteticen 34 moléculas de ATP durante la fosforilación
oxidativa [(10 NADH + 3 ATP/NADH) + (2 FADH2 + 2 ATP/FADH2)
= 34 ATP]. Como estas 12 moléculas de coenzimas reducidas
transportan cada un total de 12 pares de hidrógeno, esperaríamos que se formasen 12 moléculas de agua, lo que requiere que
se consuman seis moléculas de oxígeno en el proceso. De esta
manera, la reacción global para la fosforilación oxidativa es
(fig. 3.21):
10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 34 ADP + 34 Pi + 6 O2 r
10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O + 34 ATP
Observa que esto representa el 100% de oxígeno consumido en
la oxidación de una molécula de glucosa. Quizás, sorprendentemente, la reacción muestra también que se producen más moléculas de agua (12 en lugar de 6). Sin embargo, cuando se tienen
en cuenta las seis moléculas de agua consumidas durante el
ciclo de Krebs, el resultado neto refleja seis moléculas de agua
producidas, acorde con lo esperado.
Comprueba tus conocimientos
Recuerda que dos de las NADH + H+ producidos durante la oxidación
de la glucosa fueron generados en el citosol durante la glucólisis. Estas
dos NADH + H+ no pueden atravesar la membrana mitocondrial y
donar sus electrones directamente a la cadena de transporte de
electrones. Por el contrario, los electrones son lanzados a través de la
membrana por varias moléculas. Estos electrones lanzados pueden ser
donados a NAD+ o FAD en la mitocondria. Discute la consecuencia en
términos de producción de ATP de si ambos electrones fueran
lanzados a la NAD+ mitocondrial, a la FAD mitocondrial, o un electrón
fuera hacia la NAD+ y otro hacia la FAD.
Cuando se compara con la cantidad de ATP generado por fosforilación a nivel de sustrato en la glucólisis y el ciclo de Krebs,
resulta evidente que la fosforilación oxidativa es la responsable
de la mayoría de la ATP sintetizada por las células. Dado que la
fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación oxidativa generan 4 y 34 moléculas de ATP, respectivamente, por glucosa, las
82
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
CONEXIONES CLÍNICAS
Antioxidantes y radicales libres
Lo ves en las botellas de zumo, en las etiquetas de los suplementos dietéticos y en los artículos que pregonan los beneficios de comer
chocolate negro o beber té verde: «¡con
antioxidantes!». Pero, ¿qué son exactamente
los oxidantes y por qué pueden ser perjudiciales?
El metabolismo del oxígeno supone la producción de radicales libres, que son especies
moleculares altamente reactivas que pueden
dañar las células del organismo. Los radicales
libres tienen uno o más electrones desapareados («libres»). Debido a que los electrones son
más estables cuando están apareados, los
radicales libres son muy reactantes. Ganan
estabilidad en las células reaccionando con
otras moléculas, ganando un electrón cogiéndolo de otra molécula (es decir, oxidando a la
otra molécula). Llamamos oxidantes a los
radicales libres y a otros agentes que realizan
procesos de oxidación. Los oxidantes tienen
funciones normales en las células —por ejemplo, ayudan en la destrucción de las bacterias
durante la inflamación y pueden inducir
mecanismos de protección en una célula
durante el estrés celular—. Sin embargo,
cuando exceden la capacidad antioxidante de
la célula, pueden reaccionar con moléculas
bioquímicas (incluyendo ADN, proteínas y fosfolípidos) y causar daño celular, una situación
conocida como estrés oxidativo.
La mayoría de las células del organismo
generan oxidantes y están sujetas al estrés
oxidativo. Así, el estrés oxidativo se ha asociado con numerosos estados patológicos, incluyendo artritis, enfermedad cardíaca, accidente
cerebrovascular y enfermedades degenerativas como la enfermedad de Alzheimer y la
diabetes mellitus insulinodependiente. Consecuentemente, la investigación científica ha
prestado más atención a los antioxidantes
(que eliminan los oxidantes y las moléculas
que reaccionan con los radicales libres, cambiando su naturaleza reactiva) como potencial
prevención de la enfermedad. Algunos investigadores tienen la hipótesis de que suplementos dietéticos de vitaminas C y E ayudan a
prevenir la enfermedad cardíaca, igual que el
consumo de ciertas frutas y verduras, chocolate negro y vino tinto. Si bien la investigación
no es aún concluyente, existen algunas evidencias de que las vitaminas antioxidantes
puedan ralentizar las enfermedades y quizás
incluso el proceso de envejecimiento.
El chocolate negro es una fuente de antioxidantes.
Procedente de la glucólisis,
el paso intermedio y el ciclo
de Krebs
10 NADH + H+ + 2 FADH2
10 NAD+
6 O2
Fosforilación oxidativa
34 ADP + 34 Pi
(a)
2 FAD
12
H2O
34 ATP
(b) Reacción general: 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 34 ADP + 34 Pi + 6 O2
10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O + 34 ATP
FIGURA 3.21 Resumen de la fosforilación oxidativa. (a) Resumen esquemático de los principales
reactantes y productos de la fosforilación oxidativa. Los números indican las cantidades producidas o
consumidas por cada molécula de glucosa que entra en la glucólisis. (b) Reacción general para la fosforilación
oxidativa.
C A P Í T U LO 3
cuentas finales indican que casi un 90%
del total de las 38 moléculas de ATP se
producen por fosforilación oxidativa.
(A pesar de que el oxígeno es esencial
para producir la mayor parte de la energía de las células, su gran reactividad
contribuye a diferentes patologías.
(V. «Conexiones clínicas: Antioxidantes y radicales libres».)
83
Glucosa
G
L
U
C
Ó
L
I
S
I
S
2 NAD+
2 ADP + 2 Pi
Resumen de la oxidación
de la glucosa
Ahora que hemos examinado con detalle las tres etapas del metabolismo de
glucosa, podemos juntarlo todo para
ver «el cuadro general». Para ayudarnos
a conseguir esto, el metabolismo completo de la glucosa se resume en la
figura 3.22, una recopilación de las figuras 3.15, 3.16, 3.18 y 3.21. Ten en cuenta
que cuando todos los reactantes y productos de las tres etapas se cuentan en
la figura 3.22b, el resultado es que por
cada molécula de glucosa consumida,
también se consumen seis moléculas
de oxígeno. Además, se producen seis
moléculas de agua y otras tantas de
dióxido de carbono. Estos números
están totalmente de acuerdo con la
reacción general de la oxidación de la
glucosa (C6H12O6 + 6 O2 r 6 CO2 + 6 H2O).
Como se producen, además, 38 moléculas de ATP, la reacción global para las
tres etapas será como sigue:
Metabolismo celular
2 NADH + H+
2 ATP
2 piruvato
2 NAD+
2 NADH + H+
2 CO2
2 acetil-CoA
6 NAD+
2 FAD
6
H2O
6 NADH + H+
Ciclo
de
Krebs
2 FADH2
4 CO2
2 ATP
2 ADP + 2 Pi
10 NAD+
6 O2
Fosforilación oxidativa
34 ADP + 34 Pi
2 FAD
12
H2O
34 ATP
(a)
glucosa + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi r
6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
(b) Reacción general: glucosa + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi
6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
FIGURA 3.22 Resumen de la oxidación de la glucosa. (a) Recopilación de las figuras 3.15a, 3.16a, 3.18a
No aparecen ni la NAD ni la FAD,
y 3.21a, que muestra las tres etapas de la oxidación de la glucosa y sus relaciones. (b) Reacción general de la
porque estas coenzimas se reducen en
oxidación de la glucosa como una suma de las reacciones individuales. Por cada molécula de glucosa que
la glucólisis y el ciclo de Krebs, pero
se oxida, se pueden generar un máximo de 38 moléculas de ATP.
luego se vuelven a oxidar durante la
fosforilación oxidativa, volviendo a su
forma original.
La glucosa no es el único azúcar que se puede degradar en las
la velocidad a la cual se esté consumiendo; en otras palabras,
células para producir energía. Las células también pueden metadepende de la demanda metabólica de los tejidos. Si se puede
bolizar otros monosacáridos, como la fructosa, un componente
suministrar oxígeno a la velocidad adecuada como para satisfadel azúcar de mesa; la galactosa, componente del azúcar de la
cer la demanda metabólica, este estará siempre disponible para
leche; y otro monosacárido denominado manosa. Para utilizar
actuar como aceptor final de electrones y la glucólisis podrá proestos azúcares, las células primero los convierten en ciertos
ceder hasta el final. En el caso de que el aporte de oxígeno no esté
intermediarios de la glucólisis, como la glucosa-6-fosfato y la
en condiciones de satisfacer su demanda (debido a la reducción
fructosa-6-fosfato. Estos intermediarios directamente se introdel flujo sanguíneo en un tejido u órgano específico, por ejemducen en la ruta de la glucólisis, siguiendo a partir de ahí los
plo), la concentración de oxígeno caerá hasta niveles muy bajos,
pasos de la oxidación de la glucosa.
quizás incluso acercándose a cero. Bajo estas condiciones, habrá
muy pocas moléculas de oxígeno disponibles para aceptar los
electrones que llegan al final de la cadena transportadora, de
Conversión de piruvato en ácido láctico
manera que será difícil «descargarlos» de los componentes de la
cadena. Como resultado, el flujo de electrones a través de la cadeDado que el oxígeno es el aceptor final de los electrones en la
na transportadora decae, así como también lo hace la velocidad
fosforilación oxidativa, este debe ser suministrado a los tejidos de
de síntesis de ATP por desfosforilación oxidativa. Bajo estas conun modo constante si la oxidación de la glucosa procede hasta el
diciones se desencadena un fenómeno de saltos de electrones en
final. La velocidad a la que se suministra el oxígeno depende de
84
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
Glucosa
G
L
U
C
Ó
L
I
S
I
S 6
2 ATP
Piruvato
CH3
C
O
NADH + H+
NAD+
Lactato deshidrogenasa
COO–
Lactato
CH3
H
C
OH
COO–
FIGURA 3.23 Conversión de piruvato a lactato. El NADH, que es
generado en el paso 6 de la glucólisis, puede convertirse a NAD+ en una
reacción que produce lactato a partir de piruvato. Esta reacción asegura un
constante suministro de NAD+, lo que permite la continua realización del
paso 6 y la continua producción de ATP incluso bajo condiciones reducidas
de oxígeno disponible.
la cadena, que conducirá a un descenso en el número de moléculas de FMN disponibles para aceptar electrones de la NADH.
Cuando esto sucede, las moléculas de coenzima quedan «atrapadas» en su forma reducida, y los niveles de NAD+ disminuyen.
Cualquier caída en los niveles de NAD+ es una potencial amenaza para toda la producción de ATP, ya que el suministro de
NAD+ es necesario para el correcto funcionamiento tanto de la
glucólisis como del ciclo de Krebs. De particular interés aquí es
el paso 6 de la glucólisis, que ocurre antes de cualquiera de los
pasos en los que se sintetice ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Esto quiere decir que, si se agota el oxígeno y disminuye el
suministro de NAD+, no solo disminuye la fosforilación oxidativa, sino que también lo hace la fosforilación a nivel de sustrato.
En consecuencia, una reducción en la disponibilidad de oxígeno
frenará (o incluso parará) todos los procesos de síntesis de ATP
celulares, lo cual sería desastroso para la célula, porque su suministro de ATP llegará a agotarse.
Afortunadamente, este desastre se puede prevenir. La mayoría de las células poseen una enzima denominada lactato deshidrogenasa (LDH), que puede convertir el piruvato (producto final
de la glucólisis) a lactato de acuerdo con la siguiente reacción:
piruvato + NADH + H+
LDH
lactato + NAD+
La importancia de esta reacción es la siguiente: bajo ciertas circunstancias en las que la NADH no puede descargar sus electrones a la cadena transportadora porque existe una limitación en
la cantidad de oxígeno, esta reacción provee de una ruta alternativa que permite a los electrones descargarse en una reacción
que genera NAD+ libre, que puede, a su vez, captar más electrones en el paso 6 de la glucólisis. De esta manera, cuando la cade-
na de transporte de electrones no está disponible para aceptar
electrones, la NADH y la NAD+ pueden interconvertirse la una en
la otra por medio de la conversión de piruvato a lactato y el
paso 6 de la glucólisis (fig. 3.23). Esta reacción garantiza el suministro constante de NAD+, que permite al paso 6 de la glucólisis
avanzar cuando la disponibilidad de oxígeno es limitada. Más
importante aún, el hecho de que el paso 6 pueda avanzar significa que los pasos posteriores también podrán progresar, incluidos los pasos 7 y 10, en los cuales se sintetiza ATP.
La habilidad de sintetizar ATP de esta manera descrita permite a los músculos y otros tejidos continuar trabajando incluso
cuando la cantidad de oxígeno disponible es baja, pero es importante darse cuenta de que esto no significa que el organismo
pueda sobrevivir indefinidamente en ausencia de oxígeno. Por
una razón, solo se producen dos moléculas de ATP por molécula
de glucosa durante la glucólisis, lo que representa solo el 5% de
la ATP normalmente sintetizada como resultado de la completa
oxidación de la glucosa. A menos que la demanda energética de
la célula sea muy baja, la glucólisis por sí sola no pude suministrar la cantidad de ATP necesaria para cubrir sus necesidades
funcionales. (Es interesante recordar que los eritrocitos, que
transportan oxígeno, solo obtienen ATP de la glucólisis, puesto
que carecen de mitocondrias.) Además, dado que la conversión
de piruvato a lactato conduce a una «vía muerta», el lactato tiende a acumularse en las células cuando se produce a altas velocidades, lo que puede causar acidificación del medio intracelular.
El lactato, además, puede difundir al medio extracelular y «desbordarse» al torrente sanguíneo, provocando la acidificación de
la sangre. La acidificación de los tejidos acabaría interfiriendo
con el correcto funcionamiento celular y, por tanto, esta situación no se puede prolongar demasiado en el tiempo. Incluso con
estas desventajas, la glucólisis anaerobia cumple una función
muy importante en el metabolismo muscular. (V. «Ejercicio de
aplicación: Fuentes de energía para las células musculares».)
Como el lactato es potencialmente dañino para las células,
estas deben deshacerse de él. Cuando la disponibilidad de oxígeno se recupera, el piruvato se encamina de nuevo hacia el
ciclo de Krebs, y la concentración de piruvato celular disminuye.
Como resultado de la ley de acción de masas, la reacción de la
lactato deshidrogenasa comienza a evolucionar en sentido contrario al descrito hasta ahora y, por tanto, el lactato es transformado de nuevo en piruvato y la NAD+ pasa a NADH:
piruvato + NADH + H+
LDH
lactato + NAD+
La NADH generada en esta reacción procederá a la fosforilación
oxidativa, y el piruvato al ciclo de Krebs. De esta manera, la conversión de piruvato a lactato representa una ruta lateral momentánea
de la ruta normal de la oxidación de la glucosa, una bifurcación que
termina cuando el lactato se reconvierte de nuevo en piruvato.
Test rápido 3.5
1. Nombra las tres etapas de la oxidación de la glucosa en el orden en
que suceden. ¿En qué etapa(s) se consume oxígeno? ¿En cuál(es) se
produce dióxido de carbono? ¿Qué etapa es la que normalmente produce mayor cantidad de ATP? ¿Cuál(es) sucede(n) en el citosol?
2. Distingue entre fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa. ¿En qué etapa(s) sucede la fosforilación a nivel de sustrato?
¿En cuál(es) sucede la fosforilación oxidativa?
3. ¿Qué condiciones son las más probables de causar un aumento en la
velocidad de producción de lactato por las células? ¿Por qué?
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
85
COMPRENDER EL E JERCICIO
Fuentes de energía para las células musculares
Durante el ejercicio, las células de los músculos
esqueléticos utilizan ATP para la contracción.
Cuánto ATP se utiliza y de dónde viene depende de la intensidad y del tipo de ejercicio.
Piensa en un entrenador de pesas que realiza casi un esfuerzo máximo para levantar
grandes pesos. Este tipo de ejercicio hace a los
músculos más fuertes, aumentando el tamaño
de las células musculares. Cuando una persona levanta un gran peso, rápidamente los
músculos necesitan mucha energía. La sangre
que fluye al tejido no es lo suficientemente
rápida para proporcionar el oxígeno necesario
para la fosforilación oxidativa. De este modo,
las células musculares dependen de la glucólisis anaerobia.
El entrenamiento con pesas, por lo general, implica varios ejercicios diferentes que
trabajan diferentes tipos de grupos musculares. Para cada ejercicio, se realizan dos o tres
conjuntos de series de repeticiones del mismo
movimiento. Por ejemplo, para fortalecer el
bíceps, se levanta peso haciendo flexiones de
bíceps (flexionando el brazo mientras se sujeta la pesa). Entonces, se realiza el ejercicio
ocho o diez veces (un conjunto) con un gran
peso. Tras una breve pausa, se repite el ejercicio el mismo número de veces (segundo conjunto). Una persona que se esté entrenando
de este modo, puede levantar este gran peso
solo durante unas pocas repeticiones, porque
la glucólisis anaerobia no es muy eficiente y la
ATP se gasta rápidamente. Además, el lactato
se genera en la célula muscular, produciendo
una sensación de quemazón y contribuyendo al cansancio. El segundo conjunto es más
duro que el primero, porque no se ha restablecido toda la energía utilizada para el primero.
Ahora piensa en un corredor. Una persona
que planea correr un par de kilómetros no uti-
4. El cianuro se une al complejo IV del sistema de transporte de electrones, evitando la reducción del oxígeno a agua. Describe el efecto final
del cianuro en el transporte de electrones, la consumición de oxígeno y la producción de ATP. ¿Cómo puede esto, a su vez, afectar a una
persona?
Almacenamiento y uso de energía:
metabolismo de hidratos
de carbono, grasas y proteínas
Hasta ahora, nuestra revisión sobre el metabolismo energético
se ha restringido a una sola fuente de energía (glucosa). Sin
embargo, el metabolismo de lípidos y proteínas (además de
otros hidratos de carbono diferentes de la glucosa) también tiene una contribución significativa en nuestra demanda energética. A pesar de que la descripción del metabolismo lipídico y proteico sobrepasa el ámbito de este libro, es crucial tener una
visión general de las conexiones entre estas rutas metabólicas y
las ya descritas para el metabolismo de hidratos de carbono.
Necesitaremos ese conocimiento para comprender la función
del sistema endocrino en la regulación del metabolismo energético, tema que trataremos en el capítulo 21.
El organismo es capaz de recurrir a los lípidos y las proteínas
como fuente alternativa de energía cada vez que la glucosa esca-
lizará el máximo esfuerzo durante la mayoría de la distancia recorrida y, por tanto, no
recurrirá a la glucólisis anaerobia para obtener
energía, como sucedía en el caso del entrenamiento con pesas. Debido al nivel de ejercicio
bajo a moderado, las células musculares del
corredor utilizarán ATP a una velocidad menor
que en el caso anterior. Así, el flujo de sangre
proporciona el oxígeno a las células a la misma velocidad que se genera mediante la fosforilación oxidativa. Si el corredor estuviera en
una carrera, probablemente utilizaría el máximo esfuerzo al final para aumentar sus probabilidades de ganar, sabiendo que puede generar suficiente energía a través de la glucólisis
anaerobia al final de la carrera. Si comenzara
el sprint final a la meta demasiado pronto, utilizaría su energía demasiado deprisa y tendría
que ir más despacio antes de que terminase la
carrera.
see y necesite ser conservada. Cuando los suministros de glucosa son escasos, el organismo puede degradar lípidos y proteínas
en moléculas más pequeñas, en un proceso catabólico que libera energía. Cuando el suministro de glucosa es abundante, el
organismo aprovecha para realizar las reacciones contrarias, es
decir, sintetiza lípidos y proteínas, así como un polímero de glucosa que se utiliza como reservorio denominado glucógeno. De
esta manera, se almacena energía para futuras necesidades.
En la figura 3.24 se muestran las relaciones entre las rutas metabólicas de la glucosa, lípidos y proteínas. Las tres etapas de la oxidación de la glucosa (glucólisis, ciclo de Krebs y cadena de transporte
de electrones) son centrales en la figura. Téngase en cuenta que la
descripción de estas tres etapas es esencialmente la misma que en
la figura 3.22, excepto por el mayor número de productos en cada
paso que se muestran. Además, la NADH y la FADH2 se muestran
de manera simplificada como coenzima-2H. (Por simplicidad, no
se muestran las enzimas reducidas formadas en la glucólisis.) Las
dobles flechas indican la bidireccionalidad de las reacciones; las
flechas de sentido único denotan reacciones esencialmente unidireccionales. Estas últimas se caracterizan como irreversibles, mientras que las bidireccionales se dice que son reversibles.
Las reacciones unidireccionales no son irreversibles en sentido estricto, sino simplemente requieren demasiada cantidad
de energía como para evolucionar en sentido contrario. En la
mayoría de los casos, sin embargo, las reacciones unidireccionales evolucionan en sentido contrario bajo ciertas circunstancias.
86
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
PROTEÍNAS
Glucogenia
Aminoácidos
R
NH2
TRIGLICÉRIDOS
GLUCÓGENO
Glucogenólisis
Glicerol + ácidos grasos
Glucosa
Urea
NH3
Glucólisis
ATP
Piruvato
CO2
Acetil-CoA
Ciclo
de
Krebs
Coenzima
O2
CO2
ATP
2H
Fosforilación oxidativa
H 2O
ATP
FIGURA 3.24 Rutas metabólicas implicadas en el metabolismo de proteínas, glucógeno y ácidos
grasos. Las tres etapas del metabolismo de la glucosa se muestran en el centro. Las flechas unidireccionales
indican reacciones irreversibles; las flechas dobles indican reacciones reversibles. Las flechas que señalan hacia
el interior o el exterior de la ruta central indican puntos de entrada o salida de productos degradados del
metabolismo de proteínas o triglicéridos.
Cuando esto sucede, no siguen exactamente el mismo camino
que cuando evolucionan en el sentido habitual, y la reacción
suele estar catalizada por un conjunto de enzimas diferentes.
Por esta razón, la reacción inversa normalmente se considera
una derivación, porque sigue una ruta que «se salta» las enzimas
que normalmente catalizan la ruta en el sentido habitual.
Por el contrario, las reacciones reversibles tienen una menor
variación de energía y, por tanto, pueden evolucionar en uno u
otro sentido sin la necesidad de grandes cantidades de energía.
Estas reacciones cambian de dirección fácilmente en respuesta
a variaciones en las concentraciones de reactantes o productos
de acuerdo con la ley de acción de masas. Además, esas reacciones se catabolizan por las mismas enzimas, independientemente del sentido en el que evolucionen.
Siempre que una vía metabólica consta de reacciones irreversibles en combinación con reacciones de derivación, normalmente se regulan de tal manera que no puedan suceder al mismo
tiempo, lo que resultaría contraproducente. Cuando una reacción
irreversible está sucediendo, las enzimas que catalizan la reacción de derivación se encuentran inactivas. De esta manera, las
células pueden forzar a la reacción a que avance en el sentido que
mejor cubra las necesidades del organismo en ese momento. Así,
cuando las células necesitan degradar lípidos para obtener energía, por ejemplo, activan las enzimas que participan en esa función. Cuando necesitan sintetizar lípidos para almacenar energía,
desactivarán las enzimas anteriores y activarán las de las rutas de
derivación correspondientes. Como veremos en el capítulo 21,
esos ajustes metabólicos están coordinados por señales hormonales que dependen de nuestros patrones de alimentación.
Metabolismo del glucógeno
El glucógeno es un polímero ramificado presente en las células
animales y parecido al almidón, un hidrato de carbono que se
encuentra solo en células vegetales. El glucógeno está compuesto por moléculas de glucosa unidas entre sí (v. capítulo 2). Cuando el suministro de glucosa es abundante, como tras una comida, la mayoría de las moléculas de glucosa no se oxidan
inmediatamente, sino que se almacenan en forma de glucógeno.
Este proceso, conocido como glucogenia, está representado en
C A P Í T U LO 3
GLUCÓGENO
Glucogenia
Glucogenólisis
Hexocinasa
Glucosa
Glucosa-6-fosfato
Glucosa-6fosfatasa
Piruvato
FIGURA 3.25 Metabolismo del glucógeno. Se muestra la relación entre
glucógeno y glucosa con el intermediario crítico glucosa-6-fosfato. Las flechas
curvas de la reacción entre la glucosa y la glucosa-6-fosfato indican que
enzimas diferentes catalizan las reacciones hacia uno u otro compuesto.
La hexocinasa, presente en la mayoría de las células, cataliza el primer paso
de la glucólisis. La glucosa-6-fosfatasa, presente solo en las células del hígado,
cataliza la reacción inversa.
la figura 3.25 por las flechas que van desde la glucosa al glucógeno. Observa que este proceso requiere la producción de glucosa6-fosfato, un intermediario de la glucólisis.
Los tejidos tienen distinta capacidad de síntesis y almacenamiento de glucógeno; el hígado y el músculo esquelético son
especialmente eficientes para este proceso. Durante el ayuno, o
cuando la glucosa se está utilizando rápidamente, los niveles de
glucosa se reponen mediante la degradación del glucógeno a
moléculas de glucosa, proceso conocido como glucogenólisis.
El destino de la glucosa liberada durante la glucogenólisis depende de la localización en la que ocurra. Cuando se degrada el glucógeno, se produce glucosa-6-fosfato, intermediario de la glucólisis. En la mayoría de las células, la glucólisis sigue a partir de ahí
hasta producir ATP. En las células del hígado (y, en menor proporción, también en las del riñón), sin embargo, la glucosa-6fosfato se puede transformar en glucosa (solo hígado y riñón
tienen la enzima glucosa-6-fosfatasa necesaria para este proceso
inverso, v. fig. 3.25). La glucosa, pero no la glucosa-6-fosfato,
puede ser transportada a través de las membranas celulares. De
manera que la mayoría de la glucosa producida por la glucogenólisis en los hepatocitos se transporta fuera del hígado hacia el
torrente sanguíneo para su captación y uso en otros tejidos. En
las células de otros tejidos, la glucosa-6-fosfato queda atrapada
en el interior celular y puede ser utilizada tanto para la glucólisis
como para la glucogenia.
Gluconeogenia: formación de glucosa nueva
A pesar de que tanto los lípidos como las proteínas se pueden
utilizar como sustitutos energéticos de la glucosa, se debe mantener un adecuado suministro de esta en el torrente sanguíneo,
porque el sistema nervioso (particularmente el tejido cerebral)
posee una menor capacidad que el resto de los tejidos para
emplear fuentes de energía alternativas. El sistema nervioso
requiere un suministro ininterrumpido de glucosa, porque, si
no, se podría desencadenar una pérdida de conciencia e incluso
la muerte. El tejido nervioso nunca está libre de este requerimiento glucolítico, aunque posee una limitada capacidad para
el uso de otras fuentes de energía alternativas.
Metabolismo celular
87
En condiciones normales, las reservas de glucógeno del organismo son suficientes para suministrar energía durante unas pocas
horas. Si una persona corre durante un período largo de tiempo,
sus reservas de glucógeno acabarán deplecionadas, lo que podría
desencadenar una potencial caída de los niveles de glucosa en sangre. Afortunadamente, se pueden sintetizar nuevas moléculas de
glucosa a partir de precursores no hidratos de carbono a través
de una vía conocida como gluconeogenia (fig. 3.26). La gluconeogenia tiene lugar principalmente en el hígado, ya que posee todas
las enzimas necesarias para la glucólisis inversa (v. fig. 3.25).
La glucosa se puede formar por medio de la gluconeogenia a
partir de tres fuentes: 1) glicerol, que se produce en la degradación
de triglicéridos; 2) lactato, y 3) aminoácidos, que se pueden producir durante la degradación de proteínas. En la gluconeogenia,
el glicerol se convierte primero en glicerol fosfato, intermediario
de la ruta de la glucólisis, y el lactato se trasforma primero en piruvato, producto final de la glucólisis (v. fig. 3.26). Estas moléculas
siguen después por la ruta de la glucólisis inversa, de manera que
desembocan en la síntesis de nuevas moléculas de glucosa.
Ciertos aminoácidos también se pueden utilizar para la
obtención de glucosa después de haber sido convertidos primero
en piruvato, el cual entrará en la ruta de la glucólisis inversa. Algunos aminoácidos diferentes a los anteriores se pueden transformar en glucosa a través de una ruta más indirecta, indicada con
una línea discontinua en la figura 3.26. Estos aminoácidos primero se transforman en un intermediario del ciclo de Krebs (oxaloacetato), el cual se trasforma después en un intermediario de la
vía glucolítica (fosfoenolpiruvato); esta molécula participa en
la ruta de la glucólisis inversa. Observa, sin embargo, que algunos
aminoácidos no se pueden transformar en glucosa, a pesar de
que se puedan convertir en acetil-CoA; no existe ninguna ruta
que permita la síntesis de glucosa a partir de acetil-CoA. (El acetilCoA puede dar oxaloacetato en el ciclo de Krebs, pero en el proceso una cantidad equivalente del mismo es consumido debido a
la naturaleza cíclica del proceso. Consecuentemente, el acetilCoA no se puede transformar en glucosa a través de la vía indicada por la línea discontinua mostrada en la fig. 3.26.) Los ácidos
grasos, que al igual que el glicerol se generan en la degradación de
los triglicéridos, tampoco se pueden utilizar para la obtención
de glucosa, ya que también se transforman en acetil-CoA.
Metabolismo de lípidos
Como el glucógeno, las grasas (lípidos) se pueden degradar para
producir energía cuando otras fuentes se están agotando. Los
lípidos también se pueden sintetizar para almacenar energía
cuando se suministran de manera abundante en la dieta. El tejido adiposo, que contiene células grasas, es el principal almacén
para los lípidos.
Los lípidos se almacenan principalmente en forma de triglicéridos, que consisten en tres moléculas de ácidos grasos unidas a
un esqueleto de glicerol. La lipólisis, la primera etapa de la degradación de los lípidos, consiste en la separación de los ácidos grasos de la molécula de glicerol (fig. 3.27). El glicerol entrará entonces en la glucólisis (como dihidroxiacetona fosfato), y de ahí al
ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Los ácidos grasos se
catabolizan hasta acetil-CoA en un proceso conocido como
betaoxidación, que ocurre en la matriz mitocondrial. Los ácidos
grasos que se obtienen de la dieta tienen normalmente una longitud de entre 12 y 18 átomos de carbono, con un número par de
ellos. La molécula de acetil-CoA consta de 2 átomos de carbono.
De esta manera, para un ácido graso de n carbonos, la betaoxidación generará n/2 moléculas de acetil-CoA, considerablemente
88
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
PROTEÍNAS
Glucogenia
Aminoácidos
R
NH2
TRIGLICÉRIDOS
GLUCÓGENO
Glucogenólisis
Glicerol + ácidos grasos
Glucosa
Urea
NH3
Glucólisis
ATP
Piruvato
Lactato
CO2
Acetil-CoA
Ciclo
de
Krebs
Coenzima
O2
CO2
ATP
2H
Fosforilación oxidativa
H 2O
ATP
FIGURA 3.26 Rutas metabólicas implicadas en la gluconeogenia. Las rutas relevantes para la
gluconeogenia están remarcadas.
más que las dos generadas por molécula de glucosa. Además, cada
vez que una molécula de acetil-CoA se escinde de un ácido graso,
se reducen coenzimas para generar una NADH + H+ y una FADH2,
de tal manera que se producen n – 1 NADH + H+ y FADH2. Las
moléculas de acetil-CoA entran en el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Las coenzimas reducidas entran en la fosforilación
oxidativa. Como un gramo de lípidos tiene un mayor rendimiento
energético que un gramo de glucosa u otro hidrato de carbono, las
grasas se conocen como comidas altamente calóricas.
Observa que, cuando se degradan lípidos para obtener energía, se forman productos laterales conocidos como cetonas
(v. fig. 3.27). Estos compuestos se sintetizan a partir del acetilCoA en una serie de reacciones reversibles y a velocidades elevadas cuando la concentración de acetil-CoA se incrementa. Como
se generan muchos acetil-CoA a partir de un solo ácido graso, la
degradación de grasas tiende a generar grandes cantidades de
cetonas, lo cual es importante, porque las cetonas se pueden
usar en el sistema nervioso como fuente alternativa a la glucosa.
Esto ayuda a conservar el suministro de glucosa del organismo
si la ingesta calórica se limita de manera tal que el organismo recurra a los lípidos como fuente de energía.
Observa también que las vías del glicerol para la glucólisis, y
de los ácidos grasos a acetil-CoA, se representan con flechas
dobles en la figura 3.27, lo que significa que es posible sintetizar
lípidos a partir de otros nutrientes en un proceso denominado
lipogenia. Esto explica por qué las personas se vuelven obesas
cuando comen mucha comida no grasa, como hidratos de carbono y proteínas.
Metabolismo de proteínas
En la degradación metabólica de las proteínas para obtener
energía (fig. 3.28), las proteínas primero se degradan a sus aminoácidos constituyentes, proceso conocido como proteólisis.
Los aminoácidos se desaminan, esto es, se elimina su grupo amino (— NH2). Esta desaminación produce amoníaco (NH3), tóxico
para las células. Afortunadamente, el amoníaco se transporta en el
torrente sanguíneo hasta el hígado, en donde se convierte en urea,
relativamente inocua y finalmente eliminada por los riñones.
Una vez que los aminoácidos se han desaminado, lo que queda
de la molécula se transforma en piruvato o en acetil-CoA (que irán
a parar al ciclo de Krebs), o también se pueden transformar en un
intermediario que podrá entrar directamente en el ciclo de Krebs.
Observa en la figura 3.28 que las rutas desde los aminoácidos hasta el piruvato, acetil-CoA y el ciclo de Krebs se muestran con flechas bidireccionales, lo que significa que nutrientes no proteicos,
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PROTEÍNAS
Aminoácidos
R
NH2
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TRIGLICÉRIDOS
GLUCÓGENO
Glucogenia
Metabolismo celular
Glucogenólisis
Glicerol + ácidos grasos
Glucosa
Urea
NH3
Glucólisis
ATP
Piruvato
CO2
Acetil-CoA
Cetonas
Ciclo
de
Krebs
Coenzima
O2
CO2
ATP
2H
Fosforilación oxidativa
H 2O
ATP
FIGURA 3.27 Rutas metabólicas implicadas en la lipólisis, degradación de las grasas (triglicéridos)
para obtener energía. Las rutas metabólicas relevantes están remarcadas. Ten en cuenta que la degradación
de los ácidos grasos lleva a la producción de cetonas, que son generadas a partir del acetil-CoA a través de una
serie de reacciones reversibles.
como los hidratos de carbono y las grasas, pueden servir de materias primas para la síntesis de aminoácidos, que se usarán para la
obtención de proteínas. (Como se muestra en la figura, este proceso requiere la adición de un grupo amino, que se obtiene de otra
molécula indicada como R — NH2.) Consecuentemente, ciertos
aminoácidos pueden estar presentes en las células, aunque no se
consuman en la dieta. Otros aminoácidos, sin embargo, no se pueden sintetizar y deben ser suministrados en la dieta; a estos aminoácidos se les conoce como esenciales. Un nutriente esencial es
cualquier biomolécula necesaria para el correcto funcionamiento
del organismo y que no se puede sintetizar en nuestras células, y,
por tanto, debe consumirse de fuentes alimenticias.
Test rápido 3.6
1. ¿Qué es la gluconeogenia y por qué es importante? ¿Qué tres sustancias pueden servir como materias primas para este proceso?
2. ¿Qué sucede al amonio producido cuando los aminoácidos son degradados para obtener energía?
3. Describe las funciones del acetil-CoA en el metabolismo de hidratos
de carbono, lípidos y proteínas.
Efectos de la insulina en el metabolismo celular
Acabamos de ver cómo las células utilizan hidratos de carbono,
lípidos y proteínas para la obtención de energía; y cómo pueden
almacenar energía en forma de glucógeno o triglicéridos. ¿Qué
determina el uso de las biomoléculas para la obtención de energía
o para su almacenamiento? El metabolismo celular está regulado
por mensajeros químicos, como la insulina. Los cambios metabólicos inducidos por mensajeros químicos varían dependiendo del
tipo tisular (tema tratado en detalle en el capítulo 21). Los efectos
de la insulina en adipocitos o hepatocitos son ejemplos de cómo
se pueden regular las rutas metabólicas. Recuérdese que la insulina se libera a la sangre cuando los niveles de glucosa sanguínea
están por encima de lo normal, de tal modo que las respuestas
descritas suceden cuando la glucosa sanguínea está elevada.
La función de los adipocitos es almacenar energía en forma
de triglicéridos y liberar ácidos grasos a la sangre cuando se
necesitan para suministrar energía a otras células. La insulina
promueve el almacenamiento de energía en los adipocitos,
incrementando la captura de glucosa y ácidos grasos al interior
celular, así como activando cuatro enzimas que convierten la
glucosa y los ácidos grasos en triglicéridos.
90
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
PROTEÍNAS
Glucogenia
Aminoácidos
R
NH2
TRIGLICÉRIDOS
GLUCÓGENO
Glucogenólisis
Glicerol + ácidos grasos
Glucosa
Urea
NH3
Glucólisis
ATP
Piruvato
CO2
Acetil-CoA
Ciclo
de
Krebs
Coenzima
O2
CO2
ATP
2H
Fosforilación oxidativa
H 2O
ATP
FIGURA 3.28 Rutas metabólicas implicadas en la degradación de las proteínas para obtener
energía. Las rutas metabólicas relevantes están remarcadas. Ten en cuenta que la degradación de los
aminoácidos genera amoníaco (NH3), que se convierte en urea en el hígado.
En términos de metabolismo del organismo completo, el
hígado almacena hidratos de carbono (y, en menor medida, triglicéridos) cuando la glucosa sanguínea es abundante, y libera
glucosa para el tejido neural cuando esta disminuye en la sangre.
En el hígado, la insulina activa la glucógeno sintasa, que añade
glucosa-1-P al glucógeno, y la glucocinasa, que convierte glucosa en glucosa-6-P. Además, la insulina inhibe a la glucosa-6-fosfatasa, que transforma la glucosa-6-P en glucosa. De esta manera, los hidratos de carbono se almacenan en el hígado en forma
de glucógeno en presencia de insulina.
Integración de sistemas
En este capítulo, hemos estudiado las reacciones químicas en
términos de intercambio de energía, reacciones enzimáticamente catalizadas y metabolismo energético. La mayoría de los
conceptos aprendidos en este capítulo se aplicarán al transporte
de membrana, descrito en el capítulo 4. Como las reacciones
químicas evolucionan espontáneamente de altos niveles ener-
géticos a bajos, las moléculas tienden a moverse espontáneamente de áreas de elevada energía a áreas de menor energía.
Para desplazar una molécula en la dirección contraria dependeremos del uso de ATP, la moneda energética. En el capítulo 4
también se estudiarán las proteínas que actúan como transportadores, las cuales tienen propiedades similares a las enzimas.
De hecho, algunos transportadores se regulan alostérica o covalentemente.
A través del texto, se describirán procesos que requieren
energía. Es vital conocer siempre la fuente de la que proviene
esta energía (a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa). Pero
¿qué ocurre cuando la energía producida es insuficiente para
satisfacer las necesidades del organismo? El capítulo 21 describe el metabolismo completo y explica cómo se regula el metabolismo energético para asegurarse de que el cerebro disponga
siempre de la cantidad necesaria de glucosa, incluyendo los
períodos entre comidas, cuando decae la glucemia. Como
aprenderemos en el capítulo 21, el hígado tiene una función
importante en el mantenimiento de los niveles de glucosa sanguínea.
C A P Í T U LO 3
Metabolismo celular
91
RESUMEN DEL CAPÍTULO
Tipos de reacciones metabólicas,
pág. 57
La suma de todas las reacciones químicas
que ocurren en el organismo es lo que llamamos metabolismo. Las reacciones del metabolismo energético están específicamente
involucradas en el intercambio de energía.
Las reacciones catabólicas generan productos más pequeños a partir de reactantes
mayores; las reacciones anabólicas sintetizan productos más grandes a partir de reactantes menores. Los tres tipos más comunes
de reacciones metabólicas son: 1) reacciones de hidrólisis y de condensación; 2) reacciones de fosforilación y desfosforilación, y
3) reacciones de oxidación-reducción.
Reacciones metabólicas y energía,
pág. 59
Las reacciones metabólicas permiten a las
células trasformar materias primas del entorno en compontes estructurales y funcionales
y, además, las proveen de energía. La variación de energía de una reacción determina
su sentido de progreso. Las reacciones catabólicas son generalmente exergónicas y
suceden espontáneamente; las reacciones
anabólicas requieren energía para poder
suceder. Una reacción puede ser forzada a
evolucionar en uno u otro sentido cambiando las concentraciones de los reactantes o de
los productos de acuerdo con la ley de acción
de masas. La velocidad de una reacción está
limitada por su energía de activación, reflejando el hecho de que las moléculas deben
pasar por un estado transitorio de alta energía antes de que puedan reaccionar.
Velocidades de reacción, pág. 64
Los factores que afectan a la velocidad de
una reacción incluyen las concentraciones
de los reactantes y productos, la temperatura y la altura de la barrera de la energía de
activación. Las reacciones metabólicas están
catalizadas por unas proteínas especiales
denominadas enzimas, que actúan sobre
sustratos específicos que encajan en su centro activo. Muchas proteínas requieren
cofactores no proteicos para su correcto funcionamiento. Cofactores importantes incluyen la NAD+ y la FAD, que actúan como
transportadores de electrones entre distintas
reacciones. Las velocidades de las reacciones enzimáticamente catalizadas están
influidas por la tasa catalítica de la enzima,
la concentración enzimática, la afinidad
enzima-sustrato y la concentración de sustrato. Ciertas enzimas tienen un sitio regulatorio específico para determinadas moléculas moduladoras, cuya unión altera la
actividad de la enzima. En la regulación alostérica, la unión del modulador es reversible.
En la regulación covalente, la actividad enzimática se regula por la unión covalente de
un grupo químico a la enzima (a menudo, un
grupo fosfato). Las rutas metabólicas a
menudo están reguladas por un mecanismo
de inhibición mediante retroalimentación,
en el cual la enzima se inhibe alostéricamente por el producto de la reacción que ocurre
en un paso posterior. A veces las enzimas se
activan por intermediarios de reacciones
anteriores.
Oxidación de la glucosa: la reacción
central del metabolismo energético,
pág. 72
Las células obtienen la mayor parte de su
energía de la oxidación de la glucosa: C6H12O6
+ 6 O2 r 6 CO2 + 6 H2O. Las células aprovechan la energía liberada en esta y otras reacciones exergónicas para sintetizar adenosina
trifosfato (ATP). Más adelante, usarán la
energía de la hidrólisis de la ATP para realizar trabajo útil.
Etapas de la oxidación de la glucosa:
glucólisis, ciclo de Krebs
y fosforilación oxidativa, pág. 74
La oxidación de la glucosa tiene lugar en tres
etapas: la glucólisis (en el citosol), el ciclo de
Krebs (en la matriz mitocondrial) y la fosfo-
rilación oxidativa (en la membrana mitocondrial interna). La fosforilación oxidativa
comprende dos procesos que ocurren
simultáneamente: 1) el movimiento de electrones a lo largo de la cadena transportadora, y 2) el acoplamiento quimiosmótico. Por
cada molécula de glucosa, se sintetizan cuatro moléculas de ATP por fosforilación a
nivel de sustrato durante la glucólisis y el
ciclo de Krebs. Se producen seis moléculas
de CO2, diez NADH y dos FADH2. Después, la
NADH y la FADH2 ceden sus electrones (en
forma de hidrógenos) a la cadena de transporte electrónico, y estos hidrógenos finalmente reaccionarán con el oxígeno para formar agua. La energía liberada durante este
proceso se utiliza para sintetizar ATP por
fosforilación oxidativa, que contribuye con
la mayoría de la ATP generada por la completa oxidación de una molécula de glucosa
(34 de 38).
Almacenamiento y uso de energía:
metabolismo de hidratos de carbono,
grasas y proteínas, pág. 85
El cuerpo es capaz de recurrir a las grasas y
proteínas acumuladas como fuente alternativa de energía cuando la glucosa es escasa.
En este proceso, los lípidos y las proteínas se
degradan a moléculas más pequeñas (por
lipólisis y proteólisis respectivamente), que
entrarán finalmente en las vías de la oxidación de la glucosa por distintos puntos. El
organismo es, además, capaz de almacenar
energía sintetizando lípidos, que se almacenan principalmente en el tejido adiposo, y
proteínas. En algunos tejidos, se puede
almacenar energía transformando la glucosa
en glucógeno (por medio de la glucogenia),
que podrá ser más tarde degradado para
liberar glucosa (glucogenólisis). La glucosa
también se puede sintetizar a partir de precursores no hidratos de carbono (gluconeogenia), asegurando un suministro constante
de glucosa en el torrente sanguíneo, lo cual
es necesario para el funcionamiento correcto del sistema nervioso.
EJERCICIOS
Preguntas de opción múltiple
1. Cuando la glucosa se oxida en las células,
el oxígeno reacciona con
a) el carbono para formar CO2.
b) el hidrógeno para formar H2O.
c) los componentes de la cadena de
transporte de electrones.
d) el fosfato inorgánico para formar ATP.
e) la acetil-CoA para formar acetato.
2. ¿Cuál de las siguientes opciones ilustra la
fosforilación a nivel de sustrato? (P = fosfato, X = intermediario metabólico)
a) ATP r ADP + Pi
b) ADP + Pi r ATP
c) X — P r X + P
d) X — P + ADP r X + ATP
3. La enzima piruvato deshidrogenasa, que
convierte el piruvato en acetil-CoA, puede activarse o inactivarse por fosforilación o desfosforilación. Este es un ejemplo de
a) regulación alostérica.
b) fosforilación a nivel de sustrato.
c) fosforilación oxidativa.
d) saturación.
e) regulación covalente.
92
Metabolismo celular
C A P Í T U LO 3
4. Las siguientes reacciones suceden junto
con el paso 5 del ciclo de Krebs:
GDP + Pi r GTP
GTP + ADP r GDP + ATP
La reacción neta en este proceso es:
a) Pi + GTP r GDP
b) Pi + GDP r GTP
c) GTP + ADP r GDP + ATP
d) ADP + Pi r ATP
e) GDP + Pi r ATP
5. ¿Cuál de las siguientes reacciones es un
ejemplo de hidrólisis?
a) aminoácido 1 + aminoácido 2 r
dipéptido + H2O
b) lactosa + H2O r glucosa +
galactosa
c) glucosa-1-fosfato r glucosa-6fosfato
d) glucosa + 6 O2 r 6 CO2 + H2O
e) agua (líquida) + calor r agua
(vapor)
6. ¿Cuál de los siguientes tipos de moléculas orgánicas se puede utilizar para sintetizar triglicéridos?
a) solo hidratos de carbono
b) solo lípidos
c) solo proteínas
d) solo hidratos de carbono y proteínas
e) hidratos de carbono, lípidos y
proteínas
7. Las enzimas aumentan su velocidad de
reacción de catálisis mediante
a) un aumento en la energía de
activación.
b) un descenso en la energía de
activación.
c) un aumento en la energía libre de los
reactantes.
d) un aumento en la energía libre de los
productos.
e) un descenso en la energía libre de los
reactantes.
8. En la siguiente reacción, NAD+ recibe
electrones de la sustancia AH2:
NAD+ + AH2
E
NADH + H+ + A
donde E es la enzima que cataliza la reacción. ¿Qué sustancia se oxida en esta
reacción?
a) NAD+
b) NADH
c) AH2
d) A
particular conocida como el sitio (activo/
regulador).
9. ¿Cuál de las siguientes opciones se lleva a
cabo en el citosol por las enzimas?
a) glucólisis
b) el paso intermedio
c) el ciclo de Krebs
d) la fosforilación oxidativa
e) el acoplamiento quimiosmótico
10. A menos que una sustancia sea un
nutriente esencial, no es necesario para
el correcto funcionamiento celular. (verdadero/falso)
10. ¿En cuál de las siguientes situaciones se
genera dióxido de carbono?
a) solo en la glucólisis
b) solo en el paso intermedio
c) solo en el ciclo de Krebs
d) en la glucólisis y el ciclo de Krebs
e) en el paso intermedio y en el ciclo de
Krebs
12. La conversión de piruvato a lactato sucede bajo condiciones (aerobias/anaerobias).
Preguntas objetivas
1. La eliminación de los átomos de hidrógeno de una molécula es un ejemplo de
(oxidación/reducción).
2. La velocidad de formación de los productos se puede incrementar mediante
el aumento de la concentración de los
(reactantes/productos).
3. Para que una reacción se lleve a cabo de
forma espontánea en la dirección de los
productos, el cambio de energía debe ser
(positivo/negativo).
4. Las células del hígado y del músculo son
capaces de almacenar glucosa en forma
de una cadena de moléculas unidas llamada ————.
5. La regulación alostérica implica el acoplamiento de una molécula moduladora
a una enzima mediante un enlace covalente. (verdadero/falso)
6. La glucogenólisis es un ejemplo de reacción catabólica. (verdadero/falso)
7. La conversión de un precursor no hidrato de carbono en glucosa se llama
————.
8. Cuando la ATP se sintetiza utilizando
energía liberada en la oxidación de la
glucosa, la mayoría de la ATP es sintetizada mediante la fosforilación oxidativa.
(verdadero/falso)
9. Cuando una molécula de sustrato se une
a una enzima, lo hace en una localización
11. Una enzima cataliza una reacción a la
más (baja/alta) velocidad posible cuando se encuentra 100% saturada.
Preguntas abiertas
1. Explica el significado del cambio de energía en una reacción ($E) en relación con
a) la dirección de la reacción, y b) si la
reacción libera o requiere energía.
2. Compara y contrasta los mecanismos de
fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación oxidativa, y describe la función
que tiene cada uno en la oxidación de la
glucosa.
3. Explica cómo la conversión de piruvato a
lactato permite la formación de ATP
incluso cuando el oxígeno no está disponible.
4. Compara y contrasta la regulación alostérica y la regulación covalente de la actividad de una enzima.
5. Explica el concepto de energía de activación y describe cómo influye en las velocidades de reacción. Incluye una discusión de cómo la velocidad de la reacción
está afectada por la temperatura y las
concentraciones reactantes y productos.
Pensamiento crítico
1. Como sabes, los ácidos grasos se pueden
oxidar para obtener energía para la síntesis de ATP. Este proceso comienza con un
conjunto de reacciones conocidas como
ciclo de oxidación de los ácidos grasos o
betaoxidación. Antes de entrar en el ciclo,
un ácido graso reacciona con la coenzima A para formar una molécula llamada
acil-CoA. Entonces, esta molécula entra
en el ciclo y continúa a través de él hasta
que todos sus carbonos se han eliminado,
como se muestra en la siguiente página.
C A P Í T U LO 3
CH2
93
O
Acil-CoA
R
Metabolismo celular
CH2
CH2
C
CoA
Ácido graso
El ciclo
se repite
O
FAD
R
CH2
C
CoA
1
FADH2
O
O
CH3 C CoA
Acetil-CoA
Ciclo de
oxidación
de los ácidos
grasos
4
CoA
O
R
CH2
C
CH2
R
O
CH2
C
R
CoA
CH
C
CH
H2O
2
CH2
3
CoA
OH H
O
C
C
C
H
H
CoA
NAD+
NADH + H+
Tras el examen de este diagrama, contesta las siguientes preguntas para un ácido
graso de 12 carbonos.
a) ¿Cuántas moléculas de acetil-CoA se
producirán por la betaoxidación de
este ácido graso? ¿Cuántas moléculas
de ATP pueden producirse de cada
molécula de acetil-CoA que pasa a
través del ciclo de Krebs y la
fosforilación oxidativa?
b) ¿Cuántas moléculas de NAD+ y
FAD se reducirán? (Pista:
¿Cuántos enlaces se deben romper
para dividir un ácido graso de
12 carbonos en moléculas de acetilCoA?)
c) ¿Cuántas moléculas de ATP se
producirán por cada NADH + H+ y
cada FADH2 que proporcionen
electrones al sistema transportador
de electrones?
d) Hacen falta dos moléculas de ATP
para que el ciclo comience.
Basándote en esta información y
en las respuestas anteriores,
¿cuántas moléculas de ATP se
pueden generar de un ácido graso
de 12 carbonos?
2. El monóxido de carbono y el cianuro son
tóxicos. El monóxido de carbono se une a
la hemoglobina de los glóbulos rojos,
interfiriendo con el transporte de oxígeno en las células. El cianuro se une al
complejo IV de la cadena de transporte
de electrones, interfiriendo con la reducción del oxígeno a agua (el monóxido de
carbono también se une al complejo IV,
pero lo hace en menor medida que a la
hemoglobina). Basándote en lo que has
estudiado en este capítulo, compara las
rutas de estos dos venenos letales y describe los tratamientos potenciales.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple»
y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com)
para obtener herramientas adicionales de estudio.
4
Transporte
de la membrana celular
Sofía y Adelaida son dos gemelas de 22 años que hacen todo juntas. Durante
años, han estado corriendo juntas, y hoy, como la mayoría de los días, han recorrido
cinco kilómetros. Tras la carrera, Sofía ha bebido un litro de agua, mientras que Adelaida ha ingerido 1 l de una bebida isotónica que contenía solutos como sodio, potasio y
glucosa. Una hora después, Sofía ha excretado aproximadamente 400 ml de orina, mientras que Adelaida solo 100 ml.
Suponiendo que la condición física de ambas mujeres es
igual y que cada una pierde la misma cantidad de sudor,
¿podrías explicar la diferencia?
El sudor contiene agua e iones. Cuando Sofía repone el
agua, diluye los iones en los líquidos de su organismo. Está
claro que la diferencia en la diuresis en este ejemplo está relacionada con la presencia o la ausencia de solutos en la bebida
que cada una elige. Como aprenderás en este capítulo, nuestras células tienen mecanismos de transporte de agua y solutos. Los riñones usan esos mecanismos de transporte para
excretar el agua y los solutos en la orina, en concentraciones
que mantienen la composición del líquido corporal estable.
El riñón no es el único sistema corporal que usa los mecanismos de transporte a través de la membrana para mantener la homeostasis. En los capítulos siguientes aprenderás
que todos los sistemas del organismo usan los mecanismos
de transporte que se describen en este capítulo.
CONTENIDOS
Factores que condicionan la dirección del transporte
Velocidad de transporte
Microfotografía electrónica en color de endocitosis.
Transporte pasivo
102
Transporte activo
108
101
Ósmosis: transporte pasivo de agua
a través de las membranas 112
Transporte de sustancias
en compartimentos membranosos
117
Transporte epitelial: movimiento de las moléculas
a través de dos membranas 118
95
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
95
TABLA 4.1 Concentración milimolar de algunos solutos presentes
OBJETIVOS




Explicar el papel de las fuerzas direccionales química, eléctrica
y electroquímica en el transporte pasivo de sustancias a través
de la membrana y distinguir entre transporte activo y transporte
pasivo.
Identificar los tres factores generales que condicionan la velocidad
a la cual una sustancia es transportada a través de la membrana e
identificar los dos factores generales que influyen en la velocidad
del transporte activo.
Identificar los cuatro factores que afectan a la permeabilidad de la
membrana para aquellas moléculas que la atraviesan por difusión
simple y explicar cómo y por qué cada una de ellas afecta a la
permeabilidad.
Comparar el movimiento de moléculas a través de la membrana
plasmática mediante proteínas portadoras y canales.

Explicar la diferencia entre transporte activo primario y secundario
y dar algún ejemplo de cada uno.

Explicar cómo una diferencia en la concentración de soluto a
través de la membrana puede causar el movimiento del agua;
explicar la diferencia entre osmolaridad y tonicidad de una
disolución.

Definir endocitosis y exocitosis, y explicar la diferencia
principal entre estos y otros mecanismos de transporte
celular. Distinguir entre endocitosis mediada por receptor
y pinocitosis.

