Anatomía y fisiología II
Objetivos de aprendizaje
Al finalizar esta sección, serás capaz de:
- Explicar la importancia del agua en el organismo
- Contrastar la composición del líquido intracelular con la del líquido extracelular
- Explicar la importancia de los canales proteicos en el movimiento de los solutos
- Identificar las causas y los síntomas del edema
Las reacciones químicas de la vida tienen lugar en soluciones acuosas. Las sustancias disueltas en una solución se llaman solutos. En el cuerpo humano, los solutos varían en diferentes partes del cuerpo, pero pueden incluir proteínas -incluyendo las que transportan lípidos-, carbohidratos y, muy importante, electrolitos. A menudo, en medicina, un mineral disociado de una sal que lleva una carga eléctrica (un ion) se denomina electrolito. Por ejemplo, los iones de sodio (Na+) y los iones de cloruro (Cl-) suelen denominarse electrolitos.
En el cuerpo, el agua se mueve a través de las membranas semipermeables de las células y de un compartimento del cuerpo a otro mediante un proceso denominado ósmosis. La ósmosis es básicamente la difusión de agua desde regiones de mayor concentración a regiones de menor concentración, a lo largo de un gradiente osmótico a través de una membrana semipermeable. Como resultado, el agua entrará y saldrá de las células y los tejidos, dependiendo de las concentraciones relativas del agua y los solutos que se encuentren allí. Debe mantenerse un equilibrio adecuado de solutos dentro y fuera de las células para garantizar su funcionamiento normal.
Contenido de agua en el cuerpo
Figura 1. El contenido de agua varía en los distintos órganos y tejidos del cuerpo, desde un 8% en los dientes hasta un 85% en el cerebro.
Los seres humanos son mayoritariamente agua, desde un 75% de la masa corporal en los bebés hasta un 50%-60% en los hombres y mujeres adultos, pasando por un 45% en la vejez. El porcentaje de agua corporal cambia con el desarrollo, porque las proporciones del cuerpo destinadas a cada órgano y a los músculos, la grasa, los huesos y otros tejidos cambian desde la infancia hasta la edad adulta. El cerebro y los riñones tienen las mayores proporciones de agua, que componen el 80-85 por ciento de su masa. En cambio, los dientes tienen la menor proporción de agua, entre el 8 y el 10 por ciento.
Compartimentos de líquido
Figura 2. El líquido intracelular (LCI) es el líquido que se encuentra dentro de las células. El líquido intersticial (FI) es parte del líquido extracelular (LEC) entre las células. El plasma sanguíneo es la segunda parte del LEC. Los materiales viajan entre las células y el plasma en los capilares a través del FI.
Los fluidos corporales pueden discutirse en términos de su compartimento fluido específico, una ubicación que está ampliamente separada de otro compartimento por alguna forma de barrera física. El compartimento del líquido intracelular (LCI) es el sistema que incluye todo el líquido encerrado en las células por sus membranas plasmáticas. El líquido extracelular (LEC) rodea a todas las células del organismo. El líquido extracelular tiene dos componentes principales: el componente líquido de la sangre (llamado plasma) y el líquido intersticial (FI) que rodea a todas las células que no están en la sangre.
Líquido intracelular
El LCI se encuentra dentro de las células y es el componente principal del citosol/citoplasma. El LCI constituye aproximadamente el 60 por ciento del agua total del cuerpo humano, y en un hombre adulto de tamaño medio, el LCI representa unos 25 litros (siete galones) de líquido. Este volumen de líquido tiende a ser muy estable, porque la cantidad de agua en las células vivas está estrechamente regulada. Si la cantidad de agua en el interior de una célula desciende a un valor demasiado bajo, el citosol se concentra demasiado con solutos para llevar a cabo las actividades celulares normales; si entra demasiada agua en una célula, ésta puede reventar y destruirse.
Figura 3. La mayor parte del agua del cuerpo es líquido intracelular. El segundo volumen más grande es el líquido intersticial, que rodea a las células que no son sanguíneas.
Líquido extracelular
El ECF representa el otro tercio del contenido de agua del cuerpo. Aproximadamente el 20 por ciento del LEC se encuentra en el plasma. El plasma viaja por el cuerpo a través de los vasos sanguíneos y transporta una serie de materiales, como células sanguíneas, proteínas (incluidos los factores de coagulación y los anticuerpos), electrolitos, nutrientes, gases y desechos. Los gases, nutrientes y materiales de desecho viajan entre los capilares y las células a través del FI. Las células están separadas del FI por una membrana celular selectivamente permeable que ayuda a regular el paso de materiales entre el FI y el interior de la célula.
