Volumen celular

 

El mantenimiento del volumen celular es un proceso extremadamente complejo y de importancia fundamental para los organismos. En general, las células mantienen un volumen constante y sólo en ciertas especies, y bajo determinadas condiciones fisiológicas, se observan variaciones de volumen que deben ser corregidas para no sufrir trastornos patológicos irreversibles.

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Eritrocitos aumentados mil veces.

En patología, el trastorno del volumen celular puede jugar un papel muy importante y conducir a consecuencias funestas.

De todos modos, en algunos invertebrados existe tolerancia, dentro de cierto límites, a los cambios de volumen celular (con posterior retorno al volumen normal) que les sirve de estrategia de supervivencia. El estudio de estos animales inferiores ha permitido arrojar luz sobre algunos de los fenómenos osmóticos involucrados en la regulación iónica e hídrica del medio intracelular.

Cuatro son los principios fundamentales que determinan el volumen celular:

1. El equilibrio osmótico o termodinámico del agua a ambos lados de la membrana celular. En otras palabras, ausencia de tendencia del agua a migrar a través de la membrana celular.

2. Los productos de las concentraciones de los iones positivos (cationes)  y negativos (aniones) son iguales a ambos lados de la membrana celular: el llamado equilibrio de Donnan.

3. Mantenimiento obligatorio de la electroneutralidad a ambos lados de la membrana, idéntico número de aniones y cationes a cada lado de la membrana.

4. La diferencia de presión hidrostática, entre el interior y el exterior celular, es despreciable en las células animales debido a que sus membranas son fácilmente distensibles y no son capaces de mantener diferencia de presión.

Las cuatro circunstancias antes mencionadas muestran una tendencia permanente al hinchamiento celular (aumento de volumen), por acumulación en éstas de líquido extracelular, a pesar de la isoosmoticidad (o igualdad de concentración) de los medios intracelular  y extracelular.

Esto significa que el mantenimiento del volumen celular, aun en soluciones isoosmóticas con el medio intracelular, requiere un gasto continuo de energía. Por otra parte, muchos tipos de células estarían provistos de complejos mecanismos de regulación de su volumen, al variarse la  osmolaridad del medio externo.

La necesidad de mantener el equilibrio termodinámico del agua a ambos lados de la membrana conduce a variaciones del volumen celular. Cualquier cambio de concentración de soluto a uno de los lados de la membrana, modificará la concentración de agua que migrará hasta restablecer la igualdad de concentración a ambos lados de la membrana. Hay situaciones en que esto es imposible y la migración de agua no se puede detener lo que lleva a la consecuente destrucción de la célula.

Ver: PSU: Biología; Pregunta 08_2010.

 

Regulación del volumen celular

Como vimos anteriormente, las células mantienen un volumen constante por la isoosmoticidad (igualdad de concentración) de las soluciones a ambos lados de la membrana celular, a pesar de que el interior celular es rico en potasio y pobre en sodio, contrariamente al medio extracelular.

También vimos varios de los elementos que participan en la determinación del volumen de cualquier célula. La mayoría de las células de cualquier mamífero son fácilmente distensibles. En ellas, el agua se encuentra en equilibrio termodinámico a través de la membrana celular, por lo tanto, el contenido de solutos de la célula es el que, en definitiva, determina el volumen celular.

Dentro de la célula existen dos clases de solutos. Primero, aquellos que no sufren un significativo transporte a través de la membrana celular: macromoléculas aniónicas como las proteínas, enzimas y otras.

El segundo grupo de solutos intracelulares es aquel capaz de movilizarse dentro y fuera de la célula: Na, K, aminoácidos, glucosa y otras moléculas pequeñas.

Por lo tanto, la capacidad de la célula para regular su contenido de solutos depende de lo que llamamos mecanismo de regulación del volumen celular.

El contenido celular de solutos requiere un balance de sus componentes para mantener el equilibrio. La mayoría de las células presentan una bomba denominada Na-K-Atp’asa (también conocida como bomba fuga o bomba de sodio potasio) la cual permite la salida de iones Na desde el citoplasma y, simultáneamente, acumula iones K en el citoplasma.

Las membranas celulares tienen una permeabilidad limitada para muchos iones.

