clase potencial de acción 2007
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El Potencial de Acción“Integrador Comunicacional Rápido”
Dr. Daniel MoragaUnidad de Fisiología
Potencial de Acción Definición de Potencial de Acción:
Señal eléctrica regenerativa cuya amplitud no cambia a medida que avanza por la membrana plasmática neuronal (axón) ó muscular (sarcolema).
Un potencial de acción puede: Estimular ó inhibir otro potencial de acción Estimular la contracción muscular Estimular la secreción glandular Ser generado por un potencial receptor
Un Potencial de Acción ocurre debido a: Cambios selectivos en la permeabilidad de los iones
Na+ y K+
Relación electro-mecánica
Se puede analogar la relación de las actividades eléctricas de los nervios – a través de los potenciales de acción – como inductores de la contracción muscular y la generación de fuerza con la chispa que enciende el motor y el movimiento del auto
En ambos casos es primero la actividad eléctrica y luego se genera la fuerza y el trabajo mecánico.
Figure 48.11 Saltatory conduction
Velocidad de Conducción
La velocidad de conducción del potencial de acción aumenta con el diámetro y con la mielinización
La desmielinización axonal genera disminución en la velocidad de conducción y daño en la célula post-sináptica (encefalomielitis; esclerosis múltiple; Síndrome de Guillán Barré; Charcot Marie Tooth)
Velocidad de Conducción
Tipo de Fibra Función Diámetro De la Fibra (m)
Velocidad de Conducción (m/seg)
Duración de Espiga (m/seg)
Periodo Refr. Abs. (m/seg)
A- Propiocepción Motor Somático
12-20 70-120 0.4-0.5 0.4-1
A- Tacto, Presión 5-12 30-70 0.4-0.5 0.4-1 A- Motor a Huso
Muscular 3-6 15-30 0.4-0.5 0.4-1
A- Dolor, Frio, Tacto 2-5 12-30 0.4-0.5 0.4-1 B Autonómico
Preganglionar <3 3-15 1.2 1.2
C Raiz Dorsal
Dolor, Temperatura Mecanorreceptores Respuestas Reflejas
0.4-1.2 0.5-2 2 2
C Simpatica
Simpáticas Postganglionar
0.3-1.3 0.7-2.3 2 2
Aspectos Históricos Se comenzó con
una idea de espíritus que viajaban por los nervios desde Galeno hasta llegar a una explicación eléctrica de los fenómenos nerviosos.
Historia del Potencial de Acción – Galeno - Primera Hipótesis
Historia del Potencial de Acción – Galeno vs Borelli
500 AC Grecia Nervios = vasos vacíos 384-322 AC Aristóteles Nervios = tendones 130-201 DC Galeno Nervios = conductos huecos
por donde viajan espíritus animales
1452-1519 da Vinci Idea de Galeno 1514-1564 Vesalius Idea de Galeno 1635-1703 Hooke Nervios = no son conductos
huecos 1608-1679 Borelli Nervios = no tienen gases Establece la hipótesis de la
fermentación
Historia del Potencial de Acción – Galvani 1786
Luigi Galvani, 1786
Demostró la electricidad animal al generar contracción de músculo en ausencia de estímulo eléctrico externo
Historia del Potencial de Acción – von Helmholtz 1850
Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz
1821-1894 Midió la
velocidad del impulso nervioso
27-30 m/seg
Historia del Potencial de Acción – Cole y Curtis 1938 Cole y Curtis (1938)
durante el paso del potencial de acción, la resistencia de la membrana disminuía desde 1000 Ocm2 hasta solamente 25 Ocm2, sin cambios en la capacitancia.
Con esto quedaba probada una vez más la hipótesis de Bernstein de que el potencial de acción se debía a un cambio en la selectividad iónica de la membrana.
Potencial de acción medido en axón gigante de calamar en el cual se superpone la resistencia.