El cuerpo tiene otros FEC basados en el agua. Entre ellos se encuentran el líquido cefalorraquídeo que baña el cerebro y la médula espinal, la linfa, el líquido sinovial de las articulaciones, el líquido pleural de las cavidades pleurales, el líquido pericárdico del saco cardíaco, el líquido peritoneal de la cavidad peritoneal y el humor acuoso del ojo. Dado que estos fluidos se encuentran fuera de las células, también se consideran componentes del compartimento ECF.
Composición de los fluidos corporales
Las composiciones de los dos componentes del ECF -el plasma y el FI- son más similares entre sí que cualquiera de ellos al ICF. El plasma sanguíneo tiene altas concentraciones de sodio, cloruro, bicarbonato y proteínas. La FI tiene altas concentraciones de sodio, cloruro y bicarbonato, pero una concentración relativamente menor de proteínas. Por el contrario, la ICF tiene cantidades elevadas de potasio, fosfato, magnesio y proteínas. En general, el LCI contiene concentraciones elevadas de potasio y fosfato ( {\text{HPO}_{4}^{2-} ), mientras que tanto el plasma como el LEC contienen concentraciones elevadas de sodio y cloruro.
Figura 4. El gráfico muestra la composición de la CIF, la FI y el plasma. Las composiciones del plasma y del FI son similares entre sí, pero son bastante diferentes de la composición del FIC.
Pregunta de práctica
Mira este vídeo para aprender más sobre los fluidos corporales, los compartimentos de fluidos y los electrolitos. Cuando el volumen sanguíneo disminuye debido a la sudoración, ¿de qué fuente toma el agua la sangre?
La mayoría de los líquidos corporales tienen carga neutra. Así, los cationes, o iones con carga positiva, y los aniones, o iones con carga negativa, están equilibrados en los fluidos. Como se ve en el gráfico anterior, los iones de sodio (Na+) y los iones de cloruro (Cl-) se concentran en el ECF del cuerpo, mientras que los iones de potasio (K+) se concentran dentro de las células. Aunque el sodio y el potasio pueden «filtrarse» a través de «poros» dentro y fuera de las células, respectivamente, los altos niveles de potasio y los bajos niveles de sodio en la CIF se mantienen gracias a las bombas de sodio-potasio de las membranas celulares. Estas bombas utilizan la energía suministrada por el ATP para bombear el sodio fuera de la célula y el potasio dentro de ella.
Figura 5. La bomba de sodio-potasio es alimentada por el ATP para transferir el sodio fuera del citoplasma y hacia el ECF. La bomba también transfiere potasio fuera del ECF y hacia el citoplasma. (crédito: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villarreal)
Movimiento de fluidos entre compartimentos
La presión hidrostática, la fuerza que ejerce un fluido contra una pared, provoca el movimiento de fluidos entre compartimentos. La presión hidrostática de la sangre es la presión que ejerce la sangre contra las paredes de los vasos sanguíneos por la acción de bombeo del corazón. En los capilares, la presión hidrostática (también conocida como presión sanguínea capilar) es mayor que la «presión osmótica coloide» opuesta en la sangre -una presión «constante» producida principalmente por la albúmina circulante- en el extremo arteriolar del capilar. Esta presión hace que el plasma y los nutrientes salgan de los capilares y vayan a los tejidos circundantes. El líquido y los desechos celulares de los tejidos entran en los capilares por el extremo venular, donde la presión hidrostática es menor que la presión osmótica del vaso. La presión de filtración exprime el líquido del plasma de la sangre hacia el FI que rodea a las células de los tejidos. El líquido sobrante en el espacio intersticial que no se devuelve directamente a los capilares es drenado de los tejidos por el sistema linfático, y luego vuelve a entrar en el sistema vascular en las venas subclavias.
Figura 6. La filtración neta se produce cerca del extremo arterial del capilar ya que la presión hidrostática capilar (CHP) es mayor que la presión osmótica coloidal de la sangre (BCOP). No hay movimiento neto de líquido cerca del punto medio del capilar ya que la CHP = BCOP. La reabsorción neta se produce cerca del extremo venoso del capilar ya que la BCOP es mayor que la CHP.
Pregunta de práctica
Mira este vídeo para ver una explicación de la dinámica de los fluidos en los compartimentos del cuerpo. Qué ocurre en los tejidos cuando la presión sanguínea capilar es menor que la presión osmótica?
La presión hidrostática es especialmente importante para gobernar el movimiento del agua en las nefronas de los riñones para asegurar el filtrado adecuado de la sangre para formar la orina. A medida que aumenta la presión hidrostática en los riñones, también aumenta la cantidad de agua que sale de los capilares y se forma más filtrado de orina. Si la presión hidrostática en los riñones desciende demasiado, como puede ocurrir en la deshidratación, las funciones de los riñones se verán afectadas y se eliminarán menos desechos nitrogenados del torrente sanguíneo. La deshidratación extrema puede provocar una insuficiencia renal.