El equilibrio de las concentraciones intracelulares depende de la energía metabólica consumida por la bomba iónica y del sodio y cloruro extracelulares. Ese equilibrio del medio intracelular explica también el comportamiento osmótico de las células: las variaciones de volumen de éstas son inversamente proporcionales a las de las concentraciones del medio extracelular.

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Oocito humano rodeado por células más pequeñas en un folículo ovárico.
Tamaño, forma y función

El tamaño y la forma de las células depende de sus elementos más periféricos (por ejemplo, la pared, si la hubiere) y de su andamiaje interno (es decir, el citoesqueleto). Además, la competencia por el espacio tisular provoca una morfología característica: por ejemplo, las células vegetales, poliédricas in vivo, tienden a ser esféricas in vitro. Incluso pueden existir parámetros químicos sencillos, como los gradientes de concentración de una sal, que determinen la aparición de una forma compleja.

En cuanto al tamaño, la mayoría de las células son microscópicas; es decir, no son observables a simple vista. A pesar de ser muy pequeñas (un milímetro cúbico de sangre puede contener unos cinco millones de células), el tamaño de las células es extremadamente variable.


La célula más pequeña observada, en condiciones normales, corresponde a Mycoplasma genitalium, de 0,2 mμ (milimicras) , encontrándose cerca del límite teórico de 0,17 mμ. Existen bacterias con 1 y 2 mμ de longitud.

Las células humanas son muy variables en tamaño: hay hematíes de 7 micras, hepatocitos con 20 micras,espermatozoides de 53 mμ, óvulos de 150 mμ e, incluso, algunas neuronas con longitudes cercanas al metro.

En las células vegetales los granos de polen pueden llegar a medir de 200 a 300 mμ y algunos huevos de aves pueden alcanzar entre 1 cm (codorniz) y 7 cm (avestruz) de diámetro.

Para la viabilidad de la célula y su correcto funcionamiento siempre se debe tener en cuenta la relación superficie-volumen. Puede aumentar considerablemente el volumen de la célula y no así su superficie de intercambio de membrana lo que dificultaría el nivel y regulación de los intercambios de sustancias vitales para la célula.

Relación superficie - volumen celular

El tamaño de las células y la importancia de ser pequeño

La mayoría de las procariotas son comparativamente mucho más pequeñas que las eucariotas, y el pequeño tamaño de las procariotas determina varias de sus propiedades biológicas. Por ejemplo, el ritmo con el que los nutrientes y las sustancias de desecho pasan respectivamente al interior y al exterior de las células es, en general, inversamente proporcional al tamaño celular.

Este flujo puede afectar profundamente los ritmos metabólicos y de crecimiento puesto que las velocidades de transporte son parcialmente dependientes de la superficie de membrana disponible. En relación al tamaño celular, las células pequeñas tienen mayor superficie relativa disponible que las células grandes.

Las células con menor radio poseen una relación superficie/volumen más ventajosa, y de ahí que puedan llevar a cabo los intercambios con el medio en condiciones más ventajosas. Esta ventaja de las células pequeñas permite que en general los procariotas alcancen mayores tamaños de población que los eucariotas en la mayoría de los hábitats microbianos, debido a las mayores tasas de crecimiento en comparación con los eucariotas. Estas tasas de crecimiento y los tamaños de población alcanzados permiten a los procariotas causar cambios importantes en los parámetros fisicoquímicos de un ecosistema en tiempos relativamente cortos.

Varias razones explican el hecho de que las células procariotas sean más pequeñas que las eucariotas, entre ellas podemos considerar las siguientes:

 

Volumen celular 007

1. Tienen menor cantidad de moléculas con información genética: Independientemente del tamaño de la célula, sólo contienen una o dos copias de la mayor parte de los genes. Puesto que los genes actúan como moldes  para la producción de ARN mensajeros transportadores de información, una célula sólo puede producir un número limitado de ARN mensajeros en determinado tiempo. Cuanto mayor sea el volumen del citoplasma celular más difícil será sintetizar el número requerido de mensajes nucleares.

2. Conforme el tamaño de la célula se incrementa, la proporción entre superficie / volumen disminuye. La capacidad de una célula para intercambiar sustancias en su ambiente es proporcional a la superficie. Si una célula crece más de cierto tamaño, su superficie no sería suficiente para captar sustancias (por ejemplo: oxígeno, nutrientes) necesarios para apoyar sus actividades metabólicas.

