clase 26 corte 3

LEONARDO MEDINA MD

IMPULSOS ELECTRICOS YPOTENCIALES DE ACCION

POTENCIALES DE DIFUSION

Potencial de difusión

• Membrana de una fibra nerviosa– Mayor concentración de K+ dentro– Al salir el K + genera

• Electronegatividad en el interior• Electropositividad en el exterior

– Potencial de difusión• Diferencia de potencial entre el interior y exterior suficiente

para bloquear la difusión adicional neta de potasio hacia el exterior (94 mV negativos dentro de la fibra nerviosa)

Potencial de difusión

• Concentración elevada de Na+ fuera de la membrana

• La difusión hacia dentro de la membrana– Electronegatividad en el exterior– Electropositividad en el interior

– Potencial de difusión – 61 mV positivos dentro de la fibra nerviosa bloquean la difusión de Na+ hacia el interior.

A. El Potasio sale de la célula - electronegatividad en el interior B. El Sodio entra a la célula - electropositividad en el interior

Potencial de difusión

• La membrana es permeable a varios iones, entonces el potencial de difusión depende de:

1. Polaridad de la carga eléctrica de cada ion2. Permeabilidad de la membrana a cada ion3. Concentraciones de los iones en el interior y en el exterior.

• Los iones más importantes son Sodio, Potasio y Cloruro; el gradiente de concentración de cada uno determina el voltaje del potencial de membrana.

Potencial de difusión

• La permeabilidad de los canales de sodio y potasio experimenta cambios rápidos durante la transmisión de un impulso nervioso.

• La permeabilidad de los canales de cloruro no se modifica mucho.

Relación del potencial de difusión con la diferencia de concentración: potencial de Nernst

El nivel del potencial de difusión a través de una membrana que se opone exactamente a la difusión neta de un ion particular a través de la membrana

Potencial de Nernst

Cociente de las concentraciones de ese ion específico en los dos lados de la membrana

Ecuación de Nernst

Cociente

Mayor tendencia del ion a difundir

Potencial de Nernst necesario para impedirlo

May

or

Calculo del potencial de difusión cuando la membrana es permeable a varios iones diferentes

Potencial de difusión que se genera depende de tres factores:

1. La polaridad de la carga eléctrica de cada uno de los iones2. La permeabilidad de la membrana (P) 3. Las concentraciones (C) de los iones al interior (i) y en el exterior(o) de la membrana

Ecuación de Goldman o Ecuación de Goldman-Hodking-Katz

Da el potencial de membrana cuando participan dos iones positivos univalente, sodio (Na+), potasio (K+) y un ion negativo univalente, cloruro (Cl-)

1. Iones (Na+), (K+) (Cl-). Más importantes en la generación de potenciales de membrana de fibras nerviosas y musculares

2. El grado de importancia de cada uno de los iones en la determinación del voltaje es proporcional a la permeabilidad de la membrana para ese ion particular

3. Un gradiente positivo de concentración iónica desde el interior de la membrana hacia el exterior produce electronegatividad en el interior de la membrana. (Se produce lo contrario cuando el gradiente es negativo )

4. La permeabilidad de los canales de sodio y de potasio experimenta cambios rápidos durante la transmisión de un impulso nervioso , mientras que el canal de cloro no presenta muchos cambios durante el impulso

POTENCIAL EN REPOSO

Potencial de membrana en reposo de los nervios

• Cuando una fibra nerviosa NO transmite señales nerviosas tiene una potencial de

-90 mV en el interior.

Origen del potencial de membranaen reposo

• Potencial de difusión de potasio • Difusión de sodio • Contribución de la Bomba Na-K

– Difusión Sodio y Potasio -86mv– Bomba Na-K -4mV

Neurona en condiciones de Reposo (sin recibir estímulos)

¿Cómo se explica que cuando la neurona está en reposo presenta una diferencia de carga eléctrica entre el interior y el exterior de la célula?

Distribución de los iones en el líquido extracelular que rodea una fibra nerviosa y en el líquido del interior de la fibra.Observe la alineación de las cargas negativas en la superficie interna de la membrana y las cargas positivas en la superficie externa.

Potencial de membrana en reposo

• Bomba Na+-K+

– Bombea Na hacia el exterior y K al interior– Se bombean más cargas positivas hacia el exterior,

generando un potencial negativo en el interior.– Genera gradientes de concentración para Na y K.

