pH intracelular

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El pH intracelular ( pH _i ) es la medida de la acidez o basicidad (es decir, pH ) del fluido intracelular . El pH _i desempeña un papel fundamental en el transporte por membrana y otros procesos intracelulares. En un entorno con un pH _i inadecuado , las células biológicas pueden tener una función comprometida. ^{[1] [2]} Por lo tanto, el pH _i está estrechamente regulado para garantizar una función celular adecuada, un crecimiento celular controlado y procesos celulares normales. ^[3] Los mecanismos que regulan el pH _i suelen considerarse transportadores de membrana plasmática de los cuales existen dos tipos principales: los que dependen y los que son independientes de la concentración de bicarbonato ( HCO⁻
₃). El pH intracelular fisiológicamente normal suele estar entre 7,0 y 7,4, aunque existe variabilidad entre tejidos (por ejemplo, el músculo esquelético de los mamíferos tiende a tener un pH _i de 6,8 a 7,1). ^{[4] [5]} También hay variación de pH entre diferentes orgánulos , que puede oscilar entre alrededor de 4,5 y 8,0. ^{[6] [7]} El pH _i se puede medir de varias formas diferentes. ^{[3] [8]}

El pH intracelular es típicamente más bajo que el pH extracelular debido a concentraciones más bajas de HCO ₃ ⁻ . ^[9] Un aumento de la presión parcial extracelular (p. ej., sérica ) de dióxido de carbono ( pCO ₂ ) por encima de 45  mmHg conduce a la formación de ácido carbónico , que causa una disminución del pH _i a medida que se disocia : ^[10]

H ₂ O + CO ₂ ⇌ H ₂ CO ₃ ⇌ H ⁺ + HCO ₃ ^–

Dado que las células biológicas contienen un líquido que puede actuar como amortiguador, el pH _i se puede mantener bastante bien dentro de un cierto rango. ^[11] Las células ajustan su pH _i en consecuencia cuando aumenta la acidez o la basicidad, generalmente con la ayuda de sensores de CO2 ^o _HCO3 presentes _en la membrana de la célula. ^[3] Estos sensores pueden permitir que el H+ pase a través de la membrana celular en consecuencia, lo que permite que el pH _i se interrelacione con el pH extracelular en este sentido. ^[12]

Los principales sistemas tampón intracelulares incluyen aquellos que involucran proteínas o fosfatos. Dado que las proteínas tienen regiones ácidas y básicas, pueden servir como donantes o aceptores de protones para mantener un pH intracelular relativamente estable. En el caso de un tampón de fosfato, cantidades sustanciales de ácido débil y base débil conjugada (H ₂ PO ₄ ^– y HPO ₄ ^2– ) pueden aceptar o donar protones en consecuencia para conservar el pH intracelular: ^{[13] [14]}

OH ^– + H ₂ PO ₄ ^– ⇌ H ₂ O + HPO ₄ ^2–

H ⁺ + HPO ₄ ^2– ⇌ H ₂ PO ₄ ^–

El pH dentro de un orgánulo particular está adaptado a su función específica.

Por ejemplo, los lisosomas tienen un pH relativamente bajo de 4,5. ^[6] Además, las técnicas de microscopía de fluorescencia han indicado que los fagosomas también tienen un pH interno relativamente bajo. ^[15] Dado que ambos son orgánulos degradativos que engullen y descomponen otras sustancias, requieren una alta acidez interna para realizar con éxito su función prevista. ^[15]

En contraste con el pH relativamente bajo dentro de los lisosomas y fagosomas, la matriz mitocondrial tiene un pH interno de alrededor de 8,0, que es aproximadamente 0,9 unidades de pH más alto que el del espacio intermembrana interior. ^{[6] [16]} Dado que la fosforilación oxidativa debe ocurrir dentro de las mitocondrias, esta discrepancia de pH es necesaria para crear un gradiente a través de la membrana. Este potencial de membrana es, en última instancia, lo que permite que las mitocondrias generen grandes cantidades de ATP. ^[17]

Existen varias formas comunes de medir el pH intracelular (pH _{i ), entre ellas, con un microelectrodo, un tinte sensible al pH o con técnicas de resonancia magnética nuclear.} ^{[18] [19]} Para medir el pH dentro de los orgánulos, se puede utilizar una técnica que utiliza proteínas fluorescentes verdes (GFP) sensibles al pH. ^[20]

En general, los tres métodos tienen sus propias ventajas y desventajas. El uso de colorantes es quizás el más fácil y bastante preciso, mientras que la RMN presenta el desafío de ser relativamente menos precisa. ^[18] Además, el uso de un microelectrodo puede ser un desafío en situaciones en las que las células son demasiado pequeñas o la integridad de la membrana celular debe permanecer intacta. ^[19] Las GFP son únicas en el sentido de que proporcionan una forma no invasiva de determinar el pH dentro de diferentes orgánulos, aunque este método no es la forma cuantitativamente más precisa de determinar el pH. ^[21]

El método del microelectrodo para medir el pH _i consiste en colocar un electrodo muy pequeño en el citosol de la célula haciendo un orificio muy pequeño en la membrana plasmática de la célula. ^[19] Dado que el microelectrodo tiene un fluido con una alta concentración de H+ en su interior, en relación con el exterior del electrodo, existe un potencial creado debido a la discrepancia de pH entre el interior y el exterior del electrodo. ^{[18] [19]} A partir de esta diferencia de voltaje y un pH predeterminado para el fluido dentro del electrodo, se puede determinar el pH intracelular (pH _i ) de la célula de interés. ^[19]

Otra forma de medir el pH intracelular (pH _i ) es con colorantes que son sensibles al pH y fluorescen de manera diferente a varios valores de pH. ^{[15] [22]} Esta técnica, que hace uso de la espectroscopia de fluorescencia, consiste en agregar este colorante especial al citosol de una célula. ^{[18] [19]} Al excitar el colorante en la célula con energía de la luz y medir la longitud de onda de la luz liberada por el fotón cuando regresa a su estado de energía nativo, se puede determinar el tipo de colorante presente y relacionarlo con el pH intracelular de la célula dada. ^{[18] [19]}

Además de utilizar electrodos y colorantes sensibles al pH para medir el pH _i , también se puede utilizar la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) para cuantificar el pH _i . ^[19] La RMN, en términos generales, revela información sobre el interior de una célula al colocarla en un entorno con un potente campo magnético. ^{[18] [19]} Con base en la relación entre las concentraciones de formas protonadas, en comparación con las desprotonadas, de compuestos de fosfato en una célula dada, se puede determinar el pH interno de la célula. ^[18] Además, la RMN también se puede utilizar para revelar la presencia de sodio intracelular, que también puede proporcionar información sobre el pH _i . ^[23]

Utilizando espectroscopia de RMN, se ha determinado que los linfocitos mantienen un pH interno constante de 7,17 ± 0,06, aunque, como todas las células, el pH intracelular cambia en la misma dirección que el pH extracelular. ^[24]

Para determinar el pH dentro de los orgánulos, a menudo se utilizan GFP sensibles al pH como parte de una técnica no invasiva y eficaz. ^[20] Al utilizar ADNc como plantilla junto con los cebadores adecuados, el gen GFP se puede expresar en el citosol y las proteínas producidas pueden dirigirse a regiones específicas dentro de la célula, como las mitocondrias, el aparato de Golgi, el citoplasma y el retículo endoplasmático. ^[21] Si se utilizan ciertos mutantes de GFP que son altamente sensibles al pH en entornos intracelulares en estos experimentos, la cantidad relativa de fluorescencia resultante puede revelar el pH circundante aproximado. ^{[21] [25]}