3. Una célula depende en gran medida del movimiento al azar de las moléculas (difusión). Por ejemplo: el oxígeno debe difundir desde la superficie hasta el interior de las mitocondrias. Conforme la célula aumenta de tamaño y la distancia de la superficie al interior también crece, el tiempo requerido para que la difusión desplace las sustancias hacia adentro y hacia fuera de la célula metabólicamente activa puede ser prohibitivamente prolongado.

4. Carecen de citoesqueleto: esta ultraestructura posibilita en las células eucariotas la generación de la motilidad celular interna y la generación de corrientes citoplasmáticas que contribuyen a una más rápida movilización de nutrientes y desechos del metabolismo.

5. Carecen de sistema de endomembranas lo que genera una compartimentalización interna con la posibilidad de realizar transporte mediado por vesículas como la endocitosis y exocitosis presente en células eucariotas.

Bomba de sodio potasio

La bomba de sodio y potasio cumple un rol muy importante en la producción y transmisión de los impulsos nerviosos y en la contracción de las células musculares. El sodio tiene mayor concentración fuera de la célula y el potasio dentro de la misma. La proteína transmembrana “bombea” sodio expulsándolo fuera de la célula y lo propio hace con el potasio al interior de ella.

Este mecanismo se produce en contra del gradiente de concentración gracias a la enzima ATP'asa, que actúa sobre el ATP con el fin de obtener la energía necesaria para que las sustancias puedan atravesar la membrana celular. La forma de actuar de la bomba de sodio y potasio es la siguiente:

Volumen celular 005 Bomba de sodio potasio

1.- tres iones de sodio (3 Na+) intracelulares se insertan en la proteína transportadora.
2.- el ATP aporta un grupo fosfato (Pi) liberándose difosfato de adenosina (ADP). El grupo fosfato se une a la proteína, hecho que provoca cambios en el canal proteico.
3.- esto produce la expulsión de los 3 Na+ fuera de la célula.
4.- dos iones de potasio (2 K+) extracelulares se acoplan a la proteína de transporte.
5.- el grupo fosfato se libera de la proteína induciendo a los 2 K+ a ingresar a la célula. A partir de ese momento, comienza una nueva etapa con la expulsión de otros tres iones de sodio.


La bomba de sodio y potasio controla el volumen de las eucariotas animales al regular el pasaje del sodio y del potasio. El gradiente generado produce un potencial eléctrico que aprovechan todas aquellas sustancias que debe atravesar la membrana plasmática en contra del gradiente de concentración.

A medida que sale sodio de la célula, el líquido extracelular adquiere un mayor potencial eléctrico positivo, lo que provoca atracción de iones negativos (cloro, bicarbonato) intracelulares. Al haber más iones de sodio y cloruros (Na+ y Cl-) en el medio extracelular, el agua tiende a salir de la célula por efecto de la ósmosis. De esta manera, la bomba de sodio y potasio controla el volumen celular.

Gradiente de concentración

Zona donde hay una variación continua de concentración de una determinada sustancia entre dos extremos. Si avanzamos hacia el extremo "más concentrado" decimos que vamos en contra del gradiente, y lo contrario es ir a favor. Se puede pensar como un tobogán, en el que el extremo concentrado es el que está más alto, y requiere energía arrastrar un objeto hasta él. Por el contrario, no se requiere energía para ir a favor, hacia "abajo".

Ver: PSU: Biología

Preguna 03_2005

Pregunta 07_2006

 

Fuentes Internet:

http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula#Tama.C3.B1o.2C_forma_y_funci.C3.B3n

http://www.agro.unlpam.edu.ar/catedras-pdf/Importancia%20del%20tama%C3%B1o%20celular.pdf

http://books.google.cl/books?id=aTBSfwcDUMkC&pg=PA343&lpg=PA343&dq=c%C3%A9lula+%22volumen+celular%22&source=bl&ots=OEPkiRKsAj&sig=vZ7iADF-aE_6rdKD4iR6K99lZTk&hl=es&ei=PcAFS7jpOM-mnQfGssTMCw&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9&ved=0CCQQ6AEwCA#v=onepage&q=c%C3%A9lula%20%22volumen%20celular%22&f=false

http://www.anm.org.ve/FTPANM/online/1997/Abril_Junio/07.%20Herrera%20(202-215).pdf

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