Explicar, en términos generales, cómo la polaridad de las células
epiteliales les permite absorber o secretar sustancias.
Antes de empezar…
Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
1. Estructura de la bicapa lipídica, pág. 30
2. Proteínas de la membrana, pág. 30
3. ATP, pág. 72
P
ara vivir, las células de tu organismo necesitan intercambiar sustancias con su entorno inmediato, el medio que le
rodea. Por ejemplo, para que las células oxiden la glucosa
para obtener energía, necesitan glucosa y oxígeno. Como aprendimos en el capítulo 2, el oxígeno puede penetrar a través de la
bicapa fosfolipídica de la membrana plasmática, pero la glucosa,
que es polar, no. Entonces, ¿cómo pueden nuestras células usar
glucosa para obtener energía?
También aprendimos en el capítulo 2 que las membranas
contienen proteínas que llevan a cabo una gran variedad de
funciones, incluyendo el transporte de moléculas específicas
a través de la membrana plasmática. Gracias a estas proteínas, la composición del medio intracelular y extracelular difiere (tabla 4.1). En este capítulo, aprenderemos qué moléculas pueden atravesar la membrana plasmática y cuáles
pueden cruzarla solo con ayuda de proteínas de membrana.
También aprenderemos qué determina la dirección del movimiento.
Nos centraremos en las teorías celulares y moleculares del
transporte de membrana, porque estos conceptos son funda-
en el líquido intracelular (LIC)* y extracelular (LEC)
Soluto
LIC (mM)
LEC (mM)
+
K
140
4
Na+
15
145
Mg2+
0,8
1,5
Ca2+
<0,0001†
Cl–
4
115
HCO–
10
25
Pi
40
2
Aminoácidos
8
2
1,8
Glucosa
1
5,6
ATP
4
0
Proteínas
4
0,2
*La composición del líquido intracelular varía en función de los diferentes tipos de células.
†
Referido a los iones calcio libres en el citosol. Una cantidad significativa de calcio
intracelular se encuentra secuestrada en los orgánulos de membrana y/o unido a proteínas.
mentales para nuestra comprensión actual de la fisiología
de los sistemas de órganos. Estas teorías están basadas en
gran medida en los principios del metabolismo celular que
aprendimos en el capítulo 3. Por tanto, comenzaremos con
una discusión de los factores más relacionados con la energía,
aquellos que determinan la dirección y la velocidad del transporte.
Factores que condicionan
la dirección del transporte
En el capítulo 3 explicamos que las moléculas de reactivos y productos en una reacción metabólica tenían diferentes energías.
También aprendimos que el cambio de energía de una reacción
(las diferencias entre las energías de los reactivos y de los productos) determina la dirección de la reacción y si esta se produce
espontáneamente o si requiere energía. En la siguiente sección
veremos que el transporte de moléculas a través de la membrana
se rige por unos principios similares.
Transporte pasivo frente a transporte activo
Cuando el oxígeno entra en una célula o el dióxido de carbono
sale, las moléculas se mueven a través de la membrana plasmática de forma espontánea. En otras palabras, la célula no necesita consumir energía para que esto suceda. Por otro lado, la
energía se consume cuando las moléculas de glucosa son transportadas a las células epiteliales en el intestino. El transporte de
moléculas a través de la membrana se llama transporte activo si
requiere energía, y transporte pasivo si no la requiere. La difusión simple es la entrada o salida de la célula de una molécula
por su propio movimiento térmico. Es una forma de transporte
pasivo, pero ciertas formas de transporte mediado por proteínas
también son pasivas. Por el contrario, el transporte activo está
siempre mediado por unas proteínas de transporte llamadas
bombas.
96
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Energía de las disoluciones
Las moléculas transportadas a través de las membranas se encuentran
en disolución en el líquido intra- y extracelular. El transporte de estas
moléculas depende de la diferencia de energía libre de estas moléculas
en disolución.
La energía libre de una disolución de un soluto no cargado (S) puede
describirse de la siguiente manera:
G = RT ln [S]
donde G es la energía libre, R la constante universal de los gases
(0,082 atm · l/ºK · mol), T es la temperatura absoluta en grados kelvin (K),
y [S] es la concentración del soluto S en moles. La fuerza direccional para
que una molécula se mueva al interior celular depende de la diferencia
de energías ($G) entre el punto al que la molécula va (interior) y el punto donde la molécula está (exterior):
DG = energía dentro – energía fuera = RT [S]i – RT [S]e
El transporte de moléculas a través de la membrana sigue
los mismos principios que las reacciones químicas: el movimiento espontáneo (o pasivo) sucede de la zona de mayor
energía a la zona de menor energía; para poder moverse en la
dirección opuesta, se requiere un aporte de energía. La energía de una disolución depende de la concentración de soluto
(y de la carga si el soluto es un ion); la energía aumenta a medida que aumenta la concentración (v. «Caja de herramientas:
Energía de las disoluciones»). Por tanto, los solutos se mueven de forma pasiva de una zona donde se encuentran en
mayor concentración a una zona donde se encuentran
en menor concentración o que da a favor de su gradiente de
concentración. Para moverse de una zona de menor concentración a otra de mayor concentración, se requiere un aporte
de energía.
Considera el movimiento de entrada y salida de la glucosa en
la célula como ejemplo. La concentración intracelular de glucosa es normalmente de 1 mM, pero está cerca de 6 mM en el
medio extracelular (v. tabla 4.1). Si la glucosa pudiera moverse
de forma espontánea a través de la membrana de una célula típica, lo haría de la zona de mayor a la de menor concentración (de
mayor a menor energía) y, por tanto, entraría en la célula. Por el
contrario, el transporte de glucosa en la dirección opuesta (de
menor a mayor concentración) es activo, porque no ocurre
de forma espontánea y requiere energía.
Fuerzas direccionales que actúan
sobre las moléculas
Cualquier diferencia de energía que exista a través de la membrana actúa como una fuerza direccional que tiende a empujar
las moléculas en una dirección o en otra. La dirección de esta
fuerza es siempre de mayor a menor energía, lo cual indica la
donde los subíndices «e» e «i» hacen referencia al exterior e interior
celular, respectivamente. Esta ecuación puede reescribirse de la siguiente manera, y es conocida como la ecuación de van’t Hoff:
$G = RT ln
[S]i
[S]e
Para las reacciones químicas, cuando el cambio de energía libre es
negativo, el proceso sucede espontáneamente. Cuando la concentración de soluto S es mayor dentro de la célula, la relación [S]i/[S]e es
mayor que 1 y el logaritmo neperiano de un valor mayor que 1 es positivo. Así, $G para el movimiento de S al interior de la célula es positivo
y el proceso no sucede espontáneamente; es decir, se necesita energía
para que S entre en la célula. Cuando la concentración del soluto S es
mayor fuera de la célula, $G para el movimiento de S al interior celular
es negativo y el proceso sucede espontáneamente; esto es, S se mueve
de forma pasiva.
dirección en la cual la molécula iría si pudiese moverse de forma
espontánea. Estas fuerzas direccionales pueden surgir como
resultado de diferencias de concentración o de otros factores
que afecten a las energías moleculares. En las siguientes secciones veremos que las moléculas están generalmente influenciadas por tres tipos de fuerzas direccionales: química, eléctrica y
electroquímica.
Fuerzas direccionales químicas
Cuando una sustancia está presente en diferentes concentraciones a ambos lados de la membrana, se dice que existe un gradiente de concentración a través de la membrana. Consideramos que el término gradiente de concentración es sinónimo de
diferencia de concentración y se le asigna el símbolo $C. (Estrictamente hablando, el término gradiente de concentración se usa
en relación con cualquier diferencia en la concentración entre
una localización y otra, no solo diferencias entre un lado y otro
de la membrana, y se define como la velocidad a la cual la concentración cambia con la distancia.) Cuando las moléculas se
mueven de mayor a menor concentración, podemos decir que
se están moviendo a favor de su gradiente de concentración; el
movimiento en la dirección contraria es en contra del gradiente
de concentración.
Debido a que las moléculas se moverán a favor del gradiente
de concentración de forma espontánea, podemos pensar en el
gradiente de concentración como un tipo de fuerza que impulsa a las moléculas hacia una dirección en particular. Así, nos
referimos al gradiente de concentración como una fuerza de
gradiente químico, cuya dirección es siempre a favor del gradiente de concentración (fig. 4.1). Como veremos, la velocidad
a la cual una sustancia es transportada varía con la magnitud
del gradiente de concentración y generalmente es mayor a
medida que el gradiente aumenta. Por tanto, podemos decir
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
97
Test rápido 4.1
Fuerza de
gradiente químico
1. ¿Cuál es la diferencia entre transporte pasivo y transporte activo?
2. ¿Por qué nos referimos al gradiente de concentración como una fuerza direccional?
3. ¿En qué dirección (dentro o fuera de la célula) actúa la fuerza de gradiente químico para los aminoácidos? (V. tabla 4.1.)
Fuerzas direccionales eléctricas
(a)
Fuerza de
gradiente químico
(b)
FIGURA 4.1 Fuerzas direccionales químicas. (a) Cuando la
concentración de moléculas (puntos) es mayor dentro de la célula
que en el líquido extracelular, el sentido de la fuerza de gradiente químico
(flecha) es hacia el exterior. (b) Cuando la concentración de moléculas es
mayor en el líquido extracelular, el sentido de la fuerza de gradiente
químico es hacia dentro. En ambos casos, las moléculas se moverán de
forma pasiva en la dirección de la fuerza, o a favor de su gradiente de
concentración.
que la magnitud de la fuerza de gradiente químico aumenta a
medida que lo hace el $C. Cuando hay más de una sustancia
presente en el medio, como en el caso de células reales, existe
más de un gradiente de concentración. Cualquier fuerza de gradiente químico que pueda estar actuando en una sustancia
dada depende solo del gradiente de concentración de esa sustancia en particular.
Hay que tener en cuenta que una fuerza de gradiente químico es fundamentalmente diferente del resto de fuerzas
conocidas porque no actúa realmente sobre la molécula de la
misma manera que la fuerza de la gravedad atrae una roca o
una fuerza magnética una pieza de hierro. Cuando las moléculas atraviesan la membrana a favor de su gradiente de concentración, lo hacen simplemente porque hay más moléculas en
un lado de la membrana que en el otro. Las moléculas individuales no son empujadas a favor del gradiente, sino que, de
hecho, tienen la misma probabilidad de moverse en cualquier dirección. Este hecho se estudia más adelante en este
capítulo.
En general, las moléculas que se mueven de forma pasiva a través de la membrana pueden verse afectadas por otros factores,
además de las fuerzas direccionales químicas. Esto es particularmente cierto para los iones, que se ven afectados por fuerzas
direccionales eléctricas además de las químicas. Las fuerzas
direccionales eléctricas se generan por el potencial de membrana, una diferencia en el potencial eléctrico o voltaje que existe a
través de la membrana de la mayoría de las células. En la siguiente sección vemos que la existencia de un potencial de membrana
refleja una distribución desigual de iones cargados positivamente e iones cargados negativamente a través de la membrana plasmática. (No nos preocuparemos sobre qué causa esta distribución desigual de cargas hasta el capítulo 7, cuando se explique el
origen de los potenciales de membrana en neuronas.) Una vez
que entendamos bien qué es un potencial de membrana, consideraremos su influencia en las fuerzas que afectan al transporte
de iones.
Potencial de membrana Los medios en el organismo contienen una gran variedad de solutos y muchos de estos son iones
que poseen carga eléctrica. Algunos iones son cationes, que tienen carga positiva; otros son aniones, que tienen carga negativa. Los iones están también presentes en las soluciones salinas,
como el agua del mar, pero uno normalmente no puede detectar la presencia de las cargas eléctricas de los iones, porque el
número de cargas positivas y negativas es el mismo. Una disolución de este tipo se dice que es eléctricamente neutra, porque
las cargas positivas y negativas se anulan, dando una carga
eléctrica neta (total) de cero. Del mismo modo, la carga eléctrica total de tu organismo es cero, porque el número de cationes
iguala el número de aniones. Una persona puede captar y emitir cargas, por ejemplo, cuando te frotas los pies en una alfombra (captas cargas negativas) y después tocas un objeto metálico o de otro material conductor para liberar esa carga
eléctrica.
En el líquido intracelular o extracelular, los cationes y aniones están presentes en distinto número; como consecuencia,
estos medios no son eléctricamente neutros. El líquido intracelular contiene un ligero exceso de aniones, confiriéndole una
carga neta negativa. El líquido extracelular contiene un ligero
exceso de cationes, confiriéndole una carga neta positiva. Debido a que las cargas positivas y negativas están distribuidas de
forma desigual entre el interior y el exterior de la célula, se dice
que existe una separación de cargas a través de la membrana
(fig. 4.2). El exceso de cargas negativas y positivas en el medio
intracelular y extracelular tiende a estar agrupado cerca de la
membrana, porque el exceso de cargas negativas de un lado de
la membrana es atraído por el exceso de cargas positivas del otro
lado.
El potencial de membrana de una célula refleja esta separación de cargas y se expresa en unidades de potencial eléctrico,
en milivoltios (mV), es decir 1/1.000 voltios. La magnitud del
98
Transporte de la membrana celular
C A P Í T U LO 4
Exceso
de aniones
–
Exceso
de cationes
+
–
–
+
–
+
–
+
–
+
+
–
+
–
–
+
–
+
–
+
–
+
+
–
+
–
–
+
–
+
–
+
–
+
+
–
Líquido intracelular
+
+
+
–
+ – –
–
–
– +
+ –
+
Fuerza direccional
–
–
+
+ eléctrica
–
–
–
–
+
+
+ +
+
+
(a)
+
+
+
–
+ – –
–
–
– +
+ –
–
direccional
– Fuerza
–
+
eléctrica
+
–
–
+ – –
+
+ +
+
Líquido extracelular
Membrana
plasmática
FIGURA 4.2 Separación de cargas a través de la membrana celular. En
condiciones normales, el líquido intracelular tiene un ligero exceso de aniones
(cargas negativas), y el extracelular tiene un ligero exceso de cationes (cargas
positivas). Estos excesos de cargas están agrupados en la región cercana a la
membrana. La carga neta en el interior y el exterior está indicada por los signos
(+) y (–) a cada lado de la membrana.
(b)
potencial de membrana (número de milivoltios) depende del
grado de separación de cargas; a mayor diferencia de cargas
entre ambos lados de la membrana, mayor potencial de membrana. Por consenso, el signo del potencial de membrana (positivo o negativo) se toma como el signo de la carga neta dentro de
la célula en relación con el exterior. Debido a que el interior
de una célula suele tener más carga negativa que el exterior, el
potencial de membrana es normalmente negativo. (Bajo ciertas
condiciones, sin embargo, el potencial de membrana puede ser
positivo, como veremos en el capítulo 7.) Para muchas células,
el potencial de membrana, que se indica con el símbolo Vm, está
alrededor de los 70 milivoltios negativos (Vm = –70 mV).
Cómo el potencial de membrana crea una fuerza direccional eléctrica que actúa sobre los iones Un potencial eléctrico es una
forma de energía potencial; es decir, es una fuerza eléctrica que
actúa sobre partículas cargadas y tiene el potencial de hacer
que esas partículas se muevan. Por ejemplo, las pilas AA separan
1,5 voltios de carga a través de dos polos. Un polo es positivo, el
otro negativo. Si un interruptor se situase de manera que conectara los dos polos, las cargas fluirían como una corriente eléctrica desde un polo al otro. Si se situase una bombilla entre los
polos, entonces, la corriente se utilizaría para encenderla.
Factores que afectan a la dirección y la magnitud de una fuerza
direccional eléctrica El potencial de membrana funciona de
una manera similar. La separación de cargas es una energía
potencial para que la corriente fluya a través de la membrana.
La corriente en los sistemas biológicos está causada por el movi-
FIGURA 4.3 Fuerzas direccionales eléctricas. (a) El sentido de la fuerza
direccional eléctrica (flecha) de un ion cargado positivamente es hacia el
interior. (b) El sentido de la fuerza direccional eléctrica de un ion cargado
negativamente es hacia el exterior, como indican los signos (+) y (–) a cada
lado de la membrana.
miento de iones. Así, el potencial de membrana crea una fuerza
direccional eléctrica para el movimiento de iones. Para determinar el sentido de la fuerza direccional eléctrica, simplemente
necesitamos conocer la valencia (o carga) del ion y esta regla
simple: los opuestos se atraen, los iguales se repelen. Sabemos
que el potencial de membrana es negativo. Así, los cationes son
atraídos por las cargas negativas del interior de la célula y tienen
una fuerza direccional eléctrica dirigida hacia el interior. Los
aniones, por el contrario, son repelidos por el potencial de
membrana negativo y tienen una fuerza direccional eléctrica
dirigida hacia el exterior (fig. 4.3). Las moléculas no cargadas,
como la glucosa, no se ven afectadas por el potencial de membrana y, por tanto, tienen una fuerza direccional eléctrica de
cero.
La magnitud de la fuerza direccional eléctrica en un ion
depende de la magnitud del potencial de membrana y de la cantidad de carga transportada por el ion, y aumenta a medida que
lo hacen estos factores (fig. 4.4). Un potencial de membrana
muy negativo, por ejemplo, significa un mayor número de cargas negativas en el interior y cargas positivas en el exterior, lo
que incrementa las fuerzas de atracción y de repulsión que
actúan sobre el ion. Si un ion transporta más carga, las fuerzas
C A P Í T U LO 4
–
+
+
Fuerza direccional
eléctrica
–
+
Vm = –50 mV
(a)
–
+
–
+
+
–
Fuerza direccional
eléctrica
–
+
+
Vm = –100 mV
(b)
–
+
++
–
Fuerza direccional
eléctrica
+
Vm = –50 mV
(c)
FIGURA 4.4 Efectos del potencial de membrana y de la valencia del ion
(carga) en la fuerza direccional eléctrica. (a) En presencia de un potencial de
membrana negativo (Vm = –50mV), una fuerza direccional eléctrica hacia el
interior (flecha) actúa sobre un ion cargado positivamente que cruza la
membrana. (b) Cuando la magnitud del potencial de membrana aumenta
hasta –100 mV, la magnitud de la fuerza direccional eléctrica también
aumenta, como se indica con una flecha más ancha. (c) Para los iones de mayor
valencia, la magnitud de la fuerza direccional eléctrica también aumenta.
Transporte de la membrana celular
99
ral, cuando los iones son transportados a través de la membrana,
están influyendo dos fuerzas direccionales: 1) la fuerza química
que refleja la tendencia de los iones a moverse a favor de gradiente de concentración (de mayor a menor concentración), y
2) la fuerza eléctrica que refleja la tendencia de los iones a ser
empujados en una u otra dirección por el potencial de membrana. La fuerza total que actúa sobre los iones es la combinación
de estas fuerzas direccionales químicas y eléctricas, denominada gradiente de potencial electroquímico. (El término de gradiente de potencial electroquímico también puede utilizarse para
referirnos a moléculas no cargadas, que no están influenciadas
por las fuerzas direccionales eléctricas; en este caso, la fuerza de
conducción electroquímica es sinónimo de fuerza de gradiente
químico.)
El sentido de la fuerza electroquímica que actúa sobre un ion
depende de la dirección neta de las fuerzas eléctricas y químicas.
Si ambas van en la misma dirección, entonces el gradiente de
potencial electroquímico también actúa en esa dirección. Si las
fuerzas eléctricas y químicas van en direcciones opuestas,
entonces la fuerza electroquímica va en la dirección de la fuerza
mayor.
Para determinar si una fuerza eléctrica o química es mayor,
un fisiólogo debe conocer el potencial de equilibrio de los
iones, un valor hipotético de potencial de membrana al cual la
fuerza direccional eléctrica es igual y opuesta a la fuerza de gradiente químico, produciendo una fuerza electroquímica igual a
cero. Si el potencial de membrana iguala el potencial de equilibrio de un ion, ese ion no se moverá de forma espontánea en
ninguna dirección, porque el total de las fuerzas que actúan
sobre él es cero. En otras palabras, el ion estará en equilibrio.
(Recuerda que una reacción química está en equilibrio cuando
su dirección neta no es ni hacia los reactivos ni hacia los productos.)
La magnitud y signo de un potencial de equilibrio de un ion
depende del tamaño y dirección del gradiente de concentración
de iones y de la valencia del ion. Un mayor gradiente de concentración implica un mayor potencial de equilibrio porque se
requiere una fuerza eléctrica mayor para igualar o «equilibrar»
una mayor fuerza química. El signo del potencial de equilibrio es
tal que la fuerza eléctrica va en la dirección opuesta a la fuerza
química. En el caso de los iones de sodio (Na+), por ejemplo, los
cuales están en mayor concentración fuera de la célula, la fuerza
química se dirige hacia el interior. Así, se requerirá una fuerza eléctrica dirigida hacia fuera para equilibrar la fuerza química. Debido a que el Na+ está cargado positivamente, un potencial
de membrana positivo ejercerá una fuerza eléctrica hacia fuera
que equilibre la fuerza química hacia el interior. Esto significa
que el potencial de equilibrio del Na+ debe ser positivo. Si la concentración del ion a ambos lados de la membrana es conocida,
su potencial de equilibrio puede ser calculado usando la ecuación de Nerst (v. «Caja de herramientas: Potenciales de equilibrio y ecuación de Nernst»).
Fuerzas direccionales electroquímicas
Determinar la dirección del gradiente de potencial electroquímico Cuando un ion está cruzando una membrana celular, la
dirección de la fuerza electroquímica que actúa sobre él puede
determinarse mediante un procedimiento simple. Para llevarlo
a cabo, necesitamos saber el potencial de equilibrio del ion (al
cual se le asigna el símbolo Ex para el ion X) y el potencial de
membrana de la célula:
Para determinar si los iones están siendo transportados de forma activa o pasiva, un fisiólogo debe identificar todas las fuerzas
direccionales que pueden estar actuando sobre ellos. En gene-
1. Usando los principios descritos en las secciones anteriores,
identifica la dirección de las fuerzas direccionales químicas y
de atracción y de repulsión también se incrementan, lo que hace
que las fuerzas direccionales sean más fuertes.
100
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Potenciales de equilibrio y ecuación de Nernst
Aprendimos en el último cuadro que la fuerza de gradiente químico
para que un soluto no cargado entre en una célula viene determinada
por la ecuación de van’t Hoff:
[S]i
$G = RT ln [S]
e
donde [S]e es la concentración de soluto fuera de la célula y [S]i es la
concentración de soluto dentro de ella.
Cuando consideramos iones, sin embargo, hay una fuerza eléctrica
además de la fuerza química. La siguiente ecuación describe el gradiente de potencial electroquímico para que un ion (I) se mueva al interior
de la célula:
[I]i
$G = RT ln
+ zFE
[I]e
donde G es la energía libre, R la constante universal de los gases
(0,082 atm . l/ºK . mol), T es la temperatura absoluta en grados kelvin (K),
z es la valencia del ion, E es el potencial de membrana, F es la constante
de Faraday para la fuerza eléctrica (9,65 × 104 J/V-mol), e [I] es la concentración del ion I. Ten en cuenta que la fuerza electroquímica es la suma
de la fuerza química y la eléctrica (zFE).
Si sabemos la carga del ion y su concentración intra- y extracelular,
podemos calcular el potencial de equilibrio de un ion (Ei) estableciendo
$G como 0 y resolviendo E:
–zFEi = RT ln
[I]i
[I]i
o Ei = RT/zF ln
[I]e
[I]e
Al sustituir las constantes y el logaritmo neperiano (Ln) por el logaritmo
decimal (log), obtenemos:
Ei =
Esta ecuación, llamada ecuación de Nernst, nos da el valor del potencial
de equilibrio en milivoltios y supone que la temperatura es cercana a la
temperatura normal del organismo, 37 ºC.
Utilizando las concentraciones intra- y extracelulares típicas, podemos encontrar el potencial de equilibrio para el sodio, ENa realizando las
sustituciones apropiadas, como sigue:
ENa =
145 mM
61
log
= 60,1 mV ≈ 60 mV
15 mM
1
De la misma manera, podemos encontrar el potencial de equilibrio para
el potasio, EK:
EK =
61
4 mM
= –94,2 mV ≈ –94mV
log
1
140 mM
Ten en cuenta que en ambos casos la valencia es +1, por tanto, el signo del potencial de equilibrio depende solamente de la dirección del
gradiente de concentración. Ten en cuenta también que EK es mayor
en magnitud que ENa. Esto tiene sentido porque un mayor gradiente
de concentración requiere un mayor potencial de membrana para
equilibrarlo, y el gradiente de K+ es mayor que el de Na+. Si un gradiente de concentración es pequeño, las concentraciones intra- y extracelulares del ion estarán más cercanas al equilibrio. Si las concentraciones son iguales, la relación de concentración Ce/Ci es igual a 1,
haciendo el potencial de equilibrio cero. (Recuerda que el log de 1 es
cero.) A medida que las concentraciones se hacen más y más diferentes, la relación se hace mucho mayor o mucho menor que 1, haciendo
el término log mayor y más positivo, o menor y más negativo, respectivamente.
[I]i
61 mV
log
[I]e
z
eléctricas que actúan sobre el ion. Si las dos fuerzas direccionales van en la misma dirección, la fuerza electroquímica
también actúa en esa dirección, y no se necesitan más análisis.
2. Si las fuerzas químicas y eléctricas actúan en direcciones
opuestas, compara la magnitud del potencial de equilibrio y
del potencial de membrana. Si son iguales, entonces la fuerza electroquímica es cero y el ion está en equilibrio. Si no,
sigue al paso 3.
3. Si el potencial de equilibrio es mayor en magnitud que el
potencial de membrana, entonces la fuerza química es mayor
que la eléctrica; la fuerza electroquímica, por tanto, actúa en
la misma dirección que la química. Si el potencial de membrana es mayor en magnitud que el potencial de equilibrio,
entonces la fuerza eléctrica es mayor que la química; la fuerza electroquímica actúa, por tanto, en la misma dirección
que la fuerza eléctrica.
La aplicación de este procedimiento se ilustra en la figura 4.5
para el caso del ion potasio (K+), cuyas concentraciones intra- y
extracelulares son 140 mM y 4 mM, respectivamente (v. tabla 4.1),
dando lugar a una fuerza química dirigida hacia el exterior y un
potencial de equilibrio de –94 mV (Ek = –94 mV). En cada uno de
los tres paneles de la figura 4.5, el potencial de membrana es
negativo, produciendo una fuerza direccional eléctrica hacia el
interior opuesta a la fuerza química. En la figura 4.5a, el potencial de membrana y el potencial de equilibrio son iguales, dando
lugar a una fuerza electroquímica igual a cero. En la figura 4.5b,
el potencial de equilibrio es mayor que el potencial de membrana (–70 mV), dando lugar a una fuerza electroquímica dirigida
hacia el exterior de la célula. En la figura 4.5c, el potencial de
membrana (–100 mV) es mayor que el potencial de equilibrio,
por tanto, la fuerza electroquímica está dirigida hacia el interior
de la célula.
Importancia del gradiente de potencial electroquímico Debido
a que la fuerza electroquímica es la fuerza total que actúa sobre
el transporte de iones, determina la dirección en la cual los iones
se moverán si es posible a través de la membrana de forma
espontánea. Cuando los iones se transportan de forma pasiva,
C A P Í T U LO 4
+ +
+
+
– –
+ – K+ – Fuerza direccional química
–
K+
K+
K+
– +
+ – K+ K+
+
K+ –
K+
+ – – K+ –
Fuerza direccional eléctrica
+ – – +
+ +
EK = –94 mV
Vm = –94 mV
(a)
+ +
+
– –
Fuerza direccional química
+ – K+ –
+
K+
–
K+
K
+
–
+ – K+ K+
Fuerza direccional
eléctrica
K+ – +
+ – – K+
K+
–
Fuerza
+ – – +
direccional
electroquímica
+ +
+
EK = –94 mV
Vm = –70 mV
(b)
+ +
+
– – – Fuerza direccional química
+ – K+
K+
–
K+ – +
K+
+ – K+ K+
K+ – + Fuerza direccional eléctrica
+ – – K+
– Fuerza direccional
+ – – + electroquímica
K+
+ +
+
EK = –94 mV
Vm = –100 mV
(c)
FIGURA 4.5 Fuerzas direccionales eléctricas, químicas y
electroquímicas que actúan sobre los iones potasio cuando cruzan
la membrana celular. El potencial de equilibrio para el potasio (K+) es –94 mV,
y el potencial de membrana se asume que es negativo. (a) Cuando el potencial
de membrana iguala al potencial de equilibrio (Vm = –94 mV), la fuerza
electroquímica es cero. (b) Cuando el potencial de membrana es –70 mV, la
fuerza eléctrica es más pequeña que la química, por lo que la fuerza
electroquímica va hacia fuera de la célula. (c) Cuando el potencial de
membrana es –100 mV, la fuerza química es más pequeña que la eléctrica,
y la fuerza electroquímica es hacia el interior celular.
Transporte de la membrana celular
101
siempre se mueven en la dirección del gradiente de potencial
electroquímico. Dicho de otra manera, cuando los iones se
transportan de forma pasiva, disminuyen su gradiente electroquímico. Cuando son transportados de forma activa, se mueven
en la dirección opuesta a la fuerza electroquímica, o aumentan
su gradiente electroquímico.
Test rápido 4.2
1. Determina el sentido de la fuerza direccional eléctrica para cada uno
de los siguientes iones, suponiendo que el potencial de membrana
celular es negativo: Na+, K+, Cl–, HCO–, Ca2+.
2. Suponiendo que los iones sodio y potasio están siendo transportados
a través de una membrana celular dada, ¿para qué ion, Na+ o Ca2+, es
mayor la fuerza direccional eléctrica? Explícalo.
3. En referencia a la tabla 4.1 para la concentración de iones intra- y
extracelulares, determina la dirección del gradiente de potencial
electroquímico para Na +, suponiendo que E Ns = +60 mV y
Vm = –70 mV.
Velocidad de transporte
En el capítulo 3, vimos que la velocidad de una reacción metabólica es importante, ya que las reacciones deben llevarse a cabo
de forma suficientemente rápida para satisfacer las demandas
metabólicas del organismo. Para que esto ocurra, las moléculas
también deben ser transportadas a través de la membrana a una
velocidad adecuada. Cuando estás descansando, por ejemplo, el
oxígeno es transportado a través del revestimiento epitelial de
los pulmones (el epitelio pulmonar) a una velocidad que coincide con la de consumo de oxígeno de tu organismo. Cuando
comienzas a hacer ejercicio, las reacciones metabólicas consumen oxígeno a velocidades más altas; para mantener este
incremento de demanda, la velocidad de transporte a través del
epitelio pulmonar también debe aumentar, o las células de tu
organismo se quedarán momentáneamente sin oxígeno. En
ciertas condiciones patológicas, como, por ejemplo, el edema
pulmonar (exceso de líquido en los pulmones), la difusión de
oxígeno (o de dióxido de carbono) se ve dificultada. Bajo estas
condiciones, una persona tiene dificultad para realizar ejercicio,
porque el oxígeno no puede moverse a través del epitelio pulmonar lo suficientemente rápido. Si la enfermedad es grave, el
aporte de oxígeno puede verse afectado tanto que la persona
sienta falta de aire incluso en condiciones de reposo.
La velocidad a la cual una sustancia se transporta a través de
la membrana hace referencia al número de moléculas que atraviesan la membrana en un período de tiempo determinado, a lo
que llamamos flujo. El flujo normalmente se expresa en unidades de mol por segundo o algún equivalente. (Estrictamente
hablando, el flujo es el número de moléculas que cruzan una
membrana por unidad de tiempo por unidad de área de superficie de membrana. Para simplificar, omitimos la palabra área de
la definición.)
Ten en cuenta que cuando se dice que las moléculas son
transportadas en una dirección o en otra (hacia dentro o hacia
fuera de la célula, por ejemplo) nos referimos al movimiento
neto de moléculas a través de la membrana. En casi todos los
casos, las moléculas individuales se mueven realmente a través
de la membrana en ambas direcciones, pero la mayoría de ellas
se moverán más en una dirección que en otra. Este flujo bidireccional de moléculas está representado en la figura 4.6, que
102
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
Lado 1
Lado 2
Flujo unidireccional
Flujo unidireccional
Concentración: 1 M
1M
resultado, hay un movimiento neto de moléculas desde el
lado 1 al 2. La velocidad de este movimiento es el flujo neto, la
diferencia entre los dos flujos unidireccionales. Cuando los
fisiólogos dicen que las moléculas se transportan pasivamente
o activamente en una dirección determinada, siempre se refieren a la dirección del flujo neto. El flujo neto en la figura 4.6a
es cero.
Como veremos más adelante en este capítulo, las velocidades de transporte están influenciadas por muchas variables,
algunas de las cuales son específicas de ciertos mecanismos de
transporte.
(a)
Lado 1
Lado 2
En el transporte pasivo, las moléculas se mueven a través de la
membrana a favor del gradiente químico o electroquímico. No
se necesita energía. Los tipos de transporte pasivo incluyen la
difusión simple, la difusión facilitada y la difusión a través de
canales iónicos.
Flujo neto
Flujo unidireccional
Flujo unidireccional
Concentración: 2 M
Transporte pasivo
1M
(b)
FIGURA 4.6 Flujo direccional y flujo neto de moléculas. (a) Equilibrio
difusional. Cuando las moléculas de soluto (puntos) están a la misma
concentración a ambos lados de la membrana, el flujo unidireccional del lado 1
al lado 2 es igual que el del lado 2 al lado 1 (flechas). Bajo estas condiciones,
el flujo neto a través de la membrana es cero. (b) Flujo neto. Cuando la
concentración en el lado 1 aumenta debido a uno o dos factores, el flujo
unidireccional del lado 1 al lado 2 es dos veces mayor que antes, pero
el flujo unidireccional en la dirección opuesta no se ve afectado. Los flujos
unidireccionales no están en equilibrio, produciendo un flujo neto a favor
del gradiente de concentración del lado 1 al lado 2.
representa una membrana separando dos soluciones en una
cámara. En este ejemplo, las moléculas están atravesando la
membrana por difusión simple bajo dos condiciones: cuando
su concentración es la misma en ambos lados y cuando la concentración en el lado izquierdo es dos veces la del lado derecho.
En la primera situación (v. fig. 4.6a), las moléculas cruzan del
lado 1 al 2 y del lado 2 al 1. El número de moléculas que atraviesan la membrana por unidad de tiempo en una sola dirección se
llama flujo en una dirección o flujo unidireccional. En este caso,
el flujo unidireccional del lado 1 al 2 es igual que el del lado 2 al 1,
porque el número de moléculas cercanas a la membrana es el
mismo a cada lado, y cada molécula tiene la misma probabilidad
de cruzar al otro lado en cualquier período de tiempo dado.
Como no hay una transferencia neta de moléculas desde un lado
al otro, las concentraciones no cambian, y el sistema está en un
equilibrio difusional.
En la segunda situación (v. fig. 4.6b), la concentración en el
lado 1 es dos veces lo que era en un principio, y dos veces lo
que hay en el lado 2. Bajo estas condiciones, el flujo unidireccional del lado 1 al 2 se ha duplicado (debido a que el número
de moléculas cercanas a la membrana a ese lado se ha duplicado). Ahora el flujo unidireccional desde el lado 1 al 2 es
mayor que el flujo unidireccional en el sentido opuesto. Como
Difusión simple: transporte activo
a través de la bicapa lipídica
La difusión simple es el menos complicado de todos los mecanismos de transporte. Aunque ya hemos aprendido algo sobre
las fuerzas de difusión simple, aquí aprenderemos acerca de lo
que las hace funcionar. También aprenderemos algunos de los
factores que afectan a la velocidad de difusión y a la permeabilidad de la membrana para las sustancias que se mueven por difusión simple.
Bases para la difusión simple
Usamos el término difusión simple para describir el transporte
pasivo de moléculas a través de la bicapa lipídica de las membranas biológicas; sin embargo, el mecanismo de difusión simple no es estrictamente biológico. Por ejemplo, cuando alguien
próximo abre un frasco de perfume, notes el olor a la fragancia
incluso aunque no existan corrientes de aire que la lleven a tu
nariz. Esto sucede porque algunas moléculas del perfume viajan
desde la botella a tu nariz por difusión simple a través del aire.
Las moléculas salen de la botella porque allí están más concentradas y menos según se alejan, y porque estas moléculas, como
las demás, se mueven de forma espontánea hacia gradientes de
concentración menores, debido a que se encuentran en un estado continuo de movimiento térmico.
El movimiento de moléculas de una a otra localización simplemente como resultado de su propio movimiento térmico se
llama difusión, un término general que se aplica a moléculas
que se mueven por cualquier medio. Del movimiento térmico se
suele decir que es aleatorio, porque las moléculas individuales
se mueven desordenadamente en varias direcciones debido a las
colisiones con otras moléculas. Como consecuencia, las moléculas no se dirigen hacia una dirección en particular durante
mucho tiempo antes de cambiar el rumbo, y cuando esto sucede
la dirección es impredecible.
Pero si el movimiento térmico es aleatorio, entonces ¿cómo
es posible que la difusión de moléculas se realice siempre hacia
el menor gradiente de concentración, lo cual no es en absoluto
un acontecimiento aleatorio? La respuesta radica en la distinción entre moléculas individuales, que se mueven aleatoriamen-
C A P Í T U LO 4
te, y la población de moléculas, que se mueven siempre a favor
de gradiente de concentración. Por ejemplo, si hay ocho moléculas a la izquierda y dos a la derecha, las diez moléculas individuales tienen la misma probabilidad de moverse a la derecha o
a la izquierda. Sin embargo, cuando se considera a la población
de las diez moléculas, las de la izquierda (la zona de mayor concentración) tienen cuatro veces más probabilidad de moverse
a la derecha que aquellas de la derecha de moverse hacia
la izquierda. Así, habrá más movimiento de la izquierda a la
derecha.
Transporte de la membrana celular
flujo neto es cero. Bajo estas condiciones, las moléculas aún se
mueven de un lado a otro de la membrana, pero con la misma
velocidad en ambas direcciones.
En la difusión simple, el flujo neto de una sustancia es directamente proporcional a la magnitud del gradiente de concentra-
Lado 1
Lado 2
Factores que afectan la velocidad de difusión simple
Cuando una sustancia se transporta de forma pasiva a través de
la membrana por difusión simple, la velocidad a la cual es transportada depende de tres factores: la magnitud de las fuerzas
direccionales, la superficie de la membrana y la permeabilidad
de la membrana, como medida de la facilidad con la cual las
moléculas son capaces de moverse a través de ella. Cada uno de
estos factores se comentará a continuación.
Magnitud de las fuerzas direccionales Cuando una fuerza direccional actúa sobre una molécula que cruza una membrana, condiciona no solo la dirección a la cual se mueve, sino también la
velocidad a la cual es transportada. En la mayoría de los casos, el
flujo neto aumenta a medida que lo hace la magnitud de las fuerzas direccionales, pero no siempre.
En la difusión simple, la velocidad de transporte está directamente relacionada con la magnitud de la fuerza direccional.
Considera una situación en la cual una membrana separa dos
soluciones en una cámara (fig. 4.7). Inicialmente (v. fig. 4.7a),
el lado 1 contiene un soluto a una concentración de 1 M, mientras que el lado 2 contiene un volumen equivalente de agua
pura. La presencia de este gradiente de concentración conduce
a un flujo neto de moléculas de soluto del lado 1 al lado 2. Como
resultado, la concentración en el lado 1 disminuye, mientras
que la concentración en el lado 2 aumenta. En la figura 4.7b, la
concentración en el lado 1 se ha reducido hasta 0,75 M, mientras que la concentración en el lado 2 ha aumentado a 0,25 M.
Debido a que la fuerza del gradiente ha disminuido, el flujo
neto también desciende, como se indica con la flecha más delgada. Estos cambios continúan hasta que las dos concentraciones se igualan, por lo que el flujo neto será igual a cero
(v. fig. 4.7c). El gráfico de la figura 4.7d muestra que la concentración cambia más lentamente a medida que las concentraciones se hacen iguales; es decir, el flujo neto disminuye a
medida que el gradiente de concentración disminuye. Una vez
que las concentraciones se igualan, no cambian más porque el
Flujo neto
Concentración: 1 M
0 M (agua destilada)
(a)
Lado 1
Lado 2
Flujo neto
Concentración: 0,75 M
0,25 M
(b)
Lado 2
Lado 1
Concentración: 0,5 M
0,5 M
(Flujo neto = 0)
(c)
1
Según pasa el tiempo, ¿el flujo unidireccional del lado 1 al lado 2 aumenta,
P
disminuye o permanece igual?
Lado 1
Concentración (M)
FIGURA 4.7 Cambios en el flujo neto del transporte de moléculas en
función de los cambios en el gradiente de concentración. (a) Un gradiente
de concentración alto crea el flujo neto indicado por la flecha. (b) Debido al
flujo neto del lado 1 al lado 2, la concentración en el lado 1 cae hasta 0,75 M,
mientras que en el lado 2 se eleva a 0,25 M. El flujo neto también desciende.
(c) Las concentraciones a ambos lados de la membrana se igualan, y el flujo
neto es ahora cero. (d) Cambios en la concentración a ambos lados a lo largo
del tiempo.
103
0,5
Lado 2
0
(d)
Tiempo
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
Alta permeabilidad
Flujo neto
Flujo neto
104
Baja permeabilidad
0
Gradiente de concentración (C)
FIGURA 4.8 Proporcionalidad directa entre el flujo neto y la magnitud
0
Gradiente de concentración (C)
del gradiente de concentración para una sustancia no cargada que
atraviesa una membrana por difusión simple.
FIGURA 4.9 Efecto de la permeabilidad en el flujo neto de una
sustancia no cargada que atraviesa la membrana por difusión simple.
ción o a la magnitud del gradiente electroquímico, si la sustancia
está cargada (fig. 4.8). A medida que el gradiente de concentración aumenta o disminuye por un factor determinado, el flujo
aumenta o disminuye en el mismo factor.
manera alternativa, la «permeabilidad del sodio»). Aunque este
término es muy común, hay que tener en cuenta que el término
permeabilidad se refiere a las membranas, no al transporte de
moléculas. La permeabilidad de la membrana no es la misma
para todas las moléculas, por lo que se describe, en general,
como referencia a una molécula en particular. Estrictamente
hablando, una sustancia que atraviesa la membrana es permeante, mientras que la membrana en sí es permeable (con
capacidad de ser permeada).
Entre los factores que influyen en la permeabilidad de la
membrana celular se encuentran los siguientes:
Superficie de membrana Como norma general, la velocidad a la
cual las moléculas son transportadas a través de la membrana
varía de forma proporcional a la superficie de membrana. Para
entender por qué, imagina una serie de moléculas atravesando
una membrana situada en una cámara a una velocidad determinada. Si situásemos dos cámaras idénticas una a continuación
de la otra y las combinásemos en una, la superficie de la membrana se duplicaría, y el número de moléculas que atravesarían
la membrana por unidad de tiempo también se duplicaría. Ten
en cuenta que esto es cierto independientemente del mecanismo de transporte.
Varios tejidos especializados en el transporte (el epitelio
pulmonar, el epitelio intestinal y las paredes de los capilares, por ejemplo) tienen grandes superficies de membrana,
lo cual mejora la capacidad de estos tejidos de transportar
grandes cantidades de sustancias rápidamente. La superficie
del epitelio pulmonar e intestinal es mayor gracias a su alta
capacidad de plegamiento, mientras que la superficie capilar
es mayor por la amplia ramificación que caracteriza a estos
vasos.
Permeabilidad de la membrana La permeabilidad de una membrana a una sustancia en particular depende tanto de la naturaleza de la sustancia transportada como de varias propiedades de
la membrana (además de la superficie) que influyen en la facilidad con la que las moléculas son capaces de atravesarla. Para
cualquier mecanismo de transporte pasivo, una alta permeabilidad implica una mayor velocidad de transporte, en igualdad de
condiciones. La influencia de la permeabilidad en el transporte
se muestra de forma gráfica en la figura 4.9, que pertenece a una
sustancia atravesando una membrana por difusión simple.
Cuando la permeabilidad es más alta, el flujo neto es mayor para
un gradiente de concentración dado. (V. «Caja de herramientas:
Ley de Fick y permeabilidad».) Trataremos los distintos factores
que afectan a la permeabilidad de la membrana a continuación.
La permeabilidad de la membrana a una sustancia X viene
dada por el símbolo Px y a menudo se refiere a la «permeabilidad
de X». Por ejemplo, PNa será la «permeabilidad al sodio» (o, de
1. La liposolubilidad de la sustancia que difunde. Hemos visto
que las moléculas difieren respecto a su capacidad de disolverse en lípidos. Las sustancias hidrófobas (no polares) son
las más solubles en lípidos, mientras que las hidrófilas (polares o cargadas) son las menos solubles. Dado que las moléculas deben moverse a través de una bicapa lipídica en la
difusión simple, cabe esperar que las moléculas liposolubles
sean capaces de atravesar la bicapa más fácilmente. En igualdad de condiciones, cuanto más liposoluble sea una sustancia, más permeabilidad tendrá la membrana a esa sustancia.
La liposolubilidad también está influenciada por la composición lipídica de la membrana, que varía ligeramente de una
membrana a otra.
2. El tamaño y la forma de las moléculas que difunden. Las
moléculas muestran importantes variaciones en el tamaño
(dimensiones físicas y peso molecular) y la forma. En términos generales, aquellas moléculas más grandes y cuya forma es más irregular se moverán más lentamente a través
de la bicapa, disminuyendo la permeabilidad de la membrana.
3. La temperatura. Las moléculas se mueven más rápidamente
a altas temperaturas, lo que aumenta la permeabilidad. Este
efecto es en general poco importante en la fisiología humana, debido a que la temperatura corporal es relativamente
constante.
4. El grosor de la membrana. Teóricamente, una membrana
más gruesa tendrá menor permeabilidad, porque las moléculas deben recorrer más espacio para atravesarla. Aunque las membranas celulares tienen un grosor similar, el
grosor de los tejidos varía considerablemente. Los tejidos
especializados en el transporte, como las paredes de los
capilares o del epitelio pulmonar, tienden a tener las pare-
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
105
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Ley de Fick y permeabilidad
La permeabilidad tiene una definición matemática precisa. Hemos visto
que, cuando una sustancia atraviesa la membrana por difusión simple,
el flujo neto es proporcional a la magnitud del gradiente de concentración. La relación se expresa matemáticamente mediante la ley de Fick,
que se puede escribir como sigue:
Flujo neto = J = P · A · [%]C
des relativamente finas; esta delgadez aumenta la permeabilidad y mejora la velocidad de transporte a través de
estos tejidos.
De todos los factores que se acaban de mencionar, la solubilidad lipídica es la que tiene más influencia en la permeabilidad.
Las diferencias en la liposolubilidad son en gran medida responsables, debido al hecho de que algunas sustancias pueden atravesar la membrana celular fácilmente por difusión simple,
mientras que otras no pueden. Debido a que la mayoría de sustancias en el organismo son hidrófilas y, por tanto, no atraviesan
la bicapa lipídica fácilmente, la lista de sustancias conocidas que
puedan ser transportadas por difusión simple es muy limitada,
e incluye ácidos grasos, hormonas esteroideas, hormonas tiroideas, oxígeno, dióxido de carbono y las vitaminas liposolubles
(A, D, E y K).
Una nota final: a pesar de que nuestro enfoque aquí ha sido
únicamente la difusión simple a través de las membranas, lo
que se aplica a relativamente pocas sustancias, las células en
última instancia dependen de la difusión simple para la distribución y eliminación de todos los solutos, ya que las moléculas
difunden a través del agua, acercándose y alejándose de la
superficie de la membrana. Recuerda, por ejemplo, que la acumulación de líquido en los pulmones impide el transporte
de oxígeno, lo que, a su vez, disminuye la capacidad de los pulmones de llevar el oxígeno a la sangre. La razón es que el flujo
de oxígeno a través del epitelio pulmonar se ve afectado por el
grosor de la capa de líquido que recubre el epitelio. Cuando el líquido se acumula, el efecto es similar a un incremento
en el grosor del tejido, y la velocidad de difusión se hace más
lenta.
Test rápido 4.3
1. En la difusión simple, ¿van las moléculas individuales siempre a favor de su gradiente de concentración? Explica los motivos de la respuesta.
2. ¿Qué propiedades de las moléculas transportadas afectan a la permeabilidad de la membrana en la difusión simple? ¿Qué propiedades
de la membrana afectan a la permeabilidad?
3. Indica cuál de los siguientes factores aumenta la permeabilidad para
una sustancia que atraviesa un tejido por difusión simple: aumento
del espesor del tejido; menor tamaño de las moléculas que difunden;
En esta expresión, A es el área de la superficie de la membrana, $C
es el gradiente de concentración (la diferencia en la concentración a
través de la membrana), y el coeficiente P representa la permeabilidad. El valor numérico de P depende de la membrana en cuestión y de
la identidad de la sustancia transportada. Ten en cuenta que, para un
gradiente de concentración determinado, el flujo aumenta según
aumenta P.
menor solubilidad en lípidos de las moléculas que difunden; aumento de la temperatura (selecciona todas las que cumplan la condición).
Difusión facilitada: transporte pasivo
a través de proteínas de membrana
Hemos señalado antes que algunas sustancias que son transportadas de forma pasiva no atraviesan la membrana por difusión
simple, sino que cruzan a través de proteínas portadoras en la
membrana (un proceso conocido como transporte mediado).
Los fisiólogos utilizan el término difusión facilitada para distinguir el transporte pasivo mediado de la difusión simple y del
transporte activo (otro tipo de transporte mediado).
Portadores en la difusión facilitada
Un portador es una proteína transmembranosa que se une a
moléculas a un lado de la membrana y las transporta al otro lado
por medio de un cambio conformacional o un cambio en la
estructura. Un portador tiene uno o más sitios de unión normalmente específicos para moléculas de ciertas sustancias o clases
de sustancias. Los monosacáridos y los aminoácidos son ejemplos de sustancias transportadas por estas proteínas.
Para ser transportado por una proteína de este tipo, una
molécula debe colocarse primero en el sitio de unión. Una vez
que la molécula se encuentra en el sitio de unión, se produce un
cambio conformacional en el portador, que expone dicho sitio
de unión al medio del otro lado de la membrana. En este punto,
la molécula puede disociarse del portador y ser liberada en el
medio. La figura 4.10 describe de manera esquemática cómo la
proteína transporta una molécula de glucosa a través de la membrana celular.
Aunque no se conoce la naturaleza del cambio conformacional que sufren los portadores, se suelen dibujar a menudo con
una estructura de tipo bisagra, como en la figura 4.10. Independientemente del mecanismo exacto, los cambios conformacionales ocurren al azar (debido al movimiento térmico de la proteína portadora) y exponen el/los sitio/s de unión al medio en
un lado de la membrana primero y en el otro después. (Los cambios conformacionales no necesitan ser activados por la unión
del soluto y pueden incluso ocurrir cuando los sitios de unión
están vacíos.) Cuando una molécula se une a un portador a un
106
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
Medio extracelular
Glucosa
Proteína portadora
de glucosa
Membrana
plasmática
Medio intracelular
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
FIGURA 4.10 Transporte de una molécula de glucosa a través de la membrana celular por una
proteína portadora. (a) Proteína portadora con el sitio de unión vacío. (b) Unión de la molécula de glucosa al
sitio de unión de la proteína, que se encuentra en el lado extracelular. (c) Cambio conformacional en la
proteína portadora, de manera que el sitio de unión ahora se encuentra en el lado intracelular. (d) Liberación
de la molécula de glucosa. El sitio de unión vuelve a estar vacío. (e) Vuelta del portador a su conformación
original. El portador está preparado para unirse a otra molécula de glucosa.
portadores individuales; 2) el número de portadores en la
membrana, y 3) la magnitud del gradiente de concentración (o
electroquímico) de la sustancia transportada. Un aumento en
alguno de estos factores se traduce en un aumento de la velocidad de la difusión.
Los portadores de manera individual transportan moléculas
a diferente velocidad, dependiendo del tipo. Un portador de glucosa normalmente puede transportar moléculas a una velocidad
máxima de 10.000 por segundo.
La figura 4.11 muestra cómo la velocidad de transporte de
una población de portadores varía a medida que el gradiente
de concentración cambia. Como la concentración a un lado de
la membrana está aumentando, mientras que en el otro lado se
mantiene constante, el flujo neto aumenta rápidamente al principio, pero luego se equilibra. (Compáralo con la figura 4.8, que
se corresponde con una sustancia que atraviesa la membrana
por difusión simple.) Este equilibrio sucede porque las proteínas
portadoras se encuentran saturadas al 100% en altas concentraciones.
La saturación de los portadores es parecida a la saturación de
las enzimas (v. capítulo 3) y sucede por la misma razón: en un
Flujo neto
lado de la membrana y es liberada en el lado opuesto, el sitio de
unión queda disponible para unir otra molécula en ese lado. Si
una molécula se une, la transportará al otro lado en la dirección
contraria. Si no se une ninguna molécula, el portador puede volver a su conformación original con el sitio de unión vacío, como
se muestra en la figura 4.10.
El flujo neto de la difusión facilitada depende de la frecuencia
con la que se una el soluto al portador a ambos lados de la membrana, y el transporte neto se producirá desde el lado con mayor
frecuencia de unión. Dos factores afectan a la unión de un soluto
a un portador: 1) la afinidad por el sitio de unión en el portador,
y 2) el gradiente de concentración (o gradiente electroquímico,
en el caso de transporte de iones) de soluto a través de la membrana. En la difusión facilitada, la afinidad por el sitio de unión
del soluto es la misma cuando el sitio de unión está expuesto al
medio intracelular que al extracelular. Por tanto, cualquier diferencia en la unión del soluto al portador a ambos lados de la
membrana depende del gradiente de concentración.
Es más probable la unión de un soluto al portador cuantas
más moléculas haya presentes. Así, si existe un gradiente de concentración, más moléculas se unirán al portador cuando los
sitios de unión se encuentren en el lado de mayor concentración. Cuando el portador cambie de forma, el soluto será liberado en el otro lado. El efecto neto es un flujo de moléculas a favor
del gradiente de concentración (o electroquímico). Si existe la
misma concentración a ambos lados de la membrana, entonces
se unirá de la misma manera cuando el portador esté en un lado
u otro, y el flujo neto será cero. En este punto, el soluto se encontrará en equilibrio a ambos lados de la membrana. Esto significa
que el flujo neto existe solo en presencia de un gradiente de concentración. Si existe un gradiente de concentración, la dirección
del flujo neto es a favor del gradiente. En este sentido, la difusión facilitada es como la difusión simple, aunque el mecanismo
es diferente.
0
Factores que afectan a la velocidad de la difusión
facilitada
FIGURA 4.11 Relación entre el flujo neto y el gradiente de
La velocidad de la difusión facilitada está determinada totalmente por tres factores: 1) la velocidad de transporte de los
concentración para moléculas que atraviesan la membrana mediante
difusión facilitada.
Gradiente de concentración (C)
C A P Í T U LO 4
momento determinado en el tiempo, hay un número fijo de proteínas, con su(s) sitios(s) de unión ocupado(s). Cuando la concentración de moléculas a un lado de la membrana es alta, la
probabilidad de que en algún momento dado los sitios de unión
estén ocupados por moléculas es mayor. Si la concentración es
muy elevada, los sitios de unión estarán virtualmente ocupados
el 100% del tiempo. Bajo estas condiciones, los portadores están
transportando las moléculas lo más rápido que pueden; por ese
motivo, aumentar la concentración de soluto no tendrá ningún
efecto en la velocidad de transporte.
Debido a que la velocidad de la difusión facilitada depende
del grado de saturación de la proteína portadora, las células pueden regular la velocidad modificando el número de portadores
que están presentes en la membrana. Un aumento del número
de portadores aumentará la probabilidad de que un soluto se
una y sea transportado a través de la membrana (como un
aumento en la concentración de la enzima aumentará la velocidad de la reacción química). Muchas hormonas realizan su actividad alterando el número de portadores.
Un ejemplo de proteína portadora que lleva a cabo su función por difusión facilitada es el portador de glucosa 4 (GLUT4),
que se encuentra en las células musculares y los adipocitos. La
insulina aumenta los portadores de glucosa en estas células por
inducción de la aparición de las proteínas GLUT4 en la membrana plasmática. Las moléculas GLUT4 son sintetizadas en el
retículo endoplásmico rugoso, agrupadas en la membrana de
vesículas secretoras y almacenadas en el citosol hasta que la
insulina provoque su inserción en la membrana plasmática. El
mecanismo por el cual la insulina logra este efecto se describe en
el capítulo 21.
Transporte de la membrana celular
Líquido
extracelular
107
Subunidades
de polipéptidos
Canales
(b)
Bicapa lipídica
Líquido
intracelular
(a)
II
I
II
I
III
IV
III
IV
Difusión a través de canales
Un canal es una proteína que transporta moléculas a través de
un canal o poro que se extiende de un lado a otro de la membrana (fig. 4.12). Como los portadores de membrana, los canales
son normalmente específicos para ciertas sustancias o tipos de
sustancias. Algunos ejemplos de canales comunes son los canales de agua (acuaporinas) y los canales iónicos.
Difusión de agua a través de las acuaporinas
Aunque algunas moléculas de agua atraviesan la bicapa lipídica
a través de la membrana celular por difusión simple, la mayoría
de ellas difunden a través de las acuaporinas, que son poros
altamente selectivos que permiten al agua, pero no a los solutos,
atravesar la membrana por difusión. Aunque es un descubrimiento relativamente reciente (la primera acuaporina se descubrió en 1992), se han identificado 13 clases de acuaporinas en las
células hasta 2009. Las distintas acuaporinas difieren en su permeabilidad por el agua, su selectividad y su localización. El agua
también puede atravesar la membrana a través de los canales
iónicos. Las fuerzas para los movimientos del agua a través de la
membrana se describen más adelante en este capítulo.
Difusión de agua a través de los canales iónicos
El mecanismo de transporte a través de un canal iónico depende
del tipo de canal. En algunos, el poro parece actuar simplemente como un canal lleno de agua a través del cual los iones se mueven por difusión. En otros, existen uno o más sitios de unión
para iones. Cuando un canal tiene varios sitios de unión, los
iones se mueven a través del poro «saltando» de un sitio al
H 2N
COOH
(c)
FIGURA 4.12 Canales de membrana. (a) Los canales son proteínas
transmembranosa. (b) Vista desde arriba de un canal iónico. (c) Diagrama
estructural de un canal de sodio. Ten en cuenta los cuatro dominios diferentes;
cada uno consiste en seis segmentos que atraviesan la membrana plasmática.
siguiente. En ausencia de un gradiente electroquímico, un canal
puede transportar de la misma manera iones (u otras moléculas)
en cualquier dirección, y no habrá un flujo neto. Si hay un gradiente electroquímico, sin embargo, el flujo neto a través del
canal será a favor de gradiente.
Ten en cuenta que la distinción entre un canal con varios
sitios de unión y un portador de membrana es que los sitios de
unión vacíos del canal están accesibles a ambos lados de la
membrana al mismo tiempo. Para un portador, los sitios están
accesibles solo desde un sitio u otro en un momento determinado.
Factores que afectan a la velocidad de transporte
a través de los canales iónicos
La velocidad de movimiento de un ion a través de los canales
depende de la velocidad de transporte de los canales de manera
individual y del número de canales de la membrana. La velocidad
108
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
de cada uno varía en función del tipo de canal. Para aquellos que
funcionan principalmente como poros, el movimiento de iones
sigue los mismos principios básicos que la difusión simple,
excepto que los iones se mueven a favor del gradiente electroquímico, no solo del gradiente químico. Para los canales iónicos con
sitios de unión, el transporte es, en general, más lento y los canales pueden saturarse, de forma similar a la difusión facilitada.
Los canales iónicos de ambos tipos se pueden regular para
modificar la velocidad de transporte. De manera específica, la
mayoría de los canales iónicos pueden encontrarse en dos conformaciones: una cerrada y una abierta. En la conformación
cerrada, los iones no pueden atravesar el canal. En la conformación abierta, los iones pueden difundir a través del canal a favor
del gradiente electroquímico. Así, la velocidad de transporte a
través de los canales iónicos depende no tanto del número total
de canales en la membrana, sino del número de canales «abiertos». Estudiaremos la regulación de los canales iónicos en capítulos siguientes.
2. Si la dirección del flujo neto es en contra del gradiente electroquímico, el transporte es activo.
Las dos formas básicas de transporte activo (transporte activo primario o secundario) difieren en la naturaleza de la fuente
de energía utilizada. El transporte activo primario utiliza ATP o
alguna otra fuente de energía química directamente para transportar sustancias. El transporte activo secundario es impulsado
por un gradiente de concentración o electroquímico previamente creado por un transporte activo primario.
Las bombas, proteínas de transporte que llevan a cabo el
transporte activo, son similares a los portadores de membrana
en muchos aspectos, pero tienen una capacidad de la que los
portadores carecen. Las bombas pueden aprovechar la energía
para llevar a cabo el transporte de moléculas en una dirección
preferida a través de la membrana. Por el contrario, los portadores no muestran esa preferencia; en ausencia de un gradiente
electroquímico, un portador puede, con la misma probabilidad,
ayudar al transporte de moléculas en una u otra dirección.
Recuerda que hay dos factores que afectan a la unión de un solu-
Test rápido 4.4
1. ¿Cuál es la diferencia entre un portador y un canal? ¿En qué se parecen?
2. A medida que la concentración de una sustancia aumenta, el flujo de
moléculas transportadas por las proteínas de membrana aumenta al
principio, pero con el tiempo se estabiliza. ¿Por qué?
3. Cuando una sustancia no cargada como la glucosa entra en la célula
mediante difusión facilitada, ¿va a favor o en contra de su gradiente
de concentración?
Portador activo
Lado A
Membrana
Lado B
Transporte activo
Hasta el momento, nos hemos centrado en el transporte pasivo,
pero las células también llevan a cabo transporte activo. La
importancia de dicho transporte en la vida de una célula está
marcada por el hecho de que algunas células gastan grandes
cantidades de energía (en algunos casos, más del 40% de su producción total de ATP) en el transporte activo de ciertas moléculas a través de la membrana. De hecho, muchos procesos fisiológicos vitales dependen del transporte activo tanto directa
como indirectamente; estos procesos incluyen la generación de
señales eléctricas en la neuronas y otras células excitables, la
regulación de la contracción muscular, la absorción de nutrientes y agua por el aparato digestivo, y la regulación de los líquidos
del organismo por los riñones.
Hemos visto que el transporte activo requiere energía y el
transporte pasivo no. La razón de esta diferencia recae en el concepto de los gradientes electroquímicos: cuando un gradiente de
potencial electroquímico actúa sobre las moléculas, ejerce un
«empuje» en una dirección determinada. Las moléculas se
moverán espontáneamente en esa dirección a menos que algo
se lo impida. En otras palabras, el transporte de una sustancia a
favor del gradiente electroquímico no requiere energía. Por el
contrario, el transporte de una sustancia en contra del gradiente
electroquímico requiere un aporte de energía, porque las moléculas se están moviendo en contra de la fuerza electroquímica
que las empuja. Tanto si una sustancia se transporta activa o
pasivamente, cumple las siguientes reglas:
1. Si la dirección del flujo neto es a favor del gradiente electroquímico, el transporte será pasivo.
(a) Igual concentración de soluto en los lados A y B
Lado A
Lado B
(b) Estado estacionario
FIGURA 4.13 Transporte activo a través de la membrana. Una
membrana separa un soluto presente a la misma concentración a ambos lados,
A y B. Existe un portador activo en la membrana y tiene una gran afinidad por
el soluto cuando el sitio de unión se encuentra el lado A. (a) Inicialmente, el
soluto será transportado desde el lado A al lado B, debido a la mayor afinidad
del portador cuando se encuentra en A. (b) Se alcanza el estado estacionario
cuando el soluto tiene la misma probabilidad de unirse en cualquier lado. Esto
sucede cuando el efecto de la concentración en la unión del soluto está
compensado por el efecto de la afinidad. El resultado neto sobre el portador
es concentrar el soluto en el lado B.
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
109
to al portador: la afinidad y el gradiente de
Medio extracelular
Na+
concentración (o electroquímico). La
Na+
Na+
diferencia que permite a las bombas, y no
a los portadores, mover una molécula en
Na+
Na+
una determinada dirección tiene que ver
con la afinidad de la proteína portadora
Na+
Na+
por la molécula que está siendo transportada. Mientras que una proteína portadora tiene la misma afinidad por la molécula
Na+
a ambos lados de la membrana, la afinidad de la bomba es mayor cuando el sitio
P
P
Na+
de unión está expuesto a un lado de la
membrana que cuando el sitio de unión
ADP
ATP
Medio intracelular
está expuesto al otro lado.
Suponemos que comenzamos con la
(a)
(b)
(c)
misma concentración de soluto a ambos
lados de la membrana, como se muestra
en la figura 4.13a. El portador tiene mayor
afinidad por el soluto cuando el sitio de
K+
unión está expuesto en el lado A (se necesitó energía, como se describe brevemente, para inducir mayor afinidad). Una
K+
mayor afinidad hace que se una más
soluto en el lado A y sea transportado al
lado B. El transporte neto de soluto en
K+
K+
una dirección provoca un gradiente de
concentración a través de la membrana
tal que la concentración en el lado B pasa
P
a ser mayor que en A. Ahora, dos factores
K+
afectarán a la unión: una mayor afinidad
P
K+
en el lado A (que favorece el transporte al
lado B) y una mayor concentración
en el lado B (que favorece el transporte al
(d)
(e)
(f)
lado A). Una vez que el gradiente de con+
FIGURA 4.14 Transporte activo primario por la bomba de Na /K+. La bomba, que tiene tres sitios
centración alcanza cierto nivel, el soluto
de unión de sodio y dos sitios de unión de potasio, utiliza ATP directamente para sacar iones sodio de la
tendrá la misma probabilidad de pasar de
célula e introducir iones potasio en la célula en contra de sus gradientes de concentración. (a) Los iones
B a A que de A a B (fig. 4.13b). En este
de Na+ intracelulares se unen a la bomba. (b) La unión de tres iones Na+ cataliza la fosforilación de la
punto, el sistema ha alcanzado un estado
bomba por ATP. (c) La fosforilación induce un cambio conformacional en la proteína que permite la
estacionario (un estado estacionario indiliberación de Na+ al medio extracelular. (d) Los iones K+ extracelulares se unen a la bomba y favorecen
ca que no habrá más cambios en la conla liberación del grupo fosfato. (e) La pérdida del grupo fosfato permite a la proteína recuperar su
centración, pero mantener este estado
conformación original. (f) Los iones K+ se liberan en el interior de la célula y los sitios de unión de Na+
requiere energía). El resultado de este
vuelven a estar disponibles otra vez.
transporte activo es que el soluto se concentra a un lado de la membrana. Más
En la parte (a), ¿la afinidad del K+ por los sitios de unión es mayor o menor que en la parte (b)?
tarde, aprenderemos acerca de la importancia de estos gradientes de concentración en otros procesos de transporte y en
el restablecimiento del potencial de
membrana de reposo.
Como los portadores, las bombas son específicas para cier(v. capítulo 3). Por esta razón, a estas proteínas se las denomina
tas moléculas y poseen un número determinado de sitios de
ATPasas. Para entender cómo funciona el transporte activo priunión. Por tanto, las bombas, como los portadores, se saturan a
mario, nos centraremos en la bomba de sodio-potasio (tammedida que la concentración de moléculas transportadas
bién llamada bomba Na+/K+ o Na+/K+ ATPasa), que está presente
aumenta.
en casi todas las células y es crucial en muchos procesos fisioEn las siguientes secciones se examinan los mecanismos de
lógicos importantes, incluyendo la señalización eléctrica en
transporte activo primario y secundario con mayor detalle.
neuronas y la absorción de glucosa por las células epiteliales del intestino. En la figura 4.14 se describe la acción de la
bomba.
Transporte activo primario
La figura 4.14 muestra que la bomba de Na+/K+ transporta
iones Na+ y K+ en sentidos contrarios a través de la membrana
Las proteínas de membrana responsables del transporte activo
primario actúan como proteínas portadoras y como enzimas.
plasmática. Por cada ciclo de la bomba, se expulsan tres iones Na+
En su capacidad como enzimas, la mayoría de estas proteíde la célula y entran dos iones K+ al interior. El transporte es activo
nas aprovechan la energía del ATP, catalizando su hidrólisis
en cada caso, porque ambos iones se mueven en contra del gra-
P
110
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
diente electroquímico. En cada ciclo de la bomba, se hidroliza un
ATP para obtener la energía requerida en este proceso.
Como se ve en la figura 4.14, la bomba de Na+/K+ es como
cualquier portador de membrana en dos aspectos: tiene sitios
de unión específicos para Na+ y K+ y su transporte a través de la
membrana implica un cambio conformacional. Un estudio
más en detalle del ciclo revela una importante diferencia: los
sitios de unión de cualquier portador habitual pueden encontrarse en cualquier lado de la membrana, de manera que las
moléculas se puedan transportar en ambas direcciones
(v. fig. 4.10); en la bomba Na+/K+, la afinidad de los sitios de
unión por Na+ o K+ cambia a medida que la bomba lleva a cabo
su ciclo, de manera que la afinidad de un sitio de unión es
mayor cuando se encuentra a un lado de la membrana y menor
cuando se encuentra en el lado contrario. Como consecuencia,
los iones de Na+ o K+ se unen preferentemente a la bomba en un
lado y son trasladados en el otro, lo cual significa que los iones
Na+ o K+ son transportados solo en una dirección. Como se
mencionó anteriormente, el transporte de moléculas en una
dirección determinada es crucial para la acción de cualquier
bomba.
Los detalles de cómo la bomba de Na+/K+ transporta los
iones en una dirección determinada se describe en la figura 4.14. En un primer paso del ciclo, los sitios de unión se
encuentran hacia el interior y están disponibles para que el Na+
se una a ellos (v. fig. 4.14a). Tras la unión de tres iones Na+, tiene
lugar la hidrólisis de ATP (v. fig. 4.14b), produciéndose la fosforilación de la bomba. La fosforilación produce un cambio conformacional en la proteína que expone los sitios de unión hacia
el exterior, de manera que el Na+ puede pasar al medio extracelular (v. fig. 4.14c). Durante este cambio conformacional, los
sitios de unión cambian su forma, produciéndose un descenso
en la afinidad por el Na+, de manera que sea poco probable que
el Na+ en el medio extracelular se una a la bomba. Si estos iones
de Na+ extracelulares se unieran y fueran transportados al interior celular, se anularía la utilidad de las bombas. Debido a que
los sitios de unión del Na+ están libres en la parte intracelular,
pero no en la extracelular, la dirección de transporte preferente
es hacia fuera de la célula. En los pasos restantes del ciclo de la
bomba (v. fig. 4.14d-f), sucede un proceso similar de transporte
de K+ hacia el interior de la célula.
La bomba de Na+/K+ es la responsable de la creación de un
gradiente de concentración de Na+ y K+ mostrado en la tabla 4.1.
Debido a un continuo bombeo de Na+ hacia el exterior y de K+
hacia el interior, el medio intracelular es rico en K+, pero pobre
en Na+ comparado con el medio extracelular. Como veremos en
el capítulo 7, el gradiente de concentración de Na+, K+ y otros
iones desempeña un papel muy importante en la generación de
los potenciales esenciales en la transmisión de las señales eléctricas en las neuronas.
La bomba de Na+/K+ no es el único sistema de transporte
activo primario en las células de nuestro organismo. Por ejemplo, las bombas en el revestimiento del estómago sacan H+ al
exterior celular mientras introducen K+. Estas bombas son las
responsables de la secreción de ácido en el estómago que es
tan importante en la digestión, como se describe en el capítulo 20. Otros ejemplos incluyen las bombas de Ca2+ localizadas en la membrana plasmática, que transportan calcio al
interior celular. Otras bombas de Ca2+ se localizan en el retículo endoplásmico liso y transportan calcio desde el citosol al
interior del orgánulo. En ambos ejemplos, el transporte de calcio fuera del citosol permite la relajación de las células del
músculo.
Glucosa
Na+
(a) Cotransporte
H+
Na+
(b) Antiporte
