Estado Estacionario (bioquímica)

En bioquímica, estado estable se refiere al mantenimiento de concentraciones internas constantes de moléculas e iones en las células y órganos de los sistemas vivos. Los organismos vivos permanecen en un estado estacionario dinámico donde su composición interna a nivel celular y bruto es relativamente constante, pero diferente de las concentraciones de equilibrio. Un flujo continuo de masa y energía da como resultado la síntesis constante y la descomposición de las moléculas a través de reacciones químicas de las vías bioquímicas. Esencialmente, el estado estacionario puede considerarse homeostasis a nivel celular.

Mantenimiento del estado estacionario

La regulación metabólica logra un equilibrio entre la velocidad de entrada de un sustrato y la velocidad a la que se degrada o convierte y, por lo tanto, mantiene un estado estable. La tasa de flujo metabólico, o flujo, es variable y está sujeta a las demandas metabólicas. Sin embargo, en una vía metabólica, el estado estacionario se mantiene equilibrando la tasa de sustrato proporcionada por un paso previo y la tasa a la que el sustrato se convierte en producto, manteniendo la concentración de sustrato relativamente constante.

Termodinámicamente hablando, los organismos vivos son sistemas abiertos, lo que significa que intercambian constantemente materia y energía con su entorno. Se requiere un suministro constante de energía para mantener el estado estacionario, ya que mantener una concentración constante de una molécula preserva el orden interno y, por tanto, es entrópicamente desfavorable. Cuando una célula muere y ya no utiliza energía, su composición interna avanzará hacia el equilibrio con su entorno.

En algunos casos, es necesario que las células ajusten su composición interna para alcanzar un nuevo estado estable. La diferenciación celular, por ejemplo, requiere una regulación proteica específica que permita a la célula en diferenciación satisfacer nuevos requisitos metabólicos.

ATP

La concentración de ATP debe mantenerse por encima del nivel de equilibrio para que las tasas de reacciones bioquímicas dependientes de ATP respondan a demandas metabólicas. Una disminución en ATP dará lugar a una disminución de la saturación de enzimas que usan ATP como sustrato, y por lo tanto una disminución de la tasa de reacción. La concentración de ATP también se mantiene más alta que la de AMP, y una disminución de la relación ATP/AMP activa AMPK para activar procesos celulares que devolverán las concentraciones de ATP y AMP al estado estable.

En un paso de la vía de la glucólisis catalizada por PFK-1, la constante de equilibrio de la reacción es aproximadamente 1000, pero la concentración en estado estacionario de los productos (fructosa-1,6-bifosfato y ADP) sobre los reactivos (fructosa-6- fosfato y ATP) es sólo 0,1, lo que indica que la proporción 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.

En el citoplasma de los hepatocitos, la proporción 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 el principal agente reductor y NAD⁺ como principal agente oxidante en reacciones químicas.

Glucosa en sangre

Los niveles de glucosa en sangre se mantienen en una concentración estable equilibrando la tasa de entrada de glucosa al torrente sanguíneo (es decir, por ingestión o liberada de las células) y la tasa de absorción de glucosa por los tejidos del cuerpo. Los cambios en la tasa de entrada se enfrentarán con un cambio en el consumo, y viceversa, de modo que la concentración de glucosa en sangre se mantiene en aproximadamente 5 mM en los seres humanos. Un cambio en los niveles de glucosa en sangre desencadena la liberación de insulina o glucagón, que estimula al hígado a liberar glucosa en el torrente sanguíneo o absorber glucosa del torrente sanguíneo para devolver los niveles de glucosa al estado estable. 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. 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 absorción por las células cerebrales. En los teleósteos, una caída de los niveles de glucosa en sangre por debajo del estado estacionario disminuye el gradiente intracelular-extracelular en el torrente sanguíneo, lo que limita el metabolismo de la glucosa en los glóbulos rojos.

Lactato en sangre

Los niveles de lactato en sangre también se mantienen en estado estable. En reposo o en 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 determinada concentración en 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 estacionario de lactato máximo (MLSS) se refiere a la concentración constante máxima de lactasa alcanzada durante una actividad elevada sostenida.

