En bioquímica, el estado estacionario se refiere al mantenimiento de concentraciones internas constantes de moléculas e iones en las células y órganos de los sistemas vivos. [1] Los organismos vivos permanecen en un estado estable dinámico donde su composición interna, tanto a nivel celular como general, es relativamente constante, pero diferente de las concentraciones de equilibrio . [1] Un flujo continuo de masa y energía da como resultado la síntesis y descomposición constantes de moléculas a través de reacciones químicas de vías bioquímicas. [1] Esencialmente, el estado estable se puede considerar como homeostasis a nivel celular. [1]
Mantenimiento del estado estacionario
La regulación metabólica logra un equilibrio entre la tasa de entrada de un sustrato y la tasa de degradación o conversión y, por lo tanto, mantiene el estado estable. [1] La tasa de flujo metabólico, o flujo, es variable y está sujeta a demandas metabólicas. [1] Sin embargo, en una vía metabólica, el estado estable se mantiene equilibrando la tasa de sustrato proporcionada por un paso anterior y la tasa a la que el sustrato se convierte en producto, manteniendo la concentración de sustrato relativamente constante. [1]
Termodinámicamente hablando, los organismos vivos son sistemas abiertos, lo que significa que intercambian constantemente materia y energía con su entorno. [1] Se requiere un suministro constante de energía para mantener el estado estable, ya que mantener una concentración constante de una molécula preserva el orden interno y, por lo tanto, es entrópicamente desfavorable. [1] Cuando una célula muere y ya no utiliza energía, su composición interna avanzará hacia el equilibrio con su entorno. [1]
En algunos casos, es necesario que las células ajusten su composición interna para alcanzar un nuevo estado estable. [1] La diferenciación celular, por ejemplo, requiere una regulación de proteínas específica que permita a la célula diferenciadora cumplir con los nuevos requisitos metabólicos. [1]
ATP
La concentración de ATP debe mantenerse por encima del nivel de equilibrio para que las tasas de reacciones bioquímicas dependientes de ATP satisfagan las demandas metabólicas. Una disminución de ATP dará como resultado una disminución de la saturación de las enzimas que usan ATP como sustrato y, por lo tanto, una disminución de la velocidad de reacción . [1] La concentración de ATP también se mantiene más alta que la de AMP , y una disminución en la relación ATP / AMP activa la AMPK para activar los procesos celulares que devolverán las concentraciones de ATP y AMP al estado estacionario. [1]
En un paso de la vía de glucólisis catalizada por PFK-1, la constante de equilibrio de la reacción es aproximadamente 1000, pero la concentración en estado estacionario de productos (fructosa-1,6-bisfosfato y ADP) sobre reactivos (fructosa-6-fosfato y ATP) ) es solo 0,1, lo que indica que la relación de ATP a AMP permanece en un estado estacionario significativamente por encima de la concentración de equilibrio. La regulación de PFK-1 mantiene los niveles de ATP por encima del equilibrio. [1]
En el citoplasma de los hepatocitos , la relación en estado estacionario de NADP + a NADPH es de aproximadamente 0,1, mientras que la de NAD + a NADH es de aproximadamente 1000, lo que favorece al NADPH como principal agente reductor y al NAD + como principal agente oxidante en las reacciones químicas. [2]
Glucosa en sangre
Los niveles de glucosa en sangre se mantienen en una concentración de estado estable equilibrando la velocidad de entrada de glucosa en el torrente sanguíneo (es decir, por ingestión o liberada de las células) y la velocidad de absorción de glucosa por los tejidos corporales. [1] Los cambios en la tasa de entrada se encontrarán con un cambio en el consumo, y viceversa, de modo que la concentración de glucosa en sangre se mantenga en aproximadamente 5 mM en humanos. [1] Un cambio en los niveles de glucosa en sangre desencadena la liberación de insulina o glucagón, que estimula al hígado para que libere glucosa en el torrente sanguíneo o absorba glucosa del torrente sanguíneo para devolver los niveles de glucosa al estado estable. [1] Las células beta pancreáticas, por ejemplo, aumentan el metabolismo oxidativo como resultado de un aumento en la concentración de glucosa en sangre, lo que desencadena la secreción de insulina. [3] Los niveles de glucosa en el cerebro también se mantienen en un estado estable, y el suministro de glucosa al cerebro depende del equilibrio entre el flujo de la barrera hematoencefálica y la captación por las células cerebrales. [4] En los teleósteos , una caída de los niveles de glucosa en sangre por debajo del estado estable disminuye el gradiente intracelular-extracelular en el torrente sanguíneo, lo que limita el metabolismo de la glucosa en los glóbulos rojos. [5]
Lactato de sangre
Los niveles de lactato en sangre también se mantienen en estado estable. En reposo o con niveles bajos de ejercicio, la tasa de producción de lactato en las células musculares y el consumo en las células musculares o sanguíneas permite que el lactato permanezca en el cuerpo en una cierta concentración de estado estable. Sin embargo, si se mantiene un nivel más alto de ejercicio, los niveles de lactosa en sangre aumentarán antes de volverse constantes, lo que indica que se ha alcanzado un nuevo estado estable de concentración elevada. El estado estable máximo de lactato (MLSS) se refiere a la concentración máxima constante de lactasa alcanzada durante una actividad alta sostenida. [6]
Moléculas que contienen nitrógeno
La regulación metabólica de las moléculas que contienen nitrógeno, como los aminoácidos, también se mantiene en estado estable. [2] El conjunto de aminoácidos, que describe el nivel de aminoácidos en el cuerpo, se mantiene a una concentración relativamente constante al equilibrar la tasa de entrada (es decir, de la ingestión de proteínas en la dieta, producción de intermediarios metabólicos) y la tasa de agotamiento (es decir, desde la formación de proteínas corporales, conversión a moléculas de almacenamiento de energía). [2] La concentración de aminoácidos en las células de los ganglios linfáticos, por ejemplo, se mantiene en un estado estable con el transporte activo como la principal fuente de entrada y la difusión como la fuente de salida . [7]
Iones
Una función principal del plasma y las membranas celulares es mantener concentraciones asimétricas de iones inorgánicos para mantener un estado estable iónico diferente del equilibrio electroquímico . [8] En otras palabras, hay una distribución diferencial de iones en cada lado de la membrana celular, es decir, la cantidad de iones en cada lado no es igual y, por lo tanto, existe una separación de carga. [8] Sin embargo, los iones se mueven a través de la membrana celular de manera que se logra un potencial de membrana en reposo constante; este es el estado estable iónico. [8] En el modelo de fuga de bomba de homeostasis de iones celulares, la energía se utiliza para transportar activamente iones contra su gradiente electroquímico . [9] El mantenimiento de este gradiente de estado estable, a su vez, se utiliza para realizar trabajos eléctricos y químicos , cuando se disipa a través del movimiento pasivo de iones a través de la membrana. [9]
En el músculo cardíaco, el ATP se utiliza para transportar activamente iones de sodio fuera de la célula a través de una ATPasa de membrana . [10] La excitación eléctrica de la célula da como resultado un influjo de iones de sodio en la célula, despolarizando temporalmente la célula. [10] Para restaurar el gradiente electroquímico de estado estable, la ATPasa elimina los iones de sodio y restaura los iones de potasio en la célula. [10] Cuando se mantiene una frecuencia cardíaca elevada, provocando más despolarizaciones, los niveles de sodio en la célula aumentan hasta volverse constantes, lo que indica que se ha alcanzado un nuevo estado estable. [10]
Referencias
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