Bases Iónicas del Potencial de acción
1. Esquema que representa registro simultáneo de un potencial de acción y de las conductancias al ión sodio y al ión potasio relacionadas con el potencial
2. Potencial cero, es el potencial de referencia medido antes de la penetración en la célula del microelectrodo
3. Diferencia de potencial medida después de la penetración del microelectrodo
4. Potencial de acción 5. Conductancia al ión sodio.
Representa una corriente positiva que entra por canales específicos para el ión sodio. Corresponde a la fase ascendente del potencial de acción
6. Conductancia al ión potasio. Representa a una corriente positiva que sale de la célula. Corresponde a la fase descendente del potencial de acción.
7. Escala que mide el potencial de membrana en mV
8. Escala que representa el número de canales iones por unidad de superficie de membrana de la célula (mm2)
9. Artefacto
Claves para entender el potencial de Acción #1: Medio Interno = LEC
LICLEC•Electrolitos•Gases•Nutrientes•Osmolaridad•Presión•Temperatura•PH•Eliminación de desechos
Claves para entender el potencial de Acción #2: Homeostasis El cuerpo humano contiene 1013 – 1014 células en total La vida de las células depende de las condiciones físico-
químicas del LEC que las baña conocido como medio interno.
La homeóstasis (Cannon, 1929) ó las variaciones del medio interno dentro de límites normales, representa un equilibrio dinámico que depende:
del funcionamiento automático e inconsciente de los diferentes sistemas del cuerpo (digestivo, excretor, respiratorio, inmunológico, circulatorio, endocrino y nervioso).
de otras funciones conductuales necesarias para conseguir alimentos, tomar agua, protegerse del frío y proteger en general la integridad física del cuerpo humano.
Cuando las variaciones del medio interno salen de los límites de normalidad se habla de heterostasis (Selye, 1973).
La isostasis (Bernard, 1859) representa la idea de la constancia del medio interno.
Claves para entender el potencial de acción:#3: El Problema Osmótico
I.- EL PROBLEMA OSMÓTICO• La estructura y función celular requiere de la presencia
intracelular de millones y millones de moléculas osmóticamente activas respecto de su medio.
• El agua del medio donde vive la célula podría ingresar al LIC hasta igualar las concentraciones osmolares entre LIC y LEC (principio de iso-osmolaridad) con eventual citolisis.
• Las bacterias y vegetales resisten la presión osmótica expansiva gracias a la existencia de una pared celular.
• Los protozoos expulsan el agua con una vacuola contráctil • Las células de animales pluricelulares expulsan
activamente un ión altamente hidratado (sodio) e ingresan un ión menos hidratado (potasio).
Hidratación del K+ versus Na+
Potasio = 19 peso atómico 19 electrones Menor atracción electrostática
sobre el dipolo (-) del agua, debido al mayor efecto de apantallamiento por su nube electrónica más densa
Capa de hidratación menor Sodio = 11 peso atómico 11 electrones Mayor atracción electrostática
sobre el dipolo (-) del agua debido al menor efecto de apantallamiento por su nube electrónica menos densa
Capa de hidratación mayor
Na+
K+
Gradientes de Concentración LIC - LEC
Normonatremia 136 – 145 mEq/L Normokalemia 3.5 – 5.5
mEq/L
Hiponatremia < 136 mEq/L Hipokalemia < 3.5 mEq/L Hipernatremia > 145 mEq/L Hiperkalemia > 5.5 mEq/L
(plasma > 5.0 mEq/L)
Claves para entender el potencial de Acción #4: Permeabilidad ConstitutivaII.- LA PERMEABILIDAD CONSTITUTIVA Y LA DIFUSIÓN DEL POTASIO La actividad de la bomba Na-K-ATPasa mantiene la gradiente
de concentraciones de los iones sodio y potasio a través de la membrana plasmática, lo cual genera iso-osmolaridad entre el LIC y LEC y resuelve el problema osmótico.
No obstante, dado que todas las membranas plasmáticas son permeables a los iones potasio, gracias a la presencia desrregulada de canales iónicos específicos y siempre abiertos (constitutivos) para el potasio, el potasio puede difundir a favor de su gradiente de concentración del LIC al LEC a través de estos canales generando una corriente eléctrica positiva de entrada.
