Fisiologia medica ganong

Director editorial: Javier de León Fraga Corrección de estilo: Dra. Alma Rosa Higuera Murillo, Dra. Rita Gabriela León Jiménez Supervisor de edición: NormaLeticia García Carbajal Supervisor de producción: José Luis González Huerta NOTA La medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirán cambios de la terapéutica. El (los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosificación medicamentosa sean precisos y acordes con lo establecido en la fecha de publicación. Sin embargo, ante los posibles errores humanos y cambios en la medicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya participado en la preparación de la obra garantizan que la información contenida en ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha información se obtengan. Convendría recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habrá que consultar la hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la información de esta obra es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contraindicaciones para su administración. Esto es de particular importancia con respecto a fármacos nuevos o de uso no frecuente. También deberá consultarse a los laboratorios para recabar información sobre los valores normales. GANONG, FISIOLOGÍA MÉDICA Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS © 2010, respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V. A subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN: 978-607-15-0305-3 Translated from the twenty-third English edition of: Ganong's Review of a Medical Physiology Copyright © 2010 by McGraw-Hill Companies, Inc. All Rights Reserved ISBN: 978-0-07-160567-0 1234567890 Impreso en China 108976543210 Printed in China Contenido Prefacio S E C C I Ó N 14. Olfato y gusto IX 15. Actividad eléctrica del cerebro, estados de sueño-vigilia y ritmos circadianos 229 I BASES CELULARES Y MOLECULARES DE LA FISIOLOGÍA MÉDICA 1 1. Principios generales y producción de energía en fisiología médica 1 2. Revisión de la fisiología celular en fisiología médica 31 3. Inmunidad, infección e inflamación S E C C I Ó N 63 S E C C I Ó N III 149 24. Hipófisis NEUROFISIOLOGÍA CENTRAL Y PERIFÉRICA 167 11. Vías somatosensitivas 167 173 181 13. Audición y equilibrio 301 301 337 377 25. Gónadas: desarrollo y función del aparato reproductor 391 S E C C I Ó N 10. Dolor y temperatura IV 23. Control hormonal del metabolismo de calcio y fosfatos y fisiología de los huesos 363 8. Propiedades de los receptores sensitivos 157 19. Aprendizaje, memoria, lenguaje y habla 289 22. Médula y corteza suprarrenales 115 7. Neurotransmisores y neuromoduladores 129 9. Reflejos 261 21. Funciones endocrinas del páncreas y regulación del metabolismo de carbohidratos 315 93 6. Transmisión sináptica y de la unión 241 18. Regulación hipotalámica de las funciones hormonales 273 20. Glándula tiroides 79 5. Tejido excitable: músculo 17. Sistema nervioso autonómico FISIOLOGÍA ENDOCRINA Y DE LA REPRODUCCIÓN II 4. Tejido excitable: nervio 16. Control de la postura y el movimiento S E C C I Ó N FISIOLOGÍA DE LAS CÉLULAS NERVIOSAS Y MUSCULARES 79 12. Vista 219 V FISIOLOGÍA GASTROINTESTINAL 429 26. Características generales de la función y la regulación del sistema digestivo 429 27. Digestión, absorción y principios nutricionales 451 203 vii viii CONTENIDO 28. Motilidad gastrointestinal 469 S E C C I Ó N 29. Funciones transportadora y metabólica del hígado 479 S E C C I Ó N VI FISIOLOGÍA RESPIRATORIA 587 35. Función pulmonar FISIOLOGÍA CARDIOVASCULAR 489 36. Transporte de gas y pH en los pulmones 609 S E C C I Ó N 507 639 38. Función renal y micción 33. Mecanismos reguladores cardiovasculares 555 625 VIII FISIOLOGÍA RENAL 32. La sangre como fluido circulatorio y la dinámica del flujo sanguíneo y linfático 521 34. Circulación por regiones especiales 587 37. Regulación de la respiración 30. Origen del latido cardiaco y actividad eléctrica del corazón 489 31. El corazón como bomba VII 639 39. Regulación de la composición y el volumen del líquido extracelular 665 569 40. Acidificación de la orina y excreción de bicarbonato 679 Respuestas a las preguntas de opción múltiple Índice alfabético 689 687 Prefacio De los autores Nuevo formato de 22 28.5 cm Estamos muy complacidos por el lanzamiento de la 23ª edición de Ganong. Fisiología médica. Los autores actuales intentaron preservar los más altos estándares de excelencia, exactitud y pedagogía desarrollados por Fran Ganong, durante los 46 años en los que instruyó con este libro a incontables estudiantes en todo el mundo. Al mismo tiempo, nos adaptamos a las necesidades cambiantes de los estudiantes y los profesores en la fisiología médica. Por tanto, además de las actualizaciones usuales con la investigación y los avances más puestos al día en áreas, como la base celular de la fisiología y la neurofisiología, esta edición agregó auxiliares pedagógicos y de aprendizaje destacados para los estudiantes. Estamos muy agradecidos por los múltiples discernimientos, las sugerencias y las revisiones que recibimos de colegas y estudiantes de todo el mundo. ¡Esperamos que disfruten las nuevas características de la 23ª edición! Esta edición es una revisión del trabajo original del Dr. Fran Ganong. • Con base en grupos de estudiantes e instructores enfocados, aumentamos el tamaño, lo cual brinda espacio en blanco adicional para hacer posible el lucimiento del nuevo programa gráfico. Nuevas ilustraciones en cuatro colores Nuevos medios • Hemos trabajado con un gran equipo de ilustradores médicos, fotógrafos, educadores y estudiantes para conformar un nuevo programa de ilustración exacto, actualizado y visualmente atractivo. Se han integrado imágenes a todo color, así como cuadros en todo la obra, los cuales además incluyen leyendas de figuras detalladas que aportan información o describe el punto clave de la ilustración. • Esta edición se enfocó en la creación de un novedoso contenido para el lector, el cual se basa en los resultados de aprendizaje y la valoración del desempeño del estudiante. Nuevos casos clínicos en recuadros • Resaltados sobre un fondo sombreado para que los lectores puedan reconocer los casos clínicos en recuadro, se presentan ejemplos de enfermedades que ilustran principios fisiológicos importantes. Nuevas preguntas de opción múltiple para revisión al final de cada capítulo • Algo nuevo en esta edición: los capítulos ahora concluyen con preguntas de opción múltiple para revisión. ix CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica 1 SECCIÓN I BASES CELULARES Y MOLECULARES DE LA FISIOLOGÍA MÉDICA Principios generales y producción de energía en fisiología médica C A P Í T U L O 1 O B J E T I VO S Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de: ■ Nombrar los diferentes compartimientos de líquido en el cuerpo humano. ■ Definir moles, equivalentes y osmoles. ■ Definir pH y amortiguador. ■ Comprender el comportamiento de los electrólitos y definir los términos difusión, ósmosis y tonicidad. ■ Definir y explicar el potencial de membrana en reposo. ■ Comprender en términos generales las estructuras básicas de la célula: nucleótidos, aminoácidos, carbohidratos y ácidos grasos. ■ Comprender las estructuras complejas elaboradas a partir de estructuras básicas: DNA, RNA, proteínas y lípidos. ■ Comprender la participación de estas estructuras básicas en la conformación de la estructura celular, su función y equilibrio energético. INTRODUCCIÓN En organismos unicelulares, todos los procesos vitales ocurren en una sola célula. Conforme progresó la evolución de los organismos multicelulares, varios grupos celulares se organizaron en tejidos y órganos con funciones particulares. En seres humanos y otros animales vertebrados los grupos celulares especializados incluyen un aparato digestivo para la digestión y absorción de alimentos, un aparato respiratorio para la captación de O2 y eliminación de CO2; un aparato urinario para eliminar productos de desecho metabólico, un aparato cardiovascular para la distribución de nutrimentos, O2, y productos del metabolismo; un aparato reproductor para perpetuar a la especie; un aparato endocrino y el sistema nervioso para coordinar e integrar la función de los otros aparatos y sistemas. Este texto revisa la forma en que funcionan estos aparatos y sistemas y los medios por los cuales cada uno contribuye a las funciones corporales en conjunto. En esta sección se revisan conceptos generales y principios biofísicos y bioquímicos que son básicos para el funcionamiento de todos los aparatos y sistemas. El objetivo del primer capítulo consiste en la revisión de los principios biofísicos y bioquímicos y la introducción al análisis de los componentes moleculares que contribuyen a la fisiología celular. En el capítulo 2 se revisa la morfología y fisiología celular básica. En el capítulo 3 se analizan los procesos inmunitario e inflamatorio, y sus relaciones con la fisiología. 1 2 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica PRINCIPIOS GENERALES EL CUERPO COMO UNA “SOLUCIÓN” ORGANIZADA Las células que constituyen el cuerpo de los animales multicelulares (excepto las formas de vida más simple), ya sean acuáticos o terrestres, existen en un “mar interno” denominado líquido extracelular (extracellular fluid, ECF) delimitado por el aparato integumentario del animal. De este líquido, las células captan O2 y nutrimentos y hacia él vierten sus productos de desecho metabólico. El ECF se encuentra más diluido que el agua de mar de hoy en día, pero su composición simula estrechamente la que se encontraba en los océanos primordiales en los cuales, se supone, se originó la vida. En animales con un sistema vascular cerrado, el ECF se divide en dos componentes: el líquido intersticial y el plasma sanguíneo circulante. El plasma y los elementos celulares de la sangre, sobre todo los eritrocitos, llenan el sistema vascular y en conjunto constituyen el volumen sanguíneo total. El líquido intersticial es la porción del ECF que se encuentra fuera del árbol vascular, y que cubre a las células. Los líquidos especiales se consideran en conjunto como líquidos transcelulares, y se revisan más adelante. Casi una tercera parte del agua corporal total se encuentra en el espacio extracelular, y la porción restante se encuentra en el interior de la célula (líquido intracelular). En el adulto joven varón promedio, 18% del peso corporal está constituido por proteínas y sustancias relacionadas, 7% se compone de minerales y 15% corresponde a grasa. El restante 60% es agua. La distribución del agua se muestra en la figura 1-1A. El componente intracelular del agua corporal constituye casi 40% del peso del cuerpo y el componente extracelular, cerca de 20%. Casi 25% del componente extracelular se encuentra en el sistema vascular (plasma = 5% del peso corporal) y 75% se encuentra fuera de los vasos sanguíneos (líquido intersticial = 15% del peso corporal). Todo el volumen sanguíneo representa casi 8% del peso corporal total. El flujo entre estos espacios está estrictamente regulado. UNIDADES PARA LA MEDICIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE SOLUTOS Para considerar los efectos de varias sustancias con importancia fisiológica y las interacciones entre ellas, el número de moléculas, cargas eléctricas o partículas de una sustancia por unidad de volumen de un líquido corporal particular a menudo son más significativas que el simple peso de la sustancia por unidad de volumen. Por esta razón, las concentraciones fisiológicas con frecuencia se expresan en términos de moles, equivalentes, u osmoles. Moles Un mol es el peso molecular de una sustancia en gramos, es decir, el peso molecular de una sustancia en gramos. Cada mol consta de 6 × 1023 moléculas. El milimol (mmol) consta de 1/1 000 de 1 mol en tanto que el micromol (μmol) representa 1/1 000 000 de un mol. Así, 1 mol de NaCl = 23 g + 35.5 g = 58.5 g, y 1 mmol = 58.5 mg. El mol es la unidad estándar para expresar la cantidad de sustancias en el sistema internacional de unidades (SI). El peso molecular de una sustancia es el cociente de la masa de una molécula de la sustancia con la masa de un doceavo de la masa de un átomo de carbono-12. La masa molecular es un cociente y por tanto es adimensional. Un dalton (Da) es la unidad de masa que equivale a un doceavo de la masa de un átomo de carbono-12. Un kilodalton (kDa= 1 000 Da) es una unidad útil para expresar la masa molecular de las proteínas. Así, por ejemplo, se puede hablar de una proteína de 64 kDa o establecer que la masa molecular de una proteína es de 64 000 Da. No obstante, como el peso molecular es un cociente adimensional es incorrecto decir que el peso molecular de la proteína es de 64 kDa. Equivalentes El concepto de equivalencia eléctrica es importante en fisiología porque muchos de los solutos en el cuerpo se encuentran en forma de partículas cargadas. Un equivalente (eq) es 1 mol de una sustancia ionizada dividida entre su valencia. Un mol de NaCl se disocia en 1 eq de Na+ y 1 eq de Cl–. Un equivalente de Na+ = 23 g, pero 1 de Ca2+ = 40 g/2 = 20 g. Un miliequivalente (meq) corresponde a 1/1 000 de 1 equivalente. La equivalencia eléctrica no es necesariamente la misma que la equivalencia química. Un gramo equivalente es el peso de una sustancia que es químicamente equivalente a 8.000 g de oxígeno. La normalidad (N) de una solución es el número de gramos equivalentes en 1 L. Una solución al 1 N de ácido clorhídrico contiene tanto H+ (1 g) como Cl– (35.5 g) equivalentes = (1 g + 35.5 g)/L = 36.5 g/L. AGUA, ELECTRÓLITOS Y EQUILIBRIO ACIDOBÁSICO La molécula de agua (H2O) es un solvente ideal para las reacciones fisiológicas. El agua tiene un momento de dipolo en el cual el oxígeno desplaza ligeramente los electrones de los átomos de hidrógeno y crea una separación de cargas que lo convierte en una molécula polar, lo que permite que el agua disuelva diversos átomos y moléculas con carga. También permite que las moléculas de H2O interactúen con otras moléculas de agua a través de puentes de hidrógeno. La red de puentes de hidrógeno formada en el agua le da diversas propiedades fundamentales en la fisiología: (1) el agua tiene una tensión superficial elevada, (2) el agua posee una gran capacidad calórica y necesita temperaturas elevadas para la vaporización y (3) el agua tiene una constante dieléctrica alta. En términos simples, el agua es un líquido biológico excelente que actúa como soluto al tiempo que proporciona una transferencia óptima de calor y de conducción de corriente. Los electrólitos (p. ej., NaCl) son moléculas que se disocian en el agua a sus equivalentes catiónico (Na+) y aniónico (Cl–). Debido a la carga neta en las moléculas de agua, estos electrólitos no tienden a unirse nuevamente en el agua. Existen muchos electrólitos importantes en fisiología, entre los que resaltan Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl– y HCO3–. Es importante notar que los electrólitos y otros compuestos con carga (p. ej., proteínas) tienen distribución heterogénea en los líquidos corporales (fig. 1-1B). Estas diferencias desempeñan una función importante en la fisiología. CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica Intestinos Estómago Líquido extracelular: 20% del peso corporal Piel Riñones Plasma sanguíneo: 5% del peso corporal Pulmones 3 Líquido intersticial: 15% del peso corporal Líquido intracelular: 40% del peso corporal A Líquido extracelular 200 Plasma Líquido intracelular 50 Cl− Na+ Cl− Prot− K+ Na+ Prot− HCO3− K+ Membrana celular Na+ Capilares meq/L H2O 100 Fosfatos Líquido intersticial 150 K+ HCO3− HCO3− 0 B Cl− FIGURA 11 Organización de los líquidos y electrólitos corporales en los compartimientos. A) Los líquidos corporales se dividen en compartimientos intracelular y extracelular (ICF y ECF, respectivamente). Su contribución al porcentaje de peso corporal (tomando como referencia un varón adulto joven sano; existen ligeras variaciones con la edad y el género) destaca el dominio de los líquidos como componente corporal. Los líquidos transcelulares constituyen un porcentaje muy pequeño de los líquidos totales, y no se muestran. Las flechas representan el desplazamiento de líquidos entre los compartimientos. B) Los electrólitos y proteínas tienen distribución desigual entre los líquidos corporales. Esta distribución desigual es fundamental para la fisiología. Prot–, proteínas, las cuales tienden a tener una carga negativa en pH fisiológico. 4 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica pH Y ACTIVIDAD AMORTIGUADORA La conservación de una concentración estable de iones hidrógeno ([H+]) en los líquidos corporales es esencial para la vida. El pH de una solución se define como el logaritmo de base 10 inverso de la concentración de H+ ([H+]), es decir, el logaritmo negativo de [H+]. El pH del agua a 25°C, en la cual los iones de H+ y OH– se encuentran en las mismas cantidades, es de 7.0 (fig. 1-2). Por cada unidad de pH por debajo de 7.0, la concentración de [H+] se incrementa 10 veces; por cada unidad de pH por arriba de 7.0, disminuye 10 veces. El plasma de los individuos sanos tiene un pH ligeramente alcalino, que se mantiene en un margen estrecho de 7.35 a 7.45. Por el contrario, el pH gástrico puede ser bastante ácido (en el orden de 2.0) y las secreciones pancreáticas suelen ser muy alcalinas (con pH cercano a 8.0). La actividad enzimática y la estructura proteínica con frecuencia son sensibles al pH y en cualquier compartimiento corporal o celular la conservación del pH permite la eficiencia máxima de enzimas y proteínas. Las moléculas que actúan como donadores de H+ en las soluciones se consideran ácidas, en tanto que aquellas que tienden a eliminar H+ de las soluciones se consideran alcalinas. Los ácidos fuertes (p. ej., HCl) o bases fuertes (p. ej., NaOH) se disocian por completo en el agua y por lo tanto pueden cambiar más la concentración de [H+]en solución. En compuestos fisiológicos, la mayor parte de los ácidos o bases se consideran “débiles”, es decir, contribuyen con relativamente pocos H+ o eliminan pocos H+ de la solución. El pH corporal se estabiliza por la capacidad amortiguadora de los líquidos corporales. Un amortiguador es una sustancia que tiene la capacidad de enlazar o liberar H+ en una solución, con lo que se mantiene el pH relativamente constante pese a la adición de cantidades considerables de compuestos ácidos o básicos. Existe un gran número de amortiguadores que actúan en los líquidos biológicos en un momento dado. Todos los compuestos amortiguadores acoplados en una solución homogénea se encuentran en equilibrio con la misma concentración de iones hidrógeno, lo que se conoce como principio isohídrico. Una consecuencia de este principio es que al analizar un sistema amortiguador aislado, se puede comprender en gran medida pH 10−1 10−2 10−3 10−4 10−5 10−6 10−7 10−8 10−9 10−10 10−11 10−12 10−13 10−14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ÁCIDO Concentración de H+ (mol/L) ALCALINO Agua pura, [H+] = 10−7 mol/L FIGURA 12 Concentración de protones y pH. Se muestra la con- centración relativa de protones (H+) para las soluciones en comparación con una escala de pH. (Tomada de Alberts B et al: Molecular Biology of the Cell, 4th ed. Garland Science, 2002.) la forma en que se comportan todos los amortiguadores biológicos en ese sistema. Cuando se agregan ácidos a una solución, hay disociación de algunos de los componentes ácidos (HA) en su fracción de protón (H+) y ácido libre (A–). Esto con frecuencia se escribe como una ecuación: HA H+ + A– Según la ley de acción de masas, en términos matemáticos se puede definir una relación para la disociación como: Ka = [H+] [A–]/[HA] donde Ka es una constante y los corchetes representan las concentraciones de los compuestos individuales. En términos sencillos, el producto de la concentración de protones ([H+]) multiplicado por la concentración de ácido libre ([A–]) dividido entre la concentración de ácido no disociado ([HA]) es una constante definida (K). Esto puede expresarse de la siguiente manera: [H+] = Ka [HA]/[A–] Si se añade el logaritmo a cada lado de la ecuación: log [H+] = logKa + log[HA]/[A–] Ambos lados de la ecuación se multiplican por –1 con lo que se obtiene: –log [H+] = –logKa + log[A–]/[HA] Esto puede escribirse en una forma más convencional que se conoce como ecuación de Henderson Hasselbach: pH = pKa + log [A–]/[HA] Esta ecuación relativamente simple es de gran importancia. Un aspecto que se puede notar a simple vista es que la capacidad amortiguadora de un ácido débil en particular es mejor cuando su pKa es igual al pH de la solución, o cuando: [A–] = [HA], pH = pKa Se pueden aplicar ecuaciones similares a las bases débiles. Un amortiguador importante en el cuerpo es el ácido carbónico, el cual es un ácido débil y que se disocia sólo en parte en H+ y bicarbonato: H2CO3 H+ + HCO3– Si se añade H+ a la solución de ácido carbónico, el equilibrio se inclina hacia la izquierda y la mayor parte del H+ añadido se elimina de la solución. Si se añade OH–, se combinan H+ y OH– con lo que se elimina H+ de la solución. Sin embargo, la disminución se contrarresta por una mayor disociación de H2CO3 y se minimiza la reducción en la concentración de H+. Una característica singular del bicarbonato es la relación entre su capacidad amortiguadora y la capacidad de los pulmones para eliminar dióxido de carbono del cuerpo. Otros amortiguadores de importancia biológica incluyen los fosfatos y las proteínas. DIFUSIÓN La difusión es el proceso por el cual se expande un gas o una sustancia en una solución, debido al movimiento de sus partículas, para ocupar todo el volumen disponible. Las partículas CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica (moléculas o átomos) de una sustancia disueltas en un solvente se encuentran en movimiento aleatorio continuo. Una partícula tiene la misma posibilidad de desplazarse hacia el interior o al exterior del área en la cual se encuentra en altas concentraciones. No obstante, como hay más partículas en el área de alta concentración, el número total de partículas que se desplazan a áreas de baja concentración es mayor; es decir, existe un flujo neto de partículas de soluto de las áreas de alta concentración a las de baja concentración. El tiempo necesario para el equilibrio por medio de difusión es proporcional al cuadrado de la distancia de difusión. La magnitud de la tendencia de difusión de una región a otra es directamente proporcional al área a través de la cual tendrá lugar la difusión y al gradiente de concentración o gradiente químico, el cual es la diferencia de la concentración de la sustancia que se difunde dividida entre el grosor de la capa a través de la cual ocurre la difusión (ley de difusión de Fick). Así, J = –DA Δc Δx en donde J es el cociente neto de difusión, D es el coeficiente de difusión, A es el área y Δc/Δx es el gradiente de concentración. El signo negativo indica la dirección de la difusión. Cuando se considera el movimiento de moléculas de mayor a menor concentración, Δc/Δx es negativo, así multiplicando por –DA da un valor positivo. Las permeabilidades de los límites a través de la cual ocurre la difusión en el cuerpo varían, pero la difusión es aún una fuerza importante que afecta la distribución de agua y solutos. ÓSMOSIS Cuando una sustancia se disuelve en agua, la concentración de moléculas de agua en la solución es inferior a la que se encuentra en el agua pura, porque la adición de soluto ocasiona que dicha solución ocupe un mayor volumen en comparación con el agua sola. Si la solución se coloca en un lado de una membrana que es permeable al agua pero no al soluto, y se coloca un volumen igual de agua del otro lado, las moléculas de agua se difunden hacia un menor gradiente de concentración (químico) a la solución (fig. 1-3). Este proceso se denomina ósmosis y consiste en la difusión de moléculas de solvente hacia la región en la cual hay concentraciones más elevadas del soluto para el cual la membrana es impermeable. Este es un importante factor en los procesos fisiológicos. La tendencia para el desplazamiento de moléculas de solvente a la región con mayor concentración de solutos puede evitarse al aplicar presión a la solución más concentrada. La presión necesaria para evitar la migración de solvente es la presión osmótica de la solución. La presión osmótica (al igual que la disminución de la presión del vapor, la disminución del punto de congelación y la elevación del punto de ebullición) depende del número más que del tipo de partículas en una solución; esto constituye una propiedad coligativa fundamental de las soluciones. En una solución ideal la presión osmótica (P) se relaciona con la temperatura y el volumen en la misma forma que la presión de un gas: P= nRT V donde n es el número de partículas, R es la constante del gas, T es la temperatura absoluta y V es el volumen. Si T se mantiene constante, es claro que la presión osmótica es proporcional al Membrana semipermeable 5 Presión FIGURA 13 Diagrama que representa la ósmosis. Las moléculas de agua se representan con círculos claros, las moléculas de soluto, con círculos oscuros. En el diagrama del lado izquierdo, se coloca agua en un lado de la membrana permeable a ella, pero no al soluto, y se agrega un volumen igual de solución de soluto en el otro lado. Las moléculas de agua se desplazan siguiendo su gradiente de concentración (químico) hacia la solución y, como se muestra en el diagrama del lado derecho, se incrementa el volumen de la solución. Como lo indica la flecha del lado derecho, la presión osmótica es aquella que debería aplicarse para evitar el desplazamiento de las moléculas de agua. número de partículas en la solución por unidad de volumen. Por esta razón, la concentración de partículas con actividad osmótica suele ser expresada en términos de osmoles. Un osmol (osm) equivale al peso molecular en gramos de una sustancia dividida entre el número de partículas en movimiento libre que cada molécula libera a la solución. Para las soluciones biológicas, más a menudo se utilizan los miliosmoles (mosm; 1/1 000 de 1 osm). Si el soluto es un compuesto no ionizante, como la glucosa, la presión osmótica es una función del número de moléculas de glucosa presentes. Si el soluto se ioniza y forma una solución ideal, cada ion es una partícula con actividad osmótica. Por ejemplo, el NaCl podría disociarse en iones de Na+ y Cl–, de forma que cada mol en la solución proporcionaría 2 osm. Un mol de Na2SO4 se disociaría en Na+, Na+ y SO42– originando 3 osm. Sin embargo, los líquidos corporales no son soluciones ideales, y aunque la disociación de los electrólitos fuertes suele ser completa, el número de partículas libres que ejercen un efecto osmótico es reducido a causa de las interacciones entre los iones. Por tanto, la capacidad osmótica está determinada más por la concentración eficaz (actividad) que por el número de equivalentes de un electrólito en una solución. Esto explica, por ejemplo, que 1 mmol de NaCl por litro en los líquidos corporales contribuya con un poco menos de 2 mosm de partículas con actividad osmótica por litro. Mientras más concentrada sea la solución, mayor será la diferencia para ser una solución ideal. La concentración osmolal de una sustancia en un líquido se mide por el grado en el cual disminuye el punto de congelación, en donde 1 mol de una solución ideal disminuye el punto de congelación 1.86°C. El número de miliosmoles por litro en una solución equivale a una disminución del punto de congelación dividido entre 0.00186. La osmolaridad es el número de osmoles por litro de solución (p. ej., plasma), en tanto que la osmolalidad es el número de osmoles por kilogramo de solvente. Por tanto, la osmolaridad se ve afectada por el volumen de diversos solutos en la solución y por la temperatura, en tanto que la osmolalidad no se afecta. Las sustancias con actividad osmótica en el cuerpo se disuelven en agua y la densidad de ésta es de 1, de forma que las concentraciones osmolales pueden expresarse en términos de osmoles por litro (osm/L) de agua. En esta 6 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica obra, se consideran las concentraciones osmolales más que las osmolares, y la osmolalidad se expresa en términos de miliosmoles por litro (de agua). Obsérvese que aunque una solución homogénea contenga partículas con actividad osmótica y pueda decirse que tiene presión osmótica, sólo puede ejercer una presión osmótica cuando se encuentra en contacto con otra solución a través de una membrana permeable al solvente pero no al soluto. CONCENTRACIÓN OSMOLAL DEL PLASMA: TONICIDAD El punto de congelación del plasma humano normal es en promedio –0.54°C, lo que corresponde a una concentración osmolal en el plasma de 290 mosm/L. Esto equivale a una presión osmótica en comparación con el agua pura de 7.3 atm. Puede esperarse que la osmolalidad sea mayor que esta cifra, porque la suma de todos los equivalentes de cationes y aniones en el plasma es mayor de 300. Esta cifra no es tan alta porque el plasma no es una solución ideal, y las interacciones iónicas reducen el número de partículas libres para ejercer el efecto osmótico. Con excepción de los casos en los que ha habido tiempo insuficiente después de un cambio súbito en la composición para que ocurra el equilibrio, todos los compartimientos hídricos del cuerpo se encuentran en equilibrio osmótico (o muy cerca del mismo). El término tonicidad se utiliza para describir la osmolalidad de una solución con respecto al plasma. Las soluciones que tienen la misma osmolalidad que el plasma se denominan isotónicas; aquellas con mayor osmolalidad se denominan hipertónicas en tanto que aquellas con menores cifras de osmolalidad son hipotónicas. Todas las soluciones que al inicio son isoosmóticas con el plasma (es decir, todas aquellas que tienen la misma presión osmótica o depresión del punto de congelamiento que el plasma) permanecerían isotónicas de no ser por el hecho de que algunos solutos se difunden hacia las células y otros se metabolizan. Así, una solución salina al 0.9% permanece isotónica porque no existe desplazamiento neto de partículas con actividad osmótica de la solución hacia las células, y las partículas no se metabolizan. Por otra parte, una solución glucosada al 5% es isotónica al momento en el que se administra por vía intravenosa, pero la glucosa sufre metabolismo, de forma que el efecto neto es la aplicación de una solución hipotónica. Es importante notar las contribuciones relativas de diversos componentes del plasma a la concentración osmolal total del plasma. De los 290 mosm presentes en cada litro de plasma normal, casi 20 mosm corresponden a Na+ y aniones acompañantes, sobre todo Cl– y HCO–3. Otros cationes y aniones contribuyen relativamente poco. Aunque la concentración de proteínas plasmáticas es muy alta cuando se expresa en g/L, por lo común contribuyen con menos de 2 mosm/L por sus elevados pesos moleculares. Los principales solutos no electrolíticos del plasma son glucosa y urea, que en condiciones habituales se encuentran en equilibrio con las células. Su participación con la osmolalidad suele ser cercana a 5 mosm/L pero puede ser mucho mayor en estados de hiperglucemia o uremia. La osmolalidad plasmática total es importante para valorar la deshidratación, hidratación excesiva y otras anomalías de líquidos y electrólitos (recuadro clínico 1-1). RECUADRO CLÍNICO 1-1 Osmolalidad plasmática y enfermedad A diferencia de las células vegetales, que tienen paredes celulares rígidas, las membranas celulares de animales son flexibles. Por tanto, las células animales se expanden cuando se exponen a un líquido extracelular hipotónico y reducen su tamaño cuando se exponen a líquido extracelular hipertónico. Las células contienen conductos iónicos y bombas que pueden ser activadas por cambios moderados en la osmolalidad; sin embargo pueden ser superadas bajo ciertas situaciones patológicas. La hiperosmolalidad puede causar coma hiperosmolar. Por la participación predominante de los principales solutos y la desviación que tiene el plasma con respecto a una solución ideal, es posible aproximar en términos generales la osmolalidad plasmática con una variante de unos mosm/L al utilizar la siguiente fórmula, en la cual las constantes convierten las unidades clínicas a mmol de soluto por litro: Osmolalidad (mosm/L) = 2 [Na+] (meq/L) + 0.055 [glucosa] (mg/100 ml) + 0.36[BUN] (mg/100 ml) El BUN es el nitrógeno ureico sanguíneo. La fórmula también es útil para detectar concentraciones anormalmente elevadas de otros solutos. Una osmolaridad plasmática observada (medida por disminución del punto de congelación) que excede en gran medida el valor predicho con esta fórmula probablemente indica la presencia de sustancias extrañas como etanol, manitol (en ocasiones administrado para reducir osmóticamente el volumen de las células con edema) o venenos como etilenglicol o metanol (componentes del anticongelante para automóviles). DIFUSIÓN NO IÓNICA Algunos ácidos y bases débiles son muy solubles en la membrana celular en su forma no disociada, mientras que no pueden atravesar la membrana en su forma con carga (es decir, en la forma disociada). En consecuencia, si las moléculas de una sustancia no disociada se difunden de uno a otro lado de la membrana y después se disocian, hay un movimiento neto apreciable de la sustancia no disociada de un lado de la membrana al otro. Este fenómeno se conoce como difusión no iónica. EFECTO DE DONNAN Cuando un ion en un lado de la membrana no se puede difundir a través de la misma, la distribución de otros iones para los cuales la membrana es permeable se ve afectada en una forma predecible. Por ejemplo, la carga negativa de un anión no difusible dificulta la difusión de cationes difusibles y favorece la difusión de aniones difusibles. Considérese la siguiente situación, X Y m + K+ Cl– Cl– K Prot– CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica en la cual la membrana (m) entre los compartimientos X y Y es impermeable a las proteínas con carga (Prot–) pero es permeable a K+ y Cl–. Asumiendo que la concentración de aniones y cationes a ambos lados de la membrana sea igual al inicio. Cl– se difunde siguiendo su gradiente de concentración de Y a X, en tanto que K+ se desplaza con el Cl– de carga negativa porque posee la carga opuesta. Por tanto [K+x] > [K+y] 7 de equilibrio entre la entrada y la salida de Cl–. Se denomina potencial de equilibrio al potencial de membrana en el cual existe este equilibrio. Su magnitud puede calcularse con la ecuación de Nernst en la siguiente forma: ECl = RT FZCl ln [Clo–] [Cli–] en donde ECl = potencial de equilibrio para Cl– Además, [K+x] + [Cl–x] + [Prot–x] > [K+y] + [Cl–y] esto es, se encuentran más partículas con actividad osmótica en el lado X que en el lado Y. Donnan y Gibbs mostraron que en presencia de un ion no difusible, los iones difusibles se distribuyen de forma tal que el equilibrio entre sus concentraciones sea igual: [K+x] [K+ y] = [Cl–y] [Cl– x] Despejando, [K+x] + [Cl–x] = [K+y] + [Cl–y] Esto se conoce como ecuación de Gibbs-Donnan, la cual se aplica para cualquier par de cationes y aniones de la misma valencia. El efecto de Donnan sobre la distribución de iones tiene tres efectos en el cuerpo que se mencionan a continuación y se revisan más adelante. En primer lugar, por la presencia de proteínas con carga (Prot–) en las células, hay más partículas con actividad osmótica en las células que en el líquido intersticial, y como las células animales tienen paredes celulares flexibles, la ósmosis podría favorecer su hinchazón y eventual ruptura si no fuera porque la Na, K ATPasa bombea iones de vuelta hacia el exterior de la célula. De esta manera, el volumen y la presión normal de la célula dependen de la Na, K ATPasa. En segundo lugar, como en condiciones de equilibrio la distribución de los iones que pasan a través de la membrana (m en el ejemplo utilizado) es asimétrica, existe una diferencia eléctrica a ambos lados de la membrana cuya magnitud puede determinarse por medio de la ecuación de Nernst. En el ejemplo mostrado, el lado X tendrá carga negativa con respecto al lado Y. Las cargas se alinean a lo largo de la membrana, con el gradiente de concentración para Cl– exactamente equilibrado por el gradiente eléctrico dirigido de manera opuesta y lo mismo ocurre para el K+. En tercer lugar, como hay más proteínas en el plasma que en el líquido intersticial, hay un efecto de Donnan sobre el desplazamiento de iones a través de la pared capilar. FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE LOS IONES Las fuerzas que actúan a través de la membrana celular sobre cada ion pueden analizarse por medios matemáticos. Los iones cloruro (Cl–) están presentes en mayores concentraciones en el líquido extracelular que en el interior de la célula, y tienden a difundirse siguiendo su gradiente de concentración hacia el interior de la célula. El interior de la célula es negativo con respecto al exterior, y los iones cloruro son desplazados hacia fuera de las células siguiendo su gradiente eléctrico. Se alcanza un estado R = constante de gas T = temperatura absoluta F = faradio (número de culombios por mol de carga) ZCl = valencia de Cl– (–1) [ClO–] = concentración de Cl– fuera de la célula [Cli–] = concentración de Cl– en el interior de la célula La conversión del logaritmo natural al logaritmo de base 10 y la sustitución de algunas de las constantes con valores numéricos da origen a la siguiente ecuación: ECl = 61.5 log [Cli–] [Clo–] a 37°C Nótese que al convertir a la expresión simplificada el cociente de la concentración se invirtió porque se eliminó la valencia –1 de Cl– de la expresión. El potencial de equilibrio para Cl– (ECl), calculado a partir de los valores estándar que se presentan en el cuadro 1-1, es de –70 mV, un valor idéntico al potencial de membrana medido en reposo (–70 mV). Por tanto, no se necesitan fuerzas adicionales a las representadas por los gradientes químico y eléctrico para explicar la distribución de Cl– a través de la membrana. Puede calcularse un potencial de equilibrio similar para K+ (EK): EK = RT FZK ln [Ko+] [Ki+] = 61.5log [Ko+] [K i+] a 37°C donde EK = potencial de equilibrio para K+ ZK = valencia de K+ (+1) [KO+] = concentración de K+ fuera de la célula [Ki+] = concentración de K+ en el interior de la célula R, T y F igual que en la ecuación anterior En este caso, el gradiente de concentración se dirige hacia afuera y el gradiente eléctrico hacia el interior de la célula. En las neuronas motoras espinales de los mamíferos, el EK es de –90 mV (cuadro 1-1). Como el potencial de membrana en reposo es –70 mV, hay más de K+ en las neuronas de lo que puede explicarse por los gradientes eléctricos y químicos. La situación para el Na+ es muy diferente a la del K+ y el Cl–. La dirección del gradiente químico de Na+ es hacia el interior de la célula, el área donde se encuentra en menor concentración, y el gradiente eléctrico sigue la misma dirección. El valor de ENa es de +60 mV (cuadro 1-1). Debido a que EK y ENa no son iguales SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica 8 CUADRO 11 Concentración de algunos iones NH2 en el interior y en el exterior de neuronas motoras espinales de mamíferos N N Adenina N Concentración (mmol/L de H2O) K Cl– 15.0 150.0 +60 150.0 5.5 –90 9.0 125.0 –70 O− −O P O− O P O− O P — — + CH2 Potencial de equilibrio (mV) — — NA+ Exterior de la célula — — Ion Interior de la célula N O O O O O CH H C H H HO OH Ribosa Monofosfato 5' de adenosina (AMP) Potencial de membrana en reposo = –70 mV. Difosfato 5' de adenosina (ADP) al potencial de membrana, se esperaría que la célula gradualmente ganara Na+ y perdiera K+ si solamente las fuerzas químicas y eléctricas actuaran a través de la membrana. Sin embargo, la concentración intracelular de Na+ y K+ permanece constante por la acción de la Na, K ATPasa que transporta en forma activa Na+ hacia el exterior de la célula y K+ hacia el interior de la misma (en contra de su respectivo gradiente electroquímico). ORIGEN DEL POTENCIAL DE MEMBRANA La distribución de iones a través de la membrana celular y la naturaleza de esta membrana explican el potencial de membrana. El gradiente de concentración para el K+ facilita su desplazamiento hacia afuera de la célula a través de los conductos de K+, pero su gradiente eléctrico sigue la dirección opuesta (hacia el interior de la célula). En consecuencia, se alcanza un equilibrio en el cual la tendencia del K+ para desplazarse al exterior de la célula se equilibra por su tendencia a desplazarse al interior de la misma, y en dicho equilibrio hay un ligero exceso de cationes fuera de la célula y de aniones en el interior. Esta situación se mantiene por la acción de la Na, K ATPasa, que utiliza la energía obtenida del ATP para bombear K+ de regreso al interior de la célula y mantiene la concentración intracelular de Na+ baja. La Na, K ATPasa desplaza tres moléculas de Na+ fuera de la célula por cada dos de K+ que entran, y por tanto también contribuye al potencial de membrana, lo que se conoce como bomba electrógena. Cabe resaltar que el número de iones que participan en el potencial de membrana es una fracción mínima del número total presente y que las concentraciones totales de iones positivos y negativos son iguales en cualquier sitio, excepto a lo largo de la membrana. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA Trifosfato 5' de adenosina (ATP) FIGURA 14 Derivados de adenosina ricos en energía. El trifosfato de adenosina se degrada hasta su base de purina y carbohidrato (lado derecho) y en sus derivados de fosfato ricos en energía (en la parte inferior). (Reproducida con autorización de Murray RK et al: Harper’s Biochemistry, 26th ed. McGraw–Hill, 2003.) orgánicos son de alta energía. Muchos, por ejemplo el de la glucosa-6-fosfato son enlaces de baja energía cuya hidrólisis produce 2 a 3 kcal/mol. Algunos de los intermediarios formados en el metabolismo de carbohidratos son fosfatos de alta energía, pero el compuesto de fosfatos de alta energía más importante es el trifosfato de adenosina (ATP). Esta molécula ubicua (fig. 1-4) es el almacén energético del cuerpo. Con su hidrólisis a difosfato de adenosina (ATP) libera energía directamente a procesos tales como la contracción muscular, el transporte activo y la síntesis de muchos compuestos químicos. La pérdida de otro fosfato para formar monofosfato de adenosina (AMP) libera más energía. Otro grupo de compuestos de alta energía son los tioésteres, derivados acílicos de mercaptanos. La coenzima A (CoA) es un mercaptano ampliamente distribuido que contiene adenina, ribosa, ácido pantoténico y tioetanolamina (fig. 1-5). La CoA reducida (que suele abreviarse HS–CoA) reacciona con grupos acilo (R–CO–) para dar origen a derivados R–CO–S– CoA. Uno de los principales ejemplos es la reacción de HS–CoA con el ácido acético para formar acetilcoenzima A (acetil-CoA), un compuesto de importancia fundamental en el metabolismo intermedio. La acetilcoenzima A contiene cantidades de energía mucho mayores que el ácido acético, y por tanto se combina fácilmente con sustancias en reacciones que de otra forma necesitarían energía externa.Por lo tanto, a menudo se conoce a la acetil-CoA como “acetato activo”. Desde el punto de vista energético, la formación de 1 mol de cualquier compuesto con acil-CoA equivale a la formación de 1 mol de ATP. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA La energía se almacena en enlaces entre los residuos de ácido fosfórico y ciertos compuestos orgánicos. Debido a que la energía de formación de enlaces en algunos de estos fosfatos es particularmente elevada, se liberan cantidades de energía relativamente grandes (10 a 12 kcal/mol) cuando se hidroliza el enlace. Los compuestos que contienen dichas uniones se denominan compuestos de fosfato de alta energía. No todos los fosfatos OXIDACIÓN BIOLÓGICA La oxidación es la combinación de una sustancia con O2, o la pérdida de hidrógeno, o bien de electrones. El proceso inverso se denomina reducción. Las reacciones de oxidación biológica son catalizadas por enzimas específicas. Los cofactores (iones simples) o las coenzimas (sustancias orgánicas no CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica Alanina β Ácido pantoténico H3C OH C CH CH2 O O H N C Tioetanolamina O CH2 CH2 H N C CH2 CH2 SH H3C NH2 O− N P O 9 N Adenina Pirofosfato O O P N N CH2 O O O− Coenzima A H H H H OH O −O P Ribosa 3 fosfato O O O O− R C OH + HS CoA C R S CoA + HOH FIGURA 15 Coenzima A (CoA) y sus derivados. Lado izquierdo: fórmula de la coenzima A reducida (HS-CoA) con sus componentes resaltados. Lado derecho: fórmula para la reacción de CoA con compuestos de importancia biológica para formar tioésteres. R, resto de la molécula. proteína-citocromo, reoxidando al NAD+ y al NADP+. El dinucleótido de flavina y adenina (FAD) se forma cuando se fosforila la riboflavina formando mononucleótido de flavina (FMN), el cual más tarde se combina con AMP dando origen al dinucleótido. FAD puede aceptar hidrógenos en una forma similar dando origen a sus derivados hidrogenados (FADH) y dihidrogenados (FADH2). El sistema de flavoproteína-citocromo es una cadena de enzimas que transfiere moléculas de hidrógeno al oxígeno, con lo cual se produce agua. Este proceso ocurre en la mitocondria. Cada enzima en la cadena es sometida a reducción y más tarde se reoxidan conforme el hidrógeno es transferido a lo largo de la cadena. Cada una de las enzimas es una proteína con un grupo no proteínico proteínicas) son sustancias accesorias que suelen actuar como transportadores para los productos de la reacción. A diferencia de las enzimas, las coenzimas pueden catalizar diversas reacciones. Varias coenzimas actúan como aceptores de hidrógeno. Una forma común de oxidación biológica es la eliminación de hidrógeno de los grupos R–OH, dando origen a R=O. En dichas reacciones de deshidrogenización, el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+) y el fosfato de dinucleótido de dihidronicotinamida y adenina (NADP+) captan hidrógeno, dando origen a dinucleótido de dihidronicotinamida y adenina (NADH) y fosfato dinucleótido de dihidronicotinamida y adenina (NADPH) (fig. 1-6). El hidrógeno se transfiere entonces al sistema de flavoNH2 N N H OH* OH H O CH2O H P O P — — H N — — N CONH2 O− OH O O O H Adenina Ribosa H Difosfato H Coenzima oxidada H OH H Nicotinamida H CONH2 + H+ + R' + R'H2 R H OH Ribosa CONH2 N+ +N OCH2 N R Coenzima reducida FIGURA 16 Estructura de las moléculas importantes en las reacciones de oxidación y reducción para producir energía. Arriba: fórmula del dinucleótido de nicotinamida y adenina oxidado (NAD+). El fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADP+) tiene un grupo fosfato adicional que se ubica en el sitio marcado con el asterisco. Abajo: reacción por la cual NAD+ y NADP+ se reducen para formar NADH y NADPH. R, resto de la molécula; R’, donador de hidrógeno. SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica 10 H+ Membrana externa Membrana interna ATP ADP FIGURA 17 Diagrama simplificado de transporte de protones a través de las láminas interna y externa de la membrana mitocondrial interna. El sistema de transporte de electrones (sistema de flavoproteína-citocromo) ayuda a crear el desplazamiento de H+ desde la lámina interna a la lámina externa. El regreso de los protones siguiendo su gradiente de concentración produce ATP. unido. La enzima final en la cadena es la oxidasa de citocromo c, que transfiere hidrógenos al O2 formando H2O. Contiene dos átomos de Fe y tres de Cu y tiene 13 subunidades. El proceso principal por el cual se forma ATP en el cuerpo es la fosforilación oxidativa. Este proceso utiliza la energía proveniente del gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial para producir enlaces de alta energía de ATP y se resume en la figura 1-7. Noventa por ciento del consumo de oxígeno en estado basal es mitocondrial, 80% del cual se acopla a la síntesis de ATP. Casi 27% del ATP se emplea en la síntesis de proteínas, y 24% lo utiliza la Na, K ATPasa, 9% se gasta en la gluconeogénesis, 6% lo usa la Ca2+ ATPasa, 5% la ATPasa de miosina y 3% se emplea en la síntesis de urea. BLOQUES MOLECULARES FUNDAMENTALES NUCLEÓSIDOS, NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS Los nucleósidos contienen un carbohidrato unido a una base con nitrógeno. Las bases de importancia fisiológica, purinas y N1 H C2 C 6 N 7 5C 8 CH 4C 3 N 9 N pirimidinas tienen estructuras anulares (fig. 1-8). Estas estructuras se unen a la ribosa o a la 2-desoxirribosa para completar el nucleósido. Cuando se añade un fosfato inorgánico al nucleósido se forma un nucleótido. Los nucleósidos y nucleótidos forman la estructura básica para el RNA y el DNA, así como para diversas coenzimas y moléculas reguladoras (p. ej., NAD+, NADP+ y ATP) de importancia fisiológica (cuadro 1-2). Los ácidos nucleicos de la dieta se digieren y se absorben las purinas y pirimidinas que contienen, pero la mayor parte de las purinas y pirimidinas se sintetiza a partir de aminoácidos, sobre todo en el hígado. Después se sintetizan los nucleótidos, RNA y DNA. El RNA se encuentra en equilibrio dinámico con el conjunto de aminoácidos, pero el DNA, una vez formado, es estable desde el punto de vista metabólico durante toda la vida. Las purinas y pirimidinas liberadas por la degradación de nucleótidos pueden reutilizarse o catabolizarse. Pequeñas cantidades se excretan sin cambios en la orina. Las pirimidinas son catabolizadas a aminoácidos β, alanina β y aminoisobutirato β. Estos aminoácidos tienen su grupo amino en el carbón β, antes que el carbón α típico de los aminoácidos con actividad fisiológica. El aminoisobutirato β es un producto de la degradación de la timina, y puede emplearse como medida del recambio de DNA. Los aminoácidos β se degradan hasta CO2 y NH3. El ácido úrico se forma por el catabolismo de las purinas y por síntesis directa a partir de pirofosfato de 5-fosforribosil (5-PRPP) y glutamina (fig. 1-9). En los humanos, el ácido úrico se excreta a través de la orina, pero en otros mamíferos el ácido úrico sufre oxidación adicional a alantoína antes de su excreción. La concentración normal de ácido úrico en los humanos es de casi 4 mg/100 ml (0.24 mmol/L). En el riñón, el ácido úrico se filtra, reabsorbe y secreta. En condiciones normales, 98% del ácido úrico filtrado se reabsorbe y el restante 2% constituye casi 20% de la cantidad total excretada. El restante 80% proviene de secreción tubular. La excreción de ácido úrico con un régimen alimentario sin purinas es de casi 0.5 g/24 h y en el caso de una dieta regular es de 1 g/24 h. El exceso de ácido úrico en sangre u orina es característico de la gota (recuadro clínico 1-2). Adenina: 6-amino purina CUADRO 12 Compuestos que contienen Guanina: 1-amino-6-oxipurina purinas y pirimidinas Hipoxantina: 6-oxipurina Xantina: 2,6-dioxipurina Tipo de compuesto Componentes Nucleósido Purina o pirimidinas más ribosa o 2-desoxirribosa Nucleótido (mononucleótido) Nucleósido más residuos de ácido fosfórico Ácido nucleico Muchos nucleótidos que forman una estructura de doble hélice de dos cadenas de polinucleótidos Nucleoproteínas Ácido nucleico más una o más proteínas básicas simples Contiene ribosa Ácido ribonucleico (RNA) Contiene 2-desoxirribosa Ácido desoxirribonucleico (DNA) H Núcleo de purina H N3 H C2 C 4 1 N Citosina: 4-amino-2-oxipirimidina 5C H 6C H Uracilo: 2,4-dioxipirimidina Timina: 5-metil-2,4-dioxipirimidina Núcleo de pirimidina FIGURA 18 Principales purinas y pirimidinas de importancia fisiológica. Las estructuras básicas de la purina y pirimidinas se muestran cerca de las moléculas representativas de cada grupo. Las oxipurinas y oxipirimidinas pueden formar derivados enólicos (hidroxipurinas e hidroxipirimidinas) por la migración de hidrógeno a los sustitutos de oxígeno. CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica Adenosina Guanosina RECUADRO CLÍNICO 1-2 Hipoxantina 5-PRPP + Glutamina Xantinooxidasa Xantina O Xantinooxidasa C HN C O C NH C C N H O NH Ácido úrico (excretado en seres humanos) O NH H2N C C C H C O N H 11 O NH Alantoína (excretado por otros mamíferos) FIGURA 19 Síntesis y degradación de ácido úrico. La adenosina se convierte en hipoxantina, que a su vez es convertida a xantina y esta última es convertida a ácido úrico. Las últimas dos reacciones son catalizadas por la xantinooxidasa. La guanosina se convierte directamente en xantina, en tanto que 5-PRPP y glutamina se convierten en ácido úrico. En algunos mamíferos ocurre una oxidación adicional del ácido úrico para formar alantoína. DNA El ácido desoxirribonucleico (DNA) se encuentra en bacterias, en el núcleo de células eucariotas y en las mitocondrias. Está formado por dos cadenas de nucleótidos extremadamente largas que contienen las bases adenina (A), guanina (G), timina (T) y citosina (C) (fig. 1-10). Las cadenas se mantienen unidas por puentes de hidrógeno entre las bases, con la unión de la adenina con la timina y la guanina con la citosina. Esta asociación estable forma una estructura helicoidal doble (fig. 1-11). La estructura helicoidal doble del DNA se compacta en la célula por la asociación con histonas y se compacta aún más en los cromosomas. Una célula diploide humana contiene 46 cromosomas. La unidad fundamental del DNA es un gen, el cual puede definirse como la secuencia de nucleótidos de DNA que contiene la información para la producción de una secuencia ordenada de aminoácidos para dar origen a una cadena polipeptídica. Las proteínas codificadas por un gen único pueden dividirse más tarde en varias proteínas con actividad fisiológica diferente. Se está acumulando información a tasas aceleradas con respecto a la estructura de los genes y de su regulación. La estructura básica de un gen eucariota típico se muestra en forma esquemática en la figura 1-12. Está constituido por una tira de DNA que incluye regiones codificadoras y no codificadoras. En las células eucariotas, a diferencia de las procariotas, las porciones de genes que dictan la formación de proteínas por lo general se Gota La gota es una enfermedad caracterizada por ataques recurrentes de artritis, depósitos de urato en articulaciones, riñones y otros tejidos y elevación de las concentraciones de ácido úrico en sangre y orina. La articulación que está afectada con más frecuencia al principio es la primera articulación metacarpofalángica. Hay dos formas de gota “primaria”. En la primera, se incrementa la producción de ácido úrico por diversas anomalías enzimáticas. En la otra, hay un déficit selectivo en el transporte tubular renal de ácido úrico. En la gota “secundaria”, las concentraciones de ácido úrico en los líquidos corporales se incrementan como consecuencia de disminución de la excreción o incremento en la producción por algún otro proceso patológico. Por ejemplo, hay disminución de la excreción en pacientes tratados con diuréticos tiazídicos y en aquellos con enfermedad renal. La producción se incrementa en casos de leucemia y neumonía por el incremento de la destrucción de leucocitos ricos en ácido úrico. El tratamiento de la gota se dirige al alivio de la artritis aguda con fármacos como la colchicina o antiinflamatorios no esteroideos y a la reducción de las concentraciones de ácido úrico en sangre. La colchicina no afecta el metabolismo de ácido úrico, y al parecer alivia los ataques de gota al inhibir la fagocitosis de cristales de ácido úrico por los leucocitos, un proceso que en cierta forma produce los síntomas articulares. La fenilbutazona y el probenecid inhiben la reabsorción de ácido úrico en los túbulos renales. El alopurinol inhibe directamente a la oxidasa de xantina en la vía de degradación de las purinas, y es uno de los fármacos utilizados para disminuir la producción de ácido úrico. fraccionan en varios segmentos (exones) separados por los segmentos que no se traducen (intrones). Cerca del sitio de inicio de la transcripción del gen existe un promotor, que es el sitio en el cual se unen la polimerasa de RNA y sus cofactores. A menudo incluyen la secuencia de timidina-adenina-timidinaadenina (TATA) lo que da origen a la secuencia TATA, la cual asegura que la transcripción inicia en el punto apropiado. Más lejos, en la región 5' se encuentran los elementos reguladores que incluyen secuencias favorecedoras e inhibidoras. Se estima que cada gen tiene en promedio cinco sitios reguladores. Las secuencias reguladoras en ocasiones se encuentran también en la región del extremo 3'. Ocurre mutación del gen cuando la secuencia de bases en el DNA se altera de su secuencia original. Dicha alteración puede afectar la estructura proteínica y transmitirse a las células hijas después de la división celular. Las mutaciones puntuales son sustituciones de una sola base. Diversas modificaciones químicas (p. ej., alquilación, intercalación de compuestos, o radiación ionizante) pueden conducir a cambios en las secuencias de DNA y a mutaciones. Se denomina genoma al grupo de genes dentro de la expresión completa del DNA en un organismo. Una indicación de la complejidad del DNA es el tamaño del genoma haploide humano (la información genética total); está constituido por 3 × 109 pares de bases que pueden codificar casi 30 000 genes. La información genética es el plano con las características heredables de una célula 12 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica NH2 Fosfato NH2 Fosfato N Base (citosina) O – O P O CH2 N O C H A O –O O – H H C C OH H H Base (citosina) P O C N O O CH2 O N O – C Carbohidrato (desoxirribosa) H Desoxirribonucleótido típico H H C C OH OH C Carbohidrato (ribosa) H Ribonucleótido típico Fosfato NH2 N O O P O CH2 O– N N O O Carbohidrato N O Nucleótido Adenina (DNA y RNA) N HN Guanina (DNA y RNA) O P O CH2 O– N NH2 N O NH2 N O Citosina (DNA y RNA) O P O CH2 O– O N O O CH3 NH O O P O CH2 N Timina (sólo DNA) O O O– O Uracilo (sólo RNA) NH O O P O CH2 – O N O O B FIGURA 110 Estructura básica de los nucleótidos y de los ácidos nucleicos. A) En el lado izquierdo, se muestra el nucleótido citosina con desoxirribosa y en el lado derecho, con ribosa como su carbohidrato principal. B) Las bases purina, adenina y guanina, se unen una con otra o con pirimidinas como citosina, timina o uracilo a través de un esqueleto de fosfodiéster entre los radicales 2’-desoxirribosilo unidos a bases nucleicas por enlaces N-glucosídicos. Nótese que los esqueletos tienen polaridad (es decir, dirección 5’ y 3’). La timina se encuentra sólo en el DNA, en tanto que en el RNA se encuentra el uracilo. CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica G Al momento de cada división de las células somáticas (mitosis), se separan las dos cadenas de DNA, cada una actúa como plantilla para la síntesis de una nueva cadena complementaria. La polimerasa de DNA cataliza esta reacción. Cada una de estas dobles hélices formadas de esta manera van a cada una de las células hija, de forma que la cantidad de DNA en cada célula hija es la misma que se encontraba en la célula original. El ciclo vital de las células que inicia después de la mitosis está altamente regulado y se conoce como ciclo celular (fig. 1-13). La fase G1 (o Gap 1) representa un periodo de crecimiento celular y divide el final de la mitosis de la fase de síntesis de DNA (fase S). Después de la síntesis de DNA, la célula entra en otro periodo de crecimiento, la fase G2 (o Gap 2). La finalización de esta etapa se caracteriza por condensación cromosómica y el inicio de la mitosis (etapa M). En las células germinativas ocurre división con reducción (miosis) durante la maduración. El resultado neto es que cada uno del par de cromosomas termina en cada una de las células germinativas maduras; en consecuencia, cada una de estas células contiene la mitad del material cromosómico que se encuentra en la célula somática. Por tanto, cuando un espermatozoide se une con un óvulo, el cigoto resultante tiene el complemento de DNA completo, la mitad del cual proviene del padre y la otra mitad de la madre. El término “ploidía” en ocasiones se emplea para referirse al número de cromosomas en las células. Las células diploides normales en reposo son euploides y se transforman en tetraploides justo antes de la división. La aneuploidía es una situación en la cual una célula contiene otra cifra diferente al número de cromosomas haploide o un múltiplo exacto del mismo, y este trastorno es común en las células cancerosas. A T A G C A REPLICACIÓN: MITOSIS Y MEIOSIS C T T Surco menor G C C G A 3.4 nm T Surco mayor T 13 A 2.0 nm FIGURA 111 Estructura bicatenaria del DNA. La estructura compacta tiene casi 2.0 nm de grosor y 3.4 nm entre cada vuelta completa de la hélice que contiene los surcos mayor y menor. Se mantiene la estructura de doble hélice por la formación de puentes de hidrógeno entre las purinas y pirimidinas a través de las tiras individuales de DNA. La adenina (A) se une a la timina (T) y la citosina (C) se une a la guanina (G). (Reproducida con autorización de Murray RK et al: Harper’s Biochemistry, 26th ed. McGraw-Hill, 2003.) a su descendencia. Las proteínas formadas a partir del plano del DNA incluyen toda las enzimas, que a su vez controlan el metabolismo celular. Cada célula somática con núcleo contiene el mensaje genético completo, pese a que existe una gran diferenciación y especialización en las funciones de los diversos tipos de células adultas. Sólo pequeñas partes del mensaje genético se transcriben normalmente. Así, la información genética por lo general se mantiene reprimida. No obstante, los genes se ven sujetos a control espacial y temporal. En primer lugar, bajo condiciones fisiológicas, la doble hélice requiere una interacción muy regulada de las proteínas para descubrir la información genética para la replicación, transcripción o ambos. Región reguladora Región promotora basal RNA Las tiras de DNA de doble hélice no se replican a sí mismas, sino que actúan como plantillas para ser ocupadas por bases complementarias para la formación de ácido ribonucleico (RNA) en el núcleo. El RNA difiere del DNA porque es una molécula monocatenaria, tiene uracilo en lugar de timina y su fracción de carbohidrato es ribosa en lugar de 2-desoxirribosa (fig. 1-13). La producción de RNA a partir de DNA se denomina transcripción. La transcripción puede conducir a la formación de varios tipos de RNA lo que incluye: RNA mensajero (mRNA), RNA de transferencia (tRNA), RNA ribosomal (rRNA), y otros tipos de RNA. La transcripción es catalizada por varias formas de polimerasa de RNA. Sitio de adición Poli(A) Sitio de inicio de la transcripción Exón DNA 5' CAAT Exón AATAAA TATA 5' Región no codificadora Intrón 3' 3' Región no codificadora FIGURA 112 Diagrama de los componentes de un gen eucariota típico. La región que produce los intrones y exones está delimitada por regiones no codificadoras. La región 5’ posee tramos de DNA que interactúan con las proteínas para facilitar o inhibir la transcripción. La región 3’ contiene un sitio de adición poli(A). (Modificada de Murray RK et al: Harper’s Biochemistry, 26th ed. McGraw-Hill, 2003.) 14 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica Ci toc i ne sia se Telo fa Anafase e afas Met e as of r P Fase mitósica Mitosis G2 Crecimiento y actividad finales antes de la mitosis G1 Replicación de los centriolos S Replicación de DNA Interfase FIGURA 113 Secuencia de eventos durante el ciclo celular. Inmediatamente después de la mitosis (M) la célula entra en una fase de inactividad (G1) antes de la fase de síntesis de DNA (S), una segunda fase de inactividad (G2) y de vuelta a la mitosis. En conjunto, las fases G1, S y G2 se denominan interfase (I). En la figura 1-14 se muestra la transcripción típica de un mRNA. Cuando está activado en forma apropiada, la transcripción del gen en el pre-mRNA inicia en el sitio caperuza (sitio cap) y termina casi 20 bases después de la secuencia AATAAA. La transcripción de RNA está cubierta en el núcleo por la adición de trifosfato de 7-metilguanosina al extremo 5'; esta cubierta es necesaria para la unión apropiada al ribosoma. Se añaden casi 100 bases de cola de poli(A) al segmento no traducido en el extremo 3' para ayudar a mantener la estabilidad del mRNA. El pre-mRNA formado por la cubierta y la adición de la cola de poli(A) es procesado por eliminación de los intrones y una vez que se ha completado la modificación postranscripcional, el mRNA maduro se desplaza al citoplasma. La modificación postranscripcional del pre-mRNA es un proceso regulado en el cual puede ocurrir empalme diferencial para formar más de un mRNA a partir de un pre-mRNA. Los intrones de algunos genes son eliminados por los empalmosomas, unidades complejas constituidas por proteínas y fragmentos pequeños de RNA. Otros intrones son eliminados por autoempalme por el RNA que contienen. A causa de los intrones y del empalme, puede formarse más de un mRNA a partir del mismo gen. La mayor parte de las formas de RNA en la célula participa en la traducción o síntesis de proteínas. En la figura 1-15 se muestra un esquema sencillo de la transición de la transcripción a la traducción. En el citoplasma, los ribosomas proporcionan una plantilla para el tRNA para suministrar aminoácidos específicos a una cadena polipeptídica creciente basada en secuencias específicas en el mRNA. Las moléculas de mRNA son más pequeñas que las moléculas de DNA y cada una representa la transcripción de un segmento pequeño de la cadena de DNA. CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica DNA en el extremo Intrones 15 AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS Exones AMINOÁCIDOS Gen Transcripción PremRNA DNA en el extremo Cap (caperuza) Poli(A) Procesamiento de RNA Poli(A) mRNA Poli(A) Traducción FIGURA 114 Transcripción de mRNA típico. Se muestran los pasos en la transcripción de un gen típico a mRNA. Cap, sitio caperuza (sitio cap). (Modificada de Baxter JD: Principles of endocrinology. En: Cecil Textbook of Medicine, 16th ed. Wyngaarden JB, Smith LH Jr (editors). Saunders, 1982.) Con fines de comparación, las moléculas de tRNA contienen 70 a 80 bases nitrogenadas, en comparación con cientos que hay en el mRNA y más de 3 mil millones en el DNA. En el cuadro 1-3 se presentan los aminoácidos que constituyen las estructuras básicas de las proteínas. Estos aminoácidos a menudo se refieren por sus abreviaturas de tres letras o de una sola letra. Varios aminoácidos de importancia, como la ornitina, 5-hidroxitriptófano, l-dopa, taurina y tiroxina (T4) se encuentran en el cuerpo pero están en las proteínas. En animales superiores, los isómeros levógiros (L) de los aminoácidos son la única forma natural que se encuentra en las proteínas. Los isómeros L de hormonas como la tiroxina son mucho más activos que los isómeros dextrógiros (D). Los aminoácidos pueden presentar reacciones ácidas, neutrales o alcalinas, lo cual depende de las proporciones relativas de grupos ácidos (–COOH) o básicos (–NH2) libres en la molécula. Algunos son aminoácidos esenciales desde el punto de vista nutricional, es decir, deben obtenerse de la dieta, porque no se pueden sintetizar en el organismo. La arginina y la histidina deben proporcionarse a través del régimen alimentario durante periodos de crecimiento rápido o recuperación de enfermedades, por lo que se les conoce como aminoácidos esenciales condicionales. Los restantes son aminoácidos no esenciales pues se pueden sintetizar in vivo en cantidades suficientes para satisfacer las necesidades metabólicas. DNA Tira de RNA formada a partir de una tira de DNA (transcripción) Adenilato de tRNA Aminoácido Modificación después de la transcripción Separación de cadenas Enzima activadora RNA mensajero Tripletes que codifican A3 A4 A 2 Traducción A1 Modificación después de la traducción Ribosoma Complejo de tRNA-aminoácido-adenilato A4 A3 A2 A1 Cadena peptídica FIGURA 115 Esquema de la transcripción a la traducción. A partir de la molécula de DNA, se produce RNA mensajero el cual se presenta al ribosoma. Es en el ribosoma donde el tRNA cargado se iguala con sus codones complementarios de mRNA para colocar el aminoácido y aumentar de tamaño la cadena polipeptídica. El DNA y RNA se representan como líneas con múltiples proyecciones cortas que representan las bases individuales. Los cuadros pequeños marcados con la letra A representan los aminoácidos individuales. 16 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica CUADRO 13 Aminoácidos que se encuentran en las proteínas* Aminoácidos con cadenas laterales alifáticas Aminoácidos con cadenas laterales ácidas o sus amidas Alanina (Ala, A) Ácido aspártico (Asp, D) Valina (Val, V) Asparagina (Asn, N) Leucina (Leu, L) Glutamina (Gln, Q) Isoleucina (Ile, I) Ácido glutámico (Glu, E) Aminoácidos sustituidos con hidroxilo Serina (Ser, S) Treonina (Thr, T) Aminoácidos que contienen azufre Ácido carboxiglutámico Argininac (Arg, R) Lisina (Lys, K) Hidroxilisinab (Hyl) Metionina (Met, M) Histidinac (His, H) Aminoácidos con cadenas laterales con anillos aromáticos (Gla) Aminoácidos con cadenas laterales que contienen grupos básicos Cisteína (Cys, C) Selenocisteínaa b Iminoácidos (contienen grupos imino, pero no grupos amino) Prolina (Pro, P) Fenilalanina (Phe, F) 4-hidroxiprolinab (Hyp) Tirosina (Tyr, Y) 3-hidroxiprolinab Triptófano (Trp, W) *Los marcados en negritas son aminoácidos esenciales. Las abreviaturas generalmente aceptadas, de tres letras y de una letra para los aminoácidos se muestran en paréntesis. a La selenocisteína es un aminoácido poco común en el cual el azufre de la cisteína se sustituye por selenio. El codón UGA suele ser el codón de interrupción, pero en ciertas situaciones codifica selenocisteína. b No hay tRNA para estos cuatro aminoácidos; se forman por modificación después de la traducción del aminoácido correspondiente no modificado en el enlace peptídico . Hay tRNA para la selenocisteína y los 20 aminoácidos restantes, y se incorporan en péptidos y proteínas bajo control genético directo. c La arginina e histidina en ocasiones se denominan “aminoácidos condicionalmente esenciales “; no son necesarios para la conservación del equilibrio de nitrógeno, pero son necesarios para el crecimiento normal. RESERVA DE AMINOÁCIDOS En el tubo digestivo se absorben pequeñas cantidades de proteínas y también algunos péptidos, la mayor parte de las proteínas se digiere y sus aminoácidos constituyentes se absorben. Las propias proteínas corporales sufren hidrólisis continua a aminoácidos y se resintetizan. La tasa de recambio de proteínas endógenas promedia 80 a 100 g/día, y es más intensa en la mucosa intestinal y prácticamente nula en la colágena, una proteína estructural extracelular. Los aminoácidos formados por desdoblamiento proteínico endógeno son idénticos a los derivados de las proteínas ingeridas. En conjunto forman la reserva de aminoácidos que satisface las necesidades corporales (fig. 1-16). proteínas. En esta obra las cadenas de aminoácidos que contienen dos a 10 residuos de aminoácidos se denominan péptidos, aquellas con más de 10 pero menos de 100 residuos de aminoácidos se denominan polipéptidos y las cadenas con 100 o más se denominan proteínas. Dieta Excreción urinaria Creatina PROTEÍNAS Las proteínas están constituidas por grandes cantidades de aminoácidos unidos en cadenas por enlaces peptídicos que unen un grupo amino con el grupo carboxílico de otro aminoácido (figura 1-17). Además, algunas proteínas contienen carbohidratos (glucoproteínas) y lípidos (lipoproteínas). Las cadenas más cortas de aminoácidos se denominan péptidos o polipéptidos. No se han definido bien los límites para denominar a estas estructuras como péptidos, polipéptidos o Proteínas corporales Reserva de aminoácidos Proteínas inertes (cabello, etc.) Transaminación Aminación Desaminación Reserva metabólica común + NH4 Purinas, Hormonas, pirimidinas neurotransmisores Urea FIGURA 116 Aminoácidos en el cuerpo. Hay una amplia red de recambio de aminoácidos en el cuerpo. Los cuadros representan grandes acumulaciones de aminoácidos y algunos de los intercambios comunes se representan con flechas. Obsérvese que la mayor parte de los aminoácidos proviene de la dieta y terminan en proteínas, sin embargo, una gran proporción de aminoácidos se interconvierte y pueden entrar y salir de la reserva metabólica común a través de reacciones de aminación. CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica H O R H H N C C H C OH O H H 17 H–N C N C C O R H R Aminoácido Cadena polipeptídica FIGURA 117 Estructura de aminoácidos y formación de enlaces peptídicos. Las líneas punteadas muestran los sitios donde se forman los enlaces peptídicos entre los aminoácidos. El área resaltada indica la liberación de H2O. R, resto del aminoácido. Por ejemplo, en la glicina, R = H; en el glutamato, R = —(CH2)2—COO–. El orden de los aminoácidos en la cadena péptica se denomina estructura primaria de una proteína. Las cadenas se tuercen y pliegan en formas complejas; el término estructura secundaria de una proteína se refiere a la disposición espacial producida por el torcimiento y plegamiento. Una estructura secundaria común es la formación de espirales regulares con 3.7 residuos de aminoácidos por vuelta (hélice α). Otra estructura secundaria común es la lámina β. Una lámina β antiparalela se forma cuando las cadenas polipeptídicas extendidas se pliegan hacia atrás y hacia adelante una con otra y se forman puentes de hidrógeno entre los enlaces peptídicos de las cadenas cercanas. También se pueden formar de láminas β paralelas entre las cadenas polipeptídicas. La estructura terciaria de una proteína es la disposición de las cadenas plegadas en capas, cristales o fibras. Muchas moléculas proteínicas están constituidas por varias proteínas o subunidades (p. ej., la hemoglobina), y el término estructura cuaternaria se emplea para referirse a la disposición de las subunidades en una estructura funcional. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS La síntesis de proteínas (traducción) es la conversión de la información codificada en el mRNA a proteínas (fig. 1-15). Como se describió antes, cuando el mRNA definitivo alcanza un ribosoma en el citoplasma, dicta la formación de una cadena polipeptídica. Los aminoácidos en el citoplasma se activan por la combinación con una enzima y monofosfato de adenosina (adenilato) y cada aminoácido activado se combina con una molécula específica de tRNA. Hay al menos un tRNA por cada 20 aminoácidos no modificados que se encuentran en grandes cantidades en las proteínas corporales de animales, pero algunos aminoácidos tienen más de un tRNA. El complejo de tRNA-aminoácido-adenilato se une a una plantilla de mRNA, un proceso que ocurre en los ribosomas. El tRNA “reconoce” el punto apropiado para unirse a la plantilla de mRNA porque en su extremo activo tiene un grupo de tres bases que son complementarias con tres bases en un punto particular de la cadena de mRNA. El código genético está constituido por tripletes (codones), que son secuencias de tres purinas, pirimidinas o combinaciones de purinas y pirimidinas; cada codón se relaciona con un aminoácido en particular. La traducción por lo común inicia en el ribosoma con una secuencia AUG (transcrita desde una secuencia ATG en el gen), la cual codifica a la metionina. Se añade el aminoácido amino terminal y se aumenta la longitud de la cadena con un aminoácido a la vez. El mRNA se une a la subunidad 40S del ribosoma durante la síntesis, la cadena polipeptídica formada se une a la subunidad 60S, y el tRNA se une a ambas. Conforme se añaden aminoácidos en el orden dictado por el codón, el ribosoma se desplaza a lo largo de la molécula de mRNA en forma de collar. La traducción se interrumpe en uno de tres codones de interrupción, o codones sin sentido (UGA, UAA o UAG) y la cadena polipeptídica se libera. Las moléculas de tRNA se utilizan de nuevo. Las moléculas del mRNA por lo común se vuelven a usar casi 10 veces antes de su sustitución. Es común que tengan más de un ribosoma en una cadena de mRNA a la vez. La cadena de mRNA más su grupo de ribosomas es visible en la microscopia electrónica como un agregado de ribosomas denominado polirribosoma. MODIFICACIÓN DESPUÉS DE LA TRADUCCIÓN Después de la formación de la cadena polipeptídica, se “dobla” en su forma biológica y puede modificarse aún más por una o más combinaciones de reacciones que incluyen hidroxilación, carboxilación, glucosilación o fosforilación de los residuos de aminoácidos; el desdoblamiento de los enlaces peptídicos que convierte a un polipéptido grande a una forma menor y por el plegamiento, empaquetamiento o plegamiento con empaquetamiento de la proteína a su configuración final, a menudo compleja. El plegamiento de proteínas es un proceso complejo que depende sobre todo de la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica. Sin embargo, en algunas situaciones, las proteínas recién sintetizadas se asocian con otras proteínas denominadas chaperones, que evitan el contacto inapropiado con otras proteínas y que aseguran la conformación final “apropiada” de la proteína recién sintetizada. Las proteínas también contienen información que ayuda a dirigirlas a los compartimientos celulares individuales. Muchas proteínas que serán secretadas o almacenadas en organelos y la mayor parte de las proteínas transmembrana poseen en su extremo amino terminal una señal peptídica (secuencia principal) que las guía al retículo endoplásmico. La secuencia está constituida por 15 a 30 residuos de aminoácidos predominantemente hidrófobos. La señal peptídica, una vez sintetizada, se une a una partícula de reconocimiento de señal (SRP), una molécula compleja constituida por seis polipéptidos y RNA 7S, uno de los RNA más pequeños. La SRP interrumpe la traducción hasta que se une con un translocón, un poro en el retículo endoplásmico de estructura heterotrimérica constituido por proteínas Sec 61. El ribosoma también se une, y la señal peptídica conduce al crecimiento de la cadena peptídica en la cavidad del retículo endoplásmico (fig. 1-18). La señal peptídica es des- 18 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica 5' 3' N SRP anormales se metabolizan con rapidez en individuos con hemoglobinopatías congénitas. UAA N N N C N N C CATABOLISMO DE AMINOÁCIDOS C N C N FIGURA 118 Traducción de proteínas en el retículo endoplásmico con base en la hipótesis de la señal. Los ribosomas sintetizan una proteína que se desplaza a lo largo del mRNA desde el extremo 5’ al extremo 3’. Cuando el péptido señal de una proteína destinada para secreción, la membrana celular, o los lisosomas surgen de una unidad grande del ribosoma, se unen a la partícula de reconocimiento de señal (SRP) y esto detiene más la traducción hasta que se une a un translocón en el retículo endoplásmico. N, extremo amino de la proteína; C, extremo carboxilasa de la proteína. (Reproducida con autorización de Perara E, Lingappa VR: Transport of proteins into and across the endoplasmic reticulum membrane. In: Protein Transfer and Organelle Biogenesis. Das RC, Robbins PW (editors). Academic Press, 1988.) doblada a continuación del resto del péptido por una peptidasa de señal, en tanto que el resto de la cadena peptídica todavía se está sintetizando. Las SRP no son las únicas señales que ayudan a dirigir las proteínas al sitio apropiado en el interior o en el exterior de las células; otras secuencias de señales, modificaciones después de la traducción o ambas (p. ej., glucosilación) pueden servir para esta función. Los fragmentos de cadena corta producidos por el catabolismo de aminoácidos, carbohidratos y lípidos son muy similares (véase adelante). A partir de esta reserva metabólica común de intermediarios, pueden sintetizarse carbohidratos, proteínas y lípidos. Estos fragmentos pueden entrar en el ciclo del ácido cítrico, una vía final común de catabolismo en la cual son desdoblados hasta átomos de hidrógeno y CO2. La interconversión de aminoácidos implica la transferencia, eliminación o formación de grupos amino. En muchos tejidos ocurren reacciones de transaminación, la conversión de un aminoácido al cetoácido correspondiente con la conversión simultánea de otro cetoácido a aminoácido: Alanina + α-Cetoglutarato ← → Piruvato + Glutamato Las transaminasas que participan en estas reacciones también están presentes en la circulación. Cuando se dañan muchas células activas como consecuencia de un proceso patológico, se elevan las concentraciones de transaminasas séricas. Un ejemplo es el incremento de la aminotransferasa de aspartato (AST) plasmática después del infarto miocárdico. La desaminación oxidativa de aminoácidos ocurre en el hígado. Se forma un iminoácido por deshidrogenación y este compuesto sufre hidrólisis al cetoácido correspondiente, con la producción de NH4+: Aminoácido + NAD+ → Iminoácido + NADH + H+ Iminoácido + H2O → Cetoácido + NH4+ DEGRADACIÓN DE PROTEÍNAS Al igual que la síntesis de proteínas, la degradación proteínica es un proceso complejo cuidadosamente regulado. Se calcula que en términos generales, más de 30% de las proteínas de síntesis reciente es anormal, esto puede suceder por plegamiento inapropiado de la proteína. Las proteínas viejas normales también deben ser eliminadas y sustituidas. La conjugación de proteínas con la ubiquitina, un polipéptido de 74 aminoácidos, las marca para su degradación. El polipéptido está muy protegido y se presenta en especies que van desde bacterias hasta seres humanos. El proceso de unión con la ubiquitina se denomina ubiquitinación, y en algunos casos, existe la unión con múltiples moléculas de ubiquitina (poliubiquitinación). La ubiquitinación de proteínas citoplásmicas, que incluye a las proteínas integrales del retículo endoplásmico, las marca para su degradación en multisubunidades de partículas proteolíticas o proteasomas. La ubiquitinación de proteínas de membrana, como los receptores de hormona de crecimiento, también las marca para degradación; sin embargo pueden ser degradadas en los lisosomas o a través de los proteasomas. Existe un equilibrio obvio entre la tasa de producción de una proteína y su destrucción, de forma que la conjugación con ubiquitina es de gran importancia en la fisiología celular. Las tasas a las cuales se metabolizan las proteínas individuales varían, y el cuerpo tiene mecanismos por los cuales las proteínas anormales son identificadas y degradadas con mayor rapidez que los constituyentes corporales normales. Por ejemplo, las hemoglobinas En la figura 1-19 se resumen las interconversiones entre la reserva de aminoácidos y la reserva metabólica común. Se dice que aminoácidos como leucina, isoleucina, fenilalanina y tirosina son cetógenos porque se convierten a acetoacetato, un cuerpo cetónico (véase adelante). La alanina y muchos otros aminoácidos son glucogénicos o gluconeogénicos es decir, dan origen a compuestos que pueden convertirse con facilidad a glucosa. FORMACIÓN DE UREA La mayor parte del NH4+ formado por desaminación de aminoácidos en el hígado se convierte a urea, la cual se excreta a través de la orina. A partir de NH4+ se forma fosfato de carbamoilo, y en la mitocondria se transfiere a la ornitina y se forma citrulina. La enzima involucrada es la carbamoiltransferasa de ornitina. La citrulina se convierte a arginina, después de lo cual se separa la urea y se regenera la ornitina (ciclo de la urea; fig. 1-20). La reacción total en el ciclo de la urea consume 3 ATP (no mostrados) y por tanto necesita cantidades significativas de energía. La mayor parte de la urea se forma en el hígado, y en casos de hepatopatía grave el nitrógeno ureico sanguíneo (BUN) disminuye en tanto que las cifras de NH3 en sangre se elevan (cap. 29). La deficiencia congénita de carbamoiltransferasa de ornitina también puede producir intoxicación por NH3, incluso en individuos heterocigotos para esta deficiencia. CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica Hidroxiprolina Serina Cisteína Treonina Glicina 19 Lactato Transaminasa Alanina Triptófano Acetil-CoA Piruvato Carboxicinasa de fosfoenolpiruvato Glucosa Fosfoenolpiruvato Tirosina Fenilalanina Oxaloacetato Fumarato Transaminasa Aspartato Citrato Isoleucina Metionina Valina Succinil-CoA CO2 α-Cetoglutarato Propionato CO2 Transaminasa Histidina Prolina Glutamina Arginina Glutamato FIGURA 119 Participación del ciclo del ácido cítrico en la transaminación y gluconeogénesis. Las flechas gruesas indican la vía principal de gluconeogénesis. Obsérvense las múltiples posiciones de entrada para grupos de aminoácidos en el ciclo del ácido cítrico. (Reproducida con autorización de Murray RK et al: Harper‘s Biochemistry, 26th ed. McGraw-Hill, 2003.) FUNCIONES METABÓLICAS DE LOS AMINOÁCIDOS Además de proporcionar la estructura básica para la formación de proteínas, los aminoácidos tienen funciones metabólicas. Las hormonas tiroideas, catecolaminas, histamina, serotonina, melatonina e intermediarios en el ciclo de la urea se forman a partir de aminoácidos específicos. La metionina y la cisteína proporcionan el azufre contenido en las proteínas, CoA, taurina y otros compuestos de importancia biológica. La metionina se convierte a S-adenosilmetionina, que es un agente metilante activo en la síntesis de compuestos como la adrenalina. Argininosuccinato Aspartato Fumarato Citoplasma H2N H2N + C— — NH2 C— —O HN (CH 2 )3 HC HN Citrulina + NO Arginina (CH 2 ) 3 + NH3 CARBOHIDRATOS COO − Los carbohidratos son moléculas orgánicas constituidas por cantidades iguales de carbono y H2O. Los carbohidratos simples o monosacáridos, incluyen pentosas (carbohidratos de cinco carbonos; p. ej., ribosa) y hexosas (seis carbonos; p. ej., glucosa) que tienen participaciones estructurales (p. ej., como parte de los nucleótidos revisados antes) y funcionales (p. ej., inositol 1,4,5 trifosfato, el cual actúa como molécula de señalización celular) en el organismo. Los monosacáridos pueden unirse para formar disacáridos (p. ej., sacarosa) o polisacáridos (p. ej., glucógeno). La colocación de radicales carbohidrato en las proteínas (glucoproteínas) colabora en la señalización celular y, en el caso de algunos receptores, al reconocimiento de las Pi HC Ornitina Fosfato de carbamoilo NH 4+ COO − H3N + Mitocondria NH3 (CH 2 ) 3 HC NH3+ NH3+ COO − Urea NH 2 C— —O NH 2 FIGURA 120 Ciclo de la urea. El procesamiento de NH3 a urea por excreción contiene varios pasos coordinados en el citoplasma y en la mitocondria. La producción de fosfato de carbamoilo y su conversión a citrulina ocurren en la mitocondria, en tanto que los procesos restantes ocurren en el citoplasma. SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica — — H C O H C OH H C — — H C O CH2OH OH C — — 20 O H HO C H HO C H C OH HO C H H C OH H C OH H C OH H C OH HO C CH2OH D-glucosa CH2OH D-galactosa H CH2OH D-fructosa FIGURA 121 Estructuras de las principales hexosas en la dieta. Se muestra a la glucosa, galactosa y fructosa en sus isómeros D, como se presentan en condiciones naturales. moléculas de señalización. En esta sección se revisará el papel fundamental de los carbohidratos en la fisiología, la producción y el almacenamiento de energía. Los carbohidratos provenientes de la dieta están constituidos en una mayor parte por polímeros de hexosas, de los cuales los más importantes incluyen glucosa, galactosa y fructosa (fig. 1-21). La mayor parte de los monosacáridos se encuentra en el organismo en forma de isómeros dextrógiros (isómeros D). El principal producto de la digestión de carbohidratos y el principal carbohidrato circulante es la glucosa. La concentración normal de glucosa plasmática en ayuno de sangre venosa periférica es de 70 a 110 mg/100 ml (3.9 a 6.1 mmol/L). En sangre arterial, la concentración plasmática de glucosa es 15 a 30 mg/100 ml mayor que en la sangre venosa. Una vez que la glucosa penetra las células, suele sufrir fosforilación para formar glucosa-6-fosfato. La enzima que cataliza la reacción es la hexocinasa. En el hígado hay otra enzima adicional denominada glucocinasa, que tiene mayor especificidad por la glucosa y la cual, a diferencia de la hexocinasa, se incrementa por acción de la insulina y disminuye en el estado de inanición y en la diabetes. La glucosa-6-fosfato es polimerizada a glucógeno o se somete a catabolismo. El proceso de síntesis de glucógeno se denomina glucogénesis y el desdoblamiento de glucógeno se denomina glucogenólisis. El glucógeno, la forma de almacenamiento de la glucosa, está presente en la mayor parte de los tejidos corporales, pero las principales reservas se encuentran en el hígado y en el músculo estriado. El desdoblamiento de glucosa a piruvato o lactato (o a ambos) se denomina glucólisis. El catabolismo de la glucosa procede a través del desdoblamiento de fructosa hasta triosas o por medio de oxidación y descarboxilación hasta pentosas. La vía hasta piruvato a través de la formación de triosas se denomina vía de Embden-Meyerhof y la que ocurre a través del 6-fosfogluconato y de las pentosas es la vía oxidativa directa (vía de monofosfato de hexosas). El piruvato se convierte en acetil-CoA. Las interconversiones entre carbohidratos, lípidos y proteínas incluyen la conversión del glicerol obtenido de los lípidos a fosfato de dihidroxiacetona y la conversión de diversos aminoácidos con esqueletos de carbono similares a intermediarios de la vía de Embden-Meyerhof y del ciclo del ácido cítrico a estos intermediarios por desaminación. En esta forma, y por conversiones de lactato a glucosa, moléculas diferentes a la glucosa pueden convertirse a ésta (gluconeogénesis). La glucosa puede convertirse a lípidos a través de acetil-CoA, pero las conversiones de piruvato a acetil-CoA, a diferencia de la mayor parte de las reacciones en la glucólisis, son irreversibles, y por tanto los lípidos no pueden convertirse a glucosa por esta vía. De esta forma, existe poca conversión neta de lípidos a carbohidratos en el organismo, ya que con excepción de la producción cuantitativamente irrelevante a partir de glicerol, no existe una vía para la conversión. CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO El ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs, ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una secuencia de reacciones a través de las cuales la acetil-CoA se metabolizan a CO2 y átomos de hidrógeno. En primer lugar la acetil-CoA se condensa con el anión de un ácido de cuatro carbonos, el oxaloacetato, para formar citrato y HS-CoA. En una serie de siete reacciones subsiguientes, se separan dos moléculas de CO2, lo que ocasiona la regeneración del oxaloacetato (fig. 1-22). Se transfieren cuatro pares de átomos de hidrógeno a la cadena de flavoproteína-citocromo, lo que da origen a 12ATP y cuatro moléculas de agua, de las cuales dos se utilizan en el ciclo. El ciclo del ácido cítrico es la vía común para la oxidación hasta CO2 y agua de carbohidratos, lípidos y algunos aminoácidos. El principal sitio de entrada es a través de la acetilCoA, pero diversos aminoácidos pueden convertirse a productos intermedios del ciclo del ácido cítrico por desaminación. El ciclo requiere oxígeno y no funciona en condiciones anaerobias. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA La producción neta de compuestos de fosfato ricos en energía durante el metabolismo de la glucosa y glucógeno hasta piruvato depende del hecho de que el metabolismo sea a través de la vía de Embden-Meyerhof o la vía de monofosfato de hexosas. Por oxidación a nivel del sustrato, la conversión de 1 mol de fosfogliceraldehído a fosfoglicerato genera 1 mol de ATP, y la conversión de 1 mol de fosfoenolpiruvato a piruvato genera otro. Un mol de glucosa-6-fosfato produce, a través de la vía de Embden-Meyerhof, 2 moles de fosfogliceraldehído y se generan 4 moles de ATP por mol de glucosa metabolizada hasta piruvato. Todas estas reacciones ocurren en ausencia de O2 y en consecuencia representan la producción anaerobia de energía. Sin embargo, se emplea 1 mol de ATP en la formación de fructosa 1,6-difosfato a partir de fructosa 6-fosfato y 1 mol en la fosforilación de la glucosa cuando ésta penetra a la célula. En consecuencia, cuando se forma piruvato por medios anaerobios a partir de glucógeno, existe la producción neta de 3 moles de ATP por mol de glucosa-6-fosfato; sin embargo, cuando se forma piruvato a partir de 1 mol de glucosa sanguínea, la ganancia neta es de sólo 2 moles de ATP. Es necesario el suministro de NAD+ para la conversión de fosfogliceraldehído a fosfoglicerato. Bajo condiciones anaerobias (glucólisis anaerobia) es de esperarse que se produzca un bloqueo de la glucólisis en el paso de la conversión de fosfogliceraldehído tan pronto como el NAD+ disponible se convierta a NADH. Sin embargo, el piruvato puede aceptar el hidrógeno del NADH, dando origen a NAD+ y lactato: Piruvato + NADH ← → Lactato + NAD+ En esta forma, el metabolismo de la glucosa y la producción de energía pueden continuarse por un tiempo sin O2 disponible. El lactato acumulado se convierte de nuevo a piruvato cuando se restablece el suministro de O2, con lo cual NADH transfiere su hidrógeno a la cadena de flavoproteína-citocromo. CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica 21 Piruvato (3C) NAD+ CO2 NADH + H+ Acetil-CoA (2C) Oxaloacetato (4C) NADH + H+ Citrato (6C) NAD+ Malato (4C) Isocitrato (6C) Fumarata (4C) NAD+ FADH2 NADH + H+ CO2 FAD α-Cetoglutarato (5C) Succinato (4C) P CO2 NAD+ GTP GDP Succinil-CoA (4C) NADH + H+ FIGURA 122 Ciclo del ácido cítrico. Los números (6C, 5C, etc.) indican el número de átomos de carbono en cada uno de los intermediarios. La conversión de piruvato a acetil-CoA en cada vuelta del ciclo proporciona cuatro NADH y un FADH2 por oxidación a través de la cadena de flavoproteína-citocromo más la formación de GTP que se convierte con facilidad a ATP. Durante la glucólisis aerobia, la producción neta de ATP es 19 veces mayor en comparación con los dos ATP formados bajo condiciones anaerobias. Se forman seis ATP mediante oxidación a través de la cadena de flavoproteína-citocromo de los dos NADH producidos cuando se convierten 2 moles de fosfogliceraldehído a fosfoglicerato (fig. 1-22); se forman seis ATP a partir de los dos NADH producidos cuando se convierten dos moles de piruvato a acetil-CoA, y se producen 24 ATP durante las dos rondas subsecuentes del ciclo del ácido cítrico. De estos, 18 se producen por la oxidación de seis NADH, cuatro por oxidación de dos FADH2 y dos por oxidación a nivel del sustrato cuando la succinil-CoA se convierte a succinato. Esta reacción en realidad produce GTP, el cual se convierte a ATP. Así, la producción neta de ATP por mol de glucosa sanguínea metabolizadas por vía aerobia en el ciclo de Embden-Meyerhof y en el ciclo del ácido cítrico es de 2+ [2 × 3] + [2 × 3] + [2 × 12] = 38. La oxidación de la glucosa a través de la vía de monofosfato de hexosas genera grandes cantidades de NADPH. Es esencial el suministro de esta coenzima reducida para muchos procesos metabólicos. Las pentosas formadas en los procesos son estructuras básicas para la síntesis de nucleótidos (véase adelante). La cantidad generada de ATP depende de la cantidad de NADPH convertido a NADH y de su oxidación posterior. “MECANISMOS DE FLUJO UNIDIRECCIONAL” El metabolismo está regulado por diversas hormonas y otros factores. Para que ocurra un cambio neto en un proceso metabólico particular, los factores reguladores deben dirigir el proceso en una sola dirección. La mayor parte de las reacciones en el metabolismo intermedio son reversibles, pero existen algunos “mecanismos de flujo unidireccional”, es decir, reacciones que sólo ocurren en un sentido bajo la influencia de una enzima o un mecanismo transportador y en dirección opuesta por la influencia de otros factores. En la figura 1-23 se muestran cinco ejemplos en el metabolismo intermedio de los carbohidratos. Las diferentes vías para la síntesis y catabolismo de ácidos grasos (véase adelante) son otro ejemplo. Los factores reguladores ejercen su influencia en el metabolismo al actuar en forma directa o indirecta en estos mecanismos de flujo unidireccional. SÍNTESIS Y DESDOBLAMIENTO DE GLUCÓGENO El glucógeno es un polímero ramificado de glucosa con dos tipos de uniones glucosídicas: 1:4α y 1:6α (fig. 1-24); es sintetizado en 22 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica glucogenina, una proteína cebadora, a partir de glucosa-1-fosfato por medio de la uridín difosfoglucosa (UDPG). La enzima glucógeno sintasa cataliza el final de la síntesis. La disponibilidad de glucogenina es uno de los factores que determinan la cantidad de glucógeno sintetizado. El desdoblamiento del glucógeno en la unión 1:4α es catalizado por fosforilasa, en tanto que otras enzimas catalizan el desdoblamiento de glucógeno en la unión 1:6α. 1. La glucosa entra y sale de las células Hexocinasa 2. Glucosa Glucosa-6-fosfato Glucosa-6-fosfatasa Sintasa de glucógeno 3. Glucosa-1-fosfato Glucógeno Fosforilasa Fosfofructocinasa 4. Fructosa-6-fosfato Fructosa 1,6bifosfatasa 5. Fosfoenolpiruvato FACTORES QUE DETERMINAN LA CONCENTRACIÓN PLASMÁTICA DE GLUCOSA Fructosa 1,6bifosfato ADP ATP Piruvato cinasa La concentración plasmática de glucosa en cualquier momento dado depende del equilibrio entre la cantidad de glucosa que entra al torrente sanguíneo y la cantidad que lo abandona. Los principales determinantes son el consumo dietético, la tasa de entrada a las células de músculo estriado, al tejido adiposo y a otros órganos; y la actividad glucostática del hígado (fig. 1-25). Casi 5% de la glucosa ingerida se convierte con rapidez al glucógeno en el hígado, y 30 a 40% se convierte en grasa. El resto se metaboliza en el músculo y en otros tejidos. Durante el ayuno, el glucógeno hepático sufre desdoblamiento y el hígado añade glucosa al torrente sanguíneo. Con el ayuno más prolongado, se agota el glucógeno y se incrementa la gluconeogénesis a partir de aminoácidos y glicerol, reacciones que tienen lugar en el hígado. La glucosa plasmática disminuye levemente a casi 60 mg/100 ml durante el ayuno prolongado en individuos sanos, pero no ocurren síntomas de hipoglucemia porque la gluconeogénesis evita disminuciones adicionales. Piruvato Carboxicinasa de fosfoenolpiruvato Piruvato Oxaloacetato Oxaloacetato Malato Malato FIGURA 123 Válvulas de flujo unidireccional en las reacciones de producción de energía. En el metabolismo de los carbohidratos hay varias reacciones que se dirigen en una dirección por un mecanismo en dirección diferente por diversos mecanismos, lo que se conoce como “válvulas de flujo unidireccional”. Se muestran cinco ejemplos de estas reacciones (numerados en el lado izquierdo). La línea doble en el ejemplo 5 representa la membrana mitocondrial. El piruvato se convierte a malato en la mitocondria y este último se difunde fuera de la mitocondria hacia el citosol, donde se convierte en fosfoenolpiruvato. CH2OH CH2OH O O O O Enlace 1:6α Glucógeno CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH O O O O O O Sintasa de glucógeno O O O CH2 O Enlace 1:4α Uridín difosfoglucosa Fosforilasa a O− CH2OH O CH2O O O− O P P O O− O O− Glucosa 1-fosfato Glucosa 6-fosfato FIGURA 124 Síntesis y desdoblamiento de glucógeno. El glucógeno es la principal fuente de almacenamiento de glucosa en las células. Su síntesis es cíclica: se produce a partir de glucosa-6-fosfato cuando se almacena como fuente de energía, y se desdobla a glucosa-6-fosfato cuando se requiere energía. Obsérvese el intermediario glucosa-1-fosfato y el control enzimático por la fosforilasa a y glucógeno cinasa. CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica Amino- Glicerol ácidos Dieta Intestino Hígado Lactato Glucosa plasmática 70 mg/100 ml (3.9 mmol/L) Riñón Encéfalo Grasa 23 La fructosa 6-fosfato puede sufrir fosforilación en la posición 2, dando origen a fructosa 2,6-difosfato. Este compuesto es un regulador importante de la gluconeogénesis hepática. Cuando las concentraciones de fructosa 2,6-difosfato se encuentran elevadas, se facilita la conversión de fructosa 6-fosfato a fructosa 1,6-difosfato con lo que se incrementa el desdoblamiento de glucosa a piruvato. La disminución en la concentración de fructosa 2,6-difosfato facilita la reacción inversa y en consecuencia favorece la gluconeogénesis. Músculo y otros tejidos Orina (cuando la glucosa plasmática > 180 mg/100 ml) FIGURA 125 Homeostasis de la glucosa plasmática. Obsérvese la función glucostática del hígado y la pérdida de glucosa en orina cuando se excede el umbral renal (flecha punteada). METABOLISMO DE HEXOSAS DIFERENTES A LA GLUCOSA Otras hexosas que se absorben en el intestino incluyen galactosa, producida por la digestión de lactosa y que es convertida a glucosa en el cuerpo; y fructosa, de la cual una porción se ingiere y otra porción se produce por hidrólisis de la sacarosa. Después de la fosforilación, la galactosa reacciona con la uridín difosfoglucosa (UDPG) para formar uridín difosfogalactosa, la cual se convierte de nuevo a UDPG y participa en la síntesis de glucógeno. Esta reacción es reversible y la conversión de UDPG a uridín difosfogalactosa proporciona la galactosa necesaria para la formación de glucolípidos y mucoproteínas cuando el consumo de galactosa en la dieta es inadecuado. La utilización de galactosa, al igual que en el caso de la glucosa, depende de la insulina. La galactosemia es un trastorno metabólico congénito en el que hay deficiencia de uridil transferasa de galactosa 1-fosfato, la enzima responsable de la reacción entre la galactosa 1-fosfato y la UDPG, de forma que la galactosa ingerida se acumula en la circulación. Esto produce trastornos graves en el crecimiento y desarrollo. El tratamiento con dietas sin galactosa mejora el trastorno sin producir deficiencia de galactosa, porque está presente la enzima necesaria para la formación de uridín difosfogalactosa a partir de UDPG. La fructosa se convierte en parte a fructosa 6-fosfato y más tarde es metabolizada a fructosa 1,6-difosfato. La enzima que cataliza la formación de fructosa 6-fosfato es la hexocinasa, la misma enzima que cataliza la conversión de glucosa a glucosa 6-fosfato. Sin embargo, mayores cantidades de fructosa se convierten a fructosa 1-fosfato en una reacción catalizada por la fructocinasa. La mayor parte de la fructosa 1-fosfato se fracciona en fosfato de dihidroxiacetona y gliceraldehído. Este último sufre fosforilación y junto con el fosfato de dihidroxiacetona entra a la vía para el metabolismo de la glucosa. Las reacciones previas a la fosforilación de la fructosa en la posición 1 pueden ocurrir a una velocidad normal en ausencia de insulina, y por tanto se ha recomendado administrar fructosa a los diabéticos para reponer sus reservas de carbohidratos. Sin embargo, la mayor parte de la fructosa es metabolizada en el intestino y en el hígado, de manera que su utilidad para reponer las reservas corporales de carbohidratos es limitada. ÁCIDOS GRASOS Y LÍPIDOS Los lípidos de importancia biológica son los ácidos grasos y sus derivados, las grasas neutras (triglicéridos), los fosfolípidos y compuestos relacionados así como los esteroles. Los triglicéridos están formados por tres ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol (cuadro 1-4). Los ácidos grasos naturales contienen un número par de átomos de carbono. Pueden ser saturados (sin dobles enlaces) o insaturados (deshidrogenados, con varios números de dobles ligaduras). Los fosfolípidos son constituyentes de las membranas celulares y proporcionan los componentes estructurales de la membrana celular, así como una fuente importante de moléculas de señalización intracelular e intercelular. Los ácidos grasos también son una fuente importante de energía en el cuerpo. OXIDACIÓN Y SÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS En el cuerpo, los ácidos grasos son desdoblados a acetil-CoA, el cual entra en el ciclo del ácido cítrico. El desdoblamiento principal ocurre en la mitocondria a través de la oxidación β. La oxidación de los ácidos grasos inicia con la activación (formación de un derivado de CoA) de los ácidos grasos, una reacción que ocurre tanto dentro como fuera de la mitocondria. Los ácidos grasos de cadena mediana y corta pueden entrar a la mitocondria sin dificultad, pero los ácidos grasos de cadena larga deben unirse a la carnitina por medio de un enlace éster antes de que puedan cruzar la membrana mitocondrial interna. La carnitina es butirato de β-hidroxi-γ-trimetilamonio, y se sintetiza en el cuerpo a partir de lisina y metionina. Una translocasa desplaza el éster de ácido graso-carnitina al espacio de la matriz. El éster se hidroliza y la carnitina se recicla. La oxidación β avanza por la eliminación seriada de fragmentos de dos carbonos provenientes de un ácido graso (fig. 1-26). La ganancia energética de este proceso es alta. Por ejemplo, el catabolismo de 1 mol de un ácido graso de seis carbonos a través del ciclo del ácido cítrico hasta CO2 y H2O genera 44 moles de ATP, en comparación con los 38 moles generados por el catabolismo de 1 mol de glucosa, un carbohidrato de seis carbonos. CUERPOS CETÓNICOS En muchos tejidos, la acetil-CoA se condensa para formar acetoacetil-CoA (fig. 1-27). En el hígado, que a diferencia de otros tejidos contiene una desacilasa, se forma acetoacetato. Este cetoácido β se convierte a hidroxibutirato β y acetona, y como 24 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica CUADRO 14 Lípidos LÍPIDOS CELULARES Ácidos grasos típicos O Ácido palmítico CH5(CH2)14 —C—OH O Ácido esteárico CH5(CH2)16 —C—OH O Ácido oleico CH5(CH2)7CH=CH(CH2)7 —C—OH (Insaturado) Triglicéridos (triacilgliceroles): ésteres de glicerol y tres ácidos grasos. O CH2—O—C—R CH2OH O CH2—O—C—R + 3H2O O CHOH + 3HO—C—R O CH2—O—C—R Triglicérido CH2OH Glicerol R = Cadena alifática de diversas longitudes y grados de saturación. Fosfolípidos: A. Ésteres de glicerol, dos ácidos grasos y 1. Fosfato = ácido fosfatídico 2. Fosfato más inositol = fosfatidilinositol 3. Fosfato más colina = fosfatidilcolina (lecitina) 4. Fosfato más etanolamina = fosfatidil-etanolamina (cefalina) 5. Fosfato más serina = fosfatidilserina Los lípidos en las células son de dos tipos principales: lípidos estructurales, que son parte inherente de las membranas y de otras partes celulares, y la grasa neutra, almacenada en las células adiposas de los depósitos grasos. La grasa neutra se moviliza durante el ayuno, pero los lípidos estructurales se conservan. Los depósitos grasos varían en tamaño, pero en individuos no obesos constituyen hasta 15% del peso corporal en los varones y 21% del peso en las mujeres. No son estructuras inertes como alguna vez se pensó, sino que son tejidos dinámicos, activos, sometido a desdoblamiento y síntesis continuas. En los depósitos, la glucosa se metaboliza a ácidos grasos y hay síntesis de grasa neutra. La grasa neutra también se degrada y se liberan ácidos grasos libres a la circulación. Un tercer tipo de lípido especial es la grasa parda que constituye un pequeño porcentaje de la grasa corporal total. La grasa parda es un poco más abundante en lactantes, pero también está presente en los adultos, se ubica entre los omóplatos, en la base del cuello, junto a los grandes vasos en el tórax y en el abdomen y en otras ubicaciones corporales dispersas. En los depósitos de grasa parda, las células adiposas y los vasos sanguíneos tienen inervación simpática extensa. Esto constituye una diferencia con los depósitos de grasa blanca, en los cuales algunas células adiposas pueden estar inervadas, pero la inervación simpática principal se observa sólo en los vasos sanguíneos. Además, los adipocitos ordinarios tienen sólo una gota única grande de grasa blanca, en tanto que las células de grasa parda contienen varias gotas pequeñas de grasa. Las células de grasa parda también contienen muchas mitocondrias, en ellas, se lleva a cabo una conductancia de protones hacia el interior, lo cual genera ATP en la manera usual, pero además hay una segunda conductancia de protones que no genera ATP. Este “cortocircuito” en la conductancia depende de una proteína no acoplada de 32 kDa (UCP1); causa del desacoplamiento del metabolismo y generación de ATP, de forma que se produce más calor. B. Otros fosfatos que contienen derivados de glicerol C. Esfingomielinas: ésteres de ácidos grasos, fosfato, colina y el alcohol aminado esfingosina Cerebrósidos: compuestos que contienen galactosa, ácidos grasos y esfingosina Esteroles: colesterol y sus derivados, lo que incluye hormonas esteroides, ácidos biliares y diversas vitaminas. estos compuestos se metabolizan con dificultad en el hígado, se difunden hacia la circulación. El acetoacetato también se forma en el hígado a través de la formación de 3-hidroxi-3-metil-glutaril-CoA, y esta vía es cuantitativamente más importante que la desacilación. El acetoacetato, hidroxibutirato β y la acetona se denominan cuerpos cetónicos. Tejidos diferentes al hígado transfieren CoA a partir de succinil-CoA hasta acetoacetato y metabolizan el acetoacetato “activo” hasta CO2 y agua a través del ciclo del ácido cítrico. Los cuerpos cetónicos también se metabolizan por otras vías. La acetona se elimina en la orina y en el aire espirado. El desequilibrio en los cuerpos cetónicos puede producir problemas de salud graves (recuadro clínico 1-3). LÍPIDOS PLASMÁTICOS Y TRANSPORTE DE LÍPIDOS Los principales lípidos son relativamente insolubles en soluciones acuosas y no circulan en forma libre. Los ácidos grasos libres (FFA) se unen a la albúmina, mientras que el colesterol, triglicéridos y fosfolípidos se transportan en forma de complejos de lipoproteínas. Los complejos incrementan en gran medida la solubilidad de los lípidos. Las seis familias de lipoproteínas (cuadro 1-5) se clasifican con base en su tamaño y en su contenido del lípidos. La densidad de estas lipoproteínas es inversamente proporcional a su contenido lipídico. En términos generales, las lipoproteínas constan de un centro hidrófobo de triglicéridos y ésteres de colesterilo rodeados por fosfolípidos y proteínas. Estas lipoproteínas pueden transportarse desde el intestino hasta el hígado a través de una vía exógena, y entre otros tejidos por medio de una vía endógena. Los lípidos de la dieta se procesan por la acción de varias lipasas pancreáticas en el intestino para formar micelas mixtas predominantemente de FFA, 2-monogliceroles y derivados del colesterol (cap. 27). Estas micelas además pueden contener importantes moléculas liposolubles como las vitaminas A, D, E y K. Las micelas mixtas son captadas en las células de la mucosa CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica Ácido graso Ácido graso "activo" O OH + HS-CoA C CH2CH2 ATP — — — — R O Mg2 + H 2O + R ADP C CH2CH2 S CoA S CoA Flavoproteína oxidada Flavoproteína reducida OH O C C CH 2 S H 2O + R CoA H Ácido graso hidroxi β-CoA NAD+ O C α, β-Ácido graso insaturado-CoA O — — — — O C CH2 C H+ O — — R NADH + CH — — CH CoA + HS-CoA S R — — R — — — — O C β-Ceto ácido graso-CoA S CoA + CH3 C S CoA Ácido graso "activo" + acetil-CoA R = resto de la cadena de ácido graso. FIGURA 126 Oxidación de ácidos grasos. Este proceso separa fragmentos de los carbonos por vez, y se repite hasta el final de la cadena. C S CoA + CH3 C S CoA C CH3 CH 3 — — C CH2 C — — C CH2 S CoA + HS-CoA Acetoacetil-CoA O CoA + H2O S Acetoacetil-CoA Desacilasa (sólo en el hígado) C CH2 C O − + H+ + HS-CoA Acetoacetato O — — — CH3 C CH 3 OH Acetil-CoA + Acetoacetil-CoA O — — O — — 2 Acetil-CoA O O — — CH 3 O β-Cetotiolasa — — — — O — — O CH2 CH2 C CoA + H+ S COO − 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA) Acetoacetato + H+ + Acetil-CoA HMG-CoA CH3 O — — — — Acetoacetato O C CH2 C O− + H+ Tejidos con excepción del hígado CO2 + ATP –CO2 O –2H — — +2H CH3 — — CHOH CH2 C CH3 Acetona O CH 3 C O − + H+ Hidroxibutirato β FIGURA 127 Formación y metabolismo de los cuerpos cetónicos. Obsérvense las dos vías para la formación de acetoacetato. 25 26 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica RECUADRO CLÍNICO 1-3 Diabetes relacionada con desequilibrio de la oxidación de los ácidos grasos Cetoacidosis intracelular y por tanto, cetoacidosis: el ayuno, diabetes mellitus y un régimen alimentario rico en grasas con bajo contenido de carbohidratos. El aliento con olor a acetona en niños que han tenido vómito es ocasionado por la cetosis del ayuno. La administración parenteral de cantidades relativamente pequeñas de glucosa suprime la cetosis y por esta razón se dice que los carbohidratos son anticetógenos. La concentración normal de cetonas sanguíneas en seres humanos es baja (casi 1 mg/100 ml) y se excreta menos de 1 mg/24 h, porque la cetonas en condiciones normales se metabolizan tan rápido como se producen. Sin embargo, si la entrada de acetil-CoA en el ciclo del ácido cítrico está disminuida por reducción del aporte de productos del metabolismo de la glucosa o bien, si la entrada no se incrementa al ritmo que lo hace la acetil-CoA, ésta se acumula, aumenta la tasa de condensación a acetoacetil-CoA y se forma más acetoacetato en el hígado. La capacidad de los tejidos para oxidar las cetonas se excede con rapidez, y por tanto se acumulan en el torrente sanguíneo (cetosis). Dos de los tres cuerpo cetónicos, acetoacetato e hidroxibutirato β son aniones de los ácidos moderadamente fuertes ácido acetoacético y ácido hidroxibutírico β. Muchos de sus protones son amortiguados, con lo que disminuye la reducción del pH que se esperaría de otra manera. Sin embargo, puede excederse la capacidad amortiguadora y la acidosis metabólica que se desarrolla en estados como la cetosis diabética pueden ser graves e incluso letales. Tres trastornos ocasionan un suministro deficiente de glucosa Deficiencia de carnitina Puede producirse oxidación β deficiente de ácidos grasos por disminución de carnitina o por trastornos genéticos en la translocasa o en otras enzimas que participan en la transferencia de ácidos grasos de cadena larga hacia la mitocondria. Esto causa miocardiopatía. Además, causa hipoglucemia hipocetónica con estado de coma, un trastorno grave y a menudo letal desencadenado por el ayuno, en el cual se utilizan las reservas de glucosa por la falta de oxidación de ácidos grasos como fuente de energía. Los cuerpos cetónicos no se forman en cantidades normales por la falta de CoA adecuada en el hígado. intestinal, donde se forman complejos lipoproteínicos de gran tamaño, los quilomicrones. Los quilomicrones y sus residuos constituyen un sistema de transporte para los lípidos exógenos ingeridos (vía exógena); pueden ingresar a la circulación a través de los vasos linfáticos. Los quilomicrones se eliminan de la circulación por acción de la lipoproteína lipasa, que se ubica en la superficie del endotelio capilar. La enzima cataliza el desdoblamiento de los triglicéridos que se encuentran en los quilomicrones hasta FFA y glicerol, los cuales entran en las cé- lulas adiposas donde se reesterifican. Los FFA también pueden permanecer en la circulación unidos a la albúmina. La lipasa de lipoproteína, que requiere heparina como cofactor, también elimina triglicéridos de las lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL) circulantes. Los quilomicrones que han perdido sus triglicéridos permanecen en la circulación como lipoproteínas ricas en colesterol denominadas residuos de quilomicrones, los cuales tienen un diámetro de 30 a 80 nm. Los residuos son transportados al hígado donde se interiorizan y degradan. CUADRO 15 Las principales lipoproteínas* Composición (%) Lipoproteína Tamaño (nm) Proteínas Sin colesterilo Ésteres de colesterol Triglicéridos Fosfolípidos Quilomicrones 75-1 000 2 2 3 90 3 Intestino Residuos de quilomicrones 30-80 … … … … … Capilares Lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL) 30-80 8 4 16 55 17 Hígado e intestino Lipoproteínas de densidad intermedia (IDL) 25-40 10 5 25 40 20 VLDL Lipoproteínas de baja densidad (LDL) 20 20 7 46 6 21 IDL Lipoproteínas de alta densidad (HDL) 7.5-10 50 4 16 5 25 Hígado e intestino * Los lípidos plasmáticos incluyen estos componentes más ácidos grasos libres provenientes del tejido adiposo, los cuales circulan unidos a la albúmina. Origen CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica El sistema endógeno está constituido por VLDL, lipoproteínas de densidad intermedia (IDL), lipoproteínas de baja densidad (LDL) y lipoproteínas de alta densidad (HDL), y también transporta triglicéridos y colesterol a través del cuerpo. Las VLDL se forman en el hígado y transportan triglicéridos formados a partir de ácidos grasos y carbohidratos en el hígado hasta los tejidos extrahepáticos. Después de que los triglicéridos son retirados en gran medida por la acción de la lipasa de lipoproteína se transforman en IDL, las cuales ceden sus fosfolípidos y, a través de la acción de la enzima plasmática aciltransferasa de lecitina y colesterol (LCAT), capta ésteres de colesterilo formados a partir del colesterol en las HDL. Algunas IDL son captadas por el hígado. Los residuos de IDL pierden más triglicéridos y proteínas, tal vez en los sinusoides hepáticos, y se transforman en LDL, las cuales proporcionan colesterol a los tejidos. El colesterol es un constituyente esencial en las membranas celulares y se utiliza en las células glandulares para la síntesis de hormonas esteroides. METABOLISMO DE ÁCIDOS GRASOS LIBRES Además de las vías exógena y endógena descritas, los FFA también se sintetizan en los depósitos de grasa en los cuales se almacenan. Pueden circular en forma de lipoproteínas unidas a la albúmina y son la principal fuente de energía para muchos órganos. Se utilizan ampliamente en el corazón, pero tal vez todos los tejidos puedan oxidar FFA a CO2 y H2O. El suministro de FFA a los tejidos está regulado por dos lipasas. Como se mencionó antes, la lipasa de lipoproteína en la superficie del endotelio de los capilares hidroliza los triglicéridos en quilomicrones y VLDL, proporcionando FFA y glicerol, los cuales se reensamblan en nuevos triglicéridos en las células adiposas. La lipasa sensible a hormonas que se encuentra en el interior de las células de tejido adiposo cataliza el desdoblamiento de los triglicéridos almacenados en glicerol y ácidos grasos, y éstos ingresan a la circulación. La lipasa sensible a hormonas se incrementa por acción del ayuno y la tensión, y disminuye con la alimentación y la insulina. Por el contrario, la actividad de la lipoproteína lipasa se incrementa con el ayuno y disminuye en estados de tensión. METABOLISMO DEL COLESTEROL El colesterol es el precursor de las hormonas esteroides y de los ácidos biliares y es un constituyente esencial de las membranas celulares. Se encuentra sólo en animales. En plantas se encuentran esteroles relacionados, pero éstos no se absorben normalmente en el tubo digestivo. La mayor parte del colesterol en la dieta se encuentra en la yema de huevo y en las grasas de origen animal. El colesterol se absorbe en el intestino y se incorpora en los quilomicrones formados en la mucosa intestinal. Después de que los quilomicrones descargan sus triglicéridos en el tejido adiposo, los residuos de quilomicrones llevan colesterol al hígado. El hígado y otros tejidos también sintetizan colesterol. Parte del colesterol es eliminado en el hígado a través de la bilis, tanto en forma libre como en forma de ácidos biliares. Parte del colesterol biliar se reabsorbe en el intestino. La mayor parte del colesterol hepático se incorpora en los VLDL y circula en complejos lipoproteínicos. En la figura 1-28 se resume la biosíntesis del colesterol a partir de acetato. Un mecanismo de retroalimentación inhibe la síntesis de colesterol al inhibir la actividad de la reductasa de HMG-CoA, la enzima que convierte 3-hidroxi-3-metilglutarilcoenzima A (HMG-CoA) a ácido mevalónico. Así, cuando el consumo dietético de colesterol es elevado, disminuye la síntesis hepática de colesterol y viceversa. No obstante, el mecanismo de retroalimentación es incompleto porque un régimen alimentario con bajo contenido de colesterol y grasas saturadas produce una reducción leve en las concentraciones plasmáticas de colesterol. Los fármacos hipocolesterolemiantes más eficaces y utilizados con más frecuencia son la lovastatina y otras estatinas, las cuales reducen la síntesis de colesterol al inhibir la actividad de HMG-CoA. La relación entre el colesterol y la enfermedad vascular se revisa en el recuadro clínico 1-4. ÁCIDOS GRASOS ESENCIALES Los animales alimentados con una dieta sin grasas presentan retrasos en el crecimiento, desarrollan trastornos cutáneos y renales además se vuelven infértiles. La adición de ácido linolénico, linoleico y araquidónico al régimen alimentario cura todos los síntomas de deficiencia. Estos tres ácidos grasos son poliinsaturados y por sus acciones se denominan ácidos grasos Acetil-CoA Acetoacetil-CoA 3-hidroxi-3metilglutaril-CoA Acetoacetato Acetoacetato Reductasa de HMG-CoA Ácido mevalónico Escualeno Colesterol CH3 HOOC CH 2 C CH2 OH Ácido mevalónico CH2 OH Escualeno (C30 H 50 ) 27 HO Colesterol (C 27 H46 O ) FIGURA 128 Biosíntesis del colesterol. Se condensan seis moléculas de ácido mevalónico para formar escualeno, el cual más tarde sufre hidroxilación a colesterol. Las flechas punteadas indican inhibición por retroalimentación por el colesterol de la reductasa de HMG-CoA, enzima que cataliza la formación de ácido mevalónico. 28 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica RECUADRO CLÍNICO 1-4 RECUADRO CLÍNICO 1-5 Colesterol y ateroesclerosis Farmacología de las prostaglandinas El interés en los fármacos hipocolesterolemiantes se origina de la participación del colesterol en la causa y evolución de la ateroesclerosis. Esta es una enfermedad muy diseminada que predispone a infarto miocárdico, trombosis cerebral, gangrena de las extremidades por isquemia y a otras enfermedades graves. Se caracteriza por infiltración de colesterol y de colesterol oxidado en los macrófagos, lo que los convierte en células espumosas que se encuentran en las lesiones de las paredes arteriales. Esto es seguido de una secuencia compleja de cambios que incluyen a las plaquetas, macrófagos, células de músculo liso, factores de crecimiento y mediadores inflamatorios que producen lesiones proliferativas que posteriormente se ulceran y pueden calcificarse. Las lesiones producen distorsión de los vasos sanguíneos y los tornan rígidos. En individuos con concentraciones plasmáticas elevadas de colesterol, la incidencia de ateroesclerosis y sus complicaciones se incrementa. Se ha mencionado que el intervalo normal para las concentraciones plasmáticas de colesterol es de 120 a 200 mg/100 ml, pero en varones existe una correlación clara, estrecha y directa entre la tasa de muerte debida a cardiopatía isquémica y las concentraciones plasmáticas de colesterol por arriba de 180 mg/100 ml. Además, ahora es claro que la reducción en las concentraciones plasmáticas de colesterol con dieta y fármacos retrasa e incluso puede revertir la progresión de las lesiones ateroescleróticas y las complicaciones que causan. Al valorar las concentraciones plasmáticas de colesterol con respecto a la ateroesclerosis, es importante analizar también las concentraciones de LDL y HDL. LDL suministra colesterol a los tejidos periféricos, lo que incluye lesiones ateromatosas, y la concentración plasmática de LDL tiene correlación directa con el infarto miocárdico y apoplejía isquémica. Por otra parte, HDL capta colesterol de los tejidos periféricos y lo transporta al hígado, con lo que reduce las concentraciones plasmáticas de colesterol. Llama la atención que las mujeres tienen una incidencia menor de infarto miocárdico en comparación con los varones, pero tienen concentraciones más elevadas de HDL. Además, los valores plasmáticos de HDL se incrementan en individuos que realizan ejercicio y en aquellos que consumen una o dos copas de alcohol por día, en tanto que disminuyen en individuos que fuman, en los obesos o en los sujetos sedentarios. El consumo moderado de bebidas alcohólicas disminuye la incidencia de infarto miocárdico, y la obesidad y tabaquismo son factores de riesgo que lo incrementan. El colesterol plasmático y la incidencia de enfermedades cardiovasculares se incrementan en los casos de hipercolesterolemia familiar, que es ocasionada por varias mutaciones con pérdida de la función en los genes para los receptores de LDL. Las prostaglandinas desempeñan una función prominente en la producción del dolor, en la inflamación y en la fiebre, y por lo tanto los farmacólogos han buscado medicamentos que inhiban su síntesis. Los glucocorticoides inhiben la fosfolipasa A2 y de esa forma inhiben la formación de todos los eicosanoides. Diversos antiinflamatorios no esteroideos (NSAID) inhiben ambas ciclooxigenasas, con lo que se inhibe la producción de PGH2 y sus derivados. El ácido acetilsalicílico es el fármaco mejor conocido de este grupo, pero también se utilizan ibuprofeno, indometacina y otros. Sin embargo, hay evidencia de que las prostaglandinas sintetizadas por COX2 participan más en la producción del dolor e inflamación mientras que las prostaglandinas sintetizadas por COX1 participan más en la protección de la mucosa gastrointestinal contra la ulceración. Se han desarrollado fármacos como celecoxib y rofecoxib, que producen inhibición selectiva de COX2 y su uso clínico alivia el dolor y la inflamación, tal vez con una reducción significativa de la incidencia de ulceración de tubo digestivo y de sus complicaciones, las cuales se observan con la administración de NSAID inespecíficos. No obstante, rofecoxib ha sido retirado del mercado en Estados Unidos porque se ha informado incremento en la incidencia de apoplejía e infartos al miocardio en individuos que lo consumen. Se están llevando a cabo investigaciones adicionales para comprender mejor los efectos de las enzimas COX, sus productos y sus inhibidores. esenciales. Los síntomas de deficiencias similares no se han demostrado de manera inequívoca en seres humanos, pero existe una razón para creer que algunas grasas insaturadas son constituyentes esenciales de la dieta, en especial en niños. Se sabe que se presenta deshidrogenación de las grasas en el cuerpo, pero al parecer no hay ninguna síntesis de cadenas de carbono con la distribución bicatenaria que se encuentra en los ácidos grasos esenciales. EICOSANOIDES Una de las razones por las cuales los ácidos grasos esenciales son necesarios para la salud es que son precursores de prostaglandinas, prostaciclina, tromboxanos, lipoxinas, leucotrienos y compuestos relacionados. Estas sustancias se denominan eicosanoides, lo que refleja que se originan del ácido graso poliinsaturado de 20 carbonos (eicosa-) ácido araquidónico (araquidonato) y de derivados de 20 carbonos como los ácidos linoleico y linolénico. Las prostaglandinas son un grupo de ácidos grasos insaturados de 20 carbonos que contienen un anillo ciclopentano. Se aislaron por primera vez del semen pero ahora se sabe que se sintetizan en la mayor parte de los órganos corporales y tal vez en todos. La prostaglandina H2 (PGH2) es el precursor de otras prostaglandinas, tromboxanos y prostaciclina. El ácido araquidónico se forma a partir de fosfolípidos hísticos por la acción de la fosfolipasa A2. Se convierte a prostaglandina H2 (PGH2) por la acción de las enzimas sintasas de prostaglandina G/H 1 y 2. Estas son enzimas de doble función que tienen actividad ciclooxigenasa y peroxidasa, pero se conocen más con los nombres de ciclooxigenasa 1 (COX1) y ciclooxigenasa 2 (COX2). Sus estructuras son muy similares, pero COX1 es constitutiva, en tanto que COX2 es inducida por factores de crecimiento, citocinas y promotores tumorales. PGH2 se convierte a prostaciclina, tromboxanos y prostaglandinas por varias isomerasas hísticas. Los efectos de las prostaglandinas son múltiples y variados. Son de particular importancia en el ciclo reproductor femenino, durante el parto, en el aparato cardiovascular, en la respuesta inflamatoria y en la producción de dolor. Los fármacos dirigidos a la producción de prostaglandinas se encuentran entre los medicamentos de venta libre más comunes (recuadro clínico 1-5). CAPÍTULO 1 Principios generales y producción de energía en fisiología médica El ácido araquidónico también actúa como sustrato para la producción de varios leucotrienos y lipoxinas de importancia fisiológica. Los leucotrienos, tromboxanos, lipoxinas y prostaglandinas se han denominado hormonas locales. Tienen una vida media corta y se inactivan en diversos tejidos. Sin duda, actúan sobre todo en los sitios en los cuales se producen. Los leucotrienos son mediadores de las respuestas alérgicas y de la inflamación. Su liberación es provocada cuando alergenos específicos se combinan con anticuerpos IgE en la superficie de los mastocitos (capítulo 3). Producen broncoconstricción, constricción arterial, incrementan la permeabilidad vascular y atraen neutrófilos y eosinófilos a los sitios de inflamación. Las enfermedades en las cuales participan incluyen asma, psoriasis, síndrome de insuficiencia respiratoria del adulto, rinitis alérgica, artritis reumatoide, enfermedad de Crohn y colitis ulcerosa. RESUMEN DEL CAPÍTULO ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Las células contienen casi una tercera parte de los líquidos corporales, en tanto que el líquido extracelular restante se encuentra entre las células (líquido intersticial) o en el plasma circulante. El número de moléculas, cargas eléctricas y partículas de las sustancias en solución tienen importancia fisiológica. Por su tensión superficial elevada, gran capacidad calorífica y gran capacidad eléctrica, el H2O actúa como el solvente ideal en fisiología. Los amortiguadores biológicos incluyen bicarbonato, proteínas y fosfatos, los cuales pueden unir o liberar protones en una solución para ayudar a mantener el pH. La capacidad amortiguadora biológica de los ácidos o bases débiles es mayor cuando la pKa = pH. El equilibrio de líquidos y electrólitos en el cuerpo está relacionado con la osmolalidad plasmática. Las soluciones isotónicas tienen la misma osmolalidad que el plasma, las hipertónicas tienen osmolalidad más elevada en tanto que las hipotónicas tienen menor osmolalidad. Aunque la osmolalidad de las soluciones puede ser similar a través de una membrana plasmática, la distribución de las moléculas individuales y de las cargas a través de la membrana plasmática puede ser muy diferente. Ésta se ve afectada por el equilibrio de Gibbs-Donnan y puede calcularse utilizando la ecuación potencial de Nernst. Existe una diferencia notable en la concentración de iones en los líquidos intracelular y extracelular (gradiente de concentración). La separación de concentraciones de moléculas cargadas establece un gradiente eléctrico en la membrana plasmática (negativo en el interior de la célula). El gradiente electroquímico es mantenido en gran parte por la Na, K ATPasa. La energía de las células puede almacenarse en forma de fosfatos de alta energía, lo que incluye trifosfato de adenosina (ATP). Las reacciones coordinadas de oxidación y reducción permiten la producción de un gradiente de protones en la membrana mitocondrial interna que por último producirá ATP en las células. Los nucleótidos están constituidos por purinas y pirimidinas unidas por azúcares de ribosa o 2-desoxirribosa con fosfatos inorgánicos como constituyentes básicos para la síntesis de ácidos nucleicos, DNA y RNA. El DNA es una estructura bicatenaria que contiene la información fundamental para un organismo. Durante la división celular, el DNA se replica exactamente y en cada célula hay una copia idéntica. La unidad fundamental del DNA es el gen, que codifica la información para la síntesis de proteínas en la célula. Los genes se transcriben en el RNA mensajero, y con la colaboración del RNA ribosomal y el RNA de transferencia, se traducen en proteínas. ■ ■ ■ ■ 29 Los aminoácidos son las estructuras básicas para la síntesis de proteínas en las células y también pueden servir como origen de varias moléculas con actividad biológica. Se encuentran en una “reserva de aminoácidos” que se obtiene de la dieta, desdoblamiento de proteínas, y de síntesis reciente y resíntesis. La traducción es el proceso de síntesis de proteínas. Después de la síntesis las proteínas se pueden someter a diversas modificaciones antes de obtener su estado funcional pleno. Los carbohidratos son moléculas orgánicas que contienen cantidades similares de C y H2O. Los carbohidratos pueden unirse a las proteínas (glucoproteínas) o ácidos grasos (glucolípidos) y son muy importantes para la producción y almacenamiento de energía celular y corporal, con sus principales reservas en forma de glucógeno en el hígado y en el músculo esquelético. El desdoblamiento de la glucosa para producir energía, o glucólisis, puede ocurrir en presencia o en ausencia de O2 (aerobia o anaerobia). La producción neta de ATP durante la glucólisis aerobia es 19 veces superior en comparación con la glucólisis anaerobia. Los ácidos grasos son ácidos carboxílicos con cadenas largas de hidrocarbonos. Son una fuente energética importante para las células y sus derivados incluyen triglicéridos, fosfolípidos y esteroles, y tienen funciones celulares adicionales importantes. Los ácidos grasos libres pueden unirse a la albúmina y transportarse a través del cuerpo. Los triglicéridos, fosfolípidos y colesterol son transportados en forma de complejos lipoproteínicos. PREGUNTAS DE OPCIÓN MÚLTIPLE Para todas las preguntas elija una sola respuesta, a menos que se indique lo contrario. 1. El potencial de membrana de la célula particular se encuentra en equilibrio con respecto al K+. La concentración intracelular de K+ es de 150 mmol/L, y la concentración extracelular es de 5.5 mmol/L. ¿Cuál es el potencial de reposo? A) –70 mv B) –90 mv C) +70 mv D) +90 mv 2. La diferencia en la concentración de H+ en una solución con pH de 2.0 en comparación con una solución con pH de 7.0 es de: A) cinco veces B) no excede 1/5 C) 105 veces D) no excede 10–5 3. El término transcripción se refiere a: A) el proceso en el cual el mRNA se utiliza como plantilla para la síntesis de proteínas B) el proceso donde la secuencia de DNA se copia en RNA para la expresión genética C) el proceso donde el DNA es rodeado por histonas para formar un nucleosoma D) el proceso de replicación de DNA antes de la división celular 4. La principal estructura de una proteína se refiere a: A) la torsión, plegamiento con la torsión y plegamiento de la secuencia de aminoácidos en estructuras estables dentro de la proteína (por ejemplo, hélices α y láminas β) B) la disposición de las subunidades para formar una estructura funcional C) la secuencia de aminoácidos de las proteínas D) la disposición de las cadenas dobladas y plegadas dentro de una proteína para formar una estructura estable 30 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica 5. Llene los espacios en blanco: El glucógeno es una forma de almacenamiento de la glucosa. _______ se refiere al proceso de sintetizar glucógeno y ________ se refiere al proceso de degradación del glucógeno. A) glucogenólisis, glucogénesis B) glucólisis, glucogenólisis C) glucogénesis, glucogenólisis D) glucogenólisis, glucólisis 6. La principal fuente de lipoproteínas del colesterol que se usa en las células es: A) quilomicrones B) lipoproteínas de densidad intermedia (IDL) C) ácidos grasos libres unidos a albúmina D) LDL E) HDL 7. ¿Cuál de los siguientes produce más compuestos de fosfato de alta energía? A) metabolismo aerobio de 1 mol de glucosa B) metabolismo anaerobio de 1 mol de glucosa C) metabolismo de 1 mol de galactosa D) metabolismo de 1 mol de aminoácidos E) metabolismo de 1 mol de ácidos grasos de cadena larga 8. Cuando las LDL entran a la célula por endocitosis mediada por receptores, ¿cuál de los siguientes eventos no ocurre? A) disminución en la síntesis de colesterol a partir de ácido mevalónico B) incremento de la concentración intracelular de ésteres de colesterilo C) incremento de la transferencia de colesterol de las células a las HDL D) disminución en la tasa de síntesis de receptores de LDL E) disminución de colesterol en los endosomas RECURSOS DEL CAPÍTULO Alberts B, et al: Molecular Biology of the Cell, 5th ed. Garland Science, 2007. Hille B: Ionic Channels of Excitable Membranes, 3rd ed. Sinauer Associates, 2001. Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM: Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000. Macdonald RG, Chaney WG: USMLE Road Map, Biochemistry. McGraw-Hill, 2007. Murray RK, et al: Harper’s Biochemistry, 26th ed. McGraw-Hill, 2003. Pollard TD, Earnshaw WC: Cell Biology, 2nd ed. Saunders, Elsevier, 2008. Sack GH, Jr. USMLE Road Map, Genetics. McGraw-Hill, 2008. Scriver CR, et al (editors): The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease, 8th ed. McGraw-Hill, 2001. Sperelakis N (editor): Cell Physiology Sourcebook, 3rd ed. Academic Press, 2001. Revisión de la fisiología celular en fisiología médica C A P Í T U L O 2 O B J E T I VO S Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de: ■ Mencionar los organelos celulares de mayor importancia y establecer su función en las células. ■ Nombrar los bloques que constituyen el citoesqueleto celular y mencionar su contribución a la estructura y la función celulares. ■ Mencionar los mecanismos de conexión intercelular y entre los espacios intracelular y extracelular. ■ Definir el proceso de exocitosis y endocitosis, así como describir la contribución de cada uno de ellos a la fisiología celular normal. ■ Definir las proteínas que participan en la permeabilidad y el transporte de membrana. ■ Describir el transporte y la filtración especializados a través de la pared capilar. ■ Identificar diversas modalidades de comunicación intercelular y describir las maneras en que los mensajeros químicos (incluidos los segundos mensajeros) afectan la fisiología celular. ■ Definir homeostasis celular. INTRODUCCIÓN La célula es la unidad funcional básica de todo organismo. En seres humanos, las células pueden tener un alto grado de especialización tanto en estructura como en función; las células de diferentes órganos son susceptibles de compartir características y funciones. En el capítulo previo, se revisaron algunos principios fundamentales de biofísica y de las estructuras básicas que participan en el catabolismo y el metabolismo celulares. En algunas de estas descripciones, se analizó el modo en que dichas estructuras contribuyen a la fisiología celular básica (p. ej., replicación, transcripción y traducción de ácido desoxirribonucleico [DNA]). En este capítulo, se revisan brevemente algunos aspectos fundamentales de la fisiología celular y molecular. En el siguiente capítulo, se describen datos adicionales con respecto a la especialización celular y la fisiología molecular en lo referente a función inmunitaria y, en los capítulos pertinentes, lo relacionado con diversos órganos. MORFOLOGÍA FUNCIONAL DE LA CÉLULA fluorescencia, confocal y otros tipos de microscopia, en conjunción con sondas especiales para la revisión estática y dinámica de estructuras celulares, han ampliado aún más el conocimiento acerca de las estructuras y la función celulares. Avances revolucionarios en la biofísica, la bioquímica y las técnicas de biología molecular han contribuido en gran medida al conocimiento vinculado con la célula. Es considerable la especialización de las células en varios órganos y ninguna célula puede denominarse “típica” con respecto a la totalidad de las células corporales. Sin embargo, varias estructuras (organelos) son comunes a la mayoría de aquéllas. Estas estructuras se muestran en la figura 2-1, muchas de las cuales pueden Es esencial el conocimiento básico de la biología celular para comprender cómo funcionan los aparatos y los sistemas orgánicos. Un recurso fundamental para analizar los elementos constitutivos de la célula es el microscopio. El microscopio óptico permite observar estructuras de hasta 0.2 μm, en tanto que el microscopio electrónico hace posible la visualización de estructuras de 0.002 μm. Las dimensiones celulares son bastante variables, pero tal resolución deja ver de manera apropiada el modo en que funciona la célula. La disponibilidad de microscopia con 31 32 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica Gránulos secretores Aparato de Golgi Centriolos Retículo endoplásmico rugoso Retículo endoplásmico liso Lisosomas Cubierta nuclear Gotas de lípidos Mitocondrias Nucléolo Cabezas globulares FIGURA 2-1 Diagrama que ilustra una célula hipotética como se observaría con microscopia de luz. Se realizó una ampliación de los organelos individuales para una revisión más cercana. (Adaptada de Bloom and Fawcett. Reproducida con permiso de Junqueira LC, Carneiro J, Kelley RO: Basic Histology, 9th ed. McGraw-Hill, 1998.) aislarse por medio de ultracentrifugado combinado con otras técnicas. Cuando las células son objeto de procesos de homogeneización y la suspensión obtenida se centrifuga, los núcleos se sedimentan en primer lugar, seguidos por las mitocondrias. La centrifugación de alta velocidad que genera fuerzas de 100 000 veces la gravedad o más, hace posible la segmentación de una fracción constituida por gránulos denominados microsomas. Esta fracción incluye organelos como ribosomas y peroxisomas. MEMBRANAS CELULARES La membrana que rodea a la célula es una estructura notable. Está constituida por lípidos y proteínas y es semipermeable, lo cual permite el paso de algunas sustancias a través de ella al tiempo que evita el paso de otras. No obstante, su permeabilidad puede variar porque contiene numerosos conductos regulados y otras proteínas de transporte que pueden cambiar la cantidad de sustancias que la atraviesan. En general, se le denomina membrana plasmática. El núcleo y otros organelos en la célula están limitados por estructuras membranosas similares. La estructura química de las membranas y sus propiedades varían de manera considerable de una ubicación a otra, pero comparten algunas características. En general, aquéllas tienen un espesor cercano a 7.5 nm (75 Å). Los principales lípidos son fosfolípidos, como fosfatidilcolina y fosfatidiletanolamina. La forma de las moléculas de fosfolípidos refleja sus propiedades de solubilidad: un extremo de la molécula contiene una porción fosfato, la cual es relativamente soluble en agua (polar, hidrofílica) y, el otro extremo, que es relativamente insoluble en dicha sustancia (no polar, hidrófoba). El poseer propiedades hidrofílica e hidrófoba hace de los lípidos moléculas anfipáticas. En la membrana, los extremos hidrófilos de las moléculas están expuestos al entorno acuoso que rodea el exterior de las células y el citoplasma acuoso; los extremos hidrófobos se encuentran en contacto con la región interior de la membrana, la cual posee bajo contenido de agua (fig. 2-2). En las células procariotas (p. ej., bacterias en las cuales no hay núcleo), las membranas son relativamente simples, mientras que en las células eucariotas (que contienen núcleo), las membranas celulares poseen varios glucoesfingolípidos, esfingomielina y colesterol además de los fosfolípidos y la fosfatidilcolina. Diferentes proteínas están incluidas en la membrana. Se encuentran como unidades globulares separadas y muchas pasan a través de la membrana (proteínas integrales), en tanto que otras (proteínas periféricas) se observan incrustadas dentro y fuera de la membrana (fig. 2-2). La cantidad de proteínas varía de manera significativa con la función de la membrana, pero constituyen hasta casi 50% de la masa de la membrana; es decir, hay aproximadamente una molécula de proteína por 50 moléculas de fosfolípidos, las cuales son mucho más pequeñas. Las proteínas en la membrana tienen diversas funciones. Algunas son moléculas de adhesión celular que fijan la célula con las células vecinas o con la lámina basal. Otras proteínas funcionan como bombas que transportan iones de manera activa a través de la membrana. Hay proteínas que actúan como transportadores CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica que cuando se activan, permiten el paso de iones hacia el interior o del exterior de la célula. Más adelante, se revisan las funciones de las bombas, los transportadores y los conductos iónicos en el transporte a través de la membrana celular. Otro grupo de proteínas actúa como receptores, a los cuales se unen ligandos o moléculas mensajeras y que inician cambios fisiológicos en el interior de la célula. Las proteínas también se desempeñan como enzimas, al catalizar reacciones en la superficie de la membrana. Más adelante en este capítulo, se revisan ejemplos de cada uno de estos grupos. Las porciones sin carga, hidrófobas, de las proteínas suelen ubicarse en el interior de la membrana, en tanto que aquellas con carga y, por tanto, hidrofílicas, se ubican en la superficie. Las proteínas periféricas se hallan unidas a la superficie de la membrana de varias maneras. Una modalidad habitual es la unión a formas glucosiladas de fosfatidilinositol. Las proteínas sostenidas por estas anclas de glucosilfosfatidilinositol (GPI) (fig. 2-3) incluyen enzimas, como fosfatasa alcalina, varios antígenos y numerosas moléculas de adhesión, así como tres proteínas que antagonizan la lisis celular por medio del complemento. En seres humanos, se han descrito más de 45 proteínas de superficie celular unidas a glucosilfosfatidilinositol. Otras proteínas se encuentran combinadas con lípidos, es decir, tienen lípidos específicos unidos a ellas (fig. 2-3). Las proteínas pueden hallarse miristoladas, palmitoiladas o preniladas (es decir, tienen unidos grupos geranilgeranilo o farnesilo). La estructura proteínica (y el contenido particular de las enzimas) de las membranas biológicas varía de una célula a otra, pero también en la misma célula. Por ejemplo, algunas de las enzimas incrustadas en la membrana celular son diferentes de las que se encuentran en las membranas mitocondriales. En las células epiteliales, las enzimas a la membrana celular sobre la superficie mucosa difieren de las halladas en la membrana celular Líquido extracelular Proteínas transmembrana Porción de carbohidrato de la glucoproteína Fosfolípidos Conducto Proteínas integrales Proteína periférica Regiones polares Regiones no polares 33 Líquido intracelular FIGURA 2-2 Organización de la bicapa de fosfolípidos y de las proteínas relacionadas en una membrana biológica. Cada molécula de fosfolípidos tiene dos cadenas de ácidos grasos (líneas onduladas) unidas a un fosfato (círculos claros). Las proteínas se muestran como glóbulos coloreados irregulares. Muchas son proteínas integrales, las cuales se extienden hacia la membrana pero se unen proteínas periféricas al interior o al exterior de la membrana (no se muestran). Con fines de claridad, se omitió la representación de las proteínas específicas unidas y del colesterol. (Reproducida con autorización de Widmaier EP, Raff H, Strang K: Vander’s Human Physiology: The Mechanisms of Body Function, 11th ed. McGraw-Hill, 2008.) al desplazar sustancias contra su gradiente de concentración mediante difusión facilitada. Otros más son conductos iónicos, Membrana lipídica Cara externa o citoplásmica de la membrana O N N-miristoilo Proteína Glu COOH H Proteína S-Cis S-palmitoilo NH2 O S-Cis Proteína NH2 S-Cis Proteína NH2 Geranilgeranilo Farnesilo O C C CH2 C C CH O C Fijación GPI (glucosilfosfatidilinositol) H2 Dominio hidrófobo O O O P O Inositol O C Proteína O Dominio hidrofílico FIGURA 2-3 Uniones de proteínas a los lípidos de la membrana. Algunos lípidos están unidos por sus extremos amino terminal y otros por el extremo carboxilo terminal. Muchos se unen a través de formas glucosiladas o con fosfatidilinositol (fijación glucosilfosfatidilinositol). (Reproducida con autorización de Fuller GM, Shields D: Molecular Basis of Medical Cell Biology. McGraw-Hill, 1998.) 34 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica Espacio intermembranoso H+ H+ CoQ Mitomembrana inferior H+ H+ Cyt c ADP Espacio de la matriz AS Complejo I II III IV V Subunidades de mDNA Subunidades de nDNA 7 0 1 3 2 39 4 10 10 14 ATP FIGURA 2-4 Componentes de la fosforilación oxidativa en la mitocondria y sus orígenes. Los complejos enzimáticos del I al IV convierten los fragmentos metabólicos de dos carbonos a dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) con bombeo de los protones (H+) al espacio intermembranoso. Las proteínas difunden de nuevo al espacio de la matriz a través del complejo V, sintasa de ATP (AS), en el cual el difosfato de adenosina (ADP) se convierte en ATP (ATP). Los complejos enzimáticos están constituidos por subunidades codificadas por DNA mitocondrial (mDNA) y ácido desoxirribonucleico nuclear (nDNA) y en la figura se muestra la contribución de cada DNA a los complejos. en los bordes basal y externo de las células; es decir, las células están polarizadas y dicha polarización hace posible el transporte a través del epitelio. Las membranas son estructuras dinámicas y sus elementos constitutivos se renuevan en modo constante a diferentes tasas de velocidad. Algunas proteínas están fijas al citoesqueleto, en tanto que otras se desplazan en sentido lateral en la membrana. Por debajo de la mayoría de las células, se observa una capa delgada, mal delimitada con algunas fibrillas que, en conjunto, constituyen la membrana basal o, de manera más apropiada, la lámina basal. Esta última y, de modo más general, la matriz extracelular están constituidas por muchas proteínas que las mantienen unidas, regulan su desarrollo y determinan su crecimiento. Éstas incluyen colágena, lamininas, fibronectina, tenascina y varios proteoglucanos. MITOCONDRIA Hace más de 1 000 millones de años, las bacterias aerobias fueron incorporadas por células eucariotas y se transformaron en mitocondrias, lo cual proporcionó a dichas células la habilidad de sintetizar compuestos de trifosfato de adenosina (ATP) ricos en energía a través de la fosforilación oxidativa. La mitocondria desempeña otras funciones, incluida una participación en la regulación de la apoptosis (muerte celular programada), pero la función más importante es la fosforilación oxidativa. Cada célula eucariota puede tener cientos o miles de mitocondrias. En los mamíferos, casi siempre se les ilustra cómo organelos con forma cilíndrica (fig. 2-1), pero su conformación quizá sea bastante dinámica. Cada mitocondria tiene una membrana externa, un espacio intermembranoso, una membrana interna, la cual se pliega para formar estructuras con aspecto de anaqueles (crestas), así como una matriz central. El complejo enzimático que participa en la fosforilación oxidativa se encuentra alineado sobre las crestas (fig. 2-4). Concordante con su origen a partir de bacterias aerobias, las mitocondrias poseen su propio genoma. Hay significativamente menos ácido desoxirribonucleico en el genoma mitocondrial que en el genoma nuclear, y 99% de las proteínas en la mitocondria es producto de genes nucleares, pero el DNA mitocondrial es fundamental para la existencia de algunos componentes fundamentales de la vía de la fosforilación oxidativa. De manera específica, el DNA mitocondrial de los seres humanos es una molécula circular de doble tira que contiene casi 16 500 pares de bases (comparada con más de 1 000 millones en el DNA nuclear). Codifica 13 subunidades proteínicas que están relacionadas con proteínas codificadas por genes nucleares para dar origen a cuatro complejos enzimáticos, dos ácidos ribonucleicos ribosómicos y 22 ácidos ribonucleicos de transferencia, los cuales son necesarios para la síntesis proteínica en los ribosomas intramitocondriales. El complejo enzimático causante de la fosforilación oxidativa ilustra las interacciones entre los productos de los genomas mitocondrial y nuclear. Por ejemplo, el complejo I, deshidrogenasa de dinucleótido de adenina y nicotinamida (NADH) reducida, está constituido por siete subunidades proteínicas codificadas por el DNA mitocondrial y 39 subunidades codificadas por el DNA nuclear. El origen de las subunidades en los otros complejos se muestra en la figura 2-4. El complejo II (deshidrogenasa de succinato-oxidorreductasa de ubiquinona), el complejo III (oxidorreductasa de ubiquinona-citocromo c) y el complejo IV (oxidasa de citocromo c) actúan con el complejo I, con la coenzima Q y el citocromo c, para convertir los metabolitos a CO2 y agua. Los complejos I, III y IV bombean protones (H+) en el espacio intermembranoso durante esta transferencia de electrones. Los protones fluyen siguiendo su gradiente electroquímico a través del complejo V, la sintasa de ATP, la cual aprovecha esta energía para producir ATP. En el cigoto, las mitocondrias se derivan del óvulo y, por tanto, su herencia es de tipo materno. Esta herencia materna se ha utilizado como un recurso para establecer la vía de evolución de la descendencia. La mitocondria tiene un sistema de reparación de DNA ineficaz y la tasa de mutación para el DNA mitocondrial es de casi 10 veces la tasa para el DNA nuclear. Gran número de enfermedades relativamente poco frecuentes se han rastreado hasta llegar a mutaciones en el DNA mitocondrial. Éstas incluyen la mayoría de los trastornos hísticos con altas tasas metabólicas en las cuales hay alteraciones en la producción de energía como consecuencia de las anomalías en la generación de ATP. LISOSOMAS En el citoplasma de la célula, se observan estructuras irregulares rodeadas por una membrana. El interior de estas estructuras, denominadas lisosomas es más ácido que el resto del citoplasma y el material externo, como las bacterias que sufrieron endocitosis y CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica CUADRO 2-1 Algunas de las enzimas que se encuentran en lisosomas y los componentes celulares que constituyen su sustrato Enzima Sustrato Ribonucleasa RNA Desoxirribonucleasa DNA Fosfatasa Ésteres de fosfato Glucosidasas Carbohidratos complejos; glucósidos y polisacáridos Arilsulfatasas Ésteres de sulfato Colagenasas Colágenas Catepsinas Proteínas 35 RECUADRO CLÍNICO 2-1 Enfermedades lisosómicas Cuando hay ausencia congénita de una enzima lisosómica, los lisosomas aumentan de tamaño con el material que suele ser desdoblado por las enzimas. Esto finalmente conduce a una enfermedad por almacenamiento lisosómico. Por ejemplo, la deficiencia de galactosidasa α A causa enfermedad de Fabry, la deficiencia de galactocerebrosidasa β origina enfermedad de Gaucher. Estas entidades patológicas son poco frecuentes, pero son graves y pueden ser letales. Otro ejemplo es la enfermedad por almacenamiento lisosómico denominada enfermedad de Tay-Sachs, la cual genera retraso mental y ceguera; el trastorno es causado por la falta de hexosaminidasa A, una enzima lisosómica que cataliza el desdoblamiento de los gangliósidos (derivados de los ácidos grasos). RNA, ácido ribonucleico; DNA, ácido desoxirribonucleico. los componentes celulares desgastados digeridos dentro de aquéllos. El interior se mantiene con pH ácido por la actividad de la bomba de protones o H+, trifosfatasa de adenosina (ATPasa). Esta proteína integral de membrana utiliza la energía del ATP para desplazar protones del citosol en contra de su gradiente electroquímico y conservar la acidez relativa de los lisosomas, cercana a un pH de 5.0. Los lisosomas pueden contener más de 40 tipos de enzimas hidrolíticas, algunas de las cuales se enumeran en el cuadro 2-1. No es de sorprender que todas estas enzimas sean hidrolasas ácidas, cuya función es mejor en el pH ácido que se encuentra en el compartimiento lisosómico. Ésta quizá sea una característica de seguridad para la célula; si los lisosomas se rompen y liberan su contenido, las enzimas no serían eficaces a un pH citosólico casi neutro (7.2) y, por tanto, no podrían digerir las enzimas citosólicas con las que pudieran tener contacto. Las enfermedades relacionadas con disfunción lisosómica se revisan en el recuadro clínico 2-1. PEROXISOMAS Éstos tienen un diámetro de 0.5 μm, se encuentran rodeados por una membrana y contienen enzimas que pueden producir H2O2 (oxidasas) o desdoblamiento (catalasas). Las proteínas se dirigen al peroxisoma por secuencia de señales única con la ayuda de proteínas chaperones, las peroxinas. La membrana del peroxisoma contiene varias proteínas específicas para peroxisomas que participan en el transporte de sustancias hacia el interior y el exterior de la matriz del peroxisoma. La matriz contiene más de 40 enzimas que trabajan en conjunto con las que se encuentran fuera del peroxisoma con la función de catalizar diversas reacciones anabólicas y catabólicas (p. ej., desdoblamiento de lípidos). Los peroxisomas pueden formarse por la gemación del retículo endoplásmico o mediante división. Varios compuestos sintéticos en apariencia originan proliferación de los peroxisomas al actuar sobre los receptores en el núcleo celular. Estos receptores activados de la proliferación del peroxisoma (PPAR) son miembros de la superfamilia de receptores nucleares. Cuando se activan, se unen al ácido desoxirribonucleico y generan cambios en la producción de ácido ribonucleico mensajero (mRNA). Los efectos conocidos de los receptores activados de la proliferación del peroxisoma son amplios y pueden afectar la mayoría de los tejidos y los órganos. CITOESQUELETO Todas las células tienen un citoesqueleto, un sistema de fibras que mantiene la estructura de la célula al tiempo que hace posible cambiar su forma, así como el movimiento. El citoesqueleto está constituido sobre todo por microtúbulos, filamentos intermedios y microfilamentos (fig. 2-5), junto con proteínas que las anclan y las conservan unidas. Además, las proteínas y los organelos se desplazan a lo largo de microtúbulos y microfilamentos de una a otra parte de la célula, impulsados por motores moleculares. Los microtúbulos (figs. 2-5 y 2-6) son estructuras largas, huecas, con paredes de 5 nm que rodean a una cavidad de 15 nm de diámetro. Están constituidos por dos subunidades de proteínas globulares: tubulina α y β. Una tercera subunidad, tubulina γ, se relaciona con la producción de microtúbulos por los centrosomas. Las subunidades α y β forman heterodímeros que se agregan para constituir tubos largos formados por anillos apilados y cada anillo, por lo regular, contiene 13 subunidades. Los túbulos interactúan con GTP para facilitar su formación. Tal vez se añadan subunidades de microtúbulos en ambos extremos, pero aquéllos son polares y el ensamblaje predomina en el extremo positivo, mientras que en el extremo negativo es preponderante el desacoplamiento. Ambos procesos aparecen de manera simultánea in vitro. El crecimiento de los microtúbulos es sensible a la temperatura (se favorece el desacoplamiento en situaciones de temperaturas bajas) y está supeditado al control de diversos factores celulares que pueden interactuar de manera directa con los microtúbulos en la célula. Por el ensamblaje y el desacoplamiento constantes, los microtúbulos son porciones dinámicas del esqueleto celular. Éstos proporcionan la guía sobre la cual moléculas diferentes desplazan vesículas, organelos, gránulos secretores y mitocondrias de una parte de la célula a otra. Asimismo, forman los husos que desplazan los cromosomas durante la mitosis. La carga puede ser transportada en ambos sentidos a lo largo de los microtúbulos. Hay fármacos disponibles que alteran la función celular mediante la interacción con los microtúbulos. Se evita el ensamblaje de estos últimos por medio de la actividad de la colquicina y la vinblastina. El paclitaxel es un fármaco antineoplásico que se une a los microtúbulos y los torna estables, de modo que los 36 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica Filamentos del citoesqueleto Microfilamento Diámetro (nm) 7 Subunidad proteínica Actina Filamento intermedio 10 Varias proteínas Microtúbulo 25 Tubulina FIGURA 2-5 Elementos del citoesqueleto celular. Las imágenes muestran los principales elementos del citoesqueleto en el lado izquierdo, con las propiedades básicas de estos elementos en las columnas de la derecha. (Reproducida con autorización de Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology: The Mechanisms of Body Function, 11th ed. McGraw-Hill, 2008.) organelos no puedan desplazarse; no se forman los husos mitóticos y las células mueren. Los filamentos intermedios (figs. 2-5 y 2-6) tienen 8 a 14 nm de diámetro y están constituidos por varias subunidades. Algunos de estos filamentos conectan la membrana nuclear con la membrana celular. Forman un andamiaje flexible para la célula y ayudan en la resistencia a la presión externa. En su ausencia, la célula se rompe con mayor facilidad y cuando son anormales en seres humanos, con frecuencia aparecen ampollas en la piel. Las proteínas que forman filamentos intermedios son específicas para el tipo celular y, por tanto, de manera habitual se emplean como marcadores celulares. Por ejemplo, la vimentina es un filamento intermedio importante en los fibroblastos, en tanto que la citoqueratina se expresa en las células epiteliales. Los microfilamentos (figs. 2-5 y 2-6) son fibras sólidas largas con diámetro de 4 a 6 nm y que están constituidos por actina. Aunque esta última se vincula más a menudo con la contracción muscular, está presente en todos los tipos de células. Es la pro- teína más abundante en las células de mamíferos, conformando en ocasiones hasta 15% de las proteínas totales en la célula. Su estructura está muy conservada; por ejemplo, 88% de la secuencia de aminoácidos en la actina de levaduras y conejos es idéntico. Los filamentos de actina se polimerizan y despolimerizan in vivo y con frecuencia se ha observado polimerización en un extremo del filamento en tanto ocurre despolimerización en el otro extremo. El término filamentos (F) de actina se refiere a los microfilamentos intactos, en tanto que el término actina globular (G) denomina a las subunidades de actina no polimerizada. Las fibras de actina F se unen a varias partes del citoesqueleto y pueden interactuar de modo directo o indirecto con proteínas unidas a la membrana. Dichas fibras alcanzan las puntas de las microvellosidades sobre las células epiteliales de la mucosa intestinal. También hay abundantes lamelipodios que las células exteriorizan cuando se desplazan sobre superficies. Los filamentos de actina interactúan con los receptores de integrina y forman complejos de adhesión focal, que actúan como puntos FIGURA 2-6 Microfilamentos y microtúbulos. La micrografía electrónica (izquierda) del citoplasma de un fibroblasto muestra filamentos de actina (MF) y microtúbulos (MT). (Reproducida con autorización de Junqueira LC, Carneiro J: Basic Histology, 10th ed. McGraw-Hill, 2003.) Micrografía de fluorescencia de las células del epitelio respiratorio que muestran microfilamentos de actina teñidos con faloidina (enmedio) y microtúbulos que se observan por medio de anticuerpos contra tubulina β (derecha). Ambas micrografías de fluorescencia fueron coloreadas, además, con colorante de Hoechst (azul) para visualizar el núcleo. Nótense las diferencias en la estructura del citoesqueleto. CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica de atracción con la superficie sobre la cual la célula se impulsa. Además, algunos motores moleculares utilizan microfilamentos como puntos de apoyo. 