domingo, 21 de octubre de 2012

La membrana celular es un chip biológico


Todas las células están limitadas por una membrana que las separa y las conecta con el medio extracelular y que presenta características particulares. 

La membrana celular o plasmática tiene propiedades bioelectrónicas que la hacen comparable a un chip de computadora, de hecho la célula es una unidad biológica de procesamiento de datos. 



Una entidad consciente conectada en red con billones de otras unidades conscientes conformando un organismo, es decir, un ser vivo y consciente. 
La composición química de la membrana plasmática es variable dependiendo de la función o del tejido en la que se encuentren, pero vamos a describirla de forma general.



La membrana celular está compuesta por una doble capa de lípidos (en su mayoría fosfolípidos), por proteínas unidas en forma no covalente a esa bicapa, y glúcidos unidos covalentemente a los lípidos o a las proteínas. 
Esta doble capa de lípidos  actúa como una barrera semipermeable que mantiene a iones, proteínas y otras moléculas dentro de la célula impidiendo su libre difusión, creando así un medio interno, con su propio campo electromagnético. Las bicapas lipídicas son ideales para este papel porque, aunque tienen sólo unos pocos nanómetros de espesor, son impermeables a la mayoría de las moléculas solubles en agua (moléculas hidrófilas). 

Este tipo capa es especialmente impermeable a los iones, lo que permite a las células regular las concentraciones de electrolitos y pH por medio del bombeo de iones a través de sus membranas usando proteínas llamadas canales iónicos

Las moléculas más numerosas son las de lípidos, ya que se calcula que por cada 50 lípidos hay una proteína. Sin embargo, las proteínas, debido a su mayor tamaño, representan aproximadamente el 50% de la masa de la membrana. 

Practicamente todos los lípidos presentes en las membranas celulares son anfipáticos, es decir que presentan un extremo hidrófilo (que tiene afinidad e interacciona con el agua) y un extremo hidrofóbico (que repele el agua). 

La bicapa de fosfolípidos es altamente hidrofóbica y por eso impide el paso de partículas cargadas como los iones. 
Por este motivo la membrana celular se comporta como un condensador, separando cargas (dadas por los iones en disolución) a una distancia de aproximadamente 4 nm. Esto permite que la célula mantenga un potencial de membrana a lo largo del tiempo. 

El potencial de membrana se debe a la diferente distribución de iones entre el interior y el exterior celular. La célula mantiene este potencial de membrana a lo largo del tiempo mediante el transporte activo de iones por parte de bombas (que son proteínas), tales como la bomba sodio-potasio y la bomba de calcio



Para transportar iones en contra de su gradiente electroquímico, estas proteínas extraen la energía del ATP, manteniendo así los gradientes de concentraciones iónicas responsables del potencial de membrana. 
Los iones sodio, potasio y cloruro son los más importantes en la generación del potencial de membrana en las fibras nerviosas y musculares. El gradiente de concentración de cada uno de los iones a través de la membrana ayuda a determinar el voltaje del potencial de membrana. 

Los cambios rápidos de concentración de los iones sodio y potasio son los principales responsables de la transmisión nerviosa.

El potencial de reposo es la diferencia de potencial que existe entre el interior y el exterior de una célula. Lo que mantiene a este potencial en reposo, es la Bomba Na+/K+ (bomba de sodio/potasio), dado que si ingresan 3 Na+ (sodio), salen 2 K+ (potasio).

En las células eléctricamente excitables, como las neuronas, las células musculares y del corazón, las sensoriales o las secretoras (glándulas), el potencial de reposo está dado por la distribución asimétrica de los iones (principalmente sodio y potasio) cuando la célula está en reposo fisiológico, es decir, cuando no está excitada. Este potencial es generalmente de signo negativo, y está en relación a las diferentes concentraciones de los iones dentro y fuera de la célula. 



Esta propiedad bioeléctrica de la membrana celular es fundamental para la salud y la vida de la célula. 
En el organismo existen dos espacios: el extracelular y el intracelular
En el extracelular o líquido intersticial, el anión más abundante es el ion cloruro. En el medio intracelular o citoplasma, los aniones más abundantes son las proteínas, que en las condiciones del pH celular interno, están ionizadas negativamente por liberación de iones hidrógeno, H+. 
El catión más abundante en el líquido intersticial es el ion sodio, y en el citoplasma es el ion potasio

El desequilibrio iónico que produce la polarización de la membrana es debido a la distinta permeabilidad que presenta frente a cada uno de estos iones. El ion potasio atraviesa la membrana libremente; la permeabilidad para el sodio es menor, y además es expulsado por medio de un transporte activo (bomba de sodio-potasio). Las proteínas, debido a su tamaño, no pueden atravesar libremente la membrana. Toda esta dinámica establece una diferencia de potencial en condiciones de reposo, de unos -90 mV. 



potencial de acción
Siempre hay una diferencia de potencial o potencial de membrana entre la parte interna y externa de la membrana celular (por lo general de -90 mV). La carga de una membrana celular inactiva se mantiene en valores negativos (el interior respecto al exterior) y varía dentro de unos estrechos márgenes. Cuando el potencial de membrana de una célula excitable se despolariza más allá de un cierto umbral (aprox. -60mV) la célula genera (o dispara) un potencial de acción.