FIGURA 4.15 Transporte activo secundario. El óvalo que se encuentra en
la membrana celular representa una proteína de transporte. (a) El transporte
de glucosa unido a sodio es un ejemplo de cotransporte. (b) El intercambio
sodio-protón es un ejemplo de antiporte.
Transporte activo secundario
En el capítulo 3 vimos que las reacciones metabólicas se pueden
acoplar, de manera que una reacción exergónica (p. ej., la oxidación de la glucosa) se pueda utilizar para llevar a cabo una
reacción endergónica (como la síntesis de ATP). En el transporte
activo secundario, sucede algo similar: Una proteína de transporte acopla el flujo de una sustancia al de otra. Una de ellas se
mueve de forma pasiva a favor de gradiente electroquímico, en
un proceso en el que se libera energía que eses utiliza para llevar
a cabo el movimiento de la otra sustancia en contra de gradiente
electroquímico.
La figura 4.15 muestra dos tipos de transporte activo secundario en las células. Ten en cuenta que, en la figura 4.15a, las
dos sustancias transportadas se mueven en la misma dirección
(en este caso, hacia el interior de la célula); en la figura 4.15b se
mueven en direcciones opuestas. El transporte de dos sustancias en la misma dirección se denomina cotransporte (o en
algunas ocasiones simporte). El ejemplo de cotransporte que
se muestra en la figura 4.15a es el transporte de glucosa unido
a sodio, que acopla el flujo de Na+ con el flujo de moléculas de
glucosa hacia el interior. En este proceso, el Na+ se mueve a
favor de gradiente de concentración y libera la energía suficiente para acoplar el flujo de glucosa en contra de su gradiente de concentración. De manera específica, el Na+ incrementa
la afinidad del portador por glucosa cuando el sitio de unión
de glucosa está en el lado extracelular. El transporte de dos
sustancias en direcciones opuestas es antiporte (o también
C A P Í T U LO 4
llamado intercambio). El ejemplo de antiporte que se muestra
en la figura 4.15b es el intercambio sodio-protón, en el cual, el
flujo de Na+ hacia el interior se acopla con el flujo de protones
(H+) hacia el exterior. Aquí, la energía liberada por el flujo de
Na+ al desplazarse a favor de su gradiente electroquímico es
aprovechada para el transporte de H+ en contra de gradiente.
De forma específica, el Na+ aumenta la afinidad del portador por los H+ cuando su sitio de unión está en el lado intracelular.
Estos ejemplos muestran que el transporte activo secundario puede implicar o cotransporte o antiporte, y que la sustancia transportada activamente puede moverse hacia el interior
de la célula en algunos casos o hacia el exterior en otros. Además, muchos portadores activos secundarios utilizan el movimiento del Na+ a favor de su gradiente electroquímico para
llevar a cabo el movimiento del otro ion o molécula en contra
de su gradiente. Hay que tener en cuenta que la dirección de
transporte solo no nos indica nada acerca de qué sustancia está
siendo transportada de forma activa o cuál de forma pasiva;
esto viene determinado íntegramente por los gradientes electroquímicos de las sustancias transportadas. Aquella que es
transportada en contra de su gradiente electroquímico es la
que se transporta de forma activa, y la otra sustancia, que se
mueve a favor de su gradiente electroquímico, está siendo
transportada de forma pasiva. La energía liberada por el movimiento pasivo a favor de gradiente se utilizará para conducir el
flujo de la otra sustancia para el transporte en contra de gradiente.
Transporte de la membrana celular
111
Factores que afectan a la velocidad
del transporte activo
Debido a que el transporte activo se lleva a cabo con bombas,
dos factores son los únicos determinantes de la velocidad a la
cual las moléculas se van a transportar de forma activa a través
de cualquier membrana: la velocidad de transporte individual
de cada bomba y el número de bombas presentes en la membrana. A medida que alguna de estas variables aumente, la velocidad de transporte aumentará.
La velocidad de transporte de una bomba individual
depende de la naturaleza de cada bomba; también está
influenciada por otros factores, como la concentración de la
sustancia transportada a cada lado de la membrana, el valor
del gradiente de potencial electroquímico para una sustancia,
y otras variables que afecten las condiciones bajo las cuales
una bomba debe operar. Estas variables afectan a las diferentes bombas de manera distinta, pero una discusión más en
profundidad sobre este asunto está fuera del alcance de este
libro.
La tabla 4.2 resume las principales características de los diferentes mecanismos para transportar pequeñas moléculas a través de la membrana celular.
Bombas y filtraciones: cómo coexisten
en las células mecanismos de transporte
activo y pasivo
Hemos visto que el medio intra- y extracelular difieren en la
composición de forma sustancial (v. tabla 4.1). Ahora debe ser
evidente que estas diferencias en la composición se crean cuando ciertas sustancias se introducen o sacan de forma activa de
las células, aumentando o disminuyendo (respectivamente) la
Comprueba tus conocimientos
Compara la regulación alostérica y covalente de las enzimas con el
transporte activo primario y secundario.
TABLA 4.2 Características de los procesos de transporte
DIFUSIÓN SIMPLE
TRANSPORTE MEDIADO
Transporte pasivo
Transporte activo
Canal
Difusión facilitada
Primario
Secundario
Dirección
del flujo neto
A favor de gradiente
electroquímico
A favor de gradiente
electroquímico
A favor de gradiente
de concentración
En contra de
gradiente
electroquímico
En contra del gradiente
electroquímico
¿Requiere
proteína
portadora?
No
Sí, canal iónico
Sí, portador
Sí, bombas
Sí, bombas
¿Requiere
energía?
No
No
No
Sí
Sí
Fuente
de energía
(No aplicable)
(No aplicable)
(No aplicable)
ATP u otra fuente de
energía química
Gradiente electroquímico
de otro soluto
¿Saturación?
No
Algunas veces
Sí
Sí
Sí
¿Especificidad?
No
Sí
Sí
Sí
Sí
Características
de la sustancia
transportada
Hidrófoba (no polar)
Hidrófilo (cargado
o polar)
Hidrófila (cargado
o polar)
Hidrófilo (cargado o
polar)
Hidrófilo (cargado o polar)
Ejemplos
Ácidos grasos, O2, CO2
Iones inorgánicos
(Na+, K+, Cl–, Ca2+)
Moléculas orgánicas
(glucosa)
Iones inorgánicos
(Na+, K+, Cl–, Ca2+)
Moléculas orgánicas e iones
inorgánicos (glucosa,
aminoácidos, H+, Ca2+)
112
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
K+
Na+
ATP
Na+
ADP + Pi
K+ K+
K+ K+
K+
Na+
FIGURA 4.16 Bombas y filtraciones en una célula. El transporte activo
de Na+ y K+ por la bomba de Na+/K+ (representado por el óvalo a la izquierda)
es contrarrestado por la salida de estos iones mediante canales
(a la derecha).
concentración de estas sustancias en el medio intracelular respecto al extracelular.
Normalmente, la composición del medio intracelular permanece bastante estable, lo que lleva a una pregunta: si las sustancias se transportan de forma activa mediante «bombas»
dentro o fuera de las células, ¿por qué no cambian las concentraciones intracelulares? La respuesta es que estas sustancias son transportadas simultáneamente de manera pasiva
(son «filtradas») a través de la membrana en la dirección contraria pero a la misma velocidad, de tal manera que el flujo neto
a través de la membrana (transporte activo y pasivo combinado) sea cero (fig. 4.16). Así, incluso aunque los iones Na+, por
ejemplo, sean sacados de la célula por la bomba de Na+/K+, se
filtran pasivamente al interior de la célula a través de canales y
otras proteínas. Por cada Na+ que es transportado en condiciones normales, otro entra pasivamente, de manera que la concentración intracelular de Na+ no cambia. De la misma manera,
por cada K+ que es transportado activamente al interior, otro
sale de forma pasiva, de manera que la concentración intracelular de K+ no cambia.
Test rápido 4.5
1. Cuando una sustancia se mueve en contra de su gradiente electroquímico, ¿requiere energía o la libera?
2. Supón que una proteína portadora acopla el flujo de entrada de Na+
en la célula, con un flujo de salida de Ca2+. ¿Es un cotransporte o un
antiporte?
3. Supongamos que la glucosa se mueve al interior celular por medio
de un cotransporte con sodio, y las concentraciones de glucosa dentro y fuera de la célula son 2,5 mM y 1 mM, respectivamente. ¿El sodio
está siendo transportado de forma activa o pasiva?
Ósmosis: transporte pasivo
de agua a través de las membranas
Normalmente, la cantidad de agua que contienen las células no
cambia de forma significativa, pero puede hacerlo bajo ciertas
condiciones extremas o patológicas. En algunos tipos de disfun-
ción renal, por ejemplo, se retiene una cantidad excesiva de agua
en el organismo y comienza a moverse hacia las células, haciendo que se hinchen. En las células del cerebro, esto altera el funcionamiento del sistema nervioso y normalmente produce dolor
de cabeza, náuseas y vómitos, que indican que el paciente tiene
una patología conocida como intoxicación por agua. Los casos
más graves pueden progresar a convulsiones, coma y muerte.
Por el contrario, una deshidratación grave puede condicionar
que el agua salga de las células, de forma que estas disminuyen
de volumen. Esto también es perjudicial para la función cerebral
y puede ser mortal.
En condiciones normales, la mayoría de las células del organismo ni se hinchan ni disminuyen su volumen, porque no hay
un movimiento neto de agua a través de las membranas; las
fuerzas que causan el movimiento de agua a través de las membranas no existen. En algunas localizaciones del organismo, sin
embargo, el movimiento de agua a través de la membrana celular es algo normal. Por ejemplo, en las glándulas que secretan
líquidos, como sudor, lágrimas o saliva, el agua es transportada
a través de células epiteliales especializadas. También, cuando
bebes agua, se mueve a través de las células epiteliales que recubren el intestino para ser absorbida por el torrente sanguíneo.
Este movimiento de agua es importante, porque, en última instancia, afecta al volumen y composición de todos los líquidos del
organismo.
El transporte de agua ha tenido siempre un estatus «especial»
en fisiología, debido a su influencia en el volumen celular, y también porque su descripción tiene una terminología única. Sin
embargo, el transporte de agua no es diferente de otros tipos de
transporte ya estudiados; de hecho, es más simple en muchos
aspectos. El transporte de agua es sencillo, porque el agua fluye a
través de las membranas siempre de manera pasiva, no se ve
afectado por los potenciales de membrana y siempre es impulsado por su propio gradiente de concentración. El flujo de agua a
través de la membrana a favor de su gradiente de concentración
se llama ósmosis. (Técnicamente, ósmosis es el flujo de cualquier
soluto a través de una membrana semipermeable en respuesta a
una diferencia de potencial químico a través de ella.)
Casi todo el mundo que ha estudiado biología en el instituto
está familiarizado con los efectos de la ósmosis. Cuando colocas
glóbulos rojos en agua destilada, el agua fluye hacia el interior
celular, de manera que se hinchan, estallan y liberan la hemoglobina, en un proceso llamado hemólisis.
La figura 4.17 describe las condiciones que dirigen la ósmosis. Ten en cuenta en la figura 4.17a que cuando un glóbulo rojo
se coloca en agua, las moléculas de agua fluyen al interior de la
célula porque se mueven a favor de su gradiente de concentración. Este gradiente es el resultado de la presencia en la célula de
varios solutos (Na+, K+ y proteínas, entre otros) en una concentración total de alrededor de 300 mM. La presencia de estas
moléculas de soluto disminuye la concentración de agua en el
interior de la célula, ocupando cierta cantidad de espacio que
podría ser ocupado por moléculas de agua, lo que significa que
existe un menor número de moléculas de agua en un volumen
de solución dado. En otras palabras, la concentración de agua
dentro de la célula es menor que la concentración de agua fuera.
A la temperatura corporal, la concentración de agua es de
55,5 M y la concentración total de soluto en el medio intracelular
es de 300 mM (0,3 M). Así, la concentración intracelular de agua
es aproximadamente 55,2 M (55,5 M – 0,3 M; v. fig. 4.17a). Por
tanto, cuando una célula se sitúa en agua destilada, hay una concentración de agua 0,3 M menor dentro que fuera, de manera
que las moléculas se mueven de forma pasiva hacia el interior a
C A P Í T U LO 4
Molécula
de soluto
Concentración
de soluto:
0,3 M(300 mOsm)
Concentración de agua:
55,2 M
(Agua pura)
Flujo de agua
0M
55,5 M
(a)
(1 molar de
Concentración
de soluto:
Concentración de agua:
300 mOsm
55,2 M
sacarosa)
Flujo
de agua
1.000 mOsm
54,5 M
(b)
FIGURA 4.17 Ósmosis. (a) Entrada de agua en un glóbulo rojo situado en
agua destilada. Las moléculas de agua se transportan de forma pasiva al
interior celular a favor del gradiente de concentración, que, además, es una
zona de mayor concentración de soluto. (b) Flujo de agua de un glóbulo rojo
situado en una disolución 1 M de sacarosa. Ten en cuenta que el agua se
mueve de mayor a menor concentración de agua, y de menor a mayor
concentración de soluto.
menor gradiente de concentración, haciendo que la célula se
hinche y finalmente estalle.
La dirección del flujo pasivo de agua dentro o fuera de la célula depende del gradiente de concentración a través de la membrana plasmática. Por ejemplo, cuando una célula se sitúa en una
disolución de sacarosa en una concentración de 1 M (1.000 mM),
la célula disminuye su volumen porque el agua sale (v. fig. 4.17b).
El movimiento de agua hacia el exterior sucede porque la concentración total de soluto es menor dentro que fuera de la célula,
lo que hace la concentración de agua mayor dentro de la célula. Por tanto, el agua se mueve de forma pasiva hacia el exterior.
Las concentraciones de las disoluciones se describen normalmente en términos de concentración de soluto, no de disolvente. La concentración de ambos varía de forma inversa. Así, en
la ósmosis, el movimiento de agua se produce de una menor a
una mayor concentración de soluto. El término partícula de
soluto se utiliza a menudo para reflejar que algunos solutos se
separan en más de una partícula cuando se encuentran en disolución; cada una de estas partículas resultantes tendrá influencia osmótica en el movimiento del disolvente.
Osmolaridad
La concentración total de una partícula de soluto de una disolución se conoce como su osmolaridad. Una disolución que contenga 1 mol de partículas de soluto se dice que tiene una concentración de 1 osmolar (1 Osm). Un mol de partículas de soluto se
conoce como 1 osmol. Utilizamos el término partícula de soluto
para distinguir osmolar de molar, ya que ciertos solutos, cuando
Transporte de la membrana celular
113
se sitúan en una disolución, se disocian en partículas, y cada partícula de soluto presente disminuye la concentración de agua.
Por ejemplo, 1 l de una disolución que contiene 0,1 moles de glucosa tiene una osmolaridad de 0,1 Osm, porque la glucosa no se
disocia en disolución. Sin embargo, 1 l de una disolución que
contiene 0,1 moles de NaCl tiene una osmolaridad de aproximadamente 0,2 Osm, porque el NaCl se disocia en disolución para
dar aproximadamente 0,1 moles de sodio y 0,1 moles de iones
cloruro, dando un total de 0,2 moles de partículas de soluto. La
osmolaridad también depende de la concentración total de todas
las partículas de soluto. Así, una disolución que tenga 0,1 moles
de glucosa más 0,1 M de NaCl es una solución 0,3 Osm.
En fisiología, los términos miliosmol y miliosmolar (mOsm)
se utilizan de manera habitual, porque la concentración de soluto en los líquidos corporales es solo una fracción de 1 Osm. Una
disolución de 1 miliosmolar (1 mOsm) contiene 1 miliosmol
(1/1.000 de un osmol) de partículas de soluto por litro. La osmolaridad normal de un medio intra- o extracelular es aproximadamente 300 mOsm (el rango actual es 280-296 mOsm), lo que
significa que su concentración total de soluto es de 300 miliosmoles por litro.
Dos disoluciones que tienen la misma osmolaridad son isoosmóticas. Así, una disolución de glucosa 300 milimolar es isoosmótica con el medio intracelular, porque ambas son 300 milimolar. Una disolución cuya osmolaridad es mayor que otra es
hiperosmótica; una disolución con una osmolaridad menor
es hiposmótica. Cuando dos disoluciones son isoosmóticas, no
solo tienen la misma concentración de soluto, sino que también
tiene la misma concentración de agua. En una solución hiperosmótica, la concentración de agua es menor, porque la concentración de soluto es mayor. En una disolución hiposmótica, la concentración de agua es mayor, porque la concentración de soluto
es menor.
Comprueba tus conocimientos
Para cada una de las siguientes disoluciones, calcula la osmolaridad y
determina si la solución es isoosmótica, hiposmótica o hiperosmótica
en relación con los líquidos del organismo: disolución 200 mM de KCl,
disolución 100 mM de MgCl2 y una disolución que contiene 50 mmoles
de CaCl2 en 250 ml de agua.
Presión osmótica
En ocasiones, los fisiólogos utilizan el término presión osmótica
en lugar de osmolaridad, debido a que ambos términos hacen
referencia a lo mismo —la concentración total de soluto de una
disolución (v. «Caja de herramientas: Determinación de la presión osmótica de una disolución)—. La presión osmótica de
una disolución (la cual se indica con el símbolo P) es una medida
indirecta de su concentración de soluto y se expresa en unidades
de presión, como atmósferas o milímetros de mercurio (mmHg).
A medida que la concentración total de soluto (osmolaridad)
aumenta, lo hace también la presión osmótica. Por tanto, cuando el agua se mueve por ósmosis de menor a mayor concentración de soluto, también se está moviendo a mayor gradiente de
presión osmótica (fig. 4.18). En la figura 4.18, la concentración
total de soluto en el lado izquierdo de una membrana semipermeable (lado 1) es menor que el lado derecho (lado 2), haciendo
la presión osmótica en el lado 2 mayor. Así, a medida que el agua
se mueve del lado 1 (menor concentración de soluto) al lado 2
114
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
Lado 1
Lado 2
Flujo de agua
Célula
Concentración de soluto: 300 mOsm (0,3 M)
500 mOsm (0,5 M)
Concentración de agua: 55,2 M
55 M
Presión osmótica:
7,4 atm
12,3 atm
Gradiente de presión osmótica (): 12,3 atm – 7,4 atm = 4,9 atm
300 mOsm
Concentración de urea = 300 mOsm
= Solutos permeantes
= Urea
FIGURA 4.18 Movimiento de agua en contra de un gradiente
de presión osmótica. Cuando una membrana semipermeable (permeable
al agua, pero no a los solutos) separa dos disoluciones en una cámara, el agua
fluye a favor del gradiente de concentración hacia el lado con mayor
concentración de soluto. Debido a que la presión osmótica aumenta a medida
que se incrementa la concentración de soluto, el agua también fluirá de la zona
de menor a la de mayor presión osmótica, o en contra del gradiente de presión
osmótica ($P).
(a)
(mayor concentración de soluto), el agua se mueve de menor a
mayor presión osmótica, o en contra del gradiente de presión
osmótica ($P).
Ten en cuenta que la tendencia del agua a moverse en contra
del gradiente de presión osmótica no viola la regla relativa a los
gradientes de concentración, que establece que las sustancias tienden a moverse de forma pasiva a favor de su gradiente electroquímico y químico, no en contra. Cuando el agua se mueve en contra
de la presión osmótica, lo está haciendo sencillamente a favor de
su gradiente químico, su propio gradiente de concentración.
Célula
Flujo de agua
>300 mOsm
Concentración de urea = 300 mOsm
= Solutos permeantes
= Urea
(b)
Tonicidad
Cuando una persona sufre una hemorragia masiva, es bastante
común para el personal de emergencias administrar una disolución intravenosa de suero salino (cloruro sódico) para reemplazar la pérdida del volumen de sangre. Este procedimiento se
realiza para mantener a la persona viva mientras espera una
transfusión de sangre. La disolución administrada se refiere a
una disolución salina isotónica, porque su concentración total
de soluto ha sido cuidadosamente calculada para coincidir con
la del medio extracelular. Esta formulación es importante, porque no alterará el volumen celular cuando se inyecte en el
torrente circulatorio. Una disolución salina más concentrada
causaría la salida de agua de las células, haciéndoles perder
volumen; una disolución menos concentrada haría que el agua
entrara en las células, provocando su tumefacción.
Mientras que la osmolaridad de una disolución está basada
únicamente en su concentración total de soluto, su tonicidad es
función de la concentración de los solutos no permeables fuera
de la célula respecto a la concentración en el interior, y determina el comportamiento de una célula en una disolución. Se dice
que una disolución es isotónica cuando no cambia el volumen
celular; cuando una célula entra en contacto con una disolución
isotónica, ni se hincha ni disminuye su volumen. (Esto se refiere
al volumen celular final. Bajo ciertas condiciones, una célula
puede modificar su volumen inicialmente, incluso si la disolución es isotónica.) Por el contrario, una disolución que hace que
la célula disminuya su volumen es hipertónica, mientras que otra
que haga que la célula se hinche es hipotónica.
FIGURA 4.19 Distinción entre osmolaridad y tonicidad. (a) La célula
que contiene solutos permeantes (puntos morados) a una concentración de
300 mOsm está situada en una disolución isoosmótica que contiene como
soluto permeable urea (puntos amarillos) a una concentración de 300 mOsm.
(b) La célula se hincha a medida que pasa el tiempo, ya que la urea entra en la
célula a favor de gradiente de concentración, lo que nos indica que la
disolución extracelular es hipotónica.
La diferencia entre osmolaridad y tonicidad está mejor explicada en la situación descrita en la figura 4.19. Para comenzar, una
célula acaba de ser situada en una solución de urea de 300 mOsm,
una sustancia que penetra en las membranas celulares más fácilmente (v. fig. 4.19a). La osmolaridad de esta disolución es igual a
la osmolaridad dentro de la célula (300 mOsm), haciéndola isoosmótica respecto al medio intracelular. Bajo estas condiciones,
el agua no sale ni entra en la célula, porque la concentración es la
misma a ambos lados de la membrana. Con el tiempo, la urea
pasa al interior celular, debido a la presencia de un gradiente de
concentración (v. fig. 4.19b). Los solutos intracelulares, por el
contrario, permanecen retenidos dentro de la célula, porque son
relativamente impermeantes; es decir, que no pueden atravesar
la membrana. Como resultado del movimiento de la urea, la
célula adquiere soluto, y la osmolaridad del medio intracelular
aumenta respecto a su valor inicial de 300 mOsm. (El volumen de
la solución extracelular es muy grande, por lo que la osmolaridad
extracelular no se ve afectada por el movimiento de soluto al inte-
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
115
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Determinación de la presión osmótica de una disolución
Puede parecer extraño que los fisiólogos hayan utilizado el término
presión osmótica para describir la concentración total de soluto de una
disolución. Sin embargo, la concentración de soluto, de hecho, ejerce
una presión que puede ser contrarrestada por otros tipos de presión,
como la atmosférica o la de un pistón. La presión osmótica solo se
puede determinar de manera experimental, es decir, mediante la
medición experimental de una presión ejercida para contrarrestarla. El
dispositivo experimental para definir la presión osmótica se muestra
en la parte (a) de la figura. Dos compartimentos en una cámara están
separados por una membrana semipermeable, que es permeable al
agua, pero no a los solutos. Un compartimento contiene agua destilada, mientras que el otro contiene la disolución que queremos medir
con una presión osmótica desconocida. El compartimento que contiene la disolución de prueba está equipado con un pistón que nos permite aplicar una presión en ese lado. Cuando no se ejerce ninguna
presión, el agua fluye a favor de su gradiente de concentración hacia
el compartimento con la disolución de prueba. Sin embargo, podemos
disminuir este flujo de agua aplicando una presión a la disolución de
prueba; véase la parte (b) de la figura. Si incrementamos la presión a
un nivel suficiente, se para el flujo de agua; véase la parte (c) de la
figura. En este punto, la presión aplicada es igual que la presión osmótica de la disolución de prueba.
P=C·R·T
donde C es la concentración total de soluto, R es la constante universal
de los gases (0,082 atm · l/ºK · mol), y T es la temperatura absoluta (ºK).
Utilizando esta ecuación, se puede ver que, a la temperatura corporal, la
presión osmótica de una disolución de 1 osmolar es sorprendentemente grande: un total de 224,6 atmósferas, ¡lo que equivale a más de
18.000 mmHg!
Presión aplicada
< presión osmótica
de la disolución
No se aplica
presión
Presión aplicada
= presión osmótica
de la disolución
Flujo de agua
Flujo de agua
Agua destilada
Como resultado de las medidas del tipo que acabamos de describir, los
científicos fueron capaces de demostrar que una disolución cumple las
siguientes tres reglas de presión osmótica: 1) la presión osmótica aumenta a medida que aumenta la concentración de solutos no permeables;
2) como norma general, la presión osmótica depende de la concentración
total de solutos no permeables más que de la identidad molecular del
soluto, y 3) si una disolución contiene moléculas de soluto que se disocian
en partículas (como el NaCl, que se disocia en iones Na+ y Cl–), la presión
osmótica depende de la concentración total de las partículas. De manera
que una disolución 1 molar de NaCl, que contiene 1 mol por litro de iones
Na+ y un mol por litro de iones Cl–, tiene dos veces la presión osmótica de
una disolución 1 molar de glucosa, que no se disocia.
La presión osmótica de una disolución viene dada por la siguiente
ecuación:
Disolución de
prueba
Agua destilada
Disolución de
prueba
Agua destilada
Disolución de
prueba
Sin flujo de agua
(a)
(b)
rior celular.) Debido a que la concentración total de soluto es
ahora mayor dentro que fuera de la célula, el agua se mueve al
interior, y la célula se hincha, aunque la disolución extracelular
fuera inicialmente isoosmótica respecto al medio intracelular.
Dado que la célula tiene más cantidad de agua en el interior, la
disolución extracelular es ahora hipotónica.
Que una disolución dada origine que la célula se hinche, disminuya su volumen o permanezca igual viene determinado únicamente por la concentración del soluto permeante que contenga. Una solución es isotónica si contiene solutos permeantes a
una concentración de 300 mOsm, la concentración normal de
solutos permeantes en el medio intracelular. Si la concentración
de un soluto permeante es mayor o menor de 300 mOsm, la
disolución será hipertónica o hipotónica, respectivamente.
La tonicidad de una disolución no se ve afectada por la concen-
(c)
tración de ningún soluto permeante que pueda o no estar presente. Las características que determinan la osmolaridad o tonicidad de una disolución están resumidas en la tabla 4.3.
Cuando una célula entra en contacto con soluciones que son
hipotónicas o hipertónicas, el grado en el cual se hincha o pierde
volumen viene determinado por la concentración inicial de los
solutos permeantes en el medio intra- y extracelular. Por ejemplo, cuando una célula que contiene 300 mOsm de solutos permeantes se coloca en una disolución de mayor volumen que
contiene la mitad de concentración de solutos (150 mOsm), la
célula se hinchará, porque el agua entrará (fig. 4.20a). Debido a
que la cantidad de soluto en el interior de la célula es fija, un
incremento en el volumen celular produce un descenso en la
concentración de soluto, pero la célula continúa hinchándose
hasta que la concentración alcanza 150 mM, punto en el cual la
116
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
COMPRENDER EL E JERCICIO
Producción de sudor
Todos sabemos que la producción de sudor
aumenta al hacer ejercicio; cuanto más intenso sea el ejercicio, más sudaremos. El sudor es
un mecanismo de disipación del calor producido por el organismo (el calor corporal se utiliza para evaporar el sudor), y el ejercicio muscular genera mucho calor. Al mismo tiempo,
un sudor excesivo puede ser potencialmente
peligroso.
El sudor es un líquido, compuesto por agua
y solutos (especialmente sodio y cloro). Proviene del plasma sanguíneo, pero está menos
concentrado. Como resultado, una producción excesiva de sudor puede incrementar la
osmolaridad del plasma, haciendo que las
células pierdan volumen. La pequeña pérdida
de volumen celular que ocurre durante el ejercicio no suele ser un problema. Por el contrario, beber mucha agua tras el ejercicio puede
ser peligroso: puede dar lugar a una intoxicación por agua. Un exceso de agua puede disminuir la osmolaridad del plasma, haciendo
que las células se hinchen. Este efecto puede
llevar a problemas neurológicos, como el
dolor de cabeza, debido a que las células del
cerebro se encuentran en un espacio concreto
(el cráneo), y puede incrementar la presión
ejercida, dando lugar a una mala transmisión
de las señales cerebrales. También, demasiada agua puede ser mortal, como tristemente
se recuerda en Sacramento, California, donde
una emisora de radio llevó a cabo un concurso
TABLA 4.3 Diferencias entre osmolaridad y tonicidad
Términos
Definiciones y concentraciones de soluto
Osmolaridad
Concentración total de solutos permeables
y permeantes
Isoosmótica*
300 mOsm (permeables + permeantes)
Hiposmótica*
Menor de 300 mOsm (permeables + permeantes)
Hiperosmótica*
Mayor de 300 mOsm (permeables + permeantes)
Tonicidad
Concentración de solutos permeantes en relación
con el medio intracelular
Isotónica*
300 mOsm (permeantes)†
Hipotónica*
Menor de 300 mOsm (permeantes)†
Hipertónica*
Mayor de 300 mOsm (permeantes)†
*Esta designación es relativa a una célula que contenga 300 mOsm de soluto, que se asume
que es permeante.
†
Puede haber o no solutos permeables.
célula se ha expandido hasta alcanzar dos veces su volumen inicial (designado como V0). El aumento de volumen se detendrá
en este momento, porque ya no hay un gradiente de concentración de agua y, por tanto, ninguna fuerza que haga que el agua
pase a través de la membrana. (En la figura 4.17a, la célula continúa hinchándose hasta que estalla, debido a que la concentración de soluto es siempre mayor en el interior que en el exterior.)
Por el contrario, cuando una célula idéntica es situada en una
disolución que contiene solutos permeantes a una concentración de 600 mOsm (fig. 4.20b), disminuye su volumen, lo que
para ganar una videoconsola, que consistía en
ver quién podía beber más agua sin orinar.
Desafortunadamente, un participante murió
5 h después del concurso a causa de intoxicación por agua.
Las bebidas isotónicas son populares
entre los atletas profesionales y aficionados.
Estas bebidas tienen electrólitos y glucosa
para mantener la correcta osmolaridad del
plasma y proporcionar nutrientes adicionales.
Sin embargo, hay un debate abierto sobre su
beneficio, debido a que el consumo de glucosa es contrario al propósito con el que muchas
personas realizan ejercicio: el agotamiento
de nuestras reservas de energía almacenadas.
produce que la concentración de soluto intracelular aumente.
La célula continúa disminuyendo de volumen hasta la mitad del
volumen inicial. Comprueba lo que sucede a la osmolaridad de
los fluidos corporales durante el ejercicio en «Comprender el
ejercicio: Producción de sudor».
La tonicidad normalmente no se ve afectada por los niveles
de glucosa en sangre, porque la glucosa atraviesa la membrana
de la mayoría de las células por transporte mediado. Sin embargo, en la diabetes mellitus, el transporte de glucosa insulinodependiente está alterado o ausente, por lo que la glucosa se convierte en un soluto no permeante. La hiperglucemia crea un
medio extracelular hiperosmótico e hipertónico, que provoca
que las células del organismo disminuyan su volumen. Esta es
una de las muchas razones por las que la regulación de los niveles de glucosa en sangre es crucial en el manejo de la diabetes.
Comprueba tus conocimientos
El suero salino al 0,9% (NaCl) y el glucosado al 5% (glucosa; C6H12O6)
son disoluciones comunes utilizadas en clínica. A continuación se
muestran los pesos moleculares de los átomos de estas moléculas:
Na = 23, Cl = 35, C = 12, H = 1 y O = 16. Determina la osmolaridad
de estas dos disoluciones.
Las membranas celulares no son permeables a iones, pero la
dextrosa se mueve a través de la célula por transporte mediado por
proteínas. Utilizando esta información, determine si cada disolución es
isotónica, hipotónica o hipertónica. Describe situaciones clínicas en las
cuales pueda ser administrada a los pacientes tanto el suero salino al
0,9% como la disolución de glucosado al 5%.
C A P Í T U LO 4
Transporte
de sustancias
en compartimentos
membranosos
Las macromoléculas son demasiado
grandes para atravesar la membrana
plasmática incluso con la ayuda de
proteínas; por eso, son transportadas mediante vesículas. Durante la
endocitosis, las moléculas en el
medio extracelular entran en la célula a través de la formación de vesículas de la membrana plasmática,
llamadas endosomas. Durante la exocitosis, las moléculas en las células
son introducidas en vesículas secretoras, las cuales se fusionan con la
membrana plasmática y liberan su
contenido al medio extracelular.
Ambos procesos, que requieren un
aporte de energía, se describen a
continuación.
Transporte de moléculas
al interior celular mediante
endocitosis
300
150
Volumen celular = Vo
Transporte de la membrana celular
117
150
150
Volumen celular = 2Vo
(a)
300
600
600
600
Volumen celular = Vo
Volumen celular = 12 Vo
(b)
FIGURA 4.20 Cambios en el volumen de células situadas en disoluciones hipotónicas e
hipertónicas. Se asume que todos los solutos (puntos) son permeantes; los números dentro y fuera de las
células indican la concentración de solutos (mOsm). (a) Una célula situada en una disolución 150 mOsm, que
es hipotónica, se hinchará hasta alcanzar un volumen dos veces el volumen original (Vo). (b) Una célula situada
en una disolución 600 mOsm, que es hipertónica, perderá volumen hasta reducirlo a la mitad del volumen
original.
Si se situase una célula en una disolución que contuviera 100 mOsm de solutos no permeantes, ¿cómo
P
sería su volumen final comparado con el inicial?
Hay tres formas de endocitosis: fagocitosis, pinocitosis y endocitosis
mediada por receptor (fig. 4.21). En
todos los casos, el medio extracelular, y a veces las partículas, entran en la célula mediante la formación de un endosoma.
En la fagocitosis (que significa «la comida de las células»),
una célula lleva a cabo movimientos ameboides de su membrana celular para extenderla alrededor de la partícula de interés en
el medio extracelular (v. fig. 4.21a). Cuando la membrana ha
rodeado completamente a la partícula, los dos lados se unen
para formar un gran endosoma llamado fagosoma en el citoplasma; la partícula y algo de medio extracelular quedan en el interior de la vesícula. De esta manera, la célula ha envuelto la partícula. Una vez dentro, la membrana del fagosoma se fusiona con
la membrana de un lisosoma, formando un fagolisosoma, el cual
expone la partícula envuelta a las enzimas de degradación del
lisosoma. Las enzimas rompen la partícula y los componentes
reutilizables se reciclan. La fagocitosis es común en ciertos leucocitos, responsables de la eliminación de partículas extrañas y
bacterias de nuestros organismos.
En la pinocitosis (que significa «la bebida de las células»), la
membrana plasmática se invagina, y sus extremos se unen para
formar un endosoma en el citoplasma (v. fig. 4.21b). La pinocitosis, que ocurre continuamente en la mayoría de las células, es
un proceso inespecífico, y el contenido de la vesícula resultante
es un medio extracelular que contiene solutos disueltos.
La endocitosis mediada por receptor es similar a la pinocitosis respecto a la formación del endosoma (v. fig. 4.21c).
A diferencia de la pinocitosis, esta es específica. Las proteínas
en la membrana plasmática actúan como receptores que reconocen y unen partículas específicas en el medio extracelular.
La unión de las partículas a los receptores concentra las partículas en áreas donde se producirá la endocitosis. El área de la
membrana plasmática que forma la vesícula está recubierta
con proteínas, llamadas clatrinas, su lado citosólico. La membrana se invagina en esta área, formando lo que se conoce
como una hendidura recubierta. Esta hendidura pasa a ser
una vesícula que contiene los receptores y las partículas unidas
a ellos. La cubierta de proteínas abandona la vesícula rápidamente y las moléculas de clatrina se reciclan. Ahora, las vesículas sin revestimiento se fusionan con un lisosoma, formando
un endolisosoma. Las enzimas del lisosoma degradarán las partículas arrastradas al interior de la célula. Los receptores son, a
menudo, reciclados por exocitosis, lo que se describe a continuación.
Transporte de moléculas al exterior
celular mediante exocitosis
La exocitosis es básicamente una endocitosis al revés: una vesícula dentro de la célula se fusiona con la membrana plasmática
y libera su contenido al medio extracelular (fig. 4.22). La exocitosis implica complejas interacciones entre el calcio y las proteínas, proceso que será descrito para las neuronas en el capítulo 8.
La exocitosis tiene tres funciones: 1) añadir componentes a la
membrana plasmática; 2) reciclar receptores eliminados de
la membrana por endocitosis, y 3) secretar sustancias específicas fuera de la célula y en el medio extracelular.
118
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
Fagolisosoma
Medio
extracelular
Medio
extracelular
Medio intracelular
Medio intracelular
Vesícula
secretora
Fagosoma
Partícula
Membrana
plasmática
que envuelve
la partícula
Fusión con
la membrana
plasmática
Lisosoma
(a) Fagocitosis
Liberación de los contenidos
Endosoma
Moléculas
disueltas
FIGURA 4.22 Exocitosis. Una vesícula intracelular se fusiona con la
membrana plasmática, secretando los contenidos de la célula.
(b) Pinocitosis
Proteína receptora
Molécula
Hendidura recubierta
Clatrina
(c) Endocitosis mediada por receptor
FIGURA 4.21 Endocitosis (a) Fagocitosis. Después de que la membrana
plasmática rodee la partícula en el medio extracelular, la membrana se fusiona
para formar un fagosoma alrededor de la partícula, que finalmente se fusiona
con un lisosoma. Las enzimas del lisosoma degradan la partícula.
(b) Pinocitosis. La membrana plasmática se invagina para formar un endosoma,
que contiene medio extracelular y solutos disueltos. (c) Endocitosis mediada
por receptor. En primer lugar, las proteínas receptoras de la membrana
plasmática se unen con unas moléculas específicas, activando la endocitosis.
La membrana forma entonces invaginaciones alrededor de las moléculas,
formando una vesícula que se separa de la membrana y entra en la célula.
Las primeras dos funciones están relacionadas, ya que ambas
agregan componentes a la membrana plasmática. Durante la
exocitosis, los componentes que se encuentren en la vesícula se
añadirán a la membrana plasmática. Una célula puede añadir
ciertas proteínas, fosfolípidos o hidratos de carbono a la membrana plasmática, o puede reemplazar la membrana que se ha
perdido durante la endocitosis. De hecho, la endocitosis y la exocitosis deben estar equilibradas en una célula; de otra manera, el
tamaño de la membrana plasmática cambiará.
La tercera función de la exocitosis, la secreción de sustancias, cumple una serie de funciones. Ciertos leucocitos secretan
anticuerpos para combatir la infecciones. Algunas células (en
particular, las neuronas y las células endocrinas) secretan mensajeros químicos para comunicarse con otras células. Las células
que recubren ciertos conductos, como las del tubo digestivo o
las vías respiratorias, secretan un líquido pegajoso llamado
moco, que actúa como un recubrimiento protector. Aprenderás
otros ejemplos de secreción en los capítulos siguientes.
Test rápido 4.6
1. Nombra los tres tipos de endocitosis. ¿Qué tipo(s) transporta(n) moléculas específicas a través de la membrana plasmática?
2. ¿Cuáles son las tres funciones de la exocitosis?
Transporte epitelial: movimiento
de las moléculas a través de dos
membranas
Hasta este punto nos hemos centrado en la función de las membranas celulares en lo que respecta al transporte de sustancias
dentro o fuera de las células. Pero en muchos tejidos epiteliales,
la función de las membranas celulares es el transporte de mate-
C A P Í T U LO 4
Luz
Membrana
apical
Célula epitelial
Unión
estrecha
Membrana
basolateral
Membrana basal
Transporte de la membrana celular
119
Una característica importante de los tejidos epiteliales es
que las células adyacentes se encuentran unidas por uniones
estrechas que limitan el paso de sustancias a través de los espacios entre ellas, llamados espacios paracelulares. (El movimiento de moléculas entre las células se denomina transporte paracelular.) Estas uniones permiten que el medio a cada lado de la
capa celular difiera en la composición y son importantes en el
mantenimiento de la homeostasis, porque, aunque la composición del medio en la luz de un órgano puede variar ampliamente
(recuerda la variedad de alimentos que entran en la luz del estómago), la composición del medio intersticial no debe variar, ya
que es parte del medio interno corporal más regulado. La «estrechez» de estas uniones varía de unos sitios a otros: los epitelios
más impermeables tienen uniones con permeabilidades extremadamente bajas, mientras que a los epitelios permeables les
sucede lo contrario.
Líquido intersticial
Transporte epitelial de solutos
Sangre
Capilar
FIGURA 4.23 Estructura general de un epitelio.
riales a través de las células. Esto sucede, por ejemplo, cuando el
intestino lleva nutrientes al torrente circulatorio, o cuando las
glándulas sudoríparas producen sudor.
Recuerda del capítulo 1 que una función de los tejidos epiteliales es formar una barrera entre el medio interno del organismo y
el medio externo, y también entre los diferentes compartimentos
del organismo. Además de actuar como barreras, ciertos tejidos
epiteliales (como aquellos que recubren el estómago, el intestino
y las glándulas secretoras) son capaces de transportar sustancias
al medio interior desde el exterior (en un proceso llamado absorción) o desde el medio interno al exterior (secreción).
Para que un tejido epitelial absorba o secrete sustancias, las
células que lo forman deben transportar sustancias hacia el interior, atravesando la membrana desde un lado o hacia el exterior
desde el lado opuesto. Para que esto suceda, la membrana a
cada lado debe tener diferentes sistemas de transporte. Debido
a que la membrana a ambos lados es claramente diferente (en
estructura y función), las células epiteliales se dice que están
polarizadas. En esta sección veremos cómo la polaridad de las
células epiteliales la confiere la capacidad de absorber o secretar
sustancias. Comenzaremos primero con una visión general de la
estructura del epitelio.
Estructura epitelial
En una capa de células epiteliales especializadas en la absorción
y secreción (fig. 4.23), un lado de la célula se encuentra hacia
la luz de una cavidad corporal. A la membrana en este lado se la
llama membrana apical. La membrana en el lado opuesto se
encuentra en el medio interno y está en contacto con el líquido
intersticial, el cual intercambia sustancias con la sangre. Este
lado de la membrana se denomina membrana basolateral, que
está en contacto con una membrana basal compuesta de sustancias no celulares y que es relativamente permeable a la mayoría
de las sustancias. La membrana basal sujeta a la membrana basolateral, proporcionándole un soporte físico a la capa epitelial.
Los mecanismos por los cuales las células epiteliales transportan
moléculas de soluto a través de la capa epitelial se ilustran en la
figura 4.24, que describe aquellos que absorben nutrientes en el
intestino o funcionan en la regulación de los fluidos corporales en
los túbulos renales. Ten en cuenta primero que una comparación
entre los sistemas de transporte en las membranas apical y basolateral de ambas células nos muestra la polaridad anteriormente
mencionada: solo la membrana basolateral de estas células tiene
bombas de Na+/K+, que transportan Na+ fuera de la célula y K+ al
interior. Además, solo la membrana basolateral tiene canales de
K+, que permiten al K+ salir de la célula a favor de su gradiente
electroquímico. Este sistema de bomba-fuga mantiene una concentración de K+ prácticamente constante dentro de la célula
mayor que la concentración fuera. La bomba de Na+/K+ también
mantiene concentraciones bajas de Na+ en el interior celular, lo
que crea un gradiente en el interior. Hay que tener en cuenta también que, en ambas células, la membrana apical tiene sistemas de
transporte, de lo que carece la membrana basolateral.
En la célula en la figura 4.23a, que está absorbiendo Na+, el
+
Na entra en la célula a través de los canales de Na+, presentes
solo en la membrana apical. Esta entrada es contrarrestada por
la extracción activa de Na+ de la célula a través de la membrana
basolateral. Los iones de sodio entran en la célula por un lado y
salen por el otro (atraviesan la célula completamente desde la
luz hasta el líquido intersticial).
Hay que tener en cuenta, además, que, aunque el Na+ fluye a
través de la membrana apical de forma pasiva, el transporte de
Na+ a través de toda la célula es activo, porque la entrada de Na+
en la célula a través de la membrana apical depende de la presencia de un gradiente electroquímico directo, que, a su vez,
depende de la capacidad de la bomba de Na+/K+ de sacar Na+ de
la célula. Si la bomba dejase de funcionar, la concentración
de Na+ en el interior de la célula aumentaría; finalmente, el gradiente de Na+ a través de la membrana apical desaparecería,
produciendo el cese de la entrada de Na+. Debido a que el transporte de Na+ a través de la célula es un proceso activo, el Na+
puede ser absorbido desde la luz hasta el medio intersticial en
contra de gradiente electroquímico.
En la célula en la figura 4.24b, que absorbe Na+ y glucosa, el
+
Na de nuevo entra en la célula de forma pasiva a través de la
membrana apical, pero mediante un sistema de cotransporte
que une el movimiento de Na+ con el de glucosa hacia el interior.
El gradiente electroquímico del Na+ proporciona la energía que
dirige el transporte activo secundario de glucosa en contra del
120
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
Luz
Na+
Na+
Luz
Na+
+
Na+ Na
Na+
+
Na+ Na
Glucosa
Glucosa
Na+
+
K+ K
+ K+
K
K
ADP
ATP + P
ADP
ATP + P
i
i
Líquido intersticial
K+
Na+
+
K+ K
+ K+
+
Na+ Na
Líquido
intersticial
+
Na+ Na
Sangre
(a)
K+
Glucosa
Na+ Na
+
+
Na+ Na
Sangre
(b)
FIGURA 4.24 Mecanismos de transporte epitelial de solutos. (a) Absorción de iones sodio.
(b) Absorción de glucosa e iones sodio.
Si la glucosa está siendo transportada a través de la membrana basolateral por un portador (v. parte b),
P
¿la concentración de glucosa en el líquido intersticial será mayor o menor que en el interior de la célula?
gradiente de concentración en la célula. La glucosa entonces
sale de forma pasiva, moviéndose a favor del gradiente de concentración a través de una proteína portadora en la membrana
basolateral. Aunque la salida de la glucosa a través de la membrana basolateral es pasiva, el transporte de glucosa a través del
epitelio es su conjunto es activo, porque depende de la presencia
de un gradiente electroquímico interno de Na+, que a su vez
depende de la acción de la bomba de Na+/K+. La glucosa puede,
por tanto, ser transportada desde la luz al medio intersticial en
contra de su gradiente de concentración.
Transporte epitelial de agua
Independientemente de que las células epiteliales secreten o
absorban líquidos, el transporte de agua ocurre mediante ósmosis. Esto sucede, por ejemplo, cuando sudas, cuando el páncreas
secreta el jugo pancreático o cuando repones los líquidos del
organismo bebiendo un vaso de agua.
El epitelio absorbe o secreta agua utilizando primero el transporte activo de solutos para crear una diferencia de presión
osmótica (un gradiente de presión osmótica) entre las disoluciones a ambos lados de la capa celular. El agua entonces pasa a
través del epitelio de forma pasiva por ósmosis. Debido a que
este transporte de agua ocurre como respuesta al transporte de
solutos, se dice que el transporte de agua es secundario.
En el transporte de agua epitelial (fig. 4.25), el epitelio crea un
gradiente de presión osmótica (o simplemente un gradiente
osmótico) para absorber el agua. Primero, las células epiteliales
transportan activamente moléculas de soluto (puntos) a través de
la membrana basolateral hacia el medio intersticial (v. fig. 4.25a).
Como resultado, la concentración de soluto es ligeramente superior fuera que dentro, particularmente en los espacios paracelulares, donde la difusión de moléculas de soluto está obstaculizada
por la estrechez del paso. (Esto se indica en la figura con una
mayor densidad de puntos entre las células.) Debido a que el
transporte de soluto crea una diferencia en la presión osmótica
entre las disoluciones a ambos lados del epitelio, el agua pasa a
través de la capa celular por ósmosis (v. fig. 4.25b). Ten en cuenta
que la dirección en la que el agua se mueve es hacia el medio
intersticial, o en contra del gradiente de presión osmótica; para el
tejido epitelial que secreta líquidos, la idea es la misma, excepto
que el soluto y el agua transportada circulan en la dirección
opuesta o alejándose del medio intersticial.
En ciertas condiciones patológicas, el transporte epitelial de
agua es o excesivo o insuficiente. En la fibrosis quística, por ejemplo, el epitelio que recubre las vías respiratorias no transporta suficiente soluto para conseguir una adecuada producción de fluido.
Como resultado, los pulmones quedan obstruidos por moco, que
dificulta la respiración y puede ocasionar infecciones respiratorias
graves (v. «Conexiones clínicas: Fibrosis quística»).
C A P Í T U LO 4
Luz
Moléculas de soluto
Transporte de la membrana celular
121
Flujo de agua
Líquido intersticial
(a)
(b)
FIGURA 4.25 Transporte de agua en un epitelio que absorbe agua y solutos. (a) Unas bombas
(círculos) en la membrana basolateral transportan moléculas de soluto (puntos) de forma activa al líquido
intersticial, elevando la concentración de soluto en el líquido intersticial, especialmente en los espacios
paracelulares. (b) El transporte activo de soluto crea un gradiente de presión osmótica a través del epitelio
que dirige un flujo de agua pasivo desde la luz al líquido intersticial (flechas grandes).
En esta situación, ¿el soluto transportado tiende a aumentar o disminuir la concentración de agua
P
en el líquido intersticial?
Transcitosis
Las macromoléculas atraviesan las células epiteliales mediante
un proceso llamado transcitosis (fig. 4.26), que implica tanto
endocitosis como exocitosis. Durante la transcitosis, una molécula de gran tamaño entra en la célula mediante endocitosis,
pero la vesícula endocítica no se fusiona con el lisosoma. En su
lugar, viaja hasta el lado opuesto de la célula y se fusiona con la
membrana plasmática para liberar su contenido por exocitosis.
Luz
Membrana
apical
Endocitosis
Test rápido 4.7
Unión
estrecha
Transcitosis
1. ¿Por qué se dice que las células epiteliales están polarizadas? ¿Qué
importancia tiene la polaridad en la función de ciertos epitelios?
2. ¿Qué quiere decir que el transporte epitelial de agua es secundario al
transporte de soluto?
Célula
epitelial
Membrana
basolateral
Exocitosis
Integración de sistemas
Acabamos de aprender que las membranas y el epitelio forman
barreras selectivamente permeables que solo ciertas moléculas
pueden atravesar. Las proteínas de membrana son críticas para
el movimiento de la mayoría de las moléculas a través de las
membranas, y podemos regular este movimiento variando
las concentraciones de estas proteínas portadoras en la membrana, como se describió en el capítulo 2. En el capítulo 5 aprenderemos cómo los mensajes químicos entre las células, y cómo
Líquido intersticial
Sangre
FIGURA 4.26 Transcitosis. Las moléculas pueden ser transportadas
a través de las células epiteliales, entrando en la célula por un lado mediante
endocitosis y saliendo por el otro lado mediante exocitosis.
122
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
CONEXIONES CLÍNICAS
Fibrosis quística
De todas las enfermedades hereditarias mortales, la fibrosis quística es la más común entre los
individuos caucásicos, y afecta a alrededor de
1 de cada 2.500 individuos. Esta enfermedad es
notoria por sus efectos en el tubo respiratorio,
aunque afecta a otros sistemas también. En los
individuos afectados, las vías respiratorias se
encuentran obstruidas con un moco viscoso y
espeso difícil de eliminar incluso con tos intensa.
La respiración se ve dificultada y las víctimas
corren el riesgo de asfixiarse con sus propias
secreciones a pesar del enorme esfuerzo que se
hace para limpiar sus pulmones varias veces al
día. Las víctimas a menudo mueren de neumonía cerca de los 30 años, debido a que las vías
respiratorias obstruidas por el moco suelen ser
un medio fértil para el crecimiento de bacterias.
En todos los individuos, el moco es secretado por ciertas células del epitelio que se encuentran a lo largo de las vías respiratorias. En condiciones normales, el epitelio también secreta un
líquido acuoso que diluye el moco, haciéndolo
menos denso y más fácil de eliminar. En la fibrosis quística, la secreción del líquido acuoso se
encuentra impedida. El moco es más denso y es
más complicada su eliminación.
En el epitelio respiratorio, como en todos los
epitelios que transportan líquidos, el transporte
de agua es secundario al transporte de un soluto. Para llevar a cabo la secreción de agua, las
células del epitelio respiratorio transportan de
forma activa iones cloruro (Cl–) del líquido intersticial hacia la luz, creando un potencial eléctrico
negativo en la luz que permite un flujo pasivo de
sodio (Na+) en la misma dirección (parte a). El
movimiento de Na+ y Cl– incrementa la presión
osmótica del fluido que baña el lado luminal del
epitelio. Como consecuencia, el agua se mueve
de forma pasiva a favor del gradiente osmótico
desde el líquido intersticial hacia la luz.
Los científicos han descubierto recientemente que la fibrosis quística está causada por
Luz de las
vías respiratorias
Moco
un defecto en un tipo de proteína del canal
para el ion cloruro que se encuentra en la
membrana apical de las células epiteliales en
el tubo respiratorio y en otros lugares. El
defecto impide directamente el transporte de
Cl–, lo que interfiere de manera indirecta en el
transporte de Na+ (parte b). Como resultado,
el epitelio no puede crear el gradiente osmótico necesario para la secreción de agua.
Desde hace tiempo se sabe que la fibrosis
quística está causada por un solo gen, y estudios bioquímicos y electrofisiológicos recientes muestran que dicho gen codifica una parte del canal de cloro. Se están desarrollando
esfuerzos para desarrollar un tratamiento que
permitirá insertar genes normales en el ADN
de las células epiteliales de la enfermedad. Si
esto se consigue, estas células podrán generar canales normales, lo que permitirá a los
epitelios secretar líquidos de una manera normal.
Moco (más denso)
Cl–
Cl–
Célula
epitelial
Agua
Na+
(a) Transporte normal de soluto y de agua
algunos de los mecanismos de comunicación, pueden alterar el
transporte de iones a través de las membranas celulares y la síntesis de proteínas de membrana.
Los sistemas de órganos en los que las sustancias se intercambian, como el aparato respiratorio, digestivo o urinario,
son los que más utilizan los mecanismos de transporte descritos en este capítulo, aunque el resto de sistemas de órganos los
utilicen también. Por ejemplo, el sistema nervioso se comunica
a través de señales eléctricas producidas por la apertura y el
cierre de canales iónicos. El sistema endocrino se comunica
Agua
Na+
(b) Transporte defectuoso de soluto y agua en la fibrosis quística
mediante la secreción al torrente circulatorio de unas sustancias químicas llamadas hormonas. Las células musculares se
contraen y relajan en respuesta a cambios en el transporte de
iones a través de la membrana plasmática y la membrana del
retículo endoplásmico liso. Las moléculas se intercambian
entre la sangre y los tejidos gracias a los movimientos a través
de las paredes de los vasos sanguíneos más pequeños, los capilares. De este modo, la membrana plasmática, con sus proteínas de transporte, es el principal determinante de la función
orgánica.
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
123
RESUMEN DEL CAPÍTULO
Factores que condicionan
la dirección del transporte, pág. 95
Las moléculas que atraviesan las membranas celulares se mueven por difusión simple
a través de la bicapa lipídica o mediante
transporte facilitado, el cual implica un
transporte especializado de proteínas. El
transporte activo requiere energía y se lleva a
cabo por proteínas llamadas bombas. El
transporte pasivo no requiere energía, e
incluye la difusión simple y algunas formas
de transporte facilitado. El transporte de
moléculas está, en general, influenciado por
tres tipos de fuerzas direccionales: 1) las
fuerzas direccionales químicas, que se deben
a la presencia de gradientes de concentración; 2) las fuerzas direccionales eléctricas,
que reflejan la influencia del potencial de la
membrana celular en el movimiento de los
iones, y 3) las fuerzas direccionales electroquímicas, una combinación de las fuerzas
direccionales químicas y eléctricas que
representan la fuerza neta que actúa sobre
las moléculas. Las moléculas transportadas
de forma pasiva se mueven en la dirección de
la fuerza electroquímica; es decir, disminuyen su gradiente electroquímico. Las
moléculas transportadas de forma activa se
mueven en contra de la fuerza electroquímica, es decir, aumentan su gradiente electroquímico.
Nervous I, The Membrane Potential,
págs. 1–17
Fluids and Electrolytes, Introduction
to Body Fluids, págs. 12–15
Velocidad de transporte, pág. 101
La velocidad a la cual una sustancia se mueve a través de la membrana se mide como un
flujo. El flujo de moléculas en una u otra
dirección es el flujo unidireccional; la diferencia entre los flujos unidireccionales es el
flujo neto.
Transporte pasivo, pág. 102
La difusión es el movimiento de las moléculas desde un sitio a otro como resultado de
su movimiento térmico aleatorio. En la difusión simple, la permeabilidad de la membrana viene determinada por los siguientes factores: 1) la solubilidad lipídica de la sustancia
que difunde; 2) el tamaño y la forma de las
moléculas; 3) la temperatura, y 4) el grosor
de la membrana. La difusión facilitada implica proteínas portadoras, que unen las moléculas en un lado de la membrana y las transportas al otro lado mediante un cambio
conformacional. Los canales iónicos son
poros que se extienden desde un lado al otro
de la membrana.
Para una sustancia transportada de forma pasiva, la velocidad de transporte depende de tres factores: 1) la magnitud de la fuerza direccional; 2) el área superficial de la
membrana, y 3) la permeabilidad de la membrana para esa sustancia en particular. En la
difusión facilitada y en los canales iónicos,
la permeabilidad de la membrana viene
determinada por dos factores: 1) la velocidad
individual de transporte de cada proteína o
canal, y 2) el número de portadores o canales
en la membrana.
Transporte activo, pág. 108
Existen dos formas básicas de transporte
activo: el transporte activo primario, que utiliza ATP o alguna otra fuente de energía química, y el transporte activo secundario, que
utiliza el gradiente electroquímico de una
sustancia como fuente de energía para llevar
a cabo el transporte activo de otra sustancia.
La velocidad de transporte de una sustancia
transportada de forma activa viene determinada por dos factores: 1) la velocidad individual a la cual las bombas transportan la sustancia y 2) el número de bombas presentes
en la membrana.
Nervous I, The Membrane Potential,
págs. 13–15
Urinary, Early Filtrate Processing, págs. 5–8
Ósmosis: transporte pasivo de agua
a través de las membranas, pág. 112
El agua que atraviesa las membranas afecta
al volumen celular y está implicada en la
secreción y absorción de líquidos. El movimiento del agua (ósmosis) es siempre pasivo
y dirigido por el gradiente de concentración
de agua. Debido a que la concentración de
agua de una disolución disminuye a medida
que aumenta su concentración de soluto,
una diferencia en la concentración total de
soluto (osmolaridad) a través de la membrana implica la existencia de una gradiente de
concentración de agua. Debido a que la presión osmótica de una disolución aumenta
según aumenta la concentración de soluto,
el flujo de agua a menor gradiente de concentración es el equivalente a moverse hacia
un mayor gradiente de presión osmótica. El
volumen de una célula viene determinado
por la tonicidad de la disolución circundante, lo que depende de la concentración de
soluto y la permeabilidad de la membrana a
los solutos presentes.
Urinary, Early Filtrate Processing, págs. 5–8
Transporte de sustancias
en compartimentos membranosos,
pág. 117
Ciertas macromoléculas pueden ser transportadas dentro y fuera de las células a través
de la formación de vesículas en los procesos de endocitosis y exocitosis, respectivamente. Hay tres formas de endocitosis: fagocitosis, pinocitosis y endocitosis mediada
por receptor. En los tres procesos, la membrana plasmática forma un anillo alrededor
del medio extracelular en el cual los extremos se acaban fusionando, dando lugar a
una vesícula en el interior celular. La fagocitosis y la endocitosis mediada por receptor
son específicas en el hecho de que una molécula determinada u otras sustancias son
transportadas al interior. Durante la exocitosis, una sustancia en una vesícula intracelular es liberada desde la célula cuando dicha
vesícula se fusiona con la membrana plasmática.
Transporte epitelial: movimiento
de las moléculas a través de dos
membranas, pág. 118
Ciertos epitelios están especializados en el
transporte de sustancias dentro o fuera de
nuestro medio interno corporal, en los procesos de absorción y secreción, respectivamente. Las células epiteliales pueden hacer
esto porque las membranas de un lado difieren estructural y funcionalmente, en un
fenómeno conocido como polaridad. Los
epitelios forman barreras entre los compartimentos de los líquidos corporales o entre
los medios interno y externo. La membrana
basolateral, que está en contacto con una
membrana basal no celular, se encuentra en
el lado del medio interno; la membrana
opuesta es la membrana apical.
Urinary, Early Filtrate Processing, págs. 5–8
124
C A P Í T U LO 4
Transporte de la membrana celular
EJERCICIOS
Preguntas de opción múltiple
1. Para una sustancia que atraviesa la membrana celular, la fuerza de gradiente químico
a) depende solo del gradiente de
concentración, independientemente
de si la sustancia es un ion.
b) depende solo del gradiente de
concentración si la sustancia no está
cargada, pero también depende de la
fuerza eléctrica si la sustancia es un
ion.
c) es la fuerza direccional total de una
sustancia, incluso si esta es un ion.
d) es la fuerza que empuja a las
moléculas a atravesar la membrana,
pero solo si la sustancia es
transportada de forma activa.
e) siempre favorece el movimiento de
una molécula hacia el interior
celular.
2. ¿Cuál de las siguientes moléculas se
encuentra a mayor concentración dentro
de la célula que fuera?
a) iones potasio
b) iones sodio
c) proteínas
d) Los iones potasio y sodio se
encuentran en mayor concentración
en el interior celular.
e) Los iones potasio y las proteínas se
encuentran localizadas en mayor
concentración en el interior celular.
3. Un ejemplo de transporte activo primario es
a) el transporte de Ca2+ en contra del
gradiente electroquímico por una
proteína que hidroliza ATP.
b) el transporte de Ca2+ en contra del
gradiente electroquímico por una
proteína que acopla el flujo de Ca2+
al flujo de Na+ a favor del gradiente
electroquímico.
c) el movimiento de Ca2+ a favor del
gradiente electroquímico a través de
canales.
d) el transporte de moléculas de glucosa
a favor del gradiente de
concentración mediante proteínas
portadoras.
e) el transporte de glucosa en contra del
gradiente de concentración por una
proteína que acopla el flujo de
glucosa al flujo de Na+ a favor de su
gradiente electroquímico.
4. Si un anión determinado se encuentra en
mayor concentración en el interior celular y existe un potencial de membrana
negativo, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta?
a) La fuerza eléctrica que actúa sobre el
anión lo empuja hacia el interior
celular.
b) La fuerza química que actúa sobre el
anión lo empuja hacia el interior
celular.
c) El potencial de equilibrio para el
anión es positivo.
d) a y c son correctas
e) todas las anteriores son correctas
5. Dado que el potencial de equilibrio del
potasio es –94 mV y que el potencial de
equilibrio del sodio es +60 mV, ¿cuál
de las siguientes afirmaciones es correcta
para las fuerzas que actúan sobre ambos
iones cuando el potencial celular es de
–70 mV?
a) El gradiente electroquímico del Na+
empuja al ion hacia el interior
celular.
b) El gradiente electroquímico del K+
empuja al ion hacia el interior
celular.
c) a y b son correctas
d) ni a ni b son correctas
6. Cuando el potencial de membrana es
igual al potencial de equilibrio del Na+
(ENa= +60 mV)
a) El Na+ se mueve hacia el interior
celular a favor de su gradiente
electroquímico.
b) El Na+ se mueve hacia el exterior
celular a favor de su gradiente
electroquímico.
c) El flujo neto del Na+ es cero, porque
se encuentra en equilibrio.
7. La presión osmótica de una disolución
depende de
a) las concentraciones de todas las
partículas de soluto que se
encuentren en ella.
b) las concentraciones de todas las
partículas de soluto permeable que
se encuentren en ella.
c) las concentraciones de todas las
partículas de partículas de soluto
permeantes que se encuentren en
ella.
d) la presión atmosférica ejercida sobre
la disolución.
e) el volumen de agua en el que las
partículas de soluto están disueltas.
8. Suponiendo que solo se encuentran presentes los solutos permeantes, ¿cuál de
las siguientes situaciones sucederá cuando una célula se sitúe en una disolución
cuya osmolaridad es de 200 mOsm?
a) El agua se moverá hacia el interior de
la célula.
b) El agua se moverá hacia el exterior de
la célula.
c) El agua no atravesará la membrana
celular.
9. Una disolución es hipotónica si
a) la concentración de todos los solutos
es menor a 300 mOsm.
b) la concentración de todos los
solutos permeables es menor a
300 mOsm.
c) la concentración de todos los
solutos permeantes es menor
de 300 mOsm.
d) la osmolaridad es menor de
300 mOsm.
10. El movimiento del Na+ en los portadores
de glucosa ligado al sodio, en el intercambio sodio-protón y en las bombas
sodio-potasio, son ejemplos de
a) transporte activo.
b) transporte pasivo.
c) transporte mediado.
d) difusión simple.
11. ¿Cuál de las siguientes moléculas tendría
más probabilidad de atravesar la bicapa
lipídica mediante difusión simple?
a) una molécula polar pequeña
b) una molécula polar grande
c) una molécula no polar pequeña
d) una molécula no polar grande
12. Suponiendo que una sustancia no está
cargada y es transportada a través de la
membrana mediante portadores, el flujo
neto de esa sustancia tenderá a aumentar a medida que
a) la superficie de la membrana
disminuye.
b) la magnitud del gradiente de
concentración disminuye.
c) el potencial de membrana se hace
más positivo.
d) aumenta el número de portadores de
la membrana.
e) todas las anteriores son correctas
13. ¿Qué tienen en común los portadores de
membrana y las bombas?
a) Ambos transportan moléculas
en contra del gradiente
electroquímico.
b) Ambos transportan moléculas a favor
del gradiente electroquímico.
c) Ambos transportan preferiblemente
sustancias solubles en lípidos.
d) Ambos utilizan ATP para el
transporte de moléculas.
e) Ambos son específicos para ciertas
moléculas.
14. Un leucocito, un tipo de glóbulo blanco,
actúa contra las infecciones bacterianas
mediante la proyección de su membrana
plasmática alrededor de la bacteria exógena. La membrana entonces se fusiona,
atrapando a la bacteria en una vesícula
en el interior celular. Esto es un ejemplo de
a) exocitosis.
b) transcitosis.
c) endocitosis mediada por receptor.
d) pinocitosis.
e) fagocitosis.
C A P Í T U LO 4
15. ¿Cuál de los siguientes mecanismos de
transporte permite introducir una sustancia extracelular específica en la célula?
a) la endocitosis mediada por receptor
b) la pinocitosis
c) la fagocitosis
d) a y c son correctas
e) a, b y c son correctas
Preguntas objetivas
1. La mayoría de las sustancias que atraviesan la membrana celular mediante
difusión simple son (hidrófilas/hidrófobas).
2. Un canal lleva a cabo un transporte de
solutos (activo/pasivo).
3. En la difusión simple, un soluto no cargado siempre fluye de la región de mayor
concentración a la región de menor concentración. (verdadero/falso)
4. En la difusión facilitada, el flujo pasivo de
un soluto no cargado siempre va de
mayor a menor concentración. (verdadero/falso)
5. Un gradiente de concentración también
se refiere a una fuerza direccional
————.
6. Cuando un potencial de membrana es
positivo, hay un exceso de cationes sobre
aniones dentro de la célula. (verdadero/
falso)
7. El transporte de agua desde el torrente
circulatorio hacia la luz del intestino es
un ejemplo de (secreción/absorción).
8. Una célula disminuye su volumen si se
coloca en una disolución hipertónica.
(verdadero/falso)
9. Cuando el agua difunde a través de la
membrana, normalmente lo hace de
la región de mayor a menor presión
osmótica. (verdadero/falso)
10. Las uniones que conectan células epiteliales adyacentes son uniones ————.
Preguntas abiertas
1. Para determinar si una sustancia está
siendo transportada de forma activa o
pasiva, se necesitan saber solo dos factores: la dirección del gradiente electroquímico y la dirección del flujo neto. Explícalo.
2. Describe los diversos factores que determinan la permeabilidad de una membrana en la difusión simple.
3. Explica el mecanismo de absorción de la
glucosa por las células epiteliales del
intestino. Incluye una discusión acerca
de la importancia de la polaridad celular.
4. Compara la difusión de moléculas a través de la bicapa lipídica con la difusión
de iones a través de los canales. Compara
la difusión simple con la difusión facilitada.
5. Una célula es situada en una disolución
salina de 0,2 mM NaCl. Ni el Na+ ni el Cl–
pueden permear la membrana plasmática. ¿qué le sucede a la célula?
6. En el cólera, la toxina bacteriana estimula algunas células epiteliales del intestino
delgado para que secreten solutos en el
lumen. ¿Qué sucederá con el transporte
de agua a través del epitelio intestinal?
¿Qué signos clínicos habrá como resultado de la alteración de este transporte?
Transporte de la membrana celular
125
Pensamiento crítico
1. Suponiendo que E Na = +60 mV,
ECl = –90 mV y Vm = –70 mV, ¿cuál será el
sentido del gradiente de potencial electroquímico que actúa sobre los iones Na+
y Cl? ¿En qué dirección se moverán los
iones si son transportados de forma pasiva? ¿Y si son transportados de forma activa? (Desafío extra: a partir del signo de
ECl, determina la dirección del gradiente
de concentración de los iones Cl–).
2. Repite la pregunta 1 en el caso de que
Vm = –100 mV.
3. Diseña un epitelio que transporte potasio desde la luz hasta el líquido intersticial con el mínimo número de proteínas.
Incluye todas las proteínas necesarias
para llevar a cabo esta tarea.
4. Los canales iónicos pueden encontrarse
abiertos o cerrados, de manera que cambie
la permeabilidad de la membrana a un ion
específico. Considera que una célula con
un potencial de membrana de –70 mV tiene pocos canales de sodio abiertos. Sabiendo que el potencial de equilibrio para el
sodio es +60 mV, calcula que le sucedería al
potencial de membrana si muchos canales
de sodio pasaran de repente de un estado
cerrado a un estado abierto. Explícalo.
5. La ouabaína es un fármaco que bloquea
la bomba de Na+/K+. Describe y explica
los efectos que esperarías que la ouabaína tuviera sobre 1) el gradiente de concentración de sodio a través de las membranas celulares; 2) el gradiente de
concentración de potasio a través de las
membranas celulares, y 3) el movimiento
de moléculas por transporte activo
secundario acoplado con sodio.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple»
y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com)
para obtener herramientas adicionales de estudio.
5
Mensajeros químicos
Una comunidad es un grupo de personas que viven en la misma zona o tienen un
interés común, como la ciudad en la que vives. ¿Puedes imaginar cómo funcionaría la
ciudad sin que existiera un medio de comunicación entre las personas que configuran
la comunidad? Incluso en circunstancias normales, la comunicación resulta necesaria para la distribución de los alimentos y
para disponer de un servicio adecuado de desecho de basuras
y de transporte de una zona a otra de la ciudad. Ahora piensa
qué podría ocurrir si un desastre como un tornado o un terremoto cortara todas las vías de comunicación. Sería el caos.
Podemos concebir nuestro cuerpo como una comunidad
de células. Al igual que las personas que viven en una ciudad,
las células de nuestro organismo se deben comunicar entre sí
para mantener el orden. Cuando se interrumpe la comunicación, se produce casi de manera inevitable una interrupción
de la homeostasis. Por ejemplo, cuando una viuda negra pica
a una persona, una toxina provoca que determinadas neuronas se comuniquen de forma excesiva con las células musculares esqueléticas. Por consiguiente, se producen calambres
en los músculos, especialmente en el abdomen. Los músculos respiratorios también pueden verse afectados. Otro ejemplo sería la diabetes mellitus, que está provocada por la
carencia de un mensajero químico, la insulina. La insulina
aumenta la captación de glucosa de las células. Por tanto, la
carencia de insulina disminuye la cantidad de glucosa disponible para las células y aumenta los niveles de glucosa en la
sangre. Tanto el exceso como la escasez de comunicación en
el organismo pueden provocar el caos.
CONTENIDOS
Microfotografía con luz polarizada de cristales de insulina.
Mecanismos de comunicación intercelular
Mensajeros químicos
127
128
Mecanismos de transducción de señales
Comunicación a larga distancia a través
de los sistemas nervioso y endocrino 145
136
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
127
OBJETIVOS