37 modo, ellas realizan funciones tan diversas como la contracción muscular y la migración celular. CENTROSOMAS MOTORES MOLECULARES Los motores moleculares que mueven proteínas, organelos y otras estructuras celulares (los cuales en conjunto se denominan “carga”) hacia todas las partes de la célula comprenden las ATPasas de 100 a 500 kDa. Éstas se unen a su carga en un extremo de la molécula y a microtúbulos o a polímeros de actina en el otro extremo, que con frecuencia se refieren como “cabeza”. Convierten la energía del ATP en movimiento a lo largo del citoesqueleto, transportando su carga con ellos. Hay tres superfamilias de motores moleculares: cinesina, dineínas y miosina. Los ejemplos de proteínas individuales de cada superfamilia se muestran en la figura 2-7. Es importante notar que hay una variación amplia entre los miembros de la superfamilia, lo cual hace posible la especialización de la función (p. ej., elección de la carga, tipo de filamento del citoesqueleto, dirección del movimiento o combinaciones de estas funciones). La forma convencional de la cinesina corresponde a una molécula de doble cabeza que tiende a desplazar su carga hacia el “extremo positivo” de los microtúbulos. Un extremo se une al microtúbulo y más tarde dobla su cuello, mientras otra cabeza se balancea hacia adelante y se une, con lo cual genera un movimiento casi continuo. Algunas cinesinas se relacionan con la mitosis y la meiosis; otras realizan diferentes funciones, que incluyen, en algunos casos, el desplazamiento de la carga al “extremo negativo” de los microtúbulos. Las dineínas poseen dos cabezas, con sus cuellos embebidos en un complejo de proteínas. Las dineínas citoplásmicas tienen una función similar a la de la cinesina convencional, excepto que tienden a desplazar las partículas y las membranas hacia el extremo negativo de los microtúbulos. Las múltiples formas de miosina en el organismo se dividen en 18 clases. Las cabezas de las moléculas de miosina se unen a la actina y producen movimiento por curvado de sus regiones del cuello (miosina II) o se desplaza a lo largo de los microfilamentos, una cabeza después de otra (miosina V). De este En el citoplasma de células animales eucariotas, cerca del núcleo se encuentra el centrosoma, el cual está constituido por dos centriolos y material pericentriolar amorfo circundante. Los centriolos son cilindros cortos dispuestos de modo tal que forman ángulos rectos uno respecto del otro. Los microtúbulos transcurren en sentido longitudinal en grupos de tres en las paredes de cada centriolo (fig. 2-1). Ninguno de estos tripletes se halla espaciado a intervalos regulares alrededor de la circunferencia. Los centrosomas son centros organizadores de microtúbulos (MTOC) que contienen tubulina γ en el material pericentriolar. Cuando una célula se divide, los centrosomas se duplican a sí mismos y los pares se separan hacia los polos del huso mitótico; aquéllos son estructuras que permiten supervisar las etapas de la división celular. En las células multinucleadas, se encuentra un centrosoma cerca de cada núcleo. CILIOS Los cilios son proyecciones celulares especializadas utilizadas por los microorganismos unicelulares para impulsarse a través de líquido y, por organismos multicelulares, para mover el moco y otras sustancias sobre la superficie de los epitelios. Desde el punto de vista funcional, los cilios son indistintos de los flagelos de los espermatozoides eucariotas. En el interior del cilio, se observa un axonema que incluye una disposición singular de nueve dobletes de microtúbulos externos y de dos microtúbulos internos (disposición “9 + 2”). A lo largo de este citoesqueleto, se encuentra dineína axonémica. Las interacciones coordinadas entre timina y microtúbulos en el interior del axonema constituyen la base para el movimiento ciliar y de los espermatozoides. En la base del axonema, en su interior, se halla el cuerpo basal. Éste posee nueve tripletes de microtúbulos circunferenciales, similar a un centriolo, y hay indicios de que los cuerpos basales y los centriolos se convierten uno en otro. Carga Cadenas ligeras Cinesina convencional 4 nm Dineína citoplásmica 80 nm Dominio transportador de la carga Cabeza 1 Cabeza 2 ADP Cabeza 2 ADP Cabeza 1 ATP Actina Miosina V FIGURA 2-7 Tres ejemplos de motores moleculares. Las cinesinas convencionales se observan unidas a la carga, en este caso un organelo unido a la membrana. También se muestra la forma en que la miosina V “se desplaza” a lo largo del microtúbulo. Obsérvese que la cabeza de los motores hidrolizan ATP y utiliza la energía para producir el movimiento. ADP, bifosfato de adenosina. 38 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica MOLÉCULAS DE ADHESIÓN CELULAR Las células se unen a la lámina basal y una con otra por acción de las moléculas de adhesión celular (CAM), las cuales son parte prominente de las conexiones intercelulares descritas más adelante. Estas proteínas de adhesión han llamado poderosamente la atención en años recientes por su estructura singular y las funciones de señalización de gran importancia en el desarrollo embrionario, así como en la formación del sistema nervioso y otros tejidos, al conservar unidos los tejidos en los adultos, en estados de inflamación y cicatrización de heridas y en las metástasis tumorales. Muchas moléculas de adhesión celular atraviesan la membrana celular y se anclan al citoesqueleto en el interior de la célula. Algunas se unen a moléculas similares que se encuentran en otras células (unión homofílica), en tanto otras se vinculan con moléculas diferentes (unión heterófila). Muchas se unen a lamininas, una familia de moléculas con forma de cruz y múltiples dominios de receptor en la matriz extracelular. La nomenclatura de las moléculas de adhesión celular es un tanto complicada, en parte porque es un campo de rápido crecimiento y por el uso amplio de acrónimos, al igual que en otras áreas de la biología moderna. Sin embargo, las moléculas de adhesión celular pueden dividirse en cuatro familias amplias: 1) integrinas, heterodímeros unidos a varios receptores; 2) moléculas de adhesión de la superfamilia IgG de las inmunoglobulinas; 3) caderinas, moléculas dependientes de Ca2+ que median la adhesión celular por reacciones hemofílicas, y 4) selectinas, las cuales muestran dominios similares a los de la lectina, que se fijan a los carbohidratos. Las funciones específicas de algunas de estas moléculas se revisan en otros capítulos. Las moléculas de adhesión celular fijan células con otras vecinas y también transmiten señales hacia el interior y el exterior de la célula. Por ejemplo, las células que pierden su contacto con la matriz extracelular a través de las integrinas, poseen una tasa más alta de apoptosis en comparación con las células que se hallan fijas; las interacciones entre las integrinas y el citoesqueleto participan en el movimiento celular. CONEXIONES INTERCELULARES En general, las uniones intercelulares formadas entre las células en los tejidos pueden dividirse en dos grupos: uniones que fijan células entre sí y con los tejidos circundantes, y uniones que permiten la transferencia de iones y otras moléculas de una célula a otra. Los tipos de uniones que mantienen juntas a las células y proporcionan fuerza y estabilidad a éstas incluyen las uniones estrechas, también conocida como zónula de oclusión (fig. 2-8). El desmosoma y la zónula de adherencia también ayudan a conservar las células unidas; en cambio, el hemidesmosoma y las adherencias focales unen a las células con sus láminas basales. Las uniones intercelulares comunicantes forman un “conducto” citoplásmico para la difusión de moléculas pequeñas (menores de 1 000 Da) entre dos células vecinas. Por lo regular, las uniones estrechas se hallan rodeadas por bordes apicales de células en epitelios, como la mucosa intestinal, las paredes de los túbulos renales y el plexo coroideo. Tales uniones son importantes para la función de barrera endotelial, las cuales están constituidas por crestas que se adhieren con Unión estrecha (zónula de oclusión) Uniones adherentes Desmosomas Uniones intercelulares comunicantes Hemidesmosomas FIGURA 2-8 Uniones intracelulares en la mucosa del intestino delgado. Se muestran las uniones estrechas (zónula de oclusión), uniones adherentes, desmosomas, uniones intercelulares comunicantes y hemidesmosomas en sus posiciones relativas en una célula epitelial polarizada. fuerza en la unión celular, con lo cual casi obliteran el espacio entre las células. Hay tres familias principales de proteínas transmembrana que contribuyen a las uniones estrechas: ocludina, moléculas de adhesión de la unión (JAM) y claudinas, así como varias proteínas más que interactúan en el lado del citosol. Las uniones estrechas permiten el paso de algunos iones y solutos entre células adyacentes (vía paracelular) y el grado de la “fuga” varía según sea la parte de la proteína que participe en la formación de la unión estrecha. El flujo extracelular de iones y solutos a través del epitelio en estas uniones constituye una parte significativa del flujo total de iones y solutos. Además, las uniones estrechas evitan el movimiento de proteínas en el plano de la membrana, lo cual ayuda a preservar la distribución diferente de los transportadores y los conductos, en las membranas celulares apical y basolateral que hacen posible el transporte a través del epitelio. En las células epiteliales, cada zónula adherente suele ser una estructura continua en el lado basal de la zónula de oclusión, y éste es el principal sitio de unión de los microfilamentos intracelulares; la zónula adherente contiene caderinas. Los desmosomas corresponden a placas que se caracterizan por aposición estrecha de las membranas de dos células adyacentes. Unidos al área engrosada en cada célula, se encuentran los filamentos intermedios, algunos de los cuales transcurren en dirección paralela con la membrana y otros tienen una disposición radial, alejándose de ella. Entre los engrosamientos de la membrana, el espacio intercelular contiene material filamentoso que incluye caderinas y porciones extracelulares de otras proteínas transmembrana. Los hemidesmosomas presentan un aspecto similar a una placa de adhesión que une a las células con la lámina basal subyacente y que están conectados con los filamentos intermedios intracelulares. Sin embargo, contienen integrinas más que caderinas. La adhesión focal también une las células a sus láminas CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica 39 A Citoplasma presináptico 20 nm 3.5 nm Citoplasma postsináptico Espacio extracelular normal Conductos formados por los poros en cada membrana B Seis subunidades de conexina = 1 conexona (hemiconducto) Cada una de las seis conexinas tiene cuatro regiones que abarcan la membrana Citoplasma presináptico Espacio extracelular Asas citoplásmicas para la regulación Asas extracelulares para las reacciones hemofílicas FIGURA 2-9 Uniones intercelulares comunicantes que vinculan al citoplasma de dos células. A) Una placa de uniones intercelulares comunicantes o varias uniones intercomunicantes individuales se muestran para formar poros entre las células, lo cual permite la transferencia de moléculas pequeñas. En el recuadro, se observa una micrografía electrónica de hígado de rata (N. Gilula). B) Ilustración topográfica de las conexonas individuales y las correspondientes seis unidades de proteína conexina que atraviesan la membrana. Obsérvese que cada conexina cruza la membrana en cuatro ocasiones. (Reproducida con autorización de Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [editors]: Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000.) basales. Como se mencionó, son estructuras lábiles relacionadas con filamentos de actina en el interior de la célula y que desempeñan una función importante en el movimiento celular. UNIONES INTERCELULARES COMUNICANTES En éstas, el espacio intercelular se reduce de 25 a 3 nm y a cada lado de la membrana se encuentran elementos denominados conexonas (fig. 2-9). Cada conexona está constituida hasta por seis subunidades proteínicas denominadas conexinas, las cuales rodean un conducto que, cuando se halla recubierto con la conexona correspondiente en la célula adyacente, permite que las sustancias pasen entre las células sin ponerse en contacto con el líquido extracelular. El diámetro del conducto suele ser de 2 nm, lo cual hace posible el paso de iones, carbohidratos, aminoácidos y otros solutos con pesos moleculares hasta de 1 000 Da. Las uniones estrechas favorecen la propagación rápida de la actividad eléctrica de una célula a otra, así como el intercambio de varios mensajeros químicos. Sin embargo, las uniones intercelulares comunicantes no son conductos pasivos, inespecíficos. Al menos 20 genes diferentes codifican conexinas en seres humanos, y la mutación en tales genes conduce a enfermeda- 40 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica des muy selectivas en cuanto a los tejidos afectados y el tipo de comunicación generado entre las células. Por ejemplo, la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth es una neuropatía periférica relacionada con la mutación de un gen particular de conexina. Los experimentos en ratones con deleción de una conexina particular mediante manipulación génica o sustitución con una conexina diferente, confirman que las subunidades particulares de conexinas que participan en la producción de conexonas, determinan su permeabilidad y selectividad. En fechas recientes, se ha demostrado que las conexonas pueden emplearse como conductos para liberar moléculas pequeñas del citosol hacia el líquido extracelular. NÚCLEO Y ESTRUCTURAS RELACIONADAS En toda célula eucariota con habilidad para dividirse, se observa un núcleo. Si una célula es cortada por la mitad, la porción sin núcleo finalmente será destruida sin división. El núcleo está constituido en gran medida por cromosomas, estructuras que se encuentran en el interior del núcleo y que portan la información genética completa para todas las especies herederas, así como las características individuales del animal. Con la excepción de las células germinativas, los cromosomas se presentan en pares, originalmente uno proveniente de cada padre. Cada cromosoma está constituido por una molécula gigante de ácido desoxirribonucleico (DNA). Una tira de este último tiene casi 2 m de longitud, pero se acomoda en el núcleo gracias a los plegamientos a intervalos alrededor de un centro de proteínas de histona para dar origen a un nucleosoma. Hay casi 25 millones de nucleosomas en cada núcleo. La estructura de los cromosomas se ha vinculado con “un collar de cuentas”. Las cuentas son los nucleosomas y el DNA entre ellas es la cuerda. La totalidad del complejo de DNA y las proteínas se denomina cromatina. Durante la división celular, el enrollamiento en las histonas se hace más laxo, tal vez por acetilación de las histonas, y se tornan visibles los pares de cromosomas, pero entre las divisiones celulares sólo se observa cromatina agrupada en el núcleo. La unidad final de herencia corresponde a los genes en los cromosomas. Como se revisó en el capítulo 1, cada gen es una porción de molécula del ácido desoxirribonucleico. El núcleo de la mayoría de las células contiene un nucléolo (fig. 2-1), una acumulación de gránulos ricos en ácido ribonucleico (RNA). En algunas células, el núcleo contiene varias de estas estructuras. El nucléolo es más prominente y numeroso en las células en crecimiento. Aquél es sitio de síntesis de ribosomas, las estructuras en el citoplasma en las cuales se sintetizan las proteínas. El interior del núcleo tiene un esqueleto de filamentos finos que se encuentran unidos a la membrana nuclear o envoltura (fig. 2-1), la cual rodea el núcleo. Ésta es una membrana doble y los espacios entre los pliegues se denominan cisternas perinucleares. La membrana es permeable sólo a las moléculas pequeñas. No obstante, contiene complejos de poros nucleares. Cada complejo tiene ocho repeticiones simétricas y está constituido por casi 100 proteínas organizadas para formar un conducto a través del cual ocurre el transporte de proteínas y de ácido ribonucleico mensajero. Hay muchas vías de transporte; asimismo, se han identificado y aislado proteínas denominadas importinas y exportinas. Gran parte de la investigación presente se centra en el transporte hacia el interior y el exterior del núcleo y, en un futuro cercano, se logrará una mejor comprensión de este proceso. RETÍCULO ENDOPLÁSMICO El retículo endoplásmico es una serie compleja de túbulos en el citoplasma de la célula (fig. 2-1). La extremidad interna de su membrana tiene continuidad con un segmento de la membrana nuclear, de forma que, en efecto, esta parte de la membrana nuclear es una cisterna de retículo endoplásmico. Las paredes tubulares se encuentran constituidas por membrana. En el retículo endoplásmico rugoso o granuloso, los ribosomas se hallan unidos al extremo citoplásmico de la membrana, en tanto el retículo endoplásmico liso o agranular carece de ribosomas. En el citoplasma, se observan ribosomas libres. El retículo endoplásmico rugoso participa en la síntesis de proteínas y en el plegamiento inicial de cadenas polipeptídicas mediante la formación de puentes de disulfuro. El retículo endoplásmico liso es el sitio de síntesis de esteroides en las células que producen dichas hormonas y corresponde al lugar donde ocurre la desintoxicación en algunas células. El retículo sarcoplásmico es un retículo endoplásmico modificado que desempeña una función importante en los músculos estriado y cardiaco. En particular, el retículo endoplásmico o sarcoplásmico puede secuestrar iones de Ca2+ y permite la liberación de moléculas de señalización en el citosol. RIBOSOMAS Estas estructuras en las células eucariotas miden casi 22 por 32 nm. Cada ribosoma está formado por una subunidad grande y una pequeña, las cuales, con base en la tasa de sedimentación durante la ultracentrifugación, reciben el nombre de subunidades 60S y 40S. Los ribosomas son estructuras complejas que contienen muchas proteínas diferentes y al menos tres RNA ribosomales. Son sitios de síntesis proteínica. Los ribosomas que se unen al retículo endoplásmico sintetizan todas las proteínas transmembrana, la mayoría de las proteínas secretadas y casi todas las proteínas que se almacenan en el aparato de Golgi, lisosomas y endosomas. Estas proteínas casi siempre tienen una señal peptídica hidrófoba en un extremo (fig. 2-10). Las cadenas polipeptídicas que forman estas proteínas son exteriorizadas hacia el retículo endoplásmico. Los ribosomas libres sintetizan proteínas citoplásmicas, como la hemoglobina y las proteínas halladas en los peroxisomas y las mitocondrias. APARATO DE GOLGI Y DESPLAZAMIENTO DE VESÍCULAS El aparato de Golgi es un cúmulo de cavidades (cisternas) rodeadas por membrana, dispuestas de manera similar a una pila de monedas (fig. 2-1). Por lo general, hay seis cavidades en cada aparato, pero puede haber más. Todas las células eucariotas cuentan con uno o más aparatos de Golgi, casi siempre cerca del núcleo. Gran parte de la organización del aparato de Golgi se dirige a la glucosilación apropiada de proteínas y lípidos. Se conocen más de 200 enzimas que funcionan para añadir, retirar o modificar carbohidratos de las proteínas y los lípidos en el aparato de Golgi. CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica 41 Citoplasma mRNA del gen A mRNA del gen B Ribosoma libre Secuencia de señales Retículo endoplásmico rugoso Grupo carbohidrato Cadena polipeptídica en síntesis Secuencias de señalización con desdoblamiento Vesícula Aparato de Golgi Lisosoma Vesícula secretora Proteína digestiva del gen B Exocitosis Membrana plasmática Proteína secretada proveniente del gen A Líquido extracelular FIGURA 2-10 Retículo endoplásmico rugoso y traducción de proteínas. El ácido ribonucleico (RNA) mensajero y los ribosomas se ponen en contacto en el citosol para la traducción. Las proteínas que tienen los péptidos de señalización apropiados inician la traducción y más tarde se vinculan en el retículo endoplásmico (ER) para completar la producción. Los ribosomas son los que dan el aspecto “rugoso” al retículo endoplásmico. (Reproducida con autorización de Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology: The Mechanisms of Body Function, 11th ed. McGraw-Hill, 2008.) 42 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica ER Aparato del Golgi Gránulos de secreción Secreción regulada Secreción constitutiva Reciclado Endocitosis Núcleo Lisosomas Endosoma Endosoma tardío temprano FIGURA 2-11 Estructuras celulares que participan en el procesamiento de proteínas. Véase el texto para obtener detalles. ER, retículo endoplásmico. Este último es una estructura polarizada, con lados cis y trans (fig. 2-11). Las vesículas membranosas contienen proteínas de síntesis reciente, originadas en el retículo endoplásmico rugoso y se fusionan con la cisterna en el lado cis del aparato. Las proteínas pasan a través de otras vesículas hacia la cisterna media y, por último, hacia el lado trans, de donde pasan hacia el citoplasma. Del lado trans del aparato de Golgi, las vesículas son transportadas hacia los lisosomas y hacia el exterior de la célula a través de vías constitutivas y no constitutivas; en ambos métodos, participa la exocitosis. Por el contrario, las vesículas son captadas de la membrana celular por endocitosis y pasan a los endosomas, donde son recicladas. El tránsito vesicular en el aparato de Golgi, y entre otros compartimientos membranosos en la célula, es regulado por una combinación de mecanismos comunes junto con procesos especiales que determinan en qué parte de la célula se ubicarán. Una característica prominente es la participación de un grupo de proteínas reguladoras controladas por la unión a ATP o difosfato de guanosina (GDP) (proteínas G pequeñas) relacionadas con el ensamblaje y la liberación. Una segunda característica prominente es la presencia de proteínas denominadas SNARE (por el factor soluble de unión al receptor sensible a N-etilmaleimida). Los v-SNARE (por vesícula) sobre la membrana circular interactúan de manera similar a una “llave y su cerradura” con los t-SNARE (por la primera letra en inglés de “target” [“blanco”]). Las vesículas individuales también contienen proteínas o lípidos estructurales en su membrana, las cuales ayudan a dirigir los compartimientos membranosos específicos (p. ej., aparato de Golgi, membrana celular). CONTROL DE CALIDAD El proceso que participa en la síntesis, el plegamiento y la migración de proteínas a diversas partes de la célula es tan complejo, que sorprende la ausencia de más errores y anomalías. Este proceso funciona tan bien debido a los mecanismos que participan en el “control de calidad” de cada nivel. El DNA dañado se detecta y repara, o bien, se omite su traducción. Asimismo, se verifican diversos RNA durante el proceso de traducción. Por último, cuando una cadena proteínica se encuentra en el retícu- lo endoplásmico y en el aparato de Golgi, se detectan y desdoblan las proteínas anómalas en los lisosomas y los proteosomas. El resultado neto es una precisión notable en la producción de proteínas necesarias para la función corporal normal. APOPTOSIS Además de la división y el crecimiento bajo control genético, las células pueden morir y ser absorbidas también bajo dicho control. Este proceso se denomina muerte celular programada o apoptosis (del griego, apo “a partir de” más ptosis “caída”). Es posible llamarlo “suicidio celular” en el sentido que los propios genes de la célula tienen una participación activa en su desaparición. Debe diferenciarse de la necrosis (“destrucción celular”), en la cual se destruyen células sanas por medio de procesos externos, como la inflamación. La apoptosis es un proceso muy frecuente durante el desarrollo y en la edad adulta. En el sistema nervioso central se generan grandes cantidades de neuronas, las cuales más tarde mueren durante el proceso de remodelación que ocurre en el curso del desarrollo y la formación de sinapsis. En el sistema inmunitario, la apoptosis elimina clonas inapropiadas de las células inmunitarias y participa en los efectos líticos de los glucocorticoides en los linfocitos. La apoptosis es un factor de importancia en procesos como la eliminación de membranas interdigitales en la vida fetal y la regresión de sistemas de conductos a lo largo del desarrollo sexual en el feto. En adultos, participa en el desprendimiento cíclico del endometrio que produce la menstruación. En el epitelio, las células que pierden sus conexiones con la lámina basal y las células vecinas sufren apoptosis. Esto explica la muerte de los enterocitos, los cuales se desprenden de las puntas de las vellosidades intestinales. Tal vez ocurra apoptosis anómala en las enfermedades autoinmunitarias y neurodegenerativas, así como en el cáncer. Es de interés que la apoptosis se presente en invertebrados, lo cual incluye nematodos e insectos. No obstante, sus mecanismos moleculares son mucho más complejos que en los vertebrados. Una vía final común para que ocurra la apoptosis es la activación de las caspasas, un grupo de proteasas de cisteína. A la fecha, se han identificado muchas de éstas en mamíferos; en seres humanos, se han encontrado 11. Tales caspasas se observan en CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica las células en forma de proenzimas inactivas, hasta que son activadas por la maquinaria celular. El resultado neto es la fragmentación de ácido desoxirribonucleico, condensación citoplásmica y de la cromatina y, por último, formación de vesículas en la membrana, con destrucción celular y eliminación de los restos celulares por los fagocitos (véase recuadro clínico 2-2). TRANSPORTE A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS CELULARES Hay varios mecanismos de transporte a través de las membranas celulares. Las vías primarias incluyen exocitosis, endocitosis, movimiento por los conductos iónicos y transportes activos primario y secundario. Cada uno de éstos se describe a continuación. EXOCITOSIS Las vesículas que contienen material para eliminar al exterior son conducidas a la membrana celular (fig. 2-11), donde se unen de una manera similar a la descrita en el tránsito vesicular entre el aparato de Golgi a través de los mecanismos v-SNARE/tSNARE. El área de fusión se rompe, se vierte el contenido de la vesícula hacia el exterior y se deja intacta la membrana celular. Este proceso es la exocitosis dependiente de Ca2+ (fig. 2-12). Obsérvese que la secreción a partir de la célula ocurre por dos vías (fig. 2-11). En la vía no constitutiva, las proteínas provenientes del aparato de Golgi al inicio son introducidas en gránulos de secreción, donde sucede el procesamiento de prohormonas a hormonas maduras antes de la exocitosis. El otro camino, la vía constitutiva, abarca el transporte rápido de proteínas a la membrana celular en la modalidad de vesículas, con poco o ningún procesamiento o almacenamiento. En ocasiones, la vía no constitutiva se conoce como vía regulada, pero este término es confuso porque la eliminación hacia el exterior de proteínas por la vía constitutiva también se encuentra regulada. ENDOCITOSIS Ésta es el proceso inverso a la exocitosis. Hay varios tipos de endocitosis que reciben su nombre con base en el tamaño de las partículas ingeridas, así como por las necesidades reguladoras para un proceso en particular. Dichos tipos incluyen fagocitosis, pinocitosis, endocitosis mediada por clatrina, captación dependiente de cavéolas y endocitosis no relacionada con clatrina-cavéolas. La fagocitosis (“comer células”) es el proceso por el cual las bacterias, el tejido muerto o el material microscópico son englobados por células, como los leucocitos polimorfonucleares de la sangre. El material hace contacto con la membrana celular, la cual sufre invaginación. El sitio de invaginación se estrecha, dejando el material englobado en una vacuola rodeada por membrana y con la membrana celular intacta. La pinocitosis es un proceso similar en el cual las vesículas son de tamaño mucho menor y las sustancias ingeridas se encuentran en solución. La pequeña porción de la membrana que participa en el proceso no debe malinterpretarse, porque una célula que lleva a cabo pinocitosis activa (p. ej., macrófagos) puede ingerir el equivalente a la totalidad de su membrana celular en sólo una hora. 43 RECUADRO CLÍNICO 2-2 Medicina molecular Las bases fundamentales de aspectos moleculares de la genética, la regulación de la expresión génica y la síntesis de proteína han brindado frutos en la medicina clínica a una tasa acelerada. Uno de los primeros logros fue la comprensión de los mecanismos por los cuales los antibióticos ejercen sus efectos. Casi todos actúan al inhibir la síntesis de proteínas en uno de los pasos descritos con anterioridad. Los antivíricos se desempeñan de una manera similar; por ejemplo, el aciclovir y el ganciclovir actúan al inhibir la polimerasa de ácido desoxirribonucleico. Algunos de estos fármacos llevan a cabo sus efectos principales en bacterias, en tanto otros inhiben la síntesis de proteínas en las células de otros animales, lo cual abarca a los mamíferos. Esto hace de los antibióticos un método de gran importancia para la investigación y el tratamiento de las infecciones. Se han identificado anomalías genéticas aisladas que causan más de 600 enfermedades en seres humanos. Muchos de esos trastornos son poco habituales; en cambio, otros son más frecuentes y algunos generan padecimientos graves y, en ocasiones, letales. Ejemplos de éstos comprenden la regulación defectuosa de los conductos de iones cloro en la fibrosis quística y las repeticiones inestables de trinucleótidos en varias partes del genoma que causan enfermedad de Huntington, síndrome de cromosoma X frágil y otros trastornos neurológicos. Las anomalías en el ácido desoxirribonucleico mitocondrial también generan enfermedades en seres humanos, como neuropatía óptica hereditaria de Leber y algunas modalidades de miocardiopatía. No es de sorprender que los aspectos genéticos del cáncer probablemente reciban mayor atención a la fecha. Algunos tumores son originados por oncogenes, genes que portan las células con cáncer y que causan la aparición de sus efectos malignos. Estos genes se derivan de mutaciones somáticas de protooncogenes con relación estrecha, los cuales corresponden a genes normales que controlan el crecimiento. Se han descrito más de 100 oncogenes. Otro grupo de genes produce proteínas que suprimen los tumores, y se han descrito más de 10 de estos genes de supresión tumoral. El más estudiado de ellos es el gen p53 en el cromosoma humano 17. La proteína de p53 es creada por un gen que desencadena la apoptosis. También constituye un factor de transcripción nuclear que parece incrementar la producción de proteínas de 21 kDa que bloquean dos enzimas del ciclo celular, lo cual hace más lento el ciclo y propicia la reparación de las mutaciones y de otras anomalías en el ácido desoxirribonucleico. El gen p53 se encuentra mutado hasta en 50% de los cánceres de seres humanos, con la generación de proteínas p53 que no reducen la velocidad del ciclo celular y hacen posible la persistencia de otras mutaciones en el ácido desoxirribonucleico. Las mutaciones acumuladas finalmente causan cáncer. La endocitosis mediada por clatrina se observa en indentaciones de la membrana en sitios donde se acumula clatrina. Esta última es una molécula trirradiada con una región central (fig. 2-13). Conforme progresa la endocitosis, las moléculas de 44 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica Exocitosis Citoplasma Endocitosis FIGURA 2-12 Exocitosis y endocitosis. Obsérvese que en la exocitosis el lado citoplásmico de las dos membranas se fusiona, en tanto en la endocitosis se fusionan los lados no citoplásmicos. (Reproducida con autorización de Alberts B et al: Molecular Biology of the Cell, 4th ed. Garland Science, 2002.) clatrina forman una disposición geométrica que rodea la vesícula endocítica. En el cuello de la vesícula, participa la proteína transportadora de GTP dinamina, ya sea de manera directa o indirecta, para cerrar la vesícula. Una vez que ésta se ha formado por completo, la clatrina se desprende y se recicla para la formación de otra vesícula. Las vesículas se fusionan y acumulan su contenido en un endosoma temprano (fig. 2-11). A partir del endosoma temprano, puede constituirse una nueva vesícula y regresar a la membrana celular. El endosoma temprano también puede transformarse en un endosoma tardío y fusionarse con un lisosoma (fig. 2-11), en el cual el contenido pasa por la digestión mediante las proteasas lisosómicas. La endocitosis mediada por clatrina es la causa de la internalización de muchos FIGURA 2-13 Molécula de clatrina en la superficie de una vesícula endocítica. Obsérvese la forma característica triirradiada y el hecho de que en combinación con las otras moléculas de clatrina se forma una red de sostén para la vesícula. receptores y ligandos unidos a ella, lo que incluye, por ejemplo, el factor de crecimiento nervioso y las lipoproteínas de baja densidad. Este proceso también desempeña una función importante en la sinapsis. Es evidente que la exocitosis incrementa la cantidad total de membrana que rodea a la célula, y si la membrana no se elimina a una tasa equivalente, la célula incrementaría su tamaño. No obstante, la eliminación de dicha membrana celular ocurre por endocitosis y la combinación de endocitosis-exocitosis mantienen a la célula en su tamaño normal. DOMINIOS LIPÍDICOS Y CAVÉOLAS Algunas áreas de la membrana celular son especialmente ricas en colesterol y esfingolípidos y se les ha denominado dominios lipídicos. Dichos dominios tal vez sean precursores de las depresiones de la membrana con forma de matraz denominadas cavéolas cuando sus paredes se infiltran con una proteína denominada caveolina muy similar a la clatrina. Existe un debate considerable con respecto a las funciones de los dominios lipídicos y de las cavéolas, y hay pruebas que participan en la regulación del colesterol y en la transcitosis. No obstante, es claro que el colesterol puede interactuar de manera directa con la caveolina, al limitar de manera eficaz la habilidad de la proteína para desplazarse sobre la membrana. La internalización por medio de cavéolas implica la unión de la carga a la caveolina y su regulación por la dinamina. Las cavéolas son prominentes en las células endoteliales, donde colaboran en la captación de nutrientes a partir de la sangre. CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica CUBIERTAS Y TRANSPORTE DE VESÍCULAS PERMEABILIDAD DE MEMBRANA Y PROTEÍNAS DE TRANSPORTE DE MEMBRANA Una técnica importante que ha permitido avances notables en el conocimiento con respecto a las proteínas de transporte es el pinzamiento zonal de membrana. Se coloca una micropipeta en la membrana de una célula y se forma un sello estrecho con la membrana. La placa de esta última bajo la punta de la pipeta casi siempre contiene unas cuantas proteínas transportadoras; esto hace posible su estudio biofísico detallado (fig. 2-14). La célula puede dejarse intacta (pinzamiento zonal de membrana unido a la célula). Otro método consiste en producir la introducción de un segmento de membrana de la célula en una pipeta, con lo cual se genera una inversión. Una tercera alternativa es aplicar presión negativa a una porción de la membrana con la micropipeta aún unida al resto de la membrana celular, lo que da acceso directo al interior de la célula (registros con célula intacta). Las moléculas pequeñas, no polares (incluidos O2 y N2) y las moléculas polares pequeñas sin carga, como CO2, difunden a través de las membranas lipídicas de las células. No obstante, las membranas tienen permeabilidad muy limitada a otras sustancias. En lugar de eso, atraviesan las membranas por endocitosis y exocitosis y por la actividad de proteínas transportadoras muy específicas, las cuales corresponden a proteínas transmembrana que forman conductos iónicos o que transportan sustancias, como glucosa, urea y aminoácidos. La permeabilidad limitada aplica incluso al agua, en cuyo caso la simple difusión ocurre a través de diversos conductos acuosos en el cuerpo (acuaporinas). Como referencia, en el cuadro 2-2 se resumen los tamaños de los iones y de otras sustancias de importancia biológica. Algunas proteínas transportadoras son conductos iónicos acuosos, aunque muchas tienen características especiales que las hacen selectivas para una sustancia dada, como Ca2+ o, en el caso de las acuaporinas, el agua. Estas proteínas que abarcan la totalidad de la membrana (o conjuntos de proteínas) tienen Placa con inversión Electrodo Pipeta Membrana celular Cerrado pA Parece que todas las vesículas que participan en el transporte tienen una cubierta proteínica. En seres humanos, se han identificado 53 complejos de subunidades de cubiertas. Las vesículas que transportan proteínas desde la región trans del aparato de Golgi hacia los lisosomas tienen una cubierta de clatrina de proteína de ensamblaje 1 (AP-1), y las vesículas endocíticas que transportan hacia los endosomas tienen una cubierta de clatrina AP-2. Las vesículas que transportan entre el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi tienen cubiertas proteínicas I y II (COPI y COPII). Algunas secuencias de aminoácidos o los grupos unidos en las proteínas de transporte se dirigen a las proteínas de ubicaciones particulares. Por ejemplo, la secuencia de aminoácidos asparagina-prolina-cualquier aminoácido-tirosina dirige el transporte desde la superficie celular hacia los endosomas y conduce los grupos de manosa-6-fosfato del aparato de Golgi a los receptores de manosa-6-fosfato (MPR) en los lisosomas. Varias proteínas G pequeñas de la familia Rab son de especial importancia en el tránsito vesicular. Parecen guiar y facilitar la unión ordenada de estas vesículas. Para ilustrar la complejidad de la dirección del tránsito vesicular, los seres humanos tienen 60 proteínas Rab y 35 proteínas de factor soluble de unión al receptor sensible a N-etilmaleimida. 45 ms Abierto FIGURA 2-14 Pinzamiento zonal de membrana para investigar el transporte. En un experimento de pinzamiento zonal de membrana, se coloca con gran cuidado una pequeña pipeta para hacer un sello con una porción de la membrana celular. Esta pipeta lleva un electrodo sumergido en una solución apropiada, la cual permite el registro de los cambios eléctricos a través de cualquier poro en la membrana (se muestra abajo). Se ilustra el método de “inversión”, por la orientación de la membrana con respecto al electrodo. Otras configuraciones incluyen la unión a la célula, a la totalidad de la célula y con placa separada. Modificada de Ackerman MJ, Clapham DE: Ion channels: Basic science and clinical disease. N Engl J Med 1997;336:1575.) poros estrechamente regulados que pueden abrirse o cerrarse en respuesta a cambios locales (fig. 2-15). Algunos están regulados por alteraciones en el potencial de membrana (controlados por voltaje), en tanto que otros se abren o cierran en respuesta a ligandos (controlados por ligando). El ligando a menudo es CUADRO 2-2 Tamaño de los iones hidratados y de otras sustancias de interés biológico Sustancia Peso atómico o molecular Radio (nm) 35 0.12 39 0.12 H2O 18 0.12 2+ Ca 40 0.15 Na+ 23 0.18 Urea 60 0.23 Li+ 7 0.24 Glucosa 180 0.38 Sacarosa 342 0.48 Inulina 5 000 0.75 Albúmina 69 000 7.50 Cl – K+ Tomado de Moore EW: Physiology of Intestinal Water and Electrolyte Absorption. American Gastroenterological Association, 1976. 46 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica Cerrado Abierto A Controlado por ligando Unión del ligando B Controlado por fosforilación Fosforilación Desfosforilación Pi P C Controlado por voltaje Cambio en el potencial de membrana ++ ++ –– –– –– –– ++ ++ D Controlado por distensión o presión lular hasta el otro extremo. Las moléculas se mueven de áreas con alta concentración a regiones con baja concentración (siguiendo su gradiente químico) y los cationes se desplazan a las regiones con carga negativa, en tanto los aniones se desplazan a las zonas con carga positiva (siguiendo su gradiente eléctrico). Cuando una proteína transportadora desplaza sustancias en la dirección de sus gradientes químicos o eléctricos, no se necesita el consumo de energía y el proceso se denomina difusión facilitada. Un ejemplo clásico es el transporte de la glucosa por el transportador de dicho carbohidrato, el cual desplaza glucosa siguiendo su gradiente de concentración desde el líquido extracelular al citoplasma de la célula. Otros transportadores acarrean sustancias contra sus gradientes químico y eléctrico. Esta modalidad de transporte necesita energía y se denomina transporte activo. En las células animales, tal energía es proporcionada casi de modo exclusivo por la hidrólisis de ATP. Por tanto, no es de sorprender que muchas moléculas transportadoras sean ATPasas, enzimas que catalizan la hidrólisis del ATP. Una de estas ATPasas es la sodio-potasio trifosfatasa de adenosina (Na, K ATPasa) también conocida como bomba de sodio-potasio. Asimismo, hay trifosfatasa de adenosina en la mucosa gástrica y en los túbulos renales. La trifosfatasa de adenosina de iones calcio extrae dichos iones de las células. Las ATPasas de protones tornan ácidos muchos organelos intracelulares, lo cual incluye partes del aparato de Golgi y los lisosomas. Algunas proteínas transportadoras se denominan uniportadoras porque sólo transportan una sustancia; en cambio, otras se denominan simportadoras debido a que su transporte precisa de la unión de más de una sustancia para que la proteína transportadora y las sustancias sean conducidas a través de la membrana en conjunto. Un ejemplo es el transporte simultáneo en la mucosa intestinal por difusión facilitada de sodio y glucosa por las células de la mucosa. Otros transportadores se denominan antiportadores porque intercambian una sustancia por otra. Distensión CONDUCTOS IÓNICOS Citoesqueleto FIGURA 2-15 Regulación de los conductos iónicos. Se muestran diferentes tipos de control para estos conductos. A) Los conductos controlados por ligando se abren en respuesta a la unión con un ligando. B) La fosforilación o desfosforilación de proteínas regula la abertura y el cierre de algunos conductos iónicos. C) Los cambios en el potencial de membrana alteran la abertura de los conductos. D) La distensión mecánica de la membrana produce abertura de los conductos. (Reproducida con autorización de Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [editors]: Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000.) externo (p. ej., un neurotransmisor u hormonas). Sin embargo, también puede ser interno; Ca2+ intracelular, monofosfato de adenosina cíclico (cAMP), lípidos o una proteína G generada en células que pueden unirse de manera directa a los conductos y activarlos. Algunos de éstos se abren por distensión mecánica y tales conductos sensibles a las fuerzas mecánicas desempeñan una función importante en el movimiento celular. Otras proteínas son transportadoras, las cuales se unen a iones y a otras moléculas que después modifican su configuración al desplazarse entre el lado vinculado a un lado de la membrana ce- Hay conductos iónicos específicos para potasio, sodio, calcio y cloro, así como conductos que no son selectivos para cationes o aniones. Cada tipo de conducto se encuentra en múltiples formas con diversas propiedades. La mayoría está constituida por subunidades idénticas o muy similares. En la figura 2-16, se muestra la estructura de múltiples unidades de varios tipos de conductos en un diagrama que representa un corte transversal. Casi todos los conductos de potasio son tetrámeros, con cada una de las cuatro subunidades, formando una parte del poro a través del cual pasan los iones de potasio. El análisis estructural de los conductos de este elemento controlados por voltaje en bacterias indica que cada una de las cuatro subunidades tiene una extensión con forma de pala que contiene cuatro cargas. Cuando el conducto se cierra, las extensiones se encuentran cerca del interior de la célula con carga negativa. Cuando se reduce el potencial de membrana, las “palas” que contienen la carga se doblan a través de la membrana hacia su superficie exterior, lo cual propicia la abertura del conducto. Este conducto bacteriano de potasio es muy similar a los conductos de potasio controlados por voltaje en diversas especies, incluidos los mamíferos. En el conducto iónico de acetilcolina y en otros conductos para cationes controlados por ligando o conductos aniónicos, el poro está formado por cinco subunidades. Los miembros de la familia ClC de los conductos de cloro son dímeros, pero tienen dos poros, CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica A B C D FIGURA 2-16 Diferentes modalidades en las cuales los conductos iónicos forman poros. Muchos conductos de iones potasio (K+) son de tetrámeros (A), y cada subunidad de proteína forma una porción del conducto. En los conductos catiónicos y aniónicos controlados por ligando (B), como el receptor de acetilcolina, cinco subunidades idénticas o muy similares forman el conducto. Los conductos de iones cloro (Cl–) de la familia ClC son dímeros (C), con un poro intracelular en cada subunidad. Las acuaporinas forman los conductos de agua (D) y son tetrámeros con un conducto intracelular en cada subunidad. (Reproducida con autorización de Jentsch TJ: Chloride channels are different. Nature 2002;415:276.) uno en cada subunidad. Por último, las acuaporinas son tetrámeros, con un poro de agua en cada una de las subunidades. En fecha reciente, se han clonado varios conductos iónicos con actividad enzimática intrínseca. Se han descrito más de 30 diferentes conductos controlados por voltaje o regulados por nucleótidos cíclicos de iones de sodio y potasio de este tipo. En la figura 2-17, se muestra una representación esquemática representativa de los conductos de iones de sodio, calcio y potasio. Se encontró otra familia de conductos de iones de sodio con diferente estructura en la membrana apical de las células epiteliales en riñones, colon, pulmones y cerebro. Los conductos epiteliales de sodio (ENaC) están constituidos por tres subunidades codificadas a su vez por tres genes diferentes. Cada una de las subunidades probablemente abarca la membrana en dos ocasiones, y los extremos amino terminal y carboxilo terminal se encuentran en el interior de la célula. La subunidad α transporta iones sodio, en tanto que las subunidades β y γ no lo hacen. No obstante, la adición de dichas subunidades incrementa el transporte de iones sodio a través de la subunidad α. Los conductos epiteliales de sodio se inhiben por la amilorida diurética, la cual se une a la subunidad α y casi siempre se les denomina conductos de iones sodio susceptibles de inhibición por amilorida. Los conductos epiteliales de sodio en el riñón desempeñan una función importante en la regulación del volumen de líquido extracelular por la aldosterona. Los ratones con bloqueo génico de los ENaC nacen con vida, pero fallecen con rapidez porque no pueden desplazar iones sodio y, por tanto, agua, fuera de sus pulmones. Los seres humanos tienen varios tipos de conductos de iones cloro. Existen conductos diméricos ClC en plantas, bacterias y animales, y nueve genes diferentes para ClC en seres humanos. Otros conductos para los iones cloro poseen la misma forma pentamérica, como el receptor de acetilcolina; p. ej., el ácido aminobutírico γ A (GABAA) y los receptores de glicina en el sistema nervioso central (SNC). El regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR), que en el caso de ésta sufre mutación, es también un conducto de iones cloro. Las mutaciones de conductos iónicos causan diversas conductopatías, las cuales son enfermedades que afectan sobre todo los tejidos muscular y cerebral, y producen parálisis episódica o crisis convulsivas. Na, K ATPasa Como se mencionó antes, esta trifosfatasa cataliza la hidrólisis de ATP a difosfato de adenosina (ADP) y utiliza la energía para 47 desplazar tres iones de sodio hacia el exterior de la célula e introducir a ésta dos iones potasio por cada molécula de ATP hidrolizado. Esta es una bomba electrógena que desplaza tres cargas positivas fuera de la célula por cada dos que mueve al interior y, por tanto, se dice que tiene una tasa de acoplamiento de 3:2. Se encuentra en todas las partes del cuerpo; su actividad es inhibida por la ouabaína y los glucósidos digitálicos relacionados que se utilizan en el tratamiento de la insuficiencia cardiaca. Es un heterodímero constituido por una subunidad α con un peso molecular de casi 100 000 y una subunidad β con peso molecular cercano a 55 000. Ambas se extienden a través de la membrana celular (fig. 2-18). La separación de las subunidades elimina la actividad. La subunidad β es una glucoproteína, en tanto que el transporte de iones de sodio y potasio ocurre a través de la subunidad α. La subunidad β tiene un dominio único que abarca la membrana y tres sitios de glucosilación extracelular, todos los cuales parecen estar unidos a residuos de carbohidratos. Estos residuos constituyen casi una tercera parte de su peso molecular. La subunidad α probablemente abarque la membrana celular diez veces, con los extremos amino y carboxilo terminales ubicados en el espacio intracelular. Esta subunidad tiene sitios de fijación intracelulares para iones de sodio y ATP, así como un sitio de fosforilación; también posee sitios de unión extracelular para iones de potasio y ouabaína. El ligando endógeno del sitio de fijación de la ouabaína es inestable. Cuando el ion sodio se une a la subunidad α, el ATP también lo hace y se convierte a difosfato de adenosina con la transferencia de un fosfato a Asp 376, el sitio de fosforilación. Esto causa un cambio en la configuración de la proteína, con la salida de iones sodio al líquido extracelular. Más tarde, el ion potasio se une en el espacio extracelular, ocasionando la desfosforilación de la subunidad α, la cual regresa a su conformación previa, liberando iones potasio hacia el citoplasma. Las subunidades α y β son heterogéneas, y hasta el momento se han descrito las subunidades α1, α2, α3, β1, β2 y β3. La isoforma α1 se encuentra en las membranas de la mayoría de las células, en tanto que la subunidad α2 está presente en los tejidos muscular, cardiaco, adiposo y cerebral, en tanto la α3 se halla en el tejido cardiaco y cerebral. La subunidad β1 está ampliamente distribuida, pero no está presente en algunos astrocitos, células vestibulares del oído interno y músculos glucolíticos de fasciculación rápida. Los músculos de fasciculación rápida contienen sólo subunidades β2. Las diferentes subunidades α y β de la trifosfatasa de adenosina de sodio-potasio en diversos tejidos probablemente significan la especialización para funciones en tejidos específicos. REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD DE LA Na, K ATPasa La cantidad de iones sodio que suele hallarse en las células no es suficiente para saturar la bomba, de modo que si se incrementa la concentración de iones sodio, éstos se bombean fuera de la célula. La actividad de la bomba es afectada por moléculas de segundo mensajero (p. ej., monofosfato de adenosina cíclico o diacilglicerol [DAG]). La magnitud y la dirección de los efectos alterados de la bomba varían con las circunstancias experimentales. Las hormonas tiroideas incrementan la actividad de la bomba por una acción genómica al aumentar la formación de moléculas de Na, K ATPasa. La aldosterona también eleva el número de bombas, aunque este efecto probablemente sea de segundo orden. La dopamina en los riñones inhibe la bomba mediante fosforilación, lo cual favorece la natriuresis. La insulina disminuye la actividad de la bomba, tal vez por diferentes mecanismos. 