Fisiología celular

Las células son capaces de detectar cambios en el ambiente que les rodea y modificar su funcionamiento en consecuencia.

Las funciones de relación les permite a los organismos unicelulares adaptarse al medio (cantidades de nutrientes, superficies, tóxicos, realación con otros organismos...).
En organismos pluricelulares les permite reaccionar en coordinación con otras células

La función de realación celular requiere:

Un receptor del estímulo

Alguna estructura capaz de detectar un cambio en el medio

Un proceso de amplificación

El estímulo suele ser mucho menor que el efecto
Suelen producirse gracias a reacciones en cascada que se activan unas a otras

Una modificación del estado celular

Esta modificación puede ser:
- No permenente o de corta duración
- Permanente o de larga duración

Estímulo

Variación de un factor ambiental. Puede ser externo o interno

Recerptores de estímulos

Suele ser una proteína de membrana que se modifica con una variable del medio
Son muy variadas en cuanto al estímulo al que responden y mecanismo de acción

- Químico
- Electromagnético
- Contacto
- Temperatura

Acción del estímulo

Suele implicar a un mensajero intracelular (en algunas hormonas puede ser la misma sustancia química exterior)

El mensajero intracelular puede actuar :

A nivel citoplasmático

Activa o inhibe proteínas alostéricas o reguladas covalentemente
- Efectos rápidos y fácilmente reversibles: proteínas alostéricas
- Efectos más duraderos interviene la regulación covalente
La acción suele ser fácilmente reversible al cesar el estímulo y recuperar las proteínas su estado inicial

Ejemplos: Movimientos, secreciones, excitación eléctrica

A nivel genético

El mensajero intracelular activa o inhibe proteínas reguladoras de los genes
Se activan o inhiben genes
La célula modifica su estado. Esta modificación puede ser permanaente

Ejemplos: Diferenciación celular

Al ser enormemente variadas las acciones que pueden realizar las células se estudiarán una serie de ejemplos

La adrenalina es una hormona de pequeño tamaño molecular derivada del aminoácido tirosina Actúa en los animales poniéndolos en alerta. Por ello es conocida como la hormona del estrés En los vertebrados se segrega en las glándulas suprarrenales y se difunde por el istema circulatorio actuando sobre diferentes tipos celulares:

- Aumento de glucosa en sangre producida por células hepáticas
- Aumento de glucosa en músculo
- Liposlisis en adipocitos
- Vasoconstricción por contracción de músculo liso de vasos sanguíneos
- Aumento del ritmo cardiaco
- Aumento del ritmo respiratorio
- Bronquiodilatación
- Aumento de la actividad cerebral

En cada célula los efectos sondiferentes aunque los receptores celulares son solo de dos tipos: alfa y beta adrenérgicos:

Adrenalina

El las células hepáticas la adrenalina tiene los siguientes efectos:

• Unión a receptores alfa adrenérgicos
• Los receptores activan la adenilatociclasa (enzima trasmembranal)
• La adenilatrociclasa activada convierte ATP en AMPc
• El AMPc activa una proteína Kinasa PKa
• La PKa fosforila diversas proteínas cambiando el metabolismo del hepatocito
  • Activa la Glucógeno-fosforilasa (glucógeno + ATP -> Glucosa 1P + ADP)
  • Inhibe Glucógeno-sintetasa
  • Activa las rutas de salida de glucosa del adipocito
  • Inhibe otras reacciones que metabolizan glúcidos en el hepatocito y activa las que la obtienen glucosa.

Estos efactos causan una reacción en cadena:

- Un receptor adrenérfico crea cientos de AMPc por segundo
- Los AMPc activan a cientos de PKa
- Las PKa activan Glocógenofosforilasas
- Cada glucógenofosforilasa libera cientos o miles de glucosas por segundo

 

Otros tipos celulares con estos mismos u otros receptores adrenérgicos tienen otros efectos.

Los animales tienen un sistema de trasmisión de información rápido y específico; el sistema nervioso.

El sistema se basa en unas células especializadas en la trasmisión del impulsos denominadas neuronas
Las neuronas son células de formas variables pero generalmente muy tramificadas
En ellas se distingue:

Un cuerpo celular que se encarga del metabolismo de la célula e integrar la información recibida Unas dendritas encargadas de recoger el eimpulso nervioso Un axón encargado de trasmitirlo Unos pies terminales donde se vierten sustancias químicas llamadas neurotrasmisores a la siguiente célula

La información que es capaz de trasmitir la neurona es de tipo eléctrico y viaja en la dirección dendritas->cuerpo->axón
Lo hace mediante impulsos eléctricos que recorren la neurona a gran velocidad (varios m/s)
La neurona en reposo se encuentra polarizada; tiene una carga interna negativa de unos 70 mV
Los impulsos nerviosos consisten en la propagación de esta carga

Entre células la información es de tipo químico:
Las dendritas toman el mensaje de sustancias químicas y los pies terminales también vierten sustancias químicas a la siguiente célula.

Potencial en reposo

La neurona se mantiene polarizada por proteínas de membranas que extraen iones positivos
La más importante es la ATPasa de Na/K que extrae del citoplasma iones Na+ y mete iones K+. Saca 3 Na e introduce 2 K por cada ATP consumido

Recepción de estímulos

Se realiza en las dendritas
Tienen proteínas receptoras de sustancias. Normalmente neurotrasmisores de otras neuronas
Al entrar en contacto el neurotrasmisor con la proteína de membrana esta abre un poro iónico que deja entrar Na a favor de gradiente
La dendrita se despolariza
Cuando el neurotrasmisor desaparece (se secuestra, elimina o diluye) el poro se cierra y la ATPase Na/K restablece la polaridad

Integración de estímulos Las dendritas despolarizan en diferente medida la célula. Esta despolarización se extiende hasta el cuerpo celular. Si la despolarización alcanza la salida del axón se produce el impulso nerviso Transmisión del impulso nervioso por el axón El impulso recorre el axón garcias a canales de Na y canales de K que se encuentran en su membrana La despolarización abre los canales de Na por lo que entra este ión aumentando la despolarización y despolarizando las zonas adyacentes del axón. De este modo avanza el impulso
	Los canales de K se abren con menos velocidad por lo que dejan salir el K del interior celular a favor de gradiente La célula se repolariza Con la célula repolarizada se cierran los canales de Na y de K Para restablecer los niveles de Na y K actua la ATPasa de Na/K Hasta que no se restablecen los niveles altos de K y bajos de Na en el interior celular no se puede trasmitir otro impulso El tiempo que requiere este proceso se denomina periodo refractario

Vertido de neurotrasmisores en pies terminales

El paso del impulso nervioso a otras células no es de tipo eléctrico sino de tipo químico. Las neuronas vierten neurotrasmisores incluidos en vesículas en los pies terminales. Las células a las que se vierten los neurotrasmisores están próximas pero no en contacto físico. Las vesículas han viajados desde el cuerpo celular por los axones dirigidas por microtúbulos Cuando el pie se depolariza las vesículas conectan con la membrana y vierten su contenido: los neurotrasmisores A esta zona de contacto entre células se le conoce como sinápsis El espacio donde se vierte recibe el nombre de espacio sináptico Los neurotrasmisores han de actuar poco tiempo por lo que son rápidamente secuestrados o inactivados

Los animales son capaces de realizar movimientos muy rápidos gracias a unas células contráctiles llamadas células musculares

La contracción de las células musculares es debida al avance de una proteína llamada miosina sobre microfilamentos de actina con consumo de ATP. La miosina tiene una zona globular móvil, la cabeza, y una zona fibrilar, la cola, con la que se une a otras moléculas.