Un potencial de acción es un impulso eléctrico que recorre la célula, generado por un cambio muy rápido en la polaridad de la membrana, de negativo a positivo y vuelta a negativo, en un ciclo que dura unos milisegundos.
Cuando la célula es estimulada las proteínas que forman los canales y que son muy sensibles a los cambios de potencial, se abren, cambiando momentáneamente la polaridad. La pila invierte sus polos. 

El flujo de partículas cargadas genera una corriente eléctrica y por ende un campo magnético, por eso se describe como campo electromagnético. 



campo electromagnético
Podemos resumir las propiedades eléctricas y bioelectrónicas de la membrana celular con estas características: 

-Capacidad eléctrica
También llamada capacitancia, es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica y es medida en faradios. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador. La capacidad eléctrica es siempre una cantidad positiva, dependiendo además de la geometría del condensador considerado, que puede ser de placas paralelas (como la membrana celular), cilíndrico o esférico. Otro factor del que depende es del dieléctrico que se introduzca entre las dos superficies del condensador. 




Se denomina dieléctrico al material que es mal conductor de electricidad, por lo que puede ser utilizado como aislante eléctrico, y además si es sometido a un campo eléctrico externo, se genera en él un campo eléctrico interno.

Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cerámica, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita. En cuanto a los gases se utilizan como dieléctricos sobre todo el aire, el nitrógeno y el hexafluoruro de azufre.

La grasa (fosfolípidos) de la membrana celular se comporta como un dieléctrico que separa dos medios que son relativamente buenos conductores, creando así un condensador


-Conductividad: 
La conductividad eléctrica es una medida de la capacidad de un material para dejar circular libremente las cargas eléctricas. La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material, los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles y esto permite su movimiento. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material y de la temperatura y tiene una relación directa con el campo eléctrico


-Campo eléctrico: 
La presencia de una carga eléctrica en una región del espacio modifica las características de dicho espacio dando lugar a un campo eléctrico. Es decir, podemos considerar un campo eléctrico como una región del espacio cuyas propiedades han sido modificadas por la presencia de una carga eléctrica, de tal modo que al introducir en dicho campo eléctrico una nueva carga eléctrica, ésta experimentará una fuerza

Toda carga eléctrica en movimiento genera campos magnéticos.

Una carga móvil crea en el espacio que le rodea un campo magnético. Pero también podemos decir, que "un campo magnético ejerce una fuerza sobre una carga que se mueve a través de él".
Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre las partículas cargadas en movimiento. 
En términos generales, cuando una partícula cargada se desplaza a través de un campo magnético, experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de la partícula y con la dirección del campo. Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven en trayectorias curvas.


Las partículas fundamentales interactúan electromagnéticamente mediante el intercambio de fotones entre partículas cargadas 
Las variaciones en el campo pueden producir cambios específicos en el comportamiento de la célula. 

Estas características bioelectrónicas amplían la descripción biológica clásica y nos permiten un mayor conocimiento de la célula y por consiguiente, de nosotros mismos.

Podemos agregar además otras propiedades de la membrana celular que la definen como en verdadero chip:

-Se comporta como cristal líquido:

El cristal líquido es un tipo especial de estado de agregación de la materia que tiene propiedades de las fases líquida y sólida. Dependiendo del tipo de cristal líquido, es posible, por ejemplo, que las moléculas tengan libertad de movimiento en un plano, pero no entre planos, o que tengan libertad de rotación, pero no de traslación. 



Un ejemplo en tecnología son las pantallas de cristal líquido (LCD). Las nanoestructuras liótropicas de cristal líquido son abundantes en los seres vivos. 

Liotrópico significa que están formados por agregados de moléculas anfipáticas (moléculas que poseen en su misma estructura, regiones hidrofóbicas e hidrofílicas), como los fosfolípidos de la membrana. 

El prefijo nano es utilizado para denotar la milmillonésima (billonésima) parte o el multiplicar por un factor de 10-9. Su símbolo es n. Por ej: nanotecnología, nanosegundo, nanómetro, etc.

Las membranas de las células son una forma de cristal líquido
Sus moléculas, como los fosfolípidos, están dispuestas en forma de barra y están organizadas perpendicularmente a la superficie de la membrana, que es líquida y elástica. Las moléculas del componente pueden fluir fácilmente, pero tienden a no salir de la membrana, y pueden desplazarse de un lado a otro de ella con alguna dificultad. Estas fases del cristal líquido en la membrana pueden recibir e introducir las proteínas importantes como si fuesen libremente receptores "flotantes", o por fuera de la membrana. 
El ADN y muchos polipéptidos conforman fases de cristal líquido. 
En la naturaleza, numerosas estructuras biológicas exhiben la conducta de cristal líquido. Por ejemplo la solución concentrada de la proteína que es generada por una araña para generar su seda es, de hecho, una fase del cristal líquido. El orden preciso de las moléculas en la seda es crítico para darle su enorme fuerza, resistencia y flexibilidad. 




