seminario 11 bioectricidad

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FISICA BIOLOGICA SEMINARIO 11 BIOECTRICIDAD

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Page 1: SeMINARIO 11 BIOECTRICIDAD

FISICA BIOLOGICA

SEMINARIO 11

BIOECTRICIDAD

Un potencial de accioacuten o tambieacuten llamado impulso eleacutectrico es una onda de descarga

eleacutectrica que viaja a lo largo de la membrana de la ceacutelula Los potenciales de accioacuten se

utilizan en el cuerpo para llevar informacioacuten entre unos tejidos y otros lo que hace que

sean una caracteriacutestica microscoacutepica esencial para la vida de los animales Pueden

generarse por diversos tipos de ceacutelulas corporales pero las maacutes activas en su uso son las

ceacutelulas del sistema nervioso para enviar mensajes entre ceacutelulas nerviosas o desde ceacutelulas

nerviosas a otros tejidos corporales como el muacutesculo o las glaacutendulas

Muchas plantas tambieacuten generan potenciales de accioacuten que viajan a traveacutes del floema

para coordinar su actividad La principal diferencia entre los potenciales de accioacuten de

animales y plantas es que las plantas utilizan flujos de potasio y calcio mientras que los

animales utilizan potasio y sodio

Los potenciales de accioacuten son la viacutea fundamental de transmisioacuten de coacutedigos neurales

Sus propiedades pueden frenar el tamantildeo de cuerpos en desarrollo y permitir el control

y coordinacioacuten centralizados de oacuterganos y tejidos

Siempre hay una diferencia de potencial o potencial de membrana entre la parte interna

y externa de la ceacutelula (por lo general de -70 mV) La carga de una ceacutelula inactiva se

mantiene en valores negativos (el interior respecto al exterior) y variacutea dentro de unos

estrechos maacutergenes Cuando el potencial de membrana de una ceacutelula excitable se

despolariza maacutes allaacute de un cierto umbral ( de 65mV a 55mV app) la ceacutelula genera (o

dispara) un potencial de accioacuten (ver Umbral e iniciacioacuten)

Muy baacutesicamente un potencial de accioacuten es un cambio muy raacutepido en la polaridad de la

membrana de negativo a positivo y vuelta a negativo en un ciclo que dura unos

milisegundos Cada ciclo comprende una fase ascendente una fase descendente y por

uacuteltimo una fase hiperpolarizada (ver fases del potencial de accioacuten) En las ceacutelulas

especializadas del corazoacuten como las ceacutelulas del marcapasos coronario la fase meseta

de voltaje intermedio puede aparecer antes de la fase descendente

Los potenciales de accioacuten se miden con teacutecnicas de registro de electrofisiologiacutea (y maacutes

recientemente con neurochips de EOSFET) Un osciloscopio que registre el potencial

de membrana de un punto concreto de un axoacuten muestra cada etapa del potencial de

accioacuten ascendente descendente y refractaria a medida que la onda pasa Estas fases

juntas forman un arco sinusoidal deformado Su amplitud depende de doacutende ha

alcanzado el potencial de accioacuten al punto de medida y el tiempo transcurrido

El potencial de accioacuten no se mantiene en un punto de la membrana plasmaacutetica sino que

viaja a lo largo de la membrana (ver propagacioacuten) Puede desplazarse a lo largo de un

axoacuten a mucha distancia por ejemplo transportando sentildeales desde el cerebro hasta el

extremo de la meacutedula espinal En animales grandes como las jirafas o las ballenas la

distancia puede ser de varios metros

La velocidad y simplicidad de los potenciales de accioacuten variacutea seguacuten el tipo celular e

incluso entre ceacutelulas del mismo tipo Auacuten asiacute los cambios de voltaje tienden a tener la

misma amplitud entre ellas En una misma ceacutelula varios potenciales de accioacuten

consecutivos son praacutecticamente indistinguibles

Mecanismo subyacente

La membrana celular hidrofoacutebica impide que las moleacuteculas cargadas difundan a traveacutes

de ella manteniendo una diferencia de potencial

Potencial de membrana en reposo

Cuando la ceacutelula no estaacute estimulada por corrientes depolarizantes supraumbrales se

dice que se encuentra en un potencial de membrana en reposo

La membrana celular esta compuesta mayoritariamente por una bicapa de fosfoliacutepidos

altamente hidrofoacutebica que impide el paso libre de particulas cargadas como los iones

Por lo cual esta bicapa de fosfolipidos se comporta como un capacitor separando cargas

(dadas por los iones en disolucioacuten) a una distancia de aproximadamente 4 nm Esto

permite la mantencioacuten del potencial de membrana a lo largo del tiempo La generacioacuten

de este potencial de membrana estaacute dado por el transporte electrogeacutenico de bombas

como la bomba sodio-potasio y la bomba de calcio Estas proteiacutenas usan la energiacutea de

hidroacutelisis de ATP para transportar iones en contra de su gradiente electroquiacutemico y asiacute

generar las gradientes de concentraciones ioacutenicas que definen el potencial de membrana

Fases del potencial de accioacuten

Las variaciones potencial de membrana durante el potencial de accioacuten son resultado de

cambios en la permeabilidad de la membrana celular a iones especiacuteficos (en concreto

sodio y potasio) y por consiguiente cambios en las concentraciones ioacutenicas en los

compartimientos intracelular y extracelular Estas relaciones estaacuten matemaacuteticamente

definidas por la ecuacioacuten de Goldman Hodgkin y Katz (GHK)

Los cambios en la permeabilidad de la membrana y el establecimiento y cese de

corrientes ioacutenicas durante el potencial de accioacuten refleja la apertura y cierre de los

canales ioacutenicos que forman zonas de paso a traveacutes de membrana para los iones Las

proteiacutenas que regulan el paso de iones a traveacutes de la membrana responden a los cambios

de potencial de membrana

En un modelo simplificado del potencial de accioacuten el potencial de reposo de una parte

de la membrana se mantiene con el canal de potasio La fase ascendente o de

despolarizacioacuten del potencial de accioacuten se inicia cuando el canal de sodio dependiente

de potencial se abre haciendo que la permeabilidad del sodio supere ampliamente a la

del potasio El potencial de membrana va hacia ENa En algunas ceacutelulas como las

ceacutelulas del marcapasos coronario la fase ascendente se genera por concentracioacuten de

calcio maacutes que de potasio

Tras un corto intervalo el canal de potasio dependiente de voltaje (retardado) se abre y

el canal de sodio se inactiva Como consecuencia el potencial de membrana vuelve al

estado de reposo mostrado en el potencial de accioacuten como una fase descendente

Debido a que hay maacutes canales de potasio abiertos que canales de sodio (los canales de

potasio de membrana y canales de potasio dependientes de voltaje estaacuten abiertos y el

canal de sodio estaacute cerrado) la permeabilidad al potasio es ahora mucho mayor que

antes del inicio de la fase ascendente cuando soacutelo los canales de potasio de membrana

estaban abiertos El potencial de membrana se acerca a EK maacutes de lo que estaba en

reposo haciendo que el potencial esteacute en fase refractaria El canal de potasio retardado

dependiente de voltaje se cierra debido a la hiperpolarizacioacuten y la ceacutelula regresa a su

potencial de reposo

Las fases ascendente y descendente del potencial de accioacuten se denominan a veces

despolarizacioacuten e hiperpolarizacioacuten respectivamente Teacutecnicamente la despolarizacioacuten

es cualquier cambio en el potencial de membrana que lleve la diferencia de potencial a

cero Igualmente la hiperpolarizacioacuten es cualquier cambio de potencial que se aleje de

cero Durante la fase ascendente el potencial de membrana primero se aproxima a cero

y luego se hace maacutes positivo asiacute la fase ascendente incluye tanto despolarizacioacuten como

hiperpolarizacioacuten Aunque es teacutecnicamente incorrecto denominar las fases ascendente y

descendente como despolarizacioacuten e hiperpolarizacioacuten es comuacuten verlo entre profesores

fiacutesicos y libros de neurociencia

Umbral e iniciacioacuten

Graacutefica de corrientes (flujo ioacutenico) frente a voltaje (potencial de membrana) ilustrando

el umbral (flecha roja) del potencial de accioacuten de una ceacutelula ideal

Los potenciales de accioacuten se desencadenan cuando una despolarizacioacuten inicial alcanza

un umbral Este potencial umbral variacutea pero normalmente estaacute en torno a -55 a 30

milivoltios sobre el potencial de reposo de la ceacutelula lo que implica que la corriente de

entrada de iones sodio supera la corriente de salida de iones potasio El flujo neto de

carga positiva que acompantildea los iones sodio despolariza el potencial de membrana

desembocando en una apertura de los canales de sodio dependientes de voltaje Estos

canales aportan un flujo mayor de corrientes ioacutenicas hacia el interior aumentando la

despolarizacioacuten en una retroalimentacioacuten positiva que hace que la membrana llegue a

niveles de despolarizacioacuten elevados

El umbral del potencial de accioacuten puede variar cambiando el equilibrio entre las

corrientes de sodio y potasio Por ejemplo si algunos de los canales de sodio estaacuten

inactivos determinado nivel de despolarizacioacuten abriraacute menos canales de sodio y

aumenta asiacute el umbral de despolarizacioacuten necesario para iniciar el potencial de accioacuten

Esta es el principio del funcionamiento del periodo refractario (ver periodo refractario)

Los potenciales de accioacuten son muy dependientes de los equilibrios entre iones sodio y

potasio (aunque hay otros iones que contribuyen minoritariamente a los potenciales

como calcio y cloro) y por ello los modelos se hacen utilizando soacutelo dos canales

ioacutenicos transmembrana un canal de sodio dependiente de voltaje y un canal de potasio

pasivo El origen del umbral del potencial de accioacuten puede visualizarse en la curva IV

(imagen) que representa las corrientes ioacutenicas a traveacutes de los canales frente al potencial

de membrana (La curva IV representada en la imagen es una relacioacuten instantaacutenea entre

corrientes Se muestra el pico de corrientes a determinado voltaje registrado antes de

que ocurra ninguna inactivacioacuten (1 ms tras alcanzar ese voltaje para el sodio) Tambieacuten

es importante apuntar que la mayoriacutea de voltajes positivos del graacutefico soacutelo pueden

conseguirse por medios artificiales mediante la aplicacioacuten de electrodos a las

membranas)