Cuando un ión potasio difunde al exterior de la célula a través de canales específicos se separa forzosamente de su contra-ión del LIC (contradiciendo un poquito el principio de electro-neutralidad) generando así una separación de cargas y un potencial eléctrico a través de la membrana plasmática.
El potencial eléctrico de una membrana celular en condiciones de reposo esta dado mayoritariamente por las corrientes de salida del potasio
Principio de electroneutralidady el potencial eléctrico La sumatoria de
cargas positivas y negativas es igual en cada compartimiento
Obsérvese que a través de la membrana hay separación de cargas
POTENCIALES ELECTRICOS EN LA CELULA POTENCIAL DE REPOSO DE MEMBRANA POTENCIAL DE EQUILIBRIO POTENCIALES DE DIFUSION POTENCIALES ELECTROTONICOS
POTENCIAL POSTSINAPTICO POTENCIAL RECEPTOR POTENCIAL INTERNODAL
POTENCIALES DE ACCION
POTENCIAL DE REPOSO DE MEMBRANA EM
ES EL VALOR MEDIDO DE LA ENERGIA ELECTRICA POTENCIAL A TRAVÉS DE LA MEMBRANA
CELULAS NO EXCITABLES EM = -90 mv
CELULAS EXCITABLES EM = -70 mv
POTENCIAL DE REPOSO EM
ECUACION DE TRANSFERENCIA
EM = EK • TK + ENA • TNA
ECUACION DE GOLDMAN-HODGKIN-KATZ
EM = -RT/F • LOG PK • [K+]IN + PNA • [Na+]IN
PK • [K+]EXT + PNA • [Na+]EXT
POTENCIAL DE EQULIBRIO DEL K+
CORRESPONDE A LA ENERGIA ELECTRICA POTENCIAL NECESARIA PARA DETENER EL FLUJO DE IONES K+ A TRAVES DE LAS MEMBRANA. NO ES UN VALOR MEDIDO, SINO QUE TEORICO
SI LAS CONCENTRACIONES DE K+ AFUERA Y ADENTRO SON LAS FISIOLÓGICAS, EL POTENCIAL DE EQUILIBRIO DEL K ES:
EK = -92 mv
EK VERSUS EM
LAS CELULAS TIENEN POTENCIALES DE REPOSO MAS CERCANO AL POTENCIAL DE EQUILIBRIO DEL K+ QUE DE NA+
ESTO IMPLICA QUE EN REPOSO LAS CELULAS SON MUCHO MAS PERMEABLES AL K+ QUE AL NA+
SI UNA CELULA TUVIERA UN EM = EK INDICARÍA QUE TIENE PERMEABILIDAD SOLO AL K+ ESTO OCURRE CON MUCHAS CELULAS NO EXCITABLES
EK VERSUS EM
PERO EN LAS CELULAS EXCITABLES OCURRE:
EM < EK
ESTO ES EXPLICABLE POR LA EXISTENCIA DE CANALES DE NA+ PASIVOS QUE INGRESAN CARGAS POSITIVAS Y GENERAN LA DEPOLARIZA-CIÓN DE LA MEMBRANA, ALEJANDOLA DEL EK
Claves para entender el potencial de Acción #5: Permeabilidad ReguladaII.- LA PERMEABILIDAD REGULADA Y EL POTENCIAL DE ACCIÓN Las células no excitables presentan potenciales de
membrana determinados por la permeabilidad constitutiva del potasio.
En cambio las neuronas y las células musculares presentan canales de sodio, potasio y calcio regulados por voltaje.
Una vez que el potencial de la membrana alcanza el valor umbral para la apertura de los canales de sodio regulados por voltaje, el sodio difunde del LEC al LIC como corriente positiva de entrada a favor de su gradiente de concentración y generando la fase ascendente del potencial de acción.
El proceso detiene entre otras cosas debido a la apertura de canales de potasio dependientes de voltaje que se abren después que los canales de sodio y generan una corriente de salida de cargas positivas, lo cual genera la fase descendente del potencial de acción.
La existencia de canales iónicos de sodio y potasio que se abren y cierran gracias a diferencias de voltaje y cinéticas de apertura y cierre diferentes sustenta el potencial de acción
Figure 48.9 The role of voltage-gated ion channels in the action potential (Layer 5)
Algunas sinapsis se forman en las dendritas, cuerpo celular ó en el cono axónico
POTENCIALES ELECTROTONICOS SON CAMBIOS EN EL POTENCIAL DE
MEMBRANA PASIVOS DEPENDEN DEL GRADO DEL ESTIMULO
(GRADUADOS) NO SE AUTOPROPAGAN (LOCALES) NO SON ESTEROTIPADOS SU MAGNITUD Y DURACION DEPENDEN DEL
TAMAÑO Y FUERZA DEL ESTIMULO DECAEN EN EL TIEMPO Y EN EL ESPACIO
Potencial de acción en el terminal sináptico
El potencial de acción se mueve por el axón hasta el terminal sináptico
La despolarización abre canales de calcio dependientes de voltaje El calcio ingresa y estimula la fusión de vesículas sinápticas con
la membrana presináptica Los neurotransmisores se liberan al espacio sináptico y estimulan
la membrana postsináptica
Si un NT despolariza la neurona postsináptica, se dice que es excitatorio
Si un NT hiperpolariza la neurona postsináptica, se dice que es inhibitorio
El hecho que un NT se inhibitorio ó excitatorio depende del receptor
Neurotransmisores excitatorios e inhibitorios
Figure 48.12 A chemical synapse
Sumación de potenciales post-sinápticos La apertura de canales regulados por ligando genera potenciales post-sinápticos
excitatorios (EPSP) o inhibitorios (IPSP) Si dos potenciales EPSP ó IPSP ocurren al mismo tiempo (sumación espacial) en
diferentes lugares ó al mismo tiempo en sucesión rápida (sumación temporal), sus efectos se suman
Decaimiento de los PPS
Dado que el voltaje se disemina a través de las dendritas y el cuerpo celular sin un potencial de acción, el valor de los potenciales post-sinápticos (PPS) decae con la distancia y en el tiempo. Por lo tanto los PPS son potenciales electrotónicos.
CONSTANTE DE TIEMPO = RM • CM CONSTANTE DE ESPACIO = RM/RI
Y SUS DECAIMIENTOS EXPONENCIALES
Vt = VMAX (1 - e-t/) EN EL TIEMPO VX = VMAX (e-x/) Y EN EL ESPACIO
Fig 48.13
PROPIEDADES DE CABLE DE LA MEMBRANA UNA MEMBRANA PERMEABLE A UN IÓN (CON
LOS CANALES IONICOS ESPECÍFICOS) ES UN CONDUCTOR ELECTRICO CARACTERIZADO POR UNA RESISTENCIA RM
LA CAPACIDAD DE SEPARAR CARGAS A TRAVES DE LA MEMBRANA SE DEFINE COMO CM
Y LAS RESISTENCIAS AL FLUJO INTRACELULAR COMO RI
PROPIEDADES DE CABLE DE LA MEMBRANA
ESTAS VARIABLES DEFINEN OPERACIONALMENTE LAS VARIABLES:
CONSTANTE DE TIEMPO = RM • CM
CONSTANTE DE ESPACIO = RM/RI
Y SUS DECAIMIENTOS EXPONENCIALES Vt = VMAX (1 - e-t/) EN EL TIEMPO VX = VMAX (e-x/) Y EN EL ESPACIO
Sistema Excitoconductor Cardiaco
Fase 0 GNa+ GCa2+
Fase 1 GNa+ GK+ GCa2+ No esta
Fase 2 GCa2+ GK+ (Plateu Ientrada = Isalida) No esta
Fase 3 GK+ GCa2+ GK+ GCa2+
Fase 4 GK+ GNa+ GCa2+ GNa+ (IF)
Referencias Historia del Potencial de Acción
http://www.facmed.unam.mx/historia/
Estructura desarrollo y funciones SNC http://www.puc.cl/sw_educ/neurociencias/
Principles of Neural Sciences, Kandel