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

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

2. 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”

3. Importancia de regular el volumencelular • 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

4. Determinantes del volumencelular • 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

5. 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

6. 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

7. 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 ∆). Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

8. 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 Silverthorn

9. 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

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

11. 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

12. 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

13. Los cambios del volumen celular se agrupan en 2 categorías 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.

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

15. 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada Table 5-7

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

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

18. Turgencia y retracción osmótica de las células

19. Tonicidad de una solución 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. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

20. 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

21. Medio isotónico Medio hipotónico RRV 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 Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

22. 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

23. Medio Hipertónico Medio isotónico IRV 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 Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

24. 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

25. 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

26. 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) Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

27. Osmolitos orgánicos Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

28. 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

29. ¿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? Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

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

31. 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

32. 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 PhysiolEdu. 2004; 28: 155-159. • Boron W.F. & Boulpaep E.L. (2009). Medical physiology. (2daed). Philadelphia: SAUNDERS. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

33. Dra. Adriana Suárez Urhan, MSc Profesora Asociada

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

35. 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