48 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica Conducto de Na+ I II III IV Lado extracelular 1 2 3 4 5 P 6 1 2 3 4 5 P 6 1 2 3 4 5 P 6 1 2 3 4 5 P 6 Lado citoplásmico COOH NH2 Conducto de Ca2+ 1 2 3 4 5 P 6 1 2 3 4 5 P 6 1 2 3 4 5 P 6 1 2 3 4 5 P 6 COOH NH2 Conducto de K+ 1 2 3 4 5 P 6 COOH NH2 FIGURA 2-17 Diagrama de las subunidades formadoras de poros de tres conductos iónicos. La subunidad α de los conductos de los iones sodio (Na+) y calcio (Ca2+) atraviesan la membrana en 24 ocasiones en cuatro repeticiones de seis unidades que abarcan la membrana. Cada repetición tiene un asa “P” entre las fracciones de membrana 5 y 6 y no atraviesan la membrana. Estas asas P al parecer forman el poro. Obsérvese que la fracción 4 de cada repetición está coloreada en rojo, lo cual representa la carga positiva neta. El conducto de iones potasio (K+) tiene sólo una repetición de seis regiones y un asa P. Se ensamblan cuatro subunidades K+ para obtener un conducto funcional de iones potasio. (Reproducida con autorización de Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [editors]: Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000.) TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO En muchas situaciones, el transporte activo de iones sodio se vincula con el transporte de otras sustancias (transporte activo secundario). Por ejemplo, las membranas luminales de las células de la mucosa del intestino delgado contienen simportadores que llevan glucosa hacia las células sólo si el ion sodio se une a la proteína y ésta es transportada hacia la célula en el mismo momento. Desde las células, la glucosa alcanza al torrente sanguíneo. El gradiente electroquímico para el ion sodio se mantiene por transporte activo de dicho ion fuera de las células de la mu- cosa y hasta el líquido extracelular. Otros ejemplos se muestran en la figura 2-19. En el corazón, la trifosfatasa de adenosina de sodio-potasio afecta de manera indirecta el transporte de iones calcio. Un antiportador en la membrana de las células musculares cardiacas suele intercambiar iones calcio intracelulares por iones sodio extracelulares. El transporte activo de iones sodio y potasio constituye uno de los procesos que consumen más energía en el cuerpo. En promedio, utiliza casi 24% de la energía usada por las células y en las neuronas representa 70%. Esto constituye gran parte del metabolismo basal. La principal consecuencia del uso de esta CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica Transporte activo 2K+ 2K+ Ouabaína Ouabaína β 3Na+ 3 2 1 α 4 5 3Na+ Contratransportador Citoplasma ATP Na+ K ATPasa). La porción intracelular de la subunidad α tiene un sitio de unión para los iones sodio (Na+) (1), un sitio de fosforilación (4) y un sitio de fijación de ATP (5). La porción extracelular tiene un sitio de unión de iones potasio (K+) (2) y un sitio de fijación de ouabaína (3). (Tomada de Cl − Na+ Ca2+ K+, 2Cl − Na+ Na+ 15 meq/L K+ 150 − Cl − 7 − H+ K+ K+ Cl − H+ FIGURA 2-18 Trifosfatasa de adenosina de sodio-potasio (Na, Na+ 3Na+ ADP + Pi − + − − Vm = −70 mV + + Cotransportador Líquido extracelular 49 Carbohidratos o aminoácidos − + Na+ Na+ 140 meq/L 4 − K+ Cl − 105 − Horisberger J-D et al: Structure–function relationship of Na-K-ATPase. Annu Rev Physiol 1991;53:565. Reproducida con autorización de Annual Review of Physiology, vol. 53. Derechos reservados© 1991 por Annual Reviews.) FIGURA 2-19 Diagrama de los principales efectos secundarios energía es el establecimiento de un gradiente electroquímico en las células. TRANSPORTE A TRAVÉS DEL EPITELIO En el tubo digestivo, las vías respiratorias, los túbulos renales y otras estructuras, las sustancias atraviesan las células de un lado a otro. Para que ocurra transporte transepitelial, las células deben vincularse mediante uniones estrechas y, obviamente, tienen diferentes conductos iónicos y proteínas transportadoras en diversas partes de sus membranas. La mayoría de los casos de transporte activo secundario mencionados en el párrafo previo implica el desplazamiento transepitelial de iones y de otras moléculas. PARED CAPILAR FILTRACIÓN La pared capilar que separa el plasma del líquido intersticial es distinta de las membranas celulares que separan el líquido intersticial del líquido intracelular porque la diferencia de presiones entre éstas hace de la filtración un factor significativo en el desplazamiento de agua y solutos. Por definición, la filtración es un proceso donde el líquido es forzado a través de una membrana o de otra barrera por la diferencia de presiones entre los dos lados. PRESIÓN ONCÓTICA La estructura de la pared capilar varía de un lecho vascular a otro. No obstante, en el músculo estriado y muchos otros órganos, el agua y los solutos relativamente pequeños son las únicas sustancias que atraviesan la pared con facilidad. Las aberturas en las uniones entre las células endoteliales son demasiado del transporte activo de iones sodio (Na+) y potasio (K+). La trifosfatasa de adenosina de sodio-potasio (Na, K ATPasa) convierte la energía química de la hidrólisis del ATP en la conservación del gradiente hacia el interior de la célula de los iones sodio (Na+) y el gradiente hacia fuera de la célula para los iones potasio (K+). La energía de los gradientes se utiliza como contratransportador, cotransportador y para la preservación del potencial de membrana. Se muestran algunos ejemplos de cotransportadores y contratransportadores que emplean estos gradientes. (Reproducida con autorización de Skou JC: The Na–K pump. News Physiol Sci 1992;7:95.) pequeñas para permitir que las proteínas plasmáticas y otras sustancias coloides pasen a través de ellas en cifras significativas. Los coloides tienen pesos moleculares altos, y se hallan en grandes cantidades. Pequeñas cantidades cruzan la pared capilar por transporte vesicular, pero tal hecho tiene un efecto pequeño. Por tanto, la pared capilar se comporta como una membrana impermeable a los coloides y éstos ejercen una presión osmótica de casi 25 mmHg. La presión coloidosmótica por coloides plasmáticos se denomina presión oncótica. La filtración a través de la membrana capilar es consecuencia de la presión hidrostática en el sistema vascular, a la cual se opone la presión oncótica. El equilibrio entre las presiones hidrostática y oncótica controla el intercambio a través de la pared capilar y se describe con detalle en el capítulo 32. TRANSCITOSIS Las vesículas se encuentran en el citoplasma de las células endoteliales; moléculas proteínicas marcadas que se inyectaron en el torrente sanguíneo se han encontrado en las vesículas y en el espacio intersticial. Esto indica que pequeñas cantidades de proteínas se transportan fuera de los capilares a través de las células endoteliales por endocitosis en el lado capilar, seguida de exocitosis en el lado intersticial de las células. El mecanismo de transporte utiliza vesículas que en apariencia están recubiertas con caveolina; este proceso se denomina transcitosis, transporte vesicular o citopempsis. 50 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica UNIONES ESTRECHAS SINAPSIS PARACRINA Y AUTOCRINA A Transmisión del mensaje Local o general La especificidad depende de Directamente de una célula a otra Local Ubicación anatómica ENDOCRINA P A través de la hendidura sináptica Por difusión en el líquido intersticial Por circulación en los líquidos corporales Local Difusión local General Ubicación anatómica y receptores Receptores Receptores FIGURA 2-20 Comunicación intracelular por mediadores químicos. A, autocrina; P, paracrina. COMUNICACIÓN INTERCELULAR RECEPTORES PARA MENSAJEROS QUÍMICOS Las células se comunican una con otra a través de mensajeros químicos. En un tejido dado, algunos mensajeros se desplazan de una célula a otra a través de uniones intercelulares comunicantes sin llegar al líquido extracelular. Además, las células son afectadas por mensajeros químicos secretados en el líquido extracelular o por contacto directo de una célula con otra. Los mensajeros químicos casi siempre se unen a proteínas receptoras en la superficie celular o, en algunos casos, en el citoplasma o en el núcleo, lo cual desencadena una secuencia de cambios intracelulares que generan sus efectos fisiológicos. Tres tipos generales de comunicación intracelular son mediados por mensajeros en el líquido extracelular: 1) comunicación neural, en la cual los neurotransmisores se liberan en las uniones simétricas de las células nerviosas y actúan a través de una hendidura sináptica estrecha en la célula postsináptica; 2) comunicación endocrina, en que las hormonas y los factores de crecimiento llegan a las células a través de la sangre circulante o de la linfa, y 3) comunicación paracrina, en la cual los productos de las células difunden hacia el líquido extracelular para afectar las células cercanas pero con alguna cierta distancia (fig. 2-20). Asimismo, las células secretan mensajeros químicos que en algunas situaciones se unen a los receptores en la misma célula, es decir, la célula secreta el mensajero (comunicación autocrina). Los mensajeros químicos incluyen aminas, aminoácidos, esteroides, polipéptidos y, en algunos casos, lípidos, nucleótidos púricos y pirimidínicos. Nótese que en varias partes del organismo, el mismo mensajero químico puede tener funciones, como neurotransmisor, mediador paracrino, hormonas excretadas por neuronas hacia el torrente sanguíneo (neurohormonal) y hormonas excretadas por células glandulares hacia el torrente sanguíneo. Una modalidad adicional de comunicación intercelular se denomina comunicación yuxtacrina. Algunas células expresan múltiples repeticiones de factores de crecimiento, como el factor transformador del crecimiento 𝛂 (TGF𝛂) en las proteínas transmembrana extracelulares que proporcionan un sitio de fijación para las células. Otras células tienen receptores para el factor transformador del crecimiento α. Por tanto, la fijación de TGFα a la célula puede unir al receptor TGFα en otra célula, lo cual las une a las dos. Esto puede ser de importancia en la producción de focos locales de crecimiento en los tejidos. Por lo general, el reconocimiento de mensajeros químicos por las células inicia en la interacción con un receptor en la célula. Se han identificado más de 20 familias de receptores para mensajeros químicos. Estas proteínas no son componentes estáticos de la célula, sino que su número se incrementa o disminuye en respuesta a diversos estímulos, y sus propiedades cambian con la modificación de las condiciones fisiológicas. Cuando una hormona o un neurotransmisor está presente en cantidades excesivas, la cifra de receptores activos casi siempre disminuye (regulación descendente); en cambio, cuando hay deficiencia de mensajeros químicos ocurre un incremento del número de receptores activos (regulación ascendente). En sus actividades sobre la corteza suprarrenal, la angiotensina II es una excepción; aumenta más que disminuir el número de receptores en la glándula suprarrenal. En el caso de receptores de membrana, la endocitosis mediada por receptores es la causa de la regulación descendente en algunas situaciones; cuando aparece endocitosis de complejos ligando-receptor (internalización), hay desplazamiento lateral de la membrana, con el fin de cubrir los huecos. Esto disminuye el número de receptores en la membrana. Algunos receptores se reciclan después de la internalización, pero otros son sustituidos por síntesis en la célula. Un tipo diferente de regulación descendente es la desensibilización, en la cual hay modificación química de los receptores de modo que los torna menos reactivos. MECANISMOS DE ACCIÓN DE LOS MENSAJEROS QUÍMICOS La interacción entre receptor y ligando suele ser el inicio de la respuesta celular. Este acontecimiento se manifiesta como respuestas secundarias en la célula, las cuales pueden dividirse en cuatro categorías amplias: 1) activación de conductos iónicos; 2) activación de proteína G; 3) activación de las acciones enzimáticas en la célula, o 4) activación directa de la transcripción. En cada uno de estos grupos, las respuestas pueden ser muy variadas. En el cuadro 2-3, se resumen algunos de los mecanismos habituales usados por los mensajeros químicos para llevar a cabo sus efectos intracelulares. Los ligandos, como acetilcolina, se unen de manera directa a los conductos iónicos en las membranas celulares, con cambio de su conductancia. Las hormonas tiroideas y esteroides, el 1,25-dihidrocolecalciferol y los retinoides penetran a la célula CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica CUADRO 2-3 Mecanismos frecuentes que usan los mensajeros químicos en el líquido extracelular para producir cambios en la función celular Mecanismos Ejemplos Conductos iónicos abiertos o cerrados en la membrana celular Acetilcolina en los receptores colinérgicos nicotínicos; noradrenalina en los conductos de potasio en el corazón Actúan a través de receptores citoplásmicos o nucleares para incrementar la transcripción de mRNA selectos Hormonas tiroideas, ácido retinoico, hormonas esteroides Activan la fosfolipasa C con producción intracelular de DAG, IP3 y de otros fosfatos de inositol Angiotensina II, noradrenalina a través de receptores adrenérgicos α1, vasopresina a través del receptor V1 Activan o inhibe la adenilil ciclasa, lo cual origina incremento o disminución de la producción intracelular de cAMP Noradrenalina a través de receptores adrenérgicos β1 (incremento de cAMP); noradrenalina mediante receptores adrenérgicos α2 (disminución de cAMP) Incremento de cGMP en la célula Péptido natriurético auricular; óxido nítrico Aumento de la actividad de tirosina cinasa de porciones citoplásmicas de receptores transmembrana Insulina, factor de crecimiento epidérmico (ECF), factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF), factor estimulador de colonias de monocitos (M-CSF) Incremento de la actividad de cinasa de serina o treonina TGFβ, activina, inhibina mRNA, ácido ribonucleico mensajero; DAG, diacilglicerol; IP3, trifosfato de inositol; cAMP, monofosfato de adenosina cíclico; cGMP, monofosfato de guanosina cíclico; TGFβ, factor transformador del crecimiento β. y actúan en una u otra de las familias de receptores nucleares o citoplásmicos con relación estructural. Los receptores activados se unen a DNA, el cual incrementa la transcripción de mRNA selectos. Muchos otros ligandos en el líquido extracelular se vinculan con receptores en la superficie celular y desencadenan la liberación de mediadores intracelulares como monofosfato de adenosina cíclico, trifosfato de inositol (IP3) y diacilglicerol, los cuales inician los cambios en la función celular. Como consecuencia, los ligandos extracelulares se denominan “primeros mensajeros” y los mediadores intracelulares se llaman “segundos mensajeros”. Estos últimos originan muchos cambios a corto plazo en la función celular al alterar la función enzimática, desencadenar la exocitosis y acciones similares, pero también pueden conducir a alteración de la transcripción de varios genes. Diversos cambios enzimáticos, interacciones proteínicas o cambios de segundo mensajero pueden activarse en el interior de la célula de manera ordenada, después del reconocimiento del primer mensajero por el receptor. La vía de señalización celular resultante proporciona la amplificación de la señal primaria y la distribución de la señal a los sitios apropiados en la célula. Las vías de señalización celular amplia también dan la oportunidad para la retroalimentación y la regulación finas de la señal con el objeto de obtener la respuesta fisiológica correcta por parte de la célula. 51 Después de la traducción, la modificación más predominante en las proteínas, la fosforilación, es un tema frecuente en cuanto a las vías de señalización celular. La fosforilación celular se halla bajo el control de los grupos de proteínas: cinasas, enzimas que catalizan la fosforilación de residuos de tirosina o serina y treonina en las proteínas (o en algunos casos, en los lípidos), y fosfatasas, proteínas que retiran fosfato de las proteínas (o de los lípidos). Algunas de las familias de receptores más grandes son las cinasas. Los receptores de tirosina cinasa inician la fosforilación de los residuos de tirosina en los receptores complementarios después de la unión del ligando. Los receptores de cinasa de serina-treonina inician la fosforilación en la serina o treonina en los receptores complementarios luego de la unión con el ligando. Los receptores de citocinas tienen vinculación directa con un grupo de proteína cinasa que se activan de manera ulterior a la unión de la citocina. Además, los cambios de segundo mensajero pueden ocasionar fosforilación adicional en la vía de señalización. Se han descrito más de 300 proteínas cinasas. En el cuadro 2-4, se resumen algunas de las principales que son de importancia en la señalización celular de mamíferos. En general, la adición de grupos fosfato cambia la conformación de las proteínas, al alterar sus funciones y, como consecuencia, las funciones de la célula. La relación entre la fosforilación y la desfosforilación de las proteínas celulares hace posible un control transitorio de la activación de la vía de señalización celular. En ocasiones, esto se denomina “temporizador de fosfato”. ESTIMULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN Un resultado habitual de la señalización celular es la activación de la transcripción y la traducción subsiguiente. Se conocen tres vías distintas para mensajeros primarios para alterar la transcripción de las células. En primer lugar, como en el caso de las hormonas tiroideas o esteroides, el mensajero primario es capaz de atravesar la membrana celular y unirse con receptores nucleares, mediante interacción directa con el DNA con el propósito de alterar la ex- CUADRO 24 Ejemplos de proteínas cinasas Fosforilación de residuos de serina, treonina o ambos Dependiente de calmodulina Cinasa de cadena ligera de miosina Cinasa de fosforilasa Iones calcio/cinasa de calmodulina I Iones calcio/cinasa de calmodulina II Iones calcio/cinasa de calmodulina III Dependiente de calcio y fosfolípidos Proteína cinasa C (siete subespecies) Dependiente de nucleótido cíclico Cinasa dependiente de cAMP (proteínas cinasas A; dos subespecies) Cinasa dependiente de cGMP Fosforilación de residuos de tirosina Receptor de insulina, receptor de ECF, receptor de PDGF y Receptor de M-CSF cAMP, monofosfato cíclico de adenosina; cGMP, monofosfato cíclico de guanosina; ECF, factor de crecimiento epidérmico; PDGF, factor de crecimiento derivado de plaquetas; M-CSF, factor estimulador de colonias de monocitos. 52 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica presión genética. Una segunda vía para la transcripción génica es la activación de la proteína cinasa citoplásmica C, la cual se desplaza hasta el núcleo para fosforilar un factor de transcripción latente para su activación. Esta vía es el punto final común de la señalización que va a través de la cascada de la proteína cinasa activada por mitógeno (MAP). Las proteínas cinasa activadas por mitógeno pueden desencadenar su acción después de diversas interacciones entre ligando y receptor a través de una señalización de segundo mensajero. Esto incluye una serie de tres cinasas que coordinan una fosforilación escalonada para activar una a una las proteínas en el citosol de manera seriada. La fosforilación de la última proteína cinasa activada por mitógeno de la serie permite la migración al núcleo, donde causa la fosforilación de un factor de transcripción latente. Una tercera vía común es la activación de un factor de transcripción latente en el citosol, el cual más tarde migra al núcleo y altera la transcripción. Esta vía es compartida por diversos grupos de factores de transcripción, entre los cuales se incluye el factor nuclear κ B (NFκB; activado después de la unión al receptor de la familia del factor de necrosis tumoral y de otros tipos) y transductores de señales de la transcripción activada (STAT; activados después de la unión con el receptor de citocinas). En todos los casos, la unión del factor de transcripción activado con el ácido desoxirribonucleico incrementa (o en algunos casos, disminuye) la transcripción de mRNA codificado por el gen al cual se une. Los mRNA se traducen en los ribosomas con la producción de cantidades crecientes de proteínas que modifican la función celular. ION CALCIO INTRACELULAR COMO SEGUNDO MENSAJERO Este ion regula gran número de procesos fisiológicos que son tan diversos como la proliferación, la señalización neural, el aprendizaje, la contracción, la secreción y la fertilización, de modo que la regulación de iones calcio intracelulares es de enorme importancia. La concentración de iones calcio libres en el citoplasma en reposo se conserva en casi 100 nmol/L. La concentración de estos iones en el líquido intersticial es de casi 12 000 veces la concentración citoplásmica (1 200 000 nmol/L) de manera que hay un gradiente de concentración directo hacia el interior de la célula, así como un gradiente eléctrico en el mismo sentido. Gran parte del ion calcio intracelular se almacena en concentraciones relativamente altas en el retículo endoplásmico y en otros organelos (fig. 2-21) y estos organelos proporcionan un medio de almacenamiento por el cual el ion calcio puede movilizarse a través de conductos controlados por ligando para incrementar la concentración de dicho ion libre en el citoplasma. El incremento del ion calcio citoplásmico hace que se una y active a las proteínas transportadoras de calcio, las cuales quizá tengan efectos directos en la fisiología celular o tal vez activen a otras proteínas, casi siempre proteína cinasa con el propósito de activar vías de señalización celular adicionales. El ion calcio puede entrar en la célula desde el líquido extracelular, en contra de su gradiente electroquímico, a través de diversos conductos para este ion. Algunos de éstos son controlados por ligando y otros por voltaje. Hay células donde también existen conductos activados por distensión. Muchos segundos mensajeros actúan al incrementar la concentración citoplásmica de iones calcio. El aumento se origina de la liberación de dichos iones de las reservas intracelulares (sobre todo el retículo endoplásmico), al incrementar la entrada de iones calcio hacia las células o por ambos mecanismos. El trifosfato de inositol es un segundo mensajero de gran importancia que hace posible la Ca2+ (volt) CaBP Efectos 2H+ ATP Ca2+ (lig) Ca2+ Ca2+ (SOCC) Ca2+ 3Na+ Ca2+ Mitocondria Retículo endoplásmico FIGURA 2-21 Manipulación de los iones (Ca2+) en células de mamífero. Los iones calcio se almacenan en el retículo endoplásmico y, en menor cantidad, en la mitocondria, y puede liberarse para reponer el Ca2+ citoplásmico. Las proteínas transportadoras de calcio (CaBP) se unen a los iones calcio citoplásmicos y, cuando se activan de esta manera, producen una amplia gama de efectos fisiológicos. El Ca2+ entra en las células a través de conductos controlados por voltaje (volt) y controlados por ligando (lig) y en los conductos de calcio controlados por reservas (SOCC). Se transporta fuera de la célula por la trifosfatasa de adenosina de calcio-magnesio (Ca, Mg ATPasa) (no mostrada), trifosfatasa de adenosina de calcio-hidrógeno (Ca,H, ATPasa) y el Na, Ca antiportador. También se transporta hacia el retículo endoplásmico por acción de la trifosfatasa de adenosina de calcio (Ca ATPasa). liberación de iones calcio en el retículo endoplásmico a través de activación directa de conductos activados por ligandos, por el receptor trifosfato de inositol. En efecto, la generación de un segundo mensajero (trifosfato de inositol) puede conducir a la liberación de otro segundo mensajero (iones calcio). En muchos tejidos, la liberación transitoria de estos iones de las reservas internas en el citoplasma desencadena la abertura de los conductos de calcio en la membrana celular (conductos de calcio controlados por reservas [SOCC]). La entrada de iones calcio en el interior de la célula sustituye la totalidad de calcio intracelular y rellena el retículo endoplásmico. La identidad exacta de los conductos de calcio controlados por reservas aún se desconoce, y existe un debate con respecto a la señal del retículo endoplásmico que los abre. Al igual que con otras moléculas que actúan como segundos mensajeros, el incremento de los iones calcio en el citosol es rápido y es seguido por un decremento rápido. El movimiento de dichos iones fuera del citosol (a través de la membrana plasmática o de la membrana de almacenamiento interno) requiere el desplazamiento en contra de su gradiente eléctrico electroquímico y necesita de energía. El desplazamiento de iones calcio fuera de la célula es facilitado por la trifosfatasa de adenosina de iones calcio (Ca2+ ATPasa) de la membrana plasmática. También puede transportarse por un antiportador que intercambia tres iones sodio por cada ion calcio estimulado por la energía almacenada en el gradiente electroquímico de iones sodio. El desplazamiento de calcio en las reservas internas parece ser acción de la trifosfatasa de adenosina de iones calcio del retículo sarcoplásmico o endoplásmico, también conocida como bomba SERCA. PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS DE CALCIO Se han descrito muchas proteínas diferentes que transportan iones calcio, las cuales incluyen troponina, calmodulina y calbindina. CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica 90 R V F A F R D D K K E E P F R G M D I N K Ca L E I Ca E G D R E T D A A Y V T E H G I S A S D D E G N V 100 80 M 60 N T (Me)3 N 50 I N 110 G L M D Q L E A E E K T L P 120 40 N T Q D E E G V S L D R E M M V D G T I G I T E T T COOH D 130 V G K 30 R G I K Ca L E N E Ca N F E A N A Y K G T 10 A E E D E 140 M I 20 E K A M Q V F Q F L S F E L 70 T M M F A E T L Q D A NH Ac FIGURA 2-22 Estructura de la calmodulina del encéfalo bovino. Se utilizan abreviaturas de una letra para los residuos de aminoácidos. Obsérvense los cuatro dominios de calcio (residuos de color púrpura) rodeados a cada lado por hélices α. (Reproducida con autorización de Cheung WY: Calmodulin: An overview. Fed Proc 1982;41:2253.) La troponina es la proteína transportadora de iones calcio que participa en la contracción del músculo estriado (cap. 5). La calmodulina contiene 148 residuos de aminoácidos (fig. 2-22) y tiene cuatro dominios fijadores de iones calcio. Es singular porque el residuo de aminoácido 115 trimetilado está muy conservado, y se encuentra en plantas y animales. Cuando la calmodulina se une al ion calcio, es capaz de activar cinco diferentes cinasas dependientes de calmodulina (CaMK; cuadro 2-4), entre otras proteínas. Una de las cinasas es la cinasa de cadena ligera de miosina, la cual fosforila a la miosina. Esto favorece la contracción del músculo liso. La cinasa dependiente de calmodulina I (CaMKI) y la cinasa dependiente de calmodulina II (CaMKII) participan en la función sináptica, y la cinasa dependiente de calmodulina III (CaMKIII) se desempeña en la síntesis de proteínas. Otra proteína activada por calmodulina es la calcineurina, una fosfatasa que inactiva los conductos de calcio por desfosforilación. También posee una función prominente en la activación de las células T y es inhibida por algunos inmunodepresores. MECANISMOS DE LAS DIVERSAS ACTIVIDADES DEL ION CALCIO Parece difícil comprender cómo este ion intracelular puede tener efectos tan variados como segundo mensajero. Parte de la explicación es que el ion calcio puede generar diferentes efectos en altas y bajas concentraciones. Este ion es susceptible de encontrarse en altas concentraciones en el sitio de su liberación de un organelo o conducto (estallido de iones calcio) y la reducción subsiguiente de sus valores ulterior a su difusión en toda la célula. Algunos de los cambios generados duran más que el aumento en la concentración intracelular de iones de calcio por la manera en que se unen a algunas de las proteínas transportadoras de calcio. Además, una vez liberadas, las concentraciones 53 intracelulares de ion calcio con frecuencia varían a intervalos regulares y hay indicios que la secuencia y, en menor medida, la amplitud de las variaciones codifica la información para los mecanismos efectores. Por último, los incrementos en la concentración intracelular de ion calcio pueden expandirse a las células vecinas en forma de cola, con producción de fenómenos coordinados, como el latido rítmico en los cilios en el epitelio de las vías respiratorias. PROTEÍNAS G Una modalidad frecuente de generar una señal para obtener un efecto biológico en el interior de la célula es a través de las proteínas reguladoras de nucleótidos, las cuales son sensibles de activarse luego de la unión a GTP (proteínas G). Cuando una señal activadora llega a una proteína G, la proteína intercambia GDP por GTP. El complejo GTP-proteína desencadena el efecto activador de la proteína G. La actividad inherente de la trifosfatasa de guanosina (GTPasa) de la proteína convierte GTP a GDP, con restablecimiento de la proteína G a un estado de reposo e inactividad. Las proteínas G pueden dividirse en dos grupos principales que participan en la señalización celular: proteínas G pequeñas y proteínas G heterotriméricas. Otros grupos que tienen regulación similar y que son importantes en la fisiología celular incluyen factores de elongación, dinamina y translocación de GTPasas. Hay seis familias diferentes de proteínas G pequeñas (o GTPasas pequeñas), las cuales están sumamente reguladas. Las proteínas activadoras de GTPasa activadora de proteínas (GAP) tienden a inactivar proteínas G pequeñas al favorecer la hidrólisis del ATP a difosfato de guanosina en un sitio de acción central. Los factores intercambiadores de guanina (GEF) tienden a activar proteínas G pequeñas al favorecer el intercambio de GDP por GTP en el sitio activo. Algunas de las proteínas G pequeñas contienen modificaciones lipídicas que ayudan a fijarlas a las membranas, en tanto que otras son libres para difundir a través del citosol. Las proteínas G pequeñas participan en muchas funciones celulares. Miembros de la familiar Rab regulan la tasa de tránsito vesicular entre el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, los lisosomas, los endosomas y la membrana celular. Otra familia de proteínas transportadoras pequeñas de GTP, la familia Rho/Rac, media interacciones entre el citoesqueleto y la membrana celular; una tercera familia, la familia Ras, regula el crecimiento al transmitir las señales de la membrana celular al núcleo. Otra familia de proteínas G, las grandes proteínas G heterotriméricas, acoplan receptores de superficie celular con unidades catalíticas que catalizan la formación intracelular de segundos mensajeros o que acoplan los receptores directamente a los conductos iónicos. Pese al conocimiento de las proteínas G pequeñas descritas antes, las proteínas G heterotriméricas con frecuencia se denominan de manera corta como “proteína G”, porque fueron las primeras en ser identificadas. Las proteínas G heterotriméricas están constituidas por tres subunidades designadas como α, β y γ (fig. 2-23). Las subunidades α y γ tienen modificaciones lipídicas que las fijan a las proteínas de la membrana plasmática. La subunidad α se une a GDP. Cuando un ligando se vincula con un receptor acoplado a proteína G (GPCR), este GDP es intercambiado por GTP y la subunidad α se separa de las subunidades combinadas β y γ. La subunidad α separada desencadena muchos efectos biológicos. 54 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica CUADRO 2-5 Algunos de los ligandos para receptores Intercambio de nucleótidos Entrada GDP acoplados con proteínas G heterotriméricas GTP Salida Actividad de GTPasa Clase Ligando Neurotransmisores Adrenalina Noradrenalina Dopamina 5-Hidroxitriptamina α β γ α β Histamina γ Acetilcolina Adenosina Efectores FIGURA 2-23 Proteínas G heterotriméricas. Arriba: resumen de las reacciones generales que ocurren en la subunidad Gα. Abajo: cuando el ligando (cuadro) se une al receptor acoplado a proteínas G en la membrana celular, el ATP sustituye al difosfato de guanosina (GDP) en la subunidad α. El ATP-α se separa de la subunidad βγ y activa varios efectores, lo cual origina efectos fisiológicos. La actividad intrínseca de la trifosfatasa de guanosina (GTPasa) del GTP-α convierte ATP a difosfato de guanosina, lo cual permite la vinculación de las subunidades α, β y γ. Opioides Taquicininas Sustancia P Neurocinina A Neuropéptido K Otros péptidos Angiotensina II Arginina-vasopresina Las subunidades β y γ tienen vinculación estrecha en la célula y, en conjunto, forman una molécula de señalización que también activa diversos efectores. La actividad intrínseca de la GTPasa de la subunidad α convierte GTP a GDP y esto conduce a una nueva asociación de las subunidades β y γ con la subunidad α y la terminación de la activación del efector. La actividad de GTPasa de la subunidad α puede acelerarse por la familia de reguladores de señalización de la proteína G (RGS). Las proteínas G heterotriméricas transmiten señales de más de 1 000 receptores acoplados a proteína G y sus efectores en las células incluyen conductos iónicos y enzimas (cuadro 2-5). Hay 20 genes para la subunidad α, seis para la subunidad β y 12 para la γ, lo cual permite la formación de más de 1 400 combinaciones α, β y γ. No todas las combinaciones ocurren en la célula, pero se han registrado correctamente más de 20 diferentes proteínas G heterotriméricas en la señalización celular. Éstas pueden dividirse en cinco familias, cada una de las cuales tiene un grupo relativamente característico de efectores. RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNAS G Todos los receptores heterotriméricos acoplados a proteína G, identificados hasta la fecha, son proteínas que abarcan las membranas celulares siete veces. Por su estructura, se han denominado receptores de siete hélices o receptores serpentinos. Se ha clonado gran número de éstos, y sus funciones son múltiples y diversas. En la figura 2-24, se muestra la estructura topológica. Estos receptores se ensamblan en una estructura con forma de barril. Hasta la unión con el ligando, un cambio conformacional activa una proteína G heterotrimérica en reposo relacionada con una hoja citoplásmica de la membrana plasmática. La activación de un solo receptor puede producir una, 10 o más proteínas G heterotriméricas, lo cual hace posible la amplificación y la transducción de primer mensajero. Los receptores unidos pueden inactivarse hasta limitar la intensidad de la señalización celular. Esto con frecuencia ocurre a través de la fosforilación del lado citoplásmico del receptor. Oxitocina VIP, GRP, TRH, PTH Hormonas glucoproteínicas TSH, FSH, LH, hCG Derivados del ácido araquidónico Tromboxanos A2 Otros Odoríferos Saboreadores Endotelinas Factor activador de las plaquetas Canabinoides Luz VIP, péptido intestinal vasoactivo; GRP, péptido liberador de gastrina; TRH, hormona liberadora de tirotropina; PTH, hormona paratiroidea; TSH, hormona estimulante de tiroides; FSH, hormona estimulante de los folículos; LH, hormona luteinizante; hCG, gonadotropina coriónica humana. TRIFOSFATO DE INOSITOL Y DIACILGLICEROL COMO SEGUNDOS MENSAJEROS A menudo el trifosfato de inositol (inositol 1,4,5-trifosfato [IP3]) es el vínculo entre la unión del ligando a la membrana que actúa a través de los iones calcio con incremento rápido en la concentración citoplásmica de este ion. Cuando uno de estos ligandos se une a su receptor, la activación del receptor origina la actividad de la fosfolipasa C (PLC) en la síntesis interna de la membrana. Los ligandos unidos a los receptores acoplados a proteína G pueden hacer esto a través de proteínas Gq heterotriméricas, en tanto que los ligandos que se unen a receptores de la tirosina cinasa pueden realizar esto a través de otras vías de señalización celular. La fosfolipasa C tiene al menos ocho isoformas; fosfolipasa Cβ es activada por proteínas G heterotriméricas, en tanto que las formas fosfolipasa Cγ inician su actividad CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica H D V T E E R D E A W V V D P V H S G N T T L L F D S D N G P P G M NH2 Receptor adrenérgico 2 C Y H K D E T I C A C K D N F G Q F N W H F M F T N L I W T K D P A N Q C R M K E V Y G M A L I N E F W Y W H Q A Y I V H I L L N A I A S V I N V I L M S B A G F T S I D MQ I P W L G V I V P V V V L C L F S S I V I F F A Q Y V N S A L G M L A I V V T S T L S S F Y V P L W C A F N F G N V L D I E T V I W P L V L T F P L I Y V L V I A C A L L C V I V M L I V M V F T G M I C R S A V D V M R V Y S I G L T A I S T I P T A F R R A D F K R I A F Y Y K V K L Q I A K N N F F H E E K A T K L C E R Q V F L A K R Q L Q T L Q T V I K K L L T I S C L S D S S P L H F R G E S K F K Y Q S R R P R R N L G Q V E Q D G R S G H G L S S S K S A E G M Y D T K G N G N S S Y G N G Y A G C Q L G Q E K E S E R L C E D P P G T E S F V N C Q L P S D N T S C N R G Q S D L S L S P V T G Superficie extracelular Superficie citoplásmica F E A P Q Y Y L A E P W Q R V V C T K N S F P V Y F N P G E T G N M P S Superficie en el S C G interior del disco QC 55 NH2 Rodopsina I D Y Y T G P M F T P G V G H C F E E N Y P E L G S G I Q E T D H Y F G H N L R G N F S T S P I F M F S M T Y L F A T E S F F I Y WG V T I P A V I Y M F A V Q L A A Y T T T F L G G E L P P A A C A F F A A Y P M F L Q G F I A L F V V K T S A L I M L V M F L L A M V H F I I L W C I W S L A V Y N G F P D A V V L A P L I L F A W T F A V G M P V I Y I E R Y I N F L A L N L V I F F I V M I I M M V V V I A H C Y G I V M T L Y L I Y N R C N Q N V K Q T F R N C L E L K T M V E P K E A G V V P V K Q F M T F Q H T S N F R K K L R T T V T K T E A L A A A Q Q Q E S C C G HOOC A P A V Q S T E T K S V T T S A E D D G L P N K Superficie citoplásmica HOOC FIGURA 2-24 Estructuras de dos receptores acoplados a proteína G. Los residuos de aminoácidos se identifican por sus códigos de una sola letra y los residuos de color naranja son sitios de fosforilación. Los símbolos con forma de Y identifican sitios de glucosilación. Obsérvese el extremo amino terminal, el extremo carboxilo terminal intracelular y siete de las regiones que abarcan la membrana de cada proteína. (Reproducida con autorización de Benovic JL et al: Light-dependent phosphorylation of rhodopsin by β-adrenergic receptor kinase. Reimpreso con permiso de Nature 1986;321:869. Copyright © 1986 by Macmillan Magazines). a través de los receptores de tirosina cinasa. Las isoformas fosfolipasa C pueden catalizar la hidrólisis del lípido de membrana 4,5-difosfato de fosfatidilinositol (PIP2) para formar trifosfato de inositol y diacilglicerol (DAG) (fig. 2-25). El trifosfato de inositol difunde al retículo endoplásmico, donde desencadena Fosfatidilinositol (PI) PIP la liberación de iones calcio en el citoplasma por la unión con el receptor de trifosfato de inositol, un conducto de calcio controlado por ligando (fig. 2-26). El diacilglicerol también es un segundo mensajero; éste permanece en la membrana celular, donde activa una de varias isoformas de proteína cinasa C. PIP2 Diacilglicerol Fosfolipasa C P 1 4 P 1 4 P 1 P 4 P 1 5 P P 5 4 P Inositol + CDP-diacilglicerol IP IP3 P IP2 Ácido fosfatídico FIGURA 2-25 Metabolismo del fosfatidilinositol en las membranas celulares. El fosfatidilinositol sufre fosforilaciones sucesivas para dar origen a fosfatidilinositol 4-fosfato (PIP) y más tarde a fosfatidilinositol 4,5-difosfato (PIP2). La fosfolipasa Cβ y la fosfolipasa Cγ catalizan el desdoblamiento de PIP2 a inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol. También pueden formarse otros fosfatos de inositol y derivados del fosfatidilinositol. El trifosfato de inositol se desfosforila hasta inositol y el diacilglicerol se metaboliza a difosfato de citocina (CDP)-diacilglicerol. El CDP-diacilglicerol y el inositol se combinan para formar fosfatidilinositol, completando el ciclo. (Modificada de Berridge MJ: Inositol triphosphate and diacylglycerol as second messengers. Biochem J 1984;220:345.) 56 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica Receptor estimulador O HO ISF PIP2 β Tirosina cinasa DAG O P OH PLC O O OH P O O OH ATP γ α Gq, etc. IP3 Adenina CH2 PKC H Fosfoproteínas H H OH OH H Adenilil ciclasa Citoplasma CaBP P O Ca2+ Efectos fisiológicos ER Efectos fisiológicos PP O FIGURA 2-26 Representación esquemática de la liberación de trifosfato de inositol (IP3) y diacilglicerol (DAG) como segundos mensajeros. La unión del ligando con el receptor acoplado con la proteína G activa a la fosfolipasa C (PLC)β. De manera alternativa, la activación de receptores con los dominios de tirosina cinasa intracelular pueden activar la fosfolipasa Cγ. La hidrólisis resultante de fosfatidilinositol 4,5-difosfato (PIP2) produce IP3, que libera iones calcio (Ca2+) del retículo endoplásmico (ER), y diacilglicerol, que activa a la proteína cinasa C (PKC). CaBP, proteínas transportadoras de iones calcio; ISF, líquido intersticial. MONOFOSFATO DE ADENOSINA CÍCLICO Otro segundo mensajero de importancia es el monofosfato de 3',5' adenosina cíclico (AMP cíclico [cAMP]; fig. 2-27). El AMP cíclico se forma a partir de ATP por la acción de la enzima adenilil ciclasa y se convierte a la forma fisiológicamente inactiva 5'AMP por la actividad de la enzima fosfodiesterasa. Algunas de las isoformas de fosfodiesterasa que desdoblan cAMP son inhibidas por metilxantinas, como cafeína y teofilina. Como consecuencia, estos compuestos pueden aumentar los efectos hormonales y de transmisión mediados por cAMP. El AMP cíclico activa una de las proteínas cinasas dependientes de nucleótidos cíclicos (proteína cinasa A [PKA]) que, al igual que la proteína cinasa C, cataliza la fosforilación de proteínas, cambia su conformación y altera su actividad. Además, la subunidad catalítica activa de la proteína cinasa A desplaza al núcleo y origina la fosforilación de la proteína transportadora de elementos de respuesta al monofosfato de adenosina cíclico (CREB). Este factor de transcripción se une al ácido desoxirribonucleico y altera la transcripción de diversos genes. PRODUCCIÓN DE cAMP POR LA ADENILIL CICLASA La adenilil ciclasa es una proteína transmembrana que atraviesa la membrana en 12 ocasiones. Se han descrito 10 isoformas de esta enzima y cada una posee propiedades reguladoras distintas, lo cual hace posible que la vía de cAMP se ajuste a las necesidades específicas de los tejidos. Las proteínas G heterotriméricas estimuladoras (Gs) generan activación, en tanto las proteínas G heterotriméricas inhibidoras (Gi) inactivan a la adenilil ciclasa (fig. 2-28). Cuando se une el ligando apropiado al receptor es- Adenina CH2 O cAMP H O H2O P H H O OH H OH Fosfodiesterasa AMP O HO P O Adenina CH2 O OH H H H OH OH H FIGURA 2-27 Síntesis y metabolismo del monofosfato de adenosina cíclico (cAMP). Este último es un segundo mensajero que se forma por desdoblamiento de ATP por acción de la adenilil ciclasa, el cual, a su vez, es desdoblado por acción de la enzima fosfodiesterasa. timulador, la subunidad Gs α activa una de las adenilil ciclasas. Por el contrario, cuando el ligando apropiado se vincula con un receptor inhibidor, la subunidad Gi α inhibe a la adenilil ciclasa. Los receptores son específicos y responden con umbrales bajos sólo a un ligando o un grupo selecto de ligandos relacionados. No obstante, las proteínas G heterotriméricas median los efectos estimuladores e inhibidores originados por diferentes ligandos. Además, ocurre un efecto cruzado entre el sistema de fosfolipasa C y el sistema de adenilil ciclasa, porque varias de las isoformas de esta última son estimuladas por calmodulina. Por último, los efectos de la proteína cinasa A y de la proteína cinasa C son muy amplios y pueden verse afectados de manera directa o indirecta por la actividad de la adenilil ciclasa. La relación estrecha entre la activación de las proteínas G y las adenilil ciclasas permite la regulación espacial de la producción de cAMP. Todos estos acontecimientos y otros hacen posible el ajuste fino de la respuesta de dicho monofosfato para un resultado fisiológico particular en la célula. Dos toxinas bacterianas tienen efectos importantes sobre la adenilil ciclasa y son mediadas por proteínas G. Una subuni- CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica Receptor estimulador Adenilil ciclasa ISF Receptor inhibidor ANP NH2 NH2 NH2 EGF ST β α γ α ATP γ NH2 PTK PDE CAMP PDGF ISF M C Gi GS Citoplasma β NH2 5' AMP cyc cyc COOH Fosfoproteínas Efectos fisiológicos PTK PTP PTK PTP cyc Proteína cinasa A 57 COOH COOH COOH NH2 PTP COOH COOH COOH Guanilil ciclasas Cinasas de tirosina Fosfatasas de tirosina FIGURA 2-28 Sistema del monofosfato de adenosina cíclico (cAMP). La activación de la adenilil ciclasa cataliza la conversión de trifosfato de adenosina (ATP) a cAMP. Este último activa a la proteína cinasa A, que causa la fosforilación de proteínas, generando los efectos fisiológicos. Los ligandos estimuladores se unen a los receptores estimuladores y activan a la adenilil ciclasa a través de la proteína G heterotrimérica estimuladora (Gs). Los ligandos inhibidores bloquean a la adenilil ciclasa a través de receptores inhibidores y de la proteína G heterotrimérica inhibidora (Gi). ISF, líquido intersticial. dad A de la toxina del cólera cataliza la transferencia de ADP ribosa a un residuo de arginina en la mitad de la subunidad α de Gs. Esto bloquea la actividad de GTPasa, con estimulación prolongada de la adenilil ciclasa. La toxina de tos ferina cataliza la ribosilación de ADP de un residuo de cisteína cerca de la región carboxilo terminal de la subunidad α de Gi. Además de las implicaciones de estas alteraciones en procesos patológicos, ambas toxinas se utilizan para investigación básica de la función de proteínas G. La forscolina es un fármaco que también estimula la actividad de adenilil ciclasa por acción directa sobre la enzima. GUANILIL CICLASA Otro nucleótido cíclico de importancia fisiológica es el monofosfato de guanosina cíclico (GMP cíclico o cGMP). Éste es importante en las células de los conos y los bastones para la visión. Asimismo, hay conductos iónicos regulados por cGMP y éste activa la cinasa dependiente de cGMP, con la producción de diversos efectos fisiológicos. Las guanilil ciclasas constituyen una familia de enzimas que cataliza la formación de cGMP. Se conocen dos formas (fig. 2-29). Una tiene un dominio extracelular amino terminal que es un receptor, un dominio único transmembrana y una porción citoplásmica con actividad catalítica de guanilil ciclasa. Se han identificado tres de tales guanilil ciclasas. Dos son receptores para péptido natriurético auricular (ANP; también conocido como factor natriurético auricular) y un tercero se une a la enterotoxina de Escherichia coli y al polipéptido gastrointestinal guanilina. La otra forma de guanilil ciclasa es soluble, contiene un grupo hem y no está unida a la membrana. Parece haber varias isoformas de enzimas intracelulares, las cuales son activadas por el óxido nítrico (NO) y los compuestos que lo contienen. FIGURA 2-29 Representación esquemática de las ciclasas de guanililo, las cinasas de tirosina y las fosfatasas de tirosina. ANP, péptido natriurético auricular; C, citoplasma; cyc, dominio de la guanilil ciclasa; EGF, factor de crecimiento epidérmico; ISF, líquido intersticial; M, membrana celular; PDGF, factor de crecimiento derivado de plaquetas; PTK, dominios de la tirosina cinasa; PTP, dominios de la fosfatasa de tirosina; ST, enterotoxinas de E. coli. (Modificada de Koesling D, Böhme E, Schultz G: Guanylyl cyclases, a growing family of signal transducing enzymes. FASEB J 1991;5:2785.) FACTORES DE CRECIMIENTO Los factores de crecimiento se han tornado gradualmente más importantes en muchos aspectos de la fisiología. Son polipéptidos y proteínas que por conveniencia se dividen en tres grupos. Uno de ellos está constituido por agentes que favorecen la multiplicación o el desarrollo de diversos tipos de células, como el factor de crecimiento nervioso (NGF), factor de crecimiento similar a la insulina tipo I (IGF-I), activinas e inhibinas y el factor de crecimiento epidérmico (EGF). Se han descrito más de 20 de estos factores. Las citocinas conforman un segundo grupo de factores, los cuales son producidos por macrófagos y linfocitos, así como por otras células; son importantes en la regulación del sistema inmunitario (cap. 3). De nuevo, se han descrito más de 20 sustancias de este grupo. El tercer grupo está constituido por factores estimuladores de las colonias, que regulan la proliferación y la maduración de eritrocitos y leucocitos. Los receptores para factor de crecimiento epidérmico, factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) y muchos otros factores que aceleran la multiplicación y el crecimiento celulares, tienen un solo dominio que abarca la membrana, con un dominio intracelular de tirosina cinasa (fig. 2-29). Cuando el ligando se une a un receptor de tirosina cinasa, en primer lugar causa la dimerización de los receptores similares. La dimerización origina activación parcial de los dominios intracelulares de tirosina cinasa y la fosforilación cruzada para la activación plena de cada uno. Una de las vías activadas por fosforilación