12. potenciales bioeléctricos

8/17/2019 12. Potenciales Bioeléctricos

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Potenciales

bioeléctricos,

canales iónicos y el

potencial de accion

Dr. Gonzalo Yévenes C.

Departamento de Fisiología

[email protected]


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¿Como se transmiten los

impulsos nerviosos?

La neurona: unidad funcional del SNC

• Célula excitable: permite TRANSMITIR e INTEGRAR los

impulsos nerviosos

¿Porqué la neurona es excitable?


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¿Cómo funciona el flujo de información?


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1. Gradientes de concentración iónicos

La distribución

iónica

es asimétrica

La distribución de los iones a través de la membrana es

mantenida por t ranspo rte act ivo de iones mediante bombas

La distribución asimétrica crea un gradiente de con centración


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El gradiente de concentración y la separación de

cargas originan los potenciales bioeléctricos

1- Potencial de reposo

2- Potenciales locales

3- Potenciales propagados o de acción

• Potencial de la membrana en reposo

• Electrotónicos• Sinápticos

• Generadores o de receptores*

• Impulso nervioso

• Potenciales de acción de células musculares


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El potencial de membrana en reposo es negativo

Vm=Vi-Vo

-70 mV

Existe un pequeño

exceso de cargasnegativas al interior

de la membrana

En neuronas, el potencial de membrana puede cambiar

drásticamente (-90mV a +30mV) en tiempos muy cortos (ms)

Las neuronas se comunican a través de cambios transitorios

rápidos en el potencial de membrana: po tencial de acción


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Potencial de membrana en reposo

Vm=Vi-Vo

≈ -70 mV


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El gradiente de concentración y el potencial de

membrana determinan los flujos iónicos

El flujo iónico se determina por 2 fuerzas:

1. Gradiente de concentración2. Gradiente eléctrico (dado por el Vm)

El voltaje al cual las 2 fuerzas están en

equilibrio es el

Potenc ial de equil ib r io para el ion (E ion )

1. Concentración 2. Potencial de membrana


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El gradiente de concentración y el

potencial de membrana determinan los

flujos iónicos

Gradiente electroquímico

Gradiente químico Gradiente eléctrico

Cuando el Vm = Eion el flujo neto es CERO

La Eion esta determinada por la ecuación de Nernst

Eion = (RT/zF) ln([ion]e/[ion]i)

i.e., ENa+ = (58/1) log10([140]e/[7]i) = +58 mV

i.e., ECl- = (58/-1) log10([150]e/[14]i) = -58 mV

Potencial de equilibrio (Eion)


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Cuando el Vm = Eion el flujo neto es CERO

Cuando el Vm ≠ Eion

Difusión pasiva del ion en dirección del

gradiente electroquímicoVm – Eion

Gradiente

electroquímico:fuerza que mueve

el ion a través del

canal iónico


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Flujos típicos de iones a través

de canales iónicos

Apertura canales de Na+→Entrada de Na+→Despolarización

Apertura canales de K+→Salida de K+→Hiperpolarización

Apertura canales de Cl-→Entrada de Cl-→Hiperpolarización

Apertura canales de Ca++

→Entrada de Ca++

→Despolarización


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Los flujos de iones a través de canales

iónicos determinan el potencial de membrana

La membrana en reposo es tónicamente permeable al K+

El potencial de reposo es similar al potencial

de equilibrio del K+


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Los flujos de iones a través de canales

iónicos determinan el potencial de membrana

La membrana en reposo es tónicamente permeable al K+

Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz

Vm en relación a la

permeabilidad

y a la concentración


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Canales iónicos → permeabilidad

Base de la transmisión nerviosa

La difusión de iones a través del loscanales iónicos genera

una corriente iónica

Cambian el po tencial

de memb rana

Despolarización

Hiperpolarización

Cambian las

concentraciones

de iones en el medio

intracelular


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Canales iónicosLos canales iónicos son grandes conjuntos de proteínas

transmembrana que median el paso de iones a través

de membranas celulares. Por lo tanto, los canalesiónicos proporcionan un ambiente polar a los iones.

