transporte de agua y la regulación del volumen celular (homeostasis del volumen celular)

Transporte de agua y la regulación del volumen celular (homeostasis

del volumen celular)

Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

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Contenidos de la clase

• Importancia de la regulación del volumen celular• Determinantes del volumen celular• Presión hidrostática y volumen celular• Movimiento de agua a través de las membranas celulares:

Osmosis, presión osmótica efectiva, Ley de van´t Hoff• Tipos de cambios en el volumen celular• Tonicidad de una solución• Reducción reguladora del volumen celular• Incremento regulador del volumen celular• Osmolitos orgánicos y su importancia• Regulación de “genes osmorreguladores”

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Importancia de regular el volumen celular

• Regular el volumen celular es fundamental para la función celular.

• El volumen celular influye sobre procesos de señalización que regulan el crecimiento celular, la proliferación y la muerte celular. La disfunción de los mecanismos de regulación del volumen celular se encuentra asociada con procesos fisiopatológicos relacionados con el control de la proliferación celular, la migración celular y la muerte celular.

• A nivel sistémico: Ej.: Si las neuronas dentro del cráneo se “hinchan” aumentando su volumen, aumenta el volumen cerebral y la presión intracraneal produciendo lesiones neurológicas.


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Determinantes del volumen celular

• Contenido celular de osmoles

• Tonicidad extracelular.

• Cuerpo se encuentra en equilibrio osmótico: todos los compartimientos líquidos tienen la misma osmolalidad. No hay diferencias en presión osmótica entre LEC y LIC.


5Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Presión hidrostática

• Presión= fuerza/área.• Fuerza que ejerce agua sobre pared del recipiente• No hay diferencia importante en presión hidrostática entre el

interior y exterior de la célula. Membranas celulares no son rígidas.

• No es una fuerza significativa que influya sobre el movimiento de agua entre el LIC y LEC.

• Si es importante en el movimiento de agua a través de paredes capilares.

• Ultrafiltración: salida de agua de un capilar debido a que predomina la presión hidrostática capilar sobre la presión osmótica o presión coloidosmótica.

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Movimiento de agua a través de membranas celulares

• Membranas celulares son muy permeables al agua (AQP) y poco permeables a iones.

• Paso de agua a través de las membranas celulares es un proceso PASIVO que se llama Ósmosis.

• Debe de existir un gradiente osmótico y permeabilidad de la membrana al agua.


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Ósmosis

•El agua pasa selectivamente a través de una membrana semi-permeable (permite el paso del agua pero no de los solutos).

•Es transporte pasivo de agua: la fuerza que lo permite es la diferencia de presión osmótica entre dos compartimientos (LIC y LEC) (gradiente osmótico ∆).


8Silverthorn

Presión osmótica: propiedad coligativa. Fuerza que se tendría que aplicar a B para

evitar paso de agua de A a B

Depende de la concentración de partículas osmóticamente activas y de si pasan a través de la membrana o no

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Ley de Van´t Hoff

Permite calcular la presión osmótica = (nCRT) Se expresa en atmósferas o mmHg

n: número de partículas en que se disocia la molécula en solución.

C: concentración molar del soluto por unidad de volumen del solvente.

R: constante de los gases ideales (0.082 atmL/mol K)

T: temperatura absoluta (K)

: coeficiente osmótico del soluto

: coeficiente de reflexión del soluto. Varia entre 0 y 1. Cero para solutos permeantes y uno para solutos impermeantes. Para ejercer presión osmótica a través de una membrana el soluto no debe atravesarla (osmol eficaz). Presión osmótica efectiva.


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Coeficientes osmóticos: dependen de cada compuesto, de su concentración y temperatura

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Costanzo LS (2006). Physiology.(3rd ed.) Philadelphia: Saunders.

Coeficiente de reflexión

Problema: Una solución de 1 mol/L de NaCl se encuentra separada de una solución de 2 mol/L de urea por una membrana semipermeble. Asuma que el NaCl se encuentra completamente disociado. Son las dos soluciones isoosmóticas y/o isotónicas? Hay flujo de agua? En qué dirección?NaCl= 0.3 T= 37C Urea= 0.05

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Coeficiente de reflexión (): no tiene unidades.

0: solutos permeables. 1: solutos impermeantes.

Tasa de flujo osmótico de agua a través de una membrana:

J = L L: constante de proporcionalidad (conductividad hidráulica)

: gradiente de presión osmótica efectiva entre LIC y LEC

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Los cambios del volumen celular se agrupan en 2 categorías

1. Estados Anisotónicos: se dan por cambios en la osmolalidad del LEC. Condiciones fisiológicas: médula renal, células en epitelio gastrointestinal.

2. Estados Isotónicos: se dan por alteraciones en el

contenido intracelular de osmoles (cambios en osmolalidad del LIC) Es lo más frecuente: Ej. Cambios en actividad metabólica, entrada de solutos, acúmulo de nutrientes y desechos.

Cambios en el volumen celular pueden ser agudos, crónicos, de inicio brusco o insidioso.


Tonicidad de una soluciónPropiedad fisiológica: describe cómo una solución afecta el volumen

celular.

Es importante tanto la osmolalidad como la permeabilidad de la membrana celular al soluto.

Solución ASolución BSolución C

15Table 5-7

Por convención siempre se expresa la tonicidad de la solución con respecto a la célula. Describe el volumen celular una vez que la célula ha alcanzado el equilibrio o estado estacionario con la solución.


16Figure 5-30a SilverthornDra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

17Figure 5-31 Silverthorn

Qué le sucede a un eritrocito al ser introducido en una solución con 300 mOsm/Kg de NaCl y en otra con 300 mOsm/kg de urea?