Comparar las tres clases funcionales principales de mensajeros
químicos (paracrinas, neurotransmisores y hormonas) en relación
con la célula que las libera y las formas en que el mensajero
alcanza la célula diana.

Describir la estructura básica y la función de cada clase química
de mensajero (aminas, catecolaminas, péptidos, esteroides y
eicosanoides) en relación con los mecanismos de síntesis,
liberación, transporte y transducción de señales.

Comparar y contrastar los mecanismos de transducción de señales
para mensajeros lipófilos y lipófobos.

Describir las siguientes clases funcionales de receptores:
receptores ligados a canales, receptores asociados a una enzima
y receptores asociados a la proteína G.

Comparar y contrastar la comunicación mediada a través
de los sistemas nervioso y endocrino.
Iones y
pequeñas
moléculas
Célula 1
Conexón
Célula 2
(a) Comunicación directa mediante uniones comunicantes
Mensajero
químico
Receptor
Antes de empezar…
Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
1. Células epiteliales, pág. 4
2. Biomoléculas, pág. 19
3. Estructura de la membrana plasmática, pág. 30
4. Proteínas de la membrana plasmática, pág. 30
Célula
secretora
Célula
diana
(b) Comunicación mediante mensajeros químicos
E
n el capítulo 2 aprendimos acerca de la estructura celular
y sus funciones básicas. Nuestros organismos están compuestos aproximadamente por 1014 de células, si bien no
pueden sobrevivir aisladas. En cambio, nuestras células dependen unas de otras para mantener el desarrollo interno en un
estado compatible para la vida. Para alcanzar este objetivo, las
células deben comunicarse. Este capítulo describe los mecanismos de la comunicación intercelular. Dicha comunicación
precisa una gran variedad de clases de biomoléculas, entre las
que se incluyen las proteínas. Para que exista comunicación,
resulta necesaria la secreción de mensajeros a través de los
procesos descritos en el capítulo 4. A menudo, estos mensajeros provocan una respuesta en otras células mediante la alteración de la actividad enzimática, como se describió en el capítulo 3. Ahora aplicaremos lo que aprendimos en capítulos
anteriores para describir la forma en que las células se comunican con las células vecinas y con células situadas en extremos
opuestos del organismo.
Mecanismos de comunicación
intercelular
Prácticamente todas las funciones corporales precisan comunicación entre las células. Ver una manzana necesita la comunicación entre las células de los ojos y las del cerebro. La lucha contra
una infección requiere la comunicación entre varios tipos de
células en la sangre. El crecimiento y el desarrollo desde el estado de niño al de adulto precisan la comunicación entre las células por todo el organismo. Existen otros cientos de ejemplos
FIGURA 5.1 Tipos de comunicación intercelular. (a) Comunicación
directa mediante uniones comunicantes. Las uniones comunicantes están
compuestas por estructuras de proteínas de membrana denominadas
conexones, que ligan los citosoles de dos células adyacentes, lo que permite a
los iones y las pequeñas moléculas moverse entre las células. (b) Comunicación
mediante mensajeros químicos. Después de que una célula secretora libera un
mensajero en el líquido extracelular, este se une a receptores de las células
diana, lo que desencadena una respuesta en las mismas.
posibles. Sorprendentemente, las células del organismo utilizan
solo unos pocos mecanismos para comunicarse entre sí. En relativamente pocos casos, las células están ligadas físicamente por
uniones comunicantes y, en la mayoría de los casos, las células
se comunican mediante mensajeros químicos.
Comunicación directa mediante uniones
comunicantes
Recuerda del capítulo 2 que las uniones comunicantes unen
entre sí las células adyacentes y están formadas por proteínas de
la membrana plasmática, denominadas conexinas, que constituyen estructuras denominadas conexones (fig. 5.1a). Estos
conexones forman canales que permiten a los iones y las pequeñas moléculas pasar directamente de una célula a la otra. El
movimiento de los iones a través de las uniones comunicantes
se acopla eléctricamente a las células, de forma que las señales
eléctricas en una célula se transmiten de forma directa a las
células vecinas. Por ejemplo, las uniones comunicantes localiza-
128
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
das en el corazón y los músculos lisos de otros órganos internos,
como los intestinos y los vasos sanguíneos, provocan que las
células musculares se contraigan como una unidad, es decir,
las células se contraigan al mismo tiempo. El movimiento de
pequeñas moléculas mediante uniones comunicantes se acopla de forma metabólica a las células, de forma que una célula
puede proporcionar los nutrientes necesarios a otras células. Por
ejemplo, las uniones comunicantes permiten a los nutrientes
alcanzar determinadas células óseas distantes del torrente sanguíneo. Asimismo, se encuentran uniones comunicantes en
algunas glándulas, y entre algunas neuronas del cerebro y la retina, donde funcionan en comunicación.
Comunicación indirecta
mediante mensajeros químicos
La mayoría de las veces, las células se comunican mediante
mensajeros químicos (fig. 5.1b), que son todos ligandos, es decir,
moléculas que se enlazan con las proteínas de forma reversible
(v. «Caja de herramientas: Interacciones ligando-proteína»,
capítulo 3). El organismo tiene cientos de mensajeros químicos,
con multitud de funciones.
La comunicación mediante mensajeros químicos se produce
cuando una célula libera una sustancia química en el líquido
intersticial, normalmente mediante un proceso denominado
secreción, y otra célula, denominada la célula diana, responde al
mensajero químico. En esencia, la célula diana es aquella a la
que va «destinado» un mensaje. Una célula diana responde al
mensajero químico porque tiene determinadas proteínas, denominadas receptores, que reconocen de forma específica el mensajero y se unen a él.
La unión de los mensajeros a los receptores produce una respuesta en la célula diana mediante una gran variedad de meca-
nismos denominados transducción de señales. En términos
generales, la intensidad de la respuesta de la célula diana aumenta a medida que aumenta el número de receptores unidos. El
número de receptores unidos depende tanto de la concentración del mensajero en el líquido intersticial como de la concentración de receptores en la célula diana.
Mensajeros químicos
Los mensajeros químicos se pueden clasificar por su función y
su estructura química. En primer lugar, tendremos en cuenta las
clases funcionales de los mensajeros químicos.
Clasificación funcional
de los mensajeros químicos
Aunque existen cientos de mensajeros químicos, la mayoría se
pueden clasificar en tres categorías principales: 1) paracrinos;
2) neurotransmisores, y 3) hormonas (fig. 5.2). Cuando se liberan en el líquido intersticial, cada una de estas categorías de
mensajeros transmite una señal mediante la unión a receptores
de una célula diana, como se describirá a continuación.
Las sustancias químicas paracrinas son aquellas que se
comunican con las células vecinas. La célula diana debe estar lo
suficientemente cerca para que, una vez que se segregue en el
líquido extracelular la sustancia paracrina, pueda alcanzarla
mediante difusión simple (v. fig. 5.2a). Entre las sustancias paracrinas, normalmente se incluyen los factores de crecimiento, los
factores de coagulación y las citocinas. Los factores de crecimiento son proteínas que estimulan la proliferación y la diferenciación de las células; no se hablará más de ellos en este libro.
Los factores de coagulación son proteínas que estimulan la for-
Célula secretora
(presináptica)
Célula secretora
Célula secretora
(célula endocrina)
Hormona
Paracrina
Receptor
Célula diana
(célula vecina)
Vaso
sanguíneo
Axón terminal
Neurotransmisor
Sinapsis
Célula no
diana (sin
receptores)
Receptor
Receptor
Célula diana (postsináptica)
(a) Paracrinas
(b) Neurotransmisores
FIGURA 5.2 Clases funcionales de mensajeros químicos. (a) Las
sustancias paracrinas son segregadas por una célula y difunden a una célula
diana cercana. (b) Los neurotransmisores se segregan a partir de las neuronas
en estructuras especializadas funcionalmente denominadas sinapsis. El axón
terminal de una célula presináptica libera el neurotransmisor, que difunde a
una distancia muy corta para unirse a receptores de una célula diana específica,
Célula diana
(c) Hormonas
denominada célula postsináptica. (c) Las células endocrinas segregan las
hormonas hacia el líquido intersticial. Entonces, las hormonas difunden en el
torrente sanguíneo para transportarse hasta las células diana en el organismo.
Las células diana se identifican por la presencia de receptores para una
hormona específica. Las células que carecen de receptores para esa hormona
no pueden responder a su señal.
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
129
DESCUBRIMIENTOS
Antihistamínicos
La histamina es una amina biógena con funciones paracrinas y neurotransmisoras. Una
vez liberada, la histamina actúa sobre las
células diana mediante la unión con uno de
sus tres tipos de receptores: H1, H2 o H3. Las
histaminas que se unen a los receptores H1 en
las células diana pueden producir varios síntomas de respuesta alérgica, entre los que se
incluyen la constricción de las vías respiratorias, el aumento de la secreción de líquidos en
las vías respiratorias y la dilatación de los
vasos sanguíneos. Durante las reacciones
alérgicas graves, la presión arterial puede disminuir tanto que la sangre no pueda circular
de forma adecuada, dando como resultado
un shock anafiláctico. El shock anafiláctico
suele ir acompañado de edema de las vías
respiratorias, lo que provoca dificultad respiratoria.
En el tratamiento de las reacciones alérgicas y de algunas úlceras, se suelen administrar
antihistaminínicos, que bloquean los receptores H1 o H2 en las células diana. Entre los
antagonistas de los receptores H1 clásicos se
encuentran el clorhidrato de difenhidramina y
el dimenhidrinato. Sin embargo, cuando se
emplean antagonistas de un receptor para tratar una enfermedad, se bloquean los receptores por todo el organismo, incluyendo aque-
llos que no tienen nada que ver con la dolencia,
lo que provoca efectos secundarios. En el caso
de los antagonistas de los receptores H1, el
efecto secundario predominante es la somnolencia provocada por el bloqueo de los receptores H1 en el cerebro, relacionados con el
estado de alerta mental. Recientemente se
han desarrollado antagonistas de los receptores H1 que no acceden al cerebro para disminuir los efectos secundarios sedantes.
Algunos ejemplos son la loratadina y la
fexofenadina.
La histamina que se une a los receptores H2
estimula la secreción de ácido del estómago,
lo que puede dar lugar a la producción de
pirosis, una sensación de ardor provocada por
la irritación ácida del esófago. Asimismo, la
secreción de ácido puede causar úlceras gástricas e intestinales, y perforaciones del revestimiento epitelial de estos órganos. Por consiguiente, la pirosis y algunas úlceras se tratan
mediante la administración de antagonistas
de los receptores H2, como la cimetidina y la
ranitidina. Entre los efectos secundarios asociados a los antagonistas de receptores H2 se
encuentran el dolor de cabeza y la somnolencia.
Cuanto más específico resulta un fármaco
para un determinado tipo de receptor, más
mación de coágulos sanguíneos; se hablará en detalle de ellos en
el capítulo 15. Las citocinas son péptidos, normalmente liberados a partir de células inmunes, que intervienen en la coordinación de las defensas del organismo contra las infecciones. Aunque la mayoría de las citocinas funcionan como paracrinas, otras
viajan en el torrente sanguíneo hasta células diana distantes y
trabajan más como las hormonas, como se describe a continuación. Hablaremos de las citocinas en detalle en el capítulo 23.
Un ejemplo de un mensajero paracrino es la histamina, una
sustancia química importante en las reacciones alérgicas y la
inflamación y que segregan los mastocitos repartidos por todo el
organismo (v. «Descubrimientos: Antihistamínicos»). Durante
las reacciones alérgicas, la histamina es responsable de la rinorrea y los ojos rojos y llorosos asociados a este proceso. La liberación de histamina por parte de los mastocitos como respuesta
a las infecciones bacterianas y a varias formas de daños en los
tejidos forma parte de una respuesta compleja denominada
inflamación, caracterizada en parte por el enrojecimiento y la
específicas son también sus acciones terapéuticas y menores los efectos secundarios. Las
compañías farmacéuticas están constantemente diseñando nuevos fármacos que se
unan de forma específica a las subclases de
receptores para un determinado mensajero.
Además, los fármacos se pueden modificar de
forma química para limitar el acceso a determinadas estructuras y eliminar así los efectos
secundarios no deseados. El resultado combinado es la mejora de los tratamientos de las
dolencias.
La histamina provoca inflamación en las picaduras de insectos.
tumefacción. En la inflamación, la histamina aumenta el flujo
sanguíneo en los tejidos afectados (produciendo enrojecimiento) y provoca que el flujo se fugue de los vasos sanguíneos y vaya
al tejido (produciendo tumefacción).
Las autocrinas son una subclase de sustancias paracrinas
que actúan en la misma célula que las segregó. Por tanto, la célula secretora es también la célula diana. A menudo una sustancia
autocrina regula su propia secreción.
Los neurotransmisores son sustancias químicas liberadas
en el líquido intersticial desde las células del sistema nervioso
denominadas neuronas. Los neurotransmisores se liberan desde una porción especializada de la neurona denominada axón
terminal (v. fig. 5.2b), que se encuentra muy cerca de la célula
diana. Dado que la unión entre las dos células se denomina
sinapsis, la comunicación por medio de neurotransmisores a
menudo se denomina señalización sináptica. La célula que libera el neurotransmisor se denomina neurona presináptica,
mientras que la célula diana (que puede ser otra neurona, una
130
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
TABLA 5.1 Clasificación funcional de los mensajeros químicos
Clase
Tipo de célula
secretora
Distancia hasta
la célula diana
Modo de transporte
de la célula diana
Clasificación química
de los mensajeros
Paracrina
(Varias)
Corta
Difusión
Aminas, péptidos/proteínas, eicosanoides
Neurotransmisor
Neurona
Corta*
Difusión
Aminoácidos, aminas, péptidos/proteínas
Hormona
Endocrina
Larga
Sangre
Aminas, esteroides, péptidos/proteínas
*Aunque los neurotransmisores difunden solo a una distancia corta hasta la célula postsináptica, algunas neuronas participan en la comunicación a larga distancia, porque la neurona que libera el
neurotransmisor a menudo es larga (hasta 1 m).
glándula o una célula muscular) se denomina célula postsináptica. Con la liberación de la neurona presináptica, el neurotransmisor difunde rápidamente a una distancia corta desde el
axón terminal y se une a los receptores en la célula postsináptica, lo que desencadena una respuesta. La comunicación entre
una neurona y su(s) célula(s) diana resulta muy específica, porque va dirigida solo a células con las que tiene una sinapsis. Un
ejemplo de neurotransmisor es la acetilcolina, liberada por las
neuronas que desencadenan la contracción de los músculos
esqueléticos.
Las hormonas son sustancias químicas liberadas por las
glándulas endocrinas (u ocasionalmente otro tipo de tejido) al
líquido intersticial, desde donde se pueden difundir por la sangre (v. fig. 5.2c). Las hormonas viajan en la sangre hasta sus células diana, que pueden estar distantes del lugar donde se libera la
hormona. El torrente sanguíneo distribuye una hormona a casi
todas las células del organismo, pero solo las células que poseen
receptores específicos para ella son capaces de responder y, por
tanto, servir de células diana. Un ejemplo de hormona es la insulina, que segrega el páncreas y actúa en las células diana de todo
el organismo para regular el metabolismo de energía.
Una clase especial de hormonas, denominadas neurohormonas, son segregadas por una clase especial de neuronas
denominas células neurosecretoras por medio de un mecanismo
similar al de la liberación de neurotransmisores (v. capítulo 8).
Al igual que las hormonas «clásicas» segregadas por las glándulas endocrinas, las neurohormonas se liberan en el líquido
intersticial y después difunden por la sangre, que las distribuye
a las células diana de todo el organismo. Un ejemplo de neurohormona es la vasopresina o ADH (hormona antidiurética), sintetizada por las células neurosecretoras que se originan en una
zona del cerebro denominada hipotálamo. Una vez que se libera
la vasopresina de los axones terminales de estas células neuro-
secretoras, que están situadas en la neurohipófisis, viaja en la
sangre hasta sus células diana. Las células diana primarias
están situadas en los riñones, donde la vasopresina afecta al
volumen de orina que se excreta.
En la tabla 5.1 se resumen algunas características de las clases funcionales de los mensajeros químicos.
Resulta importante reparar en que un mensajero químico
puede encuadrarse en más de una de estas clases funcionales.
Por ejemplo, la serotonina es un neurotransmisor cuando la
liberan las neuronas de determinadas regiones del cerebro, pero
es una sustancia paracrina cuando se libera de las plaquetas,
fragmentos celulares localizados en la sangre.
Para conocer la forma en que las diferentes clases de mensajeros químicos colaboran, véase «Comprender el ejercicio:
Mensajeros químicos del ejercicio».
Clasificación química de los mensajeros
La estructura química de un mensajero determina sus mecanismos de síntesis, liberación, transporte y transducción de señales. La característica química más importante consiste en si el
mensajero puede disolverse en el agua o traspasar la bicapa lipídica de la membrana plasmática de las células. Las moléculas
lipófilas (hidrófobas) son solubles en lípidos (y, por tanto, traspasan fácilmente la membrana plasmática), pero no se disuelven en el agua. Las moléculas hidrófilas (lipófobas) son solubles
en agua y no traspasan la membrana plasmática.
En las siguientes secciones trataremos las cinco clases principales de mensajeros químicos: 1) aminoácidos; 2) aminas;
3) péptidos/proteínas; 4) esteroides, y 5) eicosanoides (tabla 5.2).
Otros mensajeros químicos, como la acetilcolina y el óxido nítrico, no se encuadran en ninguna de estas clases y se discutirán en
capítulos posteriores.
TABLA 5.2 Clasificación química de los mensajeros
Clase
Propiedad química
Ubicación de los receptores
en la célula diana
Clasificación funcional
Aminoácidos
Lipófoba
Membrana plasmática
Neurotransmisores
Aminas*
Lipófoba
Membrana plasmática
Paracrinas, neurotransmisores,
hormonas
Péptidos/proteínas
Lipófoba
Membrana plasmática
Paracrinas, neurotransmisores,
hormonas
Esteroides
Lipófila
Citosol†
Hormonas
Eicosanoides
Lipófila
Citosol
Paracrinas
*Una excepción son las hormonas tiroideas, las cuales, a pesar de ser aminas, son lipófilas y tienen receptores en el núcleo de las células diana.
†
Algunas hormonas esteroideas tienen receptores en la membrana plasmática.
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
131
COMPRENDER EL E JERCICIO
Mensajeros químicos del ejercicio
Cuando una persona realiza ejercicio, contrae los músculos esqueléticos, esto es, los
músculos adheridos al hueso u otro tejido
conjuntivo, lo que permite el movimiento
voluntario del cuerpo. La contracción de un
músculo esquelético requiere la acción de las
tres clases funcionales de mensajeros químicos. Los movimientos voluntarios del ejercicio necesitan que las señales neurales del
cerebro y la médula espinal digan a varios
músculos si se tienen que contraer y en qué
medida. Estas señales se producen en la forma de un neurotransmisor denominado acetilcolina. Sorprendentemente, toda la actividad muscular contráctil de nuestro organismo
está controlada por esta sustancia química (o
el sistema nervioso la libera y hace que se
contraiga el músculo, o no se libera y se relaja el músculo). Cuanta más acetilcolina se
comunique con una célula muscular deter-
minada, más se contraerá esa célula muscular.
Sin embargo, los músculos no se pueden
contraer sin energía. Por tanto, un músculo en
contracción necesita recibir un aumento de
flujo sanguíneo que le aporte oxígeno y
nutrientes en grandes cantidades. Para
aumentar el flujo sanguíneo, el corazón necesita bombear más rápidamente y con más
fuerza. Del mismo modo, los vasos sanguíneos
de los músculos necesitan dilatarse (aumentar
su diámetro). El corazón recibe señales neurales y endocrinas en forma de noradrenalina y
adrenalina. Responde con latidos más rápidos
y más fuertes. Los vasos sanguíneos se dilatan
fundamentalmente en respuesta a las señales
endocrinas y paracrinas. El incremento de la
hormona adrenalina y el óxido nítrico de
acción paracrina hacen que se dilaten los
vasos sanguíneos. Por tanto, la adrenalina
Mensajeros aminoácidos
Hay cuatro aminoácidos clasificados como mensajeros químicos, porque funcionan como neurotransmisores en el cerebro y
la médula espinal: glutamato, aspartato, glicina y ácido gammaaminobutírico (GABA). El glutamato, el aspartato y la glicina se
encuentran entre los 20 aminoácidos (alfa-aminoácidos) que
se utilizan en la síntesis de proteínas, mientras que el GABA pertenece a una clase distinta de aminoácidos (gamma-aminoácidos). Los aminoácidos son lipófobos, es decir, se disuelven en el
agua, pero no atraviesan las membranas plasmáticas. Dado que
los mensajeros aminoácidos funcionan solo como neurotransmisores, se describen en detalle en el capítulo 8.
Mensajeros aminas
Las aminas, que son mensajeros químicos derivados de los
aminoácidos, se denominan así debido a que poseen un grupo amino (— NH2). Entre las aminas se incluye un grupo de compuestos denominado catecolaminas, que contienen un grupo
catecol (un anillo de seis carbonos) y se derivan del aminoácido
tirosina. Entre las catecolaminas se incluyen la dopamina, la
noradrenalina y la adrenalina. La dopamina y la noradrenalina
funcionan principalmente como neurotransmisores, mientras
que la adrenalina lo hace principalmente como una hormona.
Otras aminas son el neurotransmisor serotonina, que se deriva
del triptófano, las hormonas tiroideas, que se derivan de la tirosina, y la histamina paracrina, que se deriva de la histidina. La
afecta tanto al corazón como a los vasos sanguíneos durante el ejercicio. Las hormonas
suelen tener más de un tipo de célula diana.
La dilatación hace llegar más sangre al
músculo, si bien se precisan otras señales químicas para garantizar la absorción de los
nutrientes necesarios. Por ejemplo, los músculos en ejercicio tienen un mejor transporte de
glucosa a las células. El mecanismo sobre el
que se asienta este aumento aún no está establecido de forma definitiva, pero requiere un
incremento del número de transportadores de
glucosa expresados en la membrana celular
del músculo. A diferencia de la mayoría de los
transportadores de glucosa de la membrana
celular, los que se expresan en los músculos en
ejercicio no dependen de la insulina. Las teorías actuales sugieren una implicación de sustancias paracrinas, como el calcio, el óxido
nítrico o la bradicinina en esta expresión.
mayoría de las aminas son lipófobas, por lo que se disuelven en
el agua y no traspasan las membranas plasmáticas. Las hormonas tiroideas son una excepción: son lipófilas y, por tanto, no se
disuelven en el agua, aunque traspasan fácilmente las membranas plasmáticas.
Mensajeros péptido/proteína
La mayoría de los mensajeros químicos son polipéptidos, cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Estos mensajeros se clasifican como péptidos o proteínas en función de su
tamaño, que varía de forma considerable, desde solo dos aminoácidos a más de 100. El término péptido normalmente hace
referencia a cadenas de menos de 50 aminoácidos, mientras que
las proteínas son cadenas más largas de aminoácidos. Los polipéptidos son lipófobos y, por tanto, se disuelven en el agua, pero
no pueden traspasar las membranas plasmáticas.
Mensajeros esteroideos
Los esteroides son una clase de compuestos derivados del colesterol. Todos los mensajeros esteroideos del organismo funcionan como hormonas. Recuerda del capítulo 2 que el colesterol
es un lípido con una estructura característica de anillo de cuatro
elementos. Dado que los esteroides se derivan del colesterol,
que es lipófilo, también son lipófilos, atraviesan con facilidad las
membranas plasmáticas y no son solubles en el agua.
132
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
Mensajeros eicosanoides
Entre los eicosanoides se incluye una gran variedad de sustancias paracrinas producidas por casi todas las células del organismo. La mayoría de los eicosanoides se derivan del ácido
araquidónico, un ácido graso de 20 carbonos que se encuentra
en varios fosfolípidos de la membrana plasmática. Dado que
los eicosanoides son lípidos, traspasan con facilidad la membrana plasmática y no son solubles en el agua. Entre los eicosanoides se incluyen las siguientes familias de compuestos
relacionados químicamente: prostaglandinas, leucotrienos y
tromboxanos.
COOH
HO
CH2
C
NH2
Tirosina
H
Tirosina
-hidroxilasa
OH
COOH
CH2
HO
C
NH2
L-Dihidroxifenilalanina
(L-dopa)
H
Test rápido 5.1
1. Nombra las tres clases funcionales de mensajeros. ¿Qué mensajeros
transporta la sangre hasta las células diana?
2. Nombra las cinco clases químicas de mensajeros. ¿Cuáles son lipófobos y cuáles lipófilos?
3. ¿Qué clase química de mensajero deriva del colesterol? ¿A qué clase
funcional pertenecen estos mensajeros?
Grupo
catecol
OH
HO
CH2
Aminas
Todas las aminas derivan de los aminoácidos, y todas excepto las
hormonas tiroideas se sintetizan en el citosol mediante una serie
de reacciones catalizadas por enzimas (la síntesis y liberación de
las hormonas tiroideas se describe en el capítulo 21). El tipo
de amina que se produce depende de las enzimas presentes en
una célula determinada.
La figura 5.3 muestra la vía de síntesis de las catecolaminas,
que se derivan del aminoácido tirosina. Ten presente que en
esta ruta la dopamina es el precursor de la noradrenalina, que,
a su vez, sirve como precursor de la adrenalina. Dado que la
dopamina es un precursor de las otras catecolaminas, todas las
NH2
Dopamina
NH2
Noradrenalina
OH
HO
CH
CH2
OH
Feniletanolamina
N-metiltransferasa (PNMT)
Aminoácidos
Aunque los aminoácidos se pueden obtener de la dieta, los cuatro aminoácidos que funcionan como neurotransmisores se
deben sintetizar dentro de la neurona que los segregará.
El glutamato y el aspartato se sintetizan a partir de la glucosa
a través de una serie de reacciones de tres pasos. En primer lugar,
la glucosa se cataboliza en ácido pirúvico mediante glucólisis.
Después, el ácido pirúvico se convierte en acetil-CoA, que entra
en el ciclo de Krebs. Finalmente, los grupos aminos se añaden a
determinados intermediarios del ciclo de Krebs para formar glutamato o aspartato. La glicina se sintetiza a partir de un intermediario glucolítico, 3-fosfoglicerato, en una serie de cuatro reacciones. El GABA se sintetiza a partir del glutamato en una
reacción única catalizada por la enzima descarboxilasa del ácido
glutámico.
Después de la síntesis en el citosol, los neurotransmisores
aminoácidos se transportan en vesículas, donde se almacenan
hasta que son liberados mediante exocitosis.
CH2
Dopamina
-hidroxilasa
Síntesis y liberación de mensajeros químicos
Las rutas sintéticas generales y los mecanismos de liberación
para mensajeros químicos son similares dentro de una clase química. En esta sección examinaremos la síntesis y liberación de
cada clase de mensajero.
Dopa
decarboxilasa
OH
HO
CH
CH2
NH
CH3
Adrenalina
OH
FIGURA 5.3 Síntesis de la catecolamina. Las catecolaminas se sintetizan
a partir del aminoácido tirosina mediante una secuencia de reacciones
catalizadas por enzimas en la que una catecolamina funciona como precursora
de la siguiente. Se resaltan los nombres de las catecolaminas que funcionan
como mensajeros.
P ¿Qué grupo químico se elimina de la -dopa para formar dopamina?
L
células que segregan catecolaminas poseen las dos enzimas
que catalizan su síntesis: tirosina B-hidroxilasa y dopa descarboxilasa. En función de la catecolamina que segregue, una
célula puede o no puede poseer enzimas para los pasos restantes. Por tanto, las células que segregan dopamina carecen de
las enzimas necesarias para los dos pasos finales. Las que
segregan noradrenalina y adrenalina contienen la enzima
dopamina B-hidroxilasa, mientras que las que segregan adrenalina contienen una enzima adicional: la feniletanolamina
N-metiltransferasa (PNMT).
Después de la síntesis, las aminas se empaquetan en vesículas citosólicas, donde se almacenan hasta que se desencadena su
liberación. La síntesis de noradrenalina y adrenalina se completa realmente dentro de las vesículas, donde se localizan la dopamina B-hidroxilasa y la PNMT. La liberación se produce mediante exocitosis.
C A P Í T U LO 5
133
Mensajeros químicos
Retículo endoplásmico rugoso
Aparato de Golgi
mARN
1
Polipéptido
Prepropéptido
Propéptido
5
Propéptido
6
4
Propéptido
3
2
Péptido
Vesícula
secretora
Aminoácidos cortados
Aminoácidos
cortados
Vesícula
de transporte
Retículo endoplásmico
liso
Prepropéptido
Péptido
Propéptido
Aminoácidos
cortados
Aminoácidos
cortados
(a) Síntesis de péptidos
Preprohormona
Prohormona
Aminoácidos
cortados
Hormona
Aminoácidos
cortados
(b) Esquema generalizado de la síntesis de hormonas
Hormona preproparatiroidea
(115 aminoácidos)
Hormona proparatiroidea
(90 aminoácidos)
25 aminoácidos
cortados
Hormona paratiroidea
(84 aminoácidos)
6 aminoácidos
cortados
(c) Síntesis de la hormona paratiroidea
FIGURA 5.4 Síntesis y liberación de péptidos. (a) Los pasos de la síntesis de péptidos. Véase el texto
para obtener una descripción detallada. (b) Los pasos generales de la síntesis de hormonas peptídicas.
(c) Ejemplo específico de modificación de la hormona preproparatiroidea, que contiene 115 aminoácidos,
hasta la hormona paratiroidea activa, que contiene 84 aminoácidos.
Péptidos y proteínas
Los péptidos y las proteínas se sintetizan de la misma forma que
otras proteínas destinadas para la secreción, como se describe en
el capítulo 2. Dicho brevemente, el mARN citosólico sirve como la
plantilla que codifica la secuencia de aminoácidos en el péptido o
la proteína. La traducción de este mARN comienza en los ribosomas libres del citosol. Los pasos siguientes, mostrados en la figura 5.4a con un péptido para este ejemplo, son los siguientes:
➀ Una vez que comienza la traducción, el ribosoma se adhiere al
retículo endoplásmico rugoso, donde se produce el resto de la
traducción. El polipéptido se forma dentro de la luz del retículo endoplásmico rugoso, primero como un prepropéptido.
➁ En la luz del retículo endoplásmico, las enzimas proteolíticas
separan algunos aminoácidos del preptopéptido, dando lugar
al propéptido.
➂ En el retículo endoplásmico liso, el propéptido se empaqueta
en vesículas de transporte.
➃ Las vesículas transportan el propéptido al aparato de Golgi.
➄ En el aparato de Golgi, el propéptido se empaqueta en una
vesícula secretora para almacenamiento hasta que la liberación se desencadena. Las enzimas proteólicas separan más
aminoácidos en el aparato de Golgi o en la vesícula secretora
para dar el producto final, un péptido.
➅ La liberación se produce mediante exocitosis.
Normalmente, los fragmentos peptídicos generados
mediante proteólisis se liberan junto con el mensajero primario y pueden o no ejercer sus propios efectos biológicos. La
figura 5.4c muestra un ejemplo esquemático de la síntesis de
una hormona proteica (en este caso, la hormona paratiroidea).
134
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
Colesterol
Fosfolípido de membrana
Producto
intermedio
no activo
Progesterona
Fosfolipasa A2
COOH
Producto
intermedio
no activo
Producto
intermedio
no activo
Producto
intermedio
no activo
Producto
intermedio
no activo
Producto
intermedio
no activo
Corticosterona
Dehidroepiandrosterona
Cortisol
Aldosterona
Ácido araquidónico
Ruta
ciclooxigenasa
Prostaglandinas
Prostaciclinas
Tromboxanos
Androstenodiona
Ruta
lipooxigenasa
Leucotrienos
FIGURA 5.6 Síntesis de eicosanoides. La fosfolipasa A2 cataliza la
Testosterona
Estrona
Dihidrotestosterona
Estradiol
conversión de un fosfolípido de membrana en ácido araquidónico, el precursor
de todos los eicosanoides. El ácido araquidónico se convierte en eicosanoides
a través de dos rutas: la ruta dependiente de la ciclooxigenasa lleva a la
producción de prostaglandinas, prostaciclinas y tromboxanos, mientras que
la ruta dependiente de lipooxigenasa lleva a la producción de leucotrienos.
Estriol
FIGURA 5.5 Ruta sintética para los esteroides. Cada flecha indica una
reacción catalizada por enzimas; las cajas verdes indican hormonas producidas
en la corteza suprarrenal; las cajas azules indican hormonas sexuales
masculinas; las cajas naranjas indican hormonas sexuales femeninas.
Esteroides
Los mensajeros esteroideos se sintetizan del colesterol en una
serie de reacciones (fig. 5.5) catalizadas por enzimas ubicadas en
el retículo endoplásmico liso o la mitocondria. Como resultado,
la molécula de colesterol se modifica ligeramente, pero su estructura básica de anillo permanece intacta, así como su carácter
lipófilo. Por consiguiente, todos los esteroides son capaces de
traspasar la membrana plasmática. Como pueden permear la
membrana, los esteroides no se pueden almacenar antes de liberarse y, por el contrario, salen de la célula hacia el líquido intersticial mediante difusión tan pronto como se sintetizan. Por tanto, aunque los leucocitos que segregan péptidos o aminas
pueden sintetizar mensajeros con anterioridad y almacenarlos
en vesículas para liberarlos a petición, las hormonas esteroideas
se sintetizan a demanda y se liberan inmediatamente.
Comprueba tus conocimientos
Utiliza la figura 5.5 para explicar la forma en que determinadas
hormonas sexuales masculinas son necesarias para la síntesis de
determinadas hormonas sexuales femeninas.
Eicosanoides
Al igual que los esteroides, los eicosanoides se sintetizan a
demanda y se liberan inmediatamente, porque son lipófilos y
capaces de traspasar las membranas con facilidad. El primer
paso en la síntesis de eicosanoides (fig. 5.6) comprende una
enzima denominada fosfolipasa A2, que se activa como respuesta a señales químicas de varios tipos (paracrinas, hormonas,
neurotransmisores, e incluso sustancias químicas extrañas).
Cuando está activa, esta enzima cataliza la liberación del ácido
araquidónico desde los fosfolípidos de membrana. Una vez que
se libera el ácido araquidónico de la membrana, el producto
final depende del complemento de enzimas presentes en la
célula determinada.
Para convertirse en un eicosanoide, una molécula de ácido
araquidónico se une, en primer lugar, a una de estas dos enzimas: ciclooxigenasa o lipooxigenasa. La ciclooxigenasa es la primera enzima de una serie de reacciones denominada ruta de la
ciclooxigenasa, que conduce a la síntesis de prostaciclinas, prostaglandinas y tromboxanos. Las prostaciclinas y los tromboxanos resultan importantes en la coagulación de la sangre. Las
prostaglandinas están involucradas en varios sistemas, entre los
que se incluye la respuesta inflamatoria (descrita en el capítulo 23). La lipooxigenasa es la primera enzima de una serie de
reacciones denominada ruta de la lipooxigenasa, que conduce a
la síntesis de leucotrienos, los cuales también contribuyen a la
respuesta inflamatoria.
Debido a la función de los eicosanoides en la inflamación,
muchos fármacos antiinflamatorios, como el ácido acetilsalicílico, actúan sobre las enzimas involucradas en la síntesis de eicosanoides. Mediante la inhibición de la actividad de la enzima
ciclooxigenasa, el ácido acetilsalicílico no solo disminuye la
inflamación, sino también la coagulación de la sangre. Es precisamente este efecto el que ha hecho que los médicos prescriban
bajas dosis de este fármaco a los pacientes propensos a un infarto o derrame cerebral, que pueden resultar provocados por coágulos de sangre en las arterias coronarias y cerebrales respecti-
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
135
CONEXIONES CLÍNICAS
Desde el ácido acetilsalicílico a los inhibidores de COX-2
El ácido acetilsalicílico es uno de los numerosos fármacos antiinflamatorios no esteroideos
(AINE) que alivian el dolor mediante la disminución de la producción de determinadas
prostaglandinas (PG), eicosanoides que provocan dolor e inflamación. Una enzima fundamental en la síntesis de las PG es la ciclooxigenasa (COX). A comienzos de la década de los
noventa, se identificaron dos formas de COX:
COX-1 y COX-2. La COX-1, siempre presente
en el organismo, normalmente está asociada
a la síntesis de las PG necesarias para mantener la homeostasis. Por el contrario, la COX-2
se activa en presencia de sustancias químicas
liberadas al producirse daños en los tejidos e
infecciones, y conduce a la producción de PG
asociadas al dolor y la inflamación. El ácido
acetilsalicílico inhibe de forma no selectiva la
actividad de las dos formas de COX. La inhibición de la COX-2 es la que consigue el alivio
del dolor.
Aunque el ácido acetilsalicílico se utiliza
para tratar el dolor, la inflamación y la fiebre,
la inhibición de COX-1, por su parte, provoca
varios efectos secundarios (algunos favorables
y otros no). El ácido acetilsalicílico disminuye
la producción de tromboxano A2, sustancia
química que interviene en la formación de
coágulos sanguíneos. Sin embargo, a mayores
dosis, el ácido acetilsalicílico también reduce
la producción de PGI2 (prostaciclina), una sustancia química que inhibe la producción de
coágulos sanguíneos. Por tanto, los médicos a
menudo prescriben 82 mg de ácido acetilsalicílico (infantil) para evitar la formación de coágulos sanguíneos que puedan provocar infartos o derrames cerebrales, mientras que
normalmente se usan 350 mg de ácido acetilsalicílico para tratar el dolor (esta dosis puede
provocar un coágulo). Además, el ácido acetilsalicílico inhibe la producción de PGE2 en el
estómago, que indirectamente protege la
película de este órgano de los ácidos. Por tanto, entre los principales efectos secundarios
del ácido acetilsalicílico se encuentran las
úlceras y las hemorragias gástricas.
En la búsqueda de analgésicos, las compañías farmacéuticas han desarrollado fármacos
que inhiben de forma selectiva la COX-2 para
tratar el dolor crónico y las enfermedades
inflamatorias, como la artritis. Las principales
ventajas de los inhibidores de COX-2 (como
rofecoxib o celecoxib) consisten en que no
inhiben la producción de PGE2, por lo que provocan menos daño en la película del estómago que el ácido acetilsalicílico. Desafortunada-
vamente (v. «Conexiones clínicas: Desde el ácido acetilsalicílico
a los inhibidores de COX-2»).
Transporte de mensajeros
Una vez liberado, un mensajero debe primero alcanzar y después unirse a receptores de la célula diana para que se transmita
la señal. En muchos casos, el mensajero se libera de una célula
que se encuentra cerca de la célula diana, de forma que alcanza
el receptor mediante difusión simple. Esto se aplica a las sustancias paracrinas y los neurotransmisores. Normalmente, estos
mensajeros se degradan rápidamente en el líquido intersticial
y se vuelven inactivos, lo que minimiza la expansión de sus
señales. Sin embargo, las hormonas se transportan en la sangre,
de forma que tienen acceso a la mayoría de las células del organismo.
La sangre puede transportar las hormonas disueltas o unidas
a proteínas transportadoras. Para transportarlas en forma disuelta, el mensajero debe ser hidrófilo (fig. 5.7a). Normalmente se
transportan de esta manera los péptidos y las aminas (excepto
mente, los inhibidores de COX-2 producen
efectos secundarios graves por sí mismos. Por
motivos que no se comprenden, estos fármacos parecen aumentar el riesgo de infarto y
derrame cerebral en individuos susceptibles a
las enfermedades cardiovasculares. Desgraciadamente, debemos seguir buscando el
«ácido acetilsalicílico perfecto».
Célula endocrina
Célula endocrina
Segregada
por
exocitosis
Segregada
por difusión
Hormona
libre
(<1%)
Vaso
sanguíneo
Mensajero
disuelto
(a) Mensajero hidrófilo
Unida a proteínas
portadoras (>99%)
(b) Mensajero hidrófobo
FIGURA 5.7 Transporte de mensajeros en la sangre. (a) Los mensajeros
hidrófilos se segregan mediante exocitosis, entran en el torrente sanguíneo y se
disuelven en el plasma. (b) Los mensajeros hidrófobos se segregan mediante
difusión simple y después se introducen en el torrente sanguíneo. La mayoría de
las moléculas mensajeras se transportan unidas a las proteínas transportadoras.
Solo la pequeña cantidad de hormonas libres del plasma está disponible de forma
inmediata para unirse a los receptores de las células diana.
136
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
las hormonas tiroideas). Puesto que los esteroides y las hormonas tiroideas son hidrófobas y no se disuelven bien en la sangre,
estas hormonas se transportan principalmente unidas a proteínas transportadoras (fig. 5.7b). Aunque la mayoría de las catecolaminas que funcionan como hormonas son hidrófilas y se
transportan disueltas, algunas están unidas a proteínas transportadoras. Algunas proteínas transportadoras son específicas
para una hormona determinada. Un ejemplo es la globulina de
unión a corticoesteroide, que transporta la hormona esteroidea
cortisol. Otras proteínas transportadoras, como la albúmina, no
son específicas y pueden transportar muchas hormonas diferentes.
Aunque las hormonas hidrófobas se transportan fundamentalmente en forma ligada, una determinada fracción de las moléculas de la hormona se disuelve en el plasma (normalmente
menos del 1%). Para cada una de esas hormonas, se desarrolla
un equilibrio entre la cantidad de hormona unida a una proteína
transportadora (Pr) en la forma de un complejo (H-Pr) y la cantidad de hormona libre (H) que se disuelve en el plasma:
Receptor C
Mensajero 1
Mensajero 2
Receptor A
Célula diana
para el
mensajero 2
Célula diana
para el
mensajero 1
Receptor B
FIGURA 5.8 Especificidad del receptor. El receptor A es específico
del mensajero 1, el receptor C es específico del mensajero 2 y ninguno de los
mensajeros se puede unir al receptor B. Ten en cuenta que los mensajeros se
pueden situar en la membrana plasmática (receptores A y B) o dentro de la
célula (receptor C).
Si el mensajero 2 se va a unir al receptor C (situado dentro de la célula
P
diana), debe atravesar su membrana plasmática. ¿Qué propiedad química debe
poseer el mensajero 2 para permitir la entrada a la célula?
H-Pr s H + Pr
Solo la hormona libre está disponible para unirse a receptores en
las células diana. Sin embargo, una vez que la hormona se une,
se elimina de la sangre, y el equilibrio entre la hormona unida y
la libre se mueve hacia la derecha, haciendo que las proteínas
transportadoras liberen más hormonas. De la misma forma, la
secreción de hormonas en la sangre hace que el equilibrio se
desplace hacia la izquierda, de forma que más hormonas se unan
a las proteínas transportadoras.
Una vez en el flujo sanguíneo, las hormonas se degradarán
en última instancia. El tiempo que una hormona permanece en
la sangre se mide en términos de semivida, el tiempo que tarda la mitad de la hormona en degradarse en la sangre. Normalmente, el hígado degrada y los riñones excretan los mensajeros
transportados en la sangre. Las hormonas presentes en forma
disuelta tienen semividas relativamente cortas, normalmente de
minutos. Sin embargo, las hormonas unidas a las proteínas portadoras están protegidas de la degradación y tienen mayores
semividas, normalmente de horas.
Test rápido 5.2
1. Nombra las tres catecolaminas. ¿Qué aminoácido es el precursor de
las catecolaminas? ¿Qué catecolamina funciona normalmente como
una hormona?
2. ¿Cómo se llama el ácido graso de los fosfolípidos de membrana que
se libera por acción de la fosfolipasa A2? ¿Qué clase de mensajeros
químicos produce este ácido graso?
3. ¿Qué clase(s) química(s) de hormona se transporta(n) en la sangre
unida(s) a proteínas portadoras? ¿Aumenta o disminuye normalmente dicha unión la semivida de una hormona?
Mecanismos de transducción
de señales
Los mensajeros químicos transmiten sus señales mediante la
unión a receptores de células diana situadas en la membrana
plasmática, en el citosol o en el núcleo. La ubicación del receptor depende de si el mensajero es lipófilo o lipófobo. En cual-
quier caso, la unión del mensajero al receptor cambia la actividad de las proteínas (por ejemplo, las enzimas) ya presentes en
la célula o estimula la síntesis de nuevas proteínas. Esta sección
describe las propiedades de los receptores y los diferentes
mecanismos de transducción de señales que estos ponen en
movimiento.
Propiedades de los receptores
Los receptores muestran especificidad por el mensajero, es decir,
normalmente se unen solo a un mensajero o una clase de mensajeros. Observa que en la figura 5.8, el mensajero 1 se puede
unir al receptor A, pero no a los receptores B o C. Por tanto, solo
la célula A es una célula diana para el mensajero 1. De igual forma, la célula C es la célula diana para el mensajero 2. La unión
entre un mensajero y un receptor es una interacción breve y
reversible, similar a las interacciones enzima-sustrato descritas
en el capítulo 3. La fuerza de la unión entre un mensajero y su
receptor se denomina afinidad.
A menudo un solo mensajero se puede unir a más de un tipo
de receptor y estos receptores pueden tener afinidades diferentes para el mensajero. Por ejemplo, los mensajeros químicos de
tipo catecolamina, adrenalina y noradrenalina, se pueden unir
ambos a receptores adrenérgicos. Existen varios tipos diferentes
de receptores adrenérgicos alfa (A) y beta (B), entre los que se
incluyen los receptores A1, A2, B1, B2 y B3. Los receptores A tienen
una mayor afinidad por la noradrenalina que por la adrenalina,
lo que significa que si la noradrenalina y la adrenalina están presentes en concentraciones iguales, un receptor A determinado
tiene mayor probabilidad de unirse a la noradrenalina que a la
adrenalina. Por el contrario, los receptores B2 tienen una mayor
afinidad por la adrenalina que por la noradrenalina. Los receptores B1 y B3 tienen aproximadamente las mismas afinidades por
la noradrenalina y la adrenalina.
Una célula diana puede tener receptores para más de un tipo
de mensajero. Por ejemplo, las células de los músculos esqueléticos tienen receptores para el neurotransmisor acetilcolina y la
hormona insulina. Los receptores de la acetilcolina participan
directamente en la estimulación de la contracción de los músculos, mientras que los receptores de la insulina están involucra-
Mensajeros químicos
137
Unión 2R 100%
100
Concentración del mensajero [M]
Número de receptores unidos
Porcentaje de receptores unidos
C A P Í T U LO 5
Unión R 100%
FIGURA 5.9 Efecto de la concentración del mensajero en la unión
mensajero-receptor. La proporción de receptores unidos aumenta
a medida que la concentración de mensajeros aumenta. Dado que la
cantidad de receptores unidos determina la magnitud de la respuesta de la
célula diana, el eje y podría etiquetarse también como «respuesta de la célula
diana».
Relación entre la unión al receptor y la magnitud
de la respuesta de la célula diana
Como regla general, la magnitud de la respuesta de una célula
diana a un mensajero químico depende de tres factores: 1) la
concentración del mensajero; 2) el número de receptores presentes, y 3) la afinidad del receptor por el mensajero.
La respuesta de una célula diana normalmente aumenta a
medida que la concentración del mensajero aumenta. Esto es
consecuencia del hecho de que los mensajeros normalmente
ejercen sus efectos mediante la unión reversible a receptores de
células diana, como se muestra en la siguiente reacción:
M + R s MR r respuesta
donde M es el mensajero, R es el receptor y M-R es el complejo
mensajero-receptor. A medida que aumenta la concentración
del mensajero, la reacción se desplaza hacia la derecha. La relación entre la concentración del mensajero y el número de receptores unidos se muestra en la figura 5.9. A medida que aumenta
la concentración del mensajero, aumenta la proporción de
receptores unidos hasta que todos los receptores tengan mensajeros unidos a ellos (el 100% en la fig. 5.9), condiciones en las que
se dice que el sistema está 100% saturado.
Asimismo, la respuesta de la célula diana depende del número de receptores que posee. Cuantos más receptores hay (cuanto
mayor es la densidad), resultará más probable que un mensajero
se una a un receptor (fig. 5.10a). Esto significa que, a cualquier
concentración de mensajero dada, el número de receptores unidos será mayor cuando haya más receptores presentes y la respuesta será mayor.
El número de receptores que posee una célula diana puede
variar en diferentes circunstancias como resultado de la síntesis
de nuevos receptores o el recambio de los antiguos. La regulación al alza, un aumento del número de receptores comparado
con las condiciones normales, se produce cuando las células
están expuestas a bajas concentraciones de mensajeros durante
un período prolongado. Mediante la producción de más recep-
(a) Efectos de la concentración del receptor
Alta afinidad por el mensajero
Porcentaje de receptores unidos
dos en la estimulación de la captación y el metabolismo de glucosa en la célula muscular.
Concentración del mensajero [M]
100
Baja afinidad por el mensajero
50
Baja [M] Más alta [M]
Concentración del mensajero [M]
(b) Efectos de la afinidad del receptor
FIGURA 5.10 Efectos de la concentración del receptor y la afinidad
en la unión mensajero-receptor. (a) Efectos de la densidad del receptor.
Las dos curvas ilustran los efectos de doblar la concentración de un
determinado receptor en una célula diana. R hace referencia a una
concentración dada del receptor; 2R hace referencia al doble de
esa concentración de ese receptor. Cuando la concentración del receptor se
duplica, el número máximo de receptores que se pueden unir al mensajero
también se duplica. (b) Efectos de la afinidad del receptor. Las dos curvas
ilustran los efectos de la afinidad del receptor en la proporción de receptores
con un mensajero unido a ellos. A cualquier concentración de mensajero
inferior al 100% de saturación, una mayor proporción de receptores de
alta afinidad tienen un mensajero unido comparado con los receptores
de baja afinidad. Los receptores de alta afinidad alcanzan la saturación a
una concentración inferior del mensajero que los receptores de baja afinidad.
Ten en cuenta que el máximo número de sitios que se pueden unir es
independiente de la afinidad del receptor.
tores, las células diana se adaptan a la carencia relativa de mensajeros, haciéndose más receptivas a ellos. La regulación a la
baja, una disminución del número de receptores, se produce
cuando las concentraciones de mensajeros son mayores de lo
normal durante un período prolongado. En este caso, las células
diana se adaptan, produciendo menos receptores y haciéndose
menos receptivas al mensajero.
Asimismo, la respuesta de la célula diana depende de la afinidad de sus receptores por el mensajero. Cuando un mensajero está
138
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
presente en una concentración dada,
resulta más probable que se unan los
receptores con mayor afinidad que
los receptores con menor afinidad, como
se muestra en la figura 5.10b. Por consiguiente, las células diana que poseen
receptores con mayor afinidad responderán con más fuerza a un mensajero
dado, siendo todo lo demás igual.
Agonistas y antagonistas
del receptor
Mensajero lipófilo
Líquido extracelular
Difusión
1a
Núcleo
1b
Receptor
citoplásmico
Célula diana
ADN
5
Receptor
nuclear
Proteínas
4
3
Ribosoma
Aunque la unión al receptor desencamRNA
2
dena siempre las respuestas de la célumARN
Complejo
la diana, no resulta cierto que la unión
Elemento de
hormonarespuesta a
al receptor siempre desencadene una
Envoltura nuclear
receptor
hormonas
respuesta. Entre otras cosas, depende
(HRE)
Poro nuclear
de la naturaleza del ligando que se une
a los receptores. Los ligandos que se
unen a los receptores y producen una
FIGURA 5.11 Acciones de las hormonas lipófilas en la célula diana. Véase el texto para obtener una
respuesta biológica se denominan agodescripción detallada.
nistas, mientras que los antagonistas
son ligandos que se unen a los receptores, pero que no producen una respuesta. Por el contrario, los antagonistas pueden competir reallidad por la membrana plasmática. La unión del mensajero con
mente con los agonistas por el receptor, disminuyendo la
el receptor modifica la síntesis de una proteína específica (o proprobabilidad de que se produzca la unión de un agonista al
teínas) por un mecanismo representado en la figura 5.11, que
receptor y provoque una respuesta.
muestra la acción de una hormona lipófila.
Comprueba tus conocimientos
La figura 5.9 muestra los efectos de la concentración del mensajero
en el porcentaje de receptores unidos. ¿Qué efecto tendría la adición
de un antagonista al líquido extracelular sobre el porcentaje de
receptores unidos al mensajero? Dibuja un gráfico que describa el
porcentaje de receptores unidos en el eje y y la concentración de
mensajeros en el eje x. Dibuja tres curvas que representen: 1) ningún
antagonista presente; 2) una baja concentración de antagonistas,
y 3) una alta concentración de antagonistas.
Algunos fármacos terapéuticos y experimentales desarrollados por las compañías farmacéuticas son agonistas o antagonistas de receptores artificiales (v. «Descubrimientos: Antihistamínicos»). Por ejemplo, en condiciones de reposo, la noradrenalina
que se libera de determinadas neuronas se une a los receptores
alfa, provocando la constricción de los vasos sanguíneos y un
aumento de la presión arterial. El fármaco fenilefrina es un alfaagonista y provoca los mismos efectos. Sin embargo, el fármaco
fenoxibenzamina es un alfa-antagonista y evita que la noradrenalina se una a los receptores alfa. La fenoxibenzamina no surte
efecto por sí misma, pero al bloquear el efecto de la noradrenalina, hace que la presión arterial disminuya.
Mecanismos de transducción de señales
para respuestas mediadas por receptores
intracelulares
Los receptores para los mensajeros lipófilos normalmente están
ubicados en el citosol o el núcleo de las células diana, y son fácilmente accesibles, dado que estos mensajeros se filtran con faci-
1a Si un receptor está situado en el núcleo, entonces la hormona
difunde hacia el núcleo y se une a él, formando un complejo
hormona-receptor.
1b Si un receptor está situado en el citosol, entonces la hormona
se une a él allí, formando un complejo hormona-receptor que
accede al núcleo con posterioridad.
➁ Dentro del núcleo, el complejo se une a una determinada
región del ADN denominada elemento de respuesta a hormonas (HRE), ubicado al comienzo de un gen específico.
➂ La unión del complejo al HRE activa o desactiva el gen, el cual
afecta a la transcripción de mARN y aumenta o disminuye en
última instancia la síntesis de la proteína codificada por el gen.
En este ejemplo, el gen se activa y la síntesis de mARN aumenta.
➃ El mARN se desplaza al citosol.
➄ Los ribosomas traducen el mARN para producir proteínas.
Dado que los cambios en la síntesis de proteínas pueden tardar horas e incluso días, los efectos de los mensajeros lipófilos
son normalmente lentos. Además, puesto que estas proteínas
recién sintetizadas suelen permanecer en las células diana
mucho tiempo después de que el mensajero se haya ido, los
efectos pueden persistir durante un largo tiempo. Los efectos de
los pocos mensajeros lipófilos que tienen receptores en la membrana plasmática son más rápidos y similares a los que trataremos a continuación.
Mecanismos de transducción de señales
para respuestas mediadas por receptores
unidos a la membrana
Los mensajeros lipófobos no pueden filtrarse por la membrana
plasmática a ningún nivel importante. Por tanto, sus receptores
C A P Í T U LO 5
están ubicados en la membrana plasmática, con el lugar de unión
orientado hacia el líquido extracelular. Los receptores de estos
mensajeros se clasifican en tres categorías generales: receptores
ligados a canales, receptores asociados a una enzima y receptores asociados a la proteína G. A continuación se describen las
respuestas producidas en cada uno de los tipos de receptor.
Líquido
extracelular
Mensajeros químicos
139
Mensajero
Receptor y
canal iónico
Receptores ligados a canales
Dado que la bicapa de lípidos no tiene prácticamente permeabilidad a los iones, la permeabilidad a los iones de la membrana
plasmática viene determinada por la presencia de canales iónicos
en ella (v. capítulo 4). Estos canales iónicos son normalmente
específicos, de forma que solo un tipo o clase de iones los puede atravesar. Además, los canales iónicos son proteínas, muchas de
las cuales se pueden regular entre estados abierto y cerrado.
Los canales iónicos que se abren o cierran como respuesta a la
unión de una sustancia química a un receptor o al canal se denominan canales regulados por ligandos. Los receptores ligados a
canales son un tipo de canal regulado por ligandos en el que el
ligando es un mensajero que se une a un receptor. Estos canales
se clasifican en dos categorías: canales rápidos, donde el receptor
y el canal son la misma proteína (como se describe a continuación), y canales lentos, donde el receptor y el canal son proteínas
diferentes, pero están acoplados por un tercer tipo de proteína
denominada proteína G (se describirá un poco más adelante).
Los canales regulados por ligandos son proteínas que funcionan como receptores y como canales iónicos. La unión de un
mensajero al receptor/canal iónico hace que el canal se abra, lo
que aumenta la permeabilidad de la membrana para ese ion
específico. Los canales iónicos abiertos permiten que un ion o
una clase de iones determinados se muevan a través de la membrana plasmática a favor de su gradiente electroquímico. El
movimiento de salida o entrada de los iones en la célula puede
tener dos efectos diferentes en la célula diana: 1) los iones que
entran y salen pueden cambiar las propiedades eléctricas de la
célula, y 2) los iones que entran pueden interactuar con las proteínas presentes en el interior de la célula para inducir una respuesta como la contracción muscular, la secreción, el cambio en
el metabolismo o el transporte modificado de una sustancia.
La apertura de la mayoría de los canales iónicos provoca
efectos a través del cambio de las propiedades eléctricas de la
célula diana (fig. 5.12). Recuerda del capítulo 4 que existe una
diferencia de potencial a través de la membrana plasmática en
reposo, tal que el interior de la célula es negativo en relación con
el exterior. Los iones que se mueven a través de un canal abierto
llevan consigo una carga que cambia el potencial de la membrana. Por ejemplo, el neurotransmisor acetilcolina estimula la contracción de los músculos esqueléticos mediante la unión a
receptores colinérgicos nicotínicos de las células de los músculos esqueléticos, provocando la apertura de los canales iónicos.
Los iones sodio entran en el interior de la célula (el potasio también sale, pero en un nivel menor), dotando de carga positiva a
la célula muscular. Dado que el receptor y el canal iónico son la
misma molécula de proteína, estos cambios en el potencial de
la membrana comienzan rápidamente, en cuestión de milisegundos. Puesto que la unión del mensajero al receptor es breve
y el canal se abre solo mientras el mensajero está unido, el cambio en el potencial de la membrana a menudo termina en unos
pocos milisegundos. En los capítulos 7, 8 y 12 hablaremos en
detalle sobre cómo los cambios en el potencial de la membrana
resultan fundamentales para el funcionamiento de las neuronas
y las células musculares.
Canal
cerrado
Citosol
Los iones (Na+, K+, Cl–) se
mueven a través del canal abierto
Cambio en las propiedades eléctricas de la célula
FIGURA 5.12 Los canales rápidos dependientes de ligando y cómo
modifican las propiedades eléctricas de las células. La unión de un
mensajero al receptor/canal abre el canal iónico. La apertura de la mayoría de
los canales iónicos tiene como consecuencia un movimiento de entrada o
salida de iones de la célula, lo que modifica sus propiedades eléctricas.
En otros casos, los canales rápidos dependientes de ligando
causan sus efectos mediante la apertura de canales de calcio
(fig. 5.13). Cuando estos canales se abren, los iones calcio entran
en la célula. Dependiendo de la célula diana, este calcio puede
provocar una variedad de respuestas mediante la interacción
con proteínas intracelulares, entre las que se incluyen la contracción muscular, la secreción de un producto mediante exocitosis y el funcionamiento como mensajero secundario —un
mensajero intracelular producido por la unión de un mensajero
extracelular (el mensajero primario) a un receptor—. Como
mensajero secundario, el calcio se une a una proteína citosólica
denominada calmodulina. El complejo calcio-calmodulina
resultante normalmente activa una proteína cinasa, una enzima
que cataliza la fosforilación de una proteína, modificando así su
estructura y función a través de una regulación covalente.
El calcio está bien adaptado a su función en la transmisión de
señales intracelulares, porque normalmente está presente en
concentraciones muy bajas en el citosol (10–7 a 10–6 molar), comparado con 10–3 molar en el líquido extracelular. La importancia
de esta baja concentración citosólica de calcio reside en que la
entrada de incluso una pequeña cantidad de calcio provoca un
porcentaje de cambio relativamente grande en la concentración,
lo que consigue que el sistema resulte sensible. Los niveles de
calcio intracelulares se mantienen a su bajo nivel normal por
medio de tres procesos que eliminan los iones de calcio del citosol: 1) transporte activo de calcio a través de la membrana plasmática; 2) secuestro de calcio mediante la unión de proteínas al
citosol, y 3) transporte activo de calcio en determinados orgánulos, como el retículo endoplásmico liso y la mitocondria.
Receptores asociados a una enzima
Algunas proteínas receptoras, conocidas como receptores asociados a una enzima, funcionan como enzimas y como receptores. Existen proteínas transmembranosas, que tienen el receptor
orientado al líquido intersticial y el lado de la enzima hacia el
citosol. Estas enzimas se activan cuando un mensajero se une al
receptor, lo que les permite catalizar reacciones intracelulares.
140
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
Líquido
extracelular
Líquido
extracelular
Mensajero
1
Canal
de calcio
2
Canal
cerrado
3
El calcio entra en la célula
a través de un canal abierto
Como un
mensajero
secundario
Cambio en Contracción Secreción Calmodulina
las propiedades muscular
eléctricas de
la célula
Ca-calmodulina
Activa
enzimas
Proteína cinasa
Proteína- P
Citosol
Respuesta en la célula
(contracción muscular,
metabolismo modificado,
transporte modificado)
FIGURA 5.13 Canales de calcio rápidos dependientes de ligando.
La unión de un mensajero al receptor/canal abre los canales de calcio, lo que
permite a los iones calcio entrar en la célula. La entrada de calcio cambiará las
propiedades eléctricas de la célula, pero el calcio también puede desencadenar
una gran variedad de respuestas, como la secreción de algún producto
mediante exocitosis, la contracción muscular o el cambio en la actividad de
una proteína. En última instancia, el calcio actúa como un mensajero
secundario, uniéndose a la proteína calmodulina para formar un complejo
calcio-calmodulina. El complejo calcio-calmodulina activa una proteína cinasa,
que fosforiliza una proteína que produce una respuesta en la célula.
La mayoría de los receptores asociados a una enzima son
tirosina cinasas, las cuales catalizan la adición de un grupo de
fosfatos a las cadenas laterales del aminoácido tirosina en determinadas ubicaciones en proteínas diana. Los acontecimientos
que ocurren en los receptores tirosina cinasa son los siguientes
(fig. 5.14):
➀ Un mensajero se une al receptor, modificando su conformación.
➁ El cambio en la conformación activa la tirosina cinasa.
➂ Después, la tirosina cinasa cataliza la fosforilación de una proteína intracelular.
➃ La fosforilación de la proteína cambia su actividad mediante
regulación covalente, lo que origina una respuesta en la célula
diana.
Un mensajero que utiliza la transducción de señal de tirosina
cinasa es la hormona insulina.
Otros receptores asociados a una enzima son las guanilato
ciclasas, que catalizan la conversión de GTP (trifosfato de guano-
Receptor tirosina
cinasa (inactivo)
Proteína-Tir
+
Receptor tirosina
cinasa (activo)
Proteína-Tir- P + ADP
4
ATP
Respuesta en la célula
(modifica el metabolismo,
regula la síntesis de proteínas)
Citosol
FIGURA 5.14 Un receptor ligado a enzimas. El receptor ligado a enzimas
que se describe aquí es la tirosina cinasa. Véase el texto para obtener una
descripción detallada.
sina) en el mensajero secundario cGMP (monofosfato de guanosina cíclico). Entonces, el cGMP activa una proteína cinasa que
cataliza la fosforilación de una proteína.
Receptores asociados a la proteína G
Los receptores asociados a la proteína G actúan mediante la
activación de proteínas de membrana especiales denominadas
proteínas G. Véase «Conexiones clínicas: Cólera y proteínas G»,
para conocer un ejemplo de la importancia de estas proteínas.
Las proteínas G están situadas en el lado intracelular de la membrana plasmática, donde funcionan como vínculos entre el
receptor asociado a la proteína G y otras proteínas de la membrana plasmática denominadas efectores. Entre los efectores se
incluyen canales iónicos y enzimas. Las proteínas G, que deben
su nombre a su capacidad para unir nucleótidos de guanosina,
presentan tres subunidades: alfa (A), beta (B) y gamma (G). El
lugar de unión de la guanosina se encuadra en la subunidad alfa.
En estado inactivo, una proteína G se une al GDP (difosfato de
guanosina). Cuando un mensajero se une al receptor ligado a
proteínas, la proteína G libera el GDP, se une a una molécula de
GTP (trifosfato de guanosina) y se vuelve activo, como se muestra en la siguiente ecuación:
(mensajero-receptor)
G-GDP
(inactivo)
G-GTP
(activo)
GDP
GTP
En su estado activo, la subunidad alfa se separa de las subunidades beta y gamma, dando lugar a un dímero beta-gamma.
La subunidad alfa, y en ocasiones el dímero beta-gamma, se
mueve hasta los efectores, provocando un cambio en su actividad. La proteína G no permanece activa durante mucho tiempo,
porque también funciona como una enzima que hidroliza el
GTP, en el proceso que lo devuelve al estado inactivo:
GTPasa
G-GTP
G-GDP
Pi
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
141
CONEXIONES CLÍNICAS
Cólera y proteínas G
Las proteínas G son susceptibles de ser atacadas por varias toxinas bacterianas, como la toxina que causa el cólera. El cólera, provocado por la
infección por la bacteria Vibrio cholerae, es la causa principal de muerte entre los niños pequeños en los países en vías de desarrollo. El signo
principal de la enfermedad es una diarrea masiva, que puede dar como
resultado la pérdida de entre 15 y 20 l de líquido corporal al día. Los
efectos del cólera se derivan de una toxina que la bacteria Vibrio cholerae libera en el intestino. La toxina actúa sobre una proteína G, que
sobreestimula la adenilato ciclasa. Esto es lo que ocurre (v. fig.):
Toxina
del cólera
Gangliósido
Na+
1
H2O
7
8
Proteína
cinasa
A
5
cAMP
2
ATP
4
Célula
epitelial
del intestino
delgado
3
Proteína G
Las proteínas G constituyen un grupo diverso, formado a
partir de, al menos, 20 subunidades alfa diferentes, cinco subunidades beta diferentes y 13 subunidades gamma. En términos
de funcionalidad, las proteínas G se pueden clasificar en tres
tipos diferentes: 1) las que afectan a los canales iónicos; 2) proteínas G estimuladoras, y 3) proteínas G inhibidoras. Las proteínas G estimuladoras (proteínas Gs) y las proteínas G inhibidoras
(proteínas Gi) están asociadas a la activación e inhibición, respectivamente, de unas enzimas denominadas enzimas amplificadoras, que catalizan la producción de mensajeros secundarios
en el líquido intracelular. (Existen otros tipos de enzimas amplificadoras en las células, pero no las trataremos aquí.) A continuación se tratarán las funciones de algunos tipos diferentes de
proteínas G.
Los canales iónicos lentos dependientes de ligando están
regulados por proteínas G, lo que hace que los canales se abran
Cl–
6
➀ La toxina del cólera se une a un gangliósido de la membrana (fosfolípido con residuos de hidratos de carbono adheridos) en células
secretoras del intestino delgado.
➁ Una subunidad de la toxina se introduce en la célula, lo que provoca
la activación mantenida de una proteína G.
➂ Esta proteína G activa la adenilato ciclasa.
➃ La adenilato ciclasa cataliza la formación de cAMP.
➄ El cAMP activa las proteínas cinasas.
➅ La fosforilación de proteínas estimula la secreción de iones cloruro.
➆ La salida de iones cloruro con carga negativa de la célula se acompaña de la salida de iones sodio con carga positiva.
➇ El agua sigue a los electrólitos hacia la luz del intestino delgado por
ósmosis, lo que provoca una diarrea grave.
Aunque se ha controlado el cólera en los países desarrollados durante casi un siglo, siguen produciéndose brotes de cólera en países cuyas
políticas o fondos de sanidad pública son inadecuados. En 2008-2009,
una epidemia de cólera golpeó a Zimbabue, afectando a más de
30.000 individuos y provocando 1.500 muertes. Los ciudadanos de Zimbabue, que carecían de depuradoras de agua suficientes, obtenían agua
de arroyos contaminados con aguas fecales. El Vibrio cholerae normalmente se transmite a través de las heces de individuos infectados.
Luz del intestino delgado
A
B
Adenilato ciclasa
Espacio intersticial
Vaso sanguíneo
o cierren en respuesta a un mensajero que se une a su receptor
(fig. 5.15). Cuando la proteína G se activa, la subunidad alfa se
mueve hasta el canal de iones, lo que provoca un cambio en la
conformación, que hace que se abra o cierre. Estos canales ejercen efectos similares a los ejercidos por canales regulados por
ligandos, pero existen dos diferencias importantes entre estas
dos clases de canales: 1) en los canales rápidos dependientes de
ligando, la unión del mensajero a los receptores ligados a canales solo abre el canal, de forma que aumenta la permeabilidad
de la célula diana para el ion específico. Por el contrario, los
canales de iones ligados a proteínas G pueden abrirse o cerrarse
por la unión del mensajero al receptor; 2) la unión de un mensajero a receptores ligados a canales produce una respuesta
inmediata y breve en la célula diana. Por el contrario, los canales de iones ligados a proteínas G son lentos a la hora de abrirse y cerrarse en respuesta a la unión al receptor y permane-
142
Mensajeros químicos
C A P Í T U LO 5
Líquido extracelular
Mensajero
1
GDP
Receptor
3
2
Proteína G
GTP
GDP GTP
Los iones entran
o salen de la célula
Cambio en las propiedades
eléctricas de la célula
Citosol
FIGURA 5.15 Acción de una proteína G en una canal de ion lento
dependiente de ligando. ➀ La unión del mensajero al receptor activa la
proteína G. ➁ La subunidad alfa se mueve a un canal iónico en la membrana.
➂ El canal iónico se abre o cierra, modificando la permeabilidad de la
membrana a un ion específico. El movimiento de los iones a través de
la membrana plasmática se modifica, lo que cambia las propiedades eléctricas
de la célula.
cen abiertos o cerrados durante largos períodos, a menudo
minutos.
Las enzimas reguladas por la proteína G están asociadas a la
producción de mensajeros secundarios en el citosol. Cinco mensajeros secundarios principales son responsables de la mayoría
de la comunicación a través de enzimas reguladas por la proteína G: 1) cAMP (monofosfato de adenosina cíclico); 2) cGMP;
3) inositol trifosfato; 4) diacilglicerol, y 5) calcio. Los sistemas de
mensajeros secundarios descritos a continuación se resumen en
la tabla 5.3.
Sistema de mensajero secundario cAMP Los mecanismos de
acción de cAMP, el mensajero secundario más común, son los
siguientes (fig. 5.16):
➀ El mensajero primario se une al receptor, activando una proteína Gs. (Algunos mensajeros inhiben el sistema de mensajero secundario cAMP mediante la activación de una proteína
Gi, que no se muestra en la figura.)
➁ La proteína G libera la subunidad alfa, que se une y activa la
enzima adenilato ciclasa.
➂ La adenilato ciclasa cataliza la conversión de ATP en cAMP.
➃ El cAMP activa la proteína cinasa A, también denominada proteína cinasa dependiente de cAMP.
➄ La proteína cinasa cataliza la transferencia de un grupo de fosfatos desde el ATP a una proteína, modificando así su actividad.
➅ La actividad de la proteína modificada provoca una respuesta
en la célula.
La terminación de las acciones del cAMP precisa que la enzima
cAMP fosfodiesterasa lo degrade. Para que terminen las acciones
de la proteína fosforilada, se debe eliminar el grupo de fosfatos de la proteína mediante una reacción química. Las enzimas
que desfosforilan una proteína se denominan fosfoproteínas
fosfatasas.
La concentración de cAMP en una célula está determinada
por los niveles relativos de síntesis y degradación. Cuando la síntesis resulta más rápida que la descomposición, la concentración aumenta. Cuando la degradación supera a la síntesis, la
concentración disminuye. Dado que las concentraciones intracelulares de cAMP están determinadas por las concentraciones
de dos enzimas competidoras (una que lo sintetiza y otra que lo
degrada), los efectos de la estimulación de una enzima pueden
imitarse mediante la inhibición de la otra.
Comprueba tus conocimientos
Varios fármacos, entre los que se incluye la cafeína, inhiben la enzima
cAMP fosfodiesterasa. ¿Qué efecto tienen estos fármacos en los niveles
de cAMP? El cAMP tiene muchos efectos sobre el organismo, entre los
que se incluyen un aumento de la frecuencia cardíaca y la fuerza de la
contracción. ¿Qué efecto tiene la cafeína sobre la frecuencia cardíaca
y la fuerza de la contracción? Explícalo.
TABLA 5.3 Sistemas de mensajero secundario
Segundo mensajero
Precursor
Enzima
amplificadora
Acción habitual
Monofosfato de
adenosina cíclico
(cAMP)
ATP
Adenilato ciclasa
Activa la proteína cinasa A
Adrenalina, vasopresina, ACTH,
glucagón
Monofosfato de
guanosina cíclico
(cGMP)
GTP
Guanilato ciclasa
Activa la proteína cinasa G
Péptido natriurético auricular,
endotelinas
Diacilglicerol (DAG)
Inositol-4, 5-bifosfato (PIP2)
Fosfolipasa C
Activa la proteína cinasa C
Angiotensina II, histamina,
vasopresina
Inositol trifosfato (IP3)
Inositol-4, 5-bifosfato (PIP2)
Fosfolipasa C
Estimula la liberación de calcio a partir
de almacenes intercelulares
Angiotensina II, histamina,
vasopresina
Calcio*
Ninguno
Ninguno
Se une a la calmodulina y activa una
proteína cinasa
Angiotensina II, histamina,
vasopresina
*El calcio aumenta en el citosol como respuesta a la apertura de canales iónicos de la membrana plasmática o de determinados orgánulos.
Ejemplos de primeros
mensajeros en el sistema
C A P Í T U LO 5
Líquido extracelular
Mensajero
Adenilato
ciclasa
1
Receptor
GDP
2
3
GTP
Proteína G
GDP GTP
cAMP
Activa
4
ATP
Proteína cinasa A
5
Proteína
+
ATP
Proteína- P
+
ADP
6
Citosol
Respuesta en la célula
FIGURA 5.16 El sistema de mensajero secundario del cAMP. Véase el
texto para obtener una descripción detallada.
Sistema de mensajero secundario cGMP Anteriormente ya
comentamos que el cGMP es un producto de un receptor asociado a una enzima, la guanilato ciclasa. La guanilato ciclasa está
asociada más comúnmente a las proteínas G, en cuyo caso el
sistema de mensajero secundario cGMP resulta similar al cAMP,
pero activa la proteína cinasa G, también denominada proteína
cinasa dependiente de cGMP.
➀ El mensajero se une a su receptor, activando una proteína G.
➁ La proteína G libera la subunidad alfa, que se une y activa la
enzima fosfolipasa C.
➂ La fosfolipasa C cataliza la conversión de PIP2 en DAG e IP3,
cada uno de los cuales funciona como un mensajero secundario.
4a El DAG permanece en la membrana y activa la enzima proteína cinasa C.
5a La proteína cinasa C cataliza la fosforilación de una proteína.
6a La proteína fosforilada provoca una respuesta en la célula.
Líquido extracelular
Mensajero
1
Receptor
Fosfolipasa C
3
GDP
2
Proteína G
PIP2
GTP
4a
DAG
Proteína cinasa C
IP3
5b
5a
GDP GTP
ATP + proteína
6c
Calmodulina
6b
Luz del retículo
endoplásmico
Proteína cinasa
ADP
+
proteína- P
6a
Respuesta
en la célula
Respuesta en la célula
(contracción, secreción)
Proteína- P
Membrana
del retículo
endoplásmico
Respuesta en la célula (contracción,
metabolismo, transporte)
FIGURA 5.17 El sistema de mensajero secundario del fosfatidilinositol. Véase el texto para obtener
una descripción detallada.
143
Sistema de mensajero secundario fosfatidilinositol En el sistema de fosfatidilinositol, un fosfolípido de la membrana, el fosfatidilinositol-4,5-bofosfato (PIP2) experimenta una reacción
catalizada por enzimas que liberan los mensajeros secundarios
diacilglicerol (DAG) e inositol trifosfato (IP3). Este último estimula la reacción del tercer mensajero secundario, el calcio. La
acción de este sistema se produce de la siguiente manera
(fig. 5.17):
Mensajeros químicos
Citosol
144
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
TABLA 5.4 Mecanismos de transducción de señales para mensajeros químicos seleccionados
Mensajero
Clase funcional
Clase química
Mecanismo de transducción de señales
Adrenalina
Hormona, neurotransmisor
Amina
Receptores ligados a proteína G
Hormonas tiroideas
Hormona
Amina (lipófila)
Transcripción modificada de mARN
Vasopresina (ADH)
Hormona, neurotransmisor
Péptido
Receptores ligados a proteína G
Insulina
Hormona, neurotransmisor
Péptido
Receptores asociados a una enzima
Estrógenos
Hormona
Esteroide
Transcripción modificada de mARN
Glutamato
Neurotransmisor
Aminoácido
Receptor ligado a canales, receptores ligados a proteína G
Serotonina
Neurotransmisor, paracrina
Amina
Receptor ligado a canales, receptores ligados a proteína G
Prostaglandinas
Paracrina
Eicosanoide
Proteínas G, desconocidas en muchos casos
Interleucinas
Citocina
Péptido
Receptores asociados a una enzima
GABA
Neurotransmisor
Aminoácido
Receptor ligado a canales
Al mismo tiempo,
4b IP
3
Número total
de productos
se mueve al citosol.
Un mensajero
se une a un
receptor
5b IP desencadena la liberación de cal3
cio desde el retículo endoplásmico.
En función de la célula, el calcio hará
una de estas dos cosas:
6b Actúa sobre las proteínas para esti-
mular la contracción o la secreción.
6c Actúa como un mensajero secundario uniéndose a la calmodulina,
activando una proteína cinasa que
fosforila una proteína que produce
una respuesta en la célula.
Los mecanismos de transducción
de señales para algunos mensajeros
químicos seleccionados de varias
clases funcionales y químicas figuran
en la tabla 5.4.
Amplificación de señales en los
sistemas de mensajeros químicos
Varias
proteínas G
se activan
Adenilato
ciclasa
Cada proteína G
activa un adenilato
ciclasa
1
Una molécula
mensajero
10
10
lleva a…
cAMP
Cada adenilato
ciclasa genera
cientos de
moléculas cAMP
5.000
Proteína cinasa A
Cada cAMP
activa una
proteína cinasa A
5.000
Dado que algunas células tienen
mecanismos de transducción de
Cada proteína
señales sencillos, como la activación
la fosforilación
cinasa A
Proteína
de millones de
2.500.000
fosforila
cientos
en un paso de la tirosina cinasa, uno
fosforilada
proteínas
de proteínas
se podría preguntar por qué se necesitan los sistemas de mensajero
secundario, cuando, en definitiva,
tienen el mismo efecto básico que la
FIGURA 5.18 Amplificación de la señal, en este caso mediante el sistema de mensajero secundario
tirosina cinasa: la fosforilación de
del cAMP.
una proteína. El motivo hace referencia a una de las características
más impactantes de los sistemas de mensajero secundario: la
ilustra cómo un único receptor activado puede activar varias
capacidad de los pequeños cambios en la concentración de un
proteínas G, cada una de las cuales puede activar, a su vez, una
mensajero químico para provocar respuestas en las células diaadenilato ciclasa. Mientras estén activas, cada adenilato ciclasa
na, un fenómeno conocido como amplificación de señales.
puede generar cientos de moléculas de cAMP, cada una de las
La figura 5.18 representa cómo funciona la amplificación de
cuales activa entonces una molécula de proteína cinasa A. A su
vez, cada molécula de proteína cinasa A puede fosforilar cientos
señales, utilizando el sistema cAMP como ejemplo. El diagrama
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
145
TABLA 5.5 Propiedades de los mensajeros químicos
Propiedad
Mensajero lipófobo (hidrófilo)
Mensajero lipófilo (hidrófobo)
Clases químicas
Aminoácidos, aminas, péptidos
Esteroides, eicosanoides, hormonas tiroideas*
Almacenamiento en la célula secretora
Vesículas secretoras
Ninguna
Mecanismo de secreción
Exocitosis
Difusión
Transporte en la sangre†
Disuelto
Unido a la proteína portadora
Ubicación del receptor
Membrana plasmática
Citosol o núcleo
Mecanismo de transducción de señales
Canales iónicos abiertos/cerrados‡
Activa proteínas G de enzimas unidas a la
membrana y sistemas de mensajero secundario
Modifica la transcripción de mARN
(modifica la síntesis de proteínas)
Tiempo relativo para la aparición de la respuesta
Rápido
Bajo
Duración relativa de la respuesta
Corta
Larga
Semivida relativa
Corta
Larga
*Las hormonas tiroideas son aminas, pero son lipófilas.
†
Hace referencia solo a las hormonas y a algunas citocinas.
‡
Las proteínas G median en algunos de estos efectos.
de proteínas diana. El resultado neto consiste en que se puede
regular un gran número de moléculas de producto final en respuesta a la unión de una molécula de ligando a su receptor. En
el ejemplo que se muestra, un mensajero primario llevó a la fosforilación de cerca de 2.500.000 proteínas.
La secuencia de reacciones que se muestra en la figura 5.18
es un ejemplo de una cascada, una serie de pasos secuenciales
que aumentan de forma progresiva en magnitud, de la misma
forma que numerosos arroyos diminutos unidos pueden finalmente convertirse en un río grande. Las cascadas de un tipo u
otro son comunes en los sistemas de mensajeros químicos y son
responsables de gran parte de la amplificación de señales que se
produce.
Ahora que hemos visto los diferentes aspectos de los mensajeros químicos, observa la tabla 5.5 para ver un resumen de
las propiedades de los mensajeros químicos. A continuación
nos ocuparemos de la comunicación a larga distancia en el organismo.
El sistema nervioso se compone de neuronas y células que
les dan soporte, denominadas neuroglia. Las neuronas son capaces de comunicarse a largas distancias, en primer lugar mediante la transmisión de señales eléctricas a lo largo de la longitud de
la célula (algunas de las cuales miden hasta 1 m) y después
mediante la transmisión de señales químicas a través de la liberación de un neurotransmisor desde el axón terminal. Después,
el neurotransmisor difunde a una distancia corta hasta la célula
diana. El lugar donde se comunica el axón terminal con la célula diana se denomina sinapsis (fig. 5.19). Debido a la comunicación intercelular directa mediante señales químicas en la sinap-
Neurona
Test rápido 5.3
1. ¿Dónde se sitúan en la célula diana los receptores para los mensajeros lipófilos? ¿Cómo se llama la región reguladora del ADN a la que se
une el complejo hormona-receptor?
2. Nombra las tres categorías de receptores ligados a membranas.
3. Nombra las cinco sustancias que actúan como mensajeros secundarios. Nombra las enzimas amplificadoras que catalizan su síntesis.
Comunicación a larga distancia
a través de los sistemas nervioso
y endocrino
Para mantener la homeostasis, resulta fundamental que las
células de una región del organismo sean capaces de comunicarse con las células de regiones distantes. El organismo tiene
dos sistemas de órganos especializados en la comunicación a
larga distancia: el sistema nervioso y el endocrino.
Transmisión
eléctrica
Neurotransmisor
Transmisión
química
Sinapsis
Célula diana
Receptor
FIGURA 5.19 Transmisión de señales en las neuronas. Las neuronas
transmiten tanto señales eléctricas dentro de la célula como señales químicas
entre las células.
146
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
TABLA 5.6 Características de los sistemas nervioso y endocrino
Característica
Sistema nervioso
Sistema endocrino
Célula secretora
Neurona
Célula endocrina
Célula diana
Neurona, músculo o glándula
La mayoría de los tipos de célula en el organismo
Mensajero
Neurotransmisor
Hormona
Ruta para la comunicación
A través de la sinapsis
A través del torrente sanguíneo
Base de la especificidad
Receptores en la célula diana postsináptica
Receptores de las células diana por todo el organismo
Tiempo para la aparición del efecto
Inmediato
Retrasado
Duración del efecto
Breve
Prolongado
sis, el sistema nervioso a menudo se considera un sistema
«conectado». (Una excepción son las neurohormonas, que viajan por el torrente sanguíneo.) La comunicación en el sistema
nervioso normalmente comprende la apertura y el cierre de
canales iónicos, que son muy rápidos y normalmente de corta
duración. Las señales transmitidas por el sistema nervioso viajan con velocidad y normalmente tienen poca duración, lo que
hace que el sistema sea ideal para controlar los movimientos y
monitorizar el mundo que nos rodea. Trataremos el sistema en
detalle en los capítulos 7 a 11.
Por el contrario, el sistema endocrino carece de cualquier
enlace anatómico directo entre la célula secretora y la célula diana. En cambio, el sistema endocrino se comunica mediante mensajeros químicos denominados hormonas, las cuales viajan a través del torrente sanguíneo a casi todas las células del organismo.
Hablando de forma estricta, las hormonas se segregan en el líquido intersticial y después se difunden en la sangre, si bien solemos
hablar de la secreción de hormonas hacia la sangre para simplificar. Las hormonas normalmente se comunican mediante la alteración de la síntesis de proteínas o la activación de proteínas G,
procesos que son bastante más lentos que las señales eléctricas y
químicas que usa el sistema nervioso. La lentitud relativa del sistema endocrino y su capacidad para transmitir señales por
amplias áreas resultan importantes al coordinar actividades
metabólicas entre los sistemas del organismo. En los capítulos 6 y
21 trataremos el sistema endocrino en detalle. En la tabla 5.6 se
comparan varios aspectos de los sistemas nervioso y endocrino.
Integración de sistemas
En este capítulo hemos aprendido la forma en que las células se
comunican con otras células a través de mensajeros químicos.
A lo largo de este libro, «comunicación» suele significar «control
neural o endocrino de los sistemas del organismo para mantener la homeostasis». Hemos dedicado varios capítulos al funcionamiento del sistema nervioso y endocrino, pero también están
referenciados en el resto de capítulos del libro, desde el control
neural de la contracción de los músculos esqueléticos (v. capítulo 12) al control endocrino de la reproducción (v. capítulo 22).
Asimismo, no nos podemos olvidar de los mensajeros paracrinos. Su importancia se hace fácilmente visible cuando examinamos el proceso de formación de un coágulo sanguíneo para la
hemostasia (v. capítulo 13) y la transmisión de señales cuando
las células resultan dañadas o infectadas durante la respuesta
inmunitaria (v. capítulo 23).
RESUMEN DEL CAPÍTULO
Mecanismos de comunicación
intercelular, pág. 127
Casi todos los procesos corporales necesitan
que las células sean capaces de comunicarse
entre sí. La comunicación puede ocurrir de
dos formas básicas: 1) mediante uniones
comunicantes, que permiten que las señales
eléctricas y las pequeñas moléculas se muevan directamente de una célula a las células
adyacentes, y 2) por medio de la secreción de
mensajeros químicos, que permiten que las
señales se transmitan de una célula a otras
que pueden estar en ubicaciones distantes
entre sí. Los mensajeros químicos producen
respuestas en las células diana mediante la
unión a receptores específicos.
Cardiovascular, Anatomy Review: The Heart,
pág. 7
Nervous II, Anatomy Review, págs. 6–7
Nervous II, Synaptic Transmission, pág. 4
Mensajeros químicos, pág. 128
Los mensajeros químicos se encuadran en
tres categorías funcionales principales:
1) paracrinos; 2) neurotransmisores, y
3) hormonas. Muchos mensajeros ejercen
sus efectos solo en células cercanas a las
células que las segregan, pero las hormonas y las neurohormonas pueden actuar
en lugares diferentes, porque el torrente
sanguíneo las transporta hasta las células
diana.
Por su estructura química, los mensajeros se dividen en cinco clases principales:
1) aminoácidos; 2) aminas (derivados de los
aminoácidos); 3) péptidos y proteínas;
4) esteroides (derivados del colesterol), y
5) eicosanoides (derivados del ácido araquidónico). Los esteroides, eicosanoides y
algunas aminas (las hormonas tiroideas)
son lipófilos y pasan a través de las membranas celulares con facilidad. Otros men-
sajeros son hidrófilos (lipófobos) y se pueden disolver en el plasma.
Nervous I, Ion Channels, págs. 4, 7
Nervous II, Synaptic Transmission, págs. 1–6,
9, 12
Nervous II, Anatomy Review, págs. 7–8
Mecanismos de transducción
de señales, pág. 136
La magnitud de la respuesta de una célula
diana a un mensajero químico normalmente
aumenta al hacerlo el número de receptores
unidos, el cual depende de la afinidad de los
receptores por el mensajero, la concentración del mensajero y el número de receptores presentes. Cuando se exponen durante
largos períodos a concentraciones de mensajeros muy altas o muy bajas, las células
diana pueden modificar el número de recep-
C A P Í T U LO 5
tores, lo que provoca un cambio en la capacidad de respuesta al mensajero. La disminución del número de receptores se
denomina regulación a la baja, y el aumento,
regulación al alza.
Los mensajeros lipófilos se unen a los
receptores en el citosol o el núcleo de las
células diana, y el complejo resultante se
une al ADN para regular la transcripción de
genes y la síntesis de proteínas. Los mensajeros hidrófilos se unen a receptores de la
superficie celular, los cuales son de tres
tipos: 1) receptores ligados a canales, que
afectan a la apertura y el cierre de canales
rápidos dependientes de ligando; 2) receptores asociados a una enzima, que catalizan
reacciones dentro de las células, y 3) receptores asociados a la proteína G, que activan
proteínas de membrana específicas, deno-
Mensajeros químicos
147
minadas proteínas G. Las proteínas G activadas pueden activar (o inhibir) por sí mismas una gran variedad de proteínas
intracelulares, entre las que se incluyen
las enzimas o los canales. Muchas de estas
enzimas catalizan la formación de mensajeros secundarios dentro de las células. Entre
las sustancias conocidas por actuar como
mensajeros secundarios, encontramos: el
AMP (cAMP) cíclico, el GMP (cGMP) cíclico,
el diacilglicerol (DAG), el inositol trifosfato
(IP3) y los iones calcio (que a menudo trabajan mediante la unión a la calmodulina, formando un complejo que activa las proteínas cinasas).
Comunicación a larga distancia a través de
los sistemas nervioso y endocrino, pág. 145
Nervous II, Synaptic Transmission: págs. 4, 13
Nervous II, Synaptic Transmission, págs. 1–6
Nervous I, Ion Channels, págs. 4, 7
Urinary, Anatomy Review, pág. 4
En el sistema nervioso, las neuronas envían
señales a grupos específicos de células diana,
a las que se conectan mediante sinapsis. Normalmente, las respuestas desencadenadas
por señales neurales son rápidas y breves. El
sistema endocrino transmite señales a las
células diana por todo el cuerpo, provocando
efectos que normalmente son lentos y de larga duración. Las células endocrinas especializadas, localizadas normalmente en las glándulas endocrinas, segregan las hormonas.
Nervous II, Orientation, pág. 1
EJERCICIOS
Preguntas de opción múltiple
1. El ácido araquidónico es la materia prima para la síntesis de
a) aminas.
b) hormonas tiroideas.
c) eicosanoides.
d) esteroides.
e) péptidos.
2. La adrenalina es un(a)
a) aminoácido.
b) esteroide.
c) eicosanoide.
d) adrenocorticoide.
e) catecolamina.
3. ¿A cuál de las siguientes clases químicas
pertenecen la mayoría de los mensajeros
químicos?
a) aminas
b) aminoácidos
c) péptidos/proteínas
d) eicosanoides
e) esteroides
4. Todos los mensajeros químicos aminoácidos funcionan como sustancias
a) paracrinas.
b) autocrinas.
c) neurohormonas.
d) neurotransmisores.
e) hormonas.
5. Todos los mensajeros químicos esteroides funcionan como sustancias
a) paracrinas.
b) autocrinas.
c) neurohormonas.
d) neurotransmisores.
e) hormonas.
6. ¿Cuál de los siguientes supuestos tiene
probabilidad de provocar un aumento en
los niveles de cAMP intracelular?
a) estimulación de la actividad de la
fosfodiesterasa
b) activación de una proteína G
inhibidora dirigida a la adenilato ciclasa
c) unión de mensajeros químicos a
receptores asociados a una enzima
d) unión de mensajeros químicos a
receptores ligados a canales
e) estimulación de la actividad de la
adenilato ciclasa
7. ¿Cuál de las siguientes clases de mensajeros se une a receptores intracelulares?
a) solo las catecolaminas
b) solo los péptidos
c) solo los esteroides
d) las catecolaminas y los esteroides
e) los péptidos y los esteroides
8. ¿De qué depende la respuesta de una
célula diana a un mensajero?
a) concentración del mensajero
b) concentración de receptores en la
célula diana
c) afinidad del receptor por el mensajero
d) a y c son correctas
e) todas las respuestas son correctas
9. Las proteínas G intervienen siempre que
a) la unión de moléculas mensajeras a
los receptores de la superficie celular
desencadena una respuesta de la
célula diana.
b) la unión de moléculas de ligando a
los receptores de la superficie celular
desencadena la activación o
inhibición de enzimas.
c) la unión de moléculas de ligando a
los receptores de la superficie celular
desencadena la síntesis de
mensajeros secundarios.
d) la unión de moléculas de ligando a
los receptores de la superficie celular
desencadena un cambio en la
permeabilidad de la membrana a los
iones.
e) todas las repuestas son correctas
10. ¿Qué enzima cataliza la síntesis de diacilglicerol?
a) adenilato ciclasa
b) tirosina cinasa
c) fosfolipasa C
d) proteína cinasa
e) fosfoproteína fosfatasa
Preguntas objetivas
1. Las células que segregan un mensajero se
denominan ————.
2. Un agente (paracrino/autocrino) actúa
sobre la misma célula que lo segrega.
3. Las glándulas endocrinas liberan (neurotransmisor/hormona) a la ————, donde viaja a la célula diana.
4. Una proteína G activa libera la subunidad ————, que interactúa con otra
proteína de la membrana, modificando
su actividad.
5. La enzima que cataliza la conversión de
ATP en cAMP se denomina ————.
6. Después de la activación del sistema fosfatidilinositol, el (IP3/DAG) libera calcio
de los almacenes intracelulares.
148
C A P Í T U LO 5
Mensajeros químicos
7. Los mensajeros (lipófilos/lipófobos) surten su efecto sobre las células diana
mediante la activación o inactivación de
genes específicos.
3. Describe los efectos de la activación de
la enzima fosfolipasa C con respecto a
los mensajeros secundarios producidos
y sus acciones en la célula.
8. Los (esteroides/eicosanoides) son ejemplos de mensajeros químicos que actúan
de forma local.
4. Describe el sistema de mensajero secundario del cAMP, incluidos todos los
pasos desde la unión del mensajero al
receptor hasta la respuesta en la célula
diana.
9. El calcio citosólico a menudo ejerce su
efecto mediante la unión a la (proteína
cinasa C/calmodulina) citosólica.
10. La (exocitosis/difusión a través de la
membrana celular) segrega los mensajeros lipófobos.
11. Los aminoácidos son (hormonas/neurotransmisores).
5. Compara la comunicación a larga distancia por parte de los sistemas nervioso y endocrino con respecto a la anatomía, velocidad y mecanismos de
acción.
12. El sistema (nervioso/endocrino) es un
medio de comunicación más rápido.
6. Describe los dos tipos diferentes de canales mediados por receptor y sus mecanismos de acción. ¿Cuál de los mecanismos
resulta más rápido?
Preguntas abiertas
7. Describe la función de las proteínas cinasas en la transducción de señales.
1. Describe los diferentes tipos de señales
químicas (paracrina, neurotransmisor y
hormona).
2. Compara los mensajeros químicos lipófilos y lipófobos respecto de la ubicación
de receptores, transporte en la sangre y
mecanismos de transducción de señales.
Pensamiento crítico
1. Describe qué ocurriría en las células que
segregan adrenalina si hubiera un defecto en la enzima feniletanolamina N-metil
transferasa (PNMT).
2. La industria farmacéutica desarrolla
muchos fármacos que actúan como agonistas o antagonistas en tipos de receptores específicos. Al diseñar estos fármacos,
la especificidad resulta fundamental.
Explica los beneficios de la especificidad
del receptor y otras propiedades químicas que se deben tener en cuenta al diseñar un fármaco.
3. Aunque los mensajeros lipófilos casi
siempre modifican la síntesis de las proteínas mediante la unión a receptores
internos, los mensajeros lipófobos también pueden modificar la síntesis de proteínas. Explica cómo.
4. Al unirse a receptores alfa1, la adrenalina y la noradrenalina provocan la vasoconstricción de los vasos sanguíneos,
lo que aumenta la presión arterial. Al
unirse a receptores adrenérgicos beta1
en el corazón, la adrenalina aumenta el
ritmo cardíaco y la fuerza de la contracción, lo que provoca un aumento en la
presión arterial. ¿Qué clases de agentes
adrenérgicos (alfa o beta, agonista o
antagonista) se podrían usar en el tratamiento de la hipertensión? Explica tu
elección.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple»
y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com)
para obtener herramientas adicionales de estudio.
Sistema endocrino:
glándulas endocrinas
y acción de las hormonas
Es sábado por la noche y estás viendo una película de terror. Durante una escena especialmente escalofriante, sientes cómo tu corazón late más rápido y
más fuerte. Estás experimentando los efectos de la adrenalina, una hormona liberada
por la médula suprarrenal.
La adrenalina es la hormona que hace que los seres vivos
respondamos escapando o luchando y que ayuda al organismo a prepararse para una acción rápida. La adrenalina dio a
los primeros seres humanos el impulso necesario para buscar
alimento y evitar a los depredadores. Este «impulso» es responsable de lo que muchos llaman «subidón de adrenalina»,
una sensación de excitación y energía inducida por el miedo,
el ejercicio u otros agentes estresantes. La adrenalina afecta
al ritmo cardíaco y a los niveles de energía, actuando sobre
células diana específicas dispersas por el cuerpo. En este capítulo aprenderemos más sobre las glándulas que secretan hormonas y cómo estas afectan a las células diana.
CONTENIDOS
Órganos endocrinos primarios
Órganos endocrinos secundarios
156
Acción de las hormonas en la célula diana
Secreción anormal de las hormonas 161
Interacciones hormonales 162
Microfotografía de la hipófisis.
150
157
6
150
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
OBJETIVOS

Conocer las glándulas endocrinas primarias y secundarias y las
hormonas asociadas a cada una.

Describir los vínculos del hipotálamo con los lóbulos anterior
y posterior de la hipófisis (es decir, la adenohipófisis y la
neurohipófisis).

Describir la función de las hormonas trópicas en la regulación
de la liberación de otras hormonas. Incluir los ciclos de
realimentación en la descripción.

