Transporte de agua y la regulación del volumen celular (homeostasis del volumen celular) Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Importancia de la regulación del volumen celular Contenidos de la clase Importancia de la regulación del volumen celular Tipos de cambios en el volumen celular Fuerzas involucradas en movimiento de agua: gradiente osmótico y presión hidrostática Osmosis, presión osmótica efectiva, van´t Hoff Osmolalidad versus tonicidad Disminución reguladora del volumen Aumento regulador del volumen Osmolitos orgánicos y su importancia Regulación de “genes osmorreguladores” Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Importancia de regular el volumen celular Regular el volumen celular es fundamental para la función celular. El volumen celular influye sobre procesos como el transporte transepitelial, la migración celular, la proliferación y la muerte celular. Cambios en el volumen celular funcionan como señales en una serie de procesos fisiológicos. 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Los cambios del volumen celular se agrupan en 2 categorías Anisoosmóticos: se dan por cambios en la osmolalidad del LEC. Condiciones fisiológicas: médula renal, células en epitelio gastrointestinal. 2. Isoosmóticos: 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.

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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Determinantes del volumen celular Contenido celular de osmoles. Tonicidad extracelular. Membranas celulares son muy permeables al agua (alta concentración de AQP). Membranas celulares son poco permeables a los iones. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Movimiento de agua a través de membranas celulares Membranas celulares son muy permeables al agua. Paso de agua a través de las membranas celulares es un proceso PASIVO. Ósmosis Presión hidrostática NO es una fuerza que impulse el movimiento de agua entre el LEC y el LIC. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

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 ∆). Cuerpo se encuentra en equilibrio osmótico: todos los compartimientos líquidos tienen la misma osmolalidad. No hay diferencias en presión osmótica entre LEC y LIC. Dra. 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada 9

Presión osmótica: propiedad coligativa Osmosis: paso de agua por una membrana semipermeable, desde donde hay menos soluto hacia donde hay más soluto. Presión osmótica: propiedad coligativa Fuerza que se tendría que aplicar a A para evitar paso de agua de B a A Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada 10

Ley de Van´t Hoff Permite calcular la presión osmótica = (nCRT) 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.

Coeficientes osmóticos: dependen de cada compuesto, de su concentración y temperatura 12

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

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 14 14

Tonicidad de una solución Propiedad fisiológica: describe cómo una solución afecta el volumen celular. Es importante tanto la osmolalidad como la permeabilidad de la membrana celular al soluto. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

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. Table 5-7

Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada Figure 5-30a Silverthorn Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada Figure 5-31 Silverthorn

Turgencia y retracción osmótica de las células 19

Regulación del volumen celular Agua se encuentra en equilibrio termodinámico a través de las membranas celulares. La osmolalidad del LEC y del LIC son iguales en condiciones de estado estacionario. Al aparecer un gradiente osmótico se genera un flujo de agua. El equilibrio de la osmolalidad entre LEC y LIC se da por desplazamientos de agua y NO de los solutos. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Tonicidad y osmolalidad de una solución Isoosmótica: Una solución con 290 mOsm/kg de soluto, sin importar si hay solutos permeantes o no permeantes. Hiperosmótica: Una solución con más de 290 mOsm/kg de soluto, sin importar si hay solutos permeantes o no permeantes. Hipoosmótica: Una solución con menos de 290 mOsm/kg de soluto, sin importar si hay solutos permeantes o no permeantes. Isotónica: Una solución con 290 mOsm/kg de solutos no permeantes, sin importar la concentración de solutos permeantes. Hipertónica: Una solución con más de 290 mOsm/kg de solutos no permeantes, sin importar la concentración de solutos permeantes. Hipotónica: Una solución con menos de 290 mOsm/kg de solutos no permeantes, sin importar la concentración de solutos permeantes. Tonicidad y osmolalidad 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 Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Reducción Reguladora del Volumen celular (RRV) Medio isotónico hipotónico 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

Incremento regulador del volmen celular 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Incremento regulador del volumen celular (IRV) Medio isotónico Hipertónico 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

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)

Osmolitos orgánicos Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

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 Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

¿Cómo sensan las células su propio tamaño o volumen celular? ¿Cambios en la tensión de la membrana, citoesqueleto? ¿Concentración de iones del LIC? ¿Concentración de macromoléculas? ¿Cómo se activan los canales y transportadores? Canales mecanosensibles, segundos mensajeros: calmodulina. PKC y PKA. ¿Cómo se activan e inactivan genes? Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Posibles mecanismos, directos e indirectos, de “sensar” cambios en el volumen celular Hoffmann EK, Lambert IH, Pedersen SF. Physiology of Cell Vollume Regulation in Vertebrates, Physiol. Rev. 2009; 89193-277.

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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

En el edema celular RRV 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

IRV 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada