viernes, 27 de diciembre de 2013

1 DESECHOS METABÓLICOS Y SU EXCRECIÓN

1.1 ¿Qué es la excreción?

La excreción se define como la expulsión del interior del ser vivo de componentes que pueden ser perjudiciales para sus procesos metabólicos y que por lo general son producidos por estos (Sadava, Berenbaum, & Hillis, 2014; Sadava, Heller, Orians, Purves, & Hillis, 2008; Sadava, Hillis, Heller, & Berenbaum, 2011). En los seres humanos la excreción se distingue del proceso de eliminación. La eliminación es la expulsión de la materia fecal, ¿Por qué entonces el intestino grueso no hace parte del sistema excretor?

Existen 5 procesos altamente relacionados especialmente en los animales. La ingestión es el proceso en que el alimento ingresa al organismo; la digestión es el proceso en que el alimento se transforma para poder ser absorbido; la absorción es la toma de nutrientes desde el sistema digestivo a los tejidos; la excreción es la expulsión desde los tejidos hacia el exterior de los desechos; la eliminación es la expulsión desde el sistema digestivo de lo que no se absorbió. La luz o cavidad del sistema digestivo se considera "exterior" con respecto a los tejidos del ser vivo.

En otras palabras se confunden los procesos de eliminación y excreción (Özsevgc, 2007)

En términos embrionarios el interior del sistema digestivo, desde la boca hasta el ano se considera como “exterior” a los tejidos del cuerpo. El intestino delgado precisamente se encarga de internalizar los nutrientes y dejar que el resto siga de largo para su eliminación (Sadler, 2012).

Así pues la excreción para ser considerada como tal se caracteriza porque sus productos de desecho se generan en los tejidos y no en el sistema digestivo, aun cuando el sistema digestivo pueda recibir los productos de desecho total o parcialmente como una función secundaria. Existen dos tipos de desechos, los desechos solubles y los desechos gaseosos.

Ambos tipos de desechos son transportados desde el interior de las células donde son producidos, hacia el exterior “ya sea el ambiente en los unicelulares o el sistema circulatorio/linfático en los multicelulares” mediante los mecanismos de transporte a través de membrana.

De hecho una característica importante de la excreción es que cuesta energía, por lo que el mecanismo de transporte a través de membrana más empleado será el transporte activo (Wood, 2001).

1.2 Equilibrio salino

1.2.1 Ósmosis

Las moléculas de agua se mueven mucho más rápido a través de la membrana que cualquier otra especie química que puede moverse por transporte pasivo (Berg, Tymoczko, & Stryer, 2006; Campbell & Farrell, 2012; Karp, 2010, 2013b).

Dado esto, una célula puede, o mejor dicho puede carecer del control para que el agua se mueva a través de la membrana intentando igualar las concentraciones a un lado o a otro de la membrana.

Una célula puesta en un ambiente donde la cantidad de solutos excede al de su contenido interno rápidamente pierde agua, ya que esta se mueve a través de la membrana por difusión. Este ambiente se denomina hipertónico o hiper-osmótico y pude conllevar a la desecación de la célula como si fuera una uva pasa, a este proceso se denomina crenación.

Si la célula es puesta en un ambiente con solutos en menor cantidad que su ambiente interno, el agua del ambiente empieza a ingresar a la célula intentando igualar las concentraciones de la célula, lo que hace que esta se hinche como un globo hasta explotar. Este tipo de ambientes se denomina hipotónico o hipo-osmótico, y al mecanismo por medio del cual la célula se hincha y explota se le denomina lisis.

Un ambiente en equilibrio con la célula se denomina isotónico o iso-osmótico.

En ambientes levemente hipertónicos o isotónicos, la célula puede recuperarse al hacer que los solutos se muevan a través de la membrana, pero hacer esto regularmente requiere un esfuerzo de la célula, es decir, invertir energía.

El transporte pasivo de agua a través de la membrana para igualar la concentración de los solutos se le denomina ósmosis.