Describir los tipos de interacciones entre las hormonas que actúan
sobre la misma célula diana, incluyendo interacciones aditivas,
sinérgicas y permisivas.
Antes de empezar…
Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
1. Células epiteliales, pág. 4
2. Hormonas, pág. 130
3. Mecanismos de transducción de señales, pág. 136
E
n el capítulo 5 aprendimos cómo se comunican las células
entre sí. Para comunicaciones a larga distancia, tenemos el
lento sistema endocrino, que libera hormonas, y el rápido
sistema nervioso, que libera neurotransmisores. En este capítulo
nos centraremos en el sistema endocrino. Los capítulos 7 a 11
tratan del sistema nervioso.
Los órganos del sistema endocrino se corresponden con
glándulas endocrinas, de las que en el capítulo 1 aprendimos
que derivan del tejido epitelial. Las glándulas endocrinas se
encuentran en muchos órganos del cuerpo (fig. 6.1). Hay dos
tipos de órganos endocrinos: los órganos endocrinos primarios, cuya función primaria es la secreción de hormonas, y los
órganos endocrinos secundarios, para los que la secreción de
hormonas es secundaria respecto a otras funciones. Algunos
órganos endocrinos primarios están situados dentro del cerebro, por ejemplo, en el hipotálamo, la hipófisis y la glándula
pineal; otros órganos endocrinos primarios están ubicados fuera
del sistema nervioso, como la glándula tiroidea, las glándulas
paratiroideas, el timo, las glándulas suprarrenales, el páncreas y
las gónadas (testículos en el varón y ovarios en la mujer). La placenta también funciona como una glándula endocrina en las
mujeres gestantes. Entre las glándulas endocrinas secundarias
se encuentran órganos como el corazón, el hígado, el estómago,
el intestino delgado, los riñones y la piel.
Órganos endocrinos primarios
En esta sección examinaremos las funciones de varios órganos
endocrinos primarios, comenzando con el hipotálamo y la hipófisis.
Hipotálamo e hipófisis
Juntos, el hipotálamo y la hipófisis (fig. 6.2) trabajan para regular
casi todos los sistemas del organismo. El hipotálamo es una parte del cerebro con muchas funciones, además de su función
como glándula endocrina. Se considera una glándula endocrina
primaria, porque secreta varias hormonas, la mayoría de las cuales afecta a la hipófisis (a veces también llamada glándula pituitaria), una estructura del tamaño de un guisante conectada al
hipotálamo por un tallo hipofisario llamado infundíbulo.
La hipófisis está dividida en dos secciones estructural y funcionalmente diferentes llamadas lóbulo anterior (o adenohipófisis)
y lóbulo posterior (o neurohipófisis). Como veremos dentro de
poco, las conexiones entre el hipotálamo y los dos lóbulos de la
hipófisis difieren y son críticas para el funcionamiento de ambos
órganos endocrinos.
Conexión neuronal entre el hipotálamo
y la neurohipófisis
La neurohipófisis contiene tejido neuronal que consiste en los
axones terminales de las neuronas que se originan en el hipotálamo (fig. 6.3). Estas terminaciones neurales secretan dos hormonas peptídicas: la hormona antidiurética (ADH; también llamada vasopresina) y la oxitocina. Estas hormonas suelen ser
sintetizadas en las neuronas que se originan en diversas regiones del hipotálamo; se sintetizan en los núcleos paraventriculares y supraópticos del hipotálamo, siendo la ADH sintetizada en
el núcleo paraventricular y la oxitocina en el núcleo supraóptico.
Después de la síntesis, los péptidos se empaquetan en vesículas
secretoras, que son transportadas a los axones terminales en la
neurohipófisis. La hormona se libera por exocitosis cuando
estas neuronas reciben una señal, normalmente procedente de
otras neuronas. Estas hormonas, como las demás, se liberan en
la sangre. Como estas hormonas son secretadas por neuronas
en vez de por glándulas, también reciben el nombre de neurohormonas. La hormona antidiurética regula la reabsorción de
agua de los riñones y se trata en el capítulo 19; la oxitocina estimula las contracciones uterinas y la subida de leche a las mamas
y se trata en el capítulo 22.
Conexión sanguínea entre el hipotálamo
y la adenohipófisis
La adenohipófisis y las células del hipotálamo que la controlan
secretan principalmente hormonas trópicas (también llamadas
hormonas tróficas), que son hormonas que regulan la secreción
de otras hormonas. Una hormona trófica puede ser una hormona estimulante, que aumenta la secreción de otra hormona, o
una hormona inhibidora, que disminuye la secreción de otra
hormona. La vía de señalización habitual es como sigue: el hipotálamo libera una hormona trópica que efectúa la liberación de
otra hormona trópica de la adenohipófisis; esta hormona trópica efectúa la liberación de una tercera hormona de otra glándula endocrina, que tiene efecto sobre las células diana de todo el
organismo.
Anatomía del sistema portal hipotalámico-hipofisario El hipotálamo y la adenohipófisis están conectados por el sistema portal hipotalámico-hipofisario (fig. 6.4). Un sistema portal es una
disposición especial de vasos sanguíneos en la que dos lechos
capilares están situados en serie, uno detrás del otro. (Los capilares son los vasos sanguíneos más pequeños y en ellos se pueden intercambiar compuestos entre sangre y tejido.) Después de
que el hipotálamo secrete hormonas trópicas en los lechos capilares situados allí (v. fig. 6.4), estas hormonas trópicas se dirigen
por el infundíbulo hasta la hipófisis a través de una vena porta,
desde la que entran en un segundo lecho capilar. Entonces, las
C A P Í T U LO 6
Órganos endocrinos primarios
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Órganos endocrinos secundarios
Glándula pineal
Hipotálamo
Hipófisis
Glándula tiroides
Glándulas paratiroideas
Timo
Corazón
Estómago
Glándula suprarrenal
Páncreas
Hígado
Riñón
Ovarios (mujeres)
Intestino delgado
Testículos (hombres)
Placenta (no se
muestra; solo en
mujeres gestantes)
FIGURA 6.1 Órganos endocrinos.
Piel
151
152
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Glándula pineal
Hipotálamo
Encéfalo
Hipotálamo
Infundíbulo
Neurohipófisis
Adenohipófisis
Hipófisis
Médula espinal
(a)
(b)
FIGURA 6.2 Hipotálamo e hipófisis. (a) Ubicaciones del hipotálamo y la hipófisis en el encéfalo.
(b) Conexión del hipotálamo y de la hipófisis mediante el infundíbulo. La hipófisis se divide en adenohipófisis
y neurohipófisis.
Núcleo supraóptico (las
células secretan oxitocina)
Células
neurosecretoras
Núcleo paraventricular
(las células secretan ADH)
Hipotálamo
Arteria
Entrada
de sangre
Infundíbulo
Axones terminales
(liberan
hormonas a
los capilares)
hormonas trópicas hipotalámicas estimulan o inhiben la liberación de hormonas en la adenohipófisis.
El sistema portal permite el transporte directo de las hormonas trópicas hipotalámicas hacia sus células diana en la
adenohipófisis, garantizando que estas hormonas no se diluyan y degraden por enzimas en la circulación general.
Como resultado, las hormonas trópicas hipotalámicas están
más concentradas en la sangre portal que se transporta a la
adenohipófisis y tienen un mayor efecto en la liberación de
hormonas.
Hormonas trópicas del hipotálamo y de la adenohipófisis Comparado con la neurohipófisis, la adenohipófisis es más parecida a una glándula endocrina «típica», en el sentido de que las
células que sintetizan y secretan las hormonas están situadas
totalmente dentro de la hipófisis. Dentro de la adenohipófisis,
cada uno de los distintos tipos de células entremezcladas es
responsable de la síntesis y la secreción de una hormona concreta. La secreción de estas hormonas se regula mediante hormonas trópicas secretadas por las neuronas del hipotálamo.
La secreción de estas hormonas trópicas (cinco hormonas estimulantes y dos hormonas inhibidoras) se regula mediante
estímulos neurales en las neuronas hipotalámicas. Las hormonas trópicas hipotalámicas, las hormonas de la adenohipófisis
que regulan y las funciones de esas hormonas de la adenohipó-
Adenohipófisis
Lecho
capilar
Neurohipófisis
Vena
Salida
de sangre
FIGURA 6.3 Conexión entre el hipotálamo y la neurohipófisis.
Las neuronas que se originan en el hipotálamo envían proyecciones a la
neurohipófisis. Las neuronas que se originan en el núcleo paraventricular
sintetizan y secretan hormona antidiurética (ADH); las neuronas que se
originan en el núcleo supraóptico sintetizan y secretan oxitocina. Las
terminaciones nerviosas secretan ADH y oxitocina en el torrente sanguíneo
en la neurohipófisis.
C A P Í T U LO 6
1. La hormona liberadora de prolactina (PRH) estimula la adenohipófisis para que se libere prolactina, que estimula el
desarrollo de las glándulas mamarias y la secreción de leche
en las mujeres.
2. La hormona inhibidora de prolactina (PIH), o dopamina (una
catecolamina), inhibe la liberación de prolactina.
3. La hormona liberadora de tirotropina (TRH) estimula la liberación de la hormona estimulante del tiroides (TSH) de la
adenohipófisis. Entonces, la hormona estimulante del tiroides estimula la secreción de hormonas tiroideas por la glándula tiroides.
4. La hormona liberadora de corticotropina (CRH) estimula la
liberación de la hormona adrenocorticotrópica (ACTH) por
la adenohipófisis. Entonces, la ACTH estimula la secreción
de otras hormonas por la corteza suprarrenal, la capa externa de la glándula suprarrenal.
5. La hormona liberadora de la hormona del crecimiento
(GHRH) estimula la secreción de la hormona del crecimiento (GH) por la adenohipófisis. La hormona del crecimiento
regula el crecimiento y el metabolismo energético, pero también funciona como una hormona trópica, estimulando la
secreción de factores de crecimiento parecidos a la insulina
(IGF) por el hígado.
6. La hormona inhibidora de la hormona de crecimiento (GHIH),
o somatostatina, inhibe la secreción de la hormona de crecimiento por la adenohipófisis.
Hipotálamo
Arteria
Entrada
de sangre
Lecho
capilar
Vena
porta
Lecho
capilar
153
fisis aparecen en una lista a continuación y se muestran en la
figura 6.5. Con una excepción, todas esas hormonas son peptídicas.
Células
neurosecretoras
Hormonas
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Neurohipófisis
Adenohipófisis
Célula endocrina
Vena
Salida de sangre
FIGURA 6.4 Sistema portal hipotalámico-hipofisario. Las células
neurosecretoras del hipotálamo secretan hormonas trópicas en el sistema portal
hipotalámico-hipofisario. Las hormonas trópicas viajan a la adenohipófisis, donde
determinan la liberación de las hormonas de la adenohipófisis en la sangre.
Células neurosecretoras
Hipotálamo
Hormona
trópica hipotalámica
PRH
Vena porta
hipotalámica-hipofisaria
+
PIH
(dopamina)
TRH
CRH
+
+
–
GHRH
GHIH
GnRH
(somatostatina)
+
–
Células
endocrinas
Adenohipófisis
Hormonas trópicas
de la adenohipófisis
+
Prolactina
TSH
ACTH
Glándula
tiroides
Corteza
suprarrenal
TH
Cortisol
GH
LH
FSH
Circulación
sistémica
Mamas
FIGURA 6.5 Hormonas trópicas del hipotálamo y de la adenohipófisis.
El hipotálamo secreta siete hormonas trópicas en el sistema portal
hipotalámico-hipofisario que liberan (–RH) o inhiben (–IH) hormonas. Estas
hormonas trópicas actúan sobre las células endocrinas en la adenohipófisis
para estimular la liberación de hormonas que (salvo la prolactina) también
son hormonas trópicas. Las hormonas de la adenohipófisis actúan sobre
Hígado
Factores de
crecimiento
parecidos a
la insulina
Células
por todo el
organismo
Gónadas
Hombre Mujer
Estrógenos,
progesterona
Andrógenos
otras glándulas endocrinas para estimular la liberación de otras hormonas
más.
¿Qué hormona trópica hipotalámica estimula indirectamente la liberación
P
de cortisol?
154
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Hipotálamo
Hipotálamo
Secreción de la
hormona trópica 1
Secreción de la hormona
liberadora de
corticotropina (CRH)
Adenohipófisis
Circuito
largo de
retroalimentación
negativa
Circuito
corto de
retroalimentación
negativa
Adenohipófisis
Secreción de la
hormona trópica 2
Glándula endocrina
Secreción de la hormona
adrenocorticotrópica (ACTH)
Circuito
largo de
retroalimentación
negativa
Secreción de la
hormona trópica 3
Glándula suprarrenal
Secreción de cortisol
Respuesta de la célula diana
Respuesta de la célula diana
Estímulo inicial
Estímulo inicial
Respuesta fisiológica
Respuesta fisiológica
Resultado
Resultado
FIGURA 6.6 Circuitos de retroalimentación negativa que afectan a las
hormonas trópicas del hipotálamo y de la adenohipófisis.
FIGURA 6.7 Regulación de la liberación de cortisol.
7. La hormona liberadora de gonadotropina (GnRH) estimula la
liberación tanto de la hormona folículo estimulante (FSH)
como de la hormona luteinizante (LH) por la adenohipófisis.
La hormona luteinizante estimula la ovulación de las mujeres y la secreción de hormonas sexuales (estrógenos y progesterona en mujeres, y andrógenos en hombres) por las gónadas. La hormona folículo estimulante facilita el desarrollo de
los óvulos en las mujeres y de los espermatozoides en los
hombres, y estimula la secreción de estrógenos en las mujeres y de inhibina en ambos sexos.
retroalimentación negativa causan una disminución en la liberación tanto de CRH y de ACTH. En ambos casos, el resultado
neto es que el cortisol actúa para inhibir su propia secreción. Sin
embargo, el cortisol proporciona una retroalimentación negativa solo a sus propias hormonas trópicas; no tiene efecto, por
ejemplo, en las células que secretan hormona que libera gonadotropina u hormona luteinizante.
Los circuitos de retroalimentación regulan las vías de
múltiples pasos por las que se producen las hormonas trópicas
del hipotálamo y de la adenohipófisis (fig. 6.6). La hormona
trópica de la adenohipófisis puede actuar mediante retroalimentación negativa sobre el hipotálamo para reducir su propia
liberación. La inhibición de las hormonas trópicas hipotalámicas por la hormona trópica de la adenohipófisis, llamada circuito corto de retroalimentación negativa, evita la acumulación
del exceso de hormona trópica de la adenohipófisis. Además, la
hormona cuya secreción es estimulada por la hormona trópica
suele ejercer una retroalimentación sobre el hipotálamo (y a
menudo en la adenohipófisis también) para inhibir la secreción de la hormona trópica, limitando, así, su propia secreción.
Este fenómeno se denomina circuito largo de retroalimentación negativa.
La figura 6.7 describe la regulación del cortisol por la glándula suprarrenal como ejemplo concreto de regulación de la retroalimentación negativa. La hormona CRH estimula la liberación
de la ACTH, una hormona trópica de la adenohipófisis. Por su
parte, la ACTH estimula la liberación de cortisol de la glándula
suprarrenal. Si las concentraciones de cortisol de la sangre
aumentan por encima de un cierto nivel, entonces los ciclos de
1. Nombra las dos hormonas liberadas en la neurohipófisis. ¿Qué tipo
de célula libera estas hormonas?
2. Nombra todas las hormonas trópicas hipotalámicas y explica cómo
afectan a la liberación de una hormona de la adenohipófisis.
3. ¿Cuál es la diferencia entre el circuito largo y el circuito corto de retroalimentación negativa?
Test rápido 6.1
Glándula pineal
La glándula pineal, situada dentro del cerebro (v. fig. 6.2), está
compuesta por tejido glandular que secreta la hormona melatonina. La función de la melatonina sigue siendo un tema de
debate, pero estudios más recientes sugieren que es importante en el establecimiento de los ritmos circadianos (un ritmo
diario que coordina las actividades del organismo con el ciclo
día-noche). Se sabe, por ejemplo, que la secreción de melatonina aumenta por la noche y disminuye durante el día, y que la
melatonina es un potente agente inductor del sueño cuando se
administra de manera terapéutica. La melatonina también
aumenta la función inmune y ejerce un efecto supresor sobre
la función reproductora, interfiriendo en la actividad de ciertas
hormonas.
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
155
Faringe
Laringe
Glándulas
paratiroideas
Glándula
tiroidea
Arteria
carótida
Tráquea
Glándula
tiroides
Esófago
Arteria
carótida
Tráquea
(a) Vista frontal
(b) Vista posterior
FIGURA 6.8 Ubicación de las glándulas tiroides y paratiroides.
Glándula tiroides y glándulas paratiroideas
La glándula tiroides es una estructura en forma de mariposa
situada en la superficie ventral de la tráquea (fig. 6.8a). La glándula tiroides secreta las dos hormonas tiroideas, tetrayodotironina (T4) y triyodotironina (T3), así como la calcitonina. Las hormonas tiroideas regulan el metabolismo del organismo y son
necesarias para el crecimiento y el desarrollo normales; la calcitonina regula los niveles de calcio de la sangre.
Las cuatro glándulas paratiroideas son estructuras más
pequeñas situadas en la superficie posterior de la glándula tiroides (fig. 6.8b). Las glándulas paratiroideas secretan hormona
paratiroidea (PTH), un regulador importante de las concentraciones de calcio en la sangre. Las hormonas tiroideas se tratan
con más detalle en el capítulo 21.
Timo
El timo está cerca del corazón (v. fig. 6.1) y secreta la hormona
timosina. Además, el timo es crítico para la función inmunológica normal, porque las células inmunes llamadas linfocitos T o
células T, que son esenciales para respuestas inmunes efectivas
contra microorganismos invasores, maduran allí. La timosina
regula la función de las células T.
Glándulas suprarrenales
Las glándulas suprarrenales están situadas encima de los riñones (v. fig. 6.1), de ahí su nombre. Cada glándula suprarrenal
consiste en una capa externa llamada corteza, que representa
alrededor del 80% de la masa total de la glándula, y un centro
interno, llamado médula (fig. 6.9). Como la hipófisis, cada glándula suprarrenal está compuesta, esencialmente, por dos
glándulas en una, porque la corteza y la médula son estructural
y funcionalmente distintas.
La corteza suprarrenal está estratificada en tres capas diferentes: 1) una capa externa, llamada zona glomerular; 2) una capa
media, llamada zona fascicular, y 3) una capa interior, denominada zona reticular. Como las células de estas capas poseen diferentes complementos de las enzimas implicadas en la síntesis de las
hormonas de la corteza suprarrenal, estas células fabrican y secretan varias hormonas en diversas proporciones.
La corteza suprarrenal secreta varias hormonas llamadas
colectivamente adrenocorticoides, un término que hace referencia a su lugar de origen (corteza suprarrenal) y a la clase química de los componentes a los que pertenecen (esteroides). Entre
los adrenocorticoides se incluyen hormonas de tres tipos:
1. Los mineralocorticoides (principalmente aldosterona) son
secretados exclusivamente por células en la zona glomerular.
Los mineralocorticoides regulan la reabsorción de sodio y la
secreción de potasio por los riñones.
2. Los glucocorticoides (principalmente el cortisol) se secretan,
sobre todo, por las células en la zona fascicular y la zona reticular. Los glucocorticoides regulan la respuesta del organismo al estrés, el metabolismo de las proteínas, de los hidratos
de carbono y de los lípidos en varios tejidos, y los niveles de
glucosa en sangre.
3. Las hormonas sexuales (principalmente los andrógenos) son
secretadas por células de la zona fascicular y la zona reticular
(y por las gónadas). Las hormonas sexuales regulan la función reproductora y varios procesos más. Como en los varones las gónadas secretan los andrógenos en cantidades
mucho mayores, la secreción de estas hormonas por parte de
la corteza suprarrenal tiene, normalmente, poca importancia fisiológica; sin embargo, en las mujeres, los andrógenos
suprarrenales pueden estimular el impulso sexual.
La médula suprarrenal contiene células cromafines y secreta
catecolaminas; alrededor de un 80% de las hormonas secretadas
es adrenalina, un 20% es noradrenalina, y menos del 1% es
dopamina. La adrenalina se libera en momentos de estrés o excitación; entre otras cosas, provoca un aumento del ritmo cardíaco y una movilización de las reservas de energía. El principal
156
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Corteza suprarrenal
Médula suprarrenal
Glándula suprarrenal
Riñón
FIGURA 6.9 Anatomía de la glándula suprarrenal. Las glándulas suprarrenales, situadas justo encima
de los riñones, están divididas en una médula interna y una corteza externa.
P ¿Qué hormonas secreta la zona reticular?
estímulo para la secreción de adrenalina y, en menor medida, de
noradrenalina y dopamina, es neural, como se describe con todo
detalle en el capítulo 11.
Páncreas
El páncreas funciona como glándula endocrina y exocrina. El
páncreas exocrino incluye las células acinares y las células ductales que secretan enzimas y líquido al tubo digestivo (v. capítulo 20); el páncreas endocrino consiste en unos cúmulos de células denominadas islotes de Langerhans, dispersas por el páncreas
en espacios entre los conductos (fig. 6.10).
Los islotes de Langerhans son la fuente de dos hormonas
importantes, cada una de ellas secretada por un tipo distinto de
célula: la insulina, secretada por las células B (células beta), y el
glucagón, secretado por las células A (células alfa). Ambas hormonas son importantes en la regulación del metabolismo de la
energía y los niveles de glucosa en sangre (v. capítulo 21). Existen
otros dos tipos de células en los islotes de Langerhans: las células D y las células F. Las células D o células delta secretan somatostatina que ayuda a regular la digestión y la absorción de
nutrientes y puede regular la secreción de otras hormonas pancreáticas. (Recordemos que la somatostatina es también una
hormona trópica hipotalámica que inhibe la secreción de la hormona de crecimiento en la adenohipófisis.) Las células F secretan polipéptido pancreático; la función de esta hormona es
desconocida.
Gónadas
Las gónadas (ovarios y testículos) tienen tanto funciones endocrinas como no endocrinas. En ambos sexos producen los
gametos, espermatozoides en los hombres y ovocitos en las
mujeres, y secretan hormonas sexuales. En los hombres, las
hormonas sexuales predominantes son los andrógenos, la testosterona y la androstenodiona (v. «Comprender el ejercicio:
Por qué los atletas toman esteroides»); en las mujeres, las hormonas sexuales más importantes son el estradiol (que pertenece a un grupo de hormonas afines conocidas como estrógenos)
y la progesterona.
La placenta también funciona como glándula endocrina en
las mujeres embarazadas, secretando principalmente estrógenos y progesterona. Las hormonas de la reproducción se describen en detalle en el capítulo 22.
Órganos endocrinos secundarios
Además de cumplir con su función primaria, muchos órganos
del cuerpo secretan hormonas. Entre estos órganos endocrinos secundarios se encuentran el corazón, los riñones, los
órganos digestivos, el hígado y la piel (v. fig. 6.1). El corazón
secreta péptido natriurético auricular, que regula la reabsorción de sodio por los riñones (v. capítulo 19). Los riñones secretan eritropoyetina, que estimula la producción de glóbulos rojos
por parte de la médula ósea (v. capítulo 15). Los órganos del tubo
digestivo secretan varias hormonas que son importantes en la
regulación de la digestión y la absorción de alimentos (v. capítulo 20). El hígado secreta factores de crecimiento parecidos a
la insulina, que promueven el crecimiento tisular (v. capítulo 21). Finalmente, la piel y los riñones están implicados en la
producción de 1,25-dihidroxivitamina D3, que regula los niveles
de calcio en sangre (v. capítulo 19).
Las hormonas secretadas por los órganos endocrinos primarios y secundarios, así como sus funciones, se resumen en la
tabla 6.1.
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Estómago
157
Páncreas
Páncreas
(a)
Célula alfa
(secreta
glucagón)
Célula
beta
(secreta
insulina)
Célula
delta (secreta
somatostatina)
Páncreas
exocrino
(células acinares
y células ductales)
Células F
(secretan
polipéptido
pancreático)
(b)
FIGURA 6.10 Anatomía del páncreas. (a) Situado en la cavidad abdominal debajo del estómago.
(b) Histología del páncreas. El páncreas está constituido por células acinares y células ductales, que secretan
productos exocrinos en los conductos, e islotes de Langerhans, que contienen células que secretan hormonas
al líquido intersticial. Hay cuatro tipos de células endocrinas en los islotes; cada tipo secreta una hormona
diferente.
Test rápido 6.2
1. Nombra las tres hormonas que libera la glándula tiroides. ¿Qué hormona regula los niveles de calcio en sangre?
2. ¿Qué hormonas libera la corteza suprarrenal? ¿Y cuáles la médula
suprarrenal?
3. ¿Qué glándula endocrina secreta insulina? ¿Cuál estrógenos? ¿Cuál
melatonina?
Acción de las hormonas
en la célula diana
La primera parte de este capítulo describía las glándulas que
secretan hormonas. En esta sección, trataremos en detalle las
acciones de las hormonas en la célula diana. Entre los factores
que influyen en la magnitud de la respuesta de una célula diana
a una hormona se incluyen los tipos de receptores de la célula
diana y el mecanismo de transducción de señales (tratados en el
capítulo 5), y la concentración de hormonas libres en la sangre.
Control de las concentraciones
de hormonas en la sangre
La concentración de hormonas libres en la sangre depende de
tres factores: 1) el ritmo de secreción de hormonas; 2) la cantidad de hormona transportada ligada a las proteínas transportadoras, y 3) el ritmo al que se metaboliza la hormona.
Velocidad de secreción de las hormonas
Con pocas excepciones, las células endocrinas y otras células
secretoras liberan mensajeros químicos a velocidades variables.
Cuando estas células reciben ciertas señales, la velocidad de
158
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
COMPRENDER EL E JERCICIO
Por qué los atletas toman esteroides
A menudo se oye en las noticias: el atleta dio
positivo en un control antidopaje por esteroides. ¿Por qué este atleta pone en riesgo su
carrera profesional y su salud tomando sustancias ilegales?
Los atletas de hoy en día son más fuertes y
rápidos que nunca. Se siguen batiendo récords
mundiales, aun cuando ya se creía que eran
imbatibles. Aunque la mayoría de estos logros
se pueden atribuir a los avances en el entrenamiento y en la tecnología, algunos son el
resultado del abuso de esteroides. Entre las
hormonas esteroideas producidas en el organismo, se incluyen los adrenocorticoesteroides (como la aldosterona y el cortisol) y las
hormonas sexuales (andrógenos, estrógenos
y gestágenos). Las drogas esteroideas incluyen los corticoesteroides, prescritos para
luchar contra la inflamación, y los esteroides
anabólicos, utilizados por los atletas para fortalecer sus músculos.
Los esteroides anabólicos son formas sintéticas de andrógenos, las hormonas sexuales
masculinas. Por tanto, ayudan a que los hombres desarrollen características sexuales
secundarias, como una mayor masa muscular,
vello en la cara e impulso sexual. Unos niveles
excesivos de andrógenos causan efectos
secundarios graves, entre los que se encuentran detención del crecimiento, tumores en el
hígado, comportamiento agresivo y hostil,
corazón más grande de lo normal, acné, etc.
En las mujeres, los niveles excesivos de andrógenos pueden resultar en una masculinización
del cuerpo, como crecimiento de vello facial,
agravamiento de la voz y disminución de los
ciclos menstruales.
Con tantos riesgos para su salud y para sus
carreras profesionales, ¿por qué algunos atletas siguen tomando esteroides anabólicos?
Los andrógenos pueden aumentar su fuerza
en entre un 5 y un 20%, y su masa corporal
magra entre 2 y 5 kg. Aunque estos números
puedan parecer pequeños, incluso centésimas
de segundo en una carrera de 100 m pueden
significar la diferencia entre el oro (y millones
de dólares de ingresos) o la plata (y un simple
billete de avión para regresar a casa).
TABLA 6.1 Órganos endocrinos y hormonas que secretan
Órgano
Hormonas
Funciones
Hipotálamo
Hormonas liberadoras e inhibidoras
de la liberación
Regula la secreción de las hormonas de la adenohipófisis
Adenohipófisis
Hormona de crecimiento (GH)
Esencial para el crecimiento; estimula el crecimiento de
los huesos y del tejido blando; regula el metabolismo
de las proteínas, de los lípidos y de los hidratos de
carbono
Hormona adrenocorticotrópica (ACTH)
Estimula la secreción de glucocorticoides por la corteza
suprarrenal
Hormona estimulante del tiroides (TSH)
Estimula la secreción de hormonas tiroideas por la glándula
tiroides
Prolactina
Estimula el desarrollo de las mamas y la secreción de la leche
por las glándulas mamarias
Hormona folículo estimulante (FSH)
Mujeres: estimula el crecimiento y el desarrollo de los folículos
ováricos, así como la secreción de estrógenos.
Hombres: estimula la producción de esperma por los
testículos
Hormona luteinizante (LH)
Mujeres: estimula la ovulación, la transformación del folículo
ovárico en el cuerpo lúteo y la secreción de estrógenos y
progesterona.
Hombres: estimula la secreción de testosterona por los
testículos
Órganos endocrinos primarios
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
159
TABLA 6.1 Órganos endocrinos y hormonas que secretan (cont.)
Órgano
Hormonas
Funciones
Neurohipófisis
Hormona antidiurética (ADH o vasopresina)
Disminuye la producción de orina por los riñones, promueve
la constricción de los vasos sanguíneos (arteriolas)
Oxitocina
Mujeres: estimula las contracciones uterinas y la salida de
leche por las glándulas mamarias. Hombres: función
desconocida
Glándula pineal
Melatonina
Regula los ritmos biológicos en función del ciclo día-noche
Timo
Timosina
Estimula la proliferación y el funcionamiento de los
linfocitos T
Glándula tiroides
Hormonas tiroideas (triyodotironina
y tetrayodotironina)
Aumenta el metabolismo basal; es necesaria para un
desarrollo normal
Calcitonina
Promueve el depósito de calcio en los huesos y baja los
niveles de calcio en la sangre
Glándulas paratiroideas
Hormona paratiroidea (PTH)
Promueve la liberación de calcio de los huesos, la absorción
de calcio por el intestino y la reabsorción de calcio por los
túbulos renales; aumenta los niveles de calcio en la sangre;
estimula la síntesis de vitamina D3
Corteza suprarrenal
Mineralocorticoides (aldosterona)
Estimula la reabsorción de sodio y la secreción de potasio por
los túbulos renales
Glucocorticoides (cortisol, corticosterona)
Promueve el catabolismo de proteínas y grasas; aumenta
los niveles de glucosa en sangre; adapta el organismo al
estrés
Andrógenos (dehidroepiandrosterona,
androstenodiona)
Promueve el impulso sexual
Médula suprarrenal
Adrenalina
Estimula la respuesta de la huida o el enfrentamiento
Páncreas
Insulina
Reduce los niveles de glucosa en sangre; almacena energía,
promoviendo la síntesis de proteínas, lípidos y glucógeno
Glucagón
Aumenta los niveles de glucosa en sangre; moviliza la energía,
promoviendo la glucogenólisis, gluconeogenia
Somatostatina
Inhibe la secreción de hormonas pancreáticas; regula la
digestión y absorción de nutrientes por el aparato digestivo
Testículos
Andrógenos (testosterona, androstenodiona)
Necesarios para la producción de esperma por los testículos;
promueve el impulso sexual y el desarrollo de características
sexuales secundarias (vello en la cara, voz grave, etc.)
Ovarios
Estrógenos (estradiol)
Necesarios para el desarrollo folicular; promueven el
desarrollo de características sexuales secundarias (pechos,
distribución de la grasa corporal, etc.)
Progestágenos (progesterona)
Promueven el crecimiento del endometrio que prepara el
útero para la gestación
Gonadotropina coriónica, estrógenos, progesterona
Mantienen el cuerpo lúteo; refuerzan las acciones de las
hormonas secretadas por aquel
Corazón
Péptido natriurético auricular
Inhibe la reabsorción de sodio por los túbulos renales
Riñones
Renina
Estimula la secreción de aldosterona indirectamente
mediante el sistema renina-angiotensina
Eritropoyetina
Estimula la producción de glóbulos rojos en la médula ósea
Estómago
Gastrina
Estimula la secreción de ácidos por el estómago y la motilidad
intestinal
Intestino delgado
Secretina, colecistocinina, péptido insulinotrópico
dependiente de glucosa
Regula la motilidad y la secreción digestiva; regula la
secreción exocrina por el hígado y el páncreas
Hígado
Factores de crecimiento (IGF) parecidos a la insulina
Promueve el crecimiento del hueso y del tejido blando
Piel, hígado, riñón*
1,25-dihidroxivitamina D3
Promueve la absorción de calcio por el intestino
Gónadas
Placenta (durante la gestación)
Órganos endocrinos secundarios
Tubo digestivo
*La piel, el hígado y los riñones son necesarios para la activación de la 1,25-dihidroxivitamina D3.
160
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
secreción aumenta o disminuye. Las velocidades de secreción
más rápidas se traducen en concentraciones más altas de hormona en sangre y más moléculas hormonales unidas a receptores en las células diana. Además, cuando los niveles hormonales
en sangre aumentan, provocan cambios en las células diana. Sin
embargo, en unos pocos casos, las hormonas son secretadas a
una velocidad relativamente continua. Como las concentraciones de estos mensajeros no cambian apreciablemente, no desencadenan cambios en la célula diana de la misma forma que lo
hacen otras hormonas. En su lugar, facilitan procesos que suelen
darse continuamente. Por ejemplo, las hormonas tiroideas suelen ser secretadas a una velocidad casi constante en los adultos
y son necesarias para el mantenimiento del metabolismo normal y el funcionamiento del sistema nervioso.
En general, las células endocrinas alteran la secreción hormonal en respuesta a dos tipos de estímulos: las señales neurales
y las señales humorales (de transmisión sanguínea), cada una de
las cuales puede ser estimulante o inhibidora. Las señales neurales regulan directamente la secreción hormonal en el hipotálamo, la neurohipófisis y la médula suprarrenal, lo que puede
afectar a la secreción de otras hormonas. Por ejemplo, el estrés
activa las señales neurales que estimulan al hipotálamo para que
libere hormona liberadora de corticotropina, que estimula
la liberación de ACTH de la adenohipófisis (fig. 6.11). La ACTH
estimula la corteza suprarrenal para que secrete cortisol, una
hormona que ayuda al organismo para que pueda sobrellevar el
estrés. Los efectos del cortisol en el estrés se describen en detalle
en el capítulo 21.
Entre las señales humorales se encuentran tres categorías
básicas: 1) hormonas; 2) iones, y 3) metabolitos. Ya hemos tratado el control hormonal de la liberación hormonal con respecto
a las hormonas trópicas del hipotálamo y de la adenohipófisis y
los ciclos de retroalimentación negativa. Muchas hormonas
regulan las concentraciones de iones o metabolitos en sangre,
los cuales operan mediante retroalimentación negativa para
regular la secreción de las hormonas. Por ejemplo, la figura 6.12a
muestra el control de la secreción de insulina según los niveles
de glucosa en sangre. Si estos son altos, se estimula que las células beta del páncreas liberen insulina. Esta estimula que la mayoría de las células del organismo capten glucosa, causando un
descenso del nivel de glucosa en sangre. Cuando este nivel llega
a la normalidad, se reduce el estímulo para la secreción de insulina y su liberación. La figura 6.12b muestra otro ejemplo de
retroalimentación negativa: la regulación de los niveles de potasio en sangre. Si hay altos niveles de iones potasio (K+) en sangre,
las células de la zona glomerular de la corteza suprarrenal se
estimulan para secretar aldosterona. Esta estimula a los riñones
para excretar iones potasio en la orina, disminuyendo los niveles de potasio en sangre.
Muchas hormonas se secretan según los ritmos circadianos
(v. «Descubrimientos: Ritmos circadianos y desfase horario»).
Los mecanismos subyacentes a los ritmos circadianos no se
conocen del todo, pero el ritmo depende de los estímulos endocrinos y neurales (p. ej., a través de los ojos). El control hormonal
proviene, al menos en parte, de la melatonina. Se cree que el
estímulo neural proviene de un área del hipotálamo llamada
núcleo supraquiasmático, que proporciona estímulo neural
(directa o indirectamente) a las células neurosecretoras del
hipotálamo que secretan hormonas trópicas. Todas las hormonas trópicas del hipotálamo están afectadas por un ritmo circadiano, creando así un ritmo para la liberación de las hormonas
de la adenohipófisis y, a su vez, para la liberación de las hormonas afectadas por ellas.
Estrés
Señales neurales
Hipotálamo
secreción de la hormona
liberadora de corticotropina
(CRH)
Adenohipófisis
secreción de la hormona
adrenocorticotrópica (ACTH)
Corteza suprarrenal
secreción de cortisol
Estímulo inicial
Respuesta fisiológica
FIGURA 6.11 Control neural de la liberación de hormonas del
hipotálamo. La información neural generada por los estímulos estresantes
induce la liberación de CRH del hipotálamo, que finalmente ocasiona la
liberación de cortisol de la corteza suprarrenal.
Transporte de las hormonas unidas
a las proteínas transportadoras
Recordemos que los mensajeros hidrófobos, incluyendo las hormonas esteroideas y tiroideas, son transportados por la sangre
uniéndose a proteínas de transporte. Cuando las hormonas son
transportadas de esta manera, solo la concentración de hormonas no ligadas afecta a la unión de la hormona al receptor. Las
proteínas transportadoras aumentan la semivida de las hormonas, para que estén presentes en la sangre por un período más
largo, reduciendo el ritmo de su metabolismo, como se describirá a continuación.
Velocidad del metabolismo hormonal
Las hormonas permanecen en la sangre solo por un período relativamente corto de tiempo antes de ser metabolizadas. Las hormonas que se unen a los receptores de las células diana a menudo son metabolizadas por esas mismas células. Incluso aquellas
moléculas hormonales que se unen a receptores de membrana
con frecuencia se «internalizan» por endocitosis del complejo
hormona-receptor. Una vez dentro de la célula, la hormona es
degradada por enzimas localizadas en los lisosomas. Las hormonas que están libres en la sangre también pueden ser degradadas.
Las hormonas peptídicas pueden ser metabolizadas por enzimas
proteolíticas presentes en la sangre. Las hormonas también pueden ser metabolizadas por enzimas del hígado. Los productos de
degradación de estas hormonas son excretados en la orina, junto
con ciertas hormonas que se excretan en su forma original.
C A P Í T U LO 6
glucosa en sangre
Células beta del páncreas
secreción de insulina
Células de todo el organismo
Retroalimentación
negativa
captación de glucosa
glucosa en sangre
(a) Regulación de la secreción de insulina
K+ en sangre
161
sis mediada por receptor también es el mecanismo que transporta la insulina hasta sus células diana. Una vez dentro de estas,
la insulina está expuesta a una enzima responsable de la degradación de insulina (IDE), situada en el citosol. Parte de la insulina es eliminada del organismo por los riñones. Las células
renales contienen IDE; pueden degradar la insulina en fragmentos peptídicos más pequeños y, después, excretarlos del organismo.
Las hormonas esteroideas y tiroideas se metabolizan más
lentamente (tienen una semivida más larga) que los péptidos y
las aminas por dos motivos: 1) las hormonas esteroideas y tiroideas se transportan en la sangre unidas a proteínas transportadoras y 2) las hormonas esteroideas y tiroideas liposolubles pueden ser almacenadas temporalmente en el tejido graso. Como
ambos procesos son reversibles, las hormonas pueden ser liberadas de estos grupos cuando la concentración de hormonas
libres en el plasma comience a disminuir. La existencia de esta
reserva de hormonas que se pueden liberar tiende a mantener la
concentración de plasma elevada mucho después de que el ritmo de secreción haya vuelto a su nivel de reposo.
Comprueba tus conocimientos
Corteza suprarrenal
El uso de esteroides por parte de atletas profesionales ha dado como
resultado que las sociedades atléticas realicen pruebas antidopaje
aleatorias. Explica cómo esas pruebas pueden detectar la presencia
de esteroides días después de que los atletas los hayan consumido
o se los hayan inyectado.
secreción de
aldosterona
Riñones
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Retroalimentación
negativa
excreción de K+
K+ en sangre
(b) Regulación de la secreción de aldosterona
Estímulo inicial
Respuesta fisiológica
Resultado
FIGURA 6.12 Ejemplos del control humoral de la liberación de
hormonas. (a) Control de la liberación de insulina según los niveles de glucosa
en sangre. (b) Control de la liberación de aldosterona según los niveles de
potasio en sangre.
La insulina es una hormona peptídica y la aldosterona es una hormona
P
esteroidea. ¿Por medio de qué mecanismo se libera la insulina de las células
beta y la aldosterona de las células de la corteza suprarrenal?
Utilicemos el metabolismo de la insulina para ilustrar cómo
se elimina una hormona de la sangre. La insulina se libera de las
células beta del páncreas cuando la glucemia está elevada.
Entonces, la insulina actúa en las células diana por todo el organismo para aumentar el transporte de glucosa hacia las células.
La semivida de la insulina es corta, de solo unos 4-6 min en la
sangre. De hecho, en cuanto la sangre pasa a través del hígado,
la mayor parte de la insulina es eliminada de este por endocitosis mediada por receptor (descrita en el capítulo 4). La endocito-
Secreción anormal
de las hormonas
Una secreción anormal de hormonas puede tener consecuencias graves. Algunas enfermedades están causadas por un exceso
en la secreción de una hormona, lo que se denomina hipersecreción; otras están causadas por la secreción insuficiente de una
hormona, lo que se denomina hiposecreción. Un ejemplo de
hipersecreción es la acromegalia, una enfermedad causada por
un exceso de secreción de la hormona del crecimiento en adultos, lo que hace que se densifiquen los huesos y que los órganos
crezcan en exceso. Un ejemplo de hiposecreción es la diabetes
mellitus insulinodependiente, una enfermedad causada por una
secreción insuficiente de insulina de las células beta del páncreas. Si hay muy poca insulina en la sangre, las células no pueden utilizar la glucosa correctamente para crear energía. En los
casos de hipersecreción o hiposecreción, el proceso de la enfermedad puede ser primario (actuando directamente en la glándula endocrina) o secundario (lo que implica un problema con
la hormona trópica).
En un trastorno de secreción primario, la alteración se origina en la glándula endocrina que secreta la hormona. Por ejemplo, en la hipersecreción primaria del cortisol, la glándula suprarrenal secreta demasiado cortisol (fig. 6.13a). Una causa posible
de la hipersecreción son los tumores de las células endocrinas
(v. «Conexiones clínicas: Adenomas hipofisarios»). En la hipersecreción primaria, los niveles de hormonas trópicas en sangre
tienden a ser menores de lo normal, debido al aumento de la
retroalimentación negativa de la hormona regulada por las hormonas trópicas. En el ejemplo del cortisol, los niveles de CRH y
ACTH en sangre son bajos, porque el exceso de cortisol inhibe su
162
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
DESCUBRIMIENTOS
Ritmos circadianos y desfase horario
La invención de los viajes aéreos tuvo una consecuencia inesperada: el fenómeno del «desfase horario», o los síntomas de fatiga experimentados por los viajeros que vuelan
atravesando diversas zonas horarias. El desfase
horario ocurre porque se altera el ritmo circadiano del cuerpo. El ritmo circadiano es un
«reloj» interno que gobierna muchas funciones del organismo. Normalmente, sigue un
ciclo de 24 h y está vinculado a las variaciones
normales de luz y oscuridad que experimenta una persona a lo largo del curso de un día
(circa significa «casi», y diano hace referencia
al «día»). Sin embargo, cuando los viajeros vuelan atravesando diversas zonas horarias, se
altera su exposición normal a la luz, cambiando sus ritmos circadianos. Como estos ritmos
estimulan muchos procesos fisiológicos, sus
alteraciones pueden causar síntomas como
sueño en las horas diurnas y pérdida de energía, que caracterizan el desfase horario. Este
puede durar varios días y es su duración tiende
a aumentar en proporción con el número de
zonas horarias que se cruza.
Los viajeros pueden adoptar medidas para
ayudar a reducir los efectos del desfase horario. Como lo que altera el ritmo circadiano es
un cambio en el nivel de luz, los viajeros pueden simular exposiciones normales a la luz
con ayuda de una luz artificial potente mientras vuelan. Las luces artificiales por la noche
benefician a los que viajan hacia el oeste,
mientras que las luces artificiales por la mañana benefician a quienes viajan hacia el este.
También ciertos medicamentos pueden ayudar a algunos viajeros. En los últimos años ha
aumentado considerablemente el uso de la
melatonina (hormona de la glándula pineal
que se cree que está vinculada con los ritmos
circadianos) para evitar el desfase horario. Sin
embargo, no hay evidencias científicas concluyentes de su eficacia.
liberación mediante retroalimentación negativa. En la hiposecreción primaria del cortisol, los niveles hormonales siguen el
patrón opuesto: los niveles de cortisol bajan, pero los de CRH y
ACTH aumentan como consecuencia de una realimentación
negativa reducida.
En un trastorno de secreción secundario, la alteración
afecta a las células endocrinas de la adenohipófisis o bien del
hipotálamo, que secretan la hormona trópica. En la hipersecreción secundaria del cortisol, por ejemplo, los niveles de
cortisol en sangre aumentan debido a una secreción excesiva
de ACTH por una adenohipófisis anormal (fig. 6.13b) o bien
por una secreción excesiva de CRH por un hipotálamo anormal. Si el exceso de ACTH es secretado por la adenohipófisis,
los niveles de cortisol en sangre aumentan, pero los de CRH
disminuyen, debido a un aumento de la retroalimentación
negativa por el cortisol. Si el exceso de CRH es secretado por el
hipotálamo, los niveles de ACTH y cortisol en sangre también
aumentan.
Comprueba tus conocimientos
Describe los cambios en los niveles de las hormonas liberadora de
tirotropina, estimulante del tiroides y tiroideas en la sangre si un
adenoma hipofisario no funcional causa un defecto en la secreción
de hormona estimulante del tiroides.
Interacciones hormonales
Como vimos anteriormente, casi todas las células están expuestas
a las hormonas, de modo que las células diana de un mensajero
químico deben tener receptores que sean específicos para ese
mensajero. Como una sola hormona puede tener receptores en distintos tipos de células, esa hormona puede producir más de un
efecto en el organismo. Por ejemplo, hay receptores de ADH tanto
en ciertas células epiteliales de los riñones, donde la ADH aumenta
la reabsorción de agua, como en células del músculo liso de ciertos
vasos sanguíneos, donde la ADH hace que las células musculares se
contraigan, disminuyendo el diámetro de los vasos sanguíneos.
Como muestra la tabla 6.1, a menudo ocurre que más de una
hormona afecta a una función dada del organismo. Por ejemplo,
los niveles de calcio en sangre son regulados por la calcitonina,
la hormona paratiroidea y la 1,25-dihidroxivitamina D3. Análogamente, los niveles de glucosa en sangre son regulados por la
insulina, el glucagón, la adrenalina, el cortisol y la hormona de
crecimiento. En algunos casos, los efectos de las hormonas se
oponen unos a otros, un proceso llamado antagonismo. Por
ejemplo, la hormona paratiroidea aumenta los niveles de calcio
en sangre, mientras que la calcitonina los disminuye. De igual
manera, el glucagón sube los niveles de glucosa en sangre, mientras que la insulina los baja.
En otros casos, las hormonas producen efectos en la misma
dirección, generalmente con medios diferentes. Cuando dos o
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
Hipotálamo
Hipotálamo
secreción de
hormona liberadora
de corticotropina (CRH)
secreción de
hormona liberadora
de corticotropina (CRH)
Regulación
inadecuada
Adenohipófisis
EMPIEZA AQUÍ
secreción de hormona
adrenocorticotrópica
(ACTH)
Regulación
inadecuada
EMPIEZA AQUÍ
163
Regulación
inadecuada
Adenohipófisis anormal
secreción excesiva
de hormona
adrenocorticotrópica (ACTH)
Retroalimentación
negativa
Retroalimentación
negativa
Glándula suprarrenal
Glándula suprarrenal anormal
secreción
excesiva
de cortisol
secreción
excesiva
de cortisol
(a) Hipersecreción primaria de cortisol
(b) Hipersecreción secundaria de cortisol
Estímulo inicial
Respuesta fisiológica
Resultado
FIGURA 6.13 Secreción anormal de cortisol. (a) Hipersecreción primaria
de cortisol. Una alteración de la glándula suprarrenal hace que secrete
demasiado cortisol. Un exceso de cortisol en la sangre induce una fuerte
retroalimentación negativa, disminuyendo la liberación de CRH y ACTH en la
sangre. (b) Hipersecreción secundaria de cortisol. Una alteración de la
más hormonas producen el mismo tipo de respuesta en el organismo, el efecto puede ser aditivo, en cuyo caso el efecto neto
iguala la suma de los efectos individuales, o sinérgico, en cuyo
caso el efecto neto es mayor que la suma de los efectos individuales. Supongamos, por ejemplo, que las hormonas A y B producen efectos iguales cuando están presentes en una concentración de 1 nanogramo por decilitro (ng/dl) de sangre. Si ambas
hormonas están presentes en 1 ng/dl de sangre, entonces la respuesta en una interacción aditiva sería la suma de la de las hormonas individuales, pero la respuesta en una interacción sinérgica sería mayor que la suma de las respuestas hormonales
individuales.
En algunos casos, la presencia de una hormona es necesaria para que otra hormona pueda ejercer sus acciones, un proceso denominado permisividad. Un ejemplo sería el de la
adrenalina, que se une a receptores B-adrenérgicos en las
células del tejido muscular liso de los bronquiolos (pequeñas
vías de los pulmones), consiguiendo con ello que estas vías
aumenten de diámetro (se dilaten). Las hormonas tiroideas
son esenciales para la síntesis de los receptores B-adrenérgicos en estas células diana. Por tanto, aun cuando las hormonas tiroideas por sí mismas no tengan un efecto directo en el
diámetro de los bronquíolos, la adrenalina no puede desencadenar la dilatación de los bronquíolos en ausencia de hormonas tiroideas, porque no hay receptores a los que la adrenalina
se pueda unir.
adenohipófisis hace que secrete demasiada ACTH. El exceso del nivel de ACTH
en la sangre estimula a la glándula suprarrenal para que secrete un exceso de
cortisol. La retroalimentación negativa al hipotálamo aumenta, con lo que los
niveles de CRH en sangre disminuyen.
Test rápido 6.3
1. Nombra los tres factores que afectan a la concentración de una hormona en sangre.
2. Describe el control humoral de la secreción hormonal.
3. ¿Cómo afecta la unión de una hormona a una proteína transportadora en la sangre a la semivida de la hormona?
4. Compara la hipersecreción primaria de cortisol con la hipersecreción
secundaria en respuesta a cambios en los niveles de CRH. Describe
los cambios en los niveles de CRH, ACTH y cortisol en sangre que
podemos observar con cada uno.
5. Compara el antagonismo, los efectos aditivos, los efectos sinérgicos
y la permisividad en cuanto a su relación con las interacciones hormonales.
Integración de sistemas
Como hemos aprendido en este capítulo, el sistema endocrino
implica la liberación de hormonas de muchos órganos diferentes. Después, estas hormonas viajan en la sangre para afectar a
las células diana de todo el organismo. Así, a medida que vayamos viendo diversos sistemas en los capítulos que prosiguen, el
sistema endocrino volverá a aparecer una y otra vez. En el aparato cardiovascular (v. capítulos 13-15), aprenderemos cuál es la
función de la adrenalina en la regulación de la cantidad de san-
164
C A P Í T U LO 6
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
CONEXIONES CLÍNICAS
Adenomas hipofisarios
Los adenomas hipofisarios son tumores benignos (no cancerosos) de las células epiteliales
de la hipófisis. Aunque no son cancerosos, los
adenomas hipofisarios son, sin embargo,
potencialmente peligrosos, porque pueden
afectar a los niveles normales de secreción de
hormonas de la hipófisis.
Los adenomas hipofisarios constituidos por
células tumorales inactivas se denominan adenomas no funcionales. Estos tienden a disminuir la secreción de ciertas hormonas, comprimiendo las células endocrinas normales, o bien
a causar otros trastornos neurológicos al comprimir las neuronas situadas cerca del tumor.
Los adenomas con células tumorales que
secretan activamente una hormona determinada (aumentando así la secreción de hormonas hipofisarias) reciben el nombre de adenomas funcionales. Aproximadamente el 50%
de los adenomas hipofisarios funcionales afectan a las células que secretan prolactina y pueden provocar secreciones lácteas de la glándulas mamarias fuera del período posparto
(galactorrea), períodos menstruales irregulares (amenorrea) o disfunciones sexuales. Las
células secretoras de hormona del crecimiento
están afectadas por los adenomas hipofisarios
funcionales en un 30%, dando como resultado
una talla excesiva (gigantismo) en los niños
o un engrosamiento excesivo de los huesos
y un agrandamiento de los tejidos blandos
(acromegalia) en los adultos. Las células secretoras de ACTH se ven afectadas en un 20% por
los adenomas hipofisarios funcionales, dando
como resultado la enfermedad de Cushing.
Como su secreción de cortisol está incrementada, las personas que padecen la enfermedad
de Cushing tienden a tener niveles de glucosa
elevados, lo que puede motivar diabetes mellitus. Otros síntomas pueden ser obesidad del
tronco (pero no de las extremidades), estrías de
color púrpura («marcas de estiramiento») en el
abdomen debidas a una carencia de colágeno
en la piel, y una cara redondeada debido a la
acumulación de líquidos.
Los adenomas hipofisarios de menos
de 1 cm de diámetro reciben el nombre de
microadenomas. Los mayores de 1 cm se
denominan macroadenomas. La mayoría de
los adenomas hipofisarios funcionales son
microadenomas, porque causan síntomas que
suelen permitir una detección temprana de
gre bombeada del corazón y el diámetro de los vasos sanguíneos.
También aprenderemos las funciones de las hormonas angiotensina II y vasopresina en la disminución del diámetro de los
vasos sanguíneos. En el sistema renal (v. capítulos 18 y 19),
aprenderemos sobre las hormonas que regulan el equilibrio
los tumores. El tratamiento de los adenomas
hipofisarios es parecido al de otros tumores e
incluye tratamientos farmacológicos (normalmente eficaces para la hipersecreción de prolactina y hormona de crecimiento, pero no de
ACTH), radioterapia o extirpación quirúrgica
del tumor.
Gigantismo.
entre líquidos y electrólitos. Al estudiar el metabolismo y el crecimiento de todo el organismo, aprenderemos el papel de
muchas hormonas que desempeñan funciones en estos apartados. Varias hormonas también son importantes en la reproducción, de la que trata el capítulo 22.
RESUMEN DEL CAPÍTULO
Órganos endocrinos primarios, pág. 150
Los órganos endocrinos primarios incluyen
la hipófisis (dividida en adenohipófisis y
neurohipófisis), la glándula pineal, la glándula tiroides, las glándulas paratiroideas, el
timo, el páncreas y las gónadas. La secreción
de la adenohipófisis está regulada por hormonas trópicas secretadas por células neurosecretoras del hipotálamo. La secreción de
estas y otras hormonas se regula mediante
retroalimentación negativa.
Endocrine, Endocrine System Review, págs. 1–6
Órganos endocrinos secundarios,
pág. 156
Un órgano endocrino secundario secreta
una hormona además de realizar otra función primaria. Entre los órganos endocrinos
secundarios se encuentran el corazón, el
hígado y los riñones.
Acción de las hormonas en la célula
diana, pág. 157
La magnitud de la respuesta de una célula
diana a una hormona varía según la concen-
tración de hormona en el plasma, lo que
depende de la velocidad a la que se secrete
esa hormona, de la cantidad de hormona
que esté unida a las proteínas transportadoras en la sangre, y de la velocidad a la que la
hormona se metaboliza. El hígado degrada
la mayoría de las hormonas y los productos
de deshecho, finalmente, se excretan, en la
orina.
Endocrine, Actions of Hormones on Target
Cells, págs. 1–9
C A P Í T U LO 6
Secreción anormal de las hormonas,
pág. 161
Entre las secreciones anormales de hormonas se encuentran la hiposecreción, o secreción de escasa hormona, y la hipersecreción,
o secreción excesiva de hormona. El trastorno puede ser primario o secundario. Un trastorno de secreción se considera primario
Sistema endocrino: glándulas endocrinas y acción de las hormonas
cuando el órgano endocrino es anormal y
secreta una cantidad incorrecta de hormona.
Se habla de un trastorno de secreción secundario cuando el hipotálamo o la adenohipófisis es anormal y secreta una cantidad incorrecta de hormona trópica, que desencadena,
por tanto, una secreción inadecuada de hormona de la glándula endocrina diana.
165
Interacciones hormonales, pág. 162
Una sola hormona puede regular más de una
función corporal, y una función dada puede
estar regulada por dos o más hormonas, que
pueden ejercer efectos aditivos, antagonistas, sinérgicos o permisivos.
EJERCICIOS
Preguntas de opción múltiple
1. ¿Cuál de las siguientes áreas de la glándula suprarrenal libera adrenalina?
a) zona reticular
b) zona fascicular
c) zona glomerular
d) médula
2. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es la
más precisa con respecto a la regulación
de la secreción de la hormona hipofisaria
por el hipotálamo?
a) Todas las hormonas hipofisarias
están reguladas por hormonas
trópicas del hipotálamo.
b) Todas las hormonas de la
adenohipófisis están reguladas por
una hormona liberadora y una
hormona liberadora-inhibidora del
hipotálamo.
c) Todas las hormonas de la
neurohipófisis están reguladas por
una hormona liberadora del
hipotálamo.
d) Todas las hormonas de la
adenohipófisis son hormonas
trópicas.
e) ninguna de las anteriores
3. La mayoría de las hormonas hipotalámicas e hipofisarias son
a) aminoácidos.
b) péptidos/proteínas.
c) esteroides.
d) eicosanoides.
e) catecolaminas.
4. ¿La liberación de cuál o cuáles de las
siguientes hormonas es estimulada por la
hormona liberadora de gonadotropina?
a) hormonas sexuales
b) hormona folículo estimulante
c) hormona luteinizante
d) tanto la hormona folículo
estimulante como la hormona
luteinizante
5. ¿Cuál de las siguientes hormonas suprarrenales es secretada por las células cromafines?
a) cortisol
b) aldosterona
c) adrenalina
d) andrógenos
6. En la hiposecreción primaria de las hormonas tiroideas,
a) los niveles de hormonas tiroideas en
sangre disminuyen.
b) los niveles de hormona liberadora
de tirotropina en sangre
disminuyen.
c) los niveles de hormona estimulante
del tiroides en sangre disminuyen.
d) todas las respuestas son correctas
e) ninguna de las respuestas es correcta
7. ¿Cuál de los siguientes órganos secreta
glucagón?
a) hígado
b) adenohipófisis
c) neurohipófisis
d) glándula suprarrenal
e) páncreas
8. ¿Cuál de los siguientes es un ejemplo de
permisividad?
a) El glucagón aumenta los niveles de
glucosa en sangre y la insulina los
disminuye.
b) El glucagón, la adrenalina y el
cortisol aumentan, todos ellos, los
niveles de glucosa en sangre.
c) El estrógeno estimula la síntesis de
receptores de progesterona en el
endometrio.
d) todas las respuestas son correctas
e) ninguna de las respuestas es correcta
Preguntas objetivas
1. Las glándulas (endocrinas/exocrinas)
secretan hormonas.
2. El estímulo neural al hipotálamo está
implicado en la regulación de la secreción de hormonas por ambos lóbulos de
la hipófisis. (verdadero/falso)
3. La adrenalina es secretada por la (médula/corteza) suprarrenal.
4. Las hormonas tiroideas se clasifican
como (aminas/esteroides).
5. Los mensajeros lipófobos son secretados
por (exocitosis/difusión por la membrana celular).
6. La calcitonina es secretada por la glándula (tiroidea/paratiroidea).
Preguntas abiertas
1. Describe la función del hipotálamo en la
regulación de la secreción de la hormona
de la adenohipófisis.
2. Describe los diversos factores que afectan a la concentración de una hormona
en el plasma.
3. Describe la anatomía de la glándula
suprarrenal. ¿Cuáles son sus dos subdivisiones principales? ¿Cuáles son las subdivisiones menores de su región externa?
¿Qué hormonas son secretadas por las
diferentes subdivisiones?
Pensamiento crítico
1. Las hormonas antagonistas ejercen
acciones opuestas sobre el tejido diana.
¿Por qué puede ser esto una ventaja?
¿Qué podríamos predecir sobre los factores que liberan estas hormonas?
2. Cuando se descubre una sustancia y se
cree que es una hormona, se la denomina
factor. ¿Qué evidencia podríamos aventurar que necesitaría un científico para
cambiar el nombre de factor a hormona?
3. La 1,25-dihidroxivitamina D3 es una hormona que aumenta la absorción de calcio por el tubo digestivo y la reabsorción
de calcio por los riñones, incrementando
así la calcemia. Según lo que sabemos
sobre el control de la liberación de hormonas, ¿qué efecto tiene el calcio en la
liberación de la 1,25-dihidroxivitamina D3?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple»
y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com)
para obtener herramientas adicionales de estudio.
7
Células nerviosas
y señales eléctricas
Imaginemos que estamos parados ante un semáforo en rojo en nuestro
coche. La luz cambia a verde y empezamos a entrar en una intersección. Por el rabillo
del ojo nos damos cuenta de que un camión se acerca hacia nosotros a gran velocidad
por la izquierda. Las células nerviosas del cerebro inmediatamente envían impulsos eléctricos a lo largo de la médula
espinal, donde esos impulsos se transmiten a las células nerviosas que controlan los músculos de las piernas. Menos de
un segundo después de haber visto al camión, apretamos el
pedal del freno justo a tiempo de evitar una colisión grave.
Todos los días y a cada minuto amplias redes de células
nerviosas por todo el cuerpo envían mensajes. En el ejemplo
descrito, los mensajes se han transmitido por medio de señales eléctricas más pequeñas que la decimoquinta parte del
voltaje de una pila normal de una linterna. Algunas células
nerviosas envían mensajes del sistema nervioso a los órganos, mientras que otras envían mensajes de los órganos al
sistema nervioso. Tal intercambio de señales de ida y vuelta
es crucial para el mantenimiento a corto plazo de la homeostasis, porque proporciona una retroalimentación segundo a
segundo, necesaria para la regulación del medio interno del
organismo.
CONTENIDOS
Generalidades del sistema nervioso
Microfotografía electrónica en color de unos axones.
Células del sistema nervioso
167
167
Establecimiento del potencial de membrana en reposo
Señales eléctricas mediante cambios
en el potencial de membrana 179
Mantenimiento de la estabilidad neural
192
173
C A P Í T U LO 7
OBJETIVOS

Describir los componentes principales del sistema nervioso y la
dirección del flujo de información dentro y entre ellos.

Describir la anatomía básica de una neurona. Comparar las
funciones de cada parte de una neurona y describir los tipos de
canales iónicos situados en cada parte. Describir el agrupamiento
de neuronas dentro del sistema nervioso central y el sistema
nervioso periférico.

Describir la estructura y las funciones de la mielina.

Explicar la base iónica del potencial de membrana en reposo.

Describir las diversas propiedades de los potenciales graduados,
incluyendo la dirección del cambio de potencial, la magnitud
del cambio y la suma temporal y espacial. Explicar cómo los
potenciales graduados en las neuronas pueden desencadenar
un potencial de acción.

Explicar la base iónica de un potencial de acción. Describir los
mecanismos de umbral de los canales de sodio y de potasio
sensibles al voltaje.

Describir la propagación de los potenciales de acción desde
el cono axónico hasta su terminal, y comparar la propagación
en axones mielinizados y no mielinizados.