1. Transporte a través de canales es extremadamente

rápido . (≈ 1.000.000 iones por segundo!)

2. Los canales iónicos son al tamente s elect ivos

(Canales de K+ 99,9% selectivos vs Na +, pero son casi

iguales en tamaño! K+ es 1.33 y Na+ es 0.95A)

3. La mayoría de los canales iónicos no es tánpermanentemente abiertos.

Se abren en respuesta a estímulos específicos..

4. Los iones fluyan a favor de un gradiente

electroquímico (no se necesita energía!)


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General featu res 6:

How we can s tudy ion channels?


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Voltage clamp: how is it work?


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Patch clamp: typical lab setup

1. Amplifier (A)

2. Personal computer (PC)

3. Analog-to-digital converter

interface (C)

4. Motorized dual pipette

manipulators (PM)

5. Microscope (M)

6. Perfusion systems (P)

7. Vibration isolation

table (VT)

8. Faraday Cage (FC)

9. Electrical rack (R)

10. Puller (PU)

11. Patch pipettes (PP)

12. Cells

PU

PP

P

P


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Tipos de canales iónicosSe pueden clasificar

de acuerdo a:

Proceso de apertura

(los estímulos que

abren el canal)

Ion permeable principal

del canal

• Voltage-gated : Na+, K+, Ca2+, Cl-

• Extracel lular l igand -gated : Glutamate, nAchR, GABA A, Glycine, ATP

• Intracel lular l igand-gated : Ryanodine, IP3, Ca2+ activated K+,

• G protein -gated : Inward rectifier K+ (GIRKs)

• Ligh t-gated ion ch annels : Channel rhodopsin

• Mechanosensi t ive : ASICs, DEG/ENaC, TREK, MEDEG

• Temperature-gated : TRPV1 (> 43°C), TRPM8 (< 28°C).

•

Cycl ic-nu cleot ide g ated : cAMP-gated (olfactory), cGMP-gated (vision)


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Tipos de canales iónicosSe pueden clasificar

de acuerdo a:

Proceso de apertura

(los estímulos que

abren el canal)

Ion permeable principal

del canal

Ac tivados po r vo lt aje :

• Na+

• K+

• Ca2+

• Cl-

Ac tivados po r l igando :

• Glutamato,

• Acetilcolina

• GABA A

• Glicina

•

ATP


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Tipos de canales iónicos vs función

(a)

Potencial

de

reposo

( -70 mV)

(b)

Potencial

deaccion

( -70 a +30

mV)

(c)

Neuro

transmisión(activados

por

NTs)

(d)

Sistemas

Sensoriales

(visual,

olfatorio,)


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Canales ionicos activados por voltaje

VGIC son canales iónicos que son activados mediante cambios

en el potencial de membrana. Dependiendo del tipo y

permeabilidad del canal se producirá una respuesta excitatoria

o inhibitoria en la célula.


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LGICs son los mediadores de la comunicación en la sinapsis

química. Mensajeros químicos difusibles (NTs) producirán una

respuesta excitatoria o inhibitoria en la célula dependiendo del

tipo y permeabilidad del canal iónico .

Canales ionicos activados por ligando


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Clasificacion estructural de los LGIC

Cys- loop• Nicotinic Acetylcholine

• GABA A• Glycine

• 5-HT3

Ionot rop ico Glu tamato • NMDA

• AMPA

• Kainate

Purinergic • P2X

21

3


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Clasificacion de los LGIC

Cys- loop

• GABA A• Glycine

Ionot rop ico Glu tamato

• NMDA

• AMPA

• Kainate

Purinergicos

• P2X

21

Clasificacion funcional de los LGIC

Cys- loop

• Nicotinic Acetylcholine

• 5-HT3

EXCITATORIOS INHIBITORIOSDEPOLARIZACION

VmDEPOLARIZACION

Vm

Na+

Ca2+Cl-ININ

L id d f i l d l SNC


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¿Como se transmiten los

impulsos nerviosos?