1.2.2 Transporte a través de membrana mediado por proteínas

La excreción también involucra sacar sustancias muy tóxicas que se acumulan fácilmente, en otras palabras, sustancias que deben sacarse a las malas en contra del gradiente de concentración, pues aun cuando la presión osmótica favorezca su ingreso, su actividad química al interior de la célula es poco favorable. También se puede dar el caso de que aun cuando su extracción esté a favor del gradiente de concentración, la velocidad de movimiento a través de la membrana sea tan lento que se genere toxicidad bioquímica. 

En ambos casos se deben emplear proteínas insertadas en la membrana, mediante los transportes activo y pasivo facilitado.

El transporte activo emplea proteínas que gastan energía celular, lo que les permite transportar sustancias en contra del gradiente de concentración, mientras que el transporte pasivo facilitado emplea proteínas que aceleran el paso de sustancias a favor del gradiente de concentración (Berg et al., 2006; Campbell & Farrell, 2012; Karp, 2010, 2013b).

Algunas proteínas empleadas en la excreción son las mismas empleadas por ejemplo en la formación de los potenciales de acción de las neuronas, como las bombas de sodio y potasio (Berg et al., 2006; Campbell & Farrell, 2012; Karp, 2010, 2013b). Las células son perezosas para hacer evolucionar nuevas proteínas si es posible reciclar viejas en contextos diferentes. La proteína en esencia es la misma y hace lo mismo, pero el efecto a nivel tisular es diferente.

Aunque suene simplista, el núcleo de todo proceso de excreción son estos mecanismos de control osmótico, no hay más. Los tejidos excretores estarán tapizados por proteínas de transporte que filtran masiva o selectivamente sustancias, separando desechos de nutrientes.

1.2.3 Introducción a la osmoregulación

La sangre, el sudor y las lágrimas saben salado debido a que poseen una cantidad de iones salinos disueltos. Estos iones pueden incluir los componentes de la sal común de cocina (ión clururo y ión sodio) pero también poseen una gran variedad de otros iones.

Los iones salinos están presentes en los seres vivos debido a que de ellos dependen una gran variedad de funciones vitales, pero para que esto se logre su concentración “cantidad de sustancia en un determinado volumen” debe mantenerse dentro de ciertos límites. La concentración de los iones salinos debe mantenerse en niveles de concentración adecuados, de lo contrario las células que se encuentran bañadas por ellos deben empezar a esforzarse realizando el transporte activo (Berg et al., 2006; Campbell & Farrell, 2012; Karp, 2010, 2013b).

¿Por qué es necesaria la osmoregulación en los seres vivos?

¡Porque de lo contrario se mueren! Si las células se encuentran en un ambiente alto en sales expulsarán agua por ósmosis y se crenan “secan como uvas pasas”, por el contrario si se encuentran en un ambiente bajo en sales se inflan y explotan “como globos con mucho aire” también debido a la ósmosis.

El proceso de ósmosis no puede ser bloqueado ya que es un proceso que emerge de las leyes físicas que gobiernan las membranas celulares, es por esto que la ósmosis como tal solo puede ser regulada, no bloqueada. Es por lo anterior que al control salino en la excreción también se lo denomina osmoregulación.

Los iones salinos son sustancias que alteran su concentración al interior de los seres vivos por tres procesos.

1- Evaporación: el agua pierde cohesión con facilidad en la presión estándar del planeta, y se evapora. A diferencia de la ebullición en la cual el agua se vuelve vapor a 100°C la evaporación puede ocurrir a temperaturas inferiores a la de ebullición, y se favorece cuando el aire circundante es muy seco. En resumen se pierde agua en ambientes cálidos y secos.

El desierto es un ejemplo de un ambiente cálido y seco, donde mantener el equilibrio osmótico es muy difícil. De hecho no se había mencionado que, el reflejo fisiológico que llamamos sed es un síntoma que señala que nuestro cuerpo requiere ingerir agua para mantener dicho equilibrio.

2- Consumo de sales: algunos productos de la dieta “heterótrofos”, que se encuentran disueltos en el suelo o en el agua externa “autótrofos como las plantas” contienen altos niveles de iones salinos, superiores a los que el cuerpo necesita.

Los animales marinos poseen otras condiciones para el mantenimiento de su equilibrio osmótico ya que el agua de mar posee sales.

3- Metabolitos: los iones salinos se generan al interior de las células como productos de desecho o intermediarios de procesos metabólicos que generan energía. Un ejemplo clásico son los iones de fosfato que están involucrados en todas partes: respiración celular aeróbica, anaeróbica, fotosíntesis, síntesis de ADN entre otros.

Todos estos procesos causan que la concentración de sales en la célula no sea constante, y si los límites de tolerancia se rebasan, las células empiezan a tener grandes problemas. Si las células individuales de un tejido se crenan, la estabilidad del tejido como un todo colapsa y se generan desgarros

1.2.4 Como recuperar el equilibrio osmótico

La osmoregulación se logra de dos formas, alterando la cantidad de iones salinos, o alterado la cantidad de agua.

La ingesta de agua reduce la concentración de iones salinos, pero tarde o temprano estos vuelven a acumularse. Adicionalmente las células y los seres vivos multicelulares poseen límites para la cantidad de agua que pueden ingerir para la osmoregulación.

La alteración de iones salinos se logra dependiendo de si están bajos o altos. Si hay pocos iones salinos hay que consumirlos del exterior o producirlos desde el interior.

Si hay alta cantidad de iones salinos y no hay espacio para consumir más agua “que es el problema que genera la necesidad de sistemas excretores y osmoreguladores” es necesario un mecanismo que le permita al ser vivo expulsar cierta cantidad de estos materiales al ambiente externo, de forma tal que su ambiente interno permanezca dentro de los límites de tolerancia para sus reacciones metabólicas normales.

En palabras simples, la osmoregulación en los seres vivos puede lograrse expulsando agua con alta concentración de iones "orinar" y consumiendo agua con baja concentración de iones "beber agua dulce".

La regulación de la cantidad de iones salinos se puede lograr mediante su almacenamiento cristalizado en organelos especiales, como si se tratara de rellenos sanitarios, las plantas no orinan, así que deben almacenar sus desechos nitrogenados de este modo en las vacuolas (Martinoia, Grill, Tommasini, Kreuz, & Amrhein, 1993).

Los mecanismos para la osmoregulación son precisamente parte de los sistemas excretores, aunque en los seres vivos unicelulares el proceso se basa casi que de forma exclusiva por el transporte activo.

1.2.5 Tipos de osmoregulación

Existen dos tipos de osmoregulación, la ormoregulación pasiva y la osmoregulación activa. La diferencia de las dos es causada por la naturaleza del ambiente externo en el cual está imbuido el ser vivo (Brusca, Brusca, & Haver, 2003).

Los osmoreguladores pasivos “osmoconformistas” se encuentran en ambientes isotónicos, es decir que poseen concentraciones de sales dentro de los límites de tolerancia del interior del organismo. En este caso la osmoregulación puede lograrse mediante la igualación de los iones salinos del interior del organismo con su ambiente externo. Ejemplos de este tipo son los animales marinos ya que el agua de mar contiene iones salinos en condiciones isotónicas.

Los osmoreguladores activos se encuentran en ambientes en los que las concentraciones de iones salinos difieren drásticamente de los límites de tolerancia internos. En estos casos es necesario que el organismo regule de forma constante el equilibrio interno y externo asegurándose de que siempre sea diferente. Los animales y plantas terrestres son osmoreguladores activos ya que el aire es un ambiente hipotónico y seco con respecto al interior que es hipertónico “contiene sales” y es húmedo.