Describir los períodos refractarios, incluyendo qué causa
los períodos refractarios absolutos y relativos, y explicar su
significado fisiológico.
Antes de empezar…
Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
1. Bomba de Na+/K+, pág. 109
2. Canales iónicos, pág. 107
3. Fuerzas químicas y eléctricas, págs. 96, 97
E
n el capítulo 5 aprendimos cómo se comunican las células
entre sí. Para comunicaciones a larga distancia, tenemos el
lento sistema endocrino (descrito en el capítulo 6) y el sistema nervioso (que se describe en los capítulos 7 al 11). Para
comprender cómo funciona el sistema nervioso, debemos
entender las propiedades generales de las biomoléculas (v. capítulo 2), las propiedades de la energía (v. capítulo 3), los mecanismos de transporte (v. capítulo 4) y los mecanismos de transducción de señales (v. capítulo 5). En este capítulo, examinaremos
cómo los gradientes electroquímicos descritos en el capítulo 4
no solo son responsables del potencial de membrana en reposo,
sino también de las señales eléctricas que se transmiten entre las
células nerviosas.
Generalidades del sistema
nervioso
El sistema nervioso puede dividirse en dos partes anatómicas
principales: el sistema nervioso central y el sistema nervioso
periférico (fig. 7.1). El sistema nervioso central (SNC) comprende el cerebro y la médula espinal. El SNC recibe y procesa infor-
Células nerviosas y señales eléctricas
167
mación de los órganos sensoriales y las vísceras para determinar
el estado del medio externo (información sensorial) y el medio
interno (información visceral). El SNC integra esta información
y toma decisiones sobre las acciones adecuadas, y después envía
órdenes a ciertos órganos (como los músculos y las glándulas),
dándoles instrucciones para realizar las tareas correspondientes. El sistema nervioso central también es el lugar del aprendizaje, la memoria, las emociones, los pensamientos, el lenguaje y
otras complejas funciones.
El sistema nervioso periférico está constituido por neuronas
que permiten la comunicación entre el sistema nervioso central
y los órganos del cuerpo. El sistema nervioso central puede subdividirse en dos: aferente y eferente. Las neuronas de la división
aferente transmiten información sensorial y visceral de los órganos al sistema nervioso central. La información transmitida al
sistema nervioso central incluye los sentidos somáticos (asociados con la piel, los músculos y las articulaciones), los sentidos
especiales (visión, oído, equilibrio, olfato y gusto) y la información visceral perteneciente al medio interno (como la sensación
de tener lleno el estómago, la presión arterial y el pH de la sangre). Las neuronas de la división eferente transmiten información del sistema nervioso central a los órganos de la periferia,
llamados órganos efectores, que realizan funciones en respuesta a las órdenes de las neuronas. Los órganos efectores suelen ser
músculos y glándulas. Se dice que una neurona capaz de transmitir mensajes a un órgano efector o de recibir información de
un órgano sensorial inerva ese órgano.
La división eferente puede subdividirse más en dos ramas
principales: los sistemas nerviosos somáticos y autónomos. El
sistema nervioso somático comprende las motoneuronas,
que regulan las contracciones de los músculos esqueléticos. El
sistema nervioso autónomo está constituido por neuronas
que regulan la función de los órganos internos y otras estructuras (como las glándulas sudoríparas y los vasos sanguíneos),
que no están bajo control voluntario. El sistema nervioso autónomo puede dividirse en dos ramas: el sistema nervioso parasimpático y el simpático, que tienden a tener efectos opuestos
en los órganos.
El organismo también tiene un sistema nervioso entérico, que
consiste en una red intrincada de neuronas en el tubo digestivo
que puede funcionar independientemente del resto del sistema
nervioso, pero que se comunica con el sistema nervioso autónomo. El capítulo 20 describe el sistema nervioso entérico en
detalle.
Células del sistema nervioso
El sistema nervioso contiene dos clases principales de células:
las neuronas y la neuroglia. En el sistema nervioso, la neurona es
la unidad funcional, la unidad más pequeña de un tejido que
puede realizar la función de ese tejido. Las neuronas son «células
excitables» que se comunican transmitiendo impulsos eléctricos. Las células excitables se definen como células capaces de
producir señales eléctricas grandes y rápidas, llamadas potenciales de acción. La neuroglia, que constituye el 90% de las células del sistema nervioso, proporciona varios tipos de apoyo a las
neuronas, incluyendo apoyo metabólico y estructural.
Neuronas
La figura 7.2 ilustra la anatomía de las neuronas típicas. La
mayoría de las neuronas contienen tres componentes principa-
168
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
Sistema nervioso central
Sistema nervioso periférico
Sentidos somáticos
ENTRADA
Aferente
Sentidos especiales
Sentidos viscerales
Cerebro
y médula
espinal
Somático
SALIDA
Músculo
esquelético
Eferente
Simpático
Autónomo
Parasimpático
Músculo cardíaco
Músculo liso
Glándulas
Sistema nervioso
entérico
Tubo
digestivo
FIGURA 7.1 Organización del sistema nervioso. El sistema nervioso tiene dos partes principales: el
sistema nervioso central y el sistema nervioso periférico. El segundo se compone funcionalmente de las
divisiones aferente y eferente. Las flechas indican la dirección del flujo de información.
les: un cuerpo celular y dos tipos de prolongaciones neurales que
se extienden desde el cuerpo celular: las dendritas y un axón. El
cuerpo celular (o soma) contiene el núcleo de la célula y la
mayoría de los orgánulos celulares; realiza la mayoría de las funciones comunes a otras células, como la síntesis de proteínas y
el metabolismo celular. Aunque las neuronas maduras conservan su núcleo, pierden la capacidad de sufrir división celular.
Por tanto, en la mayoría de las áreas del sistema nervioso, los
adultos tienen todas las neuronas que van a tener durante toda
su vida. Sin embargo, en unas pocas áreas del cerebro humano
adulto pueden desarrollarse nuevas neuronas a partir de células
indiferenciadas (v. «Descubrimientos: Neurogenia»).
Las dendritas se ramifican del cuerpo celular y reciben
impulsos de otras neuronas en uniones especiales llamadas
sinapsis. (Los cuerpos celulares también pueden recibir impulsos sinápticos.) En una sinapsis, una neurona presináptica libera un mensajero químico llamado neurotransmisor, que normalmente comunica con la dendrita o el cuerpo celular de una
neurona postsináptica u otra célula.
Las neuronas tienen otra rama que procede del cuerpo celular llamada axón, o fibra nerviosa. A diferencia de una dendrita,
cuya función es recibir información, la función de un axón es
enviar información. Generalmente, una neurona no solo tiene
un axón, sino que los axones pueden ramificarse y, por tanto,
enviar señales a más de un destino. Las ramas de un axón se
denominan colaterales y, como las dendritas, el alcance de las
ramas varía dependiendo de las neuronas e indica la cantidad de
comunicaciones con otras células.
La función del axón es la rápida transmisión de información
a lo largo de distancias relativamente largas en forma de señales
eléctricas llamadas potenciales de acción, que son cambios breves y grandes del potencial de membrana durante los cuales el
interior de la célula se carga positivamente con relación al exterior. (Las propiedades de los potenciales de acción se describen
en detalle en una sección posterior de este capítulo.) El comien-
zo y el final de un axón son estructuras especializadas llamadas
cono axónico y axón terminal, respectivamente. El cono axónico, el sitio donde se origina el axón a partir del cuerpo celular,
está especializado en la mayoría de las neuronas para el inicio de
los potenciales de acción. Una vez iniciados, los potenciales
de acción se transmiten al axón terminal por mecanismos que
vamos a examinar en breve. El axón terminal está especializado
en liberar neurotransmisores en el momento en el que llega un
potencial de acción. Las moléculas de neurotransmisor liberadas transportan una señal a una célula postsináptica, normalmente a una dendrita, o al cuerpo celular de otra neurona, o a las
células de un órgano efector. La neurona cuyo axón terminal
libera neurotransmisores es la célula presináptica.
Localización de los canales iónicos en las neuronas
Como las distintas regiones de una neurona suelen asumir funciones especializadas (aunque hay excepciones), cada región
tiende a tener tipos específicos de canales iónicos, la mayoría
de los cuales tienen una acción de umbral (pueden abrirse o
cerrarse). El que los canales iónicos se abran o se cierren cambia la permeabilidad de la membrana plasmática para un ion
específico, lo cual da como resultado un cambio en las propiedades eléctricas de la célula o la liberación de un neurotransmisor. Los canales de goteo (o sin umbral) que se encuentran
en la membrana plasmática a lo largo de una neurona siempre
están abiertos y son responsables del potencial de membrana
en reposo.
Los canales regulados por ligandos se abren o se cierran en
respuesta a la unión de un mensajero químico con un receptor
específico de la membrana plasmática. En las neuronas, los
canales regulados por ligando muestran una mayor densidad en
las dendritas y en el cuerpo celular, áreas que reciben comunicación de las neuronas presinápticas en forma de neurotransmisores.
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
169
Dendritas
Cuerpo celular (soma)
Axones
terminales
Núcleo
Dirección de la señal
Cono axónico
Neurona
presináptica
Axón
Sinapsis
Dendritas
Axón terminal
Neurona postsináptica
Neurotransmisor
(después de la liberación)
Axones
terminales
Axón
Axón
colateral
FIGURA 7.2 Estructura de una neurona típica. Se muestran dos neuronas; la neurona superior (neurona
presináptica) se comunica con la neurona inferior (neurona postsináptica), como indican las flechas que
representan el flujo de información. Entre las partes más importantes de una neurona se encuentran el cuerpo
celular (también conocido como soma); las dendritas, que reciben comunicación de otras neuronas, y un axón,
que está especializado en la transmisión de impulsos eléctricos. Los axones terminales de una neurona liberan
un mensajero químico (neurotransmisor) que comunica con otra neurona en una sinapsis.
Los canales de umbral de voltaje se abren o se cierran en
respuesta a cambios en el potencial de membrana. Los canales
de umbral de voltaje de sodio y de potasio están situados a lo
largo de la neurona, pero de manera más densa en el axón, y en
una densidad muy grande en el cono axónico. Estos canales son
necesarios para el comienzo y la propagación de los potenciales
de acción. Los canales de umbral de voltaje de calcio están más
densamente situados en los axones terminales; estos canales se
abren en respuesta a la llegada de un potencial de acción a los
axones terminales. Cuando estos canales se abren, el calcio
penetra en el citosol de los axones terminales y desencadena la
liberación del neurotransmisor.
Clasificación estructural de las neuronas
Se puede clasificar a las neuronas estructuralmente según el
número de prolongaciones (axones y dendritas) que se proyectan del cuerpo celular (fig. 7.3).Entre las neuronas que se suelen
encontrar en los seres humanos se incluyen las neuronas bipolares y las neuronas multipolares. Las neuronas bipolares suelen ser neuronas sensoriales con dos proyecciones, un axón y
una dendrita, que salen del cuerpo celular. Las neuronas bipolares típicas (v. fig. 7.3a) realizan sus funciones en los sentidos
del olfato y la vista. Sin embargo, la mayoría de las neuronas
sensoriales son una subclase de las neuronas bipolares llamada
170
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
DESCUBRIMIENTOS
Neurogenia
Durante décadas, los neurocientíficos creyeron
que el cerebro humano adulto no podía producir
nuevas neuronas. Entonces, en los años setenta,
Pasquale Graziadel y cols. descubrieron que las
células basales del epitelio olfativo de la cavidad
nasal producían células receptoras nuevas (células receptoras sensoriales para el olor). En los
años noventa, otros investigadores encontraron
evidencias de la neurogenia, la producción de
nuevas neuronas, en el sistema nervioso central.
La neurogenia en especies inferiores deanimales ha sido evidente durante más de
30 años. Elizabeth Gould y cols. de Princeton
han estudiado la neurogenia en primates
durante los últimos años. En algunos de estos
estudios, se administró bromodeoxiuridina
(BrdU) a los animales para que sirviera como
marcador de la proliferación celular. Antes de
que las células puedan dividirse, tienen que
replicar nuevo ADN. La BrdU se incorpora al
ADN de nueva síntesis y, por tanto, marca cualquier ADN que se forme después de su administración. Las células que contienen BrdU en
su ADN se identifican post mortem mediante su análisis histológico. Utilizando esta técnica y otras, Gould y cols. descubrieron que la
neurogenia tiene lugar en varias áreas del
cerebro, incluyendo el hipocampo, la corteza
prefrontal, la corteza temporal inferior y la corteza parietal de los primates no humanos.
Fred Gage y cols., del Salk Institute for Biological Studies, han estudiado la neurogenia
en el hipocampo en especies animales inferiores y recientemente han proporcionado pruebas de que la neurogenia también tiene lugar
en el hipocampo de los seres humanos. Sus
estudios en la raza humana utilizaron BrdU,
del mismo modo que el estudio de Gould en
los primates inferiores. Los individuos estudiados eran pacientes que padecían cáncer del
doctor sueco Peter Eriksson. Eriksson estaba
tratando a los pacientes con BrdU para medir
la proliferación de las células tumorales. Estos
pacientes estuvieron de acuerdo en donar sus
cerebros al grupo de investigación de Gage al
morir. Los análisis post mortem de los cerebros mostraron que la BrdU se había incorporado al ADN de las neuronas en el hipocampo.
Estos hallazgos son la primera evidencia de
neurogenia en el cerebro humano.
El descubrimiento de la neurogenia en el
cerebro humano tiene una gran relevancia clí-
nica. Muchas enfermedades neurológicas,
incluyendo la enfermedad de Parkinson, la
enfermedad de Alzheimer o el derrame cerebral, implican la pérdida de neuronas funcionales. Si los científicos desvelaran los misterios
de la neurogenia, podrían ser capaces de
desarrollar técnicas que ayuden al sistema nervioso central a sustituir las neuronas perdidas.
Tinción fluorescente de neuronas hipocampales.
Dendritas
Axón
periférico
Dendrita
Cuerpo celular
Cuerpo
celular
Axón
central
Axón
(a) Bipolar
(b) Seudounipolar
Axón
(c) Multipolar
FIGURA 7.3 Clases estructurales de neuronas. (a) Neurona bipolar. Las neuronas aferentes asociadas
con la vista y el olfato son neuronas bipolares. (b) Neurona seudounipolar. La gran mayoría de neuronas
aferentes son seudounipolares. (c) Neurona multipolar. La mayoría de las neuronas son neuronas multipolares.
C A P Í T U LO 7
neuronas seudounipolares (v. fig. 7.3b),
porque el axón y las proyecciones de
las dendritas tienen el aspecto de una
prolongación única que se extiende
en dos direcciones desde el cuerpo
celular. En realidad, la dendrita está
modificada para funcionar de manera
muy parecida a un axón, y es una continuación funcional de éste. La prolongación dendrítica modificada se
denomina axón periférico, porque
se origina en la periferia con los receptores sensoriales y funciona como un
axón en que transmite los potenciales
de acción. La prolongación axónica
se denomina axón central, porque termina en el sistema nervioso central,
donde forma sinapsis con otras neuronas. Las neuronas multipolares, las
neuronas más comunes, tienen proyecciones múltiples que salen del
cuerpo celular (v. fig. 7.3c); una proyección es un axón, todas las demás
son dendritas.
171
Sistema nervioso periférico
Sistema nervioso central
Cuerpo celular
Axón
central
Axón
periférico
Receptores
sensoriales/
viscerales
Interneuronas
Entrada
Neurona aferente
Salida
Órganos
efectores
Cuerpo celular
Clasificación funcional
de las neuronas
Células nerviosas y señales eléctricas
Neurona eferente
FIGURA 7.4 Clases funcionales de neuronas. Las neuronas aferentes se originan en la periferia con
receptores sensoriales o viscerales. Los axones periféricos de las neuronas aferentes son parte del sistema
Hay tres clases funcionales de neunervioso periférico, pero los axones terminales están situados en el sistema nervioso central, donde se
ronas: neuronas eferentes, neurocomunican con otras neuronas. Las neuronas eferentes se originan en el sistema nervioso central, donde el
nas aferentes e interneuronas
cuerpo celular y las dendritas reciben comunicación sináptica de otras neuronas. Sin embargo, los axones
(fig. 7.4). Las neuronas eferentes
eferentes son parte del sistema nervioso periférico y terminan en una sinapsis con un órgano efector. Las
transmiten información del sistema
interneuronas se encuentran solo en el sistema nervioso central y pueden comunicarse con neuronas
nervioso central hacia los órganos
aferentes, neuronas eferentes u otras interneuronas.
efectores. Recordemos que las neuronas eferentes incluyen a las motoNombra dos tipos de órganos efectores.
neuronas, que se extienden hasta el
músculo esquelético, y a las neuronas del sistema nervioso autónomo
La tercera clase funcional de neuronas son las interneuro(v. fig. 7.1). Obsérvese en la figura 7.4 que el cuerpo celular y
nas, que suponen el 99% de todas las neuronas del cuerpo. Estas
las dendritas de las neuronas eferentes están situados en el
están totalmente localizadas en el sistema nervioso central. Las
sistema nervioso central (las neuronas posganglionares autóinterneuronas realizan todas las funciones del sistema nervioso
nomas, descritas en el capítulo 11, son una excepción). Sin
central, incluyendo el procesamiento de la información sensoembargo, el axón deja el sistema nervioso central y se convierrial de las neuronas aferentes, el envío de órdenes a los órganos
te en parte del sistema nervioso periférico a medida que viaja
efectores a través de las neuronas eferentes y la realización de
hacia el órgano efector al que inerva.
funciones complejas del cerebro, como el pensamiento, la
La función de las neuronas aferentes es transmitir informemoria y las emociones.
mación sensorial de los receptores sensoriales (que detectan la
información perteneciente al medio externo) o información
visceral de los receptores viscerales (que detectan la informaOrganización estructural de las neuronas
ción perteneciente a las condiciones del interior del organisen el sistema nervioso
mo) al sistema nervioso central para que siga procesándola. La
mayoría de las neuronas aferentes son neuronas seudounipoLas neuronas están dispuestas dentro del sistema nervioso de una
lares, que tienen el cuerpo celular situado fuera del sistema
manera ordenada, de forma que aquellas cofunciones similares
nervioso central en un ganglio (el término general que se da a
tienden a estar agrupadas. Además, las neuronas están alineadas
un agrupamiento de células neurales situadas fuera del SNC).
de tal manera que los cuerpos celulares y las dendritas de las céluLas terminaciones del axón periférico están situadas en el órgalas adyacentes tienden a agruparse, y los axones de las células
no periférico (órgano sensorial u órgano visceral), donde son
adyacentes también suelen estar agrupados. En el sistema nerviomodificadas para convertirse en receptores sensoriales o bien
so central, los cuerpos celulares de las neuronas suelen agruparse
reciben comunicación de células receptoras sensoriales sepaen núcleos, y los axones viajan juntos en grupos denominados
radas. El axón central termina en el sistema nervioso central,
vías, tractos o fascículos. En el sistema nervioso periférico, los
donde libera neurotransmisores para comunicarse con otras
cuerpos celulares de las neuronas están agrupados en ganglios, y
neuronas.
los axones viajan juntos en grupos denominados nervios.
P
172
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
Axón
Vaina de
mielina
Núcleo
Citoplasma
Célula de
Schwann
Citoplasma
(a)
Célula de
Schwann
Núcleo
Nódulo (o nodo)
de Ranvier
Oligodendrocito
Vaina de mielina
Axón
Núcleo
(b)
(c)
FIGURA 7.5 Formación y origen de las vainas de mielina.
(a) Formación de una vaina de mielina en una célula de Schwann. La
mielina, que consiste en capas concéntricas de membrana plasmática
proporcionadas bien por una célula de Schwann o un oligodendrocito,
forma una capa aislante alrededor de un axón. (b) Disposición de las vainas
de mielina formadas por los oligodendrocitos en el sistema nervioso central.
Un solo oligodendrocito envía prolongaciones citoplásmicas que
forman vainas de mielina alrededor de varios axones. Obsérvense los
nódulos de Ranvier, huecos en las vainas de mielina. (c) Disposición en
las vainas de mielina formadas por las células de Schwann en el sistema
nervioso periférico. Una célula de Schwann dada en vaina solo rodea a
un axón.
Neuroglia
damente. La figura 7.5a muestra la formación de una vaina de
mielina por una célula de Schwann. La mielina son capas concéntricas de las membranas plasmáticas de oligodendrocitos o
de células de Schwann. Los oligodendrocitos forman la mielina
alrededor de los axones en el sistema nervioso central; un oligodendrocito envía proyecciones proporcionando los segmentos de mielina para muchos axones (fig. 7.5b). Las células de
Schwann forman mielina alrededor de los axones en el sistema
nervioso periférico, pero cada célula de Schwann proporciona
la mielina para un solo axón (fig. 7.5c). Son necesarios muchos
oligodendrocitos o células de Schwann para proporcionar mielina a un solo axón. Como la bicapa lipídica de una membrana
plasmática tiene baja permeabilidad a los iones, las diversas
capas de la membrana que forman la vaina de mielina reducen
sustancialmente la fuga de los iones a través de la membrana
celular. Sin embargo, en unos huecos que hay en la mielina,
denominados nódulos de Ranvier (o simplemente nódulos), la
membrana del axón contiene canales de umbral de voltaje de
sodio y de potasio que funcionan en la transmisión de los potenciales de acción, permitiendo el movimiento de iones a través
de la membrana. Vamos a tratar la naturaleza de estas señales eléctricas y cómo se originan en las siguientes secciones de
este capítulo.
La neuroglia, la segunda clase de células que se encuentra en
el sistema nervioso, representa el 90% de todas las células de
este. Entre sus funciones principales se encuentran proporcionar integridad estructural al sistema nervioso (glia proviene del
latín y significa «pegamento») y apoyo químico y anatómico,
que permite que las neuronas realicen sus funciones. Estudios
recientes sugieren que la neuroglia también podría desempeñar funciones importantes en la comunicación intercelular.
Hay cinco tipos de neuroglia: astrocitos, células ependimarias, microglias, oligodendrocitos y células de Schwann. De
estos, solo las células de Schwann están localizadas en el sistema nervioso periférico; las demás están en el sistema nervioso
central. Las funciones de la neuroglia se tratan en el capítulo 9.
Como una de las funciones de los oligodendrocitos y de las
células de Schwann (o neurolemocitos) es crucial para la transmisión eléctrica en las neuronas, trataremos estas células
aquí.
La función principal de los oligodendrocitos y de las células
de Schwann es formar una envuelta aislante de mielina alrededor de los axones de las neuronas. Ese aislamiento permite a las
neuronas transmitir potenciales de acción más eficiente y rápi-
C A P Í T U LO 7
Test rápido 7.1
1. Nombra las diferentes partes, divisiones y ramas del sistema nervioso, y escribe las funciones básicas de cada una.
2. Dibuja una neurona e indica las estructuras siguientes: cuerpo celular, dendrita, axón y axón terminal. Escribe brevemente la función
de estas estructuras y el tipo de canales iónicos (regulados por ligandos o de umbral de voltaje) que se pueden encontrar en cada
una.
3. ¿Qué neuroglia forma la mielina en el sistema nervioso central? ¿De qué está formada la mielina en el sistema nervioso periférico?
Establecimiento del potencial
de membrana en reposo
Hemos aprendido acerca del potencial de membrana en el capítulo 4. En esta sección, conoceremos el establecimiento del
potencial de membrana basal o en reposo. Para saber más acerca de las fuerzas eléctricas, véase «Cuadro de herramientas: Circuitos eléctricos en biología».
Recordemos de la figura 4.2 (v. capítulo 4) que una célula en
reposo tiene una diferencia de potencial tal a través de su membrana que el interior de la célula está cargado negativamente en
relación con el exterior. Esta diferencia se denomina potencial
de membrana en reposo (Vm en reposo), porque la célula está en
reposo, es decir, no está recibiendo ni transmitiendo ninguna
señal. El potencial de membrana en reposo de las neuronas es,
aproximadamente, de –70 mV. Los potenciales de membrana
siempre se describen como el potencial que hay en el interior en
la célula en relación con el exterior. Por tanto, el interior de una
neurona típica en reposo es 70 mV más negativo en comparación con el exterior. (Aunque estamos hablando del potencial de
membrana en reposo de las neuronas, todas las células del organismo tienen un potencial de membrana negativo, que varía
desde –5 mV a –100 mV.)
Células nerviosas y señales eléctricas
173
Las neuronas se comunican generando señales eléctricas en
forma de cambios en el potencial de membrana. Algunos de
estos cambios en el potencial de membrana desencadenan la
liberación de neurotransmisores, que entonces transportan una
señal a otra célula. La tabla 7.1 define los diversos tipos de potenciales eléctricos que se describen en este capítulo y en capítulos
posteriores. En las siguientes secciones exploramos: 1) qué es
responsable de la existencia del potencial de membrana en
reposo, y 2) qué causa que el potencial de membrana cambie.
Determinación de los potenciales de equilibrio
para los iones sodio y potasio
El potencial de membrana en reposo depende de dos factores
críticos: 1) los gradientes de concentración de los iones (particularmente de los iones de sodio y de potasio) a través de la
membrana plasmática, y 2) la presencia de canales iónicos en
la membrana plasmática. Recordemos del capítulo 4 que la
bomba de Na+/K+ crea gradientes de concentración para los
iones de sodio y potasio sacando tres iones de sodio de la célula
e introduciendo dos iones de potasio en ella por ATP hidrolizado. Los iones de sodio tienen una concentración más alta fuera
de la célula, de modo que hay un impulso químico que tiende a
empujarlos hacia el interior de la célula. Los iones de potasio
están más concentrados dentro de la célula, de modo que hay
un impulso químico que tiende a empujarlos hacia el exterior
de la célula. Como veremos dentro de poco, las fuerzas químicas que mueven los iones de sodio y potasio a través de la membrana plasmática y las diferencias en la permeabilidad de la
membrana plasmática para estos dos iones establecen el potencial de membrana en reposo.
Para comprender lo que origina el potencial de membrana en
reposo, imaginaremos primero dos situaciones hipotéticas. Primero, consideraremos que una célula solo es permeable a los
iones de potasio (esto es, que tiene canales para el potasio abiertos
en su membrana plasmática). Después, consideraremos una célula que solo es permeable a los iones de sodio (esto es, que tiene
canales para el sodio abiertos en su membrana plasmática).
TABLA 7.1 Tipos de potenciales eléctricos en los sistemas biológicos
Potencial
Definición
Diferencia de potencial = E
Diferencia de voltaje entre dos puntos
Potencial de membrana = Vm
Diferencia de voltaje a través de la membrana plasmática; siempre se da en términos de voltaje dentro de la célula
con relación al voltaje fuera de la célula
Vm en reposo
Diferencia de voltaje a través de la membrana plasmática cuando una célula está en reposo (y ni recibe ni envía
señales)
Potencial graduado
Un cambio relativamente pequeño en el potencial de membrana producido por algún tipo de estímulo que
desencadena la apertura o cierre de los canales iónicos; la fuerza del potencial graduado tiene relación con
la fuerza del estímulo
Potencial sináptico
Potenciales graduados producidos en la célula post-sináptica en respuesta a la unión de los neurotransmisores
a los receptores
Potencial receptor
Potenciales graduados producidos como respuesta a un estímulo que actúa sobre un receptor sensorial
Potencial de acción
Un cambio grande y rápido en el potencial de membrana producido por la despolarización de una membrana
plasmática de una célula excitable en el umbral
Potencial de equilibrio
Potencial de membrana que contrarresta las fuerzas químicas que actúan para mover un ion a través de la
membrana, equilibrando así el ion
174
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
Célula solo permeable al potasio
[Na+] alta
[Cl–] alta
Iones
de K+
+
[K ] alta
[A–] alta
Sin potencial de
membrana
0 mV
+
–
–
+
+
–
–
–
+
Fuerza
química
+
Equilibrio
establecido
–
+
+
–
–
+
– +
Potencial de
equilibrio
–
–
EK = –94 mV
+
+
–
–
–
+
+
+
–
Fuerza
eléctrica
La fuerza eléctrica se opone
exactamente a la fuerza química
Fuerza química
(a)
–
+
Dentro de la célula
se convierte en (–)
El potencial
de membrana
se desarrolla
+
–
+
(b)
(c)
FIGURA 7.6 Potencial de membrana de una célula solo permeable al
potasio. El potasio (K+) y los aniones orgánicos (A–) están en mayor concentración
dentro de la célula. Los iones de sodio (Na+) y de cloruro (Cl–) están en mayor
concentración fuera de la célula. La anchura de una flecha hace referencia a la
fuerza del movimiento de los iones en la dirección de la flecha. (a) Los iones de
potasio salen de la célula debido a una fuerza química. (b) En cuanto los iones
de potasio salen de la célula, llevándose con ellos una carga positiva, el interior de
la célula se vuelve negativo con relación al exterior. Este cambio en la distribución
de las cargas crea una fuerza eléctrica que mueve los iones de potasio hacia el
interior de la célula, oponiéndose a la fuerza química. (c) Finalmente, sale tanto
potasio de la célula que la fuerza eléctrica se vuelve lo suficientemente grande
como para oponerse a mayores movimientos de salida de los iones de potasio de
la célula debidos a la fuerza química, dando como resultado un movimiento no
neto de los iones de potasio. En este potencial de membrana, el potasio se
encuentra en equilibrio. Este potencial es igual al potencial de equilibrio del
potasio y equivale, aproximadamente, a –94 mV en las neuronas.
Potencial de membrana de una célula
solo permeable al potasio
iones de potasio que realmente atraviesan la membrana es
pequeña en relación con el número total de iones de potasio
que hay en los líquidos intracelular y extracelular, es decir,
menos del 0,01%), la fuerza eléctrica seguirá cambiando a medida que los iones de potasio atraviesen la membrana. Inicialmente, la fuerza química es mayor que la fuerza eléctrica, porque el potencial de membrana es pequeño, de modo que los
iones de potasio siguen saliendo de la célula (v. fig. 7.6b). Sin
embargo, cuantos más iones de potasio salgan de la célula,
mayor se vuelve el potencial de membrana y, por tanto, mayor
es la fuerza eléctrica que tira de los iones de potasio hacia el
interior de la célula. Por tanto, cuando se desarrolla el potencial
de membrana, la proporción de potasio que sale de la célula se
vuelve más lenta a medida que disminuye la fuerza neta (electroquímica) sobre el potasio. Una vez que la fuerza eléctrica ha
ganado la fuerza suficiente para equilibrar exactamente la fuerza química opuesta, no se observará un movimiento neto de
potasio a través de la membrana (v. fig. 7.6c). Bajo estas condiciones, se dice que el potasio está en equilibrio, porque la fuerza
electroquímica es cero. El potencial de membrana en estas condiciones es igual que el potencial de equilibrio del potasio (EK),
que es aproximadamente de –94 mV. (El potencial de equilibrio
varía en las diferentes neuronas según el gradiente de concentración de los iones de potasio.) Recordemos del capítulo 4 que
el potencial de equilibrio de cualquier ion (Ex) solo depende de
la carga de ese ion y de la magnitud de su gradiente de concentración. Por tanto, el potencial de membrana de una célula que
solo es permeable a los iones de potasio es el potencial de equilibrio del potasio.
La figura 7.6 ilustra cómo se consigue el potencial de equilibrio
del potasio en una célula que solo sea permeable a los iones de
potasio. Los iones de sodio (Na+) están en mayor concentración
fuera de la célula y se encuentran en equilibrio eléctrico gracias
a la presencia de iones de cloruro (Cl–) fuera de la célula. Por el
contrario, los iones de potasio (K+) están en mayor concentración dentro de la célula y se encuentran en equilibrio eléctrico
gracias a la presencia de aniones orgánicos (A–, principalmente
proteínas) dentro de la célula. Al principio suponemos que no
existe diferencia de potencial a través de la membrana celular,
esto es, que el potencial de membrana es de 0 mV. Debido a que
la célula 1 solo es permeable a los iones de potasio, el potasio
difundirá a favor de su gradiente de concentración hacia fuera
de la célula (v. fig. 7.6a). A medida que los iones de potasio se
mueven, transportan su carga positiva hacia el exterior de la
célula, lo que deja su interior cargado negativamente en relación
con su exterior. Como consecuencia, se desarrolla un potencial
de membrana negativo (v. fig. 7.6b).
Una vez que el potencial de membrana se ha desarrollado,
hay dos fuerzas que actúan sobre los iones de potasio: una fuerza química debida al gradiente de concentración, y una fuerza
eléctrica debida al potencial de membrana. (Recordemos del
capítulo 4 que la fuerza neta que actúa sobre unión se denomina
fuerza electroquímica, la suma de las fuerzas eléctrica y química.) La dirección de la fuerza química que ahora está presente en
la célula 1 es tal que empuja a los iones de potasio hacia el exterior de la célula; la dirección en la fuerza eléctrica tira de los
iones de potasio de nuevo hacia el interior de la célula debido a
la atracción de los iones de potasio con carga positiva hacia la
carga negativa que hay en el interior de ella.
Aunque la fuerza química que hace que los iones de potasio
atraviesen la membrana permanezca constante (la cantidad de
Potencial de membrana de una célula
solo permeable al sodio
La figura 7.7 ilustra cómo se consigue el potencial de equilibrio
del sodio en una célula que solo sea permeable a los iones de
C A P Í T U LO 7
Célula solo permeable al sodio
[Na+] alta
Iones
[Cl–] alta
de Na+
+
[K ] alta
[A–] alta
Sin potencial de
membrana
0 mV
–
+
+
+
+
–
Fuerza
química
–
Equilibrio
establecido
+
–
+
+
–
+
–
+
Potencial
de equilibrio
+
+
ENa = +60 mV
–
+
+
+
–
–
–
–
+
–
Fuerza
eléctrica
La fuerza eléctrica se opone
exactamente a la fuerza química
Fuerza química
(a)
+
–
Dentro de la célula
se convierte en (+)
El potencial
de membrana
se desarrolla
–
+
–
–
–
175
Células nerviosas y señales eléctricas
(b)
(c)
FIGURA 7.7 Potencial de membrana de una célula solo permeable al
sodio. El potasio (K+) y los aniones orgánicos (A–) están en mayor concentración
dentro de la célula. Los iones de sodio (Na+) y de cloruro (Cl–) están en mayor
concentración fuera de la célula. La anchura de una flecha hace referencia a la
fuerza del movimiento de los iones en la dirección de la flecha. (a) Los iones de
sodio entran en la célula debido a una fuerza química. (b) En cuanto los iones
de sodio entran en la célula, llevándose con ellos una carga positiva, el
interior de la célula se vuelve positivo con relación al exterior. Este cambio en la
distribución de las cargas crea una fuerza eléctrica que mueve los iones de sodio
hacia el exterior de la célula, oponiéndose a la fuerza química. (c) Finalmente,
entra tanto sodio a la célula que la fuerza eléctrica se vuelve lo suficientemente
grande como para oponerse a mayores movimientos de entrada de los iones
de socio a la célula debidos a la fuerza química, dando como resultado un
movimiento neto de los iones de sodio. En este potencial de membrana, el sodio
se encuentra en equilibrio. Este potencial es igual al potencial de equilibrio del
sodio y equivale, aproximadamente, a +60 mV en las neuronas.
sodio. Como antes, suponemos que no existe inicialmente una
diferencia de potencial a través de la membrana celular. Como
el sodio puede cruzar la membrana, difunde a favor de su gradiente de concentración hacia el interior de la célula (v. fig. 7.7a).
A medida que el sodio se mueve, transporta una carga positiva
hacia el interior de la célula, lo que hace que este esté cargado
positivamente con respecto al exterior, creando un potencial de
membrana positivo. En presencia de este potencial de membrana, sobre los iones de sodio actúa ahora una fuerza eléctrica,
además de la fuerza química. La dirección de la fuerza química
tiende a empujar el sodio hacia dentro de la célula, mientras que
la fuerza eléctrica tiende a empujar el sodio hacia afuera de la
célula debido a la repulsión entre los iones de sodio cargados
positivamente y la carga positiva neta del interior de la célula
(v. fig. 7.7b). Aunque la fuerza química que hace que los iones de
sodio se muevan a través de la membrana permanezca constante, la fuerza eléctrica seguirá cambiando a medida que los iones
de sodio atraviesen la membrana hasta que se establezca el
equilibrio. El sodio sigue fluyendo hacia el interior de la célula,
haciendo que el potencial de membrana sea más positivo, hasta
que la fuerza eléctrica se vuelva lo suficientemente grande como
para equilibrar exactamente a la fuerza química (v. fig. 7.7c). En
este punto, el sodio se equilibra, que es cuando el potencial de
membrana es igual al potencial de equilibrio del sodio (ENa), que
es aproximadamente de +60 mV. (El potencial de equilibrio real
del sodio varía según el gradiente de concentración de los iones
de sodio a través de una neurona dada.) Así, el potencial de
membrana de una célula que solo sea permeable a los iones
de sodio es igual al potencial de equilibrio del sodio.
Como el número de los iones de sodio que deben cruzar la
membrana plasmática para causar un potencial de +60 mV es
muy pequeño en comparación con la concentración de iones de
los líquidos intracelular y extracelular, el gradiente de concentración del sodio no cambia en ningún grado significativo.
Potencial de membrana
en reposo de las neuronas
Ahora consideremos el potencial en reposo de las neuronas. Tienen los mismos gradientes iónicos a través de la membrana celular, pero tienen tanto canales de potasio como de sodio, lo que
hace a la membrana permeable a ambos tipos de iones (fig. 7.8).
Sin embargo, la cantidad de canales de potasio abiertos excede,
con mucho, la cantidad de canales de sodio abiertos; como consecuencia, la membrana es unas 25 veces más permeable al potasio que al sodio. Suponiendo que no haya potencial de membrana inicialmente, consideremos lo que ocurre cuando tanto los
iones de potasio como los de sodio son permeables.
Como el potasio y el sodio son capaces de cruzar la membrana celular, ambos iones se mueven en la dirección de las fuerzas
químicas que los impulsan: los iones de potasio salen de la célula y los iones de sodio penetran en ella (v. fig. 7.8a). Sin embargo,
el movimiento de salida del potasio en este punto excede el
movimiento de entrada del sodio, debido a que la permeabilidad
de la membrana al potasio es mayor que al sodio. Bajo estas condiciones, hay un movimiento neto de salida de cargas positivas,
lo que da lugar a un potencial de membrana negativo (v. fig. 7.8b).
A medida que continúan los flujos desiguales de potasio y sodio,
el potencial de membrana se vuelve más negativo, pero no
aumenta indefinidamente, porque el potencial de membrana
negativo ejerce unas fuerzas eléctricas de impulso sobre los
iones de potasio y de sodio que se oponen al movimiento de
potasio y que aumentan el desplazamiento de sodio (v. fig. 7.8c).
Por tanto, a medida que el potencial de membrana se vuelve más
negativo, se ralentiza el movimiento de salida del potasio, a la
vez que se acelera el movimiento de entrada del sodio (v. fig. 7.8d).
Finalmente, los flujos de los dos iones se igualan y se oponen, de
modo que no hay movimiento neto de la carga positiva hacia
el interior o el exterior de la célula (v. fig. 7.8e). En este punto, el
176
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Circuitos eléctricos en biología
Las neuronas y las células musculares forman tejidos excitables, lo cual
que significa que funcionan mediante señales eléctricas en forma de
cambios en el potencial de membrana. Para entender mejor estas señales, primero debemos entender la relación existente entre potencial
eléctrico, corriente y resistencia.
Entre partículas cargadas existen fuerzas eléctricas. La dirección de
la fuerza eléctrica sigue una sencilla norma: las cargas opuestas se
atraen entre sí y las cargas del mismo signo se repelen. Para separar
cargas opuestas se requiere energía. Cuando se separan cargas opuestas, almacenan la energía en forma de potencial eléctrico (o voltaje). La
fuerza del potencial depende de la cantidad de separación entre las cargas: cuanto mayor sea esta separación, mayor será el potencial.
En los sistemas biológicos se producen potenciales eléctricos al
separar iones con cargas opuestas, que son atraídos entre sí, y que se
moverán uno hacia el otro si es posible. Cuando los iones se mueven,
llevan su carga con ellos. El movimiento de cargas eléctricas se denomina corriente (I). En los sistemas biológicos, las corrientes se suelen
expresar en unidades de microamperios (10–6 amperios). A mayor
potencial eléctrico, mayor fuerza será necesaria para el movimiento de
los iones, o corriente. Sin embargo, la presencia de una fuerza no necesita del movimiento de iones.
La facilidad de movimiento de los iones depende de las propiedades de la sustancia a través de la cual deben moverse. La resistencia (R) mide la dificultad existente al para el movimiento de las cargas. Cuanto mayor es la resistencia de una sustancia, más difícil se
potencial de membrana se mantiene constante a unos –70 mV,
lo que es un valor típico para el potencial de membrana en reposo de una neurona.
Por tanto, en las neuronas tanto el sodio como el potasio se
mueven continuamente a través de la membrana, y el movimiento de cada ion atrae el potencial de membrana hacia su
potencial de equilibrio respectivo (como ilustran las figs. 7.6 y
7.7). Sin embargo, ningún ion puede llegar nunca al equilibrio,
porque el movimiento de cada uno se opone al otro. Dadas estas
circunstancias, el potencial de membrana en reposo final se
sitúa entre los potenciales de equilibrio del sodio y del potasio.
Como la membrana es mucho más permeable al potasio, el
potencial de membrana en reposo, –70 mV, está mucho más cerca del potencial de equilibrio del potasio que del potencial de
equilibrio del sodio. El potencial de membrana en reposo real
varía según las diferentes células, porque los tipos y la cantidad
de los canales iónicos en las membranas plasmáticas de esas
células varían, pero el potencial de membrana en reposo siempre es negativo.
Comprueba tus conocimientos
Si la permeabilidad de una neurona fuera igual para los iones sodio y
potasio, ¿el potencial de membrana en reposo de esa célula sería más
o menos negativo de –70mV?
vuelve para los iones moverse a través de ella y más débil será la
corriente. La membrana plasmática de una neurona tiene una gran
resistencia al flujo de corriente, porque su permeabilidad a los iones
es baja. Por el contrario, los líquidos intracelular y extracelular tienen
una baja resistencia al flujo de corriente, porque estos líquidos son
ricos en iones.
La inversa de la resistencia es la conductancia (g):
g = 1/R
Como la capacidad de un ion de cruzar una membrana plasmática
depende de la permeabilidad de la membrana plasmática a ese ion, la
conductancia de un ion concreto aumenta a medida que la permeabilidad de la membrana a ese ion aumenta.
La relación entre diferencia de potencial, corriente y resistencia se
define por la ley de Ohm:
I = E/R
donde E es la diferencia de potencial o voltaje. Comprender bien la ley
de Ohm es crucial para entender la fisiología neural, porque las membranas plasmáticas presentan un potencial eléctrico, los iones presentes
en el interior y en el exterior de la célula están disponibles para transportar carga a través de la membrana plasmática, y se puede cambiar la
resistencia al movimiento de las cargas mediante la apertura o el cierre
de los canales iónicos.
Observa que ni el sodio ni el potasio están en equilibrio, porque el potencial de membrana no es igual al potencial de equilibrio de ninguno de los iones. Por tanto, las fuerzas electroquímicas actúan sobre ambos iones, haciendo que el sodio esté
continuamente filtrándose hacia el interior de la célula y el potasio esté continuamente filtrándose hacia el exterior de la célula.
Aunque esas filtraciones sean responsables de crear el potencial
de membrana, también tienden a alterar lentamente las concentraciones iónicas dentro de la célula, aumentando la concentración de sodio a la vez que disminuyen la concentración de potasio. Esto constituiría un problema potencial si se dejara sin
vigilancia, porque estos cambios finalmente acabarían con los
gradientes de concentración de ambos iones y el potencial de
membrana terminaría siendo cero. Sin embargo, las bombas
de Na+/K+ de la membrana celular evitan este problema transportando activamente el sodio hacia el exterior de la célula y el
potasio hacia el interior de la célula utilizando ATP para obtener
la energía. Normalmente, el sodio es bombeado hacia fuera a la
misma velocidad a la que entra, y el potasio es bombeado hacia
dentro a medida que sale. Por tanto, la bomba de Na+/K+ no solo
establece los gradientes de concentración, sino que también los
mantiene. Además, como la bomba de Na+/K+ es electrógena,
esto es, que saca una carga positiva neta hacia el exterior de la
célula, contribuye directamente al potencial de membrana en
reposo, pero este efecto es mínimo y solo supone unos pocos mV
de separación de carga. Como es necesaria energía para mante-
Células nerviosas y señales eléctricas
C A P Í T U LO 7
[Na+] alta
[Cl–] alta
Iones
de Na+
Fuerza química
para K+
+
–
Como la
membrana es
más permeable
al K+, este
sale más rápido
que lo que
tarda en entrar
el Na+; el
potencial de
membrana
se desarrolla
[K+] alta
[A–] alta
Sin potencial de
membrana
0 mV
La fuerza
eléctrica se
opone al flujo
de salida de K+
y favorece el
flujo de entrada
de Na+
+
–
+
–
Dentro de la célula
se convierte en (–)
–
+
–
+
–
–
+
Potencial de
membrana
= –70 mV
+ –
–
+
–
+
–
+
+
–
–
–
–
+
+
–
Interior de la célula
(–)
–
+
–
Fuerza
eléctrica
para Na+
(c)
ATP
–
+
+
Fuerza
química
para Na+
+
–
Bomba
de
+ Na+/K+
–
+
–
+
(b)
Fuerza
eléctrica
para K+
+
–
+
Fuerza química
para Na+
(a)
Fuerza
química
para K+
177
+
+
–
+
+
El flujo de
salida de K+
se ralentiza, el
flujo de entrada
de Na+ se
acelera.
Finalmente, el
potencial de
membrana
se estabiliza
(e)
FIGURA 7.8 Estabilización de un potencial de membrana en reposo en
estado estable. El potasio y los aniones orgánicos están en mayor
concentración dentro de la célula. Los iones de sodio y de cloruro están en
mayor concentración fuera de la célula. La anchura de una flecha hace
referencia a la fuerza del movimiento de los iones en la dirección de la flecha.
La célula es permeable tanto a los iones de sodio como a los de potasio, pero es
más permeable a estos últimos. (a) Las fuerzas químicas actúan para que los
iones de potasio salgan de la célula y los iones de sodio entren en ella. (b) Sale
más potasio de la célula que el sodio que entra debido a la mayor permeabilidad
al potasio. Al salir más cargas positivas de la célula, se desarrolla un potencial de
membrana negativo. (c) Ahora son las fuerzas eléctricas quienes actúan en los
ner el estado de reposo de una neurona, la célula no está en
equilibrio, sino que está en un estado estacionario.
Neuronas en reposo
Aunque la célula que ilustra la figura 7.8 es parecida a una neurona real, tiene varias simplificaciones. La primera es que algunas células son permeables a iones distintos de los de sodio y
potasio y el flujo de estos otros iones contribuye al potencial de
membrana en reposo. Por ejemplo, en algunas neuronas, los
iones de cloruro contribuyen significativamente al potencial de
membrana. En general, el potencial de membrana puede verse
afectado por dos, tres o más iones. Cada ion intentará atraer el
potencial de membrana hacia su potencial de equilibrio.
El potencial de membrana depende de la permeabilidad relativa
–
–
+
La bomba de
Na+/K+ contrarresta
los flujos de filtración
o goteo, mantiene
los gradientes de
Na+ y de K+
(estado estable)
– +
–
Potencial de
membrana
= –70 mV
+ –
–
+
–
+
–
–
+
+
–
+
(d)
iones, atrayendo tanto a los iones de sodio como a los de potasio hacia el
interior de la célula, creando una fuerza electroquímica mayor para que el sodio
entre en la célula y una fuerza electroquímica menor para que el potasio salga
de la célula. (d) Finalmente, se establece un estado estable, en el que el
movimiento de entrada del sodio hacia la célula se equilibra con el movimiento
de salida del potasio de la célula. No se produce ningún movimiento neto de
carga neta. Este potencial recibe el nombre de potencial de membrana en
reposo y es de, aproximadamente, –70 mV en las neuronas. (e) Para evitar que
los gradientes de concentración del sodio y del potasio desaparezcan, la bomba
de Na+/K+ hace que salga el sodio de la célula y que entre potasio hacia el
interior de la célula, estableciendo un estado estable a –70 mV.
de la membrana a los diversos iones. A medida que aumenta la
permeabilidad de la membrana a un ion concreto, el potencial
de membrana se acerca al potencial de equilibrio de este ion.
(Aquellos iones cuyas concentraciones sean menores que las de
otros iones no contribuyen significativamente al potencial
de membrana en reposo.) Esta relación puede explorarse en más
detalle en «Caja de herramientas: Potencial de membrana en
reposo y ecuación GHK».
Comprueba tus conocimientos
Escribe la ecuación GHK para calcular el potencial de una membrana
algo permeable a los iones de sodio, potasio y cloruro, pero
impermeable a otros iones.
178
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Potencial de membrana en reposo y ecuación GHK
En el capítulo 4 vimos cómo la ecuación de Nernst puede ser utilizada
para calcular el potencial de equilibrio de un ion concreto. Sin embargo,
la ecuación de Nernst no puede utilizarse para calcular el potencial de
membrana, porque una membrana es permeable a más de un ion y la
permeabilidad de la membrana a los distintos iones varía. Por tanto, el
potencial de membrana depende de los gradientes de concentración de
todos los iones a través de la membrana plasmática y de la permeabilidad de la membrana a esos iones. Si su permeabilidad es cero, un ion no
contribuirá al potencial de membrana.
Para las situaciones en las que solamente son permeables los iones
sodio (Na+) y potasio (K+), se puede conseguir una aproximación al
potencial de membrana (Vm) utilizando la ecuación Goldman-HodgkinKatz (así llamada por sus inventores):
Vm = 61 log
PNa[Na+]e + Pk[K+]e
PNa[Na+]i + Pk[K+]i
en la que los subíndices o e i indican concentraciones fuera y dentro de
la célula respectivamente, y PNa y PK son las permeabilidad desde la
membrana al sodio y al potasio.
Si dividimos tanto el numerador como el denominador por PK, esta
ecuación se convierte en:
Vm = 61 log
Esta forma de la ecuación da el potencial de membrana en milivoltios (mV).
Utilizando las concentraciones de la tabla 4.1, podemos calcular el
potencial de membrana en condiciones de reposo, suponiendo que
PK es 25 veces tan grande como PNa (PNa/PK = 1/25 = 0,04):
Vm = 61 log
(0,04)(145 mM) + 4 mM
(0,04) (15 mM) + 140 mM
= 61 log(0,0697) = –70,6 mM
Este valor se encuentra más cerca del potencial de equilibrio del potasio
(–94 mV) que del potencial de equilibrio del sodio (+60 mV), como
cabría esperar. Si hay un cambio en la permeabilidad de la membrana al
sodio relativo al potasio, la GHK nos dará el nuevo potencial de membrana, siempre que sepamos la proporción PNa/PK. Si la permeabilidad
del sodio o del potasio es cero, entonces la ecuación GHK se convierte
en la ecuación de Nernst para el otro ion. Por tanto, si la membrana es
permeable solamente a un ion, el potencial de membrana será igual al
potencial de equilibrio de ese ion.
(PNa/Pk) [Na+]e + [K+]e
(PNa/Pk) [Na+]i + [K+]i
Otra simplificación de la figura 7.8 muestra a los iones de
sodio, potasio y cloruro situados solamente en un lado de la
membrana para ilustrar las direcciones de los gradientes de concentración de los iones. En las células reales, cada ion está presente tanto dentro como fuera de la célula, estando el potasio en
mayor concentración en el citosol, y el sodio y los iones de cloruro en el líquido extracelular. La tabla 4.1 recoge la distribución
real de iones en una membrana celular típica.
Como ni el sodio ni el potasio están en equilibrio para el
potencial de membrana en reposo, una fuerza electroquímica
neta actúa sobre cada ion. La siguiente regla describe las fuerzas electroquímicas que actúan sobre los iones: la fuerza electroquímica neta que actúa sobre un ion tiende a moverlo a través de la membrana en la dirección que moverá el potencial de
membrana hacia el potencial de equilibrio de ese ion, esto es,
hará que el ion esté más cerca del equilibrio. Por tanto, el sodio
tiende a moverse hacia el interior de la célula para que el potencial de membrana se acerque a los +60 mV, y el potasio tiende
a moverse hacia el exterior de la célula para que el potencial de
membrana se acerque a los –94 mV. La fuerza electroquímica
que actúa sobre un ion concreto es proporcional a la diferencia
entre el potencial de membrana y el potencial de equilibrio
para ese ion. Por tanto, como el sodio está a 130 mV del equilibrio (a un potencial de membrana en reposo de –70 mV), mientras que el potasio está solo a 24 mV del equilibrio, la fuerza
electroquímica que hace que el sodio entre en la célula es
mucho mayor que la fuerza electroquímica que hace que el
potasio salga de ella (indicada por la anchura de las flechas en
la fig. 7.8e).
El movimiento real de los iones de sodio o potasio a través de
la membrana es la corriente de sodio o de potasio, respectivamente. Las corrientes de iones pueden describirse matemáticamente, como se muestra en las ecuaciones a continuación,
que describen las corrientes de sodio y de potasio:
iNa = gNa (Vm – ENa)
ik = gK (Vm – EK)
En las ecuaciones, iI es igual a la corriente de un ion concreto,
gI es igual a la conductancia de ese ion (que está relacionada
directamente con la permeabilidad), EI es igual al potencial de
equilibrio de ese ion y Vm es igual al potencial de membrana.
Los canales de sodio y de potasio responsables del potencial
de membrana en reposo son canales de goteo que siempre están
abiertos. Además de estos canales de goteo, las neuronas tienen
canales iónicos regulados. En la sección siguiente veremos que
el movimiento de iones a través de la membrana puede alterarse
si cambia la permeabilidad de la membrana para ese ion, esto es,
mediante la apertura o cierre de canales iónicos específicos de la
membrana plasmática. Si aumenta la permeabilidad de la membrana para un ion concreto, aumentará su conductancia, mientras que si disminuye la permeabilidad de la membrana, disminuirá su conductancia.
C A P Í T U LO 7
Las señales eléctricas tienen lugar en las neuronas mediante los
cambios en el potencial de membrana que ocurren cuando ciertos canales iónicos, llamados canales regulados, se abren o se
cierran en respuesta a estímulos particulares. Cuando los canales iónicos se abren o se cierran, cambia la permeabilidad de la
membrana para ese ion concreto, afectando, por tanto, al movimiento de ese ion a través de la membrana plasmática. Por
ejemplo, si se abren los canales iónicos de sodio, aumenta el
movimiento de los iones de sodio hacia el interior de la célula,
dirigiendo el potencial de membrana hacia el potencial de equilibrio del sodio.
Hay tres tipos de canales iónicos regulados: canales de
umbral de voltaje, canales regulados por ligandos y canales
mecanosensitivos. Ya se han descrito anteriormente los canales de umbral de voltaje y los canales regulados por ligandos. Los
canales mecanosensitivo se abren o se cierran en respuesta a
una fuerza mecánica que se ejerce sobre la membrana. Estos
canales suelen estar asociados a receptores sensoriales o viscerales situados en un extremo de las neuronas aferentes. Los
canales regulados son cruciales para el funcionamiento normal
del sistema nervioso; de hecho, muchas toxinas ejercen sus efectos perniciosos, interfiriendo con el funcionamiento normal de
los canales iónicos (v. «Conexiones clínicas: Neurotoxinas»).
Descripción de los cambios
en el potencial de membrana
Los cambios en el potencial de membrana se describen según
la dirección del cambio en relación con el potencial de membrana en reposo, como se ilustra en la figura 7.9. Como el
potencial de membrana es una diferencia de potencial existente a través de la membrana, la membrana se encuentra polarizada. El signo del potencial de membrana (positivo o negativo)
siempre hace referencia al potencial dentro de la célula en relación con el potencial fuera de ella. Debido a que el potencial de
membrana en reposo es un valor negativo (de aproximadamente –70 mV en las neuronas), un cambio hacia un valor más
negativo recibe el nombre de hiperpolarización, porque la
membrana se vuelve más polarizada. Por el contrario, un cambio hacia un potencial menos negativo o positivo es una despolarización, porque la membrana se vuelve menos polarizada.
Potencial de membrana (mV)
Señales eléctricas mediante
cambios en el potencial
de membrana
179
ENa
Test rápido 7.2
1. Describe los gradientes de concentración para que el sodio y el potasio pasen a través de la membrana plasmática. ¿Qué establecen estos
gradientes de concentración?
2. Cuando una neurona está en reposo, ¿cuáles son las direcciones de
las fuerzas electroquímicas que impulsan el movimiento del sodio y
del potasio?
3. Si los canales que permiten el paso de los iones sodio y potasio de
repente se abrieran en la membrana plasmática, ¿en qué dirección se
movería cada ion: hacia el interior o hacia el exterior de la neurona?
¿Qué ion se movería más? ¿Por qué? ¿Qué cambio tendría lugar en el
potencial de membrana?
Células nerviosas y señales eléctricas
0
Despolarización
Repolarización
Potencial de reposo
–70
Hiperpolarización
EK
FIGURA 7.9 Cambios en el potencial de membrana. El potencial de
membrana puede cambiar con la apertura o cierre de los canales iónicos.
Un cambio en el potencial de membrana hacia un valor menos negativo se
denomina despolarización. Si una membrana despolarizada vuelve al potencial
de membrana en reposo, este hecho recibe el nombre de repolarización. Un
cambio en el potencial de membrana hacia un valor más negativo se denomina
hiperpolarización. Si se abren los canales de potasio dependientes, el potasio
saldrá de la célula, haciendo que el potencial de membrana se mueva hacia el
potencial de equilibrio del potasio (Ek), o hiperpolarizando la célula. Si se abren
los canales de sodio dependientes, entonces el sodio entrará en la célula,
haciendo que el potencial de membrana se mueva hacia el potencial de
equilibrio del sodio (ENa), o despolarizando la célula.
La repolarización tiene lugar cuando el potencial de membrana vuelve al potencial de membrana en reposo después de una
despolarización.
Las neuronas se comunican mediante dos tipos de señales
eléctricas como resultado de la apertura o cierre de los canales
iónicos regulados: 1) los potenciales graduados, que son pequeñas señales eléctricas que actúan a corto alcance solo porque su
tamaño disminuye con la distancia, y 2) potenciales de acción,
que son grandes señales capaces de viajar largas distancias sin
disminuir su tamaño. Vamos a examinar estos potenciales en las
dos secciones siguientes.
Potenciales graduados
Los potenciales graduados son pequeños cambios en el potencial de membrana que ocurren cuando los canales iónicos se
abren o se cierran en respuesta a un estímulo que actúa sobre la
célula (fig. 7.10). Los potenciales graduados pueden producirse
como resultado de moléculas neurotransmisoras que se unen a
los receptores de una dendrita o al cuerpo celular de una neurona; los potenciales graduados también pueden aparecer como
resultado de un estímulo sensorial, como el tacto o la luz, que
actúe sobre un receptor sensorial en el extremo periférico de una
neurona aferente. La magnitud del cambio del potencial
de membrana varía (está graduada) según la fuerza del estímulo:
un estímulo débil produce un pequeño cambio en el potencial
de membrana, mientras que un estímulo más fuerte produce un
180
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
CONEXIONES CLÍNICAS
Neurotoxinas
destruye al cocinarla. La TTX también está presente en algunos tipos de salamandras, pulpos y gobios. Las especies que transportan la
toxina tienen canales de sodio ligeramente
diferentes, lo cual les vuelve menos sensibles
o bien completamente resistentes a la toxina.
Una toxina parecida que bloquea los canales de umbral de voltaje de sodio es la saxitoxina (STX), producida por algunos dinoflagelados marinos y por una cianobacteria de
agua dulce. Estos microorganismos se vuelven
una amenaza importante para la salud durante ciertos períodos del año, cuando se multiplican rápidamente, o «florecen». En altas
concentraciones, incluso pueden aportar un
color rojizo al agua, produciendo el fenómeno
conocido como «marea roja». El peligro principal para los seres humanos durante la marea
roja proviene de ingerir marisco, pues filtra
toxinas que pueden ser acumuladas en su
cuerpo al alimentarse (el marisco es resistente
a la toxina). Ingerir un solo plato de marisco
contaminado puede llegar a ser fatal. Como la
TTX, la STX no se destruye al cocinarla. Desgra-
Potencial de membrana (mV)
El proverbio chino «Para terminar con tu vida,
come pez globo» surgió debido a que el pez
globo (también llamado fugu) contiene la
neurotoxina tetrodotoxina (TTX). Una neurotoxina es una toxina que ataca algún aspecto
del funcionamiento del sistema nervioso. La
TTX es muy poderosa, un tóxico muy potente
a concentraciones nanomolares (10–9 moles/
litro). La TTX actúa bloqueando los canales de
umbral de voltaje de sodio necesarios para
producir un potencial de acción.
El pez globo es una de las exquisiteces gastronómicas más preciadas de los restaurantes
de Japón. Este pez es valioso no solo por su
sabor, sino por la sensación de hormigueo que
produce alrededor de los labios cuando se
ingiere. En el pez globo, la TTX está concentrada en ciertos órganos, sobre todo en el hígado
y en las gónadas. Su preparación requiere
gran experiencia y solo pueden realizarla cocineros con licencia que separan los órganos
que contienen el veneno sin aplastarlos, lo
cual contaminaría partes del animal que normalmente se pueden comer. La toxina no se
X
X más fuerte
FIGURA 7.10 Efecto de la fuerza del estímulo sobre el tamaño del
potencial graduado. Los potenciales graduados son pequeños cambios del
potencial de membrana (Vm) en respuesta a un estímulo; un estímulo más
fuerte produce un cambio mayor en Vm.
cambio mayor en el potencial de membrana (v. fig. 7.10). Por
ejemplo, si la presencia de 5.000 moléculas neurotransmisoras
que actuaran sobre canales regulados por ligandos hiciera que
una célula se despolarizara 1 mV, entonces 10.000 moléculas
ciadamente, nunca se puede saber a partir de
la mera observación si las condiciones son
peligrosas: el agua de mar puede contener
concentraciones peligrosas de dinoflagelados
sin tener ese color rojizo. Por suerte, las autoridades de salud pública suelen hacer un
seguimiento del marisco en busca de la presencia de esta toxina y se prohíbe siempre que
haya motivos de preocupación.
El pez globo contiene una potente neurotoxina.
neurotransmisoras (un estímulo más fuerte) harían que la célula
se despolarizara unos 2 mV.
Un potencial graduado puede viajar desde el sitio de estimulación durante una corta distancia, porque se va reduciendo, es
decir, el cambio en el potencial de membrana disminuye en
tamaño a medida que se mueve a lo largo de la membrana, distanciándose del sitio de estimulación. Para entender por qué un
potencial graduado se reduce, veamos primero lo que pasa con
el chorro de agua que pasa por una manguera que tiene fugas. Si
la manguera estuviera intacta, la cantidad de agua que sale de
ella por el extremo sería la misma que la que entra en la manguera desde el grifo. Sin embargo, si la manguera tiene fugas (del
mismo modo que una membrana tiene fugas de iones), se perdería parte del agua y la cantidad de agua que saldría por el
extremo de la manguera habría disminuido. Ahora, veamos lo
que pasa en el flujo de corriente a lo largo de una membrana.
Cuando se produce un cambio de potencial en un sitio concreto de una membrana celular, este cambio genera diferencias
de potencial dentro de los líquidos intracelular y extracelular.
Como una separación de carga crea una fuerza para que se mueva la carga (corriente), el potencial graduado crea una separación de carga dentro del líquido intracelular y del líquido extracelular, que genera corrientes en estos líquidos. Estas corrientes
C A P Í T U LO 7
Estímulo
Cono axónico
Potencial de membrana (mV)
Potencial de membrana (mV)
+
+ ++
+
Grabado en el lugar
del estímulo
Grabado en el cono
axónico
FIGURA 7.11 Propiedad decreciente de los potenciales graduados.
Un potencial graduado se disipa a medida que se mueve a áreas adyacentes
de la membrana plasmática (flechas con puntos discontinuos). Por tanto,
el cambio de potencial registrado en el lugar del estímulo es mayor que el
registrado a distancia del lugar del estímulo. Las flechas más oscuras indican
una corriente más fuerte.
viajan a áreas adyacentes de la membrana celular, causando
cambios de voltaje en estas áreas. Esta propagación del voltaje
mediante un movimiento pasivo de carga se denomina conducción electrotónica. A medida que el potencial graduado se propaga desde el sitio de estimulación (fig. 7.11), la corriente se
propaga por un área más grande y una parte de la corriente
se filtra a través de la membrana plasmática. Como resultado,
Células nerviosas y señales eléctricas
181
disminuye el tamaño del cambio del potencial de membrana a
medida que se desplaza desde el sitio de estimulación inicial.
Algunos potenciales graduados son despolarizaciones,
mientras que otros son hiperpolarizaciones (fig. 7.12). La dirección del cambio depende de la neurona concreta de que se trate, del estímulo aplicado a ella y de los canales iónicos específicos que se abren o se cierran como respuesta al estímulo. Por
ejemplo, si un tipo de neurotransmisor que se uniera a sus
receptores hiciera que se abrieran los canales de sodio, los iones
sodio se desplazarían hacia el interior de la célula y el potencial
graduado resultante sería una despolarización. Si al unirse otro
tipo de neurotransmisor a sus receptores hiciera que los canales
de potasio se abrieran, los iones de potasio se desplazarían
hacia el exterior de la célula y el potencial graduado resultante
sería una hiperpolarización.
Los potenciales graduados son importantes, porque determinan si una célula generará un potencial de acción. Los potenciales graduados generan potenciales de acción si despolarizan
una neurona hasta un cierto nivel de potencial de membrana
denominado umbral, un valor crítico del potencial de membrana al que debe llegarse o superar si se ha de generar un potencial
de acción. Por un lado, los potenciales graduados que son despolarizaciones se denominan excitatorios, porque hacen que el
potencial de membrana se acerque al umbral para generar
un potencial de acción. Por otro lado, los potenciales graduados
que son hiperpolarizaciones reciben el nombre de inhibitorios,
porque hacen que el potencial de membrana se aleje del umbral
para provocar un potencial de acción.