conduce, a través de Ras (una proteína G pequeña), a proteína cinasa activada por mitógeno (MAP) y, por último, a la producción de factores de transcripción en el núcleo que alteran la expresión genética (fig. 2-30). Los receptores para citocinas y los factores estimuladores de las colonias difieren de los otros factores de crecimiento en cuanto a que la mayoría de ellos no tiene dominios de tirosina cinasa en sus porciones citoplásmicas, y algunos muestran poca 58 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica Factor de crecimiento Ligando Receptor A GDP ISF Citoplasma GTP SOS Raf B Ligando TF JAK MAP K STAT STAT MAP KK JAK T K Grb2 Ras Ras activo JAK Ras Ras inactivo Receptor JAK Membrana celular P P Núcleo P Alteración de la actividad genética P STAT STAT FIGURA 2-30 Una de las vías directas por medio de las cuales JAK Ligando JAK C P P P HOMEOSTASIS El entorno real de las células corporales es el componente intersticial de líquido extracelular. El funcionamiento normal de las P STAT P P STAT JAK Ligando JAK D P P P P STAT o ninguna cola citoplásmica. No obstante, inician la actividad de la tirosina cinasa en el citoplasma. En particular, activan las denominadas tirosinas cinasas de Janus (JAK) en el citoplasma (fig. 2-31). Éstas a su vez fosforilan proteínas transductoras de señales de la transcripción activada (STAT). Estas últimas, fosforiladas, forman homodímeros y heterodímeros y se desplazan hacia el núcleo, donde actúan como factores de transcripción. Hay cuatro JAK conocidos para mamíferos y siete proteínas transductoras de señales de la transcripción activada conocidas. Es de interés que la vía cinasas de tirosina Janus-proteínas transductoras de señales de la transcripción activada (JAK-STAT) puede activarse por la hormona de crecimiento, y es otra vía directa importante de la superficie celular al núcleo. Sin embargo, debe enfatizarse en qué tanto las vías de Ras, como JAK-STAT, son complejas y hay comunicación cruzada entre ellas y con otras vías de señalización mencionadas antes. Por último, nótese que el tema de segundos mensajeros y señalización intracelular es sumamente complejo, con múltiples vías e interacciones. En un libro como éste, sólo es posible enumerar y mencionar en general la información que será de utilidad para que el lector comprenda el resto de los aspectos de la fisiología (recuadro clínico 2-3). P STAT P los factores de crecimiento alteran la actividad genética. TK, dominio de tirosina cinasa; Grb2, controlador activador de Ras; Sos, activador de Ras; Ras, producto del gen ras; MAP K, proteína cinasa activada por mitógeno; MAP KK, cinasa de cinasa MAP; TF, factores de transcripción. Hay comunicación cruzada entre esta vía y la vía del monofosfato de adenosina cíclico (cAMP), al igual que con las vías de trifosfato de inositol-diacilglicerol (IP3-DAG). Núcleo DNA FIGURA 2-31 Transducción de señales a través de la vía cinasas de tirosina Janus-transductores de señales de la transcripción activada (JAK-STAT). A) El ligando se une produciendo la dimerización del receptor. B) Activación y fosforilación de tirosina de JAK. C) JAK fosforila a STAT. D) STAT se polimeriza y se desplaza hacia el núcleo, donde se une a elementos de respuesta en el ácido desoxirribonucleico (DNA). (Modificada de Takeda K, Kishimoto T, Akira S: STAT6: Its role in interleukin 4-mediated biological functions. J Mol Med 1997;75:317.) CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica RECUADRO CLÍNICO 2-3 Enfermedades causadas por receptores y proteínas G Muchas entidades patológicas han sido rastreadas hasta mutaciones en los genes para receptores. Por ejemplo, las mutaciones de receptores con pérdida de la función que originan trastornos han sido detectados para el receptor de 1,25-dihidroxicolecalciferol y el receptor de insulina. Otras enfermedades son generadas por la producción de anticuerpos contra receptores. Así, los anticuerpos contra los receptores de hormona estimulante de tiroides (TSH) causan enfermedad de Graves, y los anticuerpos contra receptores nicotínicos de acetilcolina originan miastenia grave. Un ejemplo de pérdida de la función del receptor es la diabetes insípida nefrógena que es causada por pérdida de la habilidad de los receptores mutados de vasopresina V2 para mediar la concentración de la orina. Los receptores mutantes pueden incrementar o perder su función. Una mutación de ganancia de función del receptor de iones calcio propicia inhibición excesiva de la secreción de hormona paratiroidea e hipocalciemia hipercalciúrica familiar. Las proteínas G pueden causar mutaciones con reducción o incremento de la función que producen enfermedades (cuadro 2-6). En una modalidad de seudohipoparatiroidismo, una proteína G heterotrimérica estimuladora α no responde a la hormona paratiroidea, lo cual genera síntomas de hipoparatiroidismo sin disminución en las concentraciones circulantes de hormona paratiroidea. La testotoxicosis es un padecimiento interesante que combina la pérdida y la ganancia de la función. En este trastorno, una mutación activadora de proteína G heterotrimérica estimuladora α causa secreción excesiva de testosterona y maduración sexual pubescente. Sin embargo, esta mutación es sensible a temperatura y se activa únicamente con temperaturas relativamente bajas de los testículos (33°C). A 37°C, la temperatura normal del resto del cuerpo, se sustituye el decremento de la función con la producción de hipoparatiroidismo y disminución de la respuesta a hormona estimulante de tiroides. Una mutación activadora diferente en proteína G heterotrimérica estimuladora α se vincula con áreas de pigmentación cutánea con bordes rugosos e hipercortisolismo, el síndrome de McCune-Albright. Esta mutación aparece durante el desarrollo fetal, creando un mosaico de células normales y anómalas. Una tercera mutación en la proteína G heterotrimérica estimuladora α reduce su actividad intrínseca de trifosfatasa de guanosina. Como consecuencia, es mucho más activa de lo normal y se produce monofosfato de adenosina cíclico en exceso. Esto da lugar a hiperplasia y, por último, a neoplasia en las células somatotrofas de la hipófisis anterior. Casi 40% de los tumores somatotrofos que causan acromegalia contiene mutaciones somáticas de este tipo. células depende de la constancia de este líquido y no es de sorprender que los animales multicelulares hayan desarrollado un número inmenso de mecanismos reguladores para mantenerlo en equilibrio. Para describir “los diversos procesos fisiológicos que sirven para restablecer el estado normal, una vez que éste ha sido alterado”, W.B. Cannon acuñó el término homeostasis. Las propiedades amortiguadoras de los líquidos corporales y los ajustes renales y respiratorios para corregir la presencia de cantidades excesivas de ácidos o álcalis son ejemplos de mecanismos homeostáticos. Hay incontables ejemplos y gran parte de la fi- 59 CUADRO 2-6 Ejemplos de anomalías causadas por mutaciones con pérdida o ganancia de la función de proteínas G heterotriméricas acopladas a receptores y proteínas G. Tipo de mutación Enfermedad Opsinas de conos Pérdida Ceguera al color Rodopsina Pérdida Nictalopía congénita; dos modalidades de retinitis pigmentosa Vasopresina V2 Pérdida Diabetes insípida electrógena relacionada con el cromosoma X ACTH Pérdida Deficiencia familiar de glucocorticoides LH Ganancia Pubertad precoz masculina familiar TSH Ganancia Hipertiroidismo familiar no autoinmunitario TSH Pérdida Hipotiroidismo familiar Iones calcio Ganancia Hipocalciemia hipercalciúrica familiar Tromboxano A2 Pérdida Hemorragia congénita Endotelina B Pérdida Enfermedad de Hirschsprung Gs α Pérdida Seudohipotiroidismo tipo 1a Gs α Ganancia/pérdida Testotoxicosis Gs α Ganancia (mosaicismo) Síndrome de McCuneAlbright Gs α Ganancia Adenomas somatotrofos con acromegalia Gi α Ganancia Tumores ováricos y suprarrenales Sitio Receptor Proteína G ACTH, hormona adrenocorticotrópica; LH, hormona luteinizante; TSH, hormona estimulante de tiroides; Gs, proteína G heterotrimérica estimuladora; Gi, proteína G heterotrimérica inhibidora. Modificado de Lem J: Diseases of G-protein-coupled signal transduction pathways: The mammalian visual system as a model. Semin Neurosci 1998;9:232. siología revisa los mecanismos reguladores que actúan para preservar el equilibrio del medio interno. Muchos de estos procesos reguladores operan con base en el principio de retroalimentación negativa; las desviaciones de un punto de ajuste normal dado son detectadas por un sensor, y las señales provenientes de éste desencadenan cambios compensadores que continúan hasta que se alcanza de nuevo el punto de ajuste. 60 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica RESUMEN DEL CAPÍTULO ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Las células y los organelos intracelulares están rodeados por una membrana semipermeable. Las membranas biológicas tienen una bicapa lipídica con un centro hidrófobo y regiones externas que proporcionan una barrera entre los compartimientos interno y externo, así como una base para las reacciones bioquímicas. La membrana posee abundantes proteínas estructurales y funcionales que pueden integrarse en aquélla o quizá se relacionen con uno de los lados de la bicapa lipídica. Estas proteínas contribuyen en gran medida a las propiedades de semipermeabilidad de las membranas biológicas. Las mitocondrias son organelos en los que ocurre la fosforilación oxidativa en las células eucariotas. Contienen su propio ácido desoxirribonucleico, sin embargo, las proteínas en la mitocondria están codificadas por ácido desoxirribonucleico mitocondrial y celular. Las mitocondrias son importantes en la señalización celular especializada. Los lisosomas y los peroxisomas son organelos unidos a la membrana que contribuyen al procesamiento de lípidos y proteínas. Aquéllos llevan a cabo esta función, en parte, al generar un contenido ácido (lisosomas) u oxidativo (peroxisomas) con respecto al citosol celular. El citoesqueleto es una red constituida por tres tipos de filamentos que proporciona integridad estructural a la célula y un medio para el desplazamiento de los organelos y de otras estructuras. La actina es el bloque básico fundamental para los filamentos delgados y constituye hasta 15% de las proteínas celulares. Los filamentos de actina son importantes en la contracción celular, la migración y la señalización. Los filamentos de actina también proporcionan la estructura básica para la contracción muscular. Los filamentos intermedios son sobre todo de tipo estructural. Las proteínas que constituyen los filamentos intermedios son específicos del tipo celular. Los microtúbulos están formados por subunidades de tubulina. Los microtúbulos proveen una estructura dinámica a las células que permite el movimiento de los componentes celulares en el interior de la misma. Hay tres superfamilias de proteínas motoras en la célula que utilizan la energía del ATP para producir fuerza, movimiento, o ambos. La miosina es un generador de fuerza para la contracción de la célula muscular. También hay miosinas celulares que interactúan con el citoesqueleto (sobre todo filamentos delgados) para participar en la contracción y en el movimiento del contenido celular. Las cinesinas y las dineínas celulares son proteínas motoras que interactúan principalmente con los microtúbulos para desplazar la carga alrededor de las células. Las moléculas de adhesión celular colaboran en mantener unidas las células una con otra o con la matriz extracelular y para hacer posible el inicio de la señalización celular. Hay cuatro familias principales de estas proteínas: integrinas, inmunoglobulinas, caderinas y selectinas. Las células contienen diferentes complejos proteínicos que actúan como conexiones con otras células o con la matriz extracelular. Las uniones estrechas proporcionan cúmulos intercelulares que unen a las células en una barrera hística regulada. Tales uniones también ■ ■ ■ ■ ■ suministran un mecanismo de barrera para el movimiento de las proteínas en la membrana celular y, así, ellas son importantes en la polarización celular. Las uniones celulares intercomunican las células de modo que ocurra el paso directo de moléculas pequeñas entre dos células. Los desmosomas y las uniones adherentes son estructuras especializadas que conservan unidas a las células. Los hemidesmosomas y las adhesiones focales unen las células a su lámina basal. El núcleo es un organelo que contiene el DNA celular y es el sitio de transcripción. Hay siete organelos que se originan en el núcleo, los cuales incluyen el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi. Estos organelos son importantes en el procesamiento de proteínas para la corrección de los compartimientos en el interior de la célula. La exocitosis y endocitosis son fenómenos de la función vesicular que hacen posible el movimiento de proteínas y lípidos en el interior y el exterior de la célula, y en la membrana plasmática. La exocitosis puede ser constitutiva o no constitutiva; ambas corresponden a procesos regulados que requieren proteínas especializadas para la función vesicular. La endocitosis es la formación de vesículas en la membrana plasmática para captar el material del espacio extracelular hacia el interior de la célula. Algunas endocitosis se definen en parte por el tamaño de las vesículas formadas, en tanto otras se definen por las estructuras de la membrana que contribuyen a la endocitosis. Todos estos son procesos con regulación estrecha. Las membranas contienen diversas proteínas y complejos proteínicos que permiten el transporte de moléculas pequeñas. Los conductos iónicos acuosos son proteínas que abarcan la membrana y que pueden abrirse para que la difusión selectiva de iones ocurra a través de la membrana, siguiendo su gradiente electroquímico. Las proteínas transportadoras se unen a moléculas pequeñas y muestran cambios conformacionales para que pasen las moléculas pequeñas a través de la membrana. El transporte facilitado puede ser pasivo o activo. El transporte activo necesita energía para el transporte, la cual suele obtenerse de la hidrólisis de ATP. Las células pueden comunicarse con otras a través de mensajeros químicos. Por lo regular, los mensajeros individuales (ligandos) se unen a un receptor en la membrana plasmática para iniciar los cambios intracelulares que conducen a los cambios fisiológicos. Las familias de receptores de membrana plasmática incluyen los conductos iónicos, receptores acoplados a proteína G o a diversos receptores vinculados con enzimas (p. ej., receptores de tirosina cinasa). Hay receptores citosólicos adicionales (p. ej., receptores de esteroides) que pueden unirse a compuestos embebidos en la membrana. La activación de receptores propicia cambios celulares que abarcan modificaciones en el potencial de membrana, activación de proteínas G heterotriméricas, incremento de las moléculas de segundo mensajero o el inicio de la transcripción. Los segundos mensajeros son moléculas que sufren cambios rápidos en su concentración en la célula después del reconocimiento de un mensajero primario. Moléculas que con frecuencia actúan como segundo mensajero incluyen iones calcio, monofosfato de adenosina cíclico (cAMP), monofosfato cíclico de guanina (cGMP), trifosfato de inositol (IP3) y óxido nítrico (NO). CAPÍTULO 2 Revisión de la fisiología celular en fisiología médica PREGUNTAS DE OPCIÓN MÚLTIPLE Para todas las preguntas, elija la mejor respuesta a menos que se indique lo contrario. 1. La Na, K ATPasa electrógena desempeña una función crítica en la fisiología celular al A) utilizar la energía en el ATP para sacar de la célula tres iones sodio e intercambiarlos por dos iones potasio hacia el interior de la célula B) usar la energía del ATP para sacar de la célula tres iones potasio e intercambiarlos por dos iones sodio hacia el interior de la célula C) utilizar la energía para desplazar los iones sodio hacia el interior de la célula o los iones potasio hacia el exterior de la célula para la síntesis de ATP D) usar la energía para desplazar iones sodio fuera de la célula o iones potasio hacia el interior de la célula para la síntesis de ATP 2. Las membranas celulares A) contienen relativamente pocas moléculas proteínicas B) poseen muchas moléculas de carbohidratos C) tienen permeabilidad irrestricta a los electrólitos, pero no a las proteínas D) portan un contenido proteínico y lipídico dependiente de su ubicación en el interior de la célula E) tienen una composición estable a lo largo de la vida de la célula 3. Los segundos mensajeros A) son sustancias que interactúan con el primer mensajero fuera de la célula B) son sustancias que se unen con el primer mensajero en la membrana celular C) son hormonas secretadas por las células en respuesta a la estimulación por otra hormona D) median las respuestas intracelulares a diferentes hormonas y neurotransmisores E) no se forman en el encéfalo 4. El complejo de Golgi A) es un organelo que participa en el desdoblamiento de proteínas y lípidos B) es un organelo que posee una función en el procesamiento de las proteínas después de la traducción C) es un organelo que toma parte en la producción de energía D) es un organelo que participa en la transcripción y la traducción E) es un compartimiento subcelular que almacena proteínas para su circulación hacia el núcleo 61 5. La endocitosis A) incluye la fagocitosis y la pinocitosis, pero no la captación de contenido extracelular mediado por clatrina o dependiente de cavéolas B) se refiere a la fusión de una vesícula intracelular con la membrana plasmática para verter el contenido intracelular al medio extracelular C) se refiere a la invaginación de la membrana plasmática para la captación de contenido extracelular hacia la célula D) se refiere al tránsito vesicular entre las diversas capas del aparato de Golgi 6. Los receptores acoplados a proteína G A) son proteínas de membrana intracelular que ayudan a regular el desplazamiento en el interior de la célula B) son proteínas de la membrana plasmática que se acoplan a moléculas de señalización primaria extracelular para la activación de proteínas G pequeñas C) son proteínas de la membrana plasmática que se acoplan para unirse con moléculas de señalización primaria en el espacio extracelular, para la activación de proteínas G heterotriméricas D) son proteínas intracelulares que se acoplan con moléculas de mensajero primario con transcripción 7. Las uniones estrechas son comunicaciones intercelulares que A) actúan principalmente para conservar separadas a las células y facilitar el transporte a través de barreras hísticas B) se desempeñan como puentes citoplásmicos regulados para compartir moléculas pequeñas entre las células C) actúan como barrera para prevenir desplazamiento proteínico en el interior de la membrana celular D) son componentes celulares para la exocitosis constitutiva que ocurre entre células adyacentes RECURSOS DEL CAPÍTULO Alberts B et al: Molecular Biology of the Cell, 5th ed. Garland Science, 2007. Cannon WB: The Wisdom of the Body. Norton, 1932. Junqueira LC, Carneiro J, Kelley RO: Basic Histology, 9th ed. McGrawHill, 1998. Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM (editors): Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000. Pollard TD, Earnshaw WC: Cell Biology, 2nd ed. Saunders, Elsevier, 2008. Sperelakis N (editor): Cell Physiology Sourcebook, 3rd ed. Academic Press, 2001. Inmunidad, infección e inflamación C A P Í T U L O 3 O B J E T I VO S Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de: ■ ■ ■ ■ ■ ■ Comprender la importancia de la inmunidad, sobre todo con respecto a la defensa del cuerpo contra invasores microbianos. Definir los tipos de células circulantes e hísticas que contribuyen a las respuestas inmunitaria e inflamatoria. Describir cómo los fagocitos pueden destruir las bacterias interiorizadas. Identificar las funciones de los factores de crecimiento hemopoyéticos, citocinas y quimiocinas. Delinear las funciones y mecanismos de la inmunidad innata, adquirida, humoral y celular. Comprender las bases de las respuestas inflamatorias y la cicatrización de heridas. INTRODUCCIÓN Como un sistema expuesto, el cuerpo está llamado a defenderse de manera continua de invasores potencialmente dañinos, como bacterias, virus y otros microbios. Esto se logra mediante la respuesta del sistema inmunitario, que se subdivide en innata y de adaptación (o adquirida). El sistema inmunitario está compuesto por células efectoras especializadas que perciben y responden a antígenos ajenos y otros patrones moleculares que no existen en los tejidos humanos. De igual manera, el sistema inmunitario elimina las células propias del cuerpo que envejecieron o que son anormales, como las cancerosas. Por último, a veces los tejidos normales del hospedador se convierten en el blanco de un ataque inmunitario inadecuado, como en las enfermedades autoinmunitarias o en situaciones en las que las células normales se dañan como testigos inocentes cuando el sistema inmunitario monta una respuesta inflamatoria contra un invasor. Una descripción completa de todos los aspectos de la inmunología moderna está fuera del alcance de este libro. Sin embargo, el estudiante de fisiología debe tener un conocimiento práctico de las funciones inmunitarias y su regulación, debido a la apreciación cada vez mayor de las formas en las cuales el sistema inmunitario puede contribuir a la regulación fisiológica normal en diversos tejidos, así como las contribuciones de los efectores inmunitarios a la fisiopatología. CÉLULAS INMUNITARIAS EFECTORAS incluyen granulocitos (leucocitos polimorfonucleares, PMN), que incluyen neutrófilos, eosinófilos y basófilos; linfocitos, y monocitos. Estas células amplifican aún más las respuestas inmunitarias después de su migración extravascular, al igual que los macrófagos hísticos (derivados de monocitos) y los mastocitos (relacionados con los basófilos). En conjunto, estas células brindan al cuerpo defensas poderosas contra tumores e infecciones virales, bacterianas y parasitarias. Muchas células inmunitarias efectoras circulan en la sangre como los leucocitos. Además, la sangre es el conducto para las células precursoras que después se transforman en células inmunitarias de los tejidos. Las células inmunitarias circulantes 63 64 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica GRANULOCITOS Todos los granulocitos tienen gránulos citoplásmicos que contienen sustancias con actividad biológica implicadas en reacciones inflamatorias y alérgicas. La vida media promedio de un neutrófilo en la circulación es de 6 h. Por tanto, para mantener la cantidad normal en la sangre circulante es necesario producir más de 100 000 millones de neutrófilos al día. Muchos neutrófilos entran a los tejidos, sobre todo si son impulsados a hacerlo por una infección o por citocinas inflamatorias. Son atraídos a la superficie endotelial por moléculas de adhesión celular denominadas selectinas y recubren al endotelio. Luego se unen con firmeza a las moléculas para adhesión de neutrófilos de la familia de la integrina. A continuación se introducen a través de las paredes de los capilares, entre las células endoteliales, por un proceso llamado diapédesis. Muchos de los neutrófilos que salen de la circulación entran al tubo digestivo y al final eliminan del cuerpo. La invasión bacteriana del cuerpo desencadena la respuesta inflamatoria. Se estimula a la médula ósea para que produzca y libere grandes cantidades de neutrófilos. Los productos bacterianos interactúan con factores plasmáticos y células para producir agentes que atraen a los neutrófilos al área infectada (quimiotaxis). Los agentes quimiotácticos, que son parte de una gran familia creciente de quimiocinas (véase más adelante), incluyen un componente del sistema del complemento (C5a); leucotrienos, y polipéptidos provenientes de linfocitos, mastocitos y basófilos. Otros factores plasmáticos actúan sobre las bacterias para hacerlas “apetecibles” para los fagocitos (opsonización). Las principales opsoninas que cubren a las bacterias son inmunoglobulinas de una clase particular (IgG) y proteínas del complemento (véase más adelante). Las bacterias cubiertas se unen luego con receptores en la membrana celular de los neutrófilos. Mediante las respuestas mediadas por la proteína G heterotrimérica, esto aumenta la actividad motriz de la célula, la exocitosis y la llamada explosión respiratoria. El aumento de la actividad motriz deriva en la ingestión rápida de la bacteria por endocitosis (fagocitosis). Mediante la exocitosis, los gránulos del neutrófilo liberan su contenido hacia las vacuolas fagocíticas que contienen a las bacterias y también hacia el espacio intersticial (desgranulación). Los gránulos contienen varias proteasas más proteínas antimicrobianas llamadas defensinas. Además, se activa la enzima oxidasa de NADPH que está unida a la membrana celular, con lo que se producen metabolitos tóxicos de oxígeno. La combinación de éstos con las enzimas proteolíticas de los gránulos convierten al neutrófilo en una máquina destructora muy efectiva. La activación de la oxidasa de NADPH se relaciona con un aumento intenso en la captación y metabolismo del oxígeno en el neutrófilo (el impulso respiratorio) y generación de O2− mediante la reacción siguiente: NADPH + H+ + 2O2 + → NADP+ + 2H+ + 2O2− O2− es un radical libre que se forma por la adición de un electrón al O2. Dos O2− reaccionan con dos H+ para formar H2O2 en una reacción catalizada por la variante citoplásmica de la dismutasa de superóxido (SOD-1): SOD-1 → H O + O O2− + O2− + H+ + H+ ⎯⎯⎯→ 2 2 2 O2− y H2O2 son oxidantes que actúan como bactericidas efectivos, pero H2O2 se convierte en H2O y O2 por acción de la enzima catalasa. La variante citoplásmica de SOD contiene tanto zinc como cobre. Se encuentra en muchas partes del cuerpo. Está defectuosa a causa de una mutación genética en una forma familiar de esclerosis lateral amiotrófica (ALS; cap. 19). Por lo tanto, podría ser que O2− se acumulara en las neuronas motoras y las destruyera, al menos en una variante de esta enfermedad progresiva y mortal. Los seres humanos también tienen dos formas más de SOD codificadas por al menos un gen diferente. Los neutrófilos también liberan mieloperoxidasa, que cataliza la conversión de Cl−, Br−, I− y SCN− en los ácidos correspondientes (HOCl, HOBr, etc.). Estos ácidos también son oxidantes potentes. Como el Cl− abunda en los líquidos corporales, el principal producto es ácido hipocloroso (HOCl). Además de la mieloperoxidasa y las defensinas, los gránulos de los neutrófilos contienen elastasa, dos metaloproteinasas que atacan la colágena y diversas proteasas más que ayudan a destruir a los microorganismos invasores. Estas enzimas actúan en cooperación con el O2−, H2O2 y HOCl formados por la acción de la oxidasa de NADPH y la mieloperoxidasa para producir una zona destructiva alrededor del neutrófilo activado. Esta zona es efectiva para destruir a los microorganismos invasores, pero en ciertas enfermedades (p. ej., artritis reumatoide), los neutrófilos también producen destrucción local de los tejidos del hospedero. Los movimientos de las células en la fagocitosis y la migración al sitio de la infección requieren de los microtúbulos y microfilamentos (cap. 1). La función adecuada de los microfilamentos implica la interacción de la actina que contienen con la miosina-1 en el exterior de la membrana celular (cap. 1). Al igual que los neutrófilos, los eosinófilos tienen una vida media corta en la circulación, las selectinas los atraen a la superficie de las células endoteliales, se unen con las integrinas que los fijan a la pared vascular e ingresan a los tejidos por diapédesis. Al igual que los neutrófilos, liberan proteínas, citocinas y quimiocinas que causan inflamación, pero son capaces de destruir a los microorganismos invasores. Sin embargo, los eosinófilos tienen cierta selectividad en la forma en que responden y en las moléculas destructivas que secretan. Su maduración y activación en los tejidos se estimula especialmente por IL-3, IL5 y GM-CSF (véase más adelante). Son muy abundantes en la mucosa del tubo digestivo, donde tienen un papel defensivo contra parásitos, y en la mucosa de las vías respiratorias y urinarias. Los eosinófilos circulantes se incrementan en las enfermedades alérgicas como el asma, y en varias otras enfermedades respiratorias y gastrointestinales. Los basófilos también ingresan a los tejidos, y liberan proteínas y citocinas. Se parecen, pero no son idénticos, a los mastocitos, y al igual que los mastocitos contienen histamina (véase más adelante). Liberan histamina y otros mediadores inflamatorios cuando se activan por la unión de antígenos específicos a moléculas de IgE que están fijas en la célula y son indispensables para las reacciones de hipersensibilidad inmediata. Estas reacciones van desde urticaria leve y rinitis hasta el choque anafiláctico grave. Los antígenos que desencadenan la formación de IgE y la activación de los basófilos (y mastocitos) son inocuos para la mayoría de las personas y se conocen como alergenos. CAPÍTULO 3 Inmunidad, infección e inflamación MASTOCITOS Los mastocitos son células del tejido conectivo que tienen muchos gránulos y son abundantes en los tejidos que entran en contacto con el exterior, como la zona debajo de las superficies epiteliales. Sus gránulos contienen proteoglucanos, histamina y muchas proteasas. Al igual que los basófilos, se desgranulan cuando los alergenos se unen con moléculas de IgE dirigidas contra ellos que antes cubrieron la superficie celular de los mastocitos. Participan en las respuestas inflamatorias iniciadas por inmunoglobulinas IgE e IgG (véase más adelante). La inflamación combate a los parásitos invasores. Además de su participación en la inmunidad adquirida, liberan factor de necrosis tumoral α (TNF-α) como respuesta a los productos bacterianos por un mecanismo independiente de los anticuerpos, por lo que participa en la inmunidad innata inespecífica que combate infecciones antes de que se desarrolle una respuesta inmunitaria de adaptación (véase más adelante). La desgranulación de los mastocitos marcados produce manifestaciones clínicas de alergia, incluso hasta de anafilaxia. 65 las bacterias mediante procesos casi siempre similares a los que ocurren en los neutrófilos. Tienen un papel clave en la inmunidad (véase más adelante). También secretan hasta 100 sustancias diferentes, incluidos factores que tienen efectos sobre los linfocitos y otras células, prostaglandinas de la serie E y factores promotores de la coagulación. FACTORES ESTIMULANTES DE LAS COLONIAS DE GRANULOCITOS Y MACRÓFAGOS Seudópodos La producción de leucocitos está regulada con gran precisión en las personas sanas; la producción de granulocitos aumenta en forma drástica y rápida en las infecciones. La proliferación y autorrenovación de los hemocitoblastos (HSC) depende del factor de células primordiales o citoblastos (SCF). Otros factores especifican linajes celulares específicos. La proliferación y maduración de las células que ingresan a la sangre desde la médula ósea están reguladas por factores de crecimiento glucoproteínicos u hormonas que inducen la proliferación y maduración de una o más de las líneas celulares implicadas (cuadro 3-1). La regulación de la producción de eritrocitos por la eritropoyetina se trata en el capítulo 39. Tres factores más se llaman factores estimulantes de colonias (CSF) porque estimulan la proliferación de un solo tipo de célula primordial en agar suave, con lo que se forman colonias en este medio de cultivo. Los factores que estimulan la producción de células primordiales específicas incluyen CSF de granulocitos y macrófagos (GM-CSF), CSF de granulocitos (G-CSF) y CSF de macrófagos (M-CSF). Las interleucinas IL-1 e IL-6, seguidas de IL-3 (cuadro 3-1), actúan en secuencia para convertir las células primordiales pluripotentes no comprometidas en comprometidas. IL-3 también se conoce como multi-CSF. Cada uno de los CSF tiene una acción predominante, pero todos los CSF y las interleucinas tienen funciones superpuestas. Además, activan y sostienen a las células sanguíneas maduras. Es interesante que los genes para muchos de estos factores se sitúan juntos en el brazo largo del cromosoma 5; es posible que se originaran por duplicación de un gen ancestral. También resulta interesante que la hematopoyesis basal sea normal en ratones en los que se inactiva el gen para GM-CSF, lo que indica que la pérdida de un factor puede compensarse con los otros. Por otro lado, la ausencia de GM-CSF induce la acumulación de factor tensoactivo (surfactante) en los pulmones (cap. 35). Como se explica en el capítulo 39, la eritropoyetina se produce en parte por las células renales y es una hormona circulante. Los otros factores son producto de los macrófagos, células T activadas, fibroblastos y células endoteliales. En mayor medida, los factores tienen acción local en la médula ósea (recuadro clínico 3-1). Bacterias LINFOCITOS FIGURA 3-1 Macrófagos en contacto con bacterias que se pre- Los linfocitos son elementos clave en la generación de inmunidad (véase más adelante). Después del nacimiento, se forman algunos linfocitos en la médula ósea. Sin embargo, la mayoría se produce en los ganglios linfáticos (fig. 3-2), timo y bazo MONOCITOS Los monocitos ingresan al torrente sanguíneo desde la médula ósea y circulan durante casi 72 h. Luego entran a los tejidos y se convierten en macrófagos hísticos (fig. 3-1). Se desconoce su tiempo de vida en los tejidos, pero los datos provenientes de casos de trasplante de médula ósea en humanos sugieren que persisten cerca de tres meses. Al parecer no regresan a la circulación. Algunos de ellos terminan como las células gigantes multinucleadas que se observan en las enfermedades inflamatorias crónicas, como la tuberculosis. Los macrófagos hísticos incluyen las células de Kupffer del hígado, los macrófagos alveolares en los pulmones (cap. 35) y las células de la microglia en el cerebro, todos los cuales provienen de la circulación. Antes se denominaban sistema reticuloendotelial, pero parece más apropiado el término genérico sistema de macrófagos hísticos. Los macrófagos se activan por las citocinas liberadas de los linfocitos T, entre otros. Los macrófagos activados migran como respuesta a estímulos quimiotácticos, y envuelven y destruyen a Macrófagos paran para envolverlas. La figura es una versión con color de un barrido con microscopio electrónico. 66 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica CUADRO 3-1 Factores hematopoyéticos de crecimiento Citocina Líneas celulares estimuladas Trastornos de la función fagocítica Origen de la citocina IL-1 Eritrocitos Granulocitos Megacariocitos Monocitos Múltiples tipos celulares IL-3 Eritrocitos Granulocitos Megacariocitos Monocitos Linfocitos T IL-4 Basófilos Linfocitos T IL-5 Eosinófilos Linfocitos T IL-6 Eritrocitos Granulocitos Megacariocitos Monocitos Células endoteliales IL-11 Eritrocitos Granulocitos Megacariocitos Fibroblastos Osteoblastos Eritropoyetina Eritrocitos Riñones Células de Kupffer hepáticas SCF Eritrocitos Granulocitos Megacariocitos Monocitos Múltiples tipos celulares G-CSF Granulocitos Células endoteliales Fibroblastos Monocitos GM-CSF Eritrocitos Células endoteliales Fibroblastos Monocitos Linfocitos T Granulocitos Megacariocitos M-CSF Trombopoyetina Monocitos Megacariocitos RECUADRO CLÍNICO 3-1 Fibroblastos Macrófagos Células endoteliales Fibroblastos Monocitos Se han descrito más de 15 defectos primarios en la función de los neutrófilos, junto con al menos 30 trastornos más en los que hay depresión secundaria de la función de los neutrófilos. Los pacientes con estas enfermedades son susceptibles a infecciones relativamente leves cuando sólo se afecta el sistema de neutrófilos, pero que pueden ser graves cuando se afecta también el sistema de monocitos-macrófagos hísticos. En uno de los síndromes (hipomotilidad de neutrófilos), la actina de los neutrófilos no se polimeriza en forma normal y estas células se mueven despacio. En otro, existe una deficiencia congénita de integrinas leucocíticas. En una enfermedad más grave (enfermedad granulomatosa crónica), hay una falla en la generación de O2− en los neutrófilos y monocitos, con la incapacidad consecuente para destruir muchas bacterias fagocitadas. En la deficiencia congénita grave de deshidrogenasa de glucosa-6fosfato, existen múltiples infecciones por la falta de generación del NADPH necesario para la producción de O2−. En la deficiencia congénita de mieloperoxidasa, el poder de destrucción microbiano está reducido porque no se forma el ácido hipocloroso. sos linfáticos. En cualquier momento determinado, sólo 2% de los linfocitos del cuerpo está en la sangre periférica. Casi todos los restantes están en los órganos linfoides. Se calcula que en los seres humanos, 3.5 × 1010 linfocitos ingresan cada día a la circulación, sólo a través del conducto torácico, pero esta cifra incluye células que regresan a los linfáticos y por tanto, pasaron por el conducto torácico más de una vez. Los efectos de las hormonas corticosuprarrenales sobre los órganos linfoides, los linfocitos circulantes y los granulocitos se tratan en el capítulo 22. Folículos corticales, células B Paracorteza, células T Hígado, riñones Clave: IL, interleucina; CSF, factor estimulante de colonias; G, granulocitos; M, macrófagos; SCF, factor de células primordiales. Reproducido con autorización a partir de McPhee SJ, Lingappa VR, Ganong WF (eds.): Pathophysiology of Disease, 4th ed., McGraw-Hill, 2003. a partir de células precursoras que originalmente provinieron de la médula ósea y se procesaron en el timo o equivalente de la bolsa de Fabricio (véase más adelante). Los linfocitos entran a la circulación sanguínea casi siempre a través de los va- Cordones medulares, células plasmáticas FIGURA 3-2 Anatomía de un ganglio linfático normal. (Tomada de Chandrasoma. Reproducida con autorización a partir de McPhee SJ, Lingappa VR, Ganong WF (eds.): Pathophysiology of Disease, 4th ed., McGraw-Hill, 2003.) CAPÍTULO 3 Inmunidad, infección e inflamación INMUNIDAD GENERALIDADES Los insectos y otros invertebrados sólo tienen inmunidad innata. Este sistema se activa por receptores que se unen con secuencias de azúcares, grasas o aminoácidos en las bacterias comunes y activan varios mecanismos de defensa. Los receptores están codificados en la línea germinal y su estructura fundamental no se modifica con la exposición al antígeno. En varias especies, las defensas activadas incluyen liberación de interferones, fagocitosis, producción de péptidos antibacterianos, activación del sistema de complemento y varias cascadas proteolíticas. Incluso las plantas liberan péptidos antibacterianos como respuesta a la infección. En los vertebrados también está presente la inmunidad innata, pero se complementa con la inmunidad adaptativa o adquirida, un sistema en el que se activan los linfocitos T y B por antígenos muy específicos. Tanto en la inmunidad innata como en la adquirida, los receptores implicados reconocen la forma de los antígenos, no su composición química específica. En la inmunidad adquirida, los linfocitos B activados forman clones que producen más anticuerpos que atacan a las proteínas ajenas. Después de repeler la invasión, persiste una pequeña cantidad como células de memoria para que una segunda exposición al mismo antígeno produzca un ataque inmunitario rápido y magnificado. El fenómeno genético que condujo a la inmunidad adquirida ocurrió hace 450 millones de años en los ancestros de los vertebrados con mandíbula, y es probable que se tratara de la inserción de un transposón en el genoma, de tal forma que hizo posible la generación de un repertorio inmenso de receptores de células T que están presentes en el cuerpo. 67 En los vertebrados, incluidos los humanos, la inmunidad innata brinda la primera línea de defensa contra infecciones y también inicia la respuesta inmunitaria adquirida, más lenta, pero más específica (fig. 3-3). En los vertebrados, los mecanismos inmunitarios naturales y adquiridos también atacan tumores y tejido trasplantado de otros animales. Una vez activadas, las células inmunitarias se comunican mediante citocinas y quimiocinas. Destruyen virus, bacterias y otras células extrañas mediante la secreción de otras citocinas y activación del sistema de complemento. CITOCINAS Las citocinas son moléculas semejantes a hormonas que actúan casi siempre en forma paracrina para regular respuestas inmunitarias. No sólo las secretan linfocitos y macrófagos, también las células endoteliales, neuronas, células de la glía y de otros tipos. Al principio, la mayoría de las citocinas se nombraban según su acción; por ejemplo, factor de diferenciación de células B, factor 2 estimulante de células B. Sin embargo, la nomenclatura se sistematizó con base en un acuerdo internacional al de las interleucinas. Por ejemplo, el nombre del factor de diferenciación de células B se cambió a interleucina-4. El cuadro 3-2 presenta varias citocinas elegidas por su relevancia biológica y clínica, pero el alcance de este libro no abarca una lista de todas las citocinas, que ya son más de 100. Muchos de los receptores para citocinas y factores de crecimiento hematopoyéticos (véase antes), así como los receptores para prolactina (cap. 25) y hormona del crecimiento (cap. 24) son miembros de una superfamilia de citocina-receptor que tiene Célula plasmática B Célula Tγδ Quimiocinas TH 2 N IL-4 M Bacterias Virus Tumores Célula T indiferenciada APC TH 1 Linfocito citotóxico FIGURA 3-3 Forma en la que las bacterias, virus y tumores desencadenan la inmunidad innata e inician la respuesta inmunitaria adquirida. Las flechas indican mediadores/citocinas que actúan sobre la célula blanco mostrada y/o en vías de diferenciación. APC, célula presentadora de antígeno; M, monocito; N, neutrófilo; TH1 y TH2, células cooperadoras T tipos 1 y 2, respectivamente. 68 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica CUADRO 3-2 Ejemplos de citocinas y su relevancia clínica Citocina Orígenes celulares Actividades principales Relevancia clínica Interleucina-1 Macrófagos Activación de células T y macrófagos; promoción de la inflamación Implicada en la patogenia del choque séptico, artritis reumatoide y ateroesclerosis Interleucina-2 Células T cooperadoras tipo 1 (TH1) Activación de linfocitos, linfocitos citolíticos naturales y macrófagos Se usa para inducir linfocitos citolíticos activados por linfocina; se usa en el tratamiento del carcinoma metastásico de células renales, melanoma y varios tumores más Interleucina-4 Células T cooperadoras tipo 2 (TH2), mastocitos, basófilos y eosinófilos Activación de linfocitos, monocitos y cambio de clase de IgE Por su capacidad para estimular la producción de IgE, participa en la sensibilización de mastocitos y por tanto, en la alergia y defensa contra infecciones por nematodos Interleucina-5 Células T cooperadoras tipo 2 (TH2), mastocitos y eosinófilos Diferenciación de eosinófilos El anticuerpo monoclonal contra IL-5 se usa para inhibir la eosinofilia de fase tardía inducida por antígeno en modelos animales de alergia Interleucina-6 Células T cooperadoras tipo 2 (TH2) y macrófagos Activación de linfocitos; diferenciación de células B; estimulación de la producción de proteínas de fase aguda Se produce en exceso en la enfermedad de Castleman; actúa como factor de crecimiento autocrino en mieloma y en glomerulonefritis proliferativa mesangial Interleucina-8 Células T y macrófagos Quimiotaxis de neutrófilos, basófilos y células T Sus niveles aumentan en enfermedades acompañadas de neutrofilia, lo que la hace un marcador potencialmente útil de la actividad de la enfermedad Interleucina-11 Células estromales de la médula ósea Estimula la producción de proteínas de fase aguda Se usa para reducir la trombocitopenia inducida por quimioterapia en pacientes con cáncer Interleucina-12 Macrófagos y células B Estimula la producción de interferón γ por parte de las células T cooperadoras tipo 1 (TH1) y linfocitos citolíticos naturales; induce células TH1 Puede ser útil como adyuvante para vacunas Factor de necrosis tumoral α Macrófagos, infocitos citolíticos naturales, células T, células B y mastocitos Promueve la inflamación El tratamiento con anticuerpos contra el factor de necrosis tumoral α es útil en artritis reumatoide Linfotoxina (factor de necrosis tumoral β) Células TH1 y células B Promueve la inflamación Está implicada en la patogenia de la esclerosis múltiple y diabetes mellitus insulinodependiente Factor de crecimiento y transformación β Células T, macrófagos, células B y mastocitos Inmunodepresión Puede ser un agente terapéutico útil en la esclerosis múltiple y en la miastenia grave Factor estimulante de colonias de granulocitosmacrófagos Células T, macrófagos, linfocitos citolíticos naturales y células B Promueve crecimiento de granulocitos y monocitos Se usa para reducir la neutropenia después de quimioterapia para tumores y en pacientes con sida tratados con ganciclovir; se usa para estimular la producción celular después del trasplante de médula ósea Interferón-α Células infectadas por virus Induce resistencia celular a la infección vírica Se usa en el tratamiento del sarcoma de Kaposi relacionado con sida, melanoma, hepatitis B crónica y hepatitis C crónica Interferón-β Células infectadas con virus Induce resistencia celular a la infección vírica Se usa para reducir la frecuencia y gravedad de las recaídas en la esclerosis múltiple Interferón-γ Células TH1 y linfocitos citolíticos naturales Activa macrófagos, inhibe células T cooperadoras tipo 2 (TH2) Se usa para aumentar la destrucción de las bacterias fagocitadas en la enfermedad granulomatosa crónica Reproducido con autorización a partir de Delves PJ, Roitt IM: The immune system. First of two parts. N Engl J Med, 2000;343:37. tres subdivisiones o subfamilias (fig. 3-4). Los miembros de la subfamilia 1, que incluye los receptores para IL-4 e IL-7, son homodímeros. Los integrantes de la subfamilia 2, que incluye receptores para IL-3, IL-5 e IL-6, son heterodímeros. El receptor para IL-2 y varias otras citocinas es único, ya que consiste en un heterodímero más una proteína no relacionada, el llamado antígeno Tac. Los otros miembros de la subfamilia 3 tienen la misma cadena γ que IL-2R. El dominio extracelular de todas las sub- CAPÍTULO 3 Inmunidad, infección e inflamación Eritropoyetina G-CSF IL-4 IL-7 Hormona del crecimiento PRL IL-3 GM-CSF IL-5 IL-6 IL-11 LIF OSM CNTF 69 IL-2 IL-4 IL-7 IL-9 IL-15 Subunidad β compartida Subunidad gp 130 compartida Líquido extracelular Citoplasma α α Subfamilia 1 β Subfamilia 2 γ β Subfamilia 3 FIGURA 3-4 Miembros de las superfamilias de receptor para citocina que muestran los elementos estructurales compartidos. Nótese que todas las subunidades, salvo la subunidad α de la subfamilia 3 tienen cuatro residuos de cisteína conservados (cuadros en la parte superior) y un motivo Trp-Ser-X (rosa). Muchas subunidades también contienen un dominio regulador crítico en las porciones citoplásmicas (verde). CNTF, factor neurotrófico ciliar; LIF, factor inhibidor de leucemia; OSM, oncostatina M; PRL, prolactina. (Modificada a partir de D’Andrea AD: Cytokine receptors in congenital hematopoietic disease. N Engl J Med, 1994;330:839.) unidades del homodímero y del heterodímero contienen cuatro residuos de cisteína conservados más un dominio Trp-Ser-X-TrpSer conservado, y aunque las porciones intracelulares no contienen dominios catalíticos de tirosina cinasa, activan las tirosina cinasas citoplásmicas cuando el ligando se une a los receptores. Los efectos de las principales citocinas se presentan en el cuadro 3-2. Algunas de ellas tienen efectos generalizados y paracrinos locales. Por ejemplo, IL-1, IL-6 y el factor de necrosis tumoral α causan fiebre, e IL-1 aumenta el sueño de ondas lentas y reduce el apetito. Otra superfamilia de citocinas es la de quimiocinas. Las quimiocinas son sustancias que atraen a los neutrófilos (véase texto previo) y otros leucocitos a regiones de inflamación o respuesta inmunitaria. Hasta ahora se han identificado más de 40, y está claro que también participan en la regulación del crecimiento celular y de la angiogénesis. Los receptores para quimiocinas están acoplados con proteína G que, entre otras cosas, inducen la extensión de seudópodos con migración de la célula hacia la fuente de la quimiocina. EL SISTEMA DE COMPLEMENTO Los efectos destructivos celulares de la inmunidad innata y adquirida están mediados en parte por un sistema de más de 30 proteínas plasmáticas que al principio se denominaron sistema de complemento porque “complementaban” los efectos de los anticuerpos. Hay tres vías o cascadas enzimáticas distintas que activan el sistema: la vía clásica, desencadenada por complejos inmunitarios; la vía de la lectina con unión a manosa, que se activa cuando esta lectina se une a grupos manosa en las bacterias, y la vía alternativa o de properdina, iniciada por el contacto con varios virus, bacterias, hongos y células tumorales. Las proteínas producidas tienen tres funciones: ayudan a matar a los microorganismos invasores por opsonización, quimiotaxis y lisis final de las células; sirven en parte como puente entre la inmunidad innata y la adquirida mediante la activación de células B y participan en la memoria inmunitaria; además ayudan a disponer de los productos de desecho después de la apoptosis. La lisis celular, una de las principales formas en las que el sistema del complemento destruye células, se produce mediante la inserción de proteínas llamadas perforinas en las membranas celulares. Estas proteínas crean agujeros que permiten el flujo libre de iones y así alteran la polaridad de la membrana. INMUNIDAD INNATA Las células que median la inmunidad innata incluyen neutrófilos, macrófagos y linfocitos citolíticos naturales (NK), linfocitos grandes que no son células T, pero que son citotóxicos. Todas estas células responden a las secuencias de lípidos y carbohidratos únicas de las paredes celulares bacterianas y a otras sustancias características de las células tumorales y trasplantadas. Muchas células que no son inmunocitos específicos pueden contribuir también a las respuestas inmunitarias innatas, como las células endoteliales y las epiteliales. Las 70 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica células activadas ejercen sus efectos mediante la liberación de citocinas y también, en algunos casos, de elementos del complemento y otros sistemas. Un vínculo importante en la inmunidad innata en Drosophila es una proteína receptora tipo toll, que se une con los antígenos micóticos y activa los genes que codifican proteínas antimicóticas. Actualmente se ha identificado una lista creciente de receptores semejantes a toll (TLR). Uno de éstos, TLR4, se une con un lipopolisacárido bacteriano y una proteína llamada CD14; esto inicia una cascada de fenómenos intracelulares que activan la transcripción de genes para varias proteínas implicadas en las respuestas de la inmunidad innata. Esto es importante porque el lipopolisacárido bacteriano producido por organismos gramnegativos es la causa del choque séptico. TLR2 media la respuesta ante las lipoproteínas bacterianas, TLR6 coopera con TLR2 para reconocer ciertos peptidoglucanos y TLR9 reconoce el DNA de ciertas bacterias. INMUNIDAD ADQUIRIDA Como se indicó antes, la clave para la inmunidad adquirida es la capacidad de los linfocitos para producir anticuerpos (en el caso de las células B) o receptores de superficie celular (en el caso de las células T) que son específicos para uno de los muchos millones de agentes extraños que pueden invadir al cuerpo. Los antígenos que estimulan la producción de receptores de células T o anticuerpos casi siempre son proteínas y polipéptidos, pero también pueden formarse anticuerpos contra ácidos nucleicos y lípidos, si estos agentes se presentan como nucleoproteínas y lipoproteínas; además pueden producirse anticuerpos contra moléculas más pequeñas en forma experimental si están unidas a proteínas. La inmunidad adquirida tiene dos componentes: humoral y celular. La inmunidad humoral está mediada por anticuerpos circulantes tipo inmunoglobulina en la fracción globulina γ de las proteínas plasmáticas. Las inmunoglobulinas las producen las variantes diferenciadas de linfocitos B conocidas como células plasmáticas, y activan al sistema del complemento, atacan antígenos y los neutralizan. La inmunidad humoral es una defensa importante contra las infecciones bacterianas. La inmunidad celular está mediada por los linfocitos T. Es la que produce las reacciones alérgicas tardías y el rechazo de trasplantes de tejido ajeno. Las células T citotóxicas atacan y destruyen a las células que tienen el antígeno que las activó. Destruyen a las células mediante la inserción de perforinas (véase antes) e iniciando la apoptosis. La inmunidad celular constituye una defensa principal contra infecciones por virus, hongos y algunas bacterias, como el bacilo tuberculoso. También ayuda a defender al cuerpo contra tumores. DESARROLLO DEL SISTEMA INMUNITARIO Durante el desarrollo fetal, y en mucho menor medida durante la edad adulta, los precursores de los linfocitos provienen de la médula ósea. Los que pueblan el timo (fig. 3-5) se transforman por las condiciones que tiene este órgano en linfocitos T. En las aves, los precursores que pueblan la bolsa de Fabricio, una estructura linfoide cercana a la cloaca, se transforman en linfocitos B. Los mamíferos no tienen bolsa y la transformación a los linfocitos B ocurre en equivalentes de la bolsa de Fabricio, o sea en el hígado fetal y después del nacimiento, en la médula ósea. Después de su estancia en el timo o en el hígado, muchos de los linfocitos T y B migran a los ganglios linfáticos. Los linfocitos T y B son indistinguibles desde el punto de vista morfológico, pero pueden identificarse por los marcadores en sus membranas celulares. Las células B se diferencian en células plasmáticas y células B de memoria. Existen tres tipos principales de células T: células T citotóxicas, células T cooperadoras y células T de memoria. Hay dos subtipos de células T cooperadoras: las células T cooperadoras 1 (Th1) que secretan IL-2 e interferón γ, se encargan sobre todo de la inmunidad celular; las células T cooperadoras 2 (Th2) secretan IL-4 e IL-5, e interactúan sobre todo con células B en relación con la inmunidad humoral. Las células T citotóxicas destruyen las células trasplantadas y otras células extrañas, su desarrollo está auxiliado y dirigido por las células T cooperadoras. Los marcadores en la superficie de los linfocitos se denominan por números CD (clusters of differentiation, grupos de diferenciación) según sus reacciones a pruebas de anticuerpos monoclonales. La mayoría de las células T citotóxicas presenta la glucoproteína CD8, y las Células T de memoria Timo Linfocitos T Precursores de linfocitos en médula ósea Células T citotóxicas (principalmente células T CD8) Inmunidad celular Células plasmáticas IgG IgA IgM IgD IgE Células T cooperadoras (células T CD4) Linfocitos B Equivalente a la bolsa de Fabricio (hígado, médula ósea) Células B de memoria FIGURA 3-5 Desarrollo del sistema que media la inmunidad adquirida. Inmunidad humoral CAPÍTULO 3 Inmunidad, infección e inflamación células T cooperadoras presentan la glucoproteína CD4. Estas proteínas están estrechamente relacionadas con los receptores de la célula T y pueden funcionar como correceptores. Con base en las diferencias en sus receptores y funciones, las células T citotóxicas se dividen en tipos αβ y γδ (véase más adelante). Los linfocitos citolíticos naturales (véase antes) también son linfocitos citotóxicos, aunque no son células T. Por tanto, hay tres tipos principales de linfocitos citotóxicos en el cuerpo: células T αβ, células T γδ y linfocitos citolíticos naturales (NK). CÉLULAS B DE MEMORIA Y CÉLULAS T Después de la exposición a un antígeno determinado, un pequeño número de células B y T activadas persisten como células B y T de memoria. De una manera fácil estas células se convierten en células efectoras al presentarse un encuentro posterior con el mismo antígeno. Esta capacidad para producir una respuesta acelerada con la segunda exposición a un antígeno es una característica clave de la inmunidad adquirida. La capacidad persiste por periodos prolongados y en algunos casos (p. ej., inmunidad al sarampión) dura toda la vida. Después de la activación en los ganglios linfáticos, los linfocitos se dispersan por todo el cuerpo, con abundancia particular en áreas por las que los microorganismos invasores entran al cuerpo, como la mucosa de las vías respiratorias y el tubo digestivo. Esto sitúa a las células de memoria cerca de los sitios de reinfección, y explica en parte la rapidez y la intensidad de su respuesta. Las quimiocinas participan guiando a los linfocitos activados hacia estos sitios. 