1.3 Equilibrio de metabolitos

Metabolismo, sin duda una de aquellas palabras tan imbuidas en la cultura popular, pero que al mismo tiempo nadie entiende realmente. De cierta manera lo único se  entiende es una noción de velocidad, energía y biomasa aplicada a los deportes, las dietas y el ejercicio.

Sin embargo, el metabolismo es algo más complejo y se relaciona con algo que la mayoría de las personas concibe como ferozmente complicado, ¡química!

De esta manera definiremos metabolismo como el conjunto de reacciones químicas que mantienen todos los procesos vitales en movimiento, es decir, mantienen a lo vivo, ¡vivo! (Benner, Ellington, & Tauer, 1989; Sadava et al., 2014; Wächtershäuser, 1988)

Lo anterior es una vasta generalización ya que acumula una tremenda diversidad de conversiones bioquímicas. El metabolismo carga con energía a la mayoría de los procesos biológicos, sin embargo, en el estudio clásico, el metabolismo generalmente estudia aquellas series de reacciones químicas involucradas con el flujo inicial de energía, o con el almacenaje de energía.

De esta manera podemos agrupar series de reacciones en rutas metabólicas, las cuales poseen redes de reacciones químicas catalizadas por enzimas.

La evidencia estructural sugiere que las enzimas de una ruta metabólica se encuentran físicamente interconectadas, lo que permite que los productos intermedios de una reacción puedan ser entregados a la siguiente enzima de manera eficiente para posteriores transformaciones (Karp, 2013a).

Los compuestos producidos en cada paso intermedio se denominan intermediarios metabólicos o (metabolitos), los cuales en sucesivas transformaciones generando los productos.

Los productos finales son moléculas con roles importantes en la célula, como los aminoácidos, los azucares o el ATP, pero también se producen desechos. Los desechos deben ser expulsados por el proceso de excreción o empleados para funciones secundarias, en cuyo caso se denominan metabolitos secundarios.

1.3.1 Metabolitos

Los metabolitos son compuestos químicos intermediarios en una serie de reacciones biológicas (Karp, 2013a).  Los metabolitos funcionan como una cadena de montaje  o una carretera, es decir la conversión de unos a otros debe realizarse en serie, si un metabolito intermedio o terminal se acumula toda la ruta metabólica se queda en un trancón y el organismo puede experimentar síntomas patológicos o la muerte.

En términos de excreción podemos hablar de dos tipos de metabolitos, los metabolitos primarios y los metabolitos secundarios (Anderson, Castle, Hird, Jeffery, & Scotter, 2011).

El modelo anterior representa una ruta metabólica simple,  el nutriente es convertido a moléculas intermediarias a las cuales denominaremos metabolitos.

El problema metabólica radica esencialmente en la acumulación al interior de la célula, y es esta acumulación la que genera la toxicidad, un metabolito puede ser muy toxico pero si se encuentra en bajas concentraciones al interior de la célula será completamente inocuo.

Los iones salinos también pueden tener efectos de metabolitos aparte de poseer efecto en el equilibrio osmótico. Del mismo modo, productos metabólicos no iónicos pueden tener efectos en el equilibrio osmótico.

1.3.2 Metabolitos primarios y secundarios

Los metabolitos primarios son aquellos que hacen parte de las rutas metabólicas vitales de un ser vivo y siempre deben ser producidos. En términos de la excreción los metabolitos primarios de importancia son los que se encuentran al final de las rutas metabólicas (Berg et al., 2006; Campbell & Farrell, 2012; Karp, 2010, 2013b).

Por lo general en la punta final de una ruta metabólica se produce un compuesto de desecho, este no es expulsado de forma directa al medio externo de la célula, así podemos hablar de metabolitos primarios preterminales y metabolitos primarios terminales que si son expulsados al exterior de la célula.