Destacan cuatro puntos en la curva IV indicados por las flechas de la figura

1 La flecha verde indica el potencial de reposo de la ceacutelula y el valor del potencial

de equilibrio para el potasio (Ek) Debido a que el canal K+ es el uacutenico abierto

con esos valores de voltaje negativos la ceacutelula se mantendraacute en Ek Apareceraacute

un potencial de reposo estable con cualquier voltaje en que el sumatorio IV

(liacutenea verde) cruce el punto de corriente nula (eje x) con una pendiente positiva

como hace en la flecha verde Esto es debido a que cualquier perturbacioacuten del

potencial de membrana hacia valores negativos significaraacute corrientes netas de

entrada que despolarizaraacuten la ceacutelula maacutes allaacute del punto de cruce mientras que

cualquier perturbacioacuten hacia valores positivos significaraacute corrientes netas de

salida que hiperpolarizaraacuten la ceacutelula Asiacute cualquier cambio del potencial de

membrana de pendiente positiva tiende a devolver a la ceacutelula al valor de cruce

con el eje

2 La flecha amarilla indica el equilibrio del potencial Na+ (ENa) En este sistema de

dos iones el ENa es el liacutemite natural del potencial de membrana del que la ceacutelula

no puede pasar Los valores de corrientes en el graacutefico que exceden este liacutemite

se han medido de forma artificial obligando a la ceacutelula a sobrepasarlo Auacuten asiacute

el ENa soacutelo podriacutea alcanzarse si la corriente de potasio no existiese

3 La flecha azul indica el voltaje maacuteximo que puede alcanzar el pico del potencial

de accioacuten Es el potencial de membrana maacuteximo que la ceacutelula en estado natural

puede alcanzar y no puede llegar al ENa debido a la accioacuten contraria de los flujos

de potasio

4 La flecha roja indica el umbral del potencial de accioacuten Es el punto donde el Isum

se cambia a un flujo neto hacia el interior Destaca que en este punto se atraviesa

el punto de flujo neto cero pero con pendiente negativa Cualquier punto de

corte con pendiente negativa del nivel de flujo cero en el graacutefico IV es un

punto inestable Si el voltaje en este punto es negativo el flujo va hacia el

exterior y la ceacutelula tiende a volver al potencial de reposo Si el voltaje es

positivo el flujo va hacia el interior y tiende a despolarizar la ceacutelula Esta

despolarizacioacuten implica mayor flujo hacia el interior haciendo que los flujos de

sodio se realimenten El punto en el que la liacutenea verde alcanza el valor maacutes

negativo es cuando todos los canales de sodio estaacuten abiertos La despolarizacioacuten

maacutes allaacute de este punto baja las corrientes de sodio ya que la fuerza eleacutectrica

disminuye a medida que el potencial de membrana se acerca a ENa

El umbral del potencial de accioacuten se confunde a veces con el umbral de la apertura de

canales de sodio Es una incorreccioacuten ya que los canales de sodio carecen de umbral

Por el contrario se abren en respuesta a la despolarizacioacuten aleatoriamente La

despolarizacioacuten no implica tanto la apertura de los canales como el incremento de la

probabilidad de que se abran Incluso en potenciales de hiperpolarizacioacuten un canal de

sodio puede abrirse esporaacutedicamente Ademaacutes el umbral del potencial de accioacuten no es

el voltaje a la que el flujo de iones sodio se hace importante es el punto en que excede

el flujo de potasio

Bioloacutegicamente en las neuronas la despolarizacioacuten se origina en las sinapsis

dendriacuteticas En principio los potenciales de accioacuten podriacutean generarse en cualquier punto

a lo largo de la fibra nerviosa Cuando Luigi Galvani descubrioacute la electricidad animal

haciendo que la pierna de una rana muerta volviese a la vida tocando el nervio ciaacutetico

con un escalpelo aplicaacutendole sin darse cuenta una carga electrostaacutetica negativa e

iniciando un potencial de accioacutenpn

Propagacioacuten

En los axones amieliacutenicos los potenciales de accioacuten se propagan como una interaccioacuten

pasiva entre la despolarizacioacuten que se desplaza por la membrana y los canales de sodio

regulados por voltaje

Los potenciales de accioacuten de membrana pueden representarse uniendo varios circuitos

RC cada uno representando un trozo de membrana

Cuando una parte de la membrana celular se despolariza lo suficiente como para que se

abran los canales de sodio dependientes de voltaje los iones de sodio entran en la ceacutelula

por difusioacuten facilitada Una vez dentro los iones positivos de sodio impulsan los iones

proacuteximos a lo largo del axoacuten por repulsioacuten electrostaacutetica y atraen los iones negativos

desde la membrana adyacente

Como resultado una corriente positiva se desplaza a lo largo del axoacuten sin que ninguacuten

ion se esteacute desplazando muy raacutepido Una vez que la membrana adyacente estaacute

sufiencientemente despolarizada sus canales de sodio dependientes de voltaje se abren

realimentando el ciclo El proceso se repite a lo largo del axoacuten generaacutendose un nuevo

potencial de accioacuten en cada segmento de la membrana

Velocidad de propagacioacuten

Los potenciales de accioacuten se propagan maacutes raacutepido en axones de mayor diaacutemetro si los

demaacutes paraacutemetros se mantienen La principal razoacuten para que ocurra es que la resistencia

axial de la luz del axoacuten es menor cuanto mayor sea el diaacutemetro debido a la mayor

relacioacuten entre superficie total y superficie de membrana en un corte transversal Como

la superficie de la membrana es el obstaacuteculo principal para la propagacioacuten del potencial

en axones amieliacutenicos el incremento de esta tasa es una forma especialmente efectiva

de incrementar la velocidad de la transmisioacuten

Un ejemplo extremo de un animal que utiliza el aumento de diaacutemetro de axoacuten como

regulador de la velocidad de propagacioacuten del potencial de membrana es el calamar

gigante El axoacuten del calamar gigante controla la contraccioacuten muscular asociada con la

respuesta de evasioacuten de depredadores del animal Este axoacuten puede sobrepasar 1 mm de

diaacutemetro y posiblemente sea una adaptacioacuten para permitir una activacioacuten muy raacutepida

del mecanismo de escape La velocidad de los impulsos nerviosos en estas fibras es una

de las maacutes raacutepidas de la naturaleza para los que poseen neuronas amielinicas

Conduccioacuten saltatoria

En axones mieliacutenicos la conduccioacuten saltatoria es el proceso por el que los potenciales

de accioacuten parecen saltar a lo largo del axoacuten siendo regenerados soacutelo en unos anillos no

aislados (los nodos de Ranvier) La conduccioacuten saltatoria incrementa la velocidad de

conduccioacuten nerviosa sin tener que incrementar significativamente el diaacutemetro del axoacuten

Ha desempentildeado un papel importante en la evolucioacuten de organismos maacutes complejos

cuyos sistemas nerviosos necesitan transmitir raacutepidamente potenciales de accioacuten a

largas distancias Sin conduccioacuten saltatoria la velocidad de conduccioacuten requeririacutea

incrementos draacutesticos en el diaacutemetro del axoacuten a tal punto que podriacutean resultar en la

formacioacuten de sistemas nerviosos excesivamente grandes para los cuerpos que deben

alojarlos

Mecanismo detallado

El principal obstaacuteculo para la velocidad de transmisioacuten en axones amieliacutenicos es la

capacitancia de la membrana La capacidad de un condensador puede disminuirse

bajando el aacuterea de un corte transversal de sus placas o incrementando la distancia entre

las placas El sistema nervioso utiliza la mielinizacioacuten para reducir la capacitancia de la

membrana La mielina es una vaina protectora creada alrededor de los axones por las

ceacutelulas de Schwann y los oligodendrocitos ceacutelulas de la neurogliacutea que aplastan sus

citoplasmas formando laacuteminas de membrana y plasma Estas laacuteminas se arrollan en el

axoacuten alejando las placas conductoras (el plasma intra y extracelular) entre siacute

disminuyendo la capacitancia de la membrana

El aislamiento resultante redunda en un conduccioacuten raacutepida (praacutecticamente instantaacutenea)

de los iones a traveacutes de las secciones mielinizadas del axoacuten pero impide la generacioacuten

de potenciales de accioacuten en estos segmentos Los potenciales de accioacuten soacutelo se vuelven

a producir en los nodos de Ranvier desmielinizados que se situacutean entre los segmentos

mielinizados En estos anillos hay un gran nuacutemero de canales de sodio dependientes de

voltaje (hasta cuatro oacuterdenes de magnitud superior a la densidad de axones amieliacutenicos)

que permiten que los potenciales de accioacuten se regeneren de forma eficaz en ellos

Debido a la mielinizacioacuten los segmentos aislados del axoacuten actuacutean como un cable

pasivo conducen los potenciales de accioacuten raacutepidamente porque la capacitancia de la

membrana es muy baja y minimizan la degradacioacuten de los potenciales de accioacuten porque

la resistencia de la membrana es alta Cuando esta sentildeal que se propaga de forma pasiva

alcanza un nodo de Ranvier inicia un potencial de accioacuten que viaja de nuevo de forma

pasiva hasta que alcanza el siguiente nodo repitiendo el ciclo

Minimizacioacuten de dantildeos

La longitud de los segmentos mielinizados de un axoacuten es importante para la conduccioacuten

saltatoria Deben ser tan largos como sea posible para optimizar la distancia de la

conduccioacuten pasiva pero no lo suficiente como para que la disminucioacuten en la intensidad

de la sentildeal sea tanta que no alcance el umbral de sensibilidad en el siguiente nodo de

Ranvier En realidad los segmentos mielinizados son lo suficientemente largos para que

la sentildeal que se propaga pasivamente recorra al menos dos segmentos manteniendo una

amplitud de sentildeal suficiente como para iniciar un potencial de accioacuten en el segundo o

tercer nodo Asiacute se eleva el factor de seguridad de la conduccioacuten saltatoria permitiendo

que la transmisioacuten traspase nodos en caso de que esteacuten dantildeados

Periodo Refractario

Se define como el momento en el que la ceacutelula excitable no responde ante un estiacutemulo y

por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Accioacuten Se divide en dos Periodo

Refractario Absoluto (o Efectivo) y Periodo Refractario Relativo

El Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje

se encuentran inactivados por lo que se deja el transporte de Sodio

En cambio el Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de

Repolarizacioacuten en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para

asiacute comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio por lo que al agregar un

estiacutemulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran

cerrados en ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Accioacuten El Periodo

Refractario Relativo termina despueacutes de la fase de Hiperpolarizacioacuten (o Postpotencial)

en donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje estaacuten cerrados y disponibles para

un nuevo estiacutemulo

El Periodo Refractario variacutea de ceacutelula a ceacutelula y es una de las caraacutecteriacutesticas que

permiten decir si una ceacutelula es maacutes o menos excitable que otra En otros casos como el

muacutesculo cardiaco su amplio Periodo Refractario le permite la increiacuteble capacidad de no

tetanizarse

El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las sentildeales lleguen de un extremo a

otro del axoacuten sin peacuterdidas en el camino Un potencial de accioacuten no soacutelo se propaga a lo

largo del axoacuten sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes ioacutenicas

en cada estrechamiento de la membrana en su camino En otras palabras la membrana

nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la sentildeal

recorre el axoacuten superando los liacutemites que impone la teoriacutea de liacuteneas de transmisioacuten