Las moléculas de actina se unen a otras proteínas en el denominado disco Z del que parten filamentos en ambos sentidos
Las moléculas de miosina se unen unas a otras formando unos filamentos gruesos.
Los filamentos de actina y miosina se intercalan en una simetría exagonal

 

En presencia del ión calcio (Ca++) y de ATP en el citoplasma, las células musculares se contraen al avanzar las cabezas de miosina sobre los filamentos de actina. Si se elimina el ión Ca del citoplasma una proteína impide la fijación de la miosina a la actina de modo que la fibra se relaja. En ausencia de ATP la miosina no puede separarse de la actina de modo que la fibra queda fija y sin movimiento. Este es el motivo por el cual los animales quedan rígidos unos minutos tras la muerte (rigor mortis) Las células musculares deben controlar, pues, la concentración de Ca en el citoplasma. Si se busca una contración y relajación rápida, como ocurre en el músculo esqueléticos, las concentraciones deben crecer rápida y homogéneamente en la célula, por lo que el Ca deberá invadir toda la célula en fracciones de segundo. El secuestro de Ca también debe ser muy rápido en la relajación.   Movimiento de actina y miosina

Contracción de una célula muscular estriada

Las células musculares estruadas son células especializadas en la contracción (y relajación) rápida

Célula en reposo

La célula muscular estriada se mantiene polarizada por proteínas de membranas que extraen iones positivos.
El mecanismo es semejante al de las células nerviosas.
La ATPasa de Na/K que extrae del citoplasma Na y mete K. Saca 3 Na e introduce 2 K por cada ATP consumido.
Una célula muscular estriada tiene en reposo una carga interna de unos - 60 mV

En reposo el Ca se encuentra ausente del citoplasma gracias a unas ATPasas de calcio que lo introducen en el retículo sarcoplásmico (retículo endoplasmático de las células musculares) o lo expulsan al exterior por la membrana plasmática.

Recepción de estímulos

Las células estriadas reciben neurotrasmisores de las neuronas en las llamadas placas motrices donde se localizan las sinapsis neurona - célula muscular.
El neurotrasmisor más frecuente es acetilcolina

La acetilcolina abre unos canales de Na despolarizando la célula
La despolarización avanza por toda la célula muscular como lo hacían los axones de la neurona

Mensajero intracelular : Ca++

La despolarización abre unos canales de Ca del retículo y la membrana
El nivel de Ca citoplasmático crece rápidamente

Contracción

El Ca libera la actina de modo que la miosina avanza sobre ella consuminedo ATP y produciendo movimiento

Relajación

El neurotrasmisor desaparece de la sinapsis
Se cierran los canales de Na
La polarización de la célula muscular se reestablece por la ATP asa de Na/K
Los poros de Na se cierran
El calcio se secuestra por las ATPasas del retículo y la membrana
La miosina no puede fijarse a la actina
La célula muscular se relaja

Periodo refractario

Al igual que en las células nerviosas las células musculares no pueden realizar una nueva contracción hasta que las condiciones sean semejantes a las iniciales

Estructura de una célula muscular estriada

La estructura de las células musculares está ajustada para la contracción rápida y efectiva, especialemte en el músculo estriado:

Las células son sincitios continuos
La despolarización se estiende rápidamente por toda la longitud de la célula que puede medir varios cm.

Las fibras de actina y miosina forman paquetes ininterrumpidos
Permite una contracción de un miofibrilla completa en toda la longitud celular

Núcleos, mitocondrias y otros orgánulos quedan en la periferia
Facilita el trabajo mecánico e impide daños en organulos por tensiones

El retículo endoplasmático se especializa en la absorción de calcio y rodea las fibras
La liberación de calcio se realiza en los lugares de unión de actina-miosina por lo que el proceso es más rápido

La membrana se invagina en el interior celular en íntimo contacto con el retículo sarcoplásmico
permite la despolarización más rápida y la salida de iones de Ca del retículo