Moléculas que contienen nitrógeno

La regulación metabólica de las moléculas que contienen nitrógeno, como los aminoácidos, también se mantiene en un estado estable. La reserva de aminoácidos, que describe el nivel de aminoácidos en el cuerpo, se mantiene en una concentración relativamente constante equilibrando la tasa de entrada (es decir, de la ingestión de proteínas en la dieta, la producción de intermediarios metabólicos) y la tasa de agotamiento (es decir, de la formación de proteínas corporales, conversión en moléculas de almacenamiento de energía). La concentración de aminoácidos en las células de los ganglios linfáticos, por ejemplo, se mantiene en un estado estacionario con el transporte activo como fuente principal de entrada y la difusión como fuente de salida.

Iones

Una función principal del plasma y de las membranas celulares es mantener concentraciones asimétricas de iones inorgánicos para mantener un estado estable iónico diferente del equilibrio electroquímico. En otras palabras, hay una distribución diferencial de iones a cada lado de la membrana celular, es decir, la cantidad de iones a cada lado no es igual y por lo tanto existe una separación de carga. 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 un estado estacionario iónico. En el modelo de bomba-fuga de homeostasis de iones celulares, la energía se utiliza para transportar activamente iones contra su gradiente electroquímico. El mantenimiento de este gradiente de estado estable, a su vez, se utiliza para realizar trabajo eléctrico y químico, cuando se disipa mediante el movimiento pasivo de iones a través de la membrana.

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. La excitación eléctrica de la célula produce una entrada de iones de sodio en la célula, despolarizándola temporalmente. Para restaurar el gradiente electroquímico en estado estacionario, la ATPasa elimina los iones de sodio y restaura los iones de potasio en la célula. Cuando se mantiene una frecuencia cardíaca elevada, lo que provoca más despolarizaciones, los niveles de sodio en la célula aumentan hasta volverse constantes, lo que indica que se ha alcanzado un nuevo estado estacionario.

Estabilidad del estado estacionario

Los estados estacionarios pueden ser estables o inestables. Un estado estacionario es inestable si una pequeña perturbación en una o más de las concentraciones da como resultado que el sistema se desvíe de su estado. Por el contrario, si un estado estacionario es estable, cualquier perturbación se relajará y regresará al estado estacionario original. Se pueden encontrar más detalles en la página Teoría de la estabilidad.

Ejemplo sencillo

A continuación se proporciona un ejemplo sencillo para calcular el estado estacionario mediante un modelo matemático sencillo.

Considere el sistema químico abierto compuesto por dos reacciones con tasas v1{displaystyle v_{1}y v2:{displaystyle - ¿Qué?:

Xorestablecimiento restablecimiento v1S1restablecimiento restablecimiento v2X1{displaystyle ¿Qué? {V_{1}{longrightarrow - ¿Qué? {V_{2}{longrightarrow }X_{1}

Vamos a asumir que la especie química Xo{displaystyle X_{o} y X1{displaystyle X_{1} son especies externas fijas y S1{displaystyle S_{1} es una especie química interna que se permite cambiar. Los límites fijos son asegurar que el sistema pueda alcanzar un estado estable. Si asumimos una simple kinetica de acción masiva irreversible, la ecuación diferencial que describe la concentración de S1{displaystyle S_{1} es dado por:

dS1dt=k1Xo− − k2S1{fnMicroc} {fn} {fn}=k_{1}X_{o}-k_{2}S_{1}}

Para encontrar el estado estable la ecuación diferencial se establece a cero y la ecuación reordenada para resolver para S1{displaystyle S_{1}

S1=k1Xok2{displaystyle S_{1}={frac {k_{1}X_{o} {k_{2}}}

Esta es la concentración de estado estable S1{displaystyle S_{1}.

La estabilidad de este sistema se puede determinar haciendo una perturbación δ δ S1{displaystyle delta S_{1} dentro S1{displaystyle S_{1} Esto se puede expresar como:

d()S1+δ δ S1)dt=k1Xo− − k2()S1+δ δ S1){displaystyle {frac {d(S_{1}+delta S_{1} {dt}=k_{1}X_{o}-k_{2}(S_{1}+delta S_{1}}

Note que δ δ S1{displaystyle delta S_{1} producirá un cambio en la tasa de cambio. En estado estable k1Xo− − k2S1=0{displaystyle K_{1}X_{o}-k_{2}S_{1}=0}, por lo tanto la tasa de cambio S1{displaystyle S_{1} como resultado de esta perturbación es:

dδ δ S1dt=− − k2δ δ S1{displaystyle {frac {dddelta S_{1} {dt}=-k_{2}delta S_{1}

Esto muestra que la perturbación, δ δ S1{displaystyle delta S_{1} decae exponencialmente, por lo tanto el sistema es estable.