Page 2: SeMINARIO 11 BIOECTRICIDAD

Un potencial de accioacuten o tambieacuten llamado impulso eleacutectrico es una onda de descarga

eleacutectrica que viaja a lo largo de la membrana de la ceacutelula Los potenciales de accioacuten se

utilizan en el cuerpo para llevar informacioacuten entre unos tejidos y otros lo que hace que

sean una caracteriacutestica microscoacutepica esencial para la vida de los animales Pueden

generarse por diversos tipos de ceacutelulas corporales pero las maacutes activas en su uso son las

ceacutelulas del sistema nervioso para enviar mensajes entre ceacutelulas nerviosas o desde ceacutelulas

nerviosas a otros tejidos corporales como el muacutesculo o las glaacutendulas

Muchas plantas tambieacuten generan potenciales de accioacuten que viajan a traveacutes del floema

para coordinar su actividad La principal diferencia entre los potenciales de accioacuten de

animales y plantas es que las plantas utilizan flujos de potasio y calcio mientras que los

animales utilizan potasio y sodio

Los potenciales de accioacuten son la viacutea fundamental de transmisioacuten de coacutedigos neurales

Sus propiedades pueden frenar el tamantildeo de cuerpos en desarrollo y permitir el control

y coordinacioacuten centralizados de oacuterganos y tejidos

Siempre hay una diferencia de potencial o potencial de membrana entre la parte interna

y externa de la ceacutelula (por lo general de -70 mV) La carga de una ceacutelula inactiva se

mantiene en valores negativos (el interior respecto al exterior) y variacutea dentro de unos

estrechos maacutergenes Cuando el potencial de membrana de una ceacutelula excitable se

despolariza maacutes allaacute de un cierto umbral ( de 65mV a 55mV app) la ceacutelula genera (o

dispara) un potencial de accioacuten (ver Umbral e iniciacioacuten)

Muy baacutesicamente un potencial de accioacuten es un cambio muy raacutepido en la polaridad de la

membrana de negativo a positivo y vuelta a negativo en un ciclo que dura unos

milisegundos Cada ciclo comprende una fase ascendente una fase descendente y por

uacuteltimo una fase hiperpolarizada (ver fases del potencial de accioacuten) En las ceacutelulas

especializadas del corazoacuten como las ceacutelulas del marcapasos coronario la fase meseta

de voltaje intermedio puede aparecer antes de la fase descendente

Los potenciales de accioacuten se miden con teacutecnicas de registro de electrofisiologiacutea (y maacutes

recientemente con neurochips de EOSFET) Un osciloscopio que registre el potencial

de membrana de un punto concreto de un axoacuten muestra cada etapa del potencial de

accioacuten ascendente descendente y refractaria a medida que la onda pasa Estas fases

juntas forman un arco sinusoidal deformado Su amplitud depende de doacutende ha

alcanzado el potencial de accioacuten al punto de medida y el tiempo transcurrido

El potencial de accioacuten no se mantiene en un punto de la membrana plasmaacutetica sino que

viaja a lo largo de la membrana (ver propagacioacuten) Puede desplazarse a lo largo de un

axoacuten a mucha distancia por ejemplo transportando sentildeales desde el cerebro hasta el

extremo de la meacutedula espinal En animales grandes como las jirafas o las ballenas la

distancia puede ser de varios metros

La velocidad y simplicidad de los potenciales de accioacuten variacutea seguacuten el tipo celular e

incluso entre ceacutelulas del mismo tipo Auacuten asiacute los cambios de voltaje tienden a tener la

misma amplitud entre ellas En una misma ceacutelula varios potenciales de accioacuten

consecutivos son praacutecticamente indistinguibles

Mecanismo subyacente

La membrana celular hidrofoacutebica impide que las moleacuteculas cargadas difundan a traveacutes

de ella manteniendo una diferencia de potencial

Potencial de membrana en reposo

Cuando la ceacutelula no estaacute estimulada por corrientes depolarizantes supraumbrales se

dice que se encuentra en un potencial de membrana en reposo

La membrana celular esta compuesta mayoritariamente por una bicapa de fosfoliacutepidos

altamente hidrofoacutebica que impide el paso libre de particulas cargadas como los iones

Por lo cual esta bicapa de fosfolipidos se comporta como un capacitor separando cargas

(dadas por los iones en disolucioacuten) a una distancia de aproximadamente 4 nm Esto

permite la mantencioacuten del potencial de membrana a lo largo del tiempo La generacioacuten

de este potencial de membrana estaacute dado por el transporte electrogeacutenico de bombas

como la bomba sodio-potasio y la bomba de calcio Estas proteiacutenas usan la energiacutea de

hidroacutelisis de ATP para transportar iones en contra de su gradiente electroquiacutemico y asiacute

generar las gradientes de concentraciones ioacutenicas que definen el potencial de membrana

Fases del potencial de accioacuten

Las variaciones potencial de membrana durante el potencial de accioacuten son resultado de

cambios en la permeabilidad de la membrana celular a iones especiacuteficos (en concreto

sodio y potasio) y por consiguiente cambios en las concentraciones ioacutenicas en los

compartimientos intracelular y extracelular Estas relaciones estaacuten matemaacuteticamente

definidas por la ecuacioacuten de Goldman Hodgkin y Katz (GHK)

Los cambios en la permeabilidad de la membrana y el establecimiento y cese de

corrientes ioacutenicas durante el potencial de accioacuten refleja la apertura y cierre de los

canales ioacutenicos que forman zonas de paso a traveacutes de membrana para los iones Las

proteiacutenas que regulan el paso de iones a traveacutes de la membrana responden a los cambios

de potencial de membrana

En un modelo simplificado del potencial de accioacuten el potencial de reposo de una parte

de la membrana se mantiene con el canal de potasio La fase ascendente o de

despolarizacioacuten del potencial de accioacuten se inicia cuando el canal de sodio dependiente

de potencial se abre haciendo que la permeabilidad del sodio supere ampliamente a la

del potasio El potencial de membrana va hacia ENa En algunas ceacutelulas como las

ceacutelulas del marcapasos coronario la fase ascendente se genera por concentracioacuten de

calcio maacutes que de potasio

Tras un corto intervalo el canal de potasio dependiente de voltaje (retardado) se abre y

el canal de sodio se inactiva Como consecuencia el potencial de membrana vuelve al

estado de reposo mostrado en el potencial de accioacuten como una fase descendente

Debido a que hay maacutes canales de potasio abiertos que canales de sodio (los canales de

potasio de membrana y canales de potasio dependientes de voltaje estaacuten abiertos y el

canal de sodio estaacute cerrado) la permeabilidad al potasio es ahora mucho mayor que

antes del inicio de la fase ascendente cuando soacutelo los canales de potasio de membrana

estaban abiertos El potencial de membrana se acerca a EK maacutes de lo que estaba en

reposo haciendo que el potencial esteacute en fase refractaria El canal de potasio retardado

dependiente de voltaje se cierra debido a la hiperpolarizacioacuten y la ceacutelula regresa a su

potencial de reposo

Las fases ascendente y descendente del potencial de accioacuten se denominan a veces

despolarizacioacuten e hiperpolarizacioacuten respectivamente Teacutecnicamente la despolarizacioacuten

es cualquier cambio en el potencial de membrana que lleve la diferencia de potencial a

cero Igualmente la hiperpolarizacioacuten es cualquier cambio de potencial que se aleje de

cero Durante la fase ascendente el potencial de membrana primero se aproxima a cero

y luego se hace maacutes positivo asiacute la fase ascendente incluye tanto despolarizacioacuten como

hiperpolarizacioacuten Aunque es teacutecnicamente incorrecto denominar las fases ascendente y

descendente como despolarizacioacuten e hiperpolarizacioacuten es comuacuten verlo entre profesores

fiacutesicos y libros de neurociencia

Umbral e iniciacioacuten

Graacutefica de corrientes (flujo ioacutenico) frente a voltaje (potencial de membrana) ilustrando

el umbral (flecha roja) del potencial de accioacuten de una ceacutelula ideal

Los potenciales de accioacuten se desencadenan cuando una despolarizacioacuten inicial alcanza

un umbral Este potencial umbral variacutea pero normalmente estaacute en torno a -55 a 30

milivoltios sobre el potencial de reposo de la ceacutelula lo que implica que la corriente de

entrada de iones sodio supera la corriente de salida de iones potasio El flujo neto de

carga positiva que acompantildea los iones sodio despolariza el potencial de membrana

desembocando en una apertura de los canales de sodio dependientes de voltaje Estos

canales aportan un flujo mayor de corrientes ioacutenicas hacia el interior aumentando la

despolarizacioacuten en una retroalimentacioacuten positiva que hace que la membrana llegue a

niveles de despolarizacioacuten elevados

El umbral del potencial de accioacuten puede variar cambiando el equilibrio entre las

corrientes de sodio y potasio Por ejemplo si algunos de los canales de sodio estaacuten

inactivos determinado nivel de despolarizacioacuten abriraacute menos canales de sodio y

aumenta asiacute el umbral de despolarizacioacuten necesario para iniciar el potencial de accioacuten

Esta es el principio del funcionamiento del periodo refractario (ver periodo refractario)

Los potenciales de accioacuten son muy dependientes de los equilibrios entre iones sodio y

potasio (aunque hay otros iones que contribuyen minoritariamente a los potenciales

como calcio y cloro) y por ello los modelos se hacen utilizando soacutelo dos canales

ioacutenicos transmembrana un canal de sodio dependiente de voltaje y un canal de potasio

pasivo El origen del umbral del potencial de accioacuten puede visualizarse en la curva IV

(imagen) que representa las corrientes ioacutenicas a traveacutes de los canales frente al potencial

de membrana (La curva IV representada en la imagen es una relacioacuten instantaacutenea entre

corrientes Se muestra el pico de corrientes a determinado voltaje registrado antes de

que ocurra ninguna inactivacioacuten (1 ms tras alcanzar ese voltaje para el sodio) Tambieacuten

es importante apuntar que la mayoriacutea de voltajes positivos del graacutefico soacutelo pueden

conseguirse por medios artificiales mediante la aplicacioacuten de electrodos a las

membranas)

