El pH intracelular ( pH i ) es la medida de la acidez o basicidad (es decir, pH ) del líquido intracelular . El pH i juega un papel crítico en el transporte de membrana y otros procesos intracelulares. En un ambiente con un pH inadecuado , las células biológicas pueden tener su función comprometida. [1] [2] Por lo tanto, el pH i está estrechamente regulado para garantizar la función celular adecuada, el crecimiento celular controlado y los procesos celulares normales. [3] Los mecanismos que regulan el pH i generalmente se consideran transportadores de la membrana plasmática, de los cuales existen dos tipos principales: los que son dependientes 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 los tejidos (p. ej., el músculo esquelético de los mamíferos tiende a tener un pH i de 6,8 a 7,1). [4] [5] También hay una variación del pH entre diferentes orgánulos , que puede oscilar entre 4,5 y 8,0. [6] [7] El pH i se puede medir de varias maneras diferentes. [3] [8]
El pH intracelular suele ser más bajo que el pH extracelular debido a concentraciones más bajas de HCO 3 − . [9] Un aumento de la presión parcial extracelular (p. ej., suero ) de dióxido de carbono ( pCO 2 ) por encima de 45 mmHg conduce a la formación de ácido carbónico , lo que provoca una disminución del pH a medida que se disocia : [10]
Dado que las células biológicas contienen 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 ante un aumento de acidez o basicidad, generalmente con la ayuda de CO 2 o HCO 3 , sensores presentes en la membrana de la célula. [3] Estos sensores pueden permitir que el H+ pase a través de la membrana celular en consecuencia, permitiendo que el pH i se interrelacione con el pH extracelular a este respecto. [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 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]
El pH dentro de un orgánulo particular se adapta 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 poder 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 interior del espacio intermembrana. [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]
Hay varias formas comunes en las que se puede medir el pH intracelular (pH i ), incluso con un microelectrodo, un tinte que sea 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. Usar tintes es quizás el método 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 porque proporcionan una forma no invasiva de determinar el pH dentro de diferentes orgánulos, pero este método no es la forma más cuantitativamente 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 realizando un agujero muy pequeño en la membrana plasmática de la célula. [19] Dado que el microelectrodo tiene líquido con una alta concentración de H+ en su interior, en relación con el exterior del electrodo, se crea un potencial 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 celda de interés. [19]
Otra forma de medir el pH intracelular (pH i ) es con tintes que son sensibles al pH y tienen una fluorescencia diferente en distintos valores de pH. [15] [22] Esta técnica, que utiliza espectroscopia de fluorescencia, consiste en añadir este colorante especial al citosol de una célula. [18] [19] Al excitar el tinte 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 tinte presente y relacionarlo con el pH intracelular de la célula dada. [18] [19]
Además de utilizar tintes y electrodos sensibles al pH para medir el pH i , la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) también se puede utilizar para cuantificar el pH i . [19] La RMN, normalmente hablando, 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 determinada, 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]
Mediante espectroscopía 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 eficaz y no invasiva. [20] Al utilizar ADNc como plantilla junto con los cebadores apropiados, 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 endoplásmico. . [21] Si en estos experimentos se utilizan ciertos mutantes de GFP que son altamente sensibles al pH en ambientes intracelulares, la cantidad relativa de fluorescencia resultante puede revelar el pH circundante aproximado. [21] [25]