La neurona: unidad funcional del SNC

• Célula excitable: permite TRANSMITIR e INTEGRAR los

impulsos nerviosos

¿Porqué la neurona es excitable?

Fl j tí i d i t é


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Flujos típicos de iones a través

de canales iónicos

Apertura canales de Na+→Entrada de Na+→Despolarización

Apertura canales de K+→Salida de K+→Hiperpolarización

Potenc iales locales y po tencial de acc ión

Potenciales locales y potencial de acción


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en una neurona típica



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NO hay propagación

de la depolarizacion

Potencial LOCAL



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32/80





33/80



HAY propagación

de la depolarizacion

Potencial

PROPAGADO

PotencialDE

ACCION



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El potencial de acción (P.A.)

Es una cambio rápido ytransitorio en el potencial

de membrana de la

neurona que sigue una

dirección de propagaciónúnica

Las células que inician

P.A. son

denominadas

células

excitables

El potencial de acción (P A )


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El potencial de acción (P.A.)

Durante el potencial de

accion, la permeabilidad

de la membrana neuronal

al Na+ y al K+

cambia rápidamente debido

a la apertura y cierre de

canales ionicos


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Movimientos iónicos en el potencial de acción

C l ió i l t i l d ió


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Canales iónicos en el potencial de acción

Canales de sodio

voltaje-activados Canales de potasio

voltaje-activados

Tetrodotoxina (TTX)

Lidocaína


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L d l t d d l l b l


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Ley del todo o nada: alcanzar el umbral

Potenciales electrotónicos

Cambios en el potencial de membrana queno producen potenciales de acción

Potencial umbral

Potencial de membrana en el cual sedesencadena un potencial de acción

Periodo refractarioTiempo durante el cual la neurona no

producirá un potencial de acción


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Lights, Camera, Action Potentials!

http://www.youtube.com/watch?v=XdCrZm_JAp0

P ió d l t i l d ió


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Propagación de los potenciales de acción

La propagación es unidireccional: inactivación de los canales de Na+

Conducción saltatoria: nódulos de Ranvier


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Conducción saltatoria: nódulos de Ranvier

• Aísla eléctricamente segmentos del axón →

agrupaciones de canales de Na+ y K +

• Propagación rápida de potenciales de acción

Mielina

Estructura del axón mielinizado


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Estructura del axón mielinizado

• La mielina es un espiral continuo de membrana glial

• Se compone de lípidos (70%) y proteínas (30%)


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Respuesta refleja y velocidad de conducción


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Respuesta refleja y velocidad de conducción

• Neurona sensorial nociceptiva tipo C: ≈ 1 m/s; sin mielina

• Neurona motora tipo A : ≈ 100 m/s; mielinizada

Enfermedades desmielinizantes


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Enfermedades desmielinizantes

• La conducción nerviosa normal depende del

aislamiento proporcionado por la mielina• Defectos en la mielina tiene consecuencias

neurológicas importantes → Esclerosis múltiple

• Enfermedadautoinmune

• Mujeres : hombres; 2:1

• Mas de 3 millones de

personas• Se desarrolla por

factores ambientales y

genéticos

• Diagnostico muy difícil


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SINAPSIS QUIMICA POTENCIAL DE ACCION

+

=

¿Secuencia de

Eventos

para el flujo de laInformacion

entre

neuronas ?

¿Secuencia de

eventos que hace

que la informacionfluya entre

neuronas ?