Interior Exterior

Na 14 mEq/l 142 mEq/l

K 140 mE1/l 4 mEq/l

Potencial de membrana en reposo

• Además de la bomba Na-K, existen• Canales de Fuga K - Na

– 100 veces más permeables al K– Esta diferencia también determina el nivel de

potencial de membrana en reposo.

Bomba Na-K y Canales de fuga K-Na

Bomba de sodio-potasio

Transporta iones de Na hacia el

exterior y iones de K hacia el interior.

Es una Bomba electrogena por que bombea mas cargas

positivas hacia el exterior.

Genera potencial negativo en el interior de la membrana.

Genera grandes gradientes de concentración.

Se escapan iones de K incluso en

una célula en reposo, también

se pierden algunos iones de Na

Potencial de membrana en reposo

Difusión de Na, K y Bomba Na-K

POTENCIAL DE ACCION

Potencial de acción nervioso

• Las señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción.

• Potencial de acción– Cambio rápido del potencial de

membrana, que se extienden a lo largo de la fibra nerviosa.

Potencial de acción nervioso• Comienza con un cambio súbito del potencial

de membrana

1. De negativo (reposo) a positivo• Entran cargas positivas

2. De positivo a negativo• Salen cargas positivas

3. Se desplaza a lo largo de la fibra nerviosa.

Potencial de acción

Medición del potencial de membrana

1. pipeta llena de solución de electrolitos.

2. Se inserta en la membrana celular hasta el interior de la fibra.

3. Se coloca otro electrodo(electrodo indiferente), en el liquido extracelular.

4. Se mide la diferencia de potencial entre el interior y exterior de la fibra utilizando un voltímetro

• Electrodo fuera de la membrana del nervio (liquido extracelular)

• Electrodo en zona de cambio de voltaje

• La capa del dipolo se genera cuando se transportan hacia afuera suficientes iones positivos dejando un potencial negativo en el interior

• El desplazamiento rápido de los iones desde el interior hacia el exterior y viceversa origina las señales nerviosas

Fases del potencial de acción

• Fase de reposo– Membrana polarizada -90mV

• Fase de despolarización– Aumenta súbitamente la permeabilidad al Na hacia

el interior del axón, las cargas positivas elevan el potencial a cero o más allá (sobreexcitación)

• Fase de repolarización– Se cierran los canales de Sodio, se abren los de

Potasio más de lo normal, salen cargas positivas.

Canal de Na activado por voltaje

• Compuerta de activación (externa)• Compuerta de inactivacion (interna)

• Tres fases– Reposo– Activación– Inactivación

Canal de Na activado por voltaje

• Fase de reposo– -90mV– Compuerta de activación cerrada

• Activación– -70 a -50mV– Compuerta de activación abierta– Aumenta la permeabilidad del sodio 500-5000

veces (Entra sodio)

Canal de Na activado por voltaje

• Inactivación

– El mismo voltaje que abre la compuerta, la cierra, pero el cambio conformacional toma más tiempo.

– La compuerta de inactivación no se abre hasta que el potencial de membrana llega a -90 mV.

Canal de K activado por voltaje

• Reposo– Potencial -90 mV– Compuerta cerrada

• Activación– Potencial hacia Cero– Compuerta abierta– Sale Potasio, al tiempo en que se cierran los canales

de Sodio.

Canales de Sodio y Potasioactivación por voltaje

• Inactivación del canal de Na+. o El mismo aumento de voltaje que

abre la compuerta de activación también cierra la compuerta de inactivación

o El proceso es más lento que el cambio conformacional que abre la compuerta de activación.

o El canal de inactivación no se abre hasta que el potencial de membrana se normaliza o casi a valores de reposo.

• Activación del canal de Na+. o Se produce cuando el potencial de

membrana se hace menos negativo que durante el estado en reposo (desde -90mV hacia cero).

o Durante este estado el Na+ puede atravesar el canal, aumentando la permeabilidad de la membrana al Na+ hasta 500 a 5.000 veces.

Canal de potasio activado por el voltaje y su activación.

• Se activan cuando el potencial de membrana aumenta de -90mV hacia cero, aumentando la difusión de K+ hacia el exterior.