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Turgencia y retracción osmótica de las células

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Soluciones Isotónicas: cuando dos soluciones separadas por una membrana semipermeable tienen la misma presión osmótica efectiva.Solución Hipertónica: Tiene una mayor presión osmótica efectiva que otra solución. Solución Hipotónica: Tiene una menor presión osmótica efectiva que otra solución.

El agua se mueve de la solución de menor presión osmótica efectiva hacia la de mayor presión osmótica efectiva.

Tonicidad de una solución



Reducción reguladora del volumen celular

Reducción reguladora del volumen celular (RRV): son las respuestas celulares que se desencadenan al colocar una célula en un medio hipotónico que produce un aumento del volumen celular. La presión osmótica del LIC disminuye

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Reducción Reguladora del Volumen celular (RRV)

•Pérdida de solutos (osmoles): KCl

•Se activan canales de K+ y Cl-

•Cotransportador K+/Cl-

•Pérdida de osmolitos orgánicos: salida (por canales para aniones) Ej.: salida taurina, inhibe síntesis de osmolitos

•Cambios Metabólicos celulares: se inhibe la degradación de proteínas, estimulación síntesis glucógeno y proteínas

Medio

isotónico

Medio

hipotónico

RRV



Incremento regulador del volumen celular (IRV): son las respuestas celulares que se desencadenan al colocar una célula en un medio hipertónico que produce una disminución del volumen celular.

Incremento regulador del volmen celular

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Incremento regulador del volumen celular (IRV)

•Ganancia de solutos: KCl, NaCl

•Se activan intercambiadores: Na+/H+, Cl-/HCO3-

•Cotransportador Na+/K+/2Cl-

•Cierre de canales iónicos: K+, Cl-

•Acumulación de osmolitos orgánicos: síntesis y entrada (cotransporte activo secundario: 3Na+:1Cl-: taurina, 3Na+:2Cl-:betaina, 2Na+: mioinositol y Na+-aminoácidos)

•Cambios Metabólicos celulares: aumenta proteolisis y glucogenolisis

Medio

isotónico

Medio

HipertónicoIRV


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Las células responden a cambios en su volumen activando mecanismos de transporte en la membrana y procesos metabólicos que producen pérdida o ganancia neta de solutos de manera que la célula pueda regresar a su volumen original.


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Solutos perturbadores o no compatibles•Electrolitos (iones) y urea

•Lesionan las células o alteran el metabolismo al encontrarse en altas concentraciones.

•Pueden ocasionar:

1. desnaturalización de proteínas.

2. Cambiar el potencial de membrana

3. Alterar la tasa de reacciones catalizadas por enzimas

4. Alterar el transporte de solutos acoplado a gradientes iónicos.


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Osmolitos orgánicos

•Se les ha llamado: solutos orgánicos estabilizadores, compatibles, osmoles idiogénicos, solutos no perturbadores.

•Se pueden acumular en la célula sin causar daño.

•3 tipos: 1. Polioles: sorbitol, mioinositol, inositol;

2. Aminoácidos : taurina, alanina, prolina, glutamato

3. Metilaminas: glicerilfosforilcolina, betaína

•Se acumulan en las células por: 1. Transporte activo desde afuera. 2. Cambios en tasa de síntesis y degradación.

•Pérdida de osmolitos: 1. Salida rápida (s)

2. Regulación de la síntesis (h, días)


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Osmolitos orgánicos


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Mecanismos de acumulación y pérdida de osmolitos orgánicos

SMIT

Taurina

La regulación de la transcripción de los genes que codifican para éstas proteínas se da por medio de TonE/TonEBP


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¿Cómo sensan las células su propio tamaño o volumen celular?

• ¿Cambios en la tensión de la membrana y del citoesqueleto?

• ¿Cambios en concentración de iones del LIC?• ¿Cambios en concentración de macromoléculas?• ¿Cómo se activan los canales y transportadores?

Canales mecanosensibles, segundos mensajeros: calmodulina. PKC y PKA.

• ¿Cómo se activan e inactivan genes?


30Hoffmann EK, Lambert IH, Pedersen SF. Physiology of Cell Vollume Regulation in Vertebrates, Physiol. Rev. 2009; 89193-277.

Posibles mecanismos, directos e indirectos, de “sensar” cambios en el volumen celular

En celeste: proteína volumen sensible.

Puede ser una proteína transportadora, un sensor de volumen ó parte de sistema transductor de señales

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Adaptación a perturbaciones a largo plazo del volumen celular

• Cambios en transcripción de genes osmoreguladores: codifican proteínas involucradas en captura y síntesis de osmolitos.

• Factor de transcripción TonEBP/OREBP/NFAT5 (tonicity-responsible Enhancer Binding Protein): proteína que como un homodímero se une al ADN (en regiones TonE). Se fosforila (favorece entrada al núcleo)

• Ej.: transcripción de genes “osmoreguladores” aumenta cuando célula se somete a ambiente hipertónico.


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Referencias

• Hoffmann EK, Lambert IH, Pedersen SF. Physiology of Cell Vollume Regulation in Vertebrates. Physiol. Rev. 2009; 89193-277.

• Strange K. Cellular volume homeostasis. Advan in Physiol Edu. 2004; 28: 155-159.

• Boron W.F. & Boulpaep E.L. (2009). Medical physiology. (2da ed). Philadelphia: SAUNDERS.


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Reducción reguladora del volumen celular (RRV): son las respuestas celulares que se desencadenan al colocar una célula en un medio hipotónico que produce un aumento del volumen celular.

En el edema celular

RRV


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Incremento regulador del volumen celular (IRV): son las respuestas celulares que se desencadenan al colocar una célula en un medio hipertónico que produce una disminución del volumen celular.

IRV


transporte de agua y la regulación del volumen celular (homeostasis del volumen celular)

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