-Es un semiconductor:

Un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. El elemento semiconductor más usado es el silicio, que es utilizado en la fabricación de chips y microprocesadores. 

La membrana celular es un elemento semiconductor, es selectiva y semipermeable, sus propiedades eléctricas (potencial de membrana) varían de acuerdo a las moléculas que atraviesan la barrera de proteínas (bombas y canales). 


-Presenta puertas: 
Una computadora implica dos operaciones básicas:  memoriatoma de decisiones, es decir el recordar y responder. El circuito electrónico que toma decisiones se llama compuerta lógica. El que recuerda se llama memoria. Las mismas compuertas lógicas también se pueden programar para formar memoria. 

La membrana celular tiene proteínas integrales que actúan como puertas lógicas.

Las proteínas integrales actúan como filtros selectivos y como mecanismos de transporte activo, son responsables del flujo de iones, de hacer entrar nutrientes y de expulsar productos celulares y de desecho fuera de la célula. Algunas actúan como receptores de membrana, encargándose de la transdución de señales.

La transducción de señal ocurre cuando una molécula de señalización extracelular activa un receptor de superficie de la célula. A su vez, este receptor altera moléculas intracelulares generando una respuesta.

Hay dos etapas en este proceso:

1) Una molécula de señalización activa un proteína específica en la membrana celular.

2) Un segundo mensajero transmite la señal hacia el núcleo de la célula, provocando una respuesta fisiológica. 




En cualquiera de las etapas, la señal puede ser amplificada. Por lo tanto, una molécula de señalización puede causar muchas respuestas
Muchas proteínas integrales se extienden desde una cara a la otra de la membrana y por ello se conocen como proteínas de transmembrana

Las células constantemente bombean iones hacia afuera o adentro a través de su membrana plasmática con un costo energético elevado. Más del 50% de la energía que consume nuestro cuerpo es utilizado por las células nerviosas del cerebro para mantener las bombas, cuya función es transportar iones a través de las membranas para mantener el potencial eléctrico y la excitabilidad de la misma, fundamental para la conducción de información.


-Posee canales o conexiones físicas (bus):
 

En informática, la función del bus es la de permitir la transferencia de datos entre los componentes de una computadora o entre computadoras. Está formado por cables o pistas en un circuito impreso, dispositivos como resistores y condensadores además de circuitos integrados. 



En la célula, las proteínas transportadoras cumplen esta función, de la misma forma que el citoesqueleto y otras biomoléculas como los ácidos nucleicos (ADN y ARN) transportan información.


citoesqueleto
Los movimientos de casi todos los solutos, como iones y pequeñas moléculas a través de la membrana, están mediados por proteínas transportadoras de membrana, más o menos especializadas en el transporte de moléculas concretas. 

Podemos decir que la célula es un microprocesador que se autopotencia y por ser consciente además se autoreferencia, por eso puede curarse y adaptarse, es decr, reprogramarse. 


En realidad es un ordenador biológico muy sofisticado formado por varios microprocesadores conectados en paralelo
Ya vimos que la membrana celular tiene las características de un chip, pero también el citoesqueleto en el citoplasma y el ADN en el núcleo, procesan información y poseen memoria, generando respuestas unificadas y coherentes para el funcionamiento celular, gracias también al orden y a la coherencia que aportan las moléculas de agua en el interior y exterior de la célula.

La diferencia entre la membrana celular y un chip de silicio es que cada célula del cuerpo es consciente, pudiendo cambiar su programación y la expresión de sus genes, además de estar conectada en red, no solo con sus vecinas, sino con el resto del organismo, el que a su vez esta conectado en red con los demás. 
Una red universal de conciencias.

Esto que es el resultado de millones de años de evolución nos ofrece posibilidades increíbles, que apenas comenzamos a explorar.



lunes, 8 de octubre de 2012

El cerebro y la información



El cerebro es un órgano muy complejo, poseedor de una gran plasticidad y flexibilidad. Es el resultado de millones de años de evolución y diversas mutaciones. Un verdadero logro de la naturaleza, con una capacidad formidable para captar y emitir señales, traducir, codificar, almacenar datos, procesar información, proyectar imágenes y gestionar respuestas. Es un verdadero multifunción, el cual recién estamos aprendiendo a conocer.

Está continuamente recibiendo información sensorial, analizando rápidamente estos datos y luego respondiendo, controlando así las acciones y funciones del cuerpo.
El cerebro es un superprocesador hecho de tejido vivo y consciente, y aunque se conoce bien su anatomía, fisiología y los efectos de las alteraciones en su estructura, la neurociencia apenas comienza a descubrir como funciona realmente y a nivel tecnológico, a pesar de los innegables avances, se está muy lejos aún de alcanzar su eficacia y capacidad de procesamiento.

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