Destacan cuatro puntos en la curva IV indicados por las flechas de la figura

1 La flecha verde indica el potencial de reposo de la ceacutelula y el valor del potencial

de equilibrio para el potasio (Ek) Debido a que el canal K+ es el uacutenico abierto

con esos valores de voltaje negativos la ceacutelula se mantendraacute en Ek Apareceraacute

un potencial de reposo estable con cualquier voltaje en que el sumatorio IV

(liacutenea verde) cruce el punto de corriente nula (eje x) con una pendiente positiva

como hace en la flecha verde Esto es debido a que cualquier perturbacioacuten del

potencial de membrana hacia valores negativos significaraacute corrientes netas de

entrada que despolarizaraacuten la ceacutelula maacutes allaacute del punto de cruce mientras que

cualquier perturbacioacuten hacia valores positivos significaraacute corrientes netas de

salida que hiperpolarizaraacuten la ceacutelula Asiacute cualquier cambio del potencial de

membrana de pendiente positiva tiende a devolver a la ceacutelula al valor de cruce

con el eje

2 La flecha amarilla indica el equilibrio del potencial Na+ (ENa) En este sistema de

dos iones el ENa es el liacutemite natural del potencial de membrana del que la ceacutelula

no puede pasar Los valores de corrientes en el graacutefico que exceden este liacutemite

se han medido de forma artificial obligando a la ceacutelula a sobrepasarlo Auacuten asiacute

el ENa soacutelo podriacutea alcanzarse si la corriente de potasio no existiese

3 La flecha azul indica el voltaje maacuteximo que puede alcanzar el pico del potencial

de accioacuten Es el potencial de membrana maacuteximo que la ceacutelula en estado natural

puede alcanzar y no puede llegar al ENa debido a la accioacuten contraria de los flujos

de potasio

4 La flecha roja indica el umbral del potencial de accioacuten Es el punto donde el Isum

se cambia a un flujo neto hacia el interior Destaca que en este punto se atraviesa

el punto de flujo neto cero pero con pendiente negativa Cualquier punto de

corte con pendiente negativa del nivel de flujo cero en el graacutefico IV es un

punto inestable Si el voltaje en este punto es negativo el flujo va hacia el

exterior y la ceacutelula tiende a volver al potencial de reposo Si el voltaje es

positivo el flujo va hacia el interior y tiende a despolarizar la ceacutelula Esta

despolarizacioacuten implica mayor flujo hacia el interior haciendo que los flujos de

sodio se realimenten El punto en el que la liacutenea verde alcanza el valor maacutes

negativo es cuando todos los canales de sodio estaacuten abiertos La despolarizacioacuten

maacutes allaacute de este punto baja las corrientes de sodio ya que la fuerza eleacutectrica

disminuye a medida que el potencial de membrana se acerca a ENa

El umbral del potencial de accioacuten se confunde a veces con el umbral de la apertura de

canales de sodio Es una incorreccioacuten ya que los canales de sodio carecen de umbral

Por el contrario se abren en respuesta a la despolarizacioacuten aleatoriamente La

despolarizacioacuten no implica tanto la apertura de los canales como el incremento de la

probabilidad de que se abran Incluso en potenciales de hiperpolarizacioacuten un canal de

sodio puede abrirse esporaacutedicamente Ademaacutes el umbral del potencial de accioacuten no es

el voltaje a la que el flujo de iones sodio se hace importante es el punto en que excede

el flujo de potasio

Bioloacutegicamente en las neuronas la despolarizacioacuten se origina en las sinapsis

dendriacuteticas En principio los potenciales de accioacuten podriacutean generarse en cualquier punto

a lo largo de la fibra nerviosa Cuando Luigi Galvani descubrioacute la electricidad animal

haciendo que la pierna de una rana muerta volviese a la vida tocando el nervio ciaacutetico

con un escalpelo aplicaacutendole sin darse cuenta una carga electrostaacutetica negativa e

iniciando un potencial de accioacutenpn

Propagacioacuten

En los axones amieliacutenicos los potenciales de accioacuten se propagan como una interaccioacuten

pasiva entre la despolarizacioacuten que se desplaza por la membrana y los canales de sodio

regulados por voltaje

Los potenciales de accioacuten de membrana pueden representarse uniendo varios circuitos

RC cada uno representando un trozo de membrana

Cuando una parte de la membrana celular se despolariza lo suficiente como para que se

abran los canales de sodio dependientes de voltaje los iones de sodio entran en la ceacutelula

por difusioacuten facilitada Una vez dentro los iones positivos de sodio impulsan los iones

proacuteximos a lo largo del axoacuten por repulsioacuten electrostaacutetica y atraen los iones negativos

desde la membrana adyacente

Como resultado una corriente positiva se desplaza a lo largo del axoacuten sin que ninguacuten

ion se esteacute desplazando muy raacutepido Una vez que la membrana adyacente estaacute

sufiencientemente despolarizada sus canales de sodio dependientes de voltaje se abren

realimentando el ciclo El proceso se repite a lo largo del axoacuten generaacutendose un nuevo

potencial de accioacuten en cada segmento de la membrana

Velocidad de propagacioacuten

Los potenciales de accioacuten se propagan maacutes raacutepido en axones de mayor diaacutemetro si los

demaacutes paraacutemetros se mantienen La principal razoacuten para que ocurra es que la resistencia

axial de la luz del axoacuten es menor cuanto mayor sea el diaacutemetro debido a la mayor

relacioacuten entre superficie total y superficie de membrana en un corte transversal Como

la superficie de la membrana es el obstaacuteculo principal para la propagacioacuten del potencial

en axones amieliacutenicos el incremento de esta tasa es una forma especialmente efectiva

de incrementar la velocidad de la transmisioacuten

Un ejemplo extremo de un animal que utiliza el aumento de diaacutemetro de axoacuten como

regulador de la velocidad de propagacioacuten del potencial de membrana es el calamar

gigante El axoacuten del calamar gigante controla la contraccioacuten muscular asociada con la

respuesta de evasioacuten de depredadores del animal Este axoacuten puede sobrepasar 1 mm de

diaacutemetro y posiblemente sea una adaptacioacuten para permitir una activacioacuten muy raacutepida

del mecanismo de escape La velocidad de los impulsos nerviosos en estas fibras es una

de las maacutes raacutepidas de la naturaleza para los que poseen neuronas amielinicas

Conduccioacuten saltatoria

En axones mieliacutenicos la conduccioacuten saltatoria es el proceso por el que los potenciales

de accioacuten parecen saltar a lo largo del axoacuten siendo regenerados soacutelo en unos anillos no

aislados (los nodos de Ranvier) La conduccioacuten saltatoria incrementa la velocidad de

conduccioacuten nerviosa sin tener que incrementar significativamente el diaacutemetro del axoacuten

Ha desempentildeado un papel importante en la evolucioacuten de organismos maacutes complejos

cuyos sistemas nerviosos necesitan transmitir raacutepidamente potenciales de accioacuten a

largas distancias Sin conduccioacuten saltatoria la velocidad de conduccioacuten requeririacutea

incrementos draacutesticos en el diaacutemetro del axoacuten a tal punto que podriacutean resultar en la

formacioacuten de sistemas nerviosos excesivamente grandes para los cuerpos que deben

alojarlos

Mecanismo detallado

El principal obstaacuteculo para la velocidad de transmisioacuten en axones amieliacutenicos es la

capacitancia de la membrana La capacidad de un condensador puede disminuirse

bajando el aacuterea de un corte transversal de sus placas o incrementando la distancia entre

las placas El sistema nervioso utiliza la mielinizacioacuten para reducir la capacitancia de la

membrana La mielina es una vaina protectora creada alrededor de los axones por las

ceacutelulas de Schwann y los oligodendrocitos ceacutelulas de la neurogliacutea que aplastan sus

citoplasmas formando laacuteminas de membrana y plasma Estas laacuteminas se arrollan en el

axoacuten alejando las placas conductoras (el plasma intra y extracelular) entre siacute

disminuyendo la capacitancia de la membrana

El aislamiento resultante redunda en un conduccioacuten raacutepida (praacutecticamente instantaacutenea)

de los iones a traveacutes de las secciones mielinizadas del axoacuten pero impide la generacioacuten

de potenciales de accioacuten en estos segmentos Los potenciales de accioacuten soacutelo se vuelven

a producir en los nodos de Ranvier desmielinizados que se situacutean entre los segmentos

mielinizados En estos anillos hay un gran nuacutemero de canales de sodio dependientes de

voltaje (hasta cuatro oacuterdenes de magnitud superior a la densidad de axones amieliacutenicos)

que permiten que los potenciales de accioacuten se regeneren de forma eficaz en ellos

Debido a la mielinizacioacuten los segmentos aislados del axoacuten actuacutean como un cable

pasivo conducen los potenciales de accioacuten raacutepidamente porque la capacitancia de la

membrana es muy baja y minimizan la degradacioacuten de los potenciales de accioacuten porque

la resistencia de la membrana es alta Cuando esta sentildeal que se propaga de forma pasiva

alcanza un nodo de Ranvier inicia un potencial de accioacuten que viaja de nuevo de forma

pasiva hasta que alcanza el siguiente nodo repitiendo el ciclo

Minimizacioacuten de dantildeos

La longitud de los segmentos mielinizados de un axoacuten es importante para la conduccioacuten

saltatoria Deben ser tan largos como sea posible para optimizar la distancia de la

conduccioacuten pasiva pero no lo suficiente como para que la disminucioacuten en la intensidad

de la sentildeal sea tanta que no alcance el umbral de sensibilidad en el siguiente nodo de

Ranvier En realidad los segmentos mielinizados son lo suficientemente largos para que

la sentildeal que se propaga pasivamente recorra al menos dos segmentos manteniendo una

amplitud de sentildeal suficiente como para iniciar un potencial de accioacuten en el segundo o

tercer nodo Asiacute se eleva el factor de seguridad de la conduccioacuten saltatoria permitiendo

que la transmisioacuten traspase nodos en caso de que esteacuten dantildeados

Periodo Refractario

Se define como el momento en el que la ceacutelula excitable no responde ante un estiacutemulo y

por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Accioacuten Se divide en dos Periodo

Refractario Absoluto (o Efectivo) y Periodo Refractario Relativo

El Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje

se encuentran inactivados por lo que se deja el transporte de Sodio

En cambio el Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de

Repolarizacioacuten en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para

asiacute comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio por lo que al agregar un

estiacutemulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran

cerrados en ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Accioacuten El Periodo

Refractario Relativo termina despueacutes de la fase de Hiperpolarizacioacuten (o Postpotencial)

en donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje estaacuten cerrados y disponibles para

un nuevo estiacutemulo

El Periodo Refractario variacutea de ceacutelula a ceacutelula y es una de las caraacutecteriacutesticas que

permiten decir si una ceacutelula es maacutes o menos excitable que otra En otros casos como el

muacutesculo cardiaco su amplio Periodo Refractario le permite la increiacuteble capacidad de no

tetanizarse

El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las sentildeales lleguen de un extremo a

otro del axoacuten sin peacuterdidas en el camino Un potencial de accioacuten no soacutelo se propaga a lo

largo del axoacuten sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes ioacutenicas

en cada estrechamiento de la membrana en su camino En otras palabras la membrana

nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la sentildeal

recorre el axoacuten superando los liacutemites que impone la teoriacutea de liacuteneas de transmisioacuten