El líquido también se mueve entre los compartimentos a lo largo de un gradiente osmótico. Recordemos que un gradiente osmótico se produce por la diferencia de concentración de todos los solutos a ambos lados de una membrana semipermeable. La magnitud del gradiente osmótico es proporcional a la diferencia de concentración de solutos a un lado de la membrana celular con respecto al otro lado. El agua se moverá por ósmosis desde el lado donde su concentración es alta (y la concentración de soluto es baja) hacia el lado de la membrana donde su concentración es baja (y la concentración de soluto es alta). En el cuerpo, el agua se mueve por ósmosis desde el plasma hacia el FI (y a la inversa) y desde el FI hacia la CIF (y a la inversa). En el cuerpo, el agua entra y sale constantemente de los compartimentos de fluidos a medida que las condiciones cambian en diferentes partes del cuerpo.
Por ejemplo, si estás sudando, perderás agua a través de la piel. La sudoración agota los tejidos de agua y aumenta la concentración de solutos en esos tejidos. Cuando esto ocurre, el agua se difunde desde la sangre hacia las glándulas sudoríparas y los tejidos cutáneos circundantes que se han deshidratado debido al gradiente osmótico. Además, a medida que el agua sale de la sangre, es reemplazada por el agua de otros tejidos del cuerpo que no están deshidratados. Si esto continúa, la deshidratación se extiende por todo el cuerpo. Cuando una persona deshidratada bebe agua y se rehidrata, el agua se redistribuye por el mismo gradiente, pero en sentido contrario, reponiendo el agua en todos los tejidos.
Movimiento de solutos entre compartimentos
El movimiento de algunos solutos entre compartimentos es activo, lo que consume energía y es un proceso de transporte activo, mientras que el movimiento de otros solutos es pasivo, lo que no requiere energía. El transporte activo permite a las células mover una sustancia específica contra su gradiente de concentración a través de una proteína de membrana, lo que requiere energía en forma de ATP. Por ejemplo, la bomba de sodio-potasio emplea el transporte activo para bombear el sodio fuera de las células y el potasio dentro de ellas, con ambas sustancias moviéndose en contra de sus gradientes de concentración.
Figura 7. Las moléculas de glucosa utilizan la difusión facilitada para moverse por un gradiente de concentración a través de los canales de la proteína portadora en la membrana. (crédito: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villarreal)
El transporte pasivo de una molécula o ion depende de su capacidad para atravesar la membrana, así como de la existencia de un gradiente de concentración que permita a las moléculas difundirse desde una zona de mayor concentración a otra de menor. Algunas moléculas, como los gases, los lípidos y el propio agua (que también utiliza canales de agua en la membrana llamados acuaporinas), se deslizan con bastante facilidad a través de la membrana celular; otras, incluidas las moléculas polares como la glucosa, los aminoácidos y los iones, no. Algunas de estas moléculas entran y salen de las células mediante el transporte facilitado, por el que las moléculas se mueven por un gradiente de concentración a través de canales proteicos específicos en la membrana. Este proceso no requiere energía. Por ejemplo, la glucosa se transfiere al interior de las células mediante transportadores de glucosa que utilizan el transporte facilitado.
Trastornos del equilibrio de líquidos: Edema
El edema es la acumulación de exceso de agua en los tejidos. Es más frecuente en los tejidos blandos de las extremidades. Las causas fisiológicas del edema incluyen la fuga de agua de los capilares sanguíneos. El edema casi siempre está causado por una condición médica subyacente, por el uso de ciertos medicamentos terapéuticos, por el embarazo, por una lesión localizada o por una reacción alérgica. En las extremidades, los síntomas del edema incluyen la hinchazón de los tejidos subcutáneos, un aumento del tamaño normal de la extremidad y una piel estirada y tensa. Una forma rápida de comprobar si hay un edema subcutáneo localizado en una extremidad es presionar con un dedo la zona sospechosa. El edema es probable si la depresión persiste durante varios segundos después de retirar el dedo (lo que se denomina «picadura»).
El edema pulmonar es el exceso de líquido en los sacos de aire de los pulmones, un síntoma común de insuficiencia cardíaca y/o renal. Las personas con edema pulmonar probablemente experimentarán dificultad para respirar y pueden experimentar dolor en el pecho. El edema pulmonar puede poner en peligro la vida, ya que compromete el intercambio de gases en los pulmones, y cualquier persona que presente síntomas debe buscar inmediatamente atención médica.