Como se mencionó anteriormente el efecto toxico depende de la concentración en el medio interno de la célula de un metabolito, en este casual convertir un metabolito preterminal como el ácido pirúvico en otro terminal como el alcohol etílico la toxicidad al interior de la célula disminuye debido a dos factores (1) la cantidad del metabolito preterminal baja al ser convertido en otro y (2) e metabolito terminal es menos tóxico y puede almacenarse en mayores concentraciones (Berg et al., 2006; Campbell & Farrell, 2012; Karp, 2010, 2013b).

Cada uno de los metabolitos es tóxico con respecto a sus predecesores si se acumula, esto se debe a que las reacciones orgánicas están sometidas a las leyes del equilibrio químico, específicamente al principio de Le Chatelier, el cual establece que si se acumulan productos la reacción se detiene o se invierte. 

En el caso del metabolito D, si se acumula e invirtiera las reacciones en lugar de generarse energía para la célula se consumiría, lo cual tendría efectos tóxicos. Para evitarlo, D es convertido a un metabolito de desecho y expulsado del ambiente celular ya sea al exterior o al interior de la vacuola.

Algunas células no expulsan los metabolitos terminales, sino que los acumulan en organelos especializados llamados vacuolas, donde estas sustancias se compactan y cristalizan o se convierten en metabolitos secundarios (Stern, Bidlack, & Jansky, 2008).

Sin embargo en los animales la tendencia es a expulsar los metabolitos primarios terminales al medio externo “proceso que llamamos excreción”.

1.3.3 Acumulación de desechos y excreción

Expulsar los metabolitos primarios terminales al medio externo solo es una forma de retrasar la acumulación metabólica. Con un  sistema biológico cerrado como por ejemplo un vaso con azucares fermentables y una población de bacterias ilustraremos el problema.

Las bacterias fermentan el azúcar para producir energía e incrementar su biomasa, pero en el proceso generan el metabolito primario preterminal llamado ácido pirúvico. El ácido pirúvico es extremadamente tóxico (Borichewski, 1967; Marı́, Bai, & Cederbaum, 2002) si se acumula en la célula, por eso este es convertido a otras moléculas menos tóxicas como el alcohol o el ácido láctico (Russell, 1992).

Una vez se da la conversión al metabolito terminal este puede acumularse un poco al interior de la célula permitiendo que los procesos metabólicos continúen hasta que nuevamente se alcanza el límite.

En este punto la célula excreta el metabolito primario terminal al medio externo, con lo cual disminuye su concentración interna. Al disminuir la concentración interna de metabolito primario terminal este puede seguir acumulándose y así disminuir la concentración del preterminal, con lo cual los procesos metabólicos continúan sucediendo.

Finalmente los desechos se acumulan en el medio externo poniendo punto final al crecimiento de las células, pues literalmente estas están nadando en sus propios desechos.

El crecimiento bacteriano obedece a cuatro fases. La primera de adaptación, donde la regulación genética adapta el metabolismo bacteriano a las fuentes de alimento; la fase exponencial donde el metabolismo está activo y los desechos se liberan con facilidad, la fase estacionaria donde la muerte por toxicidad o falta de alimento iguala los nacimientos; y finalmente la muerte de la población por falta de alimentos y acumulación de desechos en su medioambiente.

Los sistemas biológicos reales no se da la muerte por toxicidad debido a que los desechos de unos seres vivos son los nutrientes de otros, de forma tal que se generan ciclos en los que los metabolitos y los nutrientes fluyen constantemente al interior y al exterior de los seres vivos.

1.3.4 Metabolitos secundarios y la excreción

La expulsión de los desechos puede afectar no solo al organismo productor, sino también a otros seres vivos que están relacionados con él, ya sea porque viven en el mismo ambiente con necesidades metabólicas semejantes “competencia” porque se lo comen “depredación”, o porque simplemente viven juntos “simbiosis”.

Algunos seres vivos han encontrado que la modificación de sus metabolitos primarios terminales puede ayudarles en las relaciones de competencia y de depredación.