• Los canales de K+ se abren al mismo tiempo que los canales de Na+ se cierran.

• Esta combinación acelera el proceso de repolarización.

METODO DE INVESTIGACION PARA MEDIR EL EFECTO DEL VOLTAJE SOBRE LA APERTURA Y CIERRE DE LOS CANALES ACTIVADOS POR EL VOLTAJE: LA «PINZA DE VOLTAJE».

Fue tan ingeniosa que les valió el premio nobel a los científicos responsables, Hodgkin y Huxley.

Pinza de voltaje: se utiliza para medir el flujo de iones a través de los diferentes canales insertando los electrodos en una fibra nerviosa.

Uno de ellos sirve para medir el voltaje del potencial de membrana y el otro para conducir corriente eléctrica hacia el interior de la fibra nerviosa.

Se muestran los cambios típicos de la conductancia de los canales de sodio y de potasio activados por le voltaje.

La apertura súbita de los canales de sodio (fase de activación) en un plazo de una pequeña fracción de ms después de aumentar el potencial de membrana hasta el valor positivo.

La apertura (activación) de los canales de potasio. Se abren lentamente y alcanzan su estado totalmente abierto solo después de que se hayan cerrado casi completamente los canales de sodio.

RESUMEN DE LOS FENOMENOS QUE CAUSAN EL POTENCIAL DE ACCION.

Durante el estado de reposo, la conductancia a los iones potasio es 50 a 100 veces mayor a la conductancia a los iones sodio.

Al inicio del potencial de acción se activan instantáneamente los canales de sodio y dan lugar a un aumento de la conductancia al sodio de 5000 veces.

El inicio del potencial de acción también produce activación por el voltaje de los canales de potasio, haciendo que empiecen a abrirse mas lentamente una fracción de milisegundo después de que se abran los canales de sodio.

¿Qué sucede en 2 milisegundos?

OTROS IONES

Otros iones en el potencial de acción

• Aniones no difusibles• Proteínas, compuestos de fosfato orgánicos, compuestos

de sulfato, etc.

• Estos iones permanecen en el interior del axón• Son responsables de la carga negativa, cuando

hay un déficit neto de iones potasio (+) y otros iones positivos.

Otros iones en el potencial de acción• El calcio coopera con el Sodio para producir el

potencial de acción.

• La bomba de Calcio– Saca Calcio de la célula– Mete Calcio al retículo endoplásmico– Crea un gradiente de 10 000 veces.

Bomba de Calcio

• Canales de Ca++ - Na+, activados por voltaje

• Canales lentos

– Al abrirse entra Sodio y Calcio a la fibra nerviosa.

– En el músculo cardíaco y músculo liso hay abundantes canales de calcio.

Relación Ca++ - Na+

• Concentración de Calcio en el líquido extracelular– Cuando hay déficit

• Los canales de sodio se abren con un aumento muy pequeño de potencial de membrana

• La fibra nerviosa se vuelve muy excitable, y a veces descarga de manera repetitiva sin razón.

• Aparentemente el Calcio se pega a la proteína del canal de Sodio alterando su voltaje hacia positivo.

EXITACION

EXITACIÓN = GENERACION DEL POTENCIAL DE ACCION

Cualquier factor que haga que los iones sodio comiencen a difundir hacia el interior a través de la

membrana en un numero suficiente puede desencadenar la apertura regenerativa automática

de los canales de sodio.

Esto se debe a un trastorno mecánico

de la membrana

A los efectos químicos sobre la

membrana

O al paso de electricidad a través

de la membrana

Inicio del potencial de acción

• UMBRAL de estimulación– La entrada de Na supera la salida de K, generando un

aumento súbito de potencial de membrana a -65 mV.– El aumento de voltaje abre muchos canales de Na(retroalimentación positiva)

• Entra Na y aumenta más el voltaje– Se abren más canales de Na

» Entra más Na, se abren todos los canales Na• Se cierran los canales de Na y se abren los canales de K

UMBRAL DE EXCITACIÓN Y POTENCIALES LOCALES AGUDOS

• Un estimulo eléctrico negativo débil puede ser capaz de excitar una fibra. Sin embargo cuando aumenta el voltaje del estimulo se llega a un punto en el que se produce la excitación.