Eventos CLAVE en la sinapsis entre neuronas


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Eventos CLAVE en la sinapsis entre neuronas

Estado en reposo

Receptores excitatorios activados por ligando

(NMDA-AMPA-P2X-nAchR-5-HT3)

Canales de calcio

activados

por voltaje (VGCC)

Canales de sodio

activadospor voltaje (VGSC)

Canales

de potasio

glutamato


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El potencial de acción llega a través del axón



Canales de sodio

activados

por voltaje (VGSC)


51/80

Se genera apertura de canales de sodio



Canales de sodio

activados

por voltaje (VGSC)


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DEPOLARIZACION del terminal presináptico

Canales de sodio

activados

por voltaje (VGSC)

DEPOLARIZACIÓN


53/80

Canales de calcio

activados

por voltaje (VGCC)

Apertura de canales de CALCIO presinápticos


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Aumento de la concentración de CALCIO

a nivel presináptico

Canales de calcio

activados

por voltaje (VGCC)


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El alza de CALCIO estimula la fusión y

LIBERACION de vesículas sinápticas


56/80

El neurotransmisor glutamato activa

receptores postsinápticos

Receptores excitatorios activados por ligando(NMDA-AMPA-P2X-nAchR-5-HT3)

glutamato


57/80

Los receptores postsinápticos glutamatérgicos

promueven la entrada de Na+ y Ca++

glutamato


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La entrada de Na+ y Ca++ genera una

DEPOLARIZACION del terminal postsináptico

DEPOLARIZACIÓN

glutamato


59/80

La DEPOLARIZACION promueve la activación

de canales de sodio: POTENCIAL DE ACCION

DEPOLARIZACIÓN


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En una sinapsis inhibitoria se liberan

neurotransmisores de igual manera, pero..

GABA/glicina

Receptores inhibitorios activados por ligando

(GABA A-Glicina)


61/80

GABA/glicina

Los receptores postsinápticos inhibitorios

promueven la entrada de Cl-


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HIPERPOLARIZACIÓN

GABA/Glicina

La entrada de Cl- genera una

HIPERPOLARIZACION del terminal postsináptico


63/80

HIPERPOLARIZACIÓN

GABA/Glicina

(-) (-)

La HIPERPOLARIZACION desfavorece la

iniciación de un nuevo POTENCIAL DE ACCION



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+

=

¿Integración de la

Informacion

entremiles de

neuronas ?

I t ió d l


65/80

¿Integración de la

Informacion

entremiles de

neuronas ?

1. Convergencia y divergencia

2. Sumacion temporal y espacial

3. Plasticidad neuronal



66/80


1 Convergencia y divergencia en la


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1. Convergencia y divergencia en la

formación de circuitos neuronales


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69/80

2. Sumacion temporal y espacial


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p y p

de potenciales locales

Ejemplo 1


71/80

Una neurona que recibe

entradas de sinapsis

excitatorias débiles

Las señales excitatorias

se suman

Un potencial de acción es

generado

Ejemplo 2


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Una neurona que recibe

entradas de sinapsisexcitatorias e inhibitorias

Las señales excitatorias

se suman

La señal inhibitoria

disminuye la depolarizacion

El potencial de acción

NO es generado

Ejemplo 2

Las ne ronas reciben e


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Las neuronas reciben e

integran múltiples

señales procedentes

de distintas neuronas

3. Plasticidad neuronal


74/80

Es un termino que agrupatodo aquellos cambios en

las sinapsis y en las redes

neuronales debidos a

diversos factores, talescomo ambientales,

aprendizaje, pensamiento,

comportamiento,

emocionales y patológicos.


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Los procesos deplasticidad neuronal

explican y exploran

como el cerebro y elsistema nervioso

cambia a través de la

vida

Los procesos de plasticidad neuronal


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comienzan a nivel celular y molecular

Potenciación de largo plazo (LTP)


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• LTP es un aumento persistente en la fuerza sináptica que sucede después de

una estimulación persistente (alta frecuencia) de una sinapsis• Fue descrita por primera vez en hipocampo de conejo por Lømo and Bliss en

Oslo (1966)

Long term potentiation (LTP)

NMDA-LTP

Clasificación de las fibras nerviosas


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Las fibras nerviosas se clasifican de acuerdo a:

Diámetro

Grado de mielinizacion Velocidad de conducción

Función


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