Page 3: SeMINARIO 11 BIOECTRICIDAD

Mecanismo subyacente

La membrana celular hidrofoacutebica impide que las moleacuteculas cargadas difundan a traveacutes

de ella manteniendo una diferencia de potencial

Potencial de membrana en reposo

Cuando la ceacutelula no estaacute estimulada por corrientes depolarizantes supraumbrales se

dice que se encuentra en un potencial de membrana en reposo

La membrana celular esta compuesta mayoritariamente por una bicapa de fosfoliacutepidos

altamente hidrofoacutebica que impide el paso libre de particulas cargadas como los iones

Por lo cual esta bicapa de fosfolipidos se comporta como un capacitor separando cargas

(dadas por los iones en disolucioacuten) a una distancia de aproximadamente 4 nm Esto

permite la mantencioacuten del potencial de membrana a lo largo del tiempo La generacioacuten

de este potencial de membrana estaacute dado por el transporte electrogeacutenico de bombas

como la bomba sodio-potasio y la bomba de calcio Estas proteiacutenas usan la energiacutea de

hidroacutelisis de ATP para transportar iones en contra de su gradiente electroquiacutemico y asiacute

generar las gradientes de concentraciones ioacutenicas que definen el potencial de membrana

Fases del potencial de accioacuten

Las variaciones potencial de membrana durante el potencial de accioacuten son resultado de

cambios en la permeabilidad de la membrana celular a iones especiacuteficos (en concreto

sodio y potasio) y por consiguiente cambios en las concentraciones ioacutenicas en los

compartimientos intracelular y extracelular Estas relaciones estaacuten matemaacuteticamente

definidas por la ecuacioacuten de Goldman Hodgkin y Katz (GHK)

Los cambios en la permeabilidad de la membrana y el establecimiento y cese de

corrientes ioacutenicas durante el potencial de accioacuten refleja la apertura y cierre de los

canales ioacutenicos que forman zonas de paso a traveacutes de membrana para los iones Las

proteiacutenas que regulan el paso de iones a traveacutes de la membrana responden a los cambios

de potencial de membrana

En un modelo simplificado del potencial de accioacuten el potencial de reposo de una parte

de la membrana se mantiene con el canal de potasio La fase ascendente o de

despolarizacioacuten del potencial de accioacuten se inicia cuando el canal de sodio dependiente

de potencial se abre haciendo que la permeabilidad del sodio supere ampliamente a la

del potasio El potencial de membrana va hacia ENa En algunas ceacutelulas como las

ceacutelulas del marcapasos coronario la fase ascendente se genera por concentracioacuten de

calcio maacutes que de potasio

Tras un corto intervalo el canal de potasio dependiente de voltaje (retardado) se abre y

el canal de sodio se inactiva Como consecuencia el potencial de membrana vuelve al

estado de reposo mostrado en el potencial de accioacuten como una fase descendente

Debido a que hay maacutes canales de potasio abiertos que canales de sodio (los canales de

potasio de membrana y canales de potasio dependientes de voltaje estaacuten abiertos y el

canal de sodio estaacute cerrado) la permeabilidad al potasio es ahora mucho mayor que

antes del inicio de la fase ascendente cuando soacutelo los canales de potasio de membrana

estaban abiertos El potencial de membrana se acerca a EK maacutes de lo que estaba en

reposo haciendo que el potencial esteacute en fase refractaria El canal de potasio retardado

dependiente de voltaje se cierra debido a la hiperpolarizacioacuten y la ceacutelula regresa a su

potencial de reposo

Las fases ascendente y descendente del potencial de accioacuten se denominan a veces

despolarizacioacuten e hiperpolarizacioacuten respectivamente Teacutecnicamente la despolarizacioacuten

es cualquier cambio en el potencial de membrana que lleve la diferencia de potencial a

cero Igualmente la hiperpolarizacioacuten es cualquier cambio de potencial que se aleje de

cero Durante la fase ascendente el potencial de membrana primero se aproxima a cero

y luego se hace maacutes positivo asiacute la fase ascendente incluye tanto despolarizacioacuten como

hiperpolarizacioacuten Aunque es teacutecnicamente incorrecto denominar las fases ascendente y

descendente como despolarizacioacuten e hiperpolarizacioacuten es comuacuten verlo entre profesores

fiacutesicos y libros de neurociencia

Umbral e iniciacioacuten

Graacutefica de corrientes (flujo ioacutenico) frente a voltaje (potencial de membrana) ilustrando

el umbral (flecha roja) del potencial de accioacuten de una ceacutelula ideal

Los potenciales de accioacuten se desencadenan cuando una despolarizacioacuten inicial alcanza

un umbral Este potencial umbral variacutea pero normalmente estaacute en torno a -55 a 30

milivoltios sobre el potencial de reposo de la ceacutelula lo que implica que la corriente de

entrada de iones sodio supera la corriente de salida de iones potasio El flujo neto de

carga positiva que acompantildea los iones sodio despolariza el potencial de membrana

desembocando en una apertura de los canales de sodio dependientes de voltaje Estos

canales aportan un flujo mayor de corrientes ioacutenicas hacia el interior aumentando la

despolarizacioacuten en una retroalimentacioacuten positiva que hace que la membrana llegue a

niveles de despolarizacioacuten elevados

El umbral del potencial de accioacuten puede variar cambiando el equilibrio entre las

corrientes de sodio y potasio Por ejemplo si algunos de los canales de sodio estaacuten

inactivos determinado nivel de despolarizacioacuten abriraacute menos canales de sodio y

aumenta asiacute el umbral de despolarizacioacuten necesario para iniciar el potencial de accioacuten

Esta es el principio del funcionamiento del periodo refractario (ver periodo refractario)

Los potenciales de accioacuten son muy dependientes de los equilibrios entre iones sodio y

potasio (aunque hay otros iones que contribuyen minoritariamente a los potenciales

como calcio y cloro) y por ello los modelos se hacen utilizando soacutelo dos canales

ioacutenicos transmembrana un canal de sodio dependiente de voltaje y un canal de potasio

pasivo El origen del umbral del potencial de accioacuten puede visualizarse en la curva IV

(imagen) que representa las corrientes ioacutenicas a traveacutes de los canales frente al potencial

de membrana (La curva IV representada en la imagen es una relacioacuten instantaacutenea entre

corrientes Se muestra el pico de corrientes a determinado voltaje registrado antes de

que ocurra ninguna inactivacioacuten (1 ms tras alcanzar ese voltaje para el sodio) Tambieacuten

es importante apuntar que la mayoriacutea de voltajes positivos del graacutefico soacutelo pueden

conseguirse por medios artificiales mediante la aplicacioacuten de electrodos a las

membranas)

Destacan cuatro puntos en la curva IV indicados por las flechas de la figura

1 La flecha verde indica el potencial de reposo de la ceacutelula y el valor del potencial

de equilibrio para el potasio (Ek) Debido a que el canal K+ es el uacutenico abierto

con esos valores de voltaje negativos la ceacutelula se mantendraacute en Ek Apareceraacute

un potencial de reposo estable con cualquier voltaje en que el sumatorio IV

(liacutenea verde) cruce el punto de corriente nula (eje x) con una pendiente positiva

como hace en la flecha verde Esto es debido a que cualquier perturbacioacuten del

potencial de membrana hacia valores negativos significaraacute corrientes netas de

entrada que despolarizaraacuten la ceacutelula maacutes allaacute del punto de cruce mientras que

cualquier perturbacioacuten hacia valores positivos significaraacute corrientes netas de

salida que hiperpolarizaraacuten la ceacutelula Asiacute cualquier cambio del potencial de

membrana de pendiente positiva tiende a devolver a la ceacutelula al valor de cruce

con el eje

2 La flecha amarilla indica el equilibrio del potencial Na+ (ENa) En este sistema de

dos iones el ENa es el liacutemite natural del potencial de membrana del que la ceacutelula

no puede pasar Los valores de corrientes en el graacutefico que exceden este liacutemite

se han medido de forma artificial obligando a la ceacutelula a sobrepasarlo Auacuten asiacute

el ENa soacutelo podriacutea alcanzarse si la corriente de potasio no existiese

3 La flecha azul indica el voltaje maacuteximo que puede alcanzar el pico del potencial

de accioacuten Es el potencial de membrana maacuteximo que la ceacutelula en estado natural

puede alcanzar y no puede llegar al ENa debido a la accioacuten contraria de los flujos

de potasio

4 La flecha roja indica el umbral del potencial de accioacuten Es el punto donde el Isum

se cambia a un flujo neto hacia el interior Destaca que en este punto se atraviesa

el punto de flujo neto cero pero con pendiente negativa Cualquier punto de

corte con pendiente negativa del nivel de flujo cero en el graacutefico IV es un

punto inestable Si el voltaje en este punto es negativo el flujo va hacia el

exterior y la ceacutelula tiende a volver al potencial de reposo Si el voltaje es

positivo el flujo va hacia el interior y tiende a despolarizar la ceacutelula Esta

despolarizacioacuten implica mayor flujo hacia el interior haciendo que los flujos de

sodio se realimenten El punto en el que la liacutenea verde alcanza el valor maacutes

negativo es cuando todos los canales de sodio estaacuten abiertos La despolarizacioacuten

maacutes allaacute de este punto baja las corrientes de sodio ya que la fuerza eleacutectrica

disminuye a medida que el potencial de membrana se acerca a ENa

El umbral del potencial de accioacuten se confunde a veces con el umbral de la apertura de

canales de sodio Es una incorreccioacuten ya que los canales de sodio carecen de umbral

Por el contrario se abren en respuesta a la despolarizacioacuten aleatoriamente La

despolarizacioacuten no implica tanto la apertura de los canales como el incremento de la

probabilidad de que se abran Incluso en potenciales de hiperpolarizacioacuten un canal de

sodio puede abrirse esporaacutedicamente Ademaacutes el umbral del potencial de accioacuten no es

el voltaje a la que el flujo de iones sodio se hace importante es el punto en que excede

el flujo de potasio

Bioloacutegicamente en las neuronas la despolarizacioacuten se origina en las sinapsis

dendriacuteticas En principio los potenciales de accioacuten podriacutean generarse en cualquier punto

a lo largo de la fibra nerviosa Cuando Luigi Galvani descubrioacute la electricidad animal

haciendo que la pierna de una rana muerta volviese a la vida tocando el nervio ciaacutetico

con un escalpelo aplicaacutendole sin darse cuenta una carga electrostaacutetica negativa e

iniciando un potencial de accioacutenpn

Propagacioacuten

En los axones amieliacutenicos los potenciales de accioacuten se propagan como una interaccioacuten

pasiva entre la despolarizacioacuten que se desplaza por la membrana y los canales de sodio

regulados por voltaje

Los potenciales de accioacuten de membrana pueden representarse uniendo varios circuitos

RC cada uno representando un trozo de membrana

Cuando una parte de la membrana celular se despolariza lo suficiente como para que se

abran los canales de sodio dependientes de voltaje los iones de sodio entran en la ceacutelula

por difusioacuten facilitada Una vez dentro los iones positivos de sodio impulsan los iones

proacuteximos a lo largo del axoacuten por repulsioacuten electrostaacutetica y atraen los iones negativos

desde la membrana adyacente

Como resultado una corriente positiva se desplaza a lo largo del axoacuten sin que ninguacuten

ion se esteacute desplazando muy raacutepido Una vez que la membrana adyacente estaacute

sufiencientemente despolarizada sus canales de sodio dependientes de voltaje se abren

realimentando el ciclo El proceso se repite a lo largo del axoacuten generaacutendose un nuevo

potencial de accioacuten en cada segmento de la membrana

Velocidad de propagacioacuten

Los potenciales de accioacuten se propagan maacutes raacutepido en axones de mayor diaacutemetro si los

demaacutes paraacutemetros se mantienen La principal razoacuten para que ocurra es que la resistencia

axial de la luz del axoacuten es menor cuanto mayor sea el diaacutemetro debido a la mayor

relacioacuten entre superficie total y superficie de membrana en un corte transversal Como

la superficie de la membrana es el obstaacuteculo principal para la propagacioacuten del potencial

en axones amieliacutenicos el incremento de esta tasa es una forma especialmente efectiva

de incrementar la velocidad de la transmisioacuten

Un ejemplo extremo de un animal que utiliza el aumento de diaacutemetro de axoacuten como

regulador de la velocidad de propagacioacuten del potencial de membrana es el calamar

gigante El axoacuten del calamar gigante controla la contraccioacuten muscular asociada con la

respuesta de evasioacuten de depredadores del animal Este axoacuten puede sobrepasar 1 mm de

diaacutemetro y posiblemente sea una adaptacioacuten para permitir una activacioacuten muy raacutepida

del mecanismo de escape La velocidad de los impulsos nerviosos en estas fibras es una

de las maacutes raacutepidas de la naturaleza para los que poseen neuronas amielinicas

Conduccioacuten saltatoria

En axones mieliacutenicos la conduccioacuten saltatoria es el proceso por el que los potenciales

de accioacuten parecen saltar a lo largo del axoacuten siendo regenerados soacutelo en unos anillos no

aislados (los nodos de Ranvier) La conduccioacuten saltatoria incrementa la velocidad de

conduccioacuten nerviosa sin tener que incrementar significativamente el diaacutemetro del axoacuten

Ha desempentildeado un papel importante en la evolucioacuten de organismos maacutes complejos

cuyos sistemas nerviosos necesitan transmitir raacutepidamente potenciales de accioacuten a

largas distancias Sin conduccioacuten saltatoria la velocidad de conduccioacuten requeririacutea

incrementos draacutesticos en el diaacutemetro del axoacuten a tal punto que podriacutean resultar en la

formacioacuten de sistemas nerviosos excesivamente grandes para los cuerpos que deben

alojarlos

Mecanismo detallado

El principal obstaacuteculo para la velocidad de transmisioacuten en axones amieliacutenicos es la

capacitancia de la membrana La capacidad de un condensador puede disminuirse

bajando el aacuterea de un corte transversal de sus placas o incrementando la distancia entre

las placas El sistema nervioso utiliza la mielinizacioacuten para reducir la capacitancia de la

membrana La mielina es una vaina protectora creada alrededor de los axones por las

ceacutelulas de Schwann y los oligodendrocitos ceacutelulas de la neurogliacutea que aplastan sus

citoplasmas formando laacuteminas de membrana y plasma Estas laacuteminas se arrollan en el

axoacuten alejando las placas conductoras (el plasma intra y extracelular) entre siacute

disminuyendo la capacitancia de la membrana

El aislamiento resultante redunda en un conduccioacuten raacutepida (praacutecticamente instantaacutenea)

de los iones a traveacutes de las secciones mielinizadas del axoacuten pero impide la generacioacuten

de potenciales de accioacuten en estos segmentos Los potenciales de accioacuten soacutelo se vuelven

a producir en los nodos de Ranvier desmielinizados que se situacutean entre los segmentos

mielinizados En estos anillos hay un gran nuacutemero de canales de sodio dependientes de

voltaje (hasta cuatro oacuterdenes de magnitud superior a la densidad de axones amieliacutenicos)

que permiten que los potenciales de accioacuten se regeneren de forma eficaz en ellos

Debido a la mielinizacioacuten los segmentos aislados del axoacuten actuacutean como un cable

pasivo conducen los potenciales de accioacuten raacutepidamente porque la capacitancia de la

membrana es muy baja y minimizan la degradacioacuten de los potenciales de accioacuten porque

la resistencia de la membrana es alta Cuando esta sentildeal que se propaga de forma pasiva

alcanza un nodo de Ranvier inicia un potencial de accioacuten que viaja de nuevo de forma

pasiva hasta que alcanza el siguiente nodo repitiendo el ciclo

Minimizacioacuten de dantildeos

La longitud de los segmentos mielinizados de un axoacuten es importante para la conduccioacuten

saltatoria Deben ser tan largos como sea posible para optimizar la distancia de la

conduccioacuten pasiva pero no lo suficiente como para que la disminucioacuten en la intensidad

de la sentildeal sea tanta que no alcance el umbral de sensibilidad en el siguiente nodo de

Ranvier En realidad los segmentos mielinizados son lo suficientemente largos para que

la sentildeal que se propaga pasivamente recorra al menos dos segmentos manteniendo una

amplitud de sentildeal suficiente como para iniciar un potencial de accioacuten en el segundo o

tercer nodo Asiacute se eleva el factor de seguridad de la conduccioacuten saltatoria permitiendo

que la transmisioacuten traspase nodos en caso de que esteacuten dantildeados

Periodo Refractario

Se define como el momento en el que la ceacutelula excitable no responde ante un estiacutemulo y

por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Accioacuten Se divide en dos Periodo

Refractario Absoluto (o Efectivo) y Periodo Refractario Relativo

El Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje

se encuentran inactivados por lo que se deja el transporte de Sodio

En cambio el Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de

Repolarizacioacuten en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para

asiacute comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio por lo que al agregar un

estiacutemulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran

cerrados en ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Accioacuten El Periodo

Refractario Relativo termina despueacutes de la fase de Hiperpolarizacioacuten (o Postpotencial)

en donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje estaacuten cerrados y disponibles para

un nuevo estiacutemulo

El Periodo Refractario variacutea de ceacutelula a ceacutelula y es una de las caraacutecteriacutesticas que

permiten decir si una ceacutelula es maacutes o menos excitable que otra En otros casos como el

muacutesculo cardiaco su amplio Periodo Refractario le permite la increiacuteble capacidad de no

tetanizarse

El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las sentildeales lleguen de un extremo a

otro del axoacuten sin peacuterdidas en el camino Un potencial de accioacuten no soacutelo se propaga a lo

largo del axoacuten sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes ioacutenicas

en cada estrechamiento de la membrana en su camino En otras palabras la membrana

nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la sentildeal

recorre el axoacuten superando los liacutemites que impone la teoriacutea de liacuteneas de transmisioacuten

Page 4: SeMINARIO 11 BIOECTRICIDAD

proteiacutenas que regulan el paso de iones a traveacutes de la membrana responden a los cambios

de potencial de membrana

En un modelo simplificado del potencial de accioacuten el potencial de reposo de una parte

de la membrana se mantiene con el canal de potasio La fase ascendente o de

despolarizacioacuten del potencial de accioacuten se inicia cuando el canal de sodio dependiente

de potencial se abre haciendo que la permeabilidad del sodio supere ampliamente a la

del potasio El potencial de membrana va hacia ENa En algunas ceacutelulas como las

ceacutelulas del marcapasos coronario la fase ascendente se genera por concentracioacuten de

calcio maacutes que de potasio

Tras un corto intervalo el canal de potasio dependiente de voltaje (retardado) se abre y

el canal de sodio se inactiva Como consecuencia el potencial de membrana vuelve al

estado de reposo mostrado en el potencial de accioacuten como una fase descendente

Debido a que hay maacutes canales de potasio abiertos que canales de sodio (los canales de

potasio de membrana y canales de potasio dependientes de voltaje estaacuten abiertos y el

canal de sodio estaacute cerrado) la permeabilidad al potasio es ahora mucho mayor que

antes del inicio de la fase ascendente cuando soacutelo los canales de potasio de membrana

estaban abiertos El potencial de membrana se acerca a EK maacutes de lo que estaba en

reposo haciendo que el potencial esteacute en fase refractaria El canal de potasio retardado

dependiente de voltaje se cierra debido a la hiperpolarizacioacuten y la ceacutelula regresa a su

potencial de reposo

Las fases ascendente y descendente del potencial de accioacuten se denominan a veces

despolarizacioacuten e hiperpolarizacioacuten respectivamente Teacutecnicamente la despolarizacioacuten

es cualquier cambio en el potencial de membrana que lleve la diferencia de potencial a

cero Igualmente la hiperpolarizacioacuten es cualquier cambio de potencial que se aleje de

cero Durante la fase ascendente el potencial de membrana primero se aproxima a cero

y luego se hace maacutes positivo asiacute la fase ascendente incluye tanto despolarizacioacuten como

hiperpolarizacioacuten Aunque es teacutecnicamente incorrecto denominar las fases ascendente y

descendente como despolarizacioacuten e hiperpolarizacioacuten es comuacuten verlo entre profesores

fiacutesicos y libros de neurociencia

Umbral e iniciacioacuten

Graacutefica de corrientes (flujo ioacutenico) frente a voltaje (potencial de membrana) ilustrando

el umbral (flecha roja) del potencial de accioacuten de una ceacutelula ideal

Los potenciales de accioacuten se desencadenan cuando una despolarizacioacuten inicial alcanza

un umbral Este potencial umbral variacutea pero normalmente estaacute en torno a -55 a 30

milivoltios sobre el potencial de reposo de la ceacutelula lo que implica que la corriente de

entrada de iones sodio supera la corriente de salida de iones potasio El flujo neto de

carga positiva que acompantildea los iones sodio despolariza el potencial de membrana

desembocando en una apertura de los canales de sodio dependientes de voltaje Estos

canales aportan un flujo mayor de corrientes ioacutenicas hacia el interior aumentando la

despolarizacioacuten en una retroalimentacioacuten positiva que hace que la membrana llegue a

niveles de despolarizacioacuten elevados

El umbral del potencial de accioacuten puede variar cambiando el equilibrio entre las

corrientes de sodio y potasio Por ejemplo si algunos de los canales de sodio estaacuten

inactivos determinado nivel de despolarizacioacuten abriraacute menos canales de sodio y

aumenta asiacute el umbral de despolarizacioacuten necesario para iniciar el potencial de accioacuten