• Punto A: un estimulo débil hace que el potencial de la membrana cambie de -90 a -85mV pero no es suficiente para que se produzcan los procesos regenerativos.

• Punto B: el estimulo es mayor pero tampoco es suficiente.

• Punto C: el estimulo es aun mas intenso. Ahora el potencial local apenas ha alcanzado el nivel necesario para generar un potencial de acción, denominado nivel liminar (umbral).

• Punto D: el estimulo es mas intenso.

Ley del todo o nada:

Si se alcanza el umbral se producirá el impulso nervioso de una misma magnitud, no importando la intensidad del estímulo

EXCITACIÓN DE UNA FIBRA NERVIOSA POR UN ELECTRODO METALICO

• El método habitual para excitar un nervio o un musculo en el laboratorio experimental es aplicar electricidad a la superficie del nervio, del musculo mediante dos electrodos pequeños, uno de los cuales contiene carga negativa y el otro positivo.

• La causa es que el potencial de accion se inicia por la apertura de canales de sodio activados por el voltaje.

Fases del potencial de acción.

• Fase de reposo. La membrana esta polarizada debido al potencial de membrana negativo de -90 mV.

• Fase de despolarización. La membrana es permeable a los iones de sodio. El estado polarizado se neutraliza inmediatamente, y el potencial aumenta rápidamente en dirección positiva.

• Fase de repolarización. Los canales Na+ comienzan a cerrarse y los canales de K+ se abren más de lo normal. De esta manera, la rápida difusión de K+ hacia el exterior restablece el potencial de membrana en reposo negativo.

Inicio del potencial de acción: Ciclo de retroalimentación positiva

Umbral para el inicio del potencial de acción

-90 MV

Propagación del potencial de acción

• Un potencial de acción que se desencadena en cualquier punto de una membrana excitable, excita porciones adyacentes de la membrana.

• Las cargas eléctricas positivas son desplazadas a lo largo de la fibra nerviosa mielinizada y abren más canales de Na en nuevas zonas.

Propagación del potencial de acción en una fibra nerviosa

Propagación del potencial de acción

• Dirección de la propagación – El potencial viaja en todas direcciones alejándose

del estímulo

• “Todo o nada”– Las condiciones deben ser adecuadas (voltaje) para

la propagación del potencial o no se propagará.

El potencial de reposo puede ser modificado debido a los estímulos captados por los receptores sensitivos, lo que produce una DESPOLARIZACIÓN

Aumento de la permeabilidad para el Na+, el cual Ingresa la célula cambiando la polaridad

Luego se restablece la polaridad de la membrana, se inactivan los canales de Na+ y sale K+:

REPOLARIZACIÓN

POTENCIALES EN MESETA

Meseta en algunos potenciales de acción

• La membrana no se repolariza inmediatamente

• Músculo cardíaco – contracción del músculo por 0.2 – 0.3 segundos, luego repolarización de la membrana.

– El músculo cardíaco tiene también canales lentos (Sodio – calcio)

– Los canales de potasio se abren más lentamente

Potencial de acción en una fibra de Purkinje

K Na+

Ca+

RYR2

Ca2+ATPasa

DHP

-90MV

-70MV

+30MV

0

Proteína UCRYNa+/Ca ATPasa

Na/

K+AT

Pasa

Miocito cardiaco MESETA EN ALGUNOS POTENCIALES DE ACCION

DESCARGA REPETITIVA

Descarga repetitiva

• Las descargas repetitivas autoinducidas aparecen en– Corazón– Músculo liso– Neuronas

• Generando– Latido rítmico del corazón– Peristaltismo rítmico del intestino– Control rítmico de la respiración.

Ritmicidad espontánea

• Debe haber permeabilidad suficiente al Na (o Na – Ca) para permitir la despolarización automática.

– En el corazón, el potencial de membrana en reposo es de -60 a -70 mV

– El voltaje no es suficiente para cerrar todos los canales de Sodio y Calcio.

Ritmicidad espontánea

• Potencial en reposo -60 a -70 mv– Entra Na y Ca a la fibra

• Aumenta más el voltaje– Entra más Na y Ca

» Aumenta más el voltaje• Se genera un potencial de acción

• Se repolariza la membrana• Vuelve a despolarizarse, no entra en reposo.