En el edema pulmonar resultante de la insuficiencia cardíaca, se produce una fuga excesiva de agua porque los líquidos se «acumulan» en los capilares pulmonares de los pulmones, cuando el ventrículo izquierdo del corazón es incapaz de bombear suficiente sangre a la circulación sistémica. Dado que el lado izquierdo del corazón no puede bombear su volumen normal de sangre, la sangre de la circulación pulmonar se «acumula», empezando por la aurícula izquierda, luego en las venas pulmonares y después en los capilares pulmonares. El aumento de la presión hidrostática resultante dentro de los capilares pulmonares, ya que la sangre sigue llegando desde las arterias pulmonares, hace que el líquido sea empujado fuera de ellos y hacia los tejidos pulmonares.
Otras causas de edema incluyen el daño a los vasos sanguíneos y/o a los vasos linfáticos, o una disminución de la presión osmótica en la enfermedad hepática crónica y grave, en la que el hígado es incapaz de fabricar proteínas plasmáticas. La disminución de los niveles normales de proteínas plasmáticas provoca una disminución de la presión osmótica coloide (que contrarresta la presión hidrostática) en los capilares. Este proceso provoca la pérdida de agua de la sangre a los tejidos circundantes, lo que da lugar a un edema.
Figura 8. Una reacción alérgica puede hacer que los capilares de la mano pierdan el exceso de líquido que se acumula en los tejidos. (Crédito: Jane Whitney)
El edema leve y transitorio de los pies y las piernas puede ser causado por estar sentado o de pie en la misma posición durante largos periodos de tiempo, como en el trabajo de un cobrador de peaje o un cajero de supermercado. Esto se debe a que las venas profundas de los miembros inferiores dependen de las contracciones de los músculos esqueléticos para empujar las venas y así «bombear» la sangre de vuelta al corazón. De lo contrario, la sangre venosa se acumula en las extremidades inferiores y puede filtrarse a los tejidos circundantes.
Los medicamentos que pueden provocar edema incluyen los vasodilatadores, los bloqueadores de los canales de calcio utilizados para tratar la hipertensión, los antiinflamatorios no esteroideos, las terapias con estrógenos y algunos medicamentos para la diabetes. Las condiciones médicas subyacentes que pueden contribuir al edema incluyen la insuficiencia cardíaca congestiva, el daño renal y la enfermedad renal, los trastornos que afectan a las venas de las piernas y la cirrosis y otros trastornos hepáticos.
La terapia para el edema suele centrarse en la eliminación de la causa. Las actividades que pueden reducir los efectos de la afección incluyen ejercicios apropiados para mantener la sangre y la linfa fluyendo por las zonas afectadas. Otras terapias incluyen la elevación de la parte afectada para ayudar al drenaje, el masaje y la compresión de las áreas para mover el líquido fuera de los tejidos, y la disminución de la ingesta de sal para disminuir la retención de sodio y agua.
Repaso del capítulo
El cuerpo es mayoritariamente agua. Los fluidos corporales son soluciones acuosas con diferentes concentraciones de materiales, llamados solutos. Se debe mantener un equilibrio adecuado de las concentraciones de agua y solutos para garantizar las funciones celulares. Si el citosol se concentra demasiado debido a la pérdida de agua, las funciones celulares se deterioran. Si el citosol se diluye demasiado debido a la ingesta de agua por parte de las células, las membranas celulares pueden dañarse y la célula puede reventar. La presión hidrostática es la fuerza que ejerce un fluido contra una pared y provoca el movimiento del fluido entre compartimentos. El fluido también puede moverse entre compartimentos a lo largo de un gradiente osmótico. Los procesos de transporte activo requieren ATP para mover algunos solutos contra sus gradientes de concentración entre compartimentos. El transporte pasivo de una molécula o un ion depende de su capacidad para atravesar fácilmente la membrana, así como de la existencia de un gradiente de concentración de alto a bajo.
Autocomprobación
Responde a la(s) siguiente(s) pregunta(s) para ver hasta qué punto comprendes los temas tratados en la sección anterior.
Preguntas de pensamiento crítico
- El plasma contiene más sodio que cloruro. ¿Cómo puede ser esto si los iones individuales de sodio y cloruro se equilibran exactamente entre sí, y el plasma es eléctricamente neutro?
- ¿Cómo se mueve el fluido de un compartimento a otro?
Glosario
Líquido extracelular (LEC): fluido exterior a las células; incluye el líquido intersticial, el plasma sanguíneo y los fluidos que se encuentran en otros depósitos del organismo
Compartimento de fluidos: el fluido que se encuentra en el interior de todas las células del organismo constituye un sistema de compartimentos que está ampliamente segregado de otros sistemas
Presión hidrostática: presión ejercida por un fluido contra una pared, causada por su propio peso o por la fuerza de bombeo
líquido intersticial (FI): fluido en los pequeños espacios entre las células no contenidos dentro de los vasos sanguíneos
líquido intracelular (LCI): fluido en el citosol de las células