Esta es el principio del funcionamiento del periodo refractario (ver periodo refractario)

Los potenciales de accioacuten son muy dependientes de los equilibrios entre iones sodio y

potasio (aunque hay otros iones que contribuyen minoritariamente a los potenciales

como calcio y cloro) y por ello los modelos se hacen utilizando soacutelo dos canales

ioacutenicos transmembrana un canal de sodio dependiente de voltaje y un canal de potasio

pasivo El origen del umbral del potencial de accioacuten puede visualizarse en la curva IV

(imagen) que representa las corrientes ioacutenicas a traveacutes de los canales frente al potencial

de membrana (La curva IV representada en la imagen es una relacioacuten instantaacutenea entre

corrientes Se muestra el pico de corrientes a determinado voltaje registrado antes de

que ocurra ninguna inactivacioacuten (1 ms tras alcanzar ese voltaje para el sodio) Tambieacuten

es importante apuntar que la mayoriacutea de voltajes positivos del graacutefico soacutelo pueden

conseguirse por medios artificiales mediante la aplicacioacuten de electrodos a las

membranas)

Destacan cuatro puntos en la curva IV indicados por las flechas de la figura

1 La flecha verde indica el potencial de reposo de la ceacutelula y el valor del potencial

de equilibrio para el potasio (Ek) Debido a que el canal K+ es el uacutenico abierto

con esos valores de voltaje negativos la ceacutelula se mantendraacute en Ek Apareceraacute

un potencial de reposo estable con cualquier voltaje en que el sumatorio IV

(liacutenea verde) cruce el punto de corriente nula (eje x) con una pendiente positiva

como hace en la flecha verde Esto es debido a que cualquier perturbacioacuten del

potencial de membrana hacia valores negativos significaraacute corrientes netas de

entrada que despolarizaraacuten la ceacutelula maacutes allaacute del punto de cruce mientras que

cualquier perturbacioacuten hacia valores positivos significaraacute corrientes netas de

salida que hiperpolarizaraacuten la ceacutelula Asiacute cualquier cambio del potencial de

membrana de pendiente positiva tiende a devolver a la ceacutelula al valor de cruce

con el eje

2 La flecha amarilla indica el equilibrio del potencial Na+ (ENa) En este sistema de

dos iones el ENa es el liacutemite natural del potencial de membrana del que la ceacutelula

no puede pasar Los valores de corrientes en el graacutefico que exceden este liacutemite

se han medido de forma artificial obligando a la ceacutelula a sobrepasarlo Auacuten asiacute

el ENa soacutelo podriacutea alcanzarse si la corriente de potasio no existiese

3 La flecha azul indica el voltaje maacuteximo que puede alcanzar el pico del potencial

de accioacuten Es el potencial de membrana maacuteximo que la ceacutelula en estado natural

puede alcanzar y no puede llegar al ENa debido a la accioacuten contraria de los flujos

de potasio

4 La flecha roja indica el umbral del potencial de accioacuten Es el punto donde el Isum

se cambia a un flujo neto hacia el interior Destaca que en este punto se atraviesa

el punto de flujo neto cero pero con pendiente negativa Cualquier punto de

corte con pendiente negativa del nivel de flujo cero en el graacutefico IV es un

punto inestable Si el voltaje en este punto es negativo el flujo va hacia el

exterior y la ceacutelula tiende a volver al potencial de reposo Si el voltaje es

positivo el flujo va hacia el interior y tiende a despolarizar la ceacutelula Esta

despolarizacioacuten implica mayor flujo hacia el interior haciendo que los flujos de

sodio se realimenten El punto en el que la liacutenea verde alcanza el valor maacutes

negativo es cuando todos los canales de sodio estaacuten abiertos La despolarizacioacuten

maacutes allaacute de este punto baja las corrientes de sodio ya que la fuerza eleacutectrica

disminuye a medida que el potencial de membrana se acerca a ENa

El umbral del potencial de accioacuten se confunde a veces con el umbral de la apertura de

canales de sodio Es una incorreccioacuten ya que los canales de sodio carecen de umbral

Por el contrario se abren en respuesta a la despolarizacioacuten aleatoriamente La

despolarizacioacuten no implica tanto la apertura de los canales como el incremento de la

probabilidad de que se abran Incluso en potenciales de hiperpolarizacioacuten un canal de

sodio puede abrirse esporaacutedicamente Ademaacutes el umbral del potencial de accioacuten no es

el voltaje a la que el flujo de iones sodio se hace importante es el punto en que excede

el flujo de potasio

Bioloacutegicamente en las neuronas la despolarizacioacuten se origina en las sinapsis

dendriacuteticas En principio los potenciales de accioacuten podriacutean generarse en cualquier punto

a lo largo de la fibra nerviosa Cuando Luigi Galvani descubrioacute la electricidad animal

haciendo que la pierna de una rana muerta volviese a la vida tocando el nervio ciaacutetico

con un escalpelo aplicaacutendole sin darse cuenta una carga electrostaacutetica negativa e

iniciando un potencial de accioacutenpn

Propagacioacuten

En los axones amieliacutenicos los potenciales de accioacuten se propagan como una interaccioacuten

pasiva entre la despolarizacioacuten que se desplaza por la membrana y los canales de sodio

regulados por voltaje

Los potenciales de accioacuten de membrana pueden representarse uniendo varios circuitos

RC cada uno representando un trozo de membrana

Cuando una parte de la membrana celular se despolariza lo suficiente como para que se

abran los canales de sodio dependientes de voltaje los iones de sodio entran en la ceacutelula

por difusioacuten facilitada Una vez dentro los iones positivos de sodio impulsan los iones

proacuteximos a lo largo del axoacuten por repulsioacuten electrostaacutetica y atraen los iones negativos

desde la membrana adyacente

Como resultado una corriente positiva se desplaza a lo largo del axoacuten sin que ninguacuten

ion se esteacute desplazando muy raacutepido Una vez que la membrana adyacente estaacute

sufiencientemente despolarizada sus canales de sodio dependientes de voltaje se abren

realimentando el ciclo El proceso se repite a lo largo del axoacuten generaacutendose un nuevo

potencial de accioacuten en cada segmento de la membrana

Velocidad de propagacioacuten

Los potenciales de accioacuten se propagan maacutes raacutepido en axones de mayor diaacutemetro si los

demaacutes paraacutemetros se mantienen La principal razoacuten para que ocurra es que la resistencia

axial de la luz del axoacuten es menor cuanto mayor sea el diaacutemetro debido a la mayor

relacioacuten entre superficie total y superficie de membrana en un corte transversal Como

la superficie de la membrana es el obstaacuteculo principal para la propagacioacuten del potencial

en axones amieliacutenicos el incremento de esta tasa es una forma especialmente efectiva

de incrementar la velocidad de la transmisioacuten

Un ejemplo extremo de un animal que utiliza el aumento de diaacutemetro de axoacuten como

regulador de la velocidad de propagacioacuten del potencial de membrana es el calamar

gigante El axoacuten del calamar gigante controla la contraccioacuten muscular asociada con la

respuesta de evasioacuten de depredadores del animal Este axoacuten puede sobrepasar 1 mm de

diaacutemetro y posiblemente sea una adaptacioacuten para permitir una activacioacuten muy raacutepida

del mecanismo de escape La velocidad de los impulsos nerviosos en estas fibras es una

de las maacutes raacutepidas de la naturaleza para los que poseen neuronas amielinicas

Conduccioacuten saltatoria

En axones mieliacutenicos la conduccioacuten saltatoria es el proceso por el que los potenciales

de accioacuten parecen saltar a lo largo del axoacuten siendo regenerados soacutelo en unos anillos no

aislados (los nodos de Ranvier) La conduccioacuten saltatoria incrementa la velocidad de

conduccioacuten nerviosa sin tener que incrementar significativamente el diaacutemetro del axoacuten

Ha desempentildeado un papel importante en la evolucioacuten de organismos maacutes complejos

cuyos sistemas nerviosos necesitan transmitir raacutepidamente potenciales de accioacuten a

largas distancias Sin conduccioacuten saltatoria la velocidad de conduccioacuten requeririacutea

incrementos draacutesticos en el diaacutemetro del axoacuten a tal punto que podriacutean resultar en la

formacioacuten de sistemas nerviosos excesivamente grandes para los cuerpos que deben

alojarlos

Mecanismo detallado

El principal obstaacuteculo para la velocidad de transmisioacuten en axones amieliacutenicos es la

capacitancia de la membrana La capacidad de un condensador puede disminuirse

bajando el aacuterea de un corte transversal de sus placas o incrementando la distancia entre

las placas El sistema nervioso utiliza la mielinizacioacuten para reducir la capacitancia de la

membrana La mielina es una vaina protectora creada alrededor de los axones por las

ceacutelulas de Schwann y los oligodendrocitos ceacutelulas de la neurogliacutea que aplastan sus

citoplasmas formando laacuteminas de membrana y plasma Estas laacuteminas se arrollan en el

axoacuten alejando las placas conductoras (el plasma intra y extracelular) entre siacute

disminuyendo la capacitancia de la membrana

El aislamiento resultante redunda en un conduccioacuten raacutepida (praacutecticamente instantaacutenea)

de los iones a traveacutes de las secciones mielinizadas del axoacuten pero impide la generacioacuten

de potenciales de accioacuten en estos segmentos Los potenciales de accioacuten soacutelo se vuelven

a producir en los nodos de Ranvier desmielinizados que se situacutean entre los segmentos

mielinizados En estos anillos hay un gran nuacutemero de canales de sodio dependientes de

voltaje (hasta cuatro oacuterdenes de magnitud superior a la densidad de axones amieliacutenicos)

que permiten que los potenciales de accioacuten se regeneren de forma eficaz en ellos

Debido a la mielinizacioacuten los segmentos aislados del axoacuten actuacutean como un cable

pasivo conducen los potenciales de accioacuten raacutepidamente porque la capacitancia de la

membrana es muy baja y minimizan la degradacioacuten de los potenciales de accioacuten porque

la resistencia de la membrana es alta Cuando esta sentildeal que se propaga de forma pasiva

alcanza un nodo de Ranvier inicia un potencial de accioacuten que viaja de nuevo de forma

pasiva hasta que alcanza el siguiente nodo repitiendo el ciclo

Minimizacioacuten de dantildeos

La longitud de los segmentos mielinizados de un axoacuten es importante para la conduccioacuten

saltatoria Deben ser tan largos como sea posible para optimizar la distancia de la

conduccioacuten pasiva pero no lo suficiente como para que la disminucioacuten en la intensidad

de la sentildeal sea tanta que no alcance el umbral de sensibilidad en el siguiente nodo de