71 cos y el bazo, y las células dendríticas de Langerhans de la piel. Los macrófagos y las mismas células B, y tal vez muchas otras células, también pueden funcionar como células presentadoras de antígeno. En estas células los productos polipeptídicos de la digestión del antígeno se unen con productos proteínicos de los genes del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) y se presentan en la superficie de la célula. Los productos de los genes del MHC se denominan antígenos leucocíticos humanos (HLA). Los genes del MHC, que se localizan en el brazo corto del cromosoma 6 humano, codifican glucoproteínas y se dividen en dos clases según su estructura y función. Los antígenos clase I se componen de una cadena pesada de 45 kDa unida por enlace no covalente con la microglobulina β2 codificada por un gen fuera del complejo mayor de histocompatibilidad (fig. 3-6). Se encuentran en todas las células nucleadas. Los antígenos clase II son heterodímeros formados por una cadena α de 29 a 34 kDa unida por enlace no covalente con una cadena β de 25 a 28 kDa. Se encuentran en las células presentadoras de antígeno, incluidas las células B, y en las células T activadas. Las proteínas del complejo mayor de histocompatibilidad clase I (proteínas MHC-I) se unen sobre todo con fragmentos peptídicos derivados de proteínas sintetizadas dentro de las células. Las células T reconocen los péptidos a los que el hospedero es intolerante (p. ej., los de proteínas mutantes o víricas). La digestión de estas proteínas ocurre en los proteasomas, complejos de enzimas proteolíticas que pueden producirse por genes α1 α2 RECONOCIMIENTO DE ANTÍGENOS El número de antígenos diferentes que reconocen los linfocitos del cuerpo es enorme. Al principio, el repertorio se desarrolla sin exposición al antígeno. Las células primordiales se diferencian en muchos millones de linfocitos T y B diferentes, cada uno con la capacidad de responder a un antígeno en particular. Cuando el antígeno entra por primera vez al cuerpo, puede unirse directamente con los receptores apropiados de las células B. Sin embargo, una respuesta completa de anticuerpos requiere que las células B entren en contacto con las células T cooperadoras. En el caso de las células T, la célula presentadora de antígeno lo capta y lo digiere en forma parcial. Un fragmento peptídico del antígeno se presenta a los receptores apropiados de las células T. En cualquier caso, se estimula la división celular, se forman clones de células que responden a este antígeno (selección clonal). Las células efectoras también están sujetas a la selección negativa, durante la cual los precursores de linfocitos reactivos con los antígenos propios se eliminan en forma normal. Esto produce la tolerancia inmunitaria. Es este último proceso el que se supone está alterado en las enfermedades autoinmunitarias, en las que el cuerpo reacciona contra células que expresan proteínas normales y las destruye, con la inflamación acompañante que puede conducir a la destrucción de tejidos. PRESENTACIÓN DEL ANTÍGENO Las células presentadoras de antígeno (APC) incluyen células especializadas llamadas células dendríticas en los ganglios linfáti- N N C C β2m α3 FIGURA 3-6 Estructura del antígeno de histocompatibilidad humana HLA-A2. El saco para unión con antígeno está en la parte superior y se forma por las partes α1 y α2 de la molécula. La porción α3 y la microglobulina β2 relacionada (β2m) están cerca de la membrana. Se omitieron la extensión de la terminal C de α3 que aporta el dominio transmembrana y la porción citoplásmica pequeña de la molécula. (Reproducida con autorización a partir de Bjorkman PJ et al.: Structure of the human histocompatibility antigen HLA-A2. Nature,1987;329:506.) 72 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica del grupo del MHC; y al parecer los fragmentos peptídicos se unen con las proteínas del MHC en el retículo endoplásmico. Las proteínas del complejo mayor de histocompatibilidad clase II (proteínas MHC-II) se encargan sobre todo de productos peptídicos de antígenos extracelulares, como las bacterias, que ingresan a la célula por endocitosis y se digieren en endosomas tardíos. CD4 RECEPTORES DE CÉLULAS T Los complejos proteína del MHC-péptido en la superficie de las células presentadoras de antígeno se unen con las células T apropiadas. Por lo tanto, los receptores en las células T deben reconocer una gran variedad de complejos. La mayoría de los receptores en las células T circulantes están formados por dos unidades polipeptídicas designadas α y β. Forman heterodímeros que reconocen a las proteínas del MHC y los fragmentos de antígeno con los que se combinan (fig. 3-7). Estas células se denominan células T αβ. Cerca de 10% de las células T circulantes tiene dos polipéptidos distintos en sus receptores, designados γ y δ, y se llaman células T γδ. Estas células T son prominentes en la mucosa del tubo digestivo y hay evidencia de que forman un vínculo entre el sistema inmunitario innato y el adquirido mediante las citocinas que secretan (fig. 3-3). CD8 se encuentra en la superficie de las células T citotóxicas que se unen con proteínas MHC-I y CD4 se encuentra en la superficie de las células T cooperadoras que se unen con proteínas MHC-II (fig. 3-8). Las proteínas CD8 y CD4 facilitan la unión de las proteínas MHC con los receptores de las células T, y también fomentan el desarrollo de los linfocitos, pero todavía Membrana de la célula presentadora de antígeno Citoplasma β 2m α 3 Fragmento de antígeno Complejo molecular MHC α 1/α2 Regiones variables Regiones constantes S–S Membrana de célula T + + Citoplasma MHC clase I TCR TCR FIGURA 3-8 Esquema de la estructura de CD4 y CD8, y su relación con las proteínas MHC-I y MHC-II. Nótese que CD4 es una sola proteína, mientras que CD8 es un heterodímero. no se sabe cómo ejercen estos efectos. Las células T citotóxicas CD8 destruyen a sus células blanco en forma directa, mientras que las células T cooperadoras CD4 activadas secretan citocinas que activan a otros linfocitos. Los receptores de la célula T están rodeados por moléculas y proteínas de adhesión que se unen con proteínas complementarias en la célula presentadora de antígeno cuando las dos células se unen en forma transitoria para formar la “sinapsis inmunológica” que permite la activación de la célula T. En general, ahora se acepta que se requieren dos señales para la activación. Una se produce por la unión del antígeno digerido con el receptor de la célula T. La otra se produce por la unión de las proteínas circundantes en la “sinapsis”. Si se produce la primera señal, pero no la segunda, la célula T se desactiva y es incapaz de responder. CÉLULAS B Líquido extracelular Líquido extracelular MHC clase II CD8 β α Heterodímero receptor de la célula T (α:β) FIGURA 3-7 Interacción entre la célula presentadora de antíge- no (arriba) y el linfocito T αβ (abajo). Las proteínas MHC (en este caso, MHC-I) y su fragmento peptídico antigénico se unen con las unidades α y β que se combinan para formar el receptor de la célula T. Como se explicó antes, las células B pueden unirse en forma directa con los antígenos, pero deben contactar con las células T cooperadoras para alcanzar la activación completa y producir anticuerpos. El subtipo Th2 es el principal en esta función. Las células T cooperadoras se desarrollan junto con el linaje Th2 como respuesta a IL-4 (véase más adelante). Por otro lado, IL12 promueve el fenotipo Th1. La IL-2 actúa en forma autocrina para hacer que las células T activadas proliferen. La figura 3-9 resume la función de varias citocinas en la activación de las células B y células T. Las células B activadas proliferan y se transforman en células B de memoria (véase antes) y células plasmáticas. Las células plasmáticas secretan grandes cantidades de anticuerpos hacia la circulación general. Los anticuerpos circulan en la fracción globulina del plasma y, al igual que los anticuerpos en otros sitios, se denominan inmunoglobulinas. En realidad, las inmunoglobulinas son la forma secretada de los receptores de unión con antígeno en la membrana de la célula B. CAPÍTULO 3 Inmunidad, infección e inflamación MHC clase II Macrófago (célula presentadora de antígeno) 1 2 Sitio de unión con antígeno VH VH JH D CH1 Fab IL-1 VL VL SS CL 3 Activación inducida IL-2R por citocina 4 Célula B activada Unión con complemento Unión con Fc macrófago IL-2 SS SS CH2 JL SS CD4 TCR 73 Bisagra CH3 CD4 4 4 Célula T activada FIGURA 3-10 Molécula típica de inmunoglobulina G. Fab, porInflamación e hipersensibilidad tardía IL-2R Célula T citotóxica CD8 MHC clase I Célula productora de antígeno ción de la molécula que se une con el antígeno; Fc, porción efectora de la molécula. Las regiones constantes se presentan en color rosa y púrpura, las regiones variables se muestran en color naranja. El segmento constante de la cadena pesada se subdivide en CH1, CH2, y CH3. Las líneas SS indican enlaces disulfuro entre segmentos. Al lado derecho, se omiten las marcas C para mostrar las regiones JH, D y JL. Muerte celular FIGURA 3-9 Resumen de la inmunidad adquirida. 1) Una célula presentadora de antígeno ingiere y digiere parcialmente un antígeno, luego presenta parte del antígeno junto con péptidos MHC (en este caso, péptidos MHC II en la superficie celular). 2) Se forma una “sinapsis inmunitaria” con una célula T CD4 indiferenciada, que se activa para producir IL-2. 3) IL-2 actúa en forma autocrina para inducir la multiplicación celular, con lo que se forma un clon. 4) La célula CD4 activada puede promover la activación de células B y la producción de células plasmáticas, o puede activar a una célula citotóxica CD8. La célula CD8 también puede activarse mediante la formación de una sinapsis con una célula presentadora de antígeno MHC-I. (Reproducida con autorización a partir de McPhee SJ, Lingappa VR, Ganong WF [eds.]: Pathophysiology of Disease, 4th ed. McGraw-Hill, 2003.) INMUNOGLOBULINAS Los anticuerpos circulantes protegen al hospedero mediante la unión y neutralización de algunas toxinas proteínicas, el bloqueo de la adhesión de algunos virus y bacterias a las células, por opsonización bacteriana (véase antes) y por activación del complemento. El sistema linfocito-célula plasmática produce cinco tipos generales de anticuerpos inmunoglobulinas. El componente básico de todos es una unidad simétrica que contiene cuatro cadenas polipeptídicas (fig. 3-10). Las dos cadenas largas se llaman cadenas pesadas, las dos cortas son las cadenas ligeras. Existen dos tipos de cadenas ligeras, κ y λ, y ocho tipos de cadenas pesadas. Las cadenas se unen mediante puentes disulfuro que permiten la movilidad y existen también puentes disulfuro dentro de las cadenas. Además, las cadenas pesadas son flexibles en una región llamada bisagra. Cada cadena pesada tiene un segmento variable (V) cuya secuencia de aminoácidos es muy cambiante; un segmento de diversidad (D) en el cual el segmento de aminoácidos también es muy variable; un segmento de unión (J) cuya secuencia tiene variabilidad moderada, y un segmento constante (C) con secuencia de aminoácidos constan- te. Cada cadena ligera tiene un segmento V, uno J y uno C. Los segmentos V forman parte de los sitios de unión con antígeno (porción Fab de la molécula [fig. 3-10]). La porción Fc de la molécula es la porción efectora, que media las reacciones iniciadas por los anticuerpos. Dos de las clases de inmunoglobulinas contienen componentes polipeptídicos adicionales (cuadro 3-3). En las IgM, cinco de las unidades básicas de inmunoglobulina se unen alrededor de un polipéptido llamado cadena J para formar un pentámero. En las IgA, las inmunoglobulinas secretoras, las unidades de inmunoglobulina forman dímeros y trímeros alrededor de una cadena J y un polipéptido que proviene de las células epiteliales, el componente secretor (SC). En el intestino, las células M captan los antígenos bacterianos y víricos (cap. 27) y pasan a los cúmulos subyacentes de tejido linfoide (placas de Peyer), donde activan a las células T indiferenciadas. Luego, estos linfocitos forman células B que infiltran la mucosa gastrointestinal, respiratoria, genitourinaria, del aparato reproductor femenino y a la mama. Ahí secretan grandes cantidades de IgA cuando se exponen de nuevo al antígeno original. Las células epiteliales producen el componente secretor, que actúa como un receptor para la IgA y se une con ésta. La inmunoglobulina secretora resultante pasa a través de las células epiteliales y se secreta por exocitosis. Este sistema de inmunidad secretora es un mecanismo de defensa importante y efectivo. BASE GENÉTICA DE LA DIVERSIDAD DEL SISTEMA INMUNITARIO El mecanismo genético para la producción de la inmensa cantidad de configuraciones distintas de inmunoglobulinas producidas por las células B humanas es un problema biológico fascinante. 74 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica CUADRO 3-3 Inmunoglobulinas humanasa a Inmunoglobulina Función Cadena pesada IgG Activación de complemento γ1, γ2, γ3, γ4 IgA Protección localizada en secreciones externas (lágrimas, secreciones intestinales, etc.) α1, α2 IgM Activación del complemento μ IgD Reconocimiento de antígeno por células B IgE Actividad de reagina, libera histamina de los basófilos y mastocitos Cadena adicional Estructura Concentración plasmática (mg/100 ml) Monómero 1 000 J, SC Monómero, dímero con cadena J o SC; trímero con cadena J 200 J Pentámero con cadena J 120 δ Monómero 3 ε Monómero 0.05 En todos los casos, las cadenas ligeras son κ o γ. La diversidad se logra en parte por el hecho de que en las moléculas de inmunoglobulina hay dos tipos de cadenas ligeras y ocho tipos de cadenas pesadas. Como se mencionó antes, hay áreas con gran variabilidad (regiones hipervariables) en cada cadena. La porción variable de las cadenas pesadas consiste en los segmentos V, D y J. En la familia de genes que codifican esta región, hay varios cientos de regiones codificadoras diferentes para el segmento V, alrededor de 20 para el segmento D y cuatro para el segmento J. Durante el desarrollo de las células B, se eligen al azar una región codificadora V, una D y una J, luego se recombinan para formar el gen que produce esa porción variable particular. Existe una recombinación variable similar en las regiones codificadoras de los dos segmentos variables (V y J) en la cadena ligera. Además, los segmentos J son variables porque los segmentos génicos se unen en forma imprecisa y variable (diversidad del sitio de unión), y a veces se agregan nucleótidos (diversidad de la inserción en la unión). Se calcula que estos mecanismos permiten la producción de unas 1015 moléculas distintas de inmunoglobulina. La mutación somática aporta variabilidad adicional. Existen reordenaciones génicas y mecanismos de unión similares para producir la diversidad de los receptores de las células T. En los seres humanos, la subunidad α tiene una región V codificada por uno de los casi 50 genes diferentes y una región J codificada por alguno de otros 50 genes distintos. Las subunidades β tienen una región V codificada por uno de casi 50 genes, una región D codificada por uno de dos genes y una región J codificada por uno de 13 genes. Estas regiones variables permiten la generación de hasta 1015 receptores distintos de células T (recuadro clínico 3-2 y recuadro clínico 3-3). Los defectos en estas diversas etapas de la maduración de los linfocitos B y T pueden ocasionar varios estados de inmunodeficiencia que se resumen en la figura 3-12. PLAQUETAS Las plaquetas son células circulantes con un importante papel mediador de la hemostasia. Aunque no son células inmunitarias per se, a menudo participan en la respuesta a la lesión hística en cooperación con las células inflamatorias (véase adelante). Tienen un anillo de microtúbulos en su periferia y una membrana con invaginaciones extensas y un sistema intrincado de canalículos en contacto con el líquido extracelular. Sus membranas contienen receptores para colágena, ADP, factor von Willebrand de la pared vascular (véase más adelante) y fibrinógeno. Su citoplasma contiene actina, miosina, glucógeno, lisosomas y dos tipos de gránulos: 1) gránulos densos que contienen sustancias no proteínicas que se secretan como respuesta a la activación plaquetaria, incluidas serotonina, ADP y otros nucleótidos de adenina, y 2) gránulos α que contienen proteínas secretadas distintas a las hidrolasas de los lisosomas. Estas proteínas incluyen factores de coagulación y factor de crecimiento derivado de las plaquetas (PDGF). El PDGF también se produce en los macrófagos y células endoteliales. Es un dímero formado por subunidades polipeptídicas A y B. Se producen homodímeros (AA y BB) y heterodímeros (AB). PDGF estimula la cicatrización de heridas y es un mitógeno potente para el músculo liso vascular. Las paredes de los vasos sanguíneos y las plaquetas contienen factor de von Willebrand, que además de su papel en la adhesión, regula los niveles circulantes del factor VIII (véase más adelante). Cuando un vaso sanguíneo se lesiona, las plaquetas se adhieren a la colágena expuesta y al factor de von Willebrand en la pared mediante los receptores en la membrana plaquetaria. El factor de von Willebrand es una molécula circulante muy grande que producen las células endoteliales. La unión induce la activación de las plaquetas, las cuales liberan el contenido de sus gránulos. El ADP liberado actúa sobre los receptores para ADP en las membranas plaquetarias para producir acumulación de más plaquetas (agregación plaquetaria). Los seres humanos tienen al menos tres tipos distintos de receptores para ADP plaquetario: P2Y1, P2Y2 y P2X1. Es obvio que estos son blancos atractivos para desarrollo farmacológico; hay varios inhibidores nuevos prometedores para la prevención de infarto miocárdico y accidente cerebrovascular. La agregación también se fomenta por el factor activador de las plaquetas (PAF), una citocina secretada por los neutrófilos y monocitos, además por las plaquetas. Este compuesto también tiene actividad antiinflamatoria. Es un fosfolípido éter, 1-alquil-2-acetilgliceril-3-fosforilcoli- CAPÍTULO 3 Inmunidad, infección e inflamación RECUADRO CLÍNICO 3-2 75 RECUADRO CLÍNICO 3-3 Autoinmunidad Trasplante de tejido A veces el proceso que elimina anticuerpos contra autoantígenos falla y se producen diferentes enfermedades autoinmunitarias. Éstas pueden estar mediadas por células B o células T y pueden ser de órganos específicos o generalizadas. Incluyen diabetes mellitus tipo 1 (anticuerpos contra células B del islote pancreático), miastenia grave (anticuerpos contra los receptores colinérgicos nicotínicos) y esclerosis múltiple (anticuerpos contra la proteína básica de la mielina y varios componentes más de ésta). En algunos casos, los autoanticuerpos se dirigen contra receptores y son capaces de activarlos; por ejemplo, los anticuerpos contra los receptores para TSH aumentan la actividad tiroidea y causan enfermedad de Graves (cap. 20). Otros trastornos se deben a la producción de anticuerpos contra microorganismos invasores que tienen reacciones cruzadas con constituyentes normales del cuerpo (mimetismo molecular). Un ejemplo es la fiebre reumática después de una infección estreptocócica; una parte de la miosina cardiaca se parece a una porción de la proteína M estreptocócica y los anticuerpos inducidos por esta proteína atacan a la miosina y dañan el corazón. Algunos trastornos se deben a efectos de testigo inocente, en los que la inflamación sensibiliza a las células T cercanas y las activa, cuando de otra forma no responderían. Sin embargo, aún es mucho lo que se desconoce sobre la patogenia de la enfermedad autoinmunitaria. El sistema de linfocitos T es el causante del rechazo del tejido trasplantado. Cuando se trasplantan tejidos como la piel y riñones de un donador a un receptor de la misma especie, los trasplantes “se instalan” y funcionan por un tiempo, pero luego sufren necrosis y se “rechazan” porque el receptor desarrolla una respuesta inmunitaria contra el tejido trasplantado. Esto casi siempre ocurre, incluso si el donador y el receptor son familiares cercanos y los únicos trasplantes que nunca se rechazan son los que se hacen entre gemelos idénticos. Se han desarrollado varios tratamientos para resolver el rechazo de órganos trasplantados en humanos. El objetivo terapéutico es detener el rechazo sin dejar al paciente vulnerable a infecciones masivas. Una estrategia es eliminar a los linfocitos T mediante la destrucción de todas las células con división rápida con fármacos como azatioprina, un antimetabolito de la purina, pero esto vuelve a los pacientes susceptibles a las infecciones y al cáncer. Otra es administrar glucocorticoides, que inhiben la proliferación de células T citotóxicas mediante el bloqueo de la producción de IL-2, pero estos fármacos causan osteoporosis, cambios mentales y las otras facetas del síndrome de Cushing (cap. 22). En fechas más recientes se han favorecido los agentes inmunosupresores como ciclosporina o tacrolimús (FK-506). La activación del receptor de células T normalmente aumenta el calcio intracelular, el cual actúa a través de la calmodulina para activar la calcineurina (fig. 3-11). La calcineurina desfosforila al factor de trascripción NF-AT, el cual se desplaza al núcleo y aumenta la actividad de los genes que codifican IL-2 y citocinas estimulantes relacionadas. La ciclosporina y tacrolimús evitan la desfosforilación de NF-AT. Sin embargo, estos fármacos inhiben todas las respuestas inmunitarias mediadas por los linfocitos T, además la ciclosporina causa daño renal y cáncer. Una nueva estrategia alentadora para el rechazo del trasplante es la producción de células T que no respondan mediante el uso de fármacos que bloqueen la estimulación conjunta necesaria para su activación normal (véase el texto). Los fármacos con efectividad clínica que actúan de esta forma podrían ser muy valiosos para los cirujanos de trasplantes. na, que se produce a partir de los lípidos de la membrana. Actúa mediante un receptor acoplado con proteína G para aumentar la producción de derivados del ácido araquidónico, incluido el tromboxano A2. El papel de este compuesto en el equilibrio entre la actividad de coagulación y anticoagulación en el sitio de lesión vascular se describe en el capítulo 32. La producción de plaquetas está regulada por factores estimulantes de colonias que controlan la producción de megacariocitos, más trombopoyetina, un factor proteínico circulante. Este factor, que facilita la maduración de los megacariocitos, se produce de manera constitutiva en el hígado y los riñones; las plaquetas tienen receptores para trombopoyetina. Por consiguiente, cuando el número de plaquetas es bajo, se une un menor porcentaje y hay más disponible para estimular la producción de plaquetas. Por el contrario, cuando la cifra de plaquetas es alta, más trombopoyetina está unida y hay menos disponible, lo que establece una forma de retroalimentación para controlar la producción de plaquetas. La porción amino terminal de la molécula de trombopoyetina tiene actividad estimulante de las plaquetas, mientras que la porción carboxilo terminal contiene muchos residuos de carbohidratos y está vinculada con la biodisponibilidad de la molécula. Cuando el recuento plaquetario es bajo, la retracción del coágulo es deficiente y es menor la constricción de los vasos rotos. El síndrome clínico resultante (púrpura trombocitopénica) se caracteriza por formación fácil de equimosis y múltiples hemorragias subcutáneas. La púrpura también se puede presentar cuando el recuento plaquetario es normal y en algunos casos, las plaquetas circulantes son anormales (púrpura trombasténica). Las personas con trombocitosis están predispuestas a fenómenos trombóticos. INFLAMACIÓN Y CICATRIZACIÓN DE HERIDAS LESIÓN LOCAL La inflamación es una respuesta localizada compleja ante sustancias extrañas como bacterias o en algunos casos, a sustancias producidas en el interior. Incluye una secuencia de reacciones que al principio implican citocinas, neutrófilos, moléculas de adhesión, complemento e IgG. También participa el PAF, un agente con potentes efectos inflamatorios. Más tarde participan los monocitos y linfocitos. Las arteriolas del área inflamada se dilatan y la permeabilidad capilar aumenta (caps. 33 y 34). Cuando la inflamación ocurre en o justo bajo la piel (fig. 3-13), se caracteriza por enrojecimiento, hinchazón, sensibilidad y dolor. 76 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica ción de IκBα, y es probable que esta sea la base principal de su acción antiinflamatoria (cap. 22). Receptor de célula T Ca2+ RESPUESTA SISTÉMICA A LA LESIÓN CAM Las citocinas producidas como respuesta a la inflamación y otras lesiones también inducen respuestas generalizadas. Éstas incluyen alteraciones en las proteínas de fase aguda plasmáticas, definidas como proteínas cuya concentración aumenta o disminuye al menos 25% después de una lesión. Muchas de las proteínas son de origen hepático. Varias de ellas se muestran en la figura 3-14. Aún no se comprenden del todo las causas de los cambios en la concentración, pero puede decirse que muchos de los cambios tienen un fin homeostásico. Por ejemplo, un aumento en la proteína C reactiva activa a los monocitos e induce una mayor producción de citocinas. Otros cambios que ocurren como respuesta a la lesión incluyen somnolencia, balance negativo del nitrógeno y fiebre. Calcineurina TCLBP CsABP NF-AT P Activación del gen de IL-2 Núcleo FIGURA 3-11 Acción de la ciclosporina (CsA) y tacrolimús (TCL) en los linfocitos. BP, unión con proteína; CAM, calmodulina. CICATRIZACIÓN DE HERIDAS En otros sitios, es un componente clave del asma, colitis ulcerosa y muchas otras enfermedades. Cada vez hay más evidencia de que un factor de transcripción, el factor nuclear κB (NF-κB), tiene un papel clave en la respuesta inflamatoria. NF-κB es un heterodímero que existe normalmente en el citoplasma de las células unido con IκBα, que lo mantiene inactivo. Los estímulos como las citocinas, virus y oxidantes, separan NF-κB de IκBα, que luego se degrada. NF-κB se desplaza al núcleo, donde se une con el DNA de los genes para numerosos mediadores inflamatorios, lo cual da como resultado una mayor producción y secreción. Los glucocorticoides inhiben la activación de NF-κB mediante el aumento en la produc- Cuando se daña el tejido, las plaquetas se adhieren a la matriz expuesta mediante integrinas que se adhieren a la colágena y a la laminina (fig. 3-13). La coagulación sanguínea produce trombina, la cual fomenta la agregación y liberación de los gránulos de las plaquetas. Los gránulos plaquetarios generan una respuesta inflamatoria. Las selectinas atraen a los leucocitos, que se unen a las integrinas en las células endoteliales, lo que conduce a su extravasación a través de las paredes vasculares. Las citocinas liberadas por los leucocitos y las plaquetas aumentan las integrinas de los macrófagos, los cuales migran al área lesionada, y a las integrinas de los fibroblastos y células epiteliales, los cuales me- Célula primordial pluripotente SCID autosómico recesivo Progenitor linfoide MÉDULA ÓSEA TIMO SCID ligado a X Célula pre-B Célula T inmadura Agammaglobulinemia ligada a X Deficiencia de MHC clase I Célula B Síndrome de hiper-IgM IgM IgG IgA Deficiencia de MHC clase II Célula CD8 Célula CD4 IgE FIGURA 3-12 Sitios de bloqueo congénito de la maduración de linfocitos B y T en varios estados de inmunodeficiencia. SCID, inmunodeficiencia combinada grave. (Modificada a partir de Rosen FS, Cooper MD, Wedgwood RJP. The primary immunodeficiencies. N Engl J Med, 1995;333:431.) CAPÍTULO 3 Inmunidad, infección e inflamación RESUMEN DEL CAPÍTULO Coágulo de fibrina ■ Neutrófilo Macrófago TGF-β1 TGF-α FGF VEGF Tapón plaquetario PDGF BB TGF-β1 PDGF AB Vaso sanguíneo ■ IGF ■ VEGF FGF-2 Neutrófilo FGF-2 ■ ■ Fibroblasto ■ FIGURA 3-13 Herida cutánea tres días después de la lesión, se muestran las múltiples citocinas y factores de crecimiento que influyen en el proceso de reparación. VEGF, factor de crecimiento endotelial vascular. Para las demás abreviaturas, véase el Apéndice. Nótese la epidermis que crece bajo el coágulo de fibrina y restaura la continuidad cutánea. (Modificada a partir de Singer AJ, Clark RAF: Cutaneous Wound healing. N Engl J Med, 1999;341:738.) dian la cicatrización de la herida y la formación de la cicatriz. La plasmina ayuda a la cicatrización mediante la eliminación del exceso de fibrina. Esto favorece la migración de los queratinocitos hacia la herida para restaurar el epitelio bajo la costra. La colágena prolifera y produce la cicatriz. Las cicatrices alcanzan 20% de su fuerza final en tres semanas y más tarde se fortalecen más, pero nunca llegan a más de 70% de la fuerza de la piel normal. Cambio en la concentración plasmática (%) 30 100 30 000 Proteína C reactiva 500 Amiloide sérico A 400 300 Fibrinógeno 100 C3 0 Transferrina Albúmina 0 7 14 ■ PREGUNTAS DE OPCIÓN MÚLTIPLE Para todas las preguntas elija una sola respuesta, a menos que se indique lo contrario. 1. En la sangre humana normal A) los eosinófilos son el tipo más común de leucocito B) hay más linfocitos que neutrófilos C) la mayor parte del hierro está en la hemoglobina D) hay más leucocitos que eritrocitos E) hay más plaquetas que eritrocitos 3. La capacidad de las células sanguíneas para fagocitar patógenos y establecer una explosión respiratoria aumenta por: A) interleucina-2 (IL-2) B) factor estimulante de colonias de granulocitos (G-CSF) C) eritropoyetina D) interleucina-4 (IL-4) E) interleucina-5 (IL-5) Haptoglobina 200 ■ Las respuestas inmunitarias e inflamatorias están mediadas por varios tipos celulares diferentes (granulocitos, linfocitos, monocitos, mastocitos, macrófagos hísticos y células presentadoras de antígeno) que provienen sobre todo de la médula ósea y pueden circular o residir en los tejidos conectivos. Los granulocitos establecen respuestas fagocíticas que rodean y destruyen bacterias. Esto se acompaña de la liberación de especies reactivas del oxígeno y otros mediadores hacia los tejidos adyacentes que pueden causar lesión hística. Los mastocitos y los basófilos producen las reacciones alérgicas ante sustancias que las personas no alérgicas tomarían como inocuas. Diversos mediadores solubles orquestan el desarrollo de las células inmunológicas efectoras y sus reacciones inmunitarias e inflamatorias subsiguientes. La inmunidad innata representa una respuesta primitiva, conservada a lo largo de la evolución, ante componentes microbianos estereotipados. La inmunidad adquirida se desarrolla con más lentitud que la innata, pero es duradera y más efectiva. Las reordenaciones genéticas confieren a los linfocitos B y T una gran variedad de receptores capaces de reconocer miles de millones de antígenos extraños. En condiciones normales, los linfocitos que reaccionan al cuerpo mismo se eliminan; una falla en este proceso causa una enfermedad autoinmunitaria. La enfermedad también puede ser resultado de la función o desarrollo anormales de los granulocitos y linfocitos. En estos últimos casos, casi siempre existen respuestas inmunitarias deficientes ante las amenazas microbianas. 2. Los linfocitos A) se originan todos de la médula ósea después del nacimiento B) no tienen influencias hormonales C) se convierten en monocitos como respuesta a los antígenos D) interactúan con los eosinófilos para producir plaquetas E) son parte de la defensa del cuerpo contra el cáncer 700 600 77 21 Tiempo después del estímulo inflamatorio (días) FIGURA 3-14 Tiempos para los cambios en algunas proteínas importantes de fase aguda. C3, componente C3 del complemento. (Modificada y reproducida con autorización a partir de Gitlin JD, Colten HR: Molecular biology of acute phase plasma proteins. En Pick F. et al. [eds.]: Lymphokines, vol 14, p. 123-153. Academic Press, 1987.) 4. Las células encargadas de la inmunidad innata se activan más a menudo por: A) glucocorticoides B) polen C) secuencias de carbohidratos en la pared celular bacteriana D) eosinófilos E) proteínas citoplásmicas de las bacterias 78 SECCIÓN I Bases celulares y moleculares de la fisiología médica RECURSOS DEL CAPÍTULO Delibro G: The Robin Hood of antigen presentation. Science 2004;302:485. Delves PJ, Roitt IM: The immune system. (Two parts.) N Engl J Med 2000;343:37,108. Dhainaut J-K, Thijs LG, Park G (editors): Septic Shock. WB Saunders, 2000. Ganz T: Defensins and host defense. Science 1999;286:420. Samstein B, Emond JC: Liver transplant from living related donors. Annu Rev Med 2001;52:147. Singer AJ, Clark RAF: Cutaneous wound healing. N Engl J Med 1999;341:738 Tedder TF, et al: The selectins: Vascular adhesion molecules. FASEB J 1995;9:866. Tilney NL: Transplant: From Myth to Reality. Yale University Press, 2003. Walport MJ: Complement. (Two parts) N Engl J Med 2001;344:1058, 1140. CAPÍTULO 4 Tejido excitable: nervio 79 SECCIÓN II FISIOLOGÍA DE LAS CÉLULAS NERVIOSAS Y MUSCULARES C A P Í T U L O Tejido excitable: nervio 4 O B J E T I VO S Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de: ■ Nombrar las partes de una neurona y sus funciones. ■ Nombrar los diversos tipos de glía y sus funciones. ■ Describir la naturaleza química de la mielina y resumir las diferencias en las formas en que las neuronas no mielinizadas y mielinizadas conducen los impulsos. ■ Definir el transporte axónico anterógrado y retrógrado, y los motores moleculares participantes en cada uno. ■ Describir los cambios en los conductos iónicos subyacentes a los potenciales de electrotónicos, el potencial de acción y la repolarización. ■ Listar los diversos tipos de fibras nerviosas que se encuentran en el sistema nervioso de los mamíferos. ■ Describir la función de las neurotrofinas. INTRODUCCIÓN El sistema nervioso central (SNC) humano contiene alrededor de 1011 (100 000 millones) de neuronas. También contiene 10 a 50 veces este número de células neurogliales. El SNC es un sistema complejo; se calcula que 40% de los genes humanos participa en su formación, al menos en cierto grado. Las neuronas, los bloques de construcción básicos del sistema nervioso, evolucionaron a partir de células neuroefectoras primitivas que responden con contracción a varios estímulos. En animales más complejos, la contracción se convirtió en la función especializada de las células musculares, mientras que la integración y transmisión de los impulsos nerviosos se han convertido en funciones especializadas de las neuronas. Este capítulo describe los componentes celulares del SNC y la excitabilidad de las neuronas, las cuales son el origen de las señales eléctricas que permiten a las neuronas integrar y transmitir impulsos (potenciales de acción, potenciales de receptor y potenciales sinápticos). 79 80 SECCIÓN II Fisiología de las células nerviosas y musculares ELEMENTOS CELULARES DEL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL CÉLULAS NEUROGLIALES Por muchos años después de su descubrimiento, las células neurogliales (o neuroglia) se consideraron como el tejido conectivo del SNC. De hecho, el sufijo glía significa pegamento en griego. Sin embargo, en la actualidad se reconoce a estas células por su función en la comunicación dentro del SNC en conjunto con las neuronas. A diferencia de las neuronas, las células neurogliales mantienen la división celular en la edad adulta, y su capacidad para proliferar es notable después de una lesión cerebral (p. ej., apoplejía). Hay dos tipos de células neurogliales en el sistema nervioso de los vertebrados: microglia y macroglia. La microglia se compone de células limpiadoras parecidas a los macrófagos hísticos, eliminan detritos derivados de la lesión, infección y enfermedad (p. ej., esclerosis múltiple, demencia relacionada con sida, enfermedad de Parkinson y enfermedad de Alzheimer). La microglia proviene de macrófagos fuera del sistema nervioso central y carece de relación fisiológica o embriológica con otros tipos de células neurales. Hay tres tipos de macroglia: oligodendrocitos, células de Schwann y astrocitos (fig. 4-1). Los oligodendrocitos y células de Schwann participan en la formación de mielina alrededor de los axones en el SNC y en el sistema nervioso periférico, respectivamente. Los astrocitos se encuentran en todo el cerebro, hay dos tipos de estas células. Los astrocitos fibrosos, que contienen muchos filamentos intermedios, se encuentran sobre todo en la materia blanca. Los astrocitos protoplásmicos se encuentran en la materia gris y tienen citoplasma granular. Ambos tipos emiten prolongaciones a los vasos sanguíneos, donde inducen a los A Oligodendrocito Oligodendrocito en la materia blanca capilares para formar las uniones ocluyentes que constituyen la barrera hematoencefálica. También emiten prolongaciones que envuelven las sinapsis y la superficie de las células nerviosas. Los astrocitos protoplásmicos tienen un potencial de membrana que varía con la concentración externa de potasio (K+), pero no generan potenciales propagados. Producen sustancias con tropismo para las neuronas y ayudan a mantener la concentración adecuada de iones y neurotransmisores mediante la captación de K+ y de los neurotransmisores glutamato y ácido γ-aminobutírico (GABA). NEURONAS Las neuronas del sistema nervioso central de los mamíferos tienen formas y tamaños diversos. La mayoría tiene las mismas partes que la neurona motora espinal típica mostrada en la figura 4-2. El cuerpo celular (soma) contiene el núcleo y es el centro metabólico de la neurona. Las neuronas tienen varias prolongaciones llamadas dendritas que se extienden fuera del cuerpo celular y se ramifican muchas veces. En particular, en la corteza del cerebro y del cerebelo, las dendritas tienen pequeñas proyecciones abultadas llamadas espinas dendríticas. Una neurona típica tiene también un largo axón fibroso que se origina en un área algo engrosada del cuerpo celular, la cresta axónica. La primera porción del axón se denomina segmento inicial. El axón se divide en terminaciones presinápticas, cada una de las cuales termina en varios botones sinápticos, también llamados botones terminales. Contienen gránulos o vesículas en las que se almacenan los transmisores sinápticos que secretan los nervios. Según el número de proyecciones que surjan del cuerpo celular, las neuronas pueden clasificarse en unipolares, bipolares y multipolares (fig. 4-3). C Astrocito B Célula de Schwann Oligodendrocitos perineurales Capilar Nódulos de Ranvier Botón terminal Neurona Capas de mielina Axones Botón terminal Célula de Schwann Astrocito fibroso Núcleo Lengüeta interna Axón Neurona FIGURA 41 Los principales tipos de células neurogliales en el sistema nervioso. A) Los oligodendrocitos son pequeños, con relativamente pocas prolongaciones. Los que están en la materia blanca proporcionan mielina, los que están en la materia gris sostienen a las neuronas. B) Las células de Schwann aportan la mielina al sistema nervioso periférico. Cada célula forma un segmento de vaina de mielina de 1 mm de largo; la vaina asume su forma conforme la lengüeta interna de la célula de Schwann gira alrededor del axón varias veces envolviéndolo en capas concéntricas. Los intervalos entre los segmentos de mielina son los nódulos de Ranvier. C) Los astrocitos son las células neurogliales más abundantes en el SNC, se caracterizan por su forma estrellada. Establecen contacto con los capilares y las neuronas, y se cree que tienen función nutricia. También participan en la formación de la barrera hematoencefálica. (Tomada de Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [eds.]: Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000.) CAPÍTULO 4 Tejido excitable: nervio 81 Cuerpo celular (soma) Segmento inicial del axón Célula de Schwann Nódulos de Ranvier Cresta axónica Núcleo Botones terminales Dendritas FIGURA 42 Neurona motora con axón mielinizado. Una neurona motora está formada por el cuerpo celular (soma) con un núcleo, varias prolongaciones llamadas dendritas y un largo axón fibroso que se origina en la cresta axónica. La primera parte del axón se llama segmento inicial. Las células de Schwann forman una vaina de mielina que rodea al axón, excepto en su parte final y en los nódulos de Ranvier. Los botones terminales se localizan en las terminaciones nerviosas. A Célula unipolar B Célula bipolar C Célula seudounipolar Dendritas Axón periférico a la piel y al músculo Dendrita Cuerpo celular Axón Cuerpo celular Prolongación única bifurcada Axón Axón central Cuerpo celular Neurona de invertebrado Terminaciones del axón Célula bipolar de la retina Célula ganglionar de la raíz dorsal D Tres tipos de células multipolares Dendritas Dendrita apical Cuerpo celular Cuerpo celular Dendrita basal Axón Dendritas Axón Neurona motora de la médula espinal Célula piramidal del hipocampo Cuerpo celular Axón Célula de Purkinje del cerebelo FIGURA 43 Algunos tipos de neuronas en el sistema nervioso de los mamíferos. A) Las neuronas unipolares tienen una prolongación, con distintos segmentos que sirven como superficies receptoras y terminaciones liberadoras. B) Las neuronas bipolares tienen dos prolongaciones especializadas: una dendrita que lleva información a la célula y un axón que transmite información desde la célula. C) Algunas neuronas sensitivas tienen una subclase de células bipolares llamadas células seudounipolares. Conforme la célula se desarrolla, una sola prolongación se divide en dos y ambas funcionan como axones, uno se dirige a la piel o músculo y el otro a la médula espinal. D) Las células multipolares tienen un axón y muchas dendritas. Los ejemplos incluyen las neuronas motoras; células piramidales del hipocampo con dendritas en el vértice y en la base, y las células cerebelares de Purkinje con un árbol dendrítico en un solo plano. (Tomada de Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [eds.]: Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000.) 82 SECCIÓN II Fisiología de las células nerviosas y musculares La terminología convencional usada para las partes de una neurona funcionan lo suficientemente bien para las neuronas motoras y las interneuronas, pero surgen problemas con los términos “dendritas” y “axones” cuando se aplican a otros tipos de neuronas que se encuentran en el sistema nervioso. Desde el punto de vista funcional, las neuronas casi siempre tienen cuatro zonas importantes: 1) una zona receptora o dendrítica, en la que se integran los múltiples cambios de potenciales generados por las conexiones sinápticas; 2) un sitio donde se generan los potenciales de acción propagados (el segmento inicial en las neuronas motoras espinales, el primer nódulo de Ranvier en las neuronas sensitivas cutáneas); 3) un axón que transmite los impulsos propagados a las terminaciones nerviosas, y 4) las terminaciones nerviosas, donde los potenciales de acción inducen la liberación de los transmisores sinápticos. El cuerpo celular a menudo se localiza en la zona dendrítica final del axón, pero puede estar dentro del axón (p. ej., neuronas auditivas) o unido al lado del axón (p. ej., neuronas cutáneas). Su localización no implica diferencia en lo concerniente a la función receptora de la zona dendrítica y la función transmisora del axón. Los axones de muchas neuronas están mielinizados, o sea que adquieren vainas de mielina, un complejo de proteínas y lípidos que envuelve al axón (fig. 4-2). En el sistema nervioso periférico, la mielina se forma cuando una célula de Schwann envuelve su membrana hasta 100 veces (fig. 4-1). Luego la mielina se compacta cuando las porciones extracelulares de una proteína de membrana, la proteína cero (P0), se fijan con las porciones extracelulares de P0 en la membrana yuxtapuesta. Varias mutaciones del gen para P0 causan neuropatías periféricas; se han descrito 29 mutaciones distintas que causan síntomas que varían desde leves hasta graves. La vaina de mielina envuelve al axón, excepto en su terminación y en los nódulos de Ranvier, constricciones periódicas de 1 μm situadas a intervalos aproximados de 1 mm (fig. 4-2). La función aislante de la mielina se describe más adelante en este capítulo. No todas las neuronas están mielinizadas; algunas son amielínicas, o sea que tan sólo están rodeadas por células de Schwann sin la envoltura de la membrana de esta célula que produce mielina alrededor del axón. En el SNC de los mamíferos, la mayoría de las neuronas está mielinizada, pero las células que forman la mielina son oligodendrocitos y no células de Schwann (fig. 4-1). A diferencia de las células de Schwann, que forma la mielina entre dos nódulos de Ranvier sobre una sola neurona, los oligodendrocitos emiten múltiples prolongaciones que forman mielina sobre muchos axones vecinos. En la esclerosis múltiple, una enfermedad autoinmunitaria incapacitante, hay destrucción en parches de la mielina en el SNC (recuadro clínico 4-1). La pérdida de la mielina produce retraso o bloqueo de la conducción en los axones desmielinizados. TRANSPORTE AXÓNICO Las neuronas son células secretoras, pero difieren de otras células de este tipo en que su zona secretora casi siempre está al final del axón, lejos del cuerpo celular. La mayor parte de este aparato de síntesis proteínica se localiza en el cuerpo celular y se transportan proteínas y polipéptidos a la terminación axónica mediante el flujo axoplásmico. Por tanto, el cuerpo celular mantiene la integridad funcional y anatómica del axón; si éste se corta, el extremo distal al corte se degenera (degeneración walleriana). El RECUADRO CLÍNICO 4-1 Enfermedades desmielinizantes La conducción normal de potenciales de acción depende de las propiedades aislantes de la mielina. Por tanto, los defectos en la mielina pueden tener consecuencias neurológicas adversas importantes. Un ejemplo es la esclerosis múltiple (MS), una enfermedad autoinmunitaria que afecta a más de tres millones de personas en el mundo, casi siempre inicia entre los 20 y 50 años de edad y afecta a las mujeres con una frecuencia casi dos veces mayor que en los varones. Al parecer la causa de la MS incluye factores genéticos y ambientales. Es más frecuente en personas caucásicas que viven en países con clima templado, incluidos países de Europa, el sur de Canadá, el norte de Estados Unidos y el sureste de Australia. Los desencadenantes ambientales incluyen la exposición temprana a virus como el virus Epstein-Barr y los causantes del sarampión, herpes, varicela o influenza. En la MS hay anticuerpos y leucocitos que atacan la mielina, lo que causa inflamación y lesión de la vaina, y al final también de los nervios que rodea. La pérdida de mielina produce fuga de K+ a través de los conductos activados por voltaje, hiperpolarización y falla de los potenciales de acción. Las deficiencias fisiológicas típicas van desde debilidad muscular, fatiga, disminución de la coordinación, palabras arrastradas, visión borrosa o nebulosa, disfunción vesical y trastornos sensitivos. A menudo los síntomas se exacerban por el aumento de la temperatura corporal o ambiental. La progresión de la enfermedad es muy variable. En la forma más frecuente, hay episodios transitorios que aparecen en forma súbita, duran unas cuantas semanas o meses y luego desaparecen en forma gradual. Los episodios ulteriores pueden aparecer años más tarde y al final no se logra la recuperación total. Otras personas tienen una forma progresiva sin periodos de remisión. El diagnóstico de MS es muy difícil, casi siempre se retrasa hasta que ocurren múltiples episodios con deficiencias separadas en tiempo y espacio. Las pruebas de conducción nerviosa permiten detectar disminución en la velocidad de conducción en las vías motoras y sensitivas. El análisis del líquido cefalorraquídeo permite detectar la presencia de bandas oligoclonales indicativas de una reacción inmunitaria anormal contra la mielina. La valoración más definitiva es la imagen por resonancia magnética (MRI), donde se visualizan múltiples áreas cicatrizadas (escleróticas) en el cerebro. Aunque no hay curación para la MS, algunos fármacos (p. ej., interferón β) que suprimen la respuesta inmunitaria reducen la intensidad y disminuyen la velocidad de progresión de la enfermedad. transporte ortógrado se presenta en microtúbulos que corren a lo largo del axón y requiere dos motores moleculares, la dineína y la cinesina (fig. 4-4). El transporte anterógrado avanza desde el cuerpo celular hacia las terminaciones del axón. Tiene un componente rápido y uno lento; el transporte axónico rápido avanza a cerca de 400 mm/día, la velocidad del transporte axónico lento es 0.5 a 10 mm/día. El transporte retrógrado, que viaja en sentido contrario (de la terminación nerviosa al cuerpo celular), se produce a lo largo de microtúbulos a una velocidad cercana a 200 mm/día. Las vesículas sinápticas se reciclan en la membrana, pero algunas vesículas usadas se trasladan de regreso al CAPÍTULO 4 Tejido excitable: nervio 83 Vesícula secretora Proteína cinesina Microtúbulo Cuerpo celular Microtúbulo Axón Microtúbulo Terminación axónica Proteína dineína Vesícula de membrana reciclada FIGURA 44 Transporte axónico mediante dineína y cinesina a lo largo de los microtúbulos. El transporte axónico anterógrado rápido y lento ocurre a lo largo de microtúbulos que corren por todo el axón, desde el cuerpo celular hasta la terminación. El transporte retrógrado ocurre desde la terminación al cuerpo celular. (Tomado de Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology. McGraw-Hill, 2008.) cuerpo celular y se depositan en lisosomas. Algunos materiales captados por las terminaciones por endocitosis, como el factor de crecimiento nervioso (NGF) y varios virus, también se transportan de regreso al cuerpo celular. Parece que existe una excepción potencialmente importante a estos principios en algunas dendritas. En ellas, las cadenas del mRNA monocatenario transportadas desde el cuerpo celular hacen contacto con los ribosomas apropiados y al parecer la síntesis de proteínas crea dominios proteínicos locales. EXCITACIÓN Y CONDUCCIÓN Las células nerviosas tienen un umbral de excitación bajo. El estímulo puede ser eléctrico, químico o mecánico. Se producen dos tipos de trastornos fisicoquímicos: potenciales locales no propagados, que según su localización se llaman potenciales sinápticos, generadores o electrotónicos, y potenciales propagados, los potenciales de acción (o impulsos nerviosos). Estas son las únicas respuestas eléctricas de las neuronas y otros tejidos excitables, y son el lenguaje principal del sistema nervioso. Se producen por cambios en la conducción de iones a través de la membrana celular que se deben a alteraciones en los conductos iónicos. Los fenómenos eléctricos en las neuronas son rápidos, se miden en milisegundos (ms), y los cambios en el potencial son pequeños, se miden en milivoltios (mV). En condiciones normales, el impulso se transmite (conduce) a lo largo del axón hacia su terminación. Los nervios no son “cables telefónicos” que transmiten impulsos en forma pasiva; aunque la conducción de los impulsos nerviosos es rápida, es mucho más lenta que la electricidad. De hecho, el tejido nervioso es un mal conductor pasivo y se necesitaría un potencial de muchos voltios para producir una señal de una fracción de voltio en el otro extremo de un axón de un metro de largo en ausencia de los procesos activos que ocurren en el nervio. La conducción es un proceso activo, que se autopropaga, y el impulso se desplaza sobre el nervio con amplitud y velocidad constantes. A menudo el proceso se compara con lo que ocurre cuando se acerca un fósforo al extremo de un rastro de pólvora; al encender las partículas de pólvora justo frente a la flama, ésta se desplaza en forma constante sobre el rastro hasta su final, al mismo tiempo que se va extinguiendo al avanzar. Las neuronas de los mamíferos son relativamente pequeñas, pero existen células nerviosas no mielinizadas gigantes en varias especies de invertebrados. Estas células se encuentran en cangrejos (Carcinus), jibias (Sepia) y calamar (Loligo). Las propiedades fundamentales de las neuronas se identificaron por primera vez en estas especies y luego se observó que eran similares en los mamíferos. La región cervical de la capa muscular del calamar contiene axones individuales de hasta 1 mm de diámetro. Las propiedades fundamentales de estos axones largos son similares a las de los axones de los mamíferos. POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Cuando dos electrodos se conectan a través de un amplificador adecuado y se colocan en la superficie de un solo axón, no se observa diferencia de potencial. Sin embargo, si un electrodo se inserta en el interior de la célula, se observa una diferencia de potencial constante, con el interior negativo con respecto al exterior de la célula en reposo. Un potencial de membrana se 84 SECCIÓN II Fisiología de las células nerviosas y musculares produce por la separación de las cargas positivas y negativas a través de la membrana celular (fig. 4-5). En las neuronas, el potencial de membrana en reposo casi siempre es cercano a –70 mV, lo cual es casi igual al potencial de equilibrio para el potasio (fig. 4-6). Para que haya una diferencia de potencial a través de una membrana con doble capa de lípidos, deben cumplirse dos condiciones. Primera, debe haber una distribución desigual de iones de una o más especies a uno y otro lado de la membrana (o sea, un gradiente de concentración). Segunda, la membrana debe ser permeable a uno o más de los tipos de iones. La permeabilidad se produce por la existencia de conductos o poros en la doble capa; estos conductos casi siempre son permeables a una sola especie de iones. El potencial de membrana en reposo representa una situación de equilibrio en la cual la fuerza impulsora para el desplazamiento de los iones a los que la membrana es permeable en favor del gradiente de concentración es igual y opuesta a la fuerza impulsora para que estos iones se desplacen a favor de sus gradientes eléctricos. Igual +,– – + – – + + + – – – – – – – + + + + + Extremo extracelular – – – – – Extremo citoplásmico – + + – – + – – + + – – + + – + FIGURA 45 Este potencial de membrana se debe a la separación de las cargas positiva y negativa a ambos lados de la membrana celular. El exceso de cargas positivas (círculos rojos) fuera de la célula y de las cargas negativas (círculos azules) dentro de la célula en reposo representa una pequeña fracción del número total de iones presentes. (Tomada de Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [eds.]: Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000.) 0 5 3 2 7 –70 1 6 Na+ Conducto activado de Na+ K+ Conducto activado de K+ K+ (b) Permeabilidad relativa de membrana – + + + – + + – – + + + – – – + + – – + + Igual +,– – + + + + – – 4 (a) +30 Potencial de membrana (mV) + + 600 PNa 300 PK 50 1 0 1 2 3 4 Tiempo (ms) FIGURA 46 Cambios en (a) el potencial de membrana (mV) y (b) la permeabilidad relativa de la membrana (P) al Na+ y al K+ durante un potencial de acción. (Tomada de Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology. McGraw-Hill, 2008.) CAPÍTULO 4 Tejido excitable: nervio En las neuronas, la concentración de K+ es mucho mayor en el interior que en el exterior de las células, ocurre lo contrario con el Na+. Esta diferencia de concentración se establece por acción de la Na+-K+ ATPasa. El gradiente de concentración de K+ hacia el exterior produce desplazamiento pasivo de este ion hacia fuera de la célula cuando se abren los conductos selectivos para K+. De igual manera, el gradiente de concentración del Na+ hacia el interior induce el desplazamiento pasivo de sodio hacia el interior de la célula cuando se abren los conductos selectivos para Na+. Como en reposo hay más conductos de K+ abiertos que conductos de Na+, la permeabilidad de la membrana al K+ es mayor. Por consiguiente, las concentraciones intracelular y extracelular de potasio son los principales determinantes del potencial de membrana en reposo, que se aproxima al potencial de equilibrio para el K+. Las fugas constantes de iones no pueden continuar para siempre sin que al final desaparezcan los gradientes iónicos. Esto se previene con la actividad de la Na+-K+ ATPasa, que desplaza en forma activa al Na+ y al K+ en contra de su gradiente electroquímico. FLUJOS IÓNICOS DURANTE EL POTENCIAL DE ACCIÓN Las membranas celulares de los nervios, como las de otras células, contienen muchos tipos distintos de conductos iónicos. Algunos de éstos se activan con voltaje y otros con ligando. Es el comportamiento de estos conductos, y en especial los de Na+ y K+, lo que explica los fenómenos eléctricos en los nervios. La figura 4-6 muestra los cambios en la conductancia de la membrana para Na+ y K+ que ocurren durante los potenciales de acción. La conductancia de un ion es el recíproco de su resistencia eléctrica en la membrana y es una medida de la permeabilidad de la membrana a ese ion. Como respuesta a un estímulo despolarizante, se activan algunos de los conductos de Na+ activados por voltaje y cuando se llega al umbral del potencial, los conductos de Na+ activados por voltaje rebasan a los conductos de K+ y de otros iones, con lo que se produce un potencial de acción (un ciclo de retroalimentación positiva). El potencial de membrana se inclina hacia el potencial de equilibrio para Na+ (+60 mV), pero no lo alcanza durante el potencial de acción, sobre todo porque el aumento en la conductancia para Na+ es de corta duración. Los conductos de Na+ entran muy pronto a un estado cerrado llamado estado desactivado y permanecen así unos cuantos milisegundos antes de regresar al estado de reposo, cuando pueden activarse de nuevo. Además, la dirección del gradiente eléctrico para el Na+ se invierte durante la sobreactivación, ya que el potencial de membrana se invierte y esto limita la entrada de Na+. Un tercer factor que produce la repolarización es la abertura de los conductos de K+ activados por voltaje. Esta abertura es más lenta y más prolongada que la de los conductos de Na+; por consiguiente, gran parte del aumento en la conductancia del K+ aparece después del incremento en la conductancia del Na+. El desplazamiento neto de la carga positiva hacia el exterior de la célula debido a la salida de K+ en este momento ayuda a completar la repolarización. El regreso lento de los conductos de K+ al estado cerrado también explica la hiperpolarización ulterior, seguida por el regreso al potencial de membrana en reposo. Por tanto, los conductos de K+ activados por voltaje terminan el potencial de acción y producen el cierre de sus compuertas mediante un proceso de retroalimentación 85 negativa. La figura 4-7 muestra el control por retroalimentación secuencial en los conductos de K+ y Na+ activados por voltaje durante el potencial de acción. El descenso en la concentración externa de Na+ disminuye el potencial de acción, pero tiene poco efecto en el potencial de membrana en reposo. Es predecible la falta de un efecto importante en el potencial de membrana en reposo, ya que la permeabilidad de la membrana en reposo al Na+ es relativamente baja. Por el contrario, el aumento de la concentración externa de K+ disminuye el potencial de membrana en reposo. Aunque el Na+ entra a la célula nerviosa y el K+ sale de ésta durante el potencial de acción, el número de iones implicado es diminuto en relación con la cantidad total presente. El hecho de que el nervio gane Na+ y pierda K+ durante la actividad ya se demostró en forma experimental, pero las diferencias significativas en las concentraciones iónicas sólo pueden medirse después de la estimulación repetida y prolongada. Otros iones, en especial Ca2+, pueden afectar el potencial de membrana a través del movimiento por conductos y de interacciones con la membrana. El descenso en la concentración extracelular de Ca2+ aumenta la excitabilidad de las células nerviosas y musculares porque disminuye el grado de despolarización necesario para iniciar los cambios en la conductancia de Na+ y K+ que producen el potencial de acción. Por el contrario, un aumento en la concentración extracelular de Ca2+ puede estabilizar la membrana porque disminuye la excitabilidad. DISTRIBUCIÓN DE CONDUCTOS IÓNICOS EN LAS NEURONAS MIELINIZADAS La distribución espacial de los conductos iónicos a lo largo del axón tiene un papel clave en el inicio y regulación del potencial de acción. Los conductos de Na+ activados por voltaje están muy concentrados en los nódulos de Ranvier y el segmento inicial de las neuronas mielinizadas. El segmento inicial y, en las neuronas sensitivas, el primer nódulo de Ranvier son los sitios en los que se generan los impulsos, y los otros nódulos de Ranvier son sitios a los que brincan los impulsos durante la conducción saltatoria. El número de conductos de Na+ por micrómetro cuadrado (μm2) de membrana en las neuronas mielinizadas de los mamíferos se calcula en 50 a 75 en el cuerpo celular, 350 a 500 en el segmento inicial, menos de 25 en la superficie de la mielina, 2 000 a 12 000 en los nódulos de Ranvier y 20 a 75 en las terminaciones del axón. A lo largo de los axones de las neuronas no mielinizadas, el número es cercano a 110. En muchas neuronas mielinizadas, los conductos de Na+ están flanqueados por conductos de K+ que participan en la repolarización. LEY DE “TODO O NADA” Es posible determinar la intensidad mínima de la corriente estimulante (umbral de intensidad) que al actuar durante un tiempo determinado, apenas produce un potencial de acción. El umbral de intensidad varía según la duración; con estímulos débiles la duración se prolonga, con estímulos fuertes se acorta. La relación entre la fuerza y la duración de un umbral de estímulo se conoce como curva de fuerza-duración. Las corrientes que se incrementan con lentitud no activan al nervio porque éste se adapta al estímulo aplicado, un proceso llamado adaptación. 86 SECCIÓN II Fisiología de las células nerviosas y musculares (a) Inicio Abertura de conductos de Na+ activados por voltaje Estímulo despolarizante + Despolarización del potencial de membrana Paro Desactivación de conductos de Na+ Retroalimentación positiva Aumento de PNa Aumento del flujo de Na+ al interior de la célula (b) Inicio Despolarización de membrana por entrada de Na+ Repolarización del potencial de membrana Abertura de conductos de K+ activados por voltaje Retroalimentación negativa Aumento de PK Aumento del flujo de K+ hacia fuera de la célula FIGURA 47 Control por retroalimentación en los conductos iónicos activados por voltaje en la membrana. (a) Los conductos de Na+ ejercen retroalimentación positiva. (b) Los conductos de K+ ejercen retroalimentación negativa. (Tomada a partir de Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology. McGraw-Hill, 2008.) Una vez que se alcanza el umbral de intensidad, se produce un potencial de acción completo. Los incrementos adicionales en la intensidad de un estímulo no producen aumento ni otro cambio en el potencial de acción, siempre que las demás condiciones experimentales permanezcan constantes. El potencial de acción no se produce si la magnitud del estímulo es menor al umbral y ocurre con amplitud y forma constantes sin importar la fuerza del estímulo si éste alcanza la intensidad del umbral o más. Por lo tanto, el potencial de acción tiene un carácter de “todo o nada” y se dice que obedece a la ley del todo o nada. POTENCIALES ELECTROTÓNICOS, RESPUESTA LOCAL Y NIVEL DE ACTIVACIÓN Aunque los estímulos que son menores del umbral no producen un potencial de acción, sí tienen un efecto en el potencial de membrana. Esto puede demostrarse si se colocan electrodos de registro a unos cuantos milímetros de un electrodo estimulante y se aplican estímulos inferiores al umbral con duración fija. La aplicación de estas corrientes produce un cambio localizado en el potencial despolarizante que se eleva en forma aguda y declina en forma exponencial con el tiempo. La magnitud de esta respuesta disminuye rápidamente conforme aumenta la distancia entre el electrodo estimulante y el de registro. Por el contrario, una corriente anódica produce un cambio de potencial hiperpolarizante de duración similar. Estos cambios en el potencial se llaman potenciales electrotónicos. Conforme aumenta la fuerza de la corriente, la respuesta es mayor a causa de la adición creciente de una respuesta local de la membrana (fig. 4-8). Por último, a 7 a 15 mV de despolarización (potencial de –55 mV), se alcanza el nivel de activación y se produce el potencial de acción. CAMBIOS EN LA EXCITABILIDAD DURANTE LOS POTENCIALES ELECTROTÓNICOS Y EL POTENCIAL DE ACCIÓN Durante el potencial de acción, así como durante los potenciales electrotónicos y la respuesta local, cambia el umbral de la Nivel de activación −55 Respuesta local Potencial de membrana en reposo −70 0.5 1.0 ms 1.5 −85 Potencial en punta Posdespolarización Poshiperpolarización Adición de periodo latente Periodo supernormal FIGURA 48 Potenciales electrotónicos y respuesta local. Se muestran los cambios en el potencial de membrana de una neurona después de la aplicación de estímulos de 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 y 1.0 veces el umbral de intensidad superpuestos en la misma escala de tiempo. Las respuestas debajo de la línea horizontal son las registradas cerca del ánodo y las que están sobre la línea son las registradas cerca del cátodo. El estímulo de umbral de intensidad se repitió dos veces. Una vez produjo un potencial de acción propagado (línea superior) y otra no. neurona ante la estimulación. Las respuestas hiperpolarizantes elevan el umbral y los potenciales despolarizantes lo disminuyen conforme aproximan el potencial de membrana al nivel de activación. Durante la respuesta local, el umbral disminuye, pero durante la fase de incremento y gran parte de la fase de descenso del potencial en punta, la neurona es refractaria a la estimulación. Este periodo refractario se divide en periodo refractario absoluto, que corresponde al intervalo desde el momento que se alcanza el nivel de activación hasta que se alcanza un tercio de la repolarización completa, y un periodo refractario relativo, que dura desde este momento hasta el inicio de la posdespolarización. Durante el periodo refractario absoluto, ningún estímulo, sin importar su fuerza, excita al nervio, pero durante el periodo refractario relativo los estímulos más fuertes de lo normal pueden inducir la excitación. Durante la posdespolarización, el umbral disminuye de nuevo y durante la poshiperpolarización, aumenta. Estos cambios en el umbral se relacionan con las fases del potencial de acción en la figura 4-9. ORIGEN ELÉCTRICO DEL POTENCIAL DE ACCIÓN La membrana celular nerviosa está polarizada en reposo, con cargas positivas alineadas a lo largo del exterior de la membrana y cargas negativas sobre el lado interno. Durante el potencial de acción, esta polaridad se elimina y durante un breve periodo incluso se invierte (fig. 4-10). Las cargas positivas de la membrana delante y detrás del potencial de acción fluyen hacia el área de negatividad representada por el potencial de acción (“vertedero de corriente”). Al extraer las cargas positivas, este flujo disminuye la polaridad de la membrana delante del potencial de acción. Esa despolarización electrotónica inicia una respuesta local y cuando se alcanza el nivel de activación se produce una respuesta propagada que a su vez produce despolarización electrotónica de la membrana frente a ella. 87 Respuesta local Excitabilidad Potencial de membrana (mV) Potencial de acción propagado Cambio de potencial CAPÍTULO 4 Tejido excitable: nervio Periodo subnormal Periodo refractario Tiempo FIGURA 49 Cambios relativos en la excitabilidad de una membrana celular nerviosa durante el paso de un impulso. Nótese que la excitabilidad es el recíproco del umbral. (Modificada a partir de Morgan CT: Physiological Psychology. McGraw-Hill, 1943.) CONDUCCIÓN SALTATORIA La conducción en los axones mielinizados depende de un patrón similar de flujo de corriente circular. Sin embargo, la mielina es un aislante efectivo, y el flujo de corriente a través de ésta es insignificante. En cambio, la despolarización en los axones mielinizados salta de un nódulo de Ranvier al siguiente, el vertedero Líquido extracelular + + + + – – – – – – + + + + + – – – – – – – + + + + + + – – – – – + + + Axón Líquido extracelular Mielina Nódulo activo Nódulo inactivo _ + _ + Axón + _ _ + Dirección de la propagación FIGURA 410 Flujo de corriente local (movimiento de cargas positivas) alrededor de un impulso en un axón. Arriba: axón amielínico. Abajo: axón mielinizado. Las cargas positivas de la membrana antes y después del potencial de acción fluyen hacia el área de negatividad representada por el potencial de acción (“vertedero de corriente”). En los axones mielinizados, la despolarización salta de un nódulo de Ranvier al siguiente (conducción saltatoria). 88 SECCIÓN II Fisiología de las células nerviosas y musculares de corriente en el nódulo activo sirve para despolarizar electrotónicamente el nódulo que sigue en el trayecto del potencial de acción hasta llegar al nivel de activación (fig. 4-10). Este salto de la despolarización de un nódulo al otro se llama conducción saltatoria. Es un proceso rápido que permite a los axones mielinizados conducir a una velocidad hasta 50 veces mayor que las fibras amielínicas más rápidas. + + – + + + + + + + + _ _ + _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + – + + + + + + _ _ _ _ + _ _ _ _ _ _ CONDUCCIÓN ORTODRÓMICA Y ANTIDRÓMICA Un axón puede conducir en cualquier sentido. Cuando se inicia un potencial de acción en la parte intermedia del axón, la despolarización electrotónica inicia dos impulsos que viajan en sentidos opuestos, a ambos lados del vertedero de corriente inicial. En la situación natural, los impulsos viajan sólo en un sentido, de las uniones sinápticas o receptores por los axones hasta su terminación. Esta conducción se llama ortodrómica. La conducción en sentido contrario se denomina antidrómica. Como las sinapsis (a diferencia de los axones) permiten la conducción sólo en un sentido, un impulso antidrómico no traspasa la primera sinapsis que encuentra y desaparece en ese punto. POTENCIALES DE ACCIÓN BIFÁSICOS Las descripciones del potencial de membrana en reposo y del potencial de acción presentadas antes se basan en registros con dos electrodos, uno en el espacio extracelular y el otro dentro de la célula. Si ambos electrodos se sitúan sobre la superficie del axón, no hay diferencia de potencial entre ellos en reposo. Cuando se estimula el nervio y se conduce un impulso pasando por los dos electrodos, se produce una secuencia característica de cambios de potencial. Conforme la onda de despolarización llega al electrodo más cercano al estimulador, este electrodo se vuelve negativo con respecto al otro electrodo (fig. 4-11). Cuando el impulso pasa a la porción del nervio entre los dos electrodos, el potencial regresa a cero; luego, cuando pasa por el segundo electrodo, el primero se vuelve positivo con respecto al segundo. Lo convencional es conectar las derivaciones de manera que cuando el primer electrodo se vuelva negativo con respecto al segundo, se registre una desviación ascendente. Por lo tanto, el registro muestra una desviación ascendente seguida de un intervalo isoeléctrico y luego una desviación descendente. Esta secuencia se llama potencial de acción bifásico (fig. 4-11). PROPIEDADES DE LOS NERVIOS MIXTOS Los nervios periféricos en los mamíferos están formados por muchos axones unidos en una envoltura fibrosa llamada epineuro. Por tanto, los cambios de potencial registrados fuera de las células en tales nervios representan una suma algebraica de los potenciales de acción “todo o nada” de muchos axones. Los umbrales de los axones individuales en el nervio y su distancia desde los electrodos estimulantes varían. Con los estímulos inferiores al umbral, ninguno de los axones se estimula y no se obtiene una respuesta. Cuando los estímulos alcanzan el umbral + + + + + + + + – + + _ _ _ _ _ _ _ _ + _ _ + + + + + + + + + + – _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + Nervio mV Tiempo FIGURA 411 Potencial de acción bifásico. Ambos electrodos de registro están en el exterior de la membrana nerviosa. La práctica convencional es conectar las derivaciones de tal forma que cuando el primer electrodo sea negativo con respecto al segundo, se registre una desviación ascendente. Por lo tanto, el registro muestra una desviación ascendente seguida de un intervalo isoeléctrico y luego una desviación descendente. de intensidad, los axones con umbrales bajos se activan y se observa un pequeño cambio de potencial. Conforme aumenta la intensidad de la corriente estimulante, también se accionan los axones con umbrales más altos. La respuesta eléctrica aumenta en forma proporcional hasta que el estímulo es lo bastante fuerte para excitar a todos los axones del nervio. El estímulo que produce excitación de todos los axones es el estímulo máximo, y la aplicación de un estímulo mayor al máximo no produce un aumento adicional en el grado del potencial observado. TIPOS Y FUNCIÓN DE LAS FIBRAS NERVIOSAS Después de aplicar un estímulo a un nervio, existe un periodo de latencia antes del inicio del potencial de acción. Este intervalo corresponde al tiempo que tarda el impulso en viajar a lo largo del axón desde el sitio de estimulación hasta los electrodos de registro. Su duración es proporcional a la distancia entre el electrodo estimulante y el de registro, e inversamente proporcional a la velocidad de conducción. Si se conocen la duración del periodo de latencia y la distancia entre los electrodos de estimulación y de registro, puede calcularse la velocidad de conducción axónica. Erlanger y Gasser dividieron las fibras nerviosas de los mamíferos en grupos A, B y C; además subdividieron el grupo A en fibras α, β, γ y δ. En el cuadro 4-1 se presentan los diversos CAPÍTULO 4 Tejido excitable: nervio 89 CUADRO 41 Tipos de fibras nerviosas en el nervio de los mamíferosa Tipo de fibra Función Diámetro de fibra (μm) Velocidad de conducción (m/s) Duración de espiga (ms) Periodo refractario absoluto (ms) A α Propiocepción; motora somática 12-20 70-120 β Tacto, presión 5-12 30-70 γ Motora para husos musculares 3-6 15-30 δ Dolor, frío, tacto 2-5 12-30 B Autonómica preganglionar <3 Raíz dorsal Dolor, temperatura, algunos mecanorreceptores Simpática Simpático posganglionar 0.4-0.5 0.4-1 3-15 1.2 1.2 0.4-1.2 0.5-2 2 2 0.3-1.3 0.7-2.3 2 2 C a Las fibras A y B son mielinizadas; las fibras C son no mielinizadas. tipos de fibras con sus diámetros, características eléctricas y funciones. La comparación de los déficit neurológicos producidos por el corte cuidadoso de la raíz dorsal y otros experimentos de corte neuronal con los cambios histológicos en los nervios permitió establecer las funciones y características histológicas de cada una de las familias de axones generadoras de los diversos picos del potencial de acción compuesto. En general, mientras mayor sea el diámetro de una fibra nerviosa, es mayor su velocidad de conducción. Los axones grandes participan sobre todo en la sensibilidad propioceptiva, en la función motora somática, en el tacto consciente y la presión, mientras que los axones más pequeños se encargan de transmitir sensaciones de dolor y temperatura, además de la función autónoma. Las fibras C de la raíz dorsal conducen algunos impulsos generados por el tacto y otros receptores cutáneos, además de los impulsos generados por los receptores para el dolor y la temperatura. La investigación adicional mostró que no todos los componentes de la descripción clásica con letras son homogéneos, y algunos fisiólogos usan un sistema numérico (Ia, Ib, II, III, IV) para clasificar las fibras sensitivas. Por desgracia, esto causó confusión. El cuadro 4-2 presenta la comparación del sistema numérico y el sistema de letras. Además de las variaciones en la velocidad de conducción y el diámetro de fibras, las diversas clases de fibras en los nervios periféricos difieren en su sensibilidad a la hipoxia y a los anestésicos (cuadro 4-3). Este hecho tiene importancia clínica y fisiológica. Los anestésicos locales deprimen la transmisión en las fibras del grupo C antes de que afecten a las del grupo A del tacto. Por el contrario, la presión sobre un nervio puede causar pérdida de la conducción en las fibras de diámetro grande motoras, para tacto y presión, pero la sensibilidad al dolor permanece casi intacta. A veces se ven patrones de este tipo en personas que duermen con los brazos bajo la cabeza por periodos prolongados, lo que comprime los nervios de los brazos. Por la relación del sueño profundo con la intoxicación alcohólica, el síndrome es más frecuente en los fines de semana y se le da el interesante nombre de parálisis de sábado por la noche o de domingo por la mañana. NEUROTROFINAS APOYO TRÓFICO DE LAS NEURONAS Se han aislado y estudiado varias proteínas necesarias para la supervivencia y crecimiento de las neuronas. Algunas de estas neurotrofinas son producto de los músculos u otras estructuras que las neuronas inervan, pero otras las producen los astrocitos. Estas proteínas se unen con receptores en las terminaciones de una neurona. Se interiorizan y luego se trasladan por transporte retrógrado hasta el cuerpo celular neuronal, donde fomenta la producción de proteínas relacionadas con el desarrollo, crecimiento y supervivencia de las neuronas. Otras neurotrofinas se producen en las neuronas y se transportan en forma anterógrada hasta la terminación nerviosa, donde mantienen la integridad de la neurona postsináptica. CUADRO 42 Clasificación numérica que se usa algunas veces para las neuronas sensitivas Número Origen Tipo de fibra Ia Huso muscular, terminación anular-espiral Aα Ib Órgano tendinoso de Golgi Aα II Huso muscular, terminación en ramo de flores; tacto, presión Aβ III Receptores para dolor y frío; algunos receptores para contacto Aδ IV Receptores para dolor, temperatura y otros Raíz dorsal C 90 SECCIÓN II Fisiología de las células nerviosas y musculares CUADRO 43 Susceptibilidad relativa de las fibras nerviosas A, B y C de los mamíferos al bloqueo de la conducción producido por varios agentes Regeneración axónica La más susceptible Intermedia La menos susceptible Hipoxia B E C Presión A B C Anestésicos locales C B A Susceptibilidad a: RECUADRO CLÍNICO 4-2 RECEPTORES En el cuadro 4-4 se presentan cuatro neurotrofinas ya establecidas y sus tres receptores de gran afinidad. Cada uno de estos receptores trk forma dímeros, lo cual inicia la autofosforilación en los dominios citoplásmicos de la tirosina cinasa citoplásmica de los receptores. Hay un receptor NGF adicional de baja afinidad que es una proteína de 75 kDa, se llama p75NTR. Este receptor se une con las cuatro neurotrofinas listadas con igual afinidad. Existe cierta evidencia de que puede formar un heterodímero con un monómero trk A y que el dímero tiene mayor afinidad y especificidad para NGF. Sin embargo, ahora parece que los receptores p75NTR pueden formar homodímeros que en ausencia de receptores trk inducen apoptosis, un efecto contrario a los efectos usuales de las neurotrofinas: promover el crecimiento y la nutrición. ACCIONES La primera neurotrofina que se clasificó fue NGF, un factor de crecimiento proteínico necesario para el crecimiento y mantenimiento de las neuronas simpáticas y algunas neuronas sensitivas. Está presente en un amplio espectro de especies animales, incluidos los humanos, y se encuentra en muchos tejidos distintos. Los ratones macho tienen una concentración muy alta en las glándulas salivales submandibulares y con la castración, el nivel disminuye a un punto igual al que se observa en las hembras. El factor está formado por dos subunidades α, dos β y dos γ. Las subunidades β, cada una con masa molecular de 13 200 Da, tienen actividad promotora del crecimiento nervioso; las subunidades α tienen actividad similar a la tripsina, y las subunidades γ son proteasas de serina. Se desconoce la función de las proteasas. La estructura de la subunidad β de NGF se parece a la de la insulina. CUADRO 44 Neurotrofinas Neurotrofina Receptor Factor de crecimiento nervioso (NGF) trk A Factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) trk B Neurotrofina 3 (NT-3) trk C, menos en trk A y trk B Neurotrofina 4/5 (NT-4/5) trk B El daño a los nervios periféricos a menudo es reversible. Aunque el axón degenera en la porción distal al daño, muchas veces sobreviven los elementos conectivos del llamado muñón distal. La germinación axónica se produce en el muñón proximal, y crece hacia la terminación nerviosa. Esto se debe a factores promotores del crecimiento secretados por las células de Schwann que atraen a los axones hacia el muñón distal. Las moléculas de adhesión de la superfamilia de inmunoglobulina (p. ej., NgCAM/L1) promueven el crecimiento axónico en las membranas celulares y matrices extracelulares. Las moléculas inhibidoras en el perineuro aseguran que los axones en regeneración crezcan en la trayectoria correcta. Los muñones distales desnervados son capaces de estimular la producción de neurotrofinas que fomentan el crecimiento. Una vez que el axón regenerado alcanza su objetivo, se forma una nueva conexión funcional (p. ej., unión neuromuscular). La regeneración permite la recuperación considerable, aunque no completa. Por ejemplo, es posible que haya daño permanente del control motor fino porque algunas neuronas motoras se guían a una fibra motora inapropiada. Sin embargo, la recuperación de los nervios periféricos luego del daño rebasa por mucho la de las vías nerviosas centrales. El muñón proximal de un axón dañado en el SNC formará gemaciones cortas, pero es rara la recuperación del muñón distal y es improbable que los axones dañados formen nuevas sinapsis. Esto se debe a que las neuronas del SNC no tienen las sustancias químicas promotoras del crecimiento necesarias para la regeneración. De hecho, la mielina del SNC es un inhibidor potente del crecimiento axónico. Además, después de la lesión del SNC hay varios fenómenos que forman un ambiente inapropiado para la regeneración: proliferación de astrocitos, activación de microglia, formación de cicatriz, inflamación e invasión de células inmunitarias. Por tanto, el tratamiento de las lesiones cerebrales y espinales a menudo se enfoca en la rehabilitación y no en la reversión del daño nervioso. La investigación nueva se enfoca en identificar maneras para iniciar y mantener el crecimiento axónico, dirigir los axones en regeneración para conectarse de nuevo con sus neuronas blanco y reconstituir los circuitos neuronales originales. Las neuronas captan el NGF y lo transportan en forma retrógrada desde las terminaciones de las neuronas a los cuerpos celulares. También está presente en el cerebro y al parecer está encargado del crecimiento y mantenimiento de las neuronas colinérgicas en el prosencéfalo basal y el núcleo estriado. La inyección de antisuero contra NGF en animales neonatos causa la destrucción casi total de los ganglios simpáticos; por tanto, produce una inmunosimpatectomía. Hay evidencia de que el mantenimiento de las neuronas mediante NGF se debe a la disminución de la apoptosis. El factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), la neurotrofina-3 (NT-3), NT-4/5 y NGF mantienen cada uno un patrón distinto de neuronas, aunque existe cierta superposición. La alteración de NT-3 mediante eliminación génica causa pérdida marcada de mecanorreceptores cutáneos, incluso en los sujetos heterocigóticos. El BDNF actúa con rapidez y en realidad puede despolarizar las neuronas. Los ratones con deficiencia de CAPÍTULO 4 Tejido excitable: nervio BDNF pierden neuronas sensitivas periféricas; también presentan cambios degenerativos graves en los ganglios vestibulares y amortiguación de la potenciación a largo plazo. OTROS FACTORES QUE AFECTAN EL CRECIMIENTO NEURONAL La regulación del crecimiento neuronal es un proceso complejo. Las células de Schwann y los astrocitos producen factor neurotrófico ciliar (CNTF). Este factor promueve la supervivencia de las neuronas espinales dañadas y embrionarias, y es posible que sea valioso como tratamiento de enfermedades humanas que presentan degeneración de las neuronas motoras. El factor neurotrófico derivado de la línea celular neuroglial (GDNF) mantiene las neuronas dopaminérgicas del mesencéfalo in vitro. Sin embargo, los animales con bloqueo génico para GDNF tienen neuronas dopaminérgicas que parecen normales, aunque no tienen riñones y no desarrollan el sistema nervioso entérico. Otro factor que intensifica el crecimiento de las neuronas es el factor inhibidor de leucemia (LIF). Además, las neuronas y otras células responden al factor de crecimiento similar a la insulina tipo I (IGF-I) y las diversas formas del factor transformador de crecimiento (TGF), factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) y factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF). El recuadro clínico 4-2 compara la capacidad de regeneración de las neuronas después de una lesión nerviosa central y periférica. RESUMEN DEL CAPÍTULO ■ ■ ■ ■ ■ ■ Hay dos tipos principales de neuroglia: microglia y macroglia. Las microgliales son células limpiadoras. La macroglia incluye oligodendrocitos, células de Schwann y astrocitos; los primeros dos participan en la formación de mielina; los astrocitos producen sustancias que tienen tropismo para las neuronas y ayudan a mantener la concentración adecuada de iones y neurotransmisores. Las neuronas están formadas por un cuerpo celular (soma), que es el centro metabólico de la neurona; dendritas que se extienden fuera del cuerpo celular y tienen abundantes ramificaciones, y un axón fibroso largo que se origina de una zona engrosada del cuerpo celular, la cresta axónica. Los axones de muchas neuronas adquieren una vaina de mielina, un complejo de proteínas y lípidos que envuelve al axón. La mielina es un aislante efectivo y la despolarización de los axones mielinizados salta de un nódulo de Ranvier al siguiente; el vertedero de corriente en el nódulo activo induce la despolarización electrotónica hasta el nivel de activación en el nódulo siguiente al potencial de acción. El transporte anterógrado ocurre a lo largo de microtúbulos que corren por el axón y requiere motores moleculares, dineína y cinesina. En las neuronas ocurren dos tipos de trastornos fisicoquímicos: potenciales locales no propagados (potenciales sinápticos, generadores o electrotónicos) y potenciales propagados (potenciales de acción). Como respuesta a un estímulo de propagación, los conductos de Na+ activados por voltaje se activan y cuando se alcanza el umbral del potencial, se produce un potencial de acción. El potencial de membrana se desplaza hacia el potencial de equilibrio para el Na+. Los conductos de Na+ cambian rápidamente a un estado cerrado ■ ■ 91 (desactivado) antes de regresar al estado de reposo. La dirección del gradiente eléctrico para Na+ se invierte durante la respuesta excesiva porque el potencial de membrana se invierte, lo cual limita la entrada de Na+. Los conductos de K+ activados por voltaje se abren y el movimiento neto de la carga positiva hacia el exterior de la célula ayuda a completar el proceso de repolarización. El retorno lento de los conductos de K+ al estado cerrado explica la poshiperpolarización, seguida de un regreso al potencial de membrana en reposo. Las fibras nerviosas se dividen en distintas categorías según el diámetro del axón, velocidad de conducción y función. Las neurotrofinas son productos de los astrocitos y se trasladan por transporte retrógrado al cuerpo de la célula neuronal, donde fomentan la producción de proteínas relacionadas con el desarrollo, crecimiento y supervivencia de las neuronas. PREGUNTAS DE OPCIÓN MÚLTIPLE Para todas las preguntas elija una sola respuesta, a menos que se indique lo contrario. 1. La distancia entre un electrodo estimulante y un electrodo de registro es de 4.5 cm. Cuando se estimula el axón, el periodo de latencia es 1.5 ms. ¿Cuál es la velocidad de conducción del axón? A) 15 m/s B) 30 m/s C) 40 m/s D) 67.5 m/s E) No puede determinarse con la información presentada. 2. ¿Cuál de los siguientes tiene la menor velocidad de conducción? A) Fibras Aα B) Fibras Aβ C) Fibras Aγ D) Fibras B E) Fibras C 3. Un varón cae en un sueño profundo con un brazo bajo la cabeza. Cuando despierta, su brazo está paralizado, pero siente hormigueo y la sensibilidad dolorosa aún está intacta. La razón de la pérdida de función motora sin pérdida de la sensibilidad al dolor es que en los nervios de su brazo: A) las fibras A son más susceptibles a la hipoxia que las fibras B B) las fibras A son más sensibles a la presión que las fibras C C) las fibras C son más sensibles a la presión que las fibras A D) los nervios motores se afectan más por el sueño que los nervios sensitivos E) los nervios sensitivos están más cercanos al hueso que los nervios motores y por tanto, se afectan menos con la presión 4. ¿Qué parte de la neurona tiene la mayor concentración de conductos de Na+ por milímetro cuadrado de membrana celular? A) dendritas B) dendritas cercanas al cuerpo celular C) segmento inicial D) membrana axónica bajo la mielina E) ninguna de las anteriores 5. ¿Cuál de las siguientes declaraciones sobre el factor de crecimiento nervioso no es verdadera? A) Está formado por tres subunidades polipeptídicas B) Facilita el proceso de apoptosis C) Es necesario para el crecimiento y desarrollo del sistema nervioso simpático D) Los nervios lo captan a partir de los órganos que inervan E) Está presente en el cerebro 92 SECCIÓN II Fisiología de las células nerviosas y musculares RECURSOS DEL CAPÍTULO Aidley DJ: The Physiology of Excitable Cells, 4th ed. Cambridge University Press, 1998. Boron WF, Boulpaep EL: Medical Physiology, Elsevier, 2005. Bradbury EJ, McMahon SB: Spinal cord repair strategies: Why do they work? Nat Rev Neurosci 2006;7:644. Catterall WA: Structure and function of voltage-sensitive ion channels. Science 1988; 242:649. Hille B: Ionic Channels of Excitable Membranes, 3rd ed. Sinauer Associates, 2001. Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM (editors): Principles of Neural Science,4th ed. McGraw-Hill, 2000. Nicholls JG, Martin AR, Wallace BG: From Neuron to Brain: A Cellular and Molecular Approach to the Function of the Nervous System, 4th ed. Sinauer Associates, 2001. Thuret S, Moon LDF, Gage FH: Therapeutic interventions after spinal cord injury. Nat Rev Neurosci 2006;7:628. Volterra A, Meldolesi J: Astrocytes, from brain glue to communication elements: The revolution continues. Nat Rev Neurosci 2005;6:626. Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology. McGraw-Hill, 2008. C A P Í T U L O Tejido excitable: músculo 5 O B J E T I VO S Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de: ■ Diferenciar las principales clases de músculo del cuerpo. ■ Describir la constitución molecular y eléctrica del acoplamiento excitación celular-contracción. ■ Definir los filamentos delgados y gruesos, y la manera en que se deslizan para producir la contracción. ■ Diferenciar el (los) papel(es) del Ca2+ en la contracción del músculo estriado, cardiaco y liso. ■ Apreciar la diversidad de células musculares. INTRODUCCIÓN Como las neuronas, las células musculares pueden excitarse por medios químicos, eléctricos y mecánicos para producir un potencial de acción que se transmite a lo largo de sus membranas celulares. A diferencia de las neuronas, responden a estímulos mediante la activación de un mecanismo contráctil. La proteína contráctil miosina y la proteína citoesquelética actina abundan en el músculo, en donde son los principales componentes estructurales que producen la contracción. Por lo general, el músculo se divide en tres tipos: estriado, cardiaco y liso, aunque el músculo liso no constituye una sola categoría homogénea. El músculo estriado conforma la gran masa de la musculatura somática. Tiene estriaciones transversales bien desarrolladas, en condiciones normales no se contrae en ausencia de estimulación nerviosa, carece de conexiones anatómicas y funcionales entre fibras musculares individuales y casi siempre está bajo control voluntario. El músculo cardiaco también tiene estriaciones transversales, pero es funcionalmente sincitial; no obstante, está modulado por el sistema nervioso autónomo, puede contraerse en forma rítmica en ausencia de inervación externa por la presencia de células marcapaso en el miocardio que emiten descargas espontáneas (cap. 30). El músculo liso carece de estriaciones transversales y puede dividirse en dos tipos generales: músculo liso unitario (o visceral) y músculo liso multiunitario. El tipo que se encuentra en la mayoría de las vísceras huecas funciona como sincitio y contiene marcapasos que emiten descargas irregulares. El tipo multiunitario se encuentra en el ojo y en algunos otros sitios, no tiene actividad espontánea y se parece al músculo estriado en su capacidad para la contractilidad graduada. MORFOLOGÍA DEL MÚSCULO ESTRIADO músculos comienza y termina en tendones, y las fibras musculares están dispuestas en forma paralela entre los extremos tendinosos, por lo que la fuerza de contracción de las unidades es aditiva. Cada fibra muscular es una sola célula multinucleada, larga, cilíndrica, rodeada por una membrana celular: el sarcolema (fig. 5-1). No hay puentes sincitiales entre las células. Las fibras musculares están formadas por miofibrillas, las cuales se dividen en filamentos individuales. Estos miofilamentos contienen varias proteínas que en conjunto conforman la maquinaria contráctil del músculo estriado. ORGANIZACIÓN El músculo estriado está formado por fibras musculares individuales que son los “bloques de construcción” del sistema muscular en el mismo sentido que las neuronas son los bloques de construcción del sistema nervioso. La mayoría de los 93 94 SECCIÓN II Fisiología de las células nerviosas y musculares A Cisterna terminal Retículo Túbulos transversales sarcoplásmico Sarcolema (membrana de la fibra muscular) Filamentos Mitocondria Miofibrilla B Disco Z Sarcómera Disco Z C Tropomiosina Filamento delgado (F-actina) Troponina Actina Filamento grueso (miosina) FIGURA 5-1 Músculo estriado de mamífero. Se separó una sola fibra muscular rodeada por su sarcolema para mostrar las miofibrillas individuales. La superficie seccionada de las miofibrillas muestra la disposición de filamentos gruesos y delgados. El retículo sarcoplásmico, con sus túbulos transversales (T) y cisternas terminales, rodea a cada miofibrilla. Los túbulos T se invaginan desde el sarcolema y hacen contacto con las miofibrillas dos veces en cada sarcómera. Las mitocondrias se encuentran entre las miofibrillas, y la lámina basal rodea el sarcolema. (Reproducida, con autorización a partir de Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [eds.]: Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000.) El mecanismo contráctil del músculo estriado depende sobre todo de las proteínas miosina II, actina, tropomiosina y troponina. La troponina está formada por tres subunidades: troponina I, troponina T y troponina C. Otras proteínas importantes del músculo se encargan de mantener a las proteínas que participan en la contracción en una relación estructural apropiada entre sí y con la matriz extracelular. CAPÍTULO 5 Tejido excitable: músculo Banda A Banda I Banda H Línea Z 95 Línea M FIGURA 5-2 Micrografía electrónica del músculo gastrocnemio humano. En la parte superior se identifican las diversas bandas y líneas (× 13 500). (Por cortesía de Walker SM, Schrodt GR.) filamentos gruesos, que tienen un diámetro dos veces mayor que los delgados, están formados por miosina; los filamentos delgados están compuestos por actina, tropomiosina y troponina. Los filamentos gruesos están alineados para formar las bandas A, mientras que la disposición de los filamentos delgados se extiende fuera de la banda A y hacia el interior de las bandas I, con tinción menos densa. Las bandas H más claras en el centro de las bandas A son las regiones en las que los filamentos delgados no se superponen con los gruesos cuando el músculo está relajado. Las líneas Z permiten el anclaje de los filamentos delgados. Si se examina un corte transversal a través de la banda A al microscopio electrónico, se ve que cada filamento está rodeado por seis filamentos delgados con un patrón hexagonal regular. ESTRIACIONES Las diferencias en los índices de refracción de las diversas partes de la fibra muscular son las causantes de las estriaciones transversales características del músculo estriado cuando se ve al microscopio. Con frecuencia, las partes de las estriaciones transversales se identifican con letras (fig. 5-2). La banda clara I está dividida por la línea oscura Z, y la banda oscura A tiene la banda H más clara en su centro. Se observa una línea M transversal en la parte intermedia de la banda H; esta línea más las áreas claras estrechas a ambos lados a veces se llama zona seudo-H. El área entre dos líneas Z adyacentes se llama sarcómera. La figura 5-3 muestra la disposición ordenada de la actina, miosina y proteínas relacionadas que produce este patrón. Los Sarcómera Banda A Actina Línea Z A Línea Z Filamento grueso Filamento delgado Miosina Relajada Actina Línea Z Contraída B Línea M Tropomiosina I C T Troponina I C T Actina C Actina Miosina D FIGURA 5-3 A) Disposición de los filamentos delgados (actina) y gruesos (miosina) en el músculo estriado (comparar con la fig. 5-2). B) Deslizamiento de la actina sobre la miosina durante la contracción, por lo que las líneas Z se aproximan entre sí. C) Detalle de la relación de la miosina y la actina en una sarcómera individual, la unidad funcional del músculo. D) Representación diagramática de la disposición de la actina, tropomiosina y troponina de los filamentos delgados en relación con un filamento grueso de miosina. Las cabezas globulares de la miosina interactúan con los filamentos delgados para producir la contracción. Nótese que los filamentos gruesos de miosina revierten la polaridad en la línea M en la parte media de la sarcómera, lo que permite la contracción. (C y D están modificadas con autorización a partir de Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [eds.]: Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000.) 96 SECCIÓN II Fisiología de las células nerviosas y musculares La forma de la miosina que se encuentra en el músculo es la miosina II, con dos cabezas globulares y una cola larga. Las cabezas de las moléculas de miosina forman puentes cruzados con la actina. La miosina contiene cadenas pesadas y ligeras, y las cabezas están formadas por las cadenas ligeras y las porciones amino terminales de las cadenas pesadas. Estas cabezas contienen el sitio de unión de la actina y un sitio catalítico que hidroliza el ATP. Las moléculas de miosina están dispuestas en forma simétrica a ambos lados del centro de la sarcómera y es esta disposición la que crea las áreas claras en la zona seudo-H. La línea M es el sitio de inversión de la polaridad de las moléculas de miosina en cada filamento grueso. En estos puntos hay conexiones cruzadas más ligeras que mantienen los filamentos gruesos con la disposición adecuada. Cada filamento grueso contiene varios cientos de moléculas de miosina. Los filamentos delgados son polímeros compuestos por dos cadenas de actina que forman una doble hélice larga. Las moléculas de tropomiosina son filamentos largos situados en la hendidura entre las dos cadenas de actina (fig. 5-3). Cada filamento delgado contiene 300 a 400 moléculas de actina y 40 a 60 moléculas de tropomiosina. Las moléculas de troponina son pequeñas unidades globulares situadas a intervalos a lo largo de las moléculas de tropomiosina. Cada una de las tres subunidades de la troponina tiene una función única: la troponina T une los elementos de la troponina con la tropomiosina; la troponina I inhibe la interacción de la miosina con la actina, y la troponina C contiene los sitios de unión para el Ca2+ que ayuda a iniciar la contracción. Algunas proteínas estructurales adicionales que son importantes para la función del músculo estriado incluyen actinina, titina y desmina. La actinina se une con las líneas Z. La titina, la proteína más grande conocida (con peso molecular cercano a 3 000 000 Da), conecta las líneas Z con las líneas M y proporciona un andamiaje para la sarcómera. Contiene dos tipos de dominios plegados que brindan elasticidad al músculo. Primero, cuando el músculo se estira existe relativamente poca resistencia conforme el dominio se despliega, pero con el estiramiento adicional hay un aumento rápido en la resistencia que protege la estructura de la sarcómera. La desmina agrega estructura a las líneas Z, en parte por la unión de las líneas Z a la membrana plasmática. Aunque estas proteínas son importantes en la estructura y función muscular, no son todas las que existen. SISTEMA SARCOTUBULAR Las fibrillas musculares están rodeadas por estructuras conformadas por membranas que aparecen en las micrografías electrónicas como vesículas y túbulos. Estas estructuras forman el sistema sarcotubular, que está formado por un sistema T y un retículo sarcoplásmico. El sistema T de túbulos transversales, que se continúa con el sarcolema de la fibra muscular, forma una rejilla perforada por las fibrillas musculares individuales (fig. 5-1). El espacio entre las dos capas del sistema T es una extensión del espacio extracelular. El retículo sarcoplásmico, que forma una cortina irregular alrededor de cada una de las fibrillas, tiene cisternas terminales grandes en contacto estrecho con el sistema T en las uniones entre las bandas A e I. En estos puntos de contacto, la di