Un solo potencial graduado no suele tener la fuerza suficiente
como para provocar un potencial de acción. Sin embargo, si los
potenciales graduados se superponen en el tiempo, entonces
pueden sumarse tanto a nivel temporal como espacial. En la suma
temporal, se aplica repetidamente un estímulo en rápida sucesión, de modo que el potencial graduado de la primera aplicación
no se disipa antes de que tenga lugar el siguiente potencial graduado, sumándose los efectos de los potenciales. Cuanto mayor
sea la superposición en el tiempo, mayor será la suma. En la suma
espacial, los efectos de los estímulos procedentes de diversas
fuentes que tienen lugar con un lapso temporal corto entre sí se
suman. La suma de un potencial graduado hiperpolarizador y de
uno despolarizador tiende a anularse. La figura 7.13 describe gráficamente lo que ocurre en la suma temporal y espacial.
Test rápido 7.3
Potencial de membrana (mV)
1. Define despolarización e hiperpolarización. Si la permeabilidad de
una membrana al sodio aumenta, ¿la membrana se despolarizaría o
se hiperpolarizaría? Explica por qué.
2. Nombra los tres mecanismos diferentes de regulación (apertura y
cierre) de los canales iónicos.
3. ¿Por qué los potenciales graduados no pueden comunicarse a través
de grandes distancias?
Potenciales de acción
Y (hiperpolarizante)
Z (despolarizante)
Tiempo (ms)
FIGURA 7.12 Efecto del tipo de estímulo en los potenciales
graduados. Dependiendo del estímulo y de la neurona, los potenciales
graduados pueden ser una hiperpolarización o una despolarización.
En lo que queda de este capítulo trataremos sobre los potenciales
de acción. Se dan potenciales de acción en las membranas de los
tejidos excitables (nerviosos o musculares) en respuesta a los potenciales graduados que alcanzan el umbral. La tabla 7.2 compara las
propiedades de los potenciales de acción y los graduados. Durante
un potencial de acción tiene lugar una despolarización grande y
rápida, en la que la polaridad del potencial de membrana, de
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
Potencial de acción
–55
W
X
Potencial de membrana (mV)
Umbral
–55
Potencial de reposo
–70
Fase 3
Tiempo (ms)
Umbral
–55
(a) Las tres fases de un potencial de acción
Potencial de acción
+30
W1 W2 W3
Tiempo (ms)
–55
W
X
(c)
Potencial de membrana (mV)
Fase 2
Potencial de acción
(b)
(d)
Y
Tiempo (ms)
Fase 1
W+X
Tiempo (ms)
PNa
PK
–55
–70
Los canales
de Na+
se abren
Permeabilidad de membrana (P)
Potencial de membrana (mV)
(a)
Potencial de membrana (mV)
+30
Potencial de membrana (mV)
Potencial de membrana (mV)
182
Los canales
de K+
se abren
Tiempo (ms)
(b) Cambios de permeabilidad para el Na+ y el K+
durante un potencial de acción
–55
FIGURA 7.14 Fases y base iónica de un potencial de acción.
W
Y
W+Y
Tiempo (ms)
FIGURA 7.13 Suma temporal y espacial. (a) Efectos de los estímulos W, X
e Y en el potencial de membrana. W y X despolarizan la célula; Y la
hiperpolariza. (b) Suma temporal del estímulo W, que resulta en una
despolarización hacia el umbral anterior y en la generación de un potencial de
acción. (c) Suma espacial de los estímulos W y X, que resulta en una
despolarización hacia el umbral anterior y en la generación de un potencial de
acción. (d) Suma espacial de los estímulos W e Y, que resulta en que no
determina una ausencia de cambios en el potencial de membrana y, por tanto,
no hay ausencia de potencial de acción.
(a) Las tres fases diferentes de un potencial de acción: (1) despolarización;
(2) repolarización, y (3) post-hiperpolarización. (b) Cambios en la
permeabilidad a los iones de sodio (PNa) y los iones de potasio (PK) durante un
potencial de acción. La rápida despolarización de la fase 1 está causada por
un aumento rápido de la permeabilidad al sodio, que permite que el sodio se
desplace hacia el interior de la célula. La repolarización de la fase 2 está
causada por un aumento más lento de la permeabilidad al potasio,
permitiendo un mayor movimiento del potasio hacia fuera de la célula en
comparación con las condiciones reposo. La post-hiperpolarización de la fase 3
está causada por el continuo movimiento de salida del potasio hacia el exterior
de la célula.
Al comienzo de la repolarización, la permeabilidad al sodio es mayor
P
que la permeabilidad al potasio. ¿Por qué se repolariza el potencial de
membrana?
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
183
TABLA 7.2 Comparación de los potenciales graduados y los potenciales de acción
Propiedad
Potencial graduado
Potencial de acción
Ubicación
Dendritas, cuerpo celular, receptores sensoriales
Axón
Fuerza
Relativamente débil, proporcional a la fuerza del estímulo;
se disipa con la distancia al estímulo
100 mV
Todo o nada
Dirección del cambio en el potencial
de membrana
Puede ser despolarizado o hiperpolarizado dependiendo
del estímulo
Despolarizante
Suma
Espacial y temporal
Ninguna
Períodos refractarios
Ninguno
Absolutos y relativos
Tipos de canales implicados en la producción
de un cambio en el potencial
Regulados por ligandos, mecanosensitivo
Dependientes del canal de umbral
de voltaje
Iones implicados
Normalmente Na+, Cl– o K+
Na+ y K+
Duración
De unos pocos milisegundos a segundos
De 1 a 2 ms (la posthiperpolarización
puede durar 15 ms)
hecho, se invierte; esto es, el potencial de membrana se vuelve
positivo durante un breve espacio de tiempo. El potencial de membrana cambia muy rápidamente (tarda alrededor de 1 ms) y pasa
de un nivel de reposo de aproximadamente –70 mV a +30 mV (un
cambio de 100 mV). Una vez iniciado, un potencial de acción, a
diferencia de un potencial graduado, puede propagarse por grandes distancias a lo largo de un axón sin disminuir su fuerza.
Base iónica de un potencial de acción
La generación de un potencial de acción se basa en la permeabilidad selectiva de la membrana plasmática y los gradientes electroquímicos de Na+ y K+ que existen a través de la membrana.
Recordemos que, en reposo, la membrana plasmática es unas
25 veces más permeable a los iones de potasio que a los iones de
sodio, debido a la presencia de muchos más canales de goteo
para el potasio que para el sodio. En las células excitables, los
cambios en la permeabilidad de la membrana plasmática que
resultan de la apertura y el cierre de los canales iónicos dependientes pueden producir potenciales de acción.
Un potencial de acción en una neurona consiste en tres fases
distintas (fig. 7.14a):
1. Despolarización. La primera fase de un potencial de acción
es una despolarización rápida durante la cual el potencial de
membrana cambia de –70 mV (en reposo) a +30 mV. Esta
despolarización está motivada por un aumento repentino y
espectacular de la permeabilidad al sodio (fig. 7.14b), seguido de un aumento del desplazamiento de iones de sodio
hacia el interior de la célula, bajando el gradiente electroquímico del sodio. Dado que ahora la permeabilidad para el
sodio es mayor que la permeabilidad para el potasio,
el potencial de membrana se acerca al potencial de equilibrio del sodio de +60 mV. Aunque el cambio en el potencial
de membrana producido por el movimiento del sodio es
grande (100 mV), la cantidad de iones de sodio que realmente cruzan la membrana para producir este cambio en el
potencial es relativamente pequeña comparada con la concentración de iones de sodio de los líquidos intracelular y
extracelular (2-3 iones de sodio cruza la membrana por cada
millón de iones de sodio que hay presentes en el líquido
intracelular). Por tanto, las concentraciones del sodio en esos
líquidos no cambian de manera significativa.
2. Repolarización. La segunda fase de un potencial de acción es
una repolarización del potencial de membrana durante la
que el potencial de membrana vuelve de los +30 mV a los
niveles de reposo (–70 mV). Un ms después del aumento de
la permeabilidad al sodio, esta disminuye rápidamente,
reduciendo el flujo de entrada del sodio. Aproximadamente
en el mismo tiempo, la permeabilidad al potasio aumenta,
haciendo que el potasio se desplace por su gradiente electroquímico, saliendo de la célula y repolarizando el potencial de
membrana para volverlo a situar en los niveles de reposo.
3. Posthiperpolarización. La tercera fase de un potencial de
acción se denomina posthiperpolarización. La permeabilidad al potasio sigue siendo elevada durante un breve espacio
de tiempo (de 5 a 15 ms) después de que potencial de membrana alcance el potencial de membrana en reposo, dando
como resultado una posthiperpolarización. Durante este
tiempo, el potencial de membrana es incluso más negativo
que en reposo, a medida que se acerca al potencial de equilibrio de potasio (–94 mV). Como ocurre con el movimiento
de los iones sodio, el movimiento de los iones de potasio
durante la repolarización y la posthiperpolarización es
pequeño, de modo que las concentraciones de potasio dentro y fuera de la célula no cambian significativamente (no
llega a cruzar la membrana ni un ion de potasio por cada
millón de iones de potasio que hay presentes en el líquido
intracelular).
A continuación, analizaremos los canales iónicos responsables de los cambios de permeabilidad a los iones de sodio y de
potasio durante un potencial de acción.
Función de los canales de umbral de voltaje
iónicos en los potenciales de acción
Los cambios de permeabilidad asociados con las fases de un
potencial de acción se deben a la apertura y el cierre de canales
de umbral de voltaje de sodio y de potasio y del tiempo situados,
principalmente, en la membrana plasmática del cono axónico y
del axón. (Estos canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio también se encuentran en la membrana plasmática de algunas células musculares.) En los axones mielinizados, estos canales se localizan en mayor concentración en los nódulos de
Ranvier; en los axones no mielinizados, estos canales están dis-
184
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
Potencial de membrana en reposo
Líquido
extracelular
Na+
Umbral de
activación
(cerrado pero
puede abrirse)
Despolarización
Membrana
plasmática
Líquido
intracelular
Canal de Na+
Umbral de
activación (abierto)
Umbral de
inactivación
(abierto)
Na+
Na+
Umbral de
inactivación
(abierto)
Umbral de
activación (abierto)
1 ms
Umbral de inactivación (cerrado y no
puede abrirse hasta volver al estado
de reposo)
FIGURA 7.15 Modelo del funcionamiento de los canales de umbral de
voltaje de sodio. Los canales de umbral de voltaje de sodio se representan en
esta figura mediante dos umbrales. En reposo, el umbral de inactivación del
sodio está abierto y el umbral de activación está cerrado, pero puede abrirse en
respuesta a un estímulo despolarizante. Después de un estímulo
despolarizante en el umbral, tanto los umbrales de activación como de
inactivación están abiertos y el sodio puede desplazarse por el
canal. Aproximadamente 1 ms después de un estímulo despolarizante,
el umbral de inactivación se cierra y permanece cerrado hasta que
la célula se haya repolarizado hasta el estado de reposo. Antes de la
repolarización, el canal no puede abrirse en respuesta a un nuevo estímulo
despolarizante.
tribuidos de manera uniforme a lo largo de todo el axón. Como
no se conocen exactamente los mecanismos de apertura y cierre
de los canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio, utilizamos modelos para describir su función.
El modelo utilizado para explicar las acciones de los canales
de umbral de voltaje de sodio implica dos tipos de umbrales: los
umbrales de activación y los de inactivación. Los umbrales de
activación son responsables de la apertura de los canales de sodio
durante la fase de despolarización de un potencial de acción,
mientras que los umbrales de inactivación son responsables del
cierre de los canales de sodio durante la fase de repolarización de
un potencial de acción. Para que se abra un canal de sodio, los
dos umbrales deben estar abiertos. Ambos tipos se abren o se
cierran en respuesta a cambios en el potencial de membrana.
En función de la posición de estos dos umbrales, un canal de
sodio puede existir en tres conformaciones (fig. 7.15). En reposo,
el umbral de inactivación está abierto, pero el de activación está
cerrado. En este estado, el canal está cerrado, pero es capaz de
abrirse mediante un estímulo de despolarización que hace que
se abra el umbral de activación. Si los dos umbrales están en la
posición de apertura, el canal estará abierto y los iones de sodio
podrán pasar a través del canal hacia el interior de la célula; esto
es lo que ocurre durante la fase de despolarización de un potencial de acción. Sin embargo, aproximadamente 1 ms después del
estímulo inicial que abre el umbral de activación, se cierra el de
inactivación. Este cierre es una respuesta retrasada iniciada por
la misma despolarización que había causado que el umbral de
activación se abriera inmediatamente. Cuando el umbral de inactivación está cerrado y el de activación abierto, el canal está
cerrado y no es capaz de abrirse como respuesta a otro estímulo
de despolarización, porque el umbral de inactivación no se abre
hasta que el potencial de membrana vuelva a tener un valor
similar al de reposo. Una vez que ha tenido lugar la repolarización, se abre el umbral de inactivación y se cierra el de activación, volviendo el canal a su estado de reposo.
La apertura de los umbrales de activación del sodio es un
mecanismo regenerativo, esto es, la apertura de algunos umbrales de activación del sodio hace que se abran más umbral es de
activación del sodio, regenerando el estímulo para abrir los umbrales (despolarización). Este mecanismo regenerativo funciona de
la siguiente manera: al principio, la despolarización desencadena la apertura de unos cuantos canales de sodio, lo que permite
cierto movimiento a los iones de sodio que entran en la célula, lo
que la despolariza aún más. Esta mayor despolarización hace que
se abran aún más canales de sodio, motivando un mayor flujo de
entrada de iones de sodio y una mayor despolarización, etc. Este
circuito de retroalimentación positiva es la causa de la fase de despolarización (de menos de 1 ms) tan rápida del potencial de
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
185
Estímulo umbral
Despolarización de la membrana
canales de sodio abiertos
Realimentación
positiva
permeabilidad
de la membrana
al sodio
carga positiva
neta en la célula
(despolarización)
flujo de sodio
hacia el interior
de la célula
Realimentación
negativa
Efecto retrasado
(1 ms)
Efecto retrasado
(1 ms)
Los umbrales de
inactivación del
canal de sodio
se cierran
canales de
potasio abiertos
Permeabilidad
de la membrana
al sodio
Permeabilidad
de la membrana
al potasio
flujo de potasio
hacia el exterior
de la célula
carga positiva
neta en la célula
(repolarización)
Estímulo inicial
Respuesta fisiológica
Resultado
FIGURA 7.16 Apertura y cierre de los canales de sodio y de potasio
durante un potencial de acción. La apertura del canal de sodio es parte de un
circuito de retroalimentación positiva que permite la rápida despolarización de
la célula. Cuando la célula se despolariza hasta el umbral, los canales de sodio
se abren. Esta apertura permite que el sodio entre hacia el interior de la célula,
causando una mayor despolarización y abriendo más canales de sodio. El
circuito de retroalimentación continúa hasta que se cierren los umbrales de
inactivación del sodio, aproximadamente 1 ms después de la despolarización
en el umbral. La apertura y el cierre del canal de potasio es parte de un circuito
acción. El circuito de retroalimentación positiva termina cuando
se cierran los umbrales de inactivación del sodio (fig. 7.16).
En contraste con los canales de sodio que acabamos de describir, el modelo de los canales de umbral de voltaje de potasio
solo describe un umbral que se abre más lentamente en respuesta a la despolarización. En más o menos el mismo tiempo
que tardan los umbrales de inactivación del sodio en cerrarse
(de 1 a 2 ms después de la despolarización hasta el umbral), los
canales de potasio empiezan a abrirse. El aumento en la per-
flujo de sodio
hacia el interior
de la célula
de retroalimentación negativa. La despolarización estimula la lenta apertura de
los canales de potasio, lo cual que permite que el potasio salga de la célula,
repolarizándola. Como la repolarización es opuesta al estímulo de
despolarización para la apertura de los canales de potasio, estos canales se
cierran.
¿Qué parte detiene el circuito de retroalimentación positiva que abre los
P
canales de sodio?
meabilidad para el potasio junto con el fuerte gradiente electroquímico necesario para que el potasio salga de la célula (cuando
la membrana está despolarizada, el potasio se encuentra lejos
del equilibrio), aumenta el movimiento de los iones de potasio
hacia fuera de la célula. Este movimiento de carga positiva hacia
el exterior de la célula la repolariza. Como el efecto de la apertura de canales de potasio (repolarización) es una acción opuesta
al estímulo inicial que abrió los canales de potasio (despolarización), los canales de umbral de voltaje de potasio son parte de un
186
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
TABLA 7.3 Características de una neurona en reposo y durante las diversas fases de un potencial de acción
Reposo
Despolarización
Repolarización
Post-hiperpolarización
Potencial de membrana
–70 mV
De –70 mV a +30 mV
De +30 mV a –70 mV
De –70 mV a –85 mV
Canal de umbral
de voltaje de sodio
Cerrado
Abierto
Cerrado
Cerrado
Umbral de activación
Cerrado
Abierto
Abierto
Cerrado
Umbral de inactivación
Abierto
Abierto
Cerrado
Abierto
Flujo de sodio
Bajo flujo hacia el interior a
través de canales de goteo
Alto flujo hacia el interior a
través de canales de umbral
de voltaje*
Bajo flujo hacia el interior a
través de canales de goteo
Bajo flujo hacia el interior a
través de canales de goteo
Cerrado
Cerrado
Abierto
Cerrándose
Bajo flujo hacia el exterior a
través de canales de goteo
Bajo flujo hacia el exterior a
través de canales de goteo
Alto flujo hacia el exterior a
través de canales de umbral
de voltaje*
Alto flujo hacia el exterior a
través de canales de umbral de
voltaje, pero en disminución*
Canal de umbral
de voltaje de potasio
Flujo de potasio
*Aunque en cualquier momento dado los iones se desplazan a través tanto de los canales de umbral de voltaje como de los canales de goteo, la conductancia a través de los canales de goteo es
mínima en comparación con la conductancia a través de los canales de umbral de voltaje.
30
Umbral
–55
–70
Fuerza del estímulo
Potencial de membrana (mV)
circuito de retroalimentación negativa durante un potencial de
acción (v. fig. 7.16). Por tanto, a medida que la célula se repolariza, el estímulo despolarizador se debilita y los canales de potasio se cierran lentamente.
La tabla 7.3 resume las condiciones que rodean a los canales de
umbral de voltaje de sodio y de potasio cuando están en reposo y
durante las tres fases de un potencial de acción.
El umbral para generar un potencial de acción corresponde
al nivel de despolarización necesario para inducir el circuito de
retroalimentación positiva del sodio. Una despolarización que
esté por debajo del umbral (estímulo subumbral) puede abrir
Estímulos
subumbrales
Estímulo
en el umbral
Estímulo
supraumbral
Tiempo (en ms)
FIGURA 7.17 Concepto de un estímulo en el umbral. Un estímulo debe
causar un nivel crítico de despolarización, o umbral, antes de que se genere un
potencial de acción. Un estímulo por debajo del umbral (subumbral) no puede
generar un potencial de acción. Cualquier estímulo por encima del umbral
(supraumbral) genera un potencial de acción de la misma magnitud y duración
que un estímulo en el umbral.
algunos canales de sodio, pero no habrá canales suficientes
como para producir un flujo de sodio hacia el interior con el
tamaño suficiente como para superar el flujo de potasio hacia
el exterior a través de los canales de goteo. La figura 7.17 ilustra el concepto de umbral. Observa que un estímulo subumbral
no produce potencial de acción alguno, mientras que un estímulo en el umbral provoca un potencial de acción. Un estímulo
mayor que el umbral, esto es, un estímulo supraumbral, también provoca un potencial de acción. Observa, sin embargo, que
el tamaño del potencial de acción no aumenta conforme aumenta la fuerza de un estímulo supraumbral; esto quiere decir que
los potenciales de acción no están graduados.
La iniciación de un potencial de acción sigue la ley del todo
o nada: siempre que una membrana se despolariza hasta el
umbral o por encima, la amplitud del potencial de acción resultante es la misma; si la membrana no se despolariza hasta el
umbral, no tendrá lugar ningún potencial de acción.
El nivel de despolarización que se alcanza en el pico de un
potencial de acción depende no tanto de la fuerza del estímulo,
sino, más bien, de las fuerzas relativas de los gradientes electroquímicos de los iones de sodio y de potasio y de las permeabilidades relativas de la membrana a esos iones. Durante la fase de
despolarización, la permeabilidad al sodio sobrepasa en varias
centenas la permeabilidad al potasio y el potencial de membrana se acerca al potencial de equilibrio del sodio de +60 mV.
Sin embargo, la neurona nunca puede llegar a o sobrepasar
el potencial de equilibrio del sodio, por el mismo motivo por el
que el potencial de membrana en reposo nunca podrá igualar o
sobrepasar el potencial de equilibrio del potasio: el desplazamiento de los iones de sodio hacia el interior de la célula se contrarresta con el desplazamiento de los iones de potasio hacia el
exterior de la célula, principalmente a través de los canales de
goteo de potasio, y secundariamente a través de los canales
de umbral de voltaje de potasio que se hayan abierto. Por tanto,
el pico constante de un potencial de acción se determina, principalmente, por dos factores: 1) los gradientes de concentración
de los iones de sodio y de potasio a través de la membrana plasmática, que no cambian en circunstancias normales, y 2) la cantidad de canales de goteo de potasio existentes en la membrana
plasmática, que tampoco cambian.
C A P Í T U LO 7
Período
refractario
absoluto
FIGURA 7.18 Períodos refractarios asociados con un potencial de
acción. Los gráficos representan (a) los cambios en el potencial de membrana
que ocurren durante un potencial de acción; (b) la fuerza que ha de tener el
estímulo para provocar un segundo potencial de acción, y (c) los porcentajes
de los canales de sodio que están inactivados (en los que los umbrales de
inactivación están cerrados) y de los canales de umbral de voltaje de potasio
que están abiertos.
(a) Estímulo
Con independencia de su
fuerza, un estímulo no puede
generar un segundo potencial
de acción durante el período
refractario absoluto
Es necesario un estímulo mucho
más fuerte de lo normal para
generar un segundo potencial de
acción al comienzo del período
refractario relativo
Es necesario un estímulo un poco
mayor de lo normal para generar
un potencial de acción al final del
período refractario relativo
(b) Estímulo
100
100
% de canales de Na+ inactivados
% de canales
de K+ abiertos
Tiempo (en ms)
(c) Estímulo
% de canales de K+ abiertos
Durante e inmediatamente después de un potencial de acción,
la membrana es menos excitable que cuando está en reposo.
Este período de excitabilidad reducida se denomina período
refractario. El período refractario se puede dividir en dos fases,
el período refractario absoluto y el período refractario relativo
(fig. 7.18). El período refractario absoluto se extiende a lo largo
de toda la fase de despolarización, además de durante la mayor
parte de la fase de repolarización de un potencial de acción
(de 1 a 2 ms). Durante este tiempo, no se puede generar un
segundo potencial de acción en respuesta a un segundo estímulo con independencia de la fuerza que tenga ese estímulo. Hay
dos motivos para explicar el período refractario absoluto:
1) durante la rápida fase de despolarización de un potencial de
acción, la apertura regenerativa de los canales de sodio que se ha
puesto en marcha continuará hasta su finalización y no se verá
afectada por un estímulo posterior, y 2) durante el comienzo de
la fase de repolarización, la mayor parte de los umbrales de inactivación del sodio están cerrados y no pueden abrirse a pesar de
que haya un segundo estímulo. No se puede generar un segundo
potencial de acción hasta que la mayoría de los canales de sodio
hayan vuelto a su estado de reposo, una situación que ocurre
casi al final de la fase de repolarización. En ese momento, los
umbrales de activación se han cerrado y los de inactivación se
han abierto, de modo que los canales de sodio están cerrados,
pero pueden abrirse en respuesta a la despolarización.
El período refractario relativo tiene lugar inmediatamente
después del período refractario absoluto y dura de 5 a 15 ms.
Durante este período, es posible generar un segundo potencial
de acción, pero solo en respuesta a un estímulo más fuerte que
el necesario para alcanzar el umbral en condiciones de reposo.
El período refractario relativo se debe, principalmente, al
aumento de la permeabilidad al potasio que continúa más allá
de la fase de repolarización (durante la posthiperpolarización).
Además, puede que sigan cerrados algunos umbrales de inactivación del sodio, especialmente al principio del período refractario relativo. La fuerza que ha de tener el estímulo para provocar un segundo potencial de acción es una cuestión de
sincronización. Al comienzo del período refractario relativo es
necesario un estímulo más fuerte para generar un potencial de
acción que al final del período refractario relativo, porque al
principio del período refractario hay más umbrales de inactivación de sodio cerrados y más canales de potasio abiertos.
Fuerza del estímulo necesaria para generar
un segundo potencial de acción
Períodos refractarios
% de canales de Na+ inactivados
1. Durante la fase de despolarización de un potencial de acción,
¿la membrana es más permeable al sodio o al potasio? ¿Y cómo es la
membrana durante la fase de repolarización?
2. Compara los mecanismos de apertura y cierre de los canales de umbral de voltaje de sodio y de potasio. ¿Por qué es tan importante la
sincronización de los hechos para el desarrollo de un potencial de
acción?
Período
refractario
relativo
Potencial de membrana (mV)
Test rápido 7.4
187
Células nerviosas y señales eléctricas
La TTX es una toxina que bloquea los canales de umbral de voltaje
de sodio y la TEA es una toxina que bloquea los canales de umbral de
voltaje de potasio. ¿Cuál será el efecto de cada una de estas toxinas
en 1) el potencial de membrana en reposo, y 2) la generación de
potenciales de acción.
Los períodos refractarios establecen varias propiedades de
los potenciales de acción, incluyendo su propiedad de todo o
nada, la frecuencia con la que se puede generar un potencial de
acción por una sola neurona y la propagación unidireccional a
lo largo de un axón.
Los períodos refractarios contribuyen a la ley del todo o nada
de los potenciales de acción descrita anteriormente. A diferencia de los potenciales graduados, los potenciales de acción no
pueden sumarse, debido a que el período refractario absoluto
impide una superposición de potenciales de acción.
Los períodos refractarios también son importantes en la codificación de la información que llega en forma de potenciales de
acción. Recordemos que la magnitud de los potenciales graduados varía dependiendo de la fuerza de un estímulo y, por tanto,
codifica la información sobre la fuerza del estímulo. El hecho de
que los potenciales de acción sigan la ley del todo o nada podría
parecer un problema: ¿cómo pueden los potenciales de acción
transmitir información sobre la intensidad de un estímulo (digamos, por ejemplo, el volumen de un sonido)? La información perteneciente a la intensidad de un estímulo es codificada por los
cambios en la frecuencia de los potenciales de acción, esto es,
los cambios en la cantidad de potenciales de acción que tienen
lugar en un período de tiempo dado. Como los potenciales graduados suelen durar mucho más tiempo que los potenciales de
acción, los potenciales graduados más fuertes y de mayor duración pueden generar una explosión de potenciales de acción.
Dependiendo del tamaño del potencial graduado, estos potenciales de acción podrían darse más separados o más juntos. Este es
el motivo de que un sonido fuerte genere potenciales de acción a
mayor frecuencia que un sonido suave.
Consideremos la figura 7.19a, que compara los efectos de un
estímulo subumbral, un estímulo en el umbral durante 10 ms y
un estímulo en el umbral durante 20 ms en la frecuencia de los
potenciales de acción generados en una neurona con un período
refractario relativo de 15 ms. Un estímulo subumbral no genera
un potencial de acción; un estímulo de 10 ms de duración que
simplemente llega al umbral genera un solo potencial de acción.
Sin embargo, si el estímulo en el umbral se aplica durante más
tiempo que el período refractario relativo, puede generarse un
segundo potencial de acción, como hemos visto en el caso del
estímulo en el umbral durante 20 ms.
Comparemos la figura 7.19a con la figura 7.19b, en la que se
aplica a la neurona un estímulo supraumbral. Es más probable que
un estímulo supraumbral genere más de un potencial de acción,
porque puede generar un segundo potencial de acción durante el
período refractario relativo del primero. Para generar un segundo
potencial de acción durante el período refractario relativo, un estímulo debe tener la fuerza suficiente como para abrir un número
suficiente de canales de sodio para permitir que el flujo de entrada
del sodio supere el elevado flujo de salida del potasio que tiene
lugar durante el período refractario relativo, y el estímulo puede
tener que superar algunos umbrales de inactivación del sodio que
sigan cerrados. Además, un estímulo más fuerte puede producir
un segundo potencial de acción que esté más próximo en el tiem-
Fuerza del estímulo
Comprueba tus conocimientos
Potencial de
membrana (mV)
Células nerviosas y señales eléctricas
30
–55
–70
Estímulo
subumbral
durante 10 ms
Estímulo
en el umbral
durante 10 ms
Estímulo
en el umbral
durante 20 ms
Tiempo (s)
(a)
Potencial de
membrana (mV)
C A P Í T U LO 7
Fuerza del estímulo
188
30
Umbral
–55
–70
Estímulo
subumbral
Estímulo
en el umbral
Estímulos supraumbrales
Tiempo (s)
(b)
FIGURA 7.19 Codificación de la frecuencia: cómo los potenciales de
acción transmiten la intensidad del estímulo. El período refractario entero
de esta neurona es de 15 ms. (a) El estímulo subumbral no genera un
potencial de acción. Un estímulo en el umbral durante 10 ms genera
un solo potencial de acción, mientras que un estímulo en el umbral durante
20 ms (más largo que el período refractario) genera un segundo potencial de
acción. (b) Un estímulo en el umbral genera un solo potencial de acción,
mientras que los estímulos supraumbral generan una explosión de potenciales
de acción. Cuanto más fuerte sean los estímulos supraumbral, mayor será la
frecuencia de potenciales de acción.
po al primer potencial de acción. Sin embargo, como un segundo
estímulo no puede generar un segundo potencial de acción durante el período refractario absoluto, el período refractario absoluto
limita la frecuencia máxima de los potenciales de acción en una
neurona a, aproximadamente, de 500 a 1.000 por segundo.
Test rápido 7.5
1. ¿Puede generarse un potencial de acción durante el período refractario absoluto? ¿Y durante el período refractario relativo?
2. Durante el período refractario absoluto, ¿están abiertos la mayoría de
los canales de sodio, están cerrados pero pueden abrirse, o están cerrados y no pueden abrirse?
3. ¿Cómo codifican los potenciales de acción la intensidad de un estímulo?
C A P Í T U LO 7
FIGURA 7.20 Conducción de un potencial de acción en axones no
mielinizados. (a) Estado de la membrana cuando el potencial de membrana está
en reposo. (b) Comienzo de la conducción. Cuando se produce un potencial de
acción en el sitio A de la membrana, hay una separación de cargas en el líquido
intracelular y el líquido extracelular. Esta separación es una fuerza que hace que
se mueva la corriente. Las corrientes locales producidas por el desplazamiento de
los iones positivos hacia las regiones negativas del líquido intracelular se
muestran mediante flechas. (c) Propagación de la conducción. La corriente
despolariza la región adyacente de la membrana (sitio B) hacia el umbral,
provocando un potencial de acción allí. (d) Continuación de la propagación.
Continúa la despolarización de regiones adyacentes hasta que el potencial de
acción se haya propagado a lo largo de todo el axón terminal. Los períodos
refractarios impiden que los potenciales de acción viajen en dirección opuesta.
Propagación de los potenciales de acción
en axones no mielinizados
Recuerda que, cuando hablamos de los potenciales graduados,
dijimos que la conducción electrotónica es la forma pasiva que
tienen los cambios de voltaje de propagarse a lo largo de una
neurona a distancia del sitio de origen. La conducción electrotónica es el mecanismo por el cual se propagan los potenciales de
acción en axones no mielinizados (fig. 7.20). Cuando tiene lugar
un potencial de acción en un axón, no se despolariza todo el axón
a la vez; en su lugar, la despolarización se limita a una sola región
del axón en cada momento. Dentro de esta región de despolarización, el signo del potencial de membrana es el opuesto, de forma que el interior de la célula se vuelve positivo cuando el exterior se vuelve negativo. Este cambio en el potencial de membrana
en una región crea una diferencia de potencial tanto dentro del
líquido intracelular como del líquido extracelular, debido a que
las regiones adyacentes de la membrana siguen estando en reposo (esto es, el interior es negativo y el exterior es positivo). Para
mayor simplicidad, trataremos los cambios de potencial eléctrico
y las corrientes resultantes que tienen lugar en el interior de la
célula. Sin embargo, obsérvese que fuera de la célula tienen lugar
los potenciales eléctricos y el flujo de corriente opuestos.
189
Líquido extracelular
Cono axónico
Axón no mielinizado
Membrana
plasmática
Propagación de los potenciales de acción
Una vez que un potencial de acción se inicia en un axón, se propaga a lo largo de él desde la zona en la que se desencadena al
axón terminal sin decremento. De hecho, un potencial de acción
no viaja por el axón; en su lugar, un potencial de acción establece gradientes electroquímicos en los líquidos extracelular e
intracelular. Como los líquidos extracelular e intracelular tienen
una baja resistencia al flujo de corriente, las cargas positivas se
desplazan desde el área en la que la membrana ha sido despolarizada hacia el área adyacente de la membrana, despolarizándola también. La corriente fluye a las áreas adyacentes de la membrana plasmática del axón mediante conducción electrotónica.
El primer potencial de acción producido en la zona en la que se
desencadena produce una corriente, que causa un segundo
potencial de acción en la membrana adyacente, que causa un
tercer potencial de acción, y el proceso sigue así hasta que se
produce un potencial de acción en el axón terminal. La propagación de un potencial de acción a lo largo de un axón es, por tanto, análoga a la caída secuencial de una fila de fichas de dominó
colocadas muy cerca unas de otras: cuando cae la primera ficha
de dominó, hace que caiga la siguiente, y así continúa el proceso
hasta llegar a la última ficha de la fila. Sin embargo, los mecanismos de propagación se diferencian unos de otros dependiendo
de si el axón está no mielinizado o mielinizado.
Células nerviosas y señales eléctricas
(a) Reposo
+
–
Líquido intracelular
–
–
–
–
–
–
–
– – – – – – – –
–
–
– –
+
+
+
+
+
+
+
+
+ + + + + + +
+
–
+ +
+
Líquido
extracelular
+
+
–
Sitio del
potencial
de acción
original
Líquido extracelular
+ +
+ + + + + + + + + + + + + + + +
– –
– – – – – – – – – – – – – – – – –
+
+
+ +
– – – – + + + + + + + + + + + +
– –
– + + + + – – – – – – – – – – – –
Sitio A
Sitio B
+ + + – – – – – – – – – – – –
+
–
– –
– – – – + + + + + + + + + + + +
–
+ +
+
+
Región de
despolarización
(b) Iniciación
Dirección de la propagación del potencial de acción
+
–
+
+ +
+ + + + – – – – + + + + + + + +
– –
– – – – – + + + + – – – – – – – –
Sitio A
Sitio B
Sitio C
– – – + + + + – – – – – – – –
–
–
–
–
+ + + + – – – – + + + + + + + +
–
+ +
+
+
Estado
Región de
refractario despolarización
(c) Propagación
+
–
+
+ +
+ + + + + + + + – – – – + + + +
– –
– – – – – – – – – + + + + – – – –
Sitio A
Sitio B
Sitio C
Sitio D
– – – – – – – + + + + – – – –
–
–
– –
+ + + + + + + + – – – – + + + +
–
+ +
+
+
(d) La propagación
continúa
Región de
Estado
repolarización refractario
(estado
de reposo)
Región de
despolarización
190
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
C A J A D E H E R R A M I E N TA S
Constante de longitud para la conducción electrotónica
Vx = Voe–x/L
donde Vo es el cambio de voltaje en el sitio de origen, Vx es el cambio de
voltaje a una distancia determinada (x) del sitio de origen, e es la base
logarítmica natural (aproximadamente 2,7) y L es la constante de longitud. La constante de longitud es la distancia en la que el cambio inicial
de voltaje ha bajado a 1/e o al 37% de su valor, como muestra la figura.
Mide hasta qué distancia a lo largo del axón puede propagarse la
corriente antes de que se filtre hacia su exterior.
La constante de longitud depende de la resistencia al flujo de
corriente. En las neuronas, la corriente puede fluir a través de la membrana plasmática o a lo largo del citoplasma. La corriente fluye a lo largo
del camino que tenga menos resistencia. La resistencia de la membrana
al flujo de corriente (rm) es mayor que la resistencia del citoplasma (también llamada resistencia axial, dado que la corriente fluye a lo largo del
eje, ra). Por tanto, cuanto mayor sea la resistencia de la membrana y
menor la resistencia axial, más grande será la constante de longitud.
Matemáticamente, la constante de longitud se describe:
r
L = gr
ll
m
a
La carga positiva dentro de la célula en el lugar en el que la
fase de despolarización de un potencial de acción acaba de ocurrir es atraída hacía la carga negativa adyacente en el interior,
donde la célula sigue estando en reposo. Como el líquido intracelular tiene una baja resistencia al movimiento de cargas, las
cargas positivas se desplazan hacia la región adyacente cargada
negativamente, despolarizándola hasta el umbral y causando
otro potencial de acción. Este proceso continúa con un potencial
de acción que establece corrientes locales que, a su vez, causan
otro potencial de acción en la región cercana a la membrana del
axón, hasta que el potencial de acción se haya propagado por
todo el camino hasta llegar al axón terminal. Una vez que se haya
generado el primer potencial de acción en el cono axónico, la
corriente que se propaga a la membrana adyacente tiene siempre
la magnitud suficiente como para despolarizar a la membrana
vecina hasta el umbral y provocar un potencial de acción. Este es
el motivo por el cual los potenciales de acción, a diferencia de los
potenciales graduados, no disminuyen al desplazarse.
El diámetro de un axón determina con qué velocidad se propaga la corriente y, por tanto, la velocidad de conducción de los
potenciales de acción. Cuanto mayor es el diámetro, menor
resistencia al flujo de corriente longitudinal (esto es, al flujo de
corriente que viaja a lo largo el axón). Se podría establecer una
Las constantes de longitud suelen tener menos de 1 mm; esto es,
cuando un cambio de voltaje se haya extendido a 1 mm de distancia del
sitio de origen, el cambio de voltaje será menor que el 37% del cambio
inicial.
El factor más importante que afecta a la resistencia de la membrana
es el grado de mielinización. La mielina aísla el axón aumentando su
resistencia. El factor más importante que afecta a la resistencia axial es
el diámetro. Los axones con un diámetro mayor tienen una menor resistencia al flujo de corriente longitudinal y, por tanto, una menor resistencia axial.
Cambios de voltaje con relación al cambio inicial
Cuando el potencial eléctrico cambia en un sitio específico de la membrana plasmática, la corriente fluye desde este sitio por conducción
electrotónica, o flujo de corriente pasivo. La conducción electrotónica
desempeña una función crítica en la señalización eléctrica. Cuando la
corriente fluye pasivamente desde el sitio donde se ha originado, se
disipa por filtración a través de la membrana plasmática. Si suponemos
una estructura cilíndrica, lo anterior puede describirse de manera matemática utilizando la siguiente ecuación:
100%
37%
–
0
Distancia del cambio inicial en el potencial de membrana
analogía con una autopista de seis carriles que permite que el
tráfico pesado se desplace a mayor velocidad que una autopista
de dos carriles (existe más espacio para que los vehículos, o los
iones, «maniobren»). Por tanto, los potenciales de acción se propagan con mayor velocidad del cono axónico al axón terminal en
axones de diámetros grandes (v. «Caja de herramientas: Constante de longitud para la conducción electrotónica»).
Cuando una región concreta de un axón se despolariza durante un potencial de acción, las corrientes resultantes se desplazan
en sentido anterógrado y retrógrado por las regiones adyacentes
de la membrana. Lo que evita que un potencial de acción se desplace en sentido retrógrado es que la parte de la membrana más
cercana al cono axónico acaba de experimentar un potencial de
acción propio; por tanto, está en un estado refractario absoluto.
El período refractario evita que los potenciales de acción viajen
en sentido retrógrado, garantizando que los potenciales de acción
se propaguen de manera unidireccional (fig. 7.20c y d).
Propagación de los potenciales de acción
en axones mielinizados
En axones que están rodeados por mielina, los potenciales de
acción se propagan gracias a un tipo especializado de conducción
C A P Í T U LO 7
Líquido extracelular
Cono axónico
Vaina de
mielina
Axón mielinizado
Nódulo
de Ranvier
+
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+
– – –
+ + +
+ + +
– + + + – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –
Líquido intracelular
– + + + – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –
– – –
+ + +
+ + +
+
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+
Líquido extracelular
Dirección de la propagación del potencial de acción
+
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+
+ + +
– – –
+ + +
– – – – – – – – – – – + + + – – – – – – – – – – –
– – – – – – – – – – – + + + – – – – – – – – – – –
+ + +
+ + +
– – –
+
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+
FIGURA 7.21 Conducción saltatoria en axones mielinizados. Un
potencial de acción en un axón mielinizado produce gradientes eléctricos en
los líquidos intracelular y extracelular similares a los observados en los axones
no mielinizados (v. fig. 7.20). Sin embargo, como fluye muy poca corriente a
través de la membrana cuando la mielina la aísla, la corriente debe fluir todo el
camino hasta el siguiente nódulo de Ranvier, donde despolariza esta área de la
membrana hasta el umbral e inicia un potencial de acción.
electrotónica denominado conducción saltatoria (fig. 7.21). La
mielina proporciona una gran resistencia al movimiento de iones
a través de la membrana plasmática, pero la resistencia longitudinal es baja. Como se ha observado previamente, los nódulos de
Ranvier son huecos de la mielina en los que a la membrana del
axón le falta aislamiento, está expuesta al líquido intersticial y tiene la mayor concentración de canales de umbral de voltaje de
sodio y de potasio. En las fibras mielinizadas, los potenciales
de acción se producen en los nódulos de Ranvier. El concepto es
Células nerviosas y señales eléctricas
191
similar al descrito para la conducción electrotónica, salvo en el
hecho de que los potenciales de acción no pueden producirse
donde hay mielina. Por tanto, la separación de cargas en el líquido
intracelular hace que fluya la corriente de un nódulo de Ranvier al
siguiente. Estas corrientes se mueven rápidamente bajo la vaina
de mielina, pero reducen su amplitud, debido a que parte de la
corriente se filtra a través de la membrana del axón. Sin embargo, como la distancia entre los nódulos de Ranvier es corta, la
corriente sigue teniendo la fuerza necesaria para despolarizar
la membrana en el nódulo de Ranvier hasta el umbral y para generar un potencial de acción. De este modo, se generan potenciales
de acción en cada nódulo a lo largo del axón hasta que se genere
un potencial de acción en el axón terminal. El salto de los potenciales de acción de nódulo a nódulo es el motivo de que a este tipo
de conducción se le haya denominado conducción saltatoria.
En la sección anterior vimos que la velocidad de conducción
es mayor en los axones cuyo diámetro es más grande. Como los
potenciales de acción pueden desplazarse a grandes saltos en
los axones mielinizados, la velocidad de conducción en estos
axones es mayor que la de los axones no mielinizados. Podemos
verlo de esta manera: los trenes rápidos que hacen pocas paradas (como los potenciales de acción en los axones mielinizados)
tardan menos tiempo en llegar a su destino que los trenes locales
que hacen muchas paradas (como los potenciales de acción en
los axones no mielinizados). Por tanto, los axones cuya velocidad de conducción es más rápida tienen grandes diámetros y
además están mielinizados (tabla 7.4). Estos axones se suelen
encontrar en las vías que precisan una acción rápida; por este
motivo, los axones que controlan las contracciones del músculo
esquelético están mielinizados y tienen un mayor diámetro, por
lo que su velocidad de conducción es la más rápida. Para ver lo
que ocurre cuando se bloquea la conducción de un potencial de
acción, véase «Conexiones clínicas: Anestesia local».
Comprueba tus conocimientos
La esclerosis múltiple es una enfermedad autoinmune en la que el
sistema inmunológico ataca a la mielina del sistema nervioso central.
¿Qué efecto tendrá la esclerosis múltiple en la conducción de los
potenciales de acción del sistema nervioso?
Neuropatía periférica
La neuropatía periférica es una enfermedad del sistema nervioso
periférico y puede afectar a las ramas eferentes o aferentes autónomas o somáticas. Sus síntomas varían dependiendo del sitio
donde se localice la enfermedad, pero entre los síntomas más
comunes se encuentran entumecimiento, cosquilleo o dolor en
TABLA 7.4 Velocidades de conducción en axones de varios tipos de fibras nerviosas
Diámetro
de la fibra (Mm)
Velocidad
de conducción (m/s)
Estimulación de la contracción del músculo esquelético
12-20
70-120
Sí
Tacto, sensación de presión
5-12
30-70
Sí
Estimulación de las fibras contráctiles del huso muscular
3-6
15-30
A delta
Sí, pero poca
Dolor, sensación térmica
2-5
12-30
B
Sí
Neuronas aferentes viscerales, autónomas preganglionares
1-3
3-15
C
No
Dolor, sensación térmica, neuronas autónomas preganglionares
0,3-1,3
0,7-2,3
Tipo de fibra
¿Hay mielina?
Ejemplo de funcionamiento
A alfa
Sí
A beta
A gamma
192
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
CONEXIONES CLÍNICAS
Anestesia local
Antes de taladrar el diente de un paciente, un
dentista suele inyectar anestesia local, como
el hidrocloruro clorhidrato de procaína o la
lidocaína. La inyección se administra en la
boca, cerca de donde se encuentran los nervios que inervan a ese diente concreto. Cuando la anestesia alcanza las neuronas, ciertas
regiones de la cara, la boca y la lengua pierden la sensibilidad o se entumecen. Este efecto de entumecimiento se debe a la capacidad
que tiene la anestesia para bloquear la producción de los potenciales de acción en las
neuronas.
El clorhidrato de procaína y otros anestésicos locales funcionan bloqueando los canales
de umbral de voltaje de sodio de las neuronas.
Si estos canales no pueden abrirse, no se
podrán producir potenciales de acción en la
neurona. Los potenciales de acción son necesarios en las neuronas sensoriales para que
estas puedan comunicar al sistema nervioso
central que ha tenido lugar un estímulo. Al
bloquear los potenciales de acción, el cerebro
(y el paciente) no se dan cuenta de la presencia de estímulos dolorosos en la boca.
Los procedimientos más complicados,
tales como los canales de raíz, pueden necesitar de la administración de analgésicos después de que se haya terminado el procedimiento. Los analgésicos se diferencian en el
hecho de que solo bloquean los estímulos
dolorosos, mientras que la anestesia bloquea
todos los estímulos. Los analgésicos son más
específicos porque afectan a la comunicación
sináptica de las neuronas, un tema que trataremos en el capítulo 8.
las manos o los pies. En la neuropatía autónoma, los síntomas se
asocian con los órganos internos e incluyen mareos, diarrea,
indigestión e impotencia. A medida que progresa la enfermedad,
los síntomas aumentan.
Según la Neuropathy Association, 20 millones de norteamericanos sufren esta enfermedad. Aunque hay muchas causas diversas, el 30% de neuropatías se dan en relación con la diabetes. No
se conoce con exactitud cómo la diabetes causa neuropatía, pero
hay correlaciones entre la regulación de los niveles de glucosa en
sangre y el desarrollo de la neuropatía. Por tanto, una persona con
diabetes que regule mejor sus niveles de glucosa en sangre tiene
una probabilidad menor de desarrollar neuropatía. Los altos
niveles de glucosa en sangre tienen efectos directos sobre la capacidad de las neuronas de generar señales eléctricas, pero también
pueden afectar a los vasos sanguíneos que riegan las neuronas,
causando indirectamente daños a los nervios. Estudios recientes
sugieren que del 30 al 40% de las personas que tienen diabetes
desarrollan alguna forma de neuropatía. Los estudios también
sugieren que otro 30% de las personas con diabetes sufren una
neuropatía asintomática que no ha sido diagnosticada.
Mantenimiento de la estabilidad
neural
Al comienzo de este capítulo vimos la importancia de los gradientes de concentración de iones y de los potenciales de equilibrio para el establecimiento del potencial de membrana en
reposo; las secciones posteriores han tratado la función del desplazamiento de los iones hacia el interior o el exterior de la neurona para producir el potencial de reposo, los potenciales graduados y los potenciales de acción. Pero todo esto plantea
preguntas: si los iones se desplazan a través de la membrana
celular, ¿no se debería disipar el gradiente y no deberían cambiar los potenciales de equilibrio? Si los gradientes se disipan,
¿qué le pasa al potencial de membrana en reposo?
La clave para contestar estas preguntas radica en las bombas
de Na+/K+ de la membrana de la neurona. Al principio de este
capítulo tratamos la bomba de Na+/K+ en el contexto de su
importancia en el desarrollo de los gradientes de concentración
y en su mantenimiento cuando la célula está en reposo, cuando
los iones de sodio y de potasio se están desplazando hacia el
interior y el exterior de la célula a través de los canales de goteo.
Para compensar el desplazamiento de los iones de sodio y de
potasio en una célula activa (una célula que propaga potenciales
de acción), la bomba de Na+/K+ transporta aún más iones de
sodio y de potasio para compensar el mayor desplazamiento
de estos iones a través de los canales de umbral de voltaje abiertos. Aunque un potencial de acción es un cambio de relativa
importancia en el potencial de membrana, hemos visto que,
comparado con la cantidad total de iones presentes en los líquidos intracelular y extracelular, muy pocos iones necesitan cruzar
la membrana para producir este cambio. De hecho, incluso
sin la bomba de Na+/K+, no ocurriría ningún cambio medible en
el potencial de membrana en reposo hasta que una neurona
hubiera producido más de 1.000 potenciales de acción. Por tanto, la acción de la bomba de Na+/K+ es suficiente para evitar cam-
C A P Í T U LO 7
bios en los gradientes de concentración de sodio y el potasio en
una célula que funciona a niveles de actividad normales.
Test rápido 7.6
1. ¿Qué quiere decir «todo o nada» en relación con los potenciales
de acción?
2. ¿En qué tipos de axón tiene lugar la conducción saltatoria?
3. Explica los efectos del diámetro de la fibra y la mielinización sobre la velocidad de conducción de los potenciales de acción.
Células nerviosas y señales eléctricas
193
Integración de sistemas
En este capítulo, hemos aprendido cómo el sistema nervioso
genera y transmite señales eléctricas. Estas señales eléctricas
son importantes para la comunicación entre todos los sistemas
de órganos y desempeñan una función muy importante en el
mantenimiento de la homeostasis. En capítulos posteriores del
libro, aprenderemos más sobre los potenciales de acción que
tienen lugar en los músculos (v. capítulo 12), incluyendo el
músculo cardíaco (v. capítulo 13).
RESUMEN DEL CAPÍTULO
Generalidades del sistema nervioso,
pág. 167
El sistema nervioso puede dividirse en el sistema nervioso central y el sistema nervioso
periférico. El sistema nervioso central está
formado por el cerebro y la médula espinal.
El sistema nervioso periférico incluye las
divisiones aferente y eferente. La división
aferente está formada por neuronas que
transmiten información desde la periferia al
sistema nervioso central, mientras que la
división eferente está formada por neuronas
que transmiten información desde el sistema nervioso central a la periferia. La división eferente está dividida, a su vez, en dos
ramas principales: 1) el sistema nervioso
somático, que comunica con el músculo
esquelético, y 2) el sistema nervioso autónomo, que comunica con el músculo liso, el
músculo cardíaco, las glándulas y el tejido
adiposo. El sistema nervioso autónomo está
dividido en los sistemas nerviosos simpático
y parasimpático.
Células del sistema nervioso, pág. 167
El sistema nervioso contiene neuronas, que
son células especializadas en la transmisión
de impulsos eléctricos, y neuroglia, que proporciona un apoyo metabólico y estructural
a las neuronas. Una neurona está compuesta
por las siguientes partes: cuerpo celular,
dendritas y axón. Las dendritas, y en menor
medida el cuerpo celular, reciben información de otras neuronas en las sinapsis. El
axón incluye un cono axónico, que es donde
se inician los impulsos eléctricos (potenciales de acción), y un axón terminal. El axón
terminal transmite información mediante
neurotransmisores a otras neuronas en las
sinapsis.
Funcionalmente, las neuronas se clasifican en tres clases: las neuronas eferentes
transmiten información desde el sistema
nervioso central a los órganos efectores, las
neuronas aferentes transmiten información
desde los órganos sensoriales o viscerales al
sistema nervioso central, y las interneuronas
se comunican dentro del sistema nervioso
central.
En la formación de la mielina alrededor
de los axones intervienen dos tipos de neuroglia: los oligodendrocitos, en el sistema
nervioso central, y las células de Schwann,
en el sistema nervioso periférico. La mielina
mejora la propagación de los impulsos eléctricos, al proporcionar aislamiento al axón.
Nervous I, Anatomy Review, págs. 4–6
Nervous I, Ion Channels, págs. 3–11
Establecimiento del potencial
de membrana en reposo, pág. 173
En reposo, las células tienen un potencial de
membrana que causa que el interior de la
célula sea negativo en relación con el exterior. Este potencial de membrana existe
debido a las fuerzas electroquímicas que
hacen que los iones potasio salgan de la
célula y los iones sodio se desplacen hacia el
interior de la célula, y debido al hecho de que
la membrana celular es más permeable a los
iones de potasio en reposo. Por tanto, el
potencial de membrana en reposo se acerca
al potencial de equilibrio del potasio. El
potencial de membrana se mantiene gracias
a la bomba de Na+/K+.
Nervous I, The Membrane Potential,
págs. 1–3
Nervous II, Synaptic Potentials and Cellular
Integration, págs. 1–10
Señales eléctricas mediante cambios
en el potencial de membrana,
pág. 179
Se pueden producir cambios en el potencial
de membrana cambiando la permeabilidad de la membrana plasmática a los iones.
Los potenciales graduados son pequeños
cambios en el potencial de membrana en
respuesta a un estímulo que abre o cierra los
canales iónicos. Si los potenciales graduados
dan como resultado una despolarización de
la neurona hasta el umbral, se produce un
potencial de acción. Un solo potencial graduado no suele tener la magnitud suficiente
como para despolarizar una neurona hasta
el umbral, pero los potenciales graduados
pueden sumarse temporalmente y/o espacialmente.
Los potenciales de acción son despolarizaciones rápidas de la membrana plasmática que se propagan a lo largo de los axones
desde la zona en que se desencadenan hasta
el axón terminal. La causa que explica la
rápida fase de despolarización de un potencial de acción es la apertura de los canales de
sodio y el desplazamiento de los iones
de sodio hacia el interior de la célula. La
fase de repolarización está motivada por el
cierre de los canales de sodio y la apertura de
los canales de potasio, seguida del desplazamiento de los iones de potasio hacia el exterior de la célula. La posthiperpolarización
tiene lugar porque los canales de potasio se
cierran lentamente, permitiendo un movimiento continuo de salida del potasio de la
célula durante un breve espacio de tiempo.
Los potenciales de acción son fenómenos del tipo «todo o nada», lo que significa
que su tamaño no varía con la fuerza del estímulo que los provoca. La fuerza de un
estímulo está codificada por la frecuencia de
los potenciales de acción; estímulos más
fuertes producen más potenciales de acción
por unidad de tiempo. Los períodos refractarios garantizan el flujo unidireccional de
los potenciales de acción y limitan su frecuencia.
Nervous I, The Action Potential, págs. 4–17
Mantenimiento de la estabilidad neural,
pág. 192
La bomba de Na+/K+ es crucial para el funcionamiento normal de las neuronas, porque establece los gradientes de concentración de los iones de sodio y de potasio,
generando, con ello, los gradientes químicos
que establecen el potencial de membrana en
reposo. La bomba también impide que se
disipen los gradientes de concentración,
devolviendo los iones de sodio y de potasio que hayan cruzado la membrana (bien a
través de los canales de goteo en reposo o
a través de los canales dependientes durante
la actividad) a su lado original.
194
C A P Í T U LO 7
Células nerviosas y señales eléctricas
EJERCICIOS
Preguntas de opción múltiple
1. La despolarización de una neurona hasta
el umbral estimula
a) la apertura de los canales de sodio.
b) el cierre tardío de los canales de sodio.
c) la apertura tardía de los canales de
potasio.
d) a y c son correctas
e) todas las respuestas son correctas
2. Los neurotransmisores se suelen liberar
de
a) el cuerpo celular.
b) las dendritas.
c) los axones terminales.
d) el cono axónico.
3. Si un catión se distribuye uniformemente a través de la membrana celular (esto
es, si su concentración en el interior de la
célula es igual a su concentración fuera
de ella), entonces ¿cuál de las afirmaciones siguientes es falsa?
a) A –70 mV, la fuerza química sobre el
ion es cero.
b) A –70 mV, la fuerza eléctrica sobre el
ion actúa para desplazarlo hacia el
interior de la célula.
c) A +30 mV, la fuerza química sobre el
ion es cero.
d) El potencial de equilibrio para el ion
es cero.
e) A –70 mV, la fuerza electroquímica
sobre el ion actúa para desplazarlo
hacia el exterior de la célula.
4. La fase de despolarización de un potencial de acción está causada por
a) la apertura de los canales de potasio.
b) el cierre de los canales de potasio.
c) la apertura de los canales de sodio.
d) el cierre de los canales de sodio.
5. Durante el período refractario relativo,
un segundo potencial de acción
a) no puede ser provocado.
b) puede ser provocado mediante un
estímulo en el umbral.
c) puede ser provocado mediante un
estímulo subumbral.
d) puede ser provocado mediante un
estímulo supraumbral.
6. Los nervios se encuentran
a) en el sistema nervioso central.
b) en el sistema nervioso periférico.
c) todas las respuestas son correctas
d) ninguna de las respuestas es correcta
7. Si el potencial de membrana de una neurona se vuelve más negativo de lo que era
en reposo, entonces la neurona está
————. En este estado, la neurona es
———— excitable.
a) despolarizada/más
b) hiperpolarizada/más
c) despolarizada/menos
d) hiperpolarizada/menos
8. La ouabaína es un veneno que bloquea
la bomba de Na+/K+. Si se bloquea esta
bomba, entonces la concentración de
potasio dentro de la célula
a) aumentaría.
b) disminuiría.
c) no cambiaría.
9. Si la concentración de potasio en el líquido extracelular del cerebro aumentara, la
actividad cerebral
a) aumentaría.
b) disminuiría.
c) no cambiaría.
10. ¿Cuál de las siguientes neuronas es parte
del sistema nervioso periférico?
a) una motoneurona que inerva al
músculo esquelético
b) una neurona parasimpática
c) una neurona simpática
d) todas las anteriores
11. ¿Cuál de los siguientes axones muestra la
mayor velocidad de conducción?
a) un axón no mielinizado con un
diámetro de 5 Mm
b) un axón mielinizado con un
diámetro de 5 Mm
c) un axón no mielinizado con un
diámetro de 20 Mm
d) un axón mielinizado con un
diámetro de 20 Mm
b) Algunos potenciales graduados
son hiperpolarizaciones; otros son
despolarizaciones.
c) Los potenciales graduados se
producen en canales iónicos
regulados por ligandos.
d) Los potenciales graduados pueden
sumarse en el espacio y en el tiempo.
e) Los potenciales graduados ven
limitada su duración por el período
refractario.
Preguntas objetivas
1. ¿Cuáles son las subdivisiones del sistema
nervioso periférico?
2. La información de la periferia se transmite al sistema nervioso central mediante
vías (aferentes/eferentes).
3. ¿Qué tipo de célula es más abundante en
el sistema nervioso, la neuroglia o las
neuronas?
4. ¿En qué región/regiones de una neurona
se sitúan los canales de umbral de voltaje
de calcio?
5. (Las células de Schwann/los oligodendrocitos) forman mielina en el sistema
nervioso periférico y (las células de
Schwann/los oligodendrocitos) forman
mielina en el sistema nervioso central.
12. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones describe mejor el estado de los canales de
sodio en el potencial de membrana en
reposo?
a) Los umbrales de activación están
abiertos y los umbrales de
inactivación están cerrados.
b) Los umbrales de activación están
cerrados y los de inactivación están
abiertos.
c) Los umbrales de activación y de
inactivación están cerrados.
d) Los umbrales de activación y de
inactivación están abiertos.
6. La mielina (aumenta/disminuye) la velocidad de conducción en los axones.
13. ¿Cuál de los siguientes no es parte de la
división eferente del sistema nervioso?
a) el sistema nervioso parasimpático
b) el sistema nervioso simpático
c) las motoneuronas
d) los receptores sensoriales
10. La fuerza electroquímica para los iones de
potasio cuando el potencial de membrana
está en el pico de un potencial de acción es
(mayor/menor) que la fuerza electroquímica para los iones de potasio cuando el
potencial de membrana está en reposo.
14. De los iones siguientes, ¿cuál/es está/
están situados en mayor concentración
dentro de la célula?
a) solo el sodio
b) solo el potasio
c) solo el cloruro
d) el sodio y el potasio
e) el potasio y el cloruro
11. Tanto los canales de sodio como los de
potasio tienen umbrales de inactivación
que se cierran brevemente después
de que se abran los umbrales de activación. (verdadero/falso)
15. ¿Cuál de las afirmaciones siguientes sobre
los potenciales graduados es falsa?
a) La magnitud de un potencial graduado
varía según la fuerza del estímulo.
7. Si un anión se encuentra en mayor concentración en el exterior de la célula que
en el interior de ella, ¿el potencial de
equilibrio de ese anión sería positivo,
negativo o neutro?
8. ¿Qué ion está más cerca del equilibrio en
el potencial de membrana en reposo de
–70 mV, el sodio o el potasio?
9. En el sistema nervioso periférico, los
cuerpos celulares de las neuronas aferentes están situados en ————.
12. Cuando los umbrales de inactivación del
sodio están cerrados, es imposible que se
genere un segundo potencial de acción.
(verdadero/falso)
13. En los axones mielinizados, los potenciales de acción se propagan por conducción ————.
C A P Í T U LO 7
14. La bomba de Na+/K+ causa la fase de
repolarización de un potencial de acción.
(verdadero/falso)
15. Cuando una neurona está en el pico de
un potencial de acción (+30 mV), la dirección de la fuerza eléctrica para los iones
de potasio es para que (entren/salgan) de
la célula.
Preguntas abiertas
Pensamiento crítico
1. Predice cuál será el potencial de membrana de una célula que tenga la misma
permeabilidad a los iones de sodio que a
los iones de potasio. Supón que las concentraciones de los iones de sodio y de
potasio dentro y fuera de la célula se
corresponden con las recogidas en la
tabla 4.1.
3. Elabora una lista consignando algunas
similitudes y diferencias entre los potenciales graduados y los potenciales de
acción.
2. Las células musculares, como las neuronas, son células excitables porque pueden producir potenciales de acción. El
potencial de membrana en reposo en
los músculos es de, aproximadamente,
–90 mV. Suponiendo que solamente los
iones de sodio y de potasio establezcan
el potencial de membrana, explica cómo
las células musculares pueden tener
un potencial más polarizado que las
neuronas.
4. Explica la base iónica de un potencial de
acción.
3. Muchos tipos de anestésicos locales
(medicamentos que bloquean la entrada
1. Dibuja una neurona típica e indica las
estructuras principales. Después, escribe
las funciones de cada estructura.
2. Compara las fuerzas química y eléctrica
que actúan sobre los iones de sodio y de
potasio cuando una célula está en reposo.
Células nerviosas y señales eléctricas
195
de estímulos sensoriales) funcionan bloqueando los canales de sodio. Explica
cómo se pierde la entrada de estímulos
sensoriales mediante este tipo de
acción.
4. Las motoneuronas se originan en el sistema nervioso central y terminan con una
sinapsis en las células del músculo esquelético, situadas en la periferia. Por tanto,
parte del axón se localiza en el sistema
nervioso central, pero su mayor parte
está en el sistema nervioso periférico. El
axón esta mielinizado. ¿Qué tipo de neuroglia formaría la mielina?
5. Predice qué le pasaría al potencial de
membrana en reposo y a la capacidad de
una neurona de provocar potenciales
de acción si la concentración de potasio
en el líquido extracelular descendiera
hasta el 50% de su valor normal. ¿Qué
pasaría si la concentración de sodio en el
líquido extracelular descendiera hasta
el 50% de su valor normal?
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple»
y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com)
para obtener herramientas adicionales de estudio.
8
Transmisión sináptica
e integración neural
Juan es el delantero del equipo de fútbol de la universidad. Durante un partido, le pasan el balón y recibe una patada del defensa. El impacto le rompe la pierna,
una lesión grave que hace que el futbolista sienta un dolor muy agudo. Le sacan del
campo y le llevan al hospital, donde un médico le da morfina.
En cuestión de minutos, su dolor comienza a desaparecer.
¿Por qué la morfina, un producto que procede de la amapola del opio, alivia el dolor de Juan? La respuesta está relacionada con la forma en que las neuronas se comunican
mediante los neurotransmisores. La morfina alivia el dolor
porque se puede unir a ciertas neuronas del sistema nervioso
central en unos receptores en los que, de manera natural, hay
moléculas mensajeras parecidas a la morfina llamadas encefalinas y endorfinas. Como resultado de esta unión, la morfina suprime la transmisión de las señales de dolor.
En este capítulo tratamos cómo las encefalinas y otros
neurotransmisores se comunican mediante sinapsis, uniéndose a receptores en la neurona postsináptica. Cualquier
lugar del organismo en el que un mensajero químico actúe
uniéndose a un receptor proporciona un objetivo potencial
para un fármaco, como Juan descubrió con la morfina.
CONTENIDOS
Microfotografía electrónica en color de una sinapsis.
Sinapsis eléctricas 197
Sinapsis químicas 197
Integración neural
203
Modulación presináptica
205
Neurotransmisores: estructura, síntesis y degradación
207
C A P Í T U LO 8
OBJETIVOS