Ranvier En realidad los segmentos mielinizados son lo suficientemente largos para que

la sentildeal que se propaga pasivamente recorra al menos dos segmentos manteniendo una

amplitud de sentildeal suficiente como para iniciar un potencial de accioacuten en el segundo o

tercer nodo Asiacute se eleva el factor de seguridad de la conduccioacuten saltatoria permitiendo

que la transmisioacuten traspase nodos en caso de que esteacuten dantildeados

Periodo Refractario

Se define como el momento en el que la ceacutelula excitable no responde ante un estiacutemulo y

por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Accioacuten Se divide en dos Periodo

Refractario Absoluto (o Efectivo) y Periodo Refractario Relativo

El Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje

se encuentran inactivados por lo que se deja el transporte de Sodio

En cambio el Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de

Repolarizacioacuten en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para

asiacute comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio por lo que al agregar un

estiacutemulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran

cerrados en ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Accioacuten El Periodo

Refractario Relativo termina despueacutes de la fase de Hiperpolarizacioacuten (o Postpotencial)

en donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje estaacuten cerrados y disponibles para

un nuevo estiacutemulo

El Periodo Refractario variacutea de ceacutelula a ceacutelula y es una de las caraacutecteriacutesticas que

permiten decir si una ceacutelula es maacutes o menos excitable que otra En otros casos como el

muacutesculo cardiaco su amplio Periodo Refractario le permite la increiacuteble capacidad de no

tetanizarse

El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las sentildeales lleguen de un extremo a

otro del axoacuten sin peacuterdidas en el camino Un potencial de accioacuten no soacutelo se propaga a lo

largo del axoacuten sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes ioacutenicas

en cada estrechamiento de la membrana en su camino En otras palabras la membrana

nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la sentildeal

recorre el axoacuten superando los liacutemites que impone la teoriacutea de liacuteneas de transmisioacuten

Page 5: SeMINARIO 11 BIOECTRICIDAD

Graacutefica de corrientes (flujo ioacutenico) frente a voltaje (potencial de membrana) ilustrando

el umbral (flecha roja) del potencial de accioacuten de una ceacutelula ideal

Los potenciales de accioacuten se desencadenan cuando una despolarizacioacuten inicial alcanza

un umbral Este potencial umbral variacutea pero normalmente estaacute en torno a -55 a 30

milivoltios sobre el potencial de reposo de la ceacutelula lo que implica que la corriente de

entrada de iones sodio supera la corriente de salida de iones potasio El flujo neto de

carga positiva que acompantildea los iones sodio despolariza el potencial de membrana

desembocando en una apertura de los canales de sodio dependientes de voltaje Estos

canales aportan un flujo mayor de corrientes ioacutenicas hacia el interior aumentando la

despolarizacioacuten en una retroalimentacioacuten positiva que hace que la membrana llegue a

niveles de despolarizacioacuten elevados

El umbral del potencial de accioacuten puede variar cambiando el equilibrio entre las

corrientes de sodio y potasio Por ejemplo si algunos de los canales de sodio estaacuten

inactivos determinado nivel de despolarizacioacuten abriraacute menos canales de sodio y

aumenta asiacute el umbral de despolarizacioacuten necesario para iniciar el potencial de accioacuten

Esta es el principio del funcionamiento del periodo refractario (ver periodo refractario)

Los potenciales de accioacuten son muy dependientes de los equilibrios entre iones sodio y

potasio (aunque hay otros iones que contribuyen minoritariamente a los potenciales

como calcio y cloro) y por ello los modelos se hacen utilizando soacutelo dos canales

ioacutenicos transmembrana un canal de sodio dependiente de voltaje y un canal de potasio

pasivo El origen del umbral del potencial de accioacuten puede visualizarse en la curva IV

(imagen) que representa las corrientes ioacutenicas a traveacutes de los canales frente al potencial

de membrana (La curva IV representada en la imagen es una relacioacuten instantaacutenea entre

corrientes Se muestra el pico de corrientes a determinado voltaje registrado antes de

que ocurra ninguna inactivacioacuten (1 ms tras alcanzar ese voltaje para el sodio) Tambieacuten

es importante apuntar que la mayoriacutea de voltajes positivos del graacutefico soacutelo pueden

conseguirse por medios artificiales mediante la aplicacioacuten de electrodos a las

membranas)

Destacan cuatro puntos en la curva IV indicados por las flechas de la figura

1 La flecha verde indica el potencial de reposo de la ceacutelula y el valor del potencial

de equilibrio para el potasio (Ek) Debido a que el canal K+ es el uacutenico abierto

con esos valores de voltaje negativos la ceacutelula se mantendraacute en Ek Apareceraacute

un potencial de reposo estable con cualquier voltaje en que el sumatorio IV

(liacutenea verde) cruce el punto de corriente nula (eje x) con una pendiente positiva

como hace en la flecha verde Esto es debido a que cualquier perturbacioacuten del

potencial de membrana hacia valores negativos significaraacute corrientes netas de

entrada que despolarizaraacuten la ceacutelula maacutes allaacute del punto de cruce mientras que

cualquier perturbacioacuten hacia valores positivos significaraacute corrientes netas de

salida que hiperpolarizaraacuten la ceacutelula Asiacute cualquier cambio del potencial de

membrana de pendiente positiva tiende a devolver a la ceacutelula al valor de cruce

con el eje

2 La flecha amarilla indica el equilibrio del potencial Na+ (ENa) En este sistema de

dos iones el ENa es el liacutemite natural del potencial de membrana del que la ceacutelula

no puede pasar Los valores de corrientes en el graacutefico que exceden este liacutemite

se han medido de forma artificial obligando a la ceacutelula a sobrepasarlo Auacuten asiacute

el ENa soacutelo podriacutea alcanzarse si la corriente de potasio no existiese

3 La flecha azul indica el voltaje maacuteximo que puede alcanzar el pico del potencial

de accioacuten Es el potencial de membrana maacuteximo que la ceacutelula en estado natural

puede alcanzar y no puede llegar al ENa debido a la accioacuten contraria de los flujos

de potasio

4 La flecha roja indica el umbral del potencial de accioacuten Es el punto donde el Isum

se cambia a un flujo neto hacia el interior Destaca que en este punto se atraviesa

el punto de flujo neto cero pero con pendiente negativa Cualquier punto de

corte con pendiente negativa del nivel de flujo cero en el graacutefico IV es un

punto inestable Si el voltaje en este punto es negativo el flujo va hacia el

exterior y la ceacutelula tiende a volver al potencial de reposo Si el voltaje es

positivo el flujo va hacia el interior y tiende a despolarizar la ceacutelula Esta

despolarizacioacuten implica mayor flujo hacia el interior haciendo que los flujos de

sodio se realimenten El punto en el que la liacutenea verde alcanza el valor maacutes

negativo es cuando todos los canales de sodio estaacuten abiertos La despolarizacioacuten

maacutes allaacute de este punto baja las corrientes de sodio ya que la fuerza eleacutectrica

disminuye a medida que el potencial de membrana se acerca a ENa

El umbral del potencial de accioacuten se confunde a veces con el umbral de la apertura de

canales de sodio Es una incorreccioacuten ya que los canales de sodio carecen de umbral

Por el contrario se abren en respuesta a la despolarizacioacuten aleatoriamente La

despolarizacioacuten no implica tanto la apertura de los canales como el incremento de la

probabilidad de que se abran Incluso en potenciales de hiperpolarizacioacuten un canal de

sodio puede abrirse esporaacutedicamente Ademaacutes el umbral del potencial de accioacuten no es

el voltaje a la que el flujo de iones sodio se hace importante es el punto en que excede

el flujo de potasio

Bioloacutegicamente en las neuronas la despolarizacioacuten se origina en las sinapsis

dendriacuteticas En principio los potenciales de accioacuten podriacutean generarse en cualquier punto

a lo largo de la fibra nerviosa Cuando Luigi Galvani descubrioacute la electricidad animal

haciendo que la pierna de una rana muerta volviese a la vida tocando el nervio ciaacutetico

con un escalpelo aplicaacutendole sin darse cuenta una carga electrostaacutetica negativa e

iniciando un potencial de accioacutenpn

Propagacioacuten

En los axones amieliacutenicos los potenciales de accioacuten se propagan como una interaccioacuten

pasiva entre la despolarizacioacuten que se desplaza por la membrana y los canales de sodio

regulados por voltaje

Los potenciales de accioacuten de membrana pueden representarse uniendo varios circuitos

RC cada uno representando un trozo de membrana

Cuando una parte de la membrana celular se despolariza lo suficiente como para que se

abran los canales de sodio dependientes de voltaje los iones de sodio entran en la ceacutelula

por difusioacuten facilitada Una vez dentro los iones positivos de sodio impulsan los iones

proacuteximos a lo largo del axoacuten por repulsioacuten electrostaacutetica y atraen los iones negativos

desde la membrana adyacente

Como resultado una corriente positiva se desplaza a lo largo del axoacuten sin que ninguacuten

ion se esteacute desplazando muy raacutepido Una vez que la membrana adyacente estaacute

sufiencientemente despolarizada sus canales de sodio dependientes de voltaje se abren

realimentando el ciclo El proceso se repite a lo largo del axoacuten generaacutendose un nuevo

potencial de accioacuten en cada segmento de la membrana

Velocidad de propagacioacuten

Los potenciales de accioacuten se propagan maacutes raacutepido en axones de mayor diaacutemetro si los

demaacutes paraacutemetros se mantienen La principal razoacuten para que ocurra es que la resistencia

axial de la luz del axoacuten es menor cuanto mayor sea el diaacutemetro debido a la mayor

relacioacuten entre superficie total y superficie de membrana en un corte transversal Como

la superficie de la membrana es el obstaacuteculo principal para la propagacioacuten del potencial

en axones amieliacutenicos el incremento de esta tasa es una forma especialmente efectiva

de incrementar la velocidad de la transmisioacuten

Un ejemplo extremo de un animal que utiliza el aumento de diaacutemetro de axoacuten como

regulador de la velocidad de propagacioacuten del potencial de membrana es el calamar

gigante El axoacuten del calamar gigante controla la contraccioacuten muscular asociada con la

respuesta de evasioacuten de depredadores del animal Este axoacuten puede sobrepasar 1 mm de

diaacutemetro y posiblemente sea una adaptacioacuten para permitir una activacioacuten muy raacutepida

del mecanismo de escape La velocidad de los impulsos nerviosos en estas fibras es una

de las maacutes raacutepidas