Ritmicidad espontánea

• En el corazón hay un retraso entre repolarización y despolarización (inicio del siguiente potencial de acción)– Al final del potencial de acción la fibra se hace

mucho más permeable al potasio• Al salir más potasio, queda más negativo dentro.

– Este estado se llama hiperpolarización– Da tiempo entre un potencial y otro.

Proceso de Reexitacion necesario para ritmicidad espontanea

Se llama Hiperpolarizacion a la negatividad mucho mayor de la normal de la fibraMuscular debido a la salida de potasio en la fase 3 del potencial de accion

PERIODO REFRACTARIO

Período refractario

• No se puede producir un nuevo potencial de acción mientras la membrana siga despolarizada, incluso con un estímulo intenso.– Poco después del inicio del potencial de acción

los canales de sodio y potasio se inactivan– Sólo al volver al potencial de reposo se podrán

abrir las compuertas

Inhibición de la excitabilidad• Factores estabilizadores de membrana

– Concentración elevada de calcio extracelular• Disminuye la permeabilidad de membrana a Na

– Anestésicos locales: la mayor parte de estos compuestos actúan directamente sobre las compuertas de activación de los canales de sodio, haciendo que sea mucho mas difícil abrir estas compuertas.

• Procaína, Tetracaína– Actúan directamente en las compuertas

CONDUCCION

Fibra mielinizada

• Axón– Dentro tiene el Axoplasma– Por fuera Vaina de Mielina, depositada por las

células de Schwann– La mielina es un aislante eléctrico

• Cada 1-3 mm hay un nódulo de Ranvier– Zona no aislada, por donde fluye el impulso nervioso.

La membrana de una célula de Schwann “se enrolla” alrededor del axón para formar la vaina de mielina.

Recubrimiento parcial de la membrana y citoplasma de una célula de Schwann alrededor de múltiples fibras nerviosas no mielinizadas.

Conducción “saltatoria”• Los iones casi no fluyen a través de las

vainas de mielina, pero si a través de los nódulos de Ranvier.

• Los potenciales de acción se producen sólo en los nódulos de Ranvier.– La corriente eléctrica fluye

• Por el líquido extracelular• Por el axoplasma del axón

– Excitando el siguiente nódulo de Ranvier.

Características especiales de la transmisión de señales en los Troncos Nervioso

FIBRA NERVIOSA MIELINIZADA

Nódulos de ranvier:Considerado el sitio donde se realiza El potencial de acción Nervioso

Proceso saltatorio:

1.- aumenta en la fibra la velocidad de transmisión nerviosa.2.- solo se despolarizan los nódulos permitiendo una perdida de iones tal vez 100 veces menor.

Velocidad de conducción Nerviosa:0,25 m/s

Conducción saltatoria

• Aumenta la velocidad de transmisión nerviosa en las fibras mielinizadas de 5 a 50 veces. (0.25m/s a 100m/s)

• Conserva la energía para el axón porque sólo se despolarizan los nódulos– Se utiliza menos energía para restablecer las

diferencias de concentración Na-K

La velocidad de propagación del impulso nervioso no depende de la fuerza del estímulo si no que del diámetro del axón y de la ausencia o presencia de vaina de mielina

Existen 2 tipos de propagación del Potencial de acción:

TRANSMISION

El impulso nervioso se propaga de una neurona a otra, a través de sitios específicos de comunicación conocidos como SINAPSIS

SINAPSIS

Eléctrica Química

- El impulso eléctrico fluye a través de canales proteicos de unión íntima (conexinas)- Es bidireccional

- No existe una unión íntima ente las neuronas, hay una hendidura sináptica - Es unidireccional

Sinapsis eléctrica

El potencial de acción

(el aumento de iones Na+)

se propaga a través de las

conexinas

Conexinas

Sinapsis química

1. Impulso nervioso llega al terminal presináptico

2. Ingresa Calcio (Ca+²)

3. Se liberan vesículas con neurotransmisores hacia la hendidura sináptica

4. Los neurotransmisores se unen a sus receptores específicos en la N. postsináptica

5. La unión neurotransmisor-receptor puede provocar la entrada de iones positivos como el Na+ o el Ca+ generando un potencial postsináptico excitador

6. La unión neurotransmisor-receptor, por el contrario, puede permitir la entrada de iones negativos, como el CL-, generando un potencial postsináptico inhibidor

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