Describir la comunicación entre sinapsis químicas. Explicar cómo
se liberan los neurotransmisores y describir sus acciones después
de la liberación.

Comparar las respuestas rápidas y lentas en las sinapsis.

Describir el proceso de integración neural y la función del cono
axónico en este proceso.

Describir las clases principales de neurotransmisores, incluyendo
su estructura química, su síntesis, su degradación y los
mecanismos de transducción de señal.
Antes de empezar…
Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
1. Uniones comunicantes, pág. 39
2. Exocitosis, pág. 118
3. Potencial de membrana, pág. 97
4. Potenciales graduados, pág. 180
5. Proteínas G, pág. 140
6. Síntesis de catecolaminas, pág. 131
7. Síntesis de proteínas, pág. 41
E
n el capítulo 7 estudiamos que las neuronas generan señales eléctricas en forma de potenciales graduados y potenciales de acción que transmiten mensajes de un área del
cerebro a otra. En este capítulo aprenderemos cómo esas señales eléctricas hacen que se establezca la comunicación entre las
neuronas en las sinapsis.
Hay dos tipos de sinapsis en el sistema nervioso: las sinapsis
eléctricas y las sinapsis químicas. Las sinapsis eléctricas funcionan permitiendo la transmisión de señales eléctricas de una
neurona a otra mediante las uniones comunicantes, descritas
en el capítulo 2. Las sinapsis químicas funcionan mediante la
liberación de neurotransmisores que activan mecanismos de
transducción de señales, descritos en el capítulo 5, en la célula
diana.
Sinapsis eléctricas
Las sinapsis eléctricas se establecen entre neuronas, y entre
neuronas y neuroglia. En estas sinapsis, las membranas plasmáticas de las células adyacentes están unidas entre sí por
uniones comunicantes, de tal modo que cuando se genera una
señal eléctrica en una célula, se transfiere directamente a la
célula adyacente mediante flujos de iones que pasan a través
de las uniones comunicantes. También las moléculas de
los segundos mensajeros pueden moverse a través de estas
uniones.
Se sabe de la existencia de sinapsis eléctricas en el sistema
nervioso central desde hace décadas, pero el funcionamiento de
estas sinapsis no está más que empezando a conocerse. Estudios
previos demostraron la importancia de las sinapsis eléctricas en
el desarrollo del sistema nervioso, un tema que excede el ámbito
de este libro. Estudios más recientes indican que estas uniones
transmiten señales en el cerebro adulto.
Transmisión sináptica e integración neural
197
Las sinapsis eléctricas permiten una comunicación rápida
entre neuronas adyacentes que sincroniza la actividad eléctrica
de esas células. A menudo, la comunicación es bidireccional,
aunque algunas uniones comunicantes permiten el flujo de
corriente en una sola dirección. La comunicación puede ser
excitatoria o inhibidora en la misma sinapsis, ya que, a través de
esas uniones, se puede extender tanto una corriente despolarizante como una corriente hiperpolarizante. Algunas sinapsis
eléctricas siempre están activas, mientras que otras parecen
tener mecanismos de apertura y cierre que permiten el flujo de
corriente solo en ciertas circunstancias.
Las sinapsis eléctricas se han identificado en la retina de los
ojos y en ciertas áreas de la corteza, donde se cree que intervienen en la transmisión de señales. Las sinapsis eléctricas también
se encuentran en áreas del tronco encefálico que regulan la respiración, un proceso rítmico. Se cree que las uniones comunicantes sincronizan las neuronas responsables de la inspiración.
Las neuronas hipotalámicas que liberan las hormonas trópicas
están conectadas con otras neuronas hipotalámicas que liberan
las mismas hormonas trópicas mediante uniones comunicantes, sincronizando así su actividad y dando como resultado
explosiones de liberación de hormona trópica. Sin embargo,
sigue habiendo mucho desconocimiento acerca del funcionamiento de las sinapsis eléctricas.
La gran mayoría de las sinapsis del sistema nervioso son
sinapsis químicas, cuyo funcionamiento se conoce mucho
mejor. Vamos a ver ahora las sinapsis químicas, que será el tema
que ocupará el resto del capítulo.
Sinapsis químicas
Casi todas las neuronas transmiten mensajes a otras células en
las sinapsis químicas. En una sinapsis química, una neurona
secreta un neurotransmisor al líquido extracelular en respuesta
a un potencial de acción que llega al terminal de su axón. Entonces, el neurotransmisor se une a los receptores de la membrana
plasmática de una segunda célula, desencadenando en ella una
señal eléctrica que puede iniciar un potencial de acción o no,
dependiendo de una serie de circunstancias.
Una neurona puede formar sinapsis con otras neuronas,
situación de la que se ocupa este capítulo, o con células efectoras, como las células musculares o glandulares. Los músculos y
las glándulas suelen denominarse órganos efectores, y la sinapsis
entre una neurona y una célula efectora recibe el nombre de
unión neuroefectora. Las uniones neuroefectoras, que se tratarán en mayor profundidad en los capítulos 11 y 12, funcionan
según los mismos principios básicos de los que hemos hablado
aquí para las sinapsis neurona-neurona. En unos cuantos casos,
las células no neuronales pueden formar sinapsis con neuronas,
como ocurre, por ejemplo, con las células receptoras del gusto
en las papilas gustativas de la lengua (v. capítulo 10).
Anatomía funcional de las sinapsis químicas
La figura 8.1 muestra las posibles disposiciones de las sinapsis
típicas neurona-neurona, las uniones estrechas entre el axón
terminal de una neurona y la membrana plasmática de otra neurona. La primera neurona, que transmite señales a la segunda, se
denomina neurona presináptica; la segunda neurona, que recibe las señales de la primera, recibe el nombre de neurona postsináptica. El estrecho espacio entre las neuronas presináptica y
198
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
Neuronas
presinápticas
Sinapsis
axodendrítica
Neurona
postsináptica
Sinapsis
axosomática
Neurona
presináptica
Sinapsis
axoaxónica
FIGURA 8.1 Sinapsis químicas neurona-neurona. Las sinapsis pueden
tener lugar en las dendritas (sinapsis axodendrítica), en el cuerpo celular
(sinapsis axosomática) o con otro axón (sinapsis axoaxónica).
postsináptica se denomina hendidura sináptica, y suele medir
solo de 30 a 50 nm de ancho (1 nm = 10–9 m). Las señales a través
de una sinapsis son unidireccionales: la neurona presináptica se
comunica con la neurona postsináptica.
Lo más habitual es que el axón terminal de la neurona presináptica forme una sinapsis con una dendrita o con el cuerpo
celular de la neurona postsináptica, en cuyo caso las sinapsis
reciben el nombre de sinapsis axodendríticas o axosomáticas,
respectivamente. En algunos casos, el axón terminal de la neurona presináptica forma una sinapsis con el axón terminal de la
neurona postsináptica, en cuyo caso la sinapsis se denomina
sinapsis axoaxónica. Las sinapsis axoaxónicas tienen una función especial en la modulación de la comunicación en las sinapsis axodendríticas y axosomáticas; se describirán más tarde en
este capítulo. También se han identificado las sinapsis dendrodendríticas, pero su función sobrepasa el ámbito de este texto.
Las siguientes descripciones son más características de las
sinapsis axodendríticas y axosomáticas.
La figura 8.2 muestra un primer plano de una sinapsis y el
mecanismo de transmisión de una señal que tiene lugar en ella.
En todos los casos, el axón terminal de la neurona presináptica libera neurotransmisores en la hendidura sináptica. Una
vez allí, los neurotransmisores difunden rápidamente por la
hendidura y se unen a los receptores de la neurona postsináptica. La unión de los neurotransmisores a los receptores produce una respuesta en la neurona postsináptica mediante
mecanismos de transducción de señal, como los descritos en el
capítulo 5.
Observa que el axón terminal de la neurona presináptica
contiene numerosos compartimentos rodeados de membrana,
denominados vesículas sinápticas, que almacenan moléculas
neurotransmisoras. La mayoría de los neurotransmisores se sintetizan en el citosol del axón terminal, donde están situadas las
enzimas para su síntesis. Después de la síntesis, los neurotransmisores son transportados activamente hacia vesículas sinápticas, donde se almacenan hasta que sean finalmente liberados
por exocitosis.
El calcio del citosol desencadena la liberación de neurotransmisor por exocitosis. Recuerda del capítulo 7 que la membrana
de una neurona contiene canales iónicos de varios tipos que
dependen de su ubicación en la neurona. Los canales más abundantes en la membrana del axón terminal son los canales
de umbral de voltaje de calcio. Estos canales de calcio se
abren cuando el axón terminal está despolarizado, lo que ocurre a la llegada de un potencial de acción en el axón terminal
(v. ➀ en fig. 8.2b). Cuando los canales de calcio se abren ➁, permiten que el calcio fluya a favor de su gradiente electroquímico
hacia el axón terminal, aumentando la concentración de calcio
en el citosol del axón terminal. Entonces, el calcio hace que las
membranas de las vesículas sinápticas se fusionen con los sitios
de unión de las vesículas situados sobre la superficie interior de
la membrana del axón terminal y pasen por el proceso de exocitosis, liberando, así, neurotransmisores en la hendidura sináptica ➂.
La cantidad de neurotransmisor liberado depende de la concentración de calcio en el citosol del axón terminal, lo que
depende de la frecuencia de los potenciales de acción en la neurona presináptica. Después de un solo potencial de acción, se
detiene la liberación de neurotransmisor en unos pocos milisegundos, porque los canales de umbral de voltaje de calcio se cierran al poco de haberse abierto y porque los iones de calcio son
continua y activamente transportados hacia el exterior del axón
terminal, lo que reduce, de nuevo, la concentración de calcio en
el citosol a su nivel de reposo. Sin embargo, si llega un segundo
potencial de acción antes de que se haya eliminado el neurotransmisor de la hendidura sináptica, aumentarán los niveles de
calcio en el citosol. Estos aumentos hacen que se libere más neurotransmisor de la hendidura presináptica, aumentando, con
ello, la cantidad de neurotransmisor en ella. Cuando llega una
serie de potenciales de acción al terminal de un axón en un breve espacio de tiempo, aumentan más aún los niveles de calcio en
el citosol, liberando así más neurotransmisor todavía. Por tanto,
la concentración de neurotransmisor en la hendidura sináptica
aumenta a medida que lo hace la frecuencia de los potenciales
de acción.
Una vez en la hendidura sináptica, las moléculas neurotransmisoras se alejan del axón terminal y hacia la neurona postsináptica, donde se unen a los receptores (v. ➃ en fig. 8.2b),
induciendo con ello una respuesta en la neurona postsináptica ➄. La unión de una molécula neurotransmisora a un receptor
es un proceso breve y reversible (v. «Caja de herramientas: Interacciones ligando-proteína», capítulo 3). Si las moléculas neurotransmisoras se tuvieran que quedar indefinidamente en la
hendidura sináptica después de su liberación, se unirían a receptores una y otra vez, induciendo una respuesta continua en la
neurona postsináptica.
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
199
Neurona
presináptica
Axón
terminal
Potencial
de acción
1
Vesículas
sinápticas
Canal de umbral
de voltaje de Ca2+
Neurotransmisor
7
3
Molécula
recaptada
Hendidura
sináptica
2
Ca2+
8
4
6
Membrana
plasmática
Receptor
Enzima
5
Neurona postsináptica
(a) Neurona presináptica en reposo
Respuesta celular
(b) Neurona presináptica activa
FIGURA 8.2 Anatomía funcional de una sinapsis. (a) Neurona
presináptica en reposo. Los canales de calcio están cerrados y no se libera
ningún neurotransmisor. (b) Neurona presináptica activa. La comunicación
tiene lugar como sigue: ➀ La membrana se despolariza por la llegada de un
potencial de acción. ➁ Los canales de calcio se abren. ➂ El calcio penetra en la
célula y desencadena la liberación de neurotransmisor por exocitosis. ➃ El
neurotransmisor difunde a través de la hendidura sináptica; una parte se une
a los receptores de la membrana celular postsináptica. ➄ Se produce una
respuesta en la célula postsináptica. ➅ Parte del neurotransmisor es degradado
por enzimas. ➆ Parte del neurotransmisor es captado por la célula presináptica.
➇ Parte del neurotransmisor (o productos de su degradación) se aleja de la
hendidura sináptica.
El neurotransmisor no se une continuamente al receptor,
porque varios procesos eliminan rápidamente el neurotransmisor de la hendidura, terminando así la señal. Algunas moléculas
neurotransmisoras son degradadas por las enzimas, que pueden
estar situadas sobre la membrana plasmática de la neurona
postsináptica (v. ➅ en fig. 8.2b), sobre la membrana plasmática
de la neurona presináptica, sobre las membranas plasmáticas de
la neuroglia cercana, en el líquido intersticial de la hendidura sináptica, o incluso en el citoplasma de la neurona presináptica o la neuroglia. Otras moléculas neurotransmisoras
pueden ser transportadas activamente de nuevo hacia la neurona presináptica que las liberó ➆, un proceso conocido como
recaptación. Una vez dentro de la neurona, estas moléculas neurotransmisoras suelen ser degradadas y los productos de desecho suelen ser reciclados para formar nuevas moléculas neurotransmisoras. Incluso otras moléculas neurotransmisoras de la
hendidura sináptica simplemente difunden hacia el exterior de
ella ➇. Mientras las moléculas neurotransmisoras no estén unidas a los receptores, pueden tener cualquiera de los destinos
descritos. Como resultado, el neurotransmisor solo suele estar
presente en la hendidura sináptica durante unos cuantos milisegundos después de su liberación de la neurona presináptica.
El tiempo que transcurre entre que llega un potencial de
acción al terminal de un axón y se da una respuesta en la célula
postsináptica es de, aproximadamente, de 0,5 a 5 ms. Este lapso
de tiempo, denominado demora sináptica, se debe principalmente al tiempo que requiere el calcio para desencadenar la
exocitosis del neurotransmisor. Una vez en la hendidura sináptica, la difusión del neurotransmisor al receptor es tan rápida
que el tiempo es insignificante.
Comprueba tus conocimientos
Varios agentes farmacéuticos trabajan disminuyendo la actividad de
las proteínas o enzimas específicas de captación de neurotransmisores
que los degradan. Describe los efectos de cada uno de esos tipos de
inhibidores sobre la concentración de neurotransmisores de la
hendidura sináptica y, por tanto, sobre la comunicación entre sinapsis
específicas.
Test rápido 8.1
1. ¿Cuáles son las diferencias esenciales entre una sinapsis química y
una sinapsis eléctrica?
2. Haz una lista de los pasos implicados en la transmisión de señales en
una sinapsis química.
3. Después de su liberación, ¿mediante qué tres procesos puede ser
eliminado un neurotransmisor de una hendidura sináptica?
Mecanismos de transducción
de señal en las sinapsis químicas
El neurotransmisor liberado por una neurona presináptica induce respuestas en la célula postsináptica mediante los mecanismos de transducción de señal descritos en el capítulo 5. El neurotransmisor puede inducir una respuesta rápida o lenta en una
neurona postsináptica.
La respuesta rápida (fig. 8.3a) tiene lugar siempre que un neurotransmisor se una a un receptor ligado a un canal, también
denominado receptor ionotrópico. Todos los receptores ligados
a un canal son canales regulados por ligandos (v. capítulo 7). La
200
Transmisión sináptica e integración neural
C A P Í T U LO 8
Líquido
extracelular
Citosol
El neurotransmisor se une
Receptor
ionotrópico/canal
iónico
Movimiento iónico
(a) Respuesta rápida
1 El neurotransmisor
se une al receptor
Canal iónico
Receptor metabótropo
2 Activa la
proteína G
3 Abre o cierra
los canales iónicos
Proteína G
(b) Respuesta lenta, acoplamiento directo
1 El neurotransmisor (primer
mensajero) se une al receptor
Receptor metabótropo
2 Activa la
proteína G
Enzima
3 Activa
o inhibe
la enzima
4 Produce
el segundo
mensajero
Segundo
mensajero
5a Abre o
cierra los
canales
iónicos
5b Produce otras
respuestas celulares
(c) Respuesta lenta, sistema del mensajero secundario
unión del neurotransmisor abre el canal iónico, permitiendo
que un ion o varios iones específicos penetren en la membrana
plasmática y cambien las propiedades eléctricas de la neurona
postsináptica. La respuesta típica es un cambio en el potencial de
membrana, denominado potencial postsináptico (PSP), que
ocurre muy rápidamente y que también se termina con rapidez
(normalmente en unos pocos milisegundos), porque el canal se
cierra en cuanto el neurotransmisor sale del receptor.
FIGURA 8.3 Mecanismos de transducción de señal en las sinapsis
químicas. (a) Respuestas rápidas en un receptor ligado a un canal. El panel de la
izquierda muestra el estado cerrado del canal en ausencia de neurotransmisor;
el panel de la derecha muestra la apertura del canal iónico gracias a la unión del
neurotransmisor al receptor. (b, c) Respuestas lentas, en las que el receptor
del neurotransmisor se acopla a una proteína G. En las dos respuestas lentas,
la unión del neurotransmisor al receptor activa una proteína G. En el
acoplamiento directo, la proteína G abre o cierra un canal iónico, cambiando así
las propiedades eléctricas de la célula. Cuando la proteína G funciona como
parte de un sistema de mensajero secundario, activa o inhibe una enzima que
produce el mensajero secundario, que en ese caso abre o cierra un canal iónico
o bien produce algún otro tipo de respuesta celular.
Por el contrario, las respuestas lentas son mediadas a través
de receptores acoplados a proteínas G, llamados receptores
metabótropos. En el sistema nervioso, las proteínas G pueden
desencadenar la apertura o el cierre de los canales iónicos, dependiendo de la sinapsis específica. Estos canales iónicos regulados
por proteínas G responden a una unión más lenta del neurotransmisor que los canales que median la respuesta rápida, cuya duración varía de milisegundos a horas, dependiendo de la sinapsis,
pero con el mismo efecto último: la apertura o el cierre de los
canales iónicos altera la permeabilidad de la neurona postsináptica a un ion o iones específicos, determinando en condiciones
normales cambios en el potencial de membrana. La proteína G
puede servir de acoplamiento directo entre el receptor y el canal
iónico (fig. 8.3b) o puede desencadenar la activación o inhibición
de un sistema de segundos mensajeros, de tal modo que el segundo mensajero afecte al estado del canal iónico (fig. 8.3c).
Hemos visto que, en general, un neurotransmisor ejerce sus
efectos en una neurona postsináptica, desencadenando la apertura o el cierre de los canales iónicos, lo que suele causar un cambio en el potencial de membrana. Dependiendo del tipo de canal
que esté abierto o cerrado, el cambio en el potencial de membrana resultante puede ser una despolarización o una hiperpolarización. Recordemos que se considera que una despolarización es
una excitación, porque acerca el potencial de membrana al
umbral necesario para generar un potencial de acción; del mismo modo, se considera que una hiperpolarización es una inhibición, porque aleja el potencial de membrana del umbral. En cualquier sinapsis dada, la dirección de la respuesta siempre es la
misma, y la sinapsis se clasifica como excitatoria o inhibidora.
Sinapsis excitatorias
Una sinapsis excitatoria es aquella que acerca el potencial de
membrana de la neurona postsináptica al umbral para generar
un potencial de acción; esto es, las sinapsis excitatorias despolarizan a la neurona postsináptica. Esta despolarización se denomina potencial postsináptico excitatorio (PPSE), y puede tener
lugar tanto en forma de respuesta rápida como de respuesta lenta. Los PPSE son potenciales graduados en los que la amplitud
de la despolarización aumenta a medida que se unen más moléculas neurotransmisoras a los receptores. Como ocurre con
todos los potenciales graduados, la despolarización es mayor en
el sitio de origen (normalmente una dendrita o un cuerpo celular), y disminuye a medida que se acerca al cono axónico.
Los PPSE rápidos suelen ser causados por la unión de moléculas neurotransmisoras a sus receptores en la célula postsináptica, abriendo canales en el proceso que permiten que los
cationes de pequeño tamaño (iones de sodio y potasio) los atraviesen (fig. 8.4a). Recuerda que en el potencial de membrana en
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
Voltímetro
0
5
Voltímetro
10
0
10
s
mV
mV
1 El neurotransmisor
se une al receptor
Na+
Líquido
extracelular
Citosol
5
ms
El neurotransmisor
se une al receptor
201
Adenilato ciclasa
Canal de K+
Receptor metabótropo
K+
Receptor
ionotrópico/canal
iónico
2 Activa la
proteína G
3 Activa
la enzima
ATP
4 Produce
el segundo
mensajero
cAMP
(a) Respuesta rápida
5 Activa
la enzima
P
K+
7 El canal de
K+ se cierra,
los iones de
K+ no pueden
atravesar el
canal
6 Fosforila
la proteína
(canal de K+)
Proteína cinasa A
(b) Respuesta lenta
FIGURA 8.4 Sinapsis excitatorias. Un electrodo insertado en la neurona y
conectado a un voltímetro puede medir la actividad eléctrica de la célula. El
tipo de voltímetro representado en esta figura y en las siguientes es un
osciloscopio. (a) Sinapsis excitatoria rápida. El neurotransmisor abre los canales
iónicos, permitiendo la entrada de iones de sodio al interior de la célula y la
salida de iones de potasio de esta. El movimiento del sodio es mayor, por lo
que el efecto neto es una despolarización (un PPSE) que dura varios
milisegundos. (b) Sinapsis excitatoria lenta. La activación de una proteína G
mediante neurotransmisor conduce a la serie de acontecimientos descritos.
La fosforilación del canal de potasio en el último paso disminuye la salida de
potasio de la célula, produciendo una despolarización. Observa que esta
respuesta tarda segundos en producirse.
reposo el potasio está mucho más cerca del equilibrio que el
sodio. Por tanto, la fuerza electroquímica es mucho mayor para
los iones de sodio que penetran en el interior de la célula que
para los iones de potasio que salen de ella. Así, cuando se abren
los canales que permiten que tanto los iones de sodio como de
potasio se muevan a través de ellos, entran más iones de sodio
que los que salen de potasio, produciendo una despolarización
neta. Los PPSE rápidos pueden durar desde unos cuantos a
varios cientos de milisegundos.
Los PPSE lentos pueden estar causados por varios mecanismos, pero un mecanismo típico es el cierre de los canales de
potasio que implican al mensajero secundario más común, el
cAMP (fig. 8.4b). Cuando el neurotransmisor se une a un receptor ➀ y activa una proteína G ➁, esta activa la enzima adenilato
ciclasa ➂, que entonces cataliza la reacción, convirtiendo ATP en
cAMP ➃. cAMP activa la proteína cinasa A ➄, que cataliza la adición de un grupo fosfato al canal de potasio ➅. La fosforilación
del canal de potasio lo cierra ➆.
Antes de la fosforilación del canal de potasio, el canal estaba
abierto y los iones de potasio salían de la célula, mientras que los
iones de sodio entraban en ella. No había cambios en el potencial de membrana, porque las entradas y salidas de los iones de
sodio y de potasio estaban equilibradas. Cuando el canal de
potasio se cierra por la fosforilación, salen menos iones de potasio de la célula. El efecto neto es una despolarización, porque si
la permeabilidad al potasio disminuye, mientras que la permeabilidad al sodio sigue siendo la misma, el potencial de membrana se desplazará del potencial de equilibrio para el potasio
hacia el potencial de equilibrio para el sodio (v. capítulo 7).
Los PPSE lentos tardan más en desarrollarse y duran más
tiempo (de segundos a horas) que los PPSE rápidos. En el caso
del cierre de los canales de potasio dependientes de cAMP, el
potencial de membrana no volverá a las condiciones de reposo
hasta que los canales de potasio estén desfosforilados, lo que no
ocurrirá hasta que se haya degradado el suficiente cAMP por la
fosfodiesterasa como para devolver la concentración de cAMP a
su nivel de reposo.
Sinapsis inhibidoras
Una sinapsis inhibidora es aquella que aleja el potencial de membrana de la neurona postsináptica del umbral del potencial de
acción, hiperpolarizando la neurona, o estabiliza el potencial
de membrana en el valor de reposo. En cualquier caso, la activi-
202
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
Voltímetro
Líquido extracelular
Neurotransmisor (NT)
0
5
10
Cl–
ms
mV
Voltímetro
Líquido
extracelular
ATP
El neurotransmisor
se une al receptor
Cl–
Citosol
(a) La neurona transporta activamente cloruro
hacia el exterior de la célula
NT1
K+
Receptor
ionotrópico/canal
iónico
Voltímetro
Citosol
Respuesta rápida
FIGURA 8.5 Sinapsis inhibidora que implica canales de potasio. En este
tipo de sinapsis inhibidora, los canales de potasio se abren gracias a la unión
del neurotransmisor al receptor. El potasio fluye hacia el exterior de la célula,
hiperpolarizándola y produciendo un PPSI.
dad de la sinapsis disminuye la probabilidad de que se genere un
potencial de acción en la neurona postsináptica, motivo por el
cual se dice que la sinapsis es inhibidora. En las sinapsis inhibidoras, la unión de un neurotransmisor a sus receptores abre canales
tanto para los iones de potasio como los iones de cloruro.
Cuando un neurotransmisor hace que se abran los canales
de potasio (fig. 8.5), el potasio saldrá de la célula, hiperpolarizándola. Esta hiperpolarización se denomina potencial postsináptico inhibidor (PPSI). Un PPSI, como un PPSE, es un potencial graduado: cuantas más moléculas neurotransmisoras se
unan a los receptores, más canales de potasio se abrirán y mayor
será la hiperpolarización. Los PPSI (como los PPSE y todos los
demás potenciales graduados) disminuyen de tamaño a medida
que se desplazan hacia el cono axónico, donde la hiperpolarización aleja el potencial de membrana del umbral, disminuyendo
así la probabilidad de que se genere un potencial de acción en la
neurona postsináptica.
Lo que ocurra cuando un neurotransmisor permite que se
abran los canales de cloruro (Cl–) depende del tamaño y la dirección de la fuerza electroquímica que actúa para desplazar los
iones de cloruro a través de la membrana de la neurona postsináptica. Como el ion de cloruro tiene una carga negativa (es un
anión), el potencial de membrana en reposo es una fuerza eléctrica que actúa para sacar los iones de cloruro de la célula. Sin
embargo, como los iones de cloruro se encuentran en mayor
concentración fuera de la célula, hay una fuerza química que
desplaza estos iones hacia el interior de la célula. La fuerza neta
depende de la neurona en cuestión.
Las neuronas se diferencian en los mecanismos de transporte que existen para los iones cloruro. En algunas neuronas, los
iones de cloruro son transportados activamente hacia el exterior
(b) No hay transporte activo de cloruro, el cloruro
está en equilibrio
Cl–
NT1
Cl–
NT2
+
Voltímetro
+
+
(c) No hay transporte activo de cloruro, la sinapsis
excitatoria está activa
FIGURA 8.6 Funciones de los canales de cloruro en las sinapsis
inhibidoras. (a) En las neuronas que transportan activamente cloruro hacia el
exterior de la célula, la unión de un neurotransmisor que hace que los canales
de cloruro se abran permite que el cloruro penetre en el interior de la célula,
hiperpolarizándola (induciendo un PPSI). (b) Las células a las que les faltan
transportadores de cloruro tienen canales de goteo de cloruro y el cloruro se
encuentra en equilibrio en sus membranas. Si la unión del neurotransmisor 1
(NT1) hace que se abran más canales de cloruro, no habrá movimiento neto de
cloruro, porque este ya está en equilibrio. (c) Esta figura muestra la misma
célula del panel b, pero incluyendo una segunda sinapsis. Si NT1 está presente
en una sinapsis inhibidora, mientras que NT2 está presente en una sinapsis
excitatoria, el cloruro penetrará en la célula a la vez que las cargas positivas
entran en el canal abierto por NT2, oponiéndose a cualquier cambio en el
potencial de membrana.
de la célula, creando una concentración mucho más baja en el
interior que en el exterior de la célula. En esas condiciones,
el potencial de equilibrio del cloruro es negativo y mayor que el
potencial de membrana en reposo.
C A P Í T U LO 8
En una neurona en la que los iones de cloruro son activamente
transportados hacia el exterior de la célula, el cloruro está concentrado en el líquido extracelular (fig. 8.6a). Por tanto, el cloruro no
está en equilibrio; en su lugar, hay una fuerza electroquímica neta
que desplaza el cloruro hacia el interior de la célula. Cuando se
abren los canales de cloruro gracias a la unión de los neurotransmisores a los receptores, el cloruro penetra en el interior de la célula
produciendo una hiperpolarización o un PPSI. Por tanto, vemos el
mismo tipo de efecto que cuando se abren los canales de potasio.
En otras neuronas no tiene lugar un transporte activo del cloruro, pero existen algunos canales iónicos a través de los cuales
puede difundirse el cloruro. En estas condiciones, el movimiento
pasivo del cloruro, además de la falta de transporte activo, permite
que los iones de cloruro estén en equilibrio. En una neurona que
carece de transporte activo de cloruro, bien sea hacia el interior o
el exterior de la célula (fig. 8.6b), el cloruro simplemente difunde a
través de los canales de goteo de cloruro para distribuirse a través
de la membrana en concentraciones que lo pondrán en equilibrio.
(Observa que el potencial de membrana determina el gradiente de
concentración de los iones de cloruro cuando no son transportados activamente, lo que se opone a lo que ocurre en el caso de los
iones de sodio y de potasio, cuyos gradientes de concentración,
establecidos mediante transporte activo, determinan el potencial
de membrana en reposo). Si el cloruro está en equilibrio, la apertura de canales de cloruro no implicará cambios en el potencial de
membrana (v. fig. 8.6b). En este caso, tal vez sorprendentemente,
se sigue considerando que la sinapsis es inhibidora. Para ver por
qué, debemos considerar cómo afecta esta sinapsis a las señales
que podrían ser generadas en otras sinapsis al mismo tiempo.
Consideremos una neurona postsináptica en la que estén activas una sinapsis excitatoria y una sinapsis inhibidora al mismo
tiempo. Aunque la sinapsis excitatoria tiende a inducir un PPSE
(un cambio positivo en el potencial de membrana) en la neurona
postsináptica, la sinapsis inhibidora también hace que se abran los
canales de cloruro (fig. 8.6c). El resultado es que disminuirá el PPSE
o incluso no habrá PPSE. El motivo es que cuando se despolariza
la membrana, el cloruro ya no está en equilibrio. El potencial más
positivo existente en el interior de la célula tira de los iones de cloruro negativos hacia el interior de la célula, estabilizando el potencial de membrana y contrarrestando la influencia de la carga positiva que se desplaza hacia el interior de la célula. Esto se considera
una acción inhibidora, porque disminuye la probabilidad de que
la neurona alcance el umbral de un potencial de acción.
Como ilustra este ejemplo, la actividad de una sola sinapsis
puede influir en la probabilidad de que tenga lugar un potencial
de acción, pero normalmente no es el único factor determinante. En su lugar, suele haber muchas sinapsis activas al mismo
tiempo, y es la combinación concreta de los impulsos sinápticos
que llegan en cualquier momento dado lo que determina si una
célula postsináptica producirá un potencial de acción. El proceso que condiciona esta determinación, conocido como integración neural, es nuestro siguiente tema de estudio.
Transmisión sináptica e integración neural
203
Integración neural
La comunicación en el sistema nervioso no suele ser un proceso
en el que una célula presináptica se comunica con una célula
postsináptica. El axón de una neurona a menudo tiene varios
colaterales que se comunican con otras neuronas, una disposición que recibe el nombre de divergencia (fig. 8.7a). Del mismo
modo, una neurona dada suele recibir comunicaciones de varias
neuronas (cientos o miles), una disposición llamada convergen-
Neurona
presináptica
Neurona postsináptica
(a) Divergencia
Axones terminales
presinápticos
Neurona postsináptica
Test rápido 8.2
1. ¿La activación de qué tipo de receptor, ionotrópico o metabótropo,
produce una respuesta más rápida?
2. ¿Cuál es la función de las proteínas G en el funcionamiento de los
receptores metabótropos?
3. Si una proteína G activa un mensajero secundario que cierra los canales de sodio, ¿esta activación producirá un PPSE o un PPSI? ¿La
respuesta será rápida o lenta?
(b) Convergencia
FIGURA 8.7 Divergencia y convergencia. (a) En la divergencia, una sola
neurona se comunica con varias neuronas diferentes. (b) En la convergencia,
una sola neurona recibe comunicaciones de varias neuronas diferentes.
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
B
C
PPSE
A
PPSE
PPSI
Potencial de membrana (mV)
204
+30
Suma
temporal
Umbral
–55
–70
Cono
axónico
Axón
Potencial de membrana (mV)
A
A
A A
Tiempo (ms)
+30
Suma
espacial
Suma
espacial
Umbral
–55
–70
A
B
A+B
C
Tiempo (ms)
A+C
FIGURA 8.8 Suma temporal y espacial. (a) Una neurona postsináptica
recibe impulsos excitatorios de las neuronas A y B e impulsos inhibidores de la
neurona C; están implicados tres neurotransmisores diferentes. Si la suma de
todos los potenciales sinápticos en el cono axónico da como resultado la
despolarización hasta el umbral, entonces se genera un potencial de acción.
(b) La suma temporal ocurre cuando los potenciales de acción que llegan del
axón terminal presináptico de la neurona A se producen con la suficiente
cercanía temporal como para que los PPSE generados en respuesta a la unión
del neurotransmisor se superpongan y se sumen. (c) La suma espacial ocurre
cuando diversas sinapsis están activas simultáneamente. Si los PPSE de las
sinapsis con las neuronas A y B tienen lugar al mismo tiempo, se sumarán y
alcanzarán el umbral, desencadenando un potencial de acción. Observa que si
las sinapsis con las neuronas A y C estuvieran activas simultáneamente, los
PPSE y los PPSI resultantes tenderían a anularse mutuamente, produciendo
muy poco cambio en el potencial de membrana.
cia (fig. 8.7b). Debido a la convergencia, una sola sinapsis no
determina si un potencial de acción se genera en la neurona
postsináptica. En su lugar, el cono axónico de la neurona postsináptica hace de integrador, que, en efecto, añade todas las señales que llegan de todas las sinapsis activas. Este proceso de suma
se denomina integración neural y funciona siguiendo una simple regla: un potencial de acción se desencadena si se despolariza
el potencial de membrana del cono axónico hasta el umbral; si el
potencial está por debajo del umbral, no tendrá lugar ningún potencial de acción. La suma es necesaria, porque un solo
PPSE no suele tener la magnitud suficiente como para despolarizar la neurona postsináptica hasta el umbral.
temporal, dependiendo de si los potenciales postsinápticos que
se suman surgen en la misma sinapsis o en sinapsis diferentes.
Suma
Como los PPSE y los PPSI son potenciales graduados, pueden
sumarse entre sí (v. capítulo 7). Esta suma puede ser espacial o
La sinapsis de la neurona A con la célula postsináptica está más cercana al
P
cono axónico que la sinapsis de la neurona B. Si un solo potencial de acción en
cada neurona presináptica da como resultado una despolarización de 8 mV
en el cono axónico, ¿qué neurona presináptica tendría que producir la mayor
despolarización en el sitio de la sinapsis?
Suma temporal
En la suma temporal, se generan dos o más potenciales postsinápticos en rápida sucesión en la misma sinapsis, de modo que
un potencial postsináptico no tiene tiempo de disiparse completamente antes de que se genere el siguiente. Cuando ocurre esto,
los potenciales postsinápticos se superponen, de modo que la
despolarización o hiperpolarización resultante es mayor que
para un solo potencial postsináptico.
La figura 8.8a muestra la medición del potencial de membrana en el cono axónico de una neurona postsináptica que recibe
estímulos procedentes de tres neuronas presinápticas (A, B y C).
El gráfico de la figura 8.8b muestra los acontecimientos que tienen lugar en la suma temporal. Para mayor simplicidad, hemos
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
205
de considerar que, cuando la neurona A desencadena un solo
potencial de acción, libera suficiente neurotransmisor como para
causar un PPSE de unos 8 mV en el cono axónico de la neurona
postsináptica, lo que no es suficiente para despolarizar la membrana hasta el umbral (en realidad, la mayoría de los PPSE tienen
menos de 1 mV de magnitud). Una vez que este PPSE ha terminado, y que el potencial de membrana ha vuelto al valor de reposo,
un segundo potencial de acción en la neurona A desencadena
otro PPSE del mismo tamaño. Sin embargo, cuando tienen lugar
más cerca en el tiempo dos potenciales de acción en la neurona A
(en unos pocos milisegundos), de modo que el segundo PPSE se
produce antes de que el primero pueda disiparse, los dos PPSE
se suman. En este caso, la suma de los dos PPSE es suficientemente grande como para despolarizar la membrana de la neurona
postsináptica hasta el umbral y generar un potencial de acción.
Observa que también los PPSI pueden sumarse temporalmente de manera similar. Cuando dos PPSI generados en una
sinapsis inhibidora tienen lugar muy cerca uno de otro en el tiempo, se suman de tal modo que la hiperpolarización resultante es
mayor que la producida por un solo PPSI. Sin embargo, el grado
de hiperpolarización que puede alcanzarse está limitado por el
potencial de equilibrio del ion que causa la hiperpolarización.
Cuando, por ejemplo, la apertura de los canales de potasio produce una hiperpolarización, cuantos más canales de potasio estén
abiertos, mayor será la hiperpolarización hasta que el potencial
de membrana se acerque a –94 mV (el potencial de equilibrio del
potasio). El potencial de membrana nunca puede exceder y, de
hecho, nunca alcanzará –94 mV, porque, aun cuando todos los
canales de potasio de una membrana estén abiertos, los canales
de goteo del sodio permitirán que algo de sodio se filtre en el interior de la célula, contrarrestando el movimiento del potasio.
La suma temporal puede tener lugar porque los potenciales
postsinápticos duran bastante más tiempo que los potenciales de acción. Esto hace posible que una neurona presináptica
desencadene un segundo potencial de acción, liberando así una
segunda explosión de moléculas neurotransmisoras, mientras
que las moléculas neurotransmisoras del primer potencial de
acción siguen estando en la hendidura sináptica. La mayor concentración de neurotransmisor en la hendidura sináptica abre
más canales iónicos, causando un potencial postsináptico
mayor. Por el contrario, cuando una neurona presináptica desencadena dos potenciales de acción lejanos en el tiempo, el neurotransmisor liberado como resultado del primer potencial de
acción desaparece totalmente de la hendidura sináptica antes
de que llegue el siguiente potencial de acción, de modo que los
dos potenciales postsinápticos no pueden sumarse. (Observa,
sin embargo, que cuando están implicados los receptores metabótropos, los de la respuesta lenta, puede persistir un potencial
postsináptico incluso después de que el neurotransmisor que lo
inició haya desaparecido de la hendidura sináptica.)
co de la neurona postsináptica y un potencial de acción en la
neurona C libera suficiente neurotransmisor para causar una
hiperpolarización de 8 mV. Cuando se activan las neuronas A y B
a la vez, los PPSE resultantes se suman para producir una despolarización lo suficientemente grande como para desencadenar
un potencial de acción. Observa también que si las neuronas A y C estuvieran activas a la vez, no habría cambios en el
potencial de membrana de la neurona postsináptica, porque
el PPSE que se hubiera originado en la sinapsis A y el PPSI que se
hubiera originado en la sinapsis C se anularían mutuamente.
Por tanto, la suma espacial ocurre cuando los potenciales postsinápticos que se originan en sinapsis diferentes se extienden al
cono axónico, superponiéndose a lo largo del camino.
La figura 8.8 es un ejemplo muy simplificado del concepto de
integración neural. En primer lugar, el número de sinapsis con
una neurona postsináptica puede llegar a cientos de miles. En
segundo lugar, como algunas sinapsis son excitatorias y otras
inhibidoras, la cantidad de combinaciones posibles de estímulos sinápticos activos es astronómica. La suma temporal y espacial de potenciales postsinápticos tiene lugar continuamente y
la magnitud del potencial sumado en el cono axónico determina
si ocurren potenciales de acción y cuándo lo hacen.
Suma espacial
Modulación presináptica
En la suma espacial (fig. 8.8c), se generan dos o más potenciales
postsinápticos de distintas sinapsis casi a la vez, de tal modo que
cuando se extienden al cono axónico se superponen y se suman.
Cuando las neuronas A y B tienen potenciales de acción en
momentos diferentes, cada neurona induce un PPSE en la neurona postsináptica, ninguno de los cuales es lo suficientemente
grande como para desencadenar un potencial de acción. Igual
que antes, por sencillez, suponemos que para un solo potencial
de acción en la neurona A o B se libera suficiente neurotransmisor para producir una despolarización de 8 mV en el cono axóni-
Codificación por frecuencia
En el capítulo 7 explicamos que una vez que un estímulo despolarizante excede el umbral, el grado de despolarización no afecta
al tamaño de los potenciales de acción, sino más bien a su frecuencia. Vimos que los aumentos de fuerza de esos estímulos
por encima del umbral hacen que aumente la frecuencia de los
potenciales de acción, un efecto denominado codificación por
frecuencia. Como la suma de los potenciales postsinápticos
afecta al grado de despolarización en el cono axónico, se deduce
que la suma influye sobre la frecuencia de los potenciales de
acción en la neurona postsináptica. Cuando los potenciales
de acción tienen lugar a una frecuencia mayor, se libera más
neurotransmisor de la neurona. Por tanto, una mayor frecuencia
de los potenciales de acción corresponde a una comunicación
más fuerte con la siguiente neurona en una vía neural.
Las sinapsis excitatorias e inhibidoras descritas anteriormente se encuentran, principalmente, en sinapsis axodendríticas y axosomáticas. Ahora, vamos a describir lo que ocurre en las
sinapsis axoaxónicas.
Test rápido 8.3
1. Compara la suma espacial con la temporal.
2. Explica lo que se quiere decir cuando se describe el cono axónico
como un integrador.
Las sinapsis axoaxónicas funcionan como sinapsis moduladoras,
sinapsis que regulan la comunicación con otra sinapsis. Recordemos que las sinapsis axoaxónicas pueden formarse entre el axón
terminal de una neurona y el axón terminal de otra neurona
(v. fig. 8.1). En las sinapsis axoaxónicas, un neurotransmisor de la
neurona presináptica (también llamada neurona moduladora)
no genera señales eléctricas en la neurona postsináptica. En su
lugar, mediante la unión a los receptores que hay sobre la membrana del axón terminal de la neurona postsináptica, el neuro-
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
Potencial
de acción
Voltímetro
C
E
Potenciales
de acción
E
E
D
C
X
C
Cono
axónico
Potencial de membrana (mV)
206
+30
Umbral
–55
–70
C
D
Potencial
de acción
Voltímetro
F
H
G
H
F
Y
Cono
axónico
Potenciales
de acción
H
F
Potencial de membrana (mV)
(a) Facilitación presináptica
E
C+E
Tiempo (ms)
D+E
+30
Umbral
–55
–70
F
G
H
F+H
F+G
F+G+H
(b) Inhibición presináptica
FIGURA 8.9 Modulación presináptica en las sinapsis axoaxónicas.
(a) Facilitación presináptica. Cuando las neuronas C y E están activas, el
neurotransmisor de la neurona E aumenta la liberación del neurotransmisor de
la neurona C, aumentando la fuerza del PPSE resultante hasta el umbral y
generando un potencial de acción en la neurona X. (b) Inhibición presináptica.
Cuando las neuronas F y H están activas, el neurotransmisor de la neurona H
disminuye la liberación del neurotransmisor de la neurona F, disminuyendo la
fuerza del PPSE en la neurona Y. Cuando las neuronas F y G están activas, sus
PPSE se suman espacialmente y la neurona Y se despolariza hasta el umbral,
generando un potencial de acción. Sin embargo, cuando las neuronas F, G y H
son activadas, el PPSE de la neurona F disminuye, debido a la inhibición
presináptica de la neurona H, hasta el punto de que la suma de los PPSE de las
neuronas F y G está por debajo del umbral y no se genera ningún potencial de
acción.
transmisor induce un cambio en la cantidad de calcio que entra
en el axón terminal en respuesta a un potencial de acción, alterando, a cambio, la cantidad de neurotransmisor liberado de la
neurona postsináptica. En algunos casos, se aumenta la liberación de neurotransmisor, un fenómeno llamado facilitación presináptica; en otros casos, la liberación de neurotransmisor disminuye, un fenómeno denominado inhibición presináptica.
A continuación, vamos a considerar estos fenómenos.
tiva. Observa que la actividad en la neurona E sola no tiene efectos directos sobre la neurona X, porque la neurona E no forma
sinapsis con la neurona X. Observa, también, que la actividad de
la neurona E no tiene efectos sobre ningún PPSE que se haya
desencadenado por algún estímulo de la neurona D.
Este ejemplo ilustra una característica importante de la
modulación presináptica en las sinapsis axoaxónicas que las
diferencia de las sinapsis axodendríticas y axosomáticas: la
modulación presináptica afecta a la transmisión hacia la neurona postsináptica en una sinapsis específica, alterando, por ello,
la capacidad de esa sinapsis para excitar o inhibir a la neurona
postsináptica. Por el contrario, en las sinapsis axodendríticas y
axosomáticas, las neuronas presinápticas excitan o inhiben a la
neurona postsináptica de una manera no selectiva, produciendo
directamente cambios en el potencial de membrana de la neurona postsináptica en forma de PPSE e PPSI.
Facilitación presináptica
La facilitación presináptica se ilustra en la figura 8.9a. Las neuronas C y D son neuronas presinápticas que forman sinapsis
excitatorias con la neurona postsináptica X; la neurona E es una
neurona moduladora que forma una sinapsis en el axón terminal de la neurona C. En este ejemplo, un potencial de acción en
la neurona C desencadena la liberación del suficiente neurotransmisor como para producir un PPSE de 10 mV en la neurona X
cuando la neurona E no está activa. Sin embargo, cuando la neurona E está activa, un solo potencial de acción en la neurona C
liberará el suficiente neurotransmisor como para producir un
PPSE de 15 mV y desencadenar un potencial de acción. Por tanto, la actividad de la neurona E aumenta la cantidad de calcio
presente en el citosol del axón terminal de la neurona C, aumentando así la cantidad de neurotransmisor liberado de la neurona C. Como resultado, la neurona C desencadena un PPSE mayor
en la neurona X, comparado con cuando la neurona E está inac-
Inhibición presináptica
La figura 8.9b muestra un ejemplo de inhibición presináptica.
En este ejemplo, las neuronas F y G crean conexiones sinápticas
excitatorias directas con la neurona Y; la neurona H es una neurona moduladora que formaba una sinapsis axoaxónica con la
neurona F. Cuando está activa solamente la neurona F o la neurona G, se produce un PPSE en la neurona Y. Cuando la neurona H está activa por sí misma, no se producen cambios en el
potencial de membrana de la neurona Y. Sin embargo, cuando
Transmisión sináptica e integración neural
C A P Í T U LO 8
las neuronas F y H están activas al mismo tiempo, la respuesta
de la neurona Y al estímulo de la neurona F disminuye, esto es,
la neurona H disminuye la cantidad de calcio que entra en el
citosol del axón terminal de la neurona F, suprimiendo, con ello,
la liberación de neurotransmisor de la neurona F. Por el contrario, la actividad de la neurona H no afecta a la respuesta de la
neurona Y para recibir estímulos de la neurona G.
207
Célula
presináptica
Acetil-CoA
+
Axón
terminal
Colina
CAT
1
Acetilcolina
(ACh)
2
Comprueba tus conocimientos
Las encefalinas son sustancias parecidas a la morfina producidas por el
organismo (v. el comienzo de este capítulo). Las encefalinas inhiben
presinápticamente la liberación de neurotransmisor de las neuronas
que transportan señales procedentes de los receptores del dolor
(llamados nocirreceptores) desde la piel a la médula espinal. A partir de
esta información, explica qué efecto, si es que hay alguno, tendrían las
encefalinas en la percepción del dolor, que tiene lugar en el cerebro.
3
6
4
5
Colina
Acetato
ACh
Receptor
colinérgico
Observa que, aunque la figura 8.9 ilustra la facilitación y la
inhibición presinápticas en las sinapsis excitatorias, estos fenómenos pueden ocurrir también en las sinapsis inhibidoras.
Acetilcolinesterasa
(AChE)
Célula postsináptica
FIGURA 8.10 Síntesis del neurotransmisor, acción y degradación en
Test rápido 8.4
1. ¿Qué tipo de sinapsis tiene lugar en la modulación presináptica?
2. Durante la inhibición presináptica, ¿aumenta o disminuye la cantidad de neurotransmisor liberado?
Neurotransmisores: estructura,
síntesis y degradación
Los neurotransmisores entran en una variedad de clases químicas que incluyen la acetilcolina, las aminas biógenas, los aminoácidos, las purinas y los neuropéptidos. La mayoría son moléculas de pequeño tamaño, a excepción de los neuropéptidos,
mucho más grandes que los demás. Unos cuantos neurotransmisores adicionales, como el óxido nítrico, son distintos a los
demás y se agrupan en una clase aparte. En la tabla 8.1 aparecen
los diversos tipos de neurotransmisores más conocidos, de los
que vamos a tratar en las secciones siguientes.
las sinapsis colinérgicas. Secuencia de acontecimientos en una sinapsis
colinérgica. ➀ La enzima colinacetiltransferasa (CAT) cataliza la reacción
combinando acetil-CoA con colina para formar ACh (y CoA). ➁ A continuación,
la ACh es activamente empaquetada en vesículas sinápticas. ➂ La ACh se libera
mediante exocitosis. Una vez liberada, la ACh puede ➃ unirse a los receptores
colinérgicos existentes en la célula postsináptica o ➄ ser degradada por la
enzima acetilcolinesterasa (AChE) en colina y acetato. ➅ La colina es
activamente transportada de nuevo hacia la neurona presináptica, donde
puede utilizarse para sintetizar más acetilcolina.
P ¿Qué desencadena la liberación de acetilcolina por exocitosis?
en las neuronas eferentes tanto de las ramas somática como
autónoma.
La acetilcolina es sintetizada en el citoplasma de los axones
terminales de las neuronas (fig. 8.10). La síntesis de acetilcolina
a partir de dos sustratos, el acetil-CoA y la colina, es catalizada
por la colinacetiltransferasa (CAT) como sigue:
Acetil-CoA + colina
Acetilcolina
La acetilcolina (ACh) se libera de las neuronas de los sistemas
nerviosos central y periférico. Es el tipo de neurotransmisor más
abundante en el sistema nervioso periférico, donde se encuentra
CAT
acetilcolina + CoA
En el capítulo 3 vimos que uno de estos sustratos, el acetilCoA, es una molécula de dos carbonos producida durante el
catabolismo de los lípidos, los hidratos de carbono y las proteí-
TABLA 8.1 Tipos de neurotransmisores más conocidos
Derivados de la colina
Aminas biógenas
Aminoácidos
Purinas
Neuropéptidos
Moléculas únicas
Acetilcolina
Catecolaminas
Dopamina
Adrenalina
Noradrenalina
Serotonina
Histamina
Glutamato
Aspartato
Glicina
GABA
ATP
ADP
Adenosina
TRH
Vasopresina
Oxitocina
Sustancia P
Opioides endógenos
Encefalinas
Endorfinas
Orexina
Óxido nítrico
Endocannabinoides
208
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
nas, y es el sustrato inicial del ciclo de Krebs. Por tanto, hay acetil-CoA en casi todas las células del organismo, incluyendo en
aquellas neuronas que sintetizan y liberan acetilcolina (llamadas neuronas colinérgicas). Por el contrario, las neuronas no
pueden sintetizar colina (aunque una parte se sintetiza en el
hígado); en su lugar, la mayor parte de la colina se obtiene de la
dieta y el torrente sanguíneo se encarga de transportarla hasta
las neuronas colinérgicas, donde se asimila mediante un sistema
de transporte activo.
Una vez que se ha sintetizado, la acetilcolina es almacenada
en vesículas sinápticas (v. fig. 8.10) hasta que un potencial de
acción desencadena su liberación por exocitosis. Tras su liberación, la acetilcolina puede unirse a los receptores de la célula
postsináptica (denominados receptores colinérgicos) y/o ser
degradada por una enzima llamada acetilcolinesterasa (AChE),
que se encuentra en la membrana de la neurona presináptica, en
la membrana de la neurona postsináptica o en ambas. La acetilcolinesterasa cataliza la descomposición de la acetilcolina en
acetato (una molécula de acetil-CoA a la que no está unido el
CoA) y colina como sigue:
Acetilcolina
CAThE
acetato + colina
Ninguno de los productos de la descomposición de esta reacción tiene actividad transmisora, pero la colina producida se
vuelve a introducir en la célula presináptica mediante un mecanismo de transporte activo y puede utilizarse para sintetizar
más acetilcolina. El acetato se aleja de las sinapsis y entra en la
sangre.
Las células del sistema nervioso suelen tener distintos tipos
de receptores para un neurotransmisor específico. Los receptores de la acetilcolina son de dos tipos: receptores colinérgicos
nicotínicos y receptores colinérgicos muscarínicos. (Estos
receptores se denominan así porque la nicotina se une a
los receptores nicotínicos, pero no a los muscarínicos, mientras
que la muscarina se une a los receptores muscarínicos, pero no
a los nicotínicos.) A pesar de que ambos receptores tienen un
Líquido
extracelular ACh
Na+
Receptor
colinérgico
nicotínico
mensajero común, la acetilcolina, los efectos sobre la célula
postsináptica son muy diferentes (fig. 8.11).
Los receptores colinérgicos nicotínicos son ionotrópicos y
tienen dos lugares de unión para la acetilcolina. Cuando se les
une la acetilcolina, se desencadena la apertura de los canales que
permiten que tanto el sodio como el potasio pasen a través, causando un PPSE en la célula postsináptica (fig. 8.11a). Los receptores colinérgicos nicotínicos están situados en varias áreas del
sistema nervioso periférico, por ejemplo, en ciertas neuronas
autónomas y en células del músculo esquelético, que son las
células efectoras de las motoneuronas somáticas. Los receptores
colinérgicos nicotínicos también están situados en algunas
regiones del sistema nervioso central.
Los receptores colinérgicos muscarínicos son receptores
metabótropos y funcionan mediante la acción de una proteína G. El efecto resultante de la unión de acetilcolina a los receptores colinérgicos muscarínicos depende de la célula postsináptica en cuestión; estos receptores pueden abrir o cerrar canales
iónicos o activar enzimas (fig. 8.11b). Los receptores colinérgicos
muscarínicos, que se encuentran en algunos órganos efectores
del sistema nervioso autónomo, constituyen el tipo dominante
de receptor colinérgico del sistema nervioso central.
Los distintos efectos de la acetilcolina en los receptores colinérgicos nicotínicos y muscarínicos ilustran un concepto fisiológico importante: la acción de cualquier mensajero químico
depende, finalmente, no de la naturaleza del mensajero, sino del
tipo de receptor al que el mensajero se une en la célula diana.
Aminas biógenas
Las aminas biógenas son un tipo de neurotransmisores derivados de los aminoácidos. Se llaman aminas porque todas poseen
un grupo amino (— NH2). (Observa que no incluyen a los aminoácidos, que también poseen grupos amino.) Entre las aminas
biógenas se incluyen las catecolaminas, la serotonina y la histamina. Las catecolaminas contienen un grupo catecol, un anillo
de seis carbonos con dos grupos hidroxilo que incluyen a los
ACh
Canal iónico
Citosol
Receptor
colinérgico
muscarínico
Enzima
K+
Proteína G
(a) Receptores colinérgicos nicotínicos
Mensajero
secundario
(b) Receptor colinérgico muscarínico
FIGURA 8.11 Mecanismos de transducción de señal en los receptores
colinérgicos. (a) Los receptores colinérgicos nicotínicos son canales operados
por receptores que permiten el paso a los iones sodio y potasio. Cuando la
acetilcolina se une a estos receptores, se abren los canales. Debido al hecho de
que entra más sodio del potasio que sale, el resultado es un PPSE. (b) Los
receptores colinérgicos muscarínicos están acoplados a proteínas G que
pueden tanto abrir como cerrar canales iónicos directamente, como activar o
inhibir una enzima que cataliza la producción de un segundo mensajero. Los
segundos mensajeros producidos pueden tener varios efectos en la célula
postsináptica, incluyendo la apertura o el cierre de los canales iónicos. Los
efectos en las células postsinápticas pueden ser excitatorios (PPSE) o
inhibidores (PPSI).
¿Qué tipo de receptor colinérgico (nicotínico o muscarínico) produce la
P
respuesta más rápida?
Transmisión sináptica e integración neural
C A P Í T U LO 8
neurotransmisores dopamina, noradrenalina y adrenalina. (La
vía sintética de las catecolaminas se describe en el capítulo 5.)
Como la acetilcolina, las aminas biógenas son sintetizadas en el
citosol del axón terminal y empaquetadas en vesículas sinápticas.
Tanto la dopamina como la noradrenalina son principalmente liberadas por neuronas del sistema nervioso central, pero
la noradrenalina también es liberada por neuronas del sistema
nervioso periférico. A pesar de que la adrenalina sea liberada por
algunas neuronas del sistema nervioso central, es más conocida
como una hormona liberada por la médula suprarrenal en respuesta a órdenes del sistema nervioso simpático.
Las diversas catecolaminas se unen a receptores específicos.
Los receptores para la adrenalina y noradrenalina se denominan
receptores adrenérgicos, de los que hay dos clases principales:
los receptores alfa adrenérgicos y los beta adrenérgicos. Cada una
de estas clases tiene subclases designadas por subíndices numéricos, siendo los tipos de receptor más importantes los alfa1,
alfa2, beta1, beta2 y beta3. La adrenalina muestra una mayor afinidad por los receptores beta2, mientras que la noradrenalina tiene
mayor afinidad por los receptores alfa y beta1, pero ambos compuestos se unen a todos estos receptores. Los receptores adrenérgicos se encuentran en el sistema nervioso central y en los
órganos efectores de la rama simpática del sistema nervioso
autónomo. Los receptores adrenérgicos se denominan así porque se unen a la adrenalina y la noradrenalina, respectivamente. De modo similar, los receptores que se unen a la dopamina
reciben el nombre de dopaminérgicos.
Las catecolaminas suelen producir respuestas lentas mediadas a través de las proteínas G y cambios en los sistemas de los
segundos mensajeros. Además, a menudo funcionan como
autocrinos, uniéndose a receptores (denominados autorreceptores) en el axón terminal de la célula que los haya liberado.
Estos receptores hacen posible que una neurona module su propia liberación de neurotransmisor, generalmente modificando
la cantidad de calcio que entra en la célula como respuesta a un
potencial de acción. Las neuronas también presentan autorreceptores para otros neurotransmisores.
Después de su liberación, las catecolaminas pueden ser
degradadas por dos enzimas, la monoaminooxidasa (MAO) y la
catecol-O-metiltransferasa (COMT). La MAO está situada en
la hendidura sináptica, en las mitocondrias del axón terminal de
las neuronas que liberan las catecolaminas y en algunos tipos
de neuroglia. La COMT está situada en la hendidura sináptica.
Para comprender la importancia de las enzimas que degradan
neurotransmisores, véase «Conexiones clínicas: Tratamiento
de la depresión».
La serotonina y la histamina son aminas biógenas, pero no
catecolaminas. La serotonina se encuentra en el sistema nervioso central, particularmente en la porción inferior del cerebro,
llamada tronco encefálico. Entre las funciones de la serotonina se
incluyen la regulación del sueño y de las emociones. La histamina, mejor conocida por su liberación por células no neuronales
durante las reacciones alérgicas, entre otras, también puede
actuar como neurotransmisor. La histamina se encuentra en el
sistema nervioso central, principalmente en un área del cerebro
llamada hipotálamo.
Neurotransmisores aminoácidos
Los neurotransmisores aminoácidos son el tipo más abundante
de neurotransmisores del sistema nervioso central, donde se
encuentran ampliamente distribuidos por casi todas las zonas.
209
COOH
H2N
CH2
COOH
CH2
CH2
C
H
H2N
C
H
COOH
COOH
Glutamato
Aspartato
(a) Neurotransmisores aminoácidos en sinapsis excitatorias
COOH
CH2
CH2
H2N
CH2
Ácido
gamma-aminobutírico
(GABA)
H
H2N
C
H
COOH
Glicina
(b) Neurotransmisores aminoácidos en sinapsis inhibidoras
FIGURA 8.12 Neurotransmisores aminoácidos.
(a) Neurotransmisores aminoácidos liberados en sinapsis excitatorias.
(b) Neurotransmisores aminoácidos liberados en sinapsis inhibidoras.
El aspartato y el glutamato son liberados en las sinapsis excitatorias, mientras que la glicina y el ácido gamma-aminobutírico,
más conocido como GABA, se liberan en las sinapsis inhibidoras
(fig. 8.12). Debido a que el GABA se deriva de uno de los demás
neurotransmisores aminoácidos, el glutamato, tiene una estructura similar a la de un aminoácido excitatorio, pero produce
efectos inhibidores. El motivo de esta aparente contradicción es
que los receptores de estos compuestos son muy específicos; por
tanto, a pesar de que el GABA y el glutamato tienen estructuras
similares, se unen a poblaciones de receptores totalmente diferentes y producen resultados opuestos.
El glutamato es el neurotransmisor liberado con mayor frecuencia en las sinapsis excitatorias del sistema nervioso central.
Se puede unir a tres clases principales de receptores: receptores
para A-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol propionato (AMPA),
receptores para N-metil-D-aspartato (NMDA) y receptores para
cainato. Cuando el glutamato se une a receptores para AMPA o
para cainato, se produce un PPSE rápido por el movimiento del
sodio hacia el interior de la célula. Cuando el glutamato se une a
los receptores para NMDA, se abren los canales de calcio, dando
como resultado un flujo de entrada de calcio. El calcio actúa como
segundo mensajero, produciendo cambios bioquímicos en la
neurona postsináptica.
Por su parte, el GABA es el neurotransmisor más común que
se libera en las sinapsis inhibidoras del sistema nervioso central.
Hasta ahora, se han identificado tres categorías de receptores
GABA: GABAA, GABAB y GABAC. La unión de los receptores GABA
a los GABAA abre canales cloruro, produciendo un PPSI en la
membrana de la célula postsináptica. Los receptores GABAB pueden estar situados en la membrana del axón terminal presináptico, donde funcionan como autorreceptores, o cerca de los axones
terminales, donde tienen funciones en la inhibición presináptica. Los receptores GABAB también están situados en las dendritas
210
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
CONEXIONES CLÍNICAS
Tratamiento de la depresión
La depresión clínica tiene muchos síntomas,
incluyendo falta de energía, hábitos de alimentación anormales (comer demasiado o
demasiado poco), y/o dificultad para conciliar
el sueño o bien un exceso de sueño. A menudo, la persona piensa que no vale nada y le
pueden asaltar pensamientos suicidas. A una
persona deprimida le cuesta mucho rendir en
la sociedad. Las causas de la depresión y sus
síntomas no se conocen en su totalidad, pero
se sabe que la depresión es una enfermedad
asociada con los cambios bioquímicos que
tienen lugar en el cerebro. Muchas evidencias
sugieren que la depresión está asociada a
deficiencias de las aminas biógenas serotonina y noradrenalina. Por tanto, las estrategias
de tratamiento farmacológico a menudo se
centran en aumentar las concentraciones de
aminas biógenas en el cerebro.
Un tipo de antidepresivos lo constituyen
los inhibidores de monoaminooxidasa. La
monoaminooxidasa es la enzima que degrada
las aminas biógenas, incluyendo la noradrenalina y la serotonina. Como estos antidepresivos inhiben su degradación, estos neurotransmisores permanecen más tiempo en la
hendidura sináptica; el efecto es similar a un
aumento en la liberación de estos neurotransmisores. Los inhibidores de monoaminooxidasa, incluyendo la fenelcina y la isocarboxacida, se han utilizado con éxito para tratar
muchos casos de depresión clínica.
Una clase relativamente nueva de antidepresivos de uso común (aprobados por primera vez por la Food and drug Administration norteamericana en 1987) son los
inhibidores selectivos de la recaptación de
serotonina (ISRS). Disminuyendo la recaptación de serotonina en la célula que la liberó,
los ISRS aumentan selectivamente la cantidad
de serotonina presente en la hendidura
sináptica. Los ISRS son más específicos que
los inhibidores de monoaminooxidasa,
porque solo afectan a las sinapsis serotoninérgicas. Entre los ISRS se encuentran la fluoxetina y la paroxetina.
Otra clase de antidepresivos de uso
común son los tricíclicos, así llamados por
los tres anillos de carbono que contienen.
Aunque los tricíclicos son los antidepresivos
más antiguos (se utilizaron por primera vez
en los años cincuenta), sus mecanismos de
acción son los que menos se han comprendido. Se han propuesto varias hipótesis relacionadas con estos mecanismos, la mayoría
de las cuales implica alteraciones de la actividad en las sinapsis adrenérgicas o serotoninérgicas. Entre los tricíclicos se encuentran
la imipramina, la amitriptilina y la desipramina.
Los beneficios terapéuticos de los inhibidores de monoaminooxidasa y de los ISRS
para la depresión tampoco se comprenden
del todo, en cuanto a que, aunque estos fár-
y los somas postsinápticos, donde se acoplan a las proteínas G.
Los receptores GABAC están situados en la retina, donde tienen
funciones en la comunicación de la información visual. Los
sedantes, como diacepam, se unen a los receptores GABAA para
participar en la actividad neural depresora del sistema nervioso
central (v. «Conexiones clínicas: Función de los agentes gabaérgicos en la ansiedad y los trastornos del sueño»).
Purinas
La función de las purinas y las pirimidinas en la formación de los
ácidos nucleicos se trató en el capítulo 2, en el que se mencionaba que el ATP es la fuente de energía más importante de los procesos celulares; se sintetiza a partir del ADP y más tarde se cataboliza a ADP cuando es necesaria energía. Por tanto, todas las
macos disminuyen inmediatamente la actividad de la monoaminooxidasa con la recaptación de serotonina, respectivamente, no
tienen efectos sobre la depresión hasta que
hayan sido administrados durante varias
semanas. Sigue habiendo mucho campo para
la investigación sobre los mecanismos de
acción de los antidepresivos y de otros medicamentos.
células del organismo necesitan ATP. Cuando se descubrieron
por primera vez en el cerebro los receptores del ATP (y de otras
purinas), fue difícil comprender que el ATP pudiera funcionar
como un neurotransmisor. Hoy en día, está aceptado como uno
de los neurotransmisores, junto con el GTP, el ADP y el AMP,
todos los cuales se almacenan en vesículas sinápticas y se liberan mediante exocitosis. La adenosina también está considerada
como un neurotransmisor, aunque no en el sentido clásico. No
se almacena en vesículas sinápticas; se genera a partir del ATP
liberado en el líquido extracelular por las enzimas allí situadas.
El ATP parece ser uno de los neurotransmisores más importantes del sistema nervioso entérico del tubo digestivo. Sin
embargo, también funciona como neurotransmisor en los sistemas nerviosos periférico y central, donde se han identificado
varios tipos de receptores purinérgicos. Los dos tipos principales
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
211
CONEXIONES CLÍNICAS
Función de los agentes gabaérgicos en la ansiedad
y los trastornos del sueño
El GABA es el neurotransmisor inhibidor más
común del sistema nervioso central. Como tal,
los agentes que aumentan la actividad en las
sinapsis gabaérgicas tienden a deprimir la
actividad en el sistema nervioso central. Entre
los productos que actúan en los sistemas
gabaérgicos se pueden citar las benzodiacepinas (diacepam), las ayudas contra el insomnio
(zolpidem) y el alcohol. Estas sustancias interactúan con los receptores GABAA, que son
receptores ionotrópicos con canales de cloruro. Cuando el GABA se une al receptor, los
canales de cloruro permiten que este entre en
la célula.
Las benzodiacepinas se utilizan para tratar
la ansiedad. Todo el mundo siente ansiedad
en un momento u otro, pero algunas personas
sufren ansiedad crónica o ataques de ansiedad. La ansiedad aparece en respuesta a una
situación de estrés o de miedo que activa el
sistema nervioso simpático. Esta rama del sistema nervioso autónomo es responsable de la
respuesta de lucha o huida, caracterizada por
un aumento del ritmo cardíaco y de la fuerza
de las contracciones del corazón, de la respiración, de la sudoración y de la movilización de
los almacenes de energía. La respuesta ayuda
a preparar el organismo para enfrentarse al
agente estresante, aumentando el flujo de
sangre y el transporte de nutrientes a las célu-
las, especialmente a las del músculo cardíaco
y esquelético. Aunque esta respuesta ha
hecho posible que los seres humanos sobrevivamos a situaciones peligrosas, para algunos
esta respuesta aparece ante acontecimientos
de importancia relativamente menor o incluso de ninguna importancia.
En dosis bajas, las benzodiacepinas disminuyen la ansiedad modulando alostéricamente un tipo de receptores GABAA denominados
receptores BZ y aumentando la afinidad
del receptor por GABA. Al aumentar la transmisión de GABA, las benzodiacepinas producen un efecto inhibidor general sobre el sistema nervioso central. Sin embargo, en dosis
altas, las benzodiacepinas actúan como un
estimulante, inhibiendo los circuitos inhibidores del sistema nervioso central.
Ciertos somníferos, como el zolpidem,
actúan de una manera similar a las benzodiacepinas, pero se unen preferentemente a
una subclase más limitada de los receptores
GABAA (BZ-1). El zolpidem tiene un efecto hipnótico sedante, pero carece de los efectos
contra la ansiedad de las benzodiacepinas.
Tanto las benzodiacepinas como el zolpidem
crean adicción y deben ser administrados con
precaución.
El alcohol deprime el sistema nervioso central mediante varios mecanismos, uno de los
de receptores purinérgicos son P2X y P2Y. P2X es un receptor
ionotrópico cuyo canal permite que pasen los cationes, especialmente los iones de sodio y calcio. Tanto el sodio como el calcio
penetran en la célula a través de estos canales, despolarizándola.
Por tanto, la comunicación en los receptores P2X es excitatoria.
Entre los neurotransmisores que pueden activar los receptores
P2X se encuentran el ATP y el ADP. P2Y es un receptor metabótropo acoplado a proteínas G. La adenosina, el ADP y el ATP son
todos neurotransmisores que pueden unirse al receptor P2Y.
Además de los receptores purinérgicos, ciertos receptores solo
se unen a la adenosina, los receptores A1 y A2.
Una vez liberados en la hendidura sináptica, los neurotransmisores de tipo purina pueden ser degradados por enzimas. Las
nucleotidasas degradan el ADP y el ATP, mientras que la adenosina desaminasa degrada la adenosina.
cuales implica a los receptores GABAA. De
manera parecida a las benzodiacepinas, el
alcohol aumenta las acciones de GABA en los
receptores GABAA, aunque las acciones del
alcohol parecen tener lugar en la membrana
celular y no en el receptor en sí. El alcohol, las
benzodiacepinas y el zolpidem interactúan en
los mismos receptores. Por tanto, su administración conjunta puede ser peligrosa, porque
la respuesta es sinérgica (esto es, la respuesta
de dos fármacos cualesquiera administrados
conjuntamente es mayor que la respuesta de
la suma de cada uno por separado).
El alcohol deprime el sistema nervioso central.
Neuropéptidos
Los neuropéptidos son cadenas cortas de aminoácidos que se
sintetizan del mismo modo que las proteínas. Se han encontrado más de 50 de estos compuestos en las neuronas, en las que su
funcionamiento como neurotransmisores está bien establecido
o es muy probable. Como otros péptidos o proteínas que se
secretan de las células, los neuropéptidos son sintetizados en el
retículo endoplásmico rugoso y el aparato de Golgi los empaqueta en vesículas secretoras. En las neuronas, estos acontecimientos tienen lugar en el cuerpo celular, que es la única parte
de la célula que contiene la dotación necesaria. Después de esta
síntesis y del empaquetamiento, las vesículas secretoras son lentamente transportadas a lo largo del axón hasta el axón terminal,
donde son almacenadas. Muchos de los neuropéptidos se cono-
212
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
cen más clásicamente como hormonas, entre las que se encuentran la TRH, que regula la liberación de otra hormona llamada
TSH; la vasopresina, que regula la salida de orina desde el riñón;
la oxitocina, que regula las contracciones uterinas y la salida de
leche de los pechos, y la sustancia P, que disminuye la motilidad
digestiva. Entre los neuropéptidos también se encuentran los
opioides endógenos, con efectos similares a la morfina. Dos
exponentes de los opioides endógenos son las encefalinas y las
endorfinas, ya mencionadas al comienzo de este capítulo.
Un neuropéptido de descubrimiento más reciente es la
orexina, un neurotransmisor hipotalámico que regula los ciclos
de sueño-vigilia. Concretamente, la orexina induce el despertar.
Actualmente, las empresas farmacéuticas están estudiando el
potencial de la orexina sintética como tratamiento contra la narcolepsia, una enfermedad en la que una persona, de manera
súbita y con frecuencia inesperada, se duerme. Otros estudios
sugieren que la orexina podría utilizarse para evitar el sueño,
igual que como se utiliza la cafeína hoy en día.
La mayoría de los neuropéptidos están situados junto a otros
neurotransmisores en las mismas neuronas, esto es, se liberan
desde el mismo axón terminal. Los neuropéptidos a menudo
actúan sobre receptores metabótropos y modulan la respuesta
de la neurona postsináptica al neurotransmisor adyacente.
Por tanto, la liberación de óxido nítrico se controla mediante la
regulación de la tasa de síntesis en una reacción catalizada por
la enzima óxido nítrico sintasa. Después de su liberación, el
óxido nítrico difunde hacia las células diana, que no están
necesariamente conectadas con la célula secretora en una
sinapsis. Una vez que el óxido nítrico llega a la célula diana,
penetra en ella por difusión y modifica la actividad de las proteínas. Al degradarse rápidamente por sí mismo sin la ayuda de
enzimas, su vida es muy corta y solamente dura unos pocos
segundos.
Puede que el óxido nítrico no sea el único gas que funciona
como neurotransmisor. Existen evidencias recientes que sugieren que el monóxido de carbono también podría ser un neurotransmisor.
Los endocannabinoides son una familia de sustancias químicas elaboradas en las neuronas a partir de los fosfolípidos de
la membrana. Su producción es estimulada por un aumento de
los niveles de calcio en el citosol. Una de las clases de receptores
endocannabinoides identificada en el sistema nervioso central
son los receptores CB1, que son metabótropos. Un fármaco cuya
diana es el receptor CB1 es el tetrahidrocannabinol (THC), el
componente activo del cannabis, o marihuana.
Test rápido 8.5
Neurotransmisores únicos
Se han identificado varias sustancias químicas en las neuronas
que parecen funcionar como neurotransmisores, a pesar
de que no estén almacenadas en vesículas sinápticas ni sean
liberadas por exocitosis. Dos de estas sustancias son el gas óxido nítrico y los endocannabinoides. El óxido nítrico tiene una
estructura especialmente sencilla, un átomo de nitrógeno y un
átomo de oxígeno. Además, no encaja en el patrón general de
funcionamiento de los neurotransmisores, en el sentido de que
no es sintetizado y almacenado en vesículas sinápticas antes de
su liberación. En su lugar, se libera en cuanto se sintetiza, porque puede cruzar la membrana plasmática con gran facilidad.
1. Explica cómo es posible que un neurotransmisor dado inhiba una
célula y excite otra.
2. Nombra los diversos tipos de neurotransmisores. ¿Cuáles son dominantes en el sistema nervioso periférico?
3. La mayoría de los neurotransmisores pequeños son sintetizados y
almacenados en el axón terminal antes de su liberación. ¿Cómo se
desvían los neuropéptidos de este patrón? ¿Cómo lo hacen la adenosina y los endocannabinoides?
4. A diferencia de otros neurotransmisores, el óxido nítrico no se une a
receptores en la superficie de una célula postsináptica. ¿Cómo ejerce
sus efectos?
RESUMEN DEL CAPÍTULO
Sinapsis eléctricas, pág. 197
Las neuronas se comunican con otras neuronas o con órganos efectores en las sinapsis, y lo hacen tanto mediante sinapsis eléctricas como mediante sinapsis químicas. Las
sinapsis eléctricas existen donde las uniones
comunicantes conectan a dos neuronas.
Nervous II, Anatomy Review, pág. 6
Sinapsis químicas, pág. 197
En una sinapsis química, la transmisión del
mensaje de una neurona presináptica a una
neurona postsináptica tiene lugar como respuesta a un potencial de acción en la neurona presináptica. El potencial de acción se
propaga desde la zona en que se desencadena hasta el axón terminal, donde estimula la
apertura de los canales de umbral de voltaje
de calcio. El calcio penetra en la célula, desencadenando la liberación de un neurotransmisor por exocitosis. El neurotransmi-
sor se une a receptores en la neurona
postsináptica, provocando una respuesta en
la neurona postsináptica, que normalmente
consiste en un cambio en sus propiedades
eléctricas.
La transducción de señal hace referencia
al mecanismo por el cual un mensajero produce una respuesta en una célula. En los
receptores ionotrópicos (de respuesta rápida), el neurotransmisor hace que los canales
iónicos se abran rápidamente, produciendo
un cambio inmediato en las propiedades
eléctricas de la célula. En los receptores
metabótropos (de respuesta lenta), el neurotransmisor activa una proteína G, que abre o
cierra los canales iónicos para cambiar las
propiedades eléctricas de la célula, o activa
una enzima que produce un mensajero
secundario. El mensajero secundario puede,
entonces, abrir o cerrar canales iónicos o
bien producir algún otro tipo de respuesta
en la célula.
Las sinapsis pueden ser excitatorias o
inhibidoras. En las sinapsis excitatorias, el
potencial de membrana de la neurona postsináptica se despolariza, acercándose al
umbral para generar un potencial de acción.
Esta despolarización se denomina PPSE. En
las sinapsis inhibidoras, el potencial de
membrana de la neurona postsináptica se
hiperpolariza o se estabiliza, reduciendo la
posibilidad de que la neurona comience un
potencial de acción. La hiperpolarización
recibe el nombre de PPSI.
Nervous II, Anatomy Review, págs. 7–8
Nervous II, Synaptic Transmission, págs. 2–14
Nervous II, Synaptic Potentials and Cellular
Integration, págs. 4–9
Integración neural, pág. 203
La integración neural es la suma espacial y
temporal de los potenciales sinápticos en el
C A P Í T U LO 8
cono axónico de una neurona postsináptica.
Si el cono axónico se despolariza hasta el
umbral, se generará un potencial de acción.
Una vez que la despolarización alcance el
umbral, las despolarizaciones mayores condicionarán que los potenciales de acción se
den con mayor frecuencia.
la liberación de un neurotransmisor desde
la célula postsináptica. En la facilitación
presináptica, se aumenta la comunicación
en una sinapsis concreta, mientras que en la
inhibición presináptica, la comunicación se
disminuye en una sinapsis específica.
Nervous II, Synaptic Potentials and Cellular
Integration, págs. 1–10
Neurotransmisores: estructura,
síntesis y degradación, pág. 207
Modulación presináptica, pág. 205
La comunicación sináptica puede ser modulada. El tipo de modulación más común
ocurre en las sinapsis axoaxónicas y se
denomina modulación presináptica. En
estas sinapsis, la célula presináptica modula
Las neuronas pueden liberar varios neurotransmisores. La acetilcolina es el neurotransmisor más abundante del sistema nervioso
periférico, aunque también se puede encontrar en el sistema nervioso central. Las aminas
biógenas comprenden las catecolaminas, la
serotonina y la histamina. Entre las catecola-
Transmisión sináptica e integración neural
213
minas se encuentran la noradrenalina, la
adrenalina y la dopamina. La noradrenalina
es otro neurotransmisor común del sistema
nervioso periférico. Otras clases de neurotransmisores incluyen los aminoácidos y los
neuropéptidos. Entre los neurotransmisores
de reciente descubrimiento se encuentran el
óxido nítrico y la ATP. Los neurotransmisores
se comunican uniéndose a receptores específicos para ellos. Generalmente, hay más de un
tipo de receptor para cada neurotransmisor y
la respuesta producida en la célula postsináptica puede variar considerablemente según
el tipo de receptor activado y del mecanismo
de acoplamiento implicado.
Nervous II, Synaptic Transmission, págs. 1–10
EJERCICIOS
Preguntas de opción múltiple
1. Supongamos que la fuerza electroquímica del anión X (X–) actúa para que el anión
salga de la célula. Si la unión de un neurotransmisor con su receptor abriera los
canales para X– en la célula postsináptica,
entonces la respuesta sería
a) un PPSE.
b) un PPSI.
c) la estabilización de la membrana.
d) no habría respuesta
2. Supongamos que se pudiera eliminar todo
el calcio del líquido extracelular que rodea
a una neurona. Esta eliminación inhibiría
la capacidad de una neurona para
a) producir potenciales de acción.
b) liberar neurotransmisor.
c) responder a la unión de un
neurotransmisor a su receptor.
d) degradar neurotransmisores.
3. Las vesículas sinápticas
a) almacenan calcio.
b) liberan neurotransmisores por
exocitosis.
c) degradan neurotransmisores.
d) forman uniones comunicantes.
e) sintetizan neurotransmisores.
4. Si los canales de sodio se cerraran en respuesta a un estímulo, entonces
a) la neurona se despolarizaría.
b) la neurona se hiperpolarizaría.
c) el potencial de membrana se
estabilizaría.
d) se produciría un mensajero
secundario.
e) la neurona permanecería en reposo.
5. Con mayor frecuencia, se produce un
PPSE rápido por la apertura de canales
a) selectivos para sodio.
b) selectivos para potasio.
c) de cloruro.
d) selectivos tanto para sodio como
para potasio.
e) selectivos para calcio.
6. La enzima que cataliza la síntesis de acetilcolina es la
a) adenilato ciclasa.
b) colinacetiltransferasa.
c) monoaminooxidasa.
d) acetilcolinesterasa.
e) catecol-O-metiltransferasa.
7. ¿Cuál de los siguientes neurotransmisores es una amina biógena, pero no una
catecolamina?
a) la noradrenalina
b) la serotonina
c) la dopamina
d) la adrenalina
8. ¿Cuál de los siguientes acontecimientos
es más probable que ocurra en una
sinapsis axoaxónica?
a) un PPSE
b) un PPSI
c) la estabilización del potencial de
membrana
d) una suma temporal
e) la modulación presináptica
9. ¿Qué ocurre con la concentración de
neurotransmisor en la hendidura sináptica cuando la frecuencia de los potenciales de acción aumenta en la neurona
presináptica?
a) aumenta
b) disminuye
c) permanece constante
10. Los PPSE de dos sinapsis diferentes ocurren al mismo tiempo y causan una despolarización mayor que la que causaría
cualquiera por separado. Esto es un
ejemplo de
a) estabilización de la membrana.
b) inhibición presináptica.
c) facilitación presináptica.
d) suma temporal.
e) suma espacial.
Preguntas objetivas
1. En las sinapsis eléctricas, ¿qué tipo de
unión existe entre las dos células?
2. Cuando la apertura de los canales iónicos permite que tanto los iones sodio
como potasio pasen a través de la membrana, no hay cambios en el potencial de
membrana, porque el sodio entra en la
célula y el potasio sale de ella. (verdadero/falso)
3. Los receptores de los neurotransmisores
se encuentran en las sinapsis (químicas/
eléctricas).
4. Que una sinapsis sea excitatoria o inhibidora viene determinado por el mecanismo de acoplamiento entre el receptor del
neurotransmisor y los canales iónicos
de la célula postsináptica. (verdadero/
falso)
5. La demora sináptica es el tiempo que tarda un potencial de acción en viajar desde
la zona de una célula presináptica en la
que se desencadena hasta el axón terminal. (verdadero/falso)
6. Un neurotransmisor dado podría ser
excitatorio en una sinapsis e inhibidor en
otra. (verdadero/falso)
7. Dado que la liberación de un neurotransmisor inhibidor es modificada por la
facilitación presináptica, la respuesta
de la célula postsináptica será de un grado (mayor/menor) de hiperpolarización.
8. La respuesta a un neurotransmisor es
más rápida en los receptores (ionotrópicos/metabótropos).
214
C A P Í T U LO 8
Transmisión sináptica e integración neural
9. Las enzimas que catalizan la degradación
de las catecolaminas son ———— y
————.
10. La adenilato ciclasa cataliza la formación
de ————.
Preguntas abiertas
lecturas del voltaje en las preguntas 1 y 3
hacen referencia al potencial de membrana
(Vm1 para la célula 1, etc.). Los potenciales de
acción se muestran como espigas verticales;
la barra horizontal que hay encima de la lectura del voltaje indica el período de tiempo
durante el que el electrodo estimulador estuvo encendido.
1. Describe la secuencia de acontecimientos que tienen lugar en una sinapsis química, comenzando con un potencial de
acción en la célula presináptica y terminando con una respuesta en la célula
postsináptica.
Neurona 1
2. Compara y contrasta los acontecimientos causados por la unión de los neurotransmisores a los receptores ionotrópicos y metabótropos.
Sinapsis 1
b) la estimulación hiperpolariza la
membrana celular.
c) la estimulación no tiene efectos en el
potencial de membrana de la célula.
d) la estimulación imita el efecto de un
neurotransmisor inhibidor.
2. Si observáramos un aumento de la frecuencia del potencial de acción en la
célula 2 durante la estimulación de
la célula 1, podríamos concluir que
a)
b)
c)
la sinapsis 1 es excitatoria.
la sinapsis 1 es inhibidora.
los resultados no son concluyentes.
3. Dados los siguientes resultados, ¿cuál
sería la conclusión que se podría sacar?
3. Explica la base iónica de un PPSE rápido.
Neurona 2
4. Expón cuál es la función de las sinapsis
axoaxónicas.
5. Describe los pasos del sistema de segundos mensajeros del cAMP. Explica cómo
el cAMP puede producir respuestas diferentes en los muy diversos tipos de células que lo utilizan como segundo mensajero.
Vm2
Sinapsis 2
Vm3
Neurona 3
Pensamiento crítico
Preguntas 1-3: El diagrama que se puede
observar a continuación muestra tres neuronas en una vía neural en la que la neurona 1
establece una sinapsis con la neurona 2, y la
neurona 2 establece una sinapsis con la neurona 3. La neurona 1 puede activarse artificialmente mediante un electrodo de estimulación que pase corriente por la membrana.
Se registran los potenciales de membrana de
las tres neuronas mediante un electrodo
intracelular conectado a un voltímetro. Las
Vm1
1. A partir de esta lectura del voltaje para la
célula 1, podemos concluir que
Vm1
a) la estimulación despolariza la
membrana celular.
a) La sinapsis 1 es excitatoria, mientras
que la sinapsis 2 es inhibidora.
b) La sinapsis 1 es inhibidora, mientras
que la sinapsis 2 es excitatoria.
c) Las sinapsis 1 y 2 son inhibidoras.
d) Las sinapsis 1 y 2 son excitatorias.
e) No es posible sacar una conclusión
definitiva.
4. La enfermedad de Alzheimer afecta a la
memoria y a la función cognitiva debido
a una pérdida de las neuronas colinérgicas en ciertas áreas del cerebro. Propón
una estrategia terapéutica a partir de lo
que has aprendido en este capítulo.
Las respuestas a las preguntas de las figuras, a «Comprueba tus conocimientos», a «Preguntas de opción múltiple»
y a «Preguntas objetivas» se encuentran al final del libro. Visita The Physiology Place (www.physiologyplace.com)
para obtener herramientas adicionales de estudio.
Sistema nervioso:
sistema nervioso central
Según lees esto, tu sistema nervioso central está realizando muchas
tareas, como percibir las palabras de la página, entenderlas y formular juicios acerca
9
de su importancia y de si deberían almacenarse en la memoria o no. Si sigues leyendo,
puede que empieces a integrar información con recuerdos
o pensamientos previos. Sin embargo, si estás leyendo esto a
altas horas de la noche, puede que te sientas soñoliento
e incluso te quedes dormido; en ese caso, puede que mañana
te acuerdes de algunas de las cosas leídas, pero no de muchas.
En cualquier caso, lo que ocurre cuando lees es una consecuencia del procesamiento del sistema nervioso central.
Una de las cosas que hace que el sistema nervioso sea tan
fascinante es que las neuronas realizan la mayoría de sus funciones, como aprendiste en los capítulos 7 y 8. Dado que
todas las neuronas operan según un pequeño conjunto de
principios bien comprendidos, ¿cómo es que las neuronas
son responsables de todas las complejidades y los misterios
del sistema nervioso? ¿En qué medida están las neuronas
implicadas cuando alguien se enfada o sueña despierto?
¿Cómo hacen las neuronas para que recordemos el nombre
de una persona o cómo funciona el corazón? Una neurona
sola no puede realizar ninguna de estas funciones, pero cuando miles de millones de neuronas (y la neuroglia asociada a
ellas) están organizadas para formar el sistema nervioso, las
neuronas realizan estas y otras miles de funciones más.
CONTENIDOS
Anatomía general del sistema nervioso central 216
Médula espinal 224
Encéfalo
229
Función integrada del SNC: los reflejos 236
Función integrada del SNC: el control motor voluntario
239
Función integrada del SNC: el lenguaje 242
Función integrada del SNC: el sueño 243
Función integrada del SNC: las emociones y la motivación 247
Función integrada del SNC: el aprendizaje y la memoria 247
Microfotografía fluorescente de las neuronas.
216
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central
OBJETIVOS
Los científicos trabajan para desentrañar los misterios del
encéfalo. Al ser la complejidad y las funciones del encéfalo tan
difíciles de comprender utilizando la metodología científica
actual, gran parte de lo que vas a estudiar en este capítulo comprende las partes generalmente aceptadas de una teoría en
constante desarrollo acerca del funcionamiento del sistema nervioso central. Tal vez algún día comprenderemos el funcionamiento del encéfalo del mismo modo que comprendemos, por
ejemplo, el de los pulmones o el de los riñones. Por ahora, examinemos la anatomía del sistema nervioso central.

Describir la anatomía del encéfalo y de la médula espinal
y relacionar sus estructuras con sus funciones. Indicar
qué estructuras protegen al sistema nervioso central
y cuáles están implicadas en las señales neurales.

Describir la anatomía, la fisiología y las consecuencias de la
barrera hematoencefálica.

Describir los suministros de energía del encéfalo y explicar por
qué el flujo de sangre es tan importante.

Definir arco reflejo. Describir las siguientes vías de los reflejos:
reflejo de estiramiento del huso muscular, reflejo de retracción
y reflejo extensor cruzado.
Anatomía general del sistema
nervioso central

Describir las áreas del encéfalo que contribuyen al control
voluntario de los músculos esqueléticos y las funciones básicas
que desempeñan dichas áreas.

Describir las diversas funciones de los dos centros del lenguaje:
el área de Wernicke y el área de Broca.
El sistema nervioso central (SNC) comprende el encéfalo y la
médula espinal. Como está compuesto por tejido blando con una
consistencia parecida a la de la gelatina, es particularmente vulnerable a sufrir daños por traumas físicos. Afortunadamente, el SNC
está protegido por la neuroglia, el hueso, el tejido conjuntivo y el
líquido cefalorraquídeo, todo lo cual se describe a continuación.

Describir las diferentes fases del sueño y cómo el encéfalo cambia
del estado dormido al estado consciente.

Describir los diferentes tipos de aprendizaje y memoria. Definir
plasticidad neural y explicar cómo contribuye al aprendizaje
y a la memoria.
Antes de empezar…
Asegúrate de que dominas los siguientes temas:
1. Uniones estrechas, pág. 39
2. Glucólisis, pág. 74
3. Organización del sistema nervioso, pág. 167
4. Neurotransmisores, pág. 207
5. Estructura de la neurona, pág. 168
6. La comunicación en las sinapsis, pág. 199
Neuroglia
Cuando pensamos en el sistema nervioso, pensamos en las neuronas. Sin embargo, del 75 al 90% del sistema nervioso central está
compuesto por diferentes tipos de neuroglia que proporcionan
soporte a las neuronas. Sin embargo, la función de la neuroglia en
la comunicación neural puede ir más allá del simple soporte.
Hay cinco tipos de neuroglia: las células de Schwann, los oligodendrocitos, la microglia, las células ependimarias y los astrocitos (fig. 9.1). La función de las células de Schwann y de los oligodendrocitos de formación de la mielina ya se describió en el
capítulo 7. La neuroglia libera factores de crecimiento implicados en el desarrollo del sistema nervioso. Estudios recientes
sugieren que la neuroglia y las neuronas se comunican entre sí.
Aquí discutimos el funcionamiento de los astrocitos y de la
microglia. En una sección posterior de este capítulo se describirán las células ependimarias.
7. Integración neural, pág. 203
A
prendimos algunos aspectos relacionados con la transmisión de señales eléctricas en las neuronas en el capítulo 7 y el traspaso de las señales químicas de una neurona
a otra durante las sinapsis en el capítulo 8. Sorprendentemente,
el sistema nervioso (con toda su complejidad) funciona principalmente a través de estos dos procesos básicos. En este capítulo, aprenderemos cómo las cadenas de conexiones neuronaneurona (vías neurales) permiten que el sistema nervioso central
realice todas sus complejas funciones.
El sistema nervioso central es el último responsable de
todo lo que percibimos, hacemos, sentimos y pensamos. Nos
da, a cada uno de nosotros, nuestra personalidad singular y
nuestro sentido de identidad propia. También realiza muchas
funciones críticas de las que no nos solemos dar cuenta. Por
ejemplo, coordina las actividades de todos nuestros sistemas
de órganos, función necesaria para el mantenimiento de la
homeostasis.
Se estima que el sistema nervioso central contiene unos 1011
de neuronas y 109 de sinapsis, todo ello contenido dentro de dos
estructuras impresionantes: el encéfalo y la médula espinal.
Astrocitos
Los astrocitos, así llamados porque su aspecto recuerda al de
una estrella, es una de las neuroglias más diversas y ejercen
muchas funciones en el sistema nervioso central. Los astrocitos
son necesarios para el desarrollo normal del sistema nervioso,
así como para su continuo mantenimiento a lo largo de toda la
vida. Estas células se encargan de dirigir el desarrollo de unos
capilares especiales que restringen el movimiento de ciertas
moléculas entre la sangre y el SNC, que en su conjunto reciben
el nombre de barrera hematoencefálica. Las células de Schwann
y los oligodendrocitos también contribuyen al desarrollo de las
neuronas, aunque en menor medida. Los astrocitos guían a
las neuronas en desarrollo hacia su correcto destino, y regulan el
desarrollo y el mantenimiento de las sinapsis. También pueden
ayudar en la regeneración de axones dañados.
Los astrocitos son esenciales para el mantenimiento de las
neuronas que rodean el medio extracelular normal, especialmente en las sinapsis. Son especialmente importantes para mantener
los niveles normales de potasio extracelular, un estado crítico
para la excitabilidad de las neuronas. Los astrocitos también eliminan ciertos neurotransmisores, como el glutamato y las aminas
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso central
Ventrículo
Célula
ependimaria
Sistema nervioso: sistema nervioso central
217
Sistema nervioso periférico
Capilar
Neurona
Astrocito
Célula de
Oligodendrocito
la microglia
Célula
de Schwann
FIGURA 9.1 Diferentes tipos de neuroglia del sistema nervioso.
La microglia protege al sistema nervioso central de sustancias
extrañas, como las bacterias y los restos de células muertas o
dañadas. Realizan esta función por fagocitosis y la liberación de
citocinas, de una manera parecida a como la realizan ciertas
células de la sangre. La microglia también protege a las neuronas
del estrés de la oxidación.
mielina en el sistema nervioso central. Es una enfermedad autoinmunitaria, lo cual significa que el sistema inmunológico ataca a
una parte del cuerpo, en este caso a los oligodendrocitos. La pérdida de mielina (y de algunos axones) en el sistema nervioso central
ralentiza o detiene la comunicación a lo largo de ciertas vías neurales. Entre los síntomas se encuentran una visión borrosa, debilidad
muscular y dificultades para mantener el equilibrio. La esclerosis múltiple se describe con más detalle en el capítulo 23.
La enfermedad de Alzheimer está causada por la pérdida de
neuronas colinérgicas en ciertas áreas del encéfalo y la sustitución de las neuronas perdidas por un tejido cicatricial denominado placas. Durante la regeneración de las neuronas colinérgicas,
los astrocitos y la microglia se vuelven muy activos. Estos tipos de
neuroglia liberan sustancias químicas inflamatorias que inducen
una mayor degeneración de las neuronas colinérgicas. Por tanto,
se establece un círculo vicioso. Entre los primeros signos de la
enfermedad de Alzheimer se pueden mencionar pérdida de
memoria y confusión. Los signos posteriores serían disfunción
motora, pérdida de las habilidades de comunicación y una disminución de las funciones cognitivas. El tratamiento es limitado,
principalmente debido a que es difícil diagnosticar la enfermedad antes de que alcance un estado avanzado. Las primeras fases
se tratan con inhibidores de acetilcolinesterasa, pero no son efectivos en los estados avanzados de la enfermedad.
La enfermedad de Parkinson es una enfermedad degenerativa que consiste en la pérdida de neuronas dopaminérgicas.
Como en la enfermedad de Alzheimer, se cree que la neuroglia
aumenta la degeneración neural mediante la producción de
agentes inflamatorios.
La neuroglia protege a las neuronas en sus cercanías más
inmediatas. Ahora vamos a tratar el soporte físico del SNC.
Neuroglias en las enfermedades neurodegenerativas
Soporte físico del sistema nervioso central
Cada vez hay más evidencia de que los diferentes tipos de neuroglia contribuyen a las enfermedades neurodegenerativas, como la
esclerosis múltiple, la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad
de Parkinson. La esclerosis múltiple es el resultado de la pérdida de
Las estructuras más externas que protegen los blandos tejidos
del sistema nervioso central son el cráneo, que rodea al encéfalo, y la columna vertebral, que rodea la médula espinal (fig. 9.2).
A pesar de que estas estructuras sean claramente beneficiosas,
biogénicas, de la hendidura sináptica. Un nivel excesivo de glutamato sería tóxico y contribuiría a que hubiera una dispersión del
daño neurológico durante un derrame cerebral.
Los astrocitos sintetizan y almacenan moléculas para que
sean utilizadas por las neuronas. Por ejemplo, sintetizan la glutamina, que después es liberada en el líquido intersticial y capturada por otras neuronas para formar glutamato, un neurotransmisor excitador. Los astrocitos almacenan algo de
glucógeno, que puede ser degradado a lactato; a continuación,
el lactato es transportado a las neuronas, donde supone una
fuente de energía importante en áreas activas del encéfalo.
Estudios recientes sugieren que los astrocitos desempeñan
un papel importante en la comunicación intercelular. Además
de regular la comunicación sináptica entre dos neuronas, tienen
la capacidad de comunicarse directamente con las neuronas y
con otros tipos de neuroglia. Las neuronas también se comunican con los astrocitos.
Finalmente, otros estudios recientes sugieren que los astrocitos trabajan conjuntamente con la microglia, que se describe a
continuación, en la protección de las neuronas de sustancias
tóxicas. Los astrocitos protegen a las neuronas del estrés de la
oxidación y ayudan a eliminar restos celulares.
Microglia
218
C A P Í T U LO 9
Sistema nervioso: sistema nervioso central
Calavera (cráneo)
Duramadre
Aracnoides
Meninges
craneales
Piamadre
Duramadre
Aracnoides
Meninges
espinales
Piamadre
Vértebra
Médula espinal
(a)
Cráneo
Senos
Duramadre
Vellosidades aracnoideas
Aracnoides
Espacio subaracnoideo
Piamadre
Encéfalo
Posterior (dorsal)
Médula espinal
Aracnoides
Duramadre
Piamadre
Vértebra
(b)
Anterior (ventral)
FIGURA 9.2 Estructuras protectoras del SNC. (a, b) Secciones de las estructuras protectoras del SNC.
Entre las estructuras óseas exteriores se incluyen el cráneo y las vértebras. Las meninges, situadas entre las
estructuras óseas y el blando tejido nervioso, están compuestas por tres capas: duramadre, aracnoides y
piamadre. La presencia amortiguadora del líquido cefalorraquídeo dentro del espacio subaracnoideo
proporciona otro nivel de protección adicional.
C A P Í T U LO 9
en el sentido de que hacen de armadura rígida que rodea el delicado tejido nervioso, su dureza también plantea un peligro
potencial: ¿qué podría evitar que el encéfalo, siendo blando,
chocara con la dura superficie interna del cráneo si, por ejemplo,
el coche en el que vamos a velocidad de autopista tuviera que
parar repentinamente? Entre el hueso y el tejido nervioso se
encuentran tres membranas llamadas meninges y una capa de
líquido denominado líquido cefalorraquídeo, que proporciona
protección contra impactos de este tipo.
Las meninges son tres membranas de tejido conjuntivo que
separan el tejido blando del SNC de los huesos que lo rodean
(v. fig. 9.2). Las tres membranas meníngeas son duramadre,
aracnoides y piamadre. Mater proviene del latín y significa
«madre», lo que da una idea de la naturaleza protectora de las
meninges. La duramadre es la capa más externa y la más cercana
al hueso. El nombre, también derivado del latín, indica que se
trata de un tejido duro y fibroso. La aracnoides es la capa media.
Su nombre viene del griego y significa «araña», lo que describe
de manera muy adecuada la estructura en forma de tela de araña. Normalmente, no hay ningún espacio entre la duramadre y
la aracnoides. La capa más interna, la piamadre, está inmediatamente adyacente al tejido nervioso. Pia proviene del latín y significa «tierno, suave». El espacio entre la piamadre y la aracnoides, denominado espacio subaracnoideo, está relleno de líquido
cefalorraquídeo.
El líquido cefalorraquídeo (LCR) es un líquido de color claro
y acuoso que baña el SNC; es similar (pero no idéntico) en su
composición al plasma (tabla 9.1). El LCR rodea completamente
al SNC y rellena una serie de cavidades situadas dentro del
encéfalo y de la médula espinal. El encéfalo contiene cuatro
cavidades de este tipo, llamadas ventrículos, que están en continuidad unas con otras. Dos ventrículos laterales en forma de C
están conectados por el agujero interventricular con un tercer
ventrículo situado en el centro. El acueducto cerebral o de Silvio
conecta el tercer ventrículo con el cuarto ventrículo, que se continúa con el conducto raquídeo, una cavidad cilíndrica larga y
fina que corre a lo largo de la médula espinal (fig. 9.3). El revestimiento de los ventrículos y del conducto raquídeo está compuesto por un tipo de neuroglia llamado células ependimarias,
que son una clase de célula epitelial.
El revestimiento de los ventrículos está vascularizado y forma
un tejido denominado plexo coroideo, compuesto por la piamadre, los capilares y las células ependimarias, y que participa en
la síntesis del LCR. El volumen total de LCR solo es de 125-150 ml,
pero, como se recicla unas tres veces al día, el plexo coroideo
debe producir 400-500 ml al día. A medida que se produce LCR,
TABLA 9.1 Composición del plasma y el líquido
cefalorraquídeo (LCR)*
Plasma
LCR
Glucosa (mg/dl)
8-100
45-80
Proteínas (mg/dl)
7.000
15-45
Sodio (mM)
145
149
Potasio (mM)
4
3,1
Cloro (mM)
103
129
Calcio (mM)
2,5
2,1
*Los niveles de LCR varían según dónde se tome la muestra.
Sistema nervioso: sistema nervioso central
219
circula por el sistema ventricular y entra en el espacio subaracnoideo a través de aberturas en el cuarto ventrículo. Finalmente,
el LCR del espacio subaracnoideo se reabsorbe en la sangre venosa gracias a estructuras especiales presentes en la aracnoides,
denominadas vellosidades aracnoideas (v. fig. 9.2b), situadas en
la parte superior del encéfalo.
Comprueba tus conocimientos
La hidrocefalia surge cuando un aumento del líquido cefalorraquídeo
hace que los ventrículos aumenten de tamaño. A partir de la
descripción anterior del sistema ventricular, describe un mecanismo
por el que los niveles de LCR puedan aumentar.
El LCR tiene varias funciones en el encéfalo. Actúa como
amortiguador que evita que el tejido nervioso suave colisione
con el duro hueso, porque el SNC flota esencialmente en el LCR.
El LCR también funciona como líquido intersticial que baña a las
neuronas y la neuroglia, proporcionando a estas células nutrientes esenciales y eliminando sus productos de desecho. El LCR
contr