En términos de la competencia el ejemplo es la conversión del metabolito primario terminal a una forma tóxica para otros pero no para sí mismo, esta forma no es esencial para la supervivencia del organismo que lo produce, y por esta razón se lo denomina metabolito secundario (Price-Whelan, Dietrich, & Newman, 2006). Cuando excreta el metabolito secundario los competidores son inhibidos ya sea porque se mueren o porque disminuye sus capacidades biológicas.

Un ejemplo de este tipo de metabolitos secundarios son los antibióticos que emplean cierto grupo de bacterias y de hongos para inhibir a la mayoría de bacterias competidoras en el suelo.

En términos de depredación los metabolitos secundarios se almacenan al interior de las células, por ejemplo en organelos especializados llamados vacuolas. Estos metabolitos son inertes al interior de las vacuolas, pero cuando son liberados debido a la digestión de los depredadores liberan sus metabolitos secundarios que tendrán efectos tóxicos. También pueden ser empleados como venenos (Bourgaud, Gravot, Milesi, & Gontier, 2001; Oksman-Caldentey & Inzé, 2004; Verpoorte & Memelink, 2002).

Un ejemplo de este tipo de metabolitos secundarios son todos los alcaloides de las plantas que poseen efectos adversos sobre los herbívoros.

1.3.5 Razones de la pérdida del equilibrio de los metabolitos

Los metabolitos se acumulan por las mismas razones que los iones salinos (Brusca et al., 2003).

1- Evaporación: el agua pierde cohesión con facilidad en la presión estándar del planeta, y se evapora. A diferencia de la ebullición en la cual el agua se vuelve vapor a 100°C la evaporación puede ocurrir a temperaturas inferiores a la de ebullición, y se favorece cuando el aire circundante es muy seco. En resumen se pierde agua en ambientes cálidos y secos. Al disminuir la cantidad de agua los metabolitos se acumulan al incrementar su concentración.

2- Consumo de toxinas y desechos fecales: algunos productos de la dieta “heterótrofos”, que se encuentran disueltos en el suelo o en el agua externa  “autótrofos como las plantas” contienen altos niveles de metabolitos primarios terminales o de metabolitos secundarios. En otras palabras no se puede consumir lo que el cuerpo preciosamente ha expulsado. Sin embargo existen límites, la orina por ejemplo puede consumirse en momentos en que la disponibilidad de agua disminuye, pero la cantidad de veces que puede reciclarse el agua es limitada ya que en cada ciclo de consumo y excreción la cantidad de toxinas allí presentes aumentará.

3- Producción metabólica: los metabolitos son producidos contantemente por el metabolismo.


Todos estos procesos causan que la concentración de los metabolitos en la célula no sea constante, y si los límites de tolerancia se rebasan, las células empiezan a tener grandes problemas.

1.3.6 Recuperación del equilibrio de metabolitos

La recuperación del equilibrio de los metabolitos se logra mediante transporte a través de membrana, especialmente el transporte activo. Sin embargo esto es solo para aquellos seres vivos en los que la excreción implica la expulsión de sus metabolitos.

En las plantas por el contrario los  metabolitos son acumulados en las vacuolas y convertidos a metabolitos secundarios.

Cuando los metabolitos son filtrados por los riñones el método para recuperar el equilibrio de metabolitos es bebiendo y orinando. De las dos la más urgente es beber agua, razón por la cual se pueden beber orines frescos "son estériles" para recuperar agua, pero esto solo se puede hacer por pocos ciclos ya que cada vez que los riñones filtran agua de orina, estos deben extraer más toxinas, el esfuerzo es mayor y los puede dañar.

En los animales multicelulares los metabolitos excretados por las células comienzan a circular por la sangre y son filtrados por órganos especializados y expulsados en forma de orina o sudor.

Cabe destacar que los metabolitos primarios terminales también pueden presentarse en forma de gas, por ejemplo el dióxido de carbono. Su acumulación detiene muchas rutas metabólicas, por eso su expulsión del interior del organismo también hace parte de los procesos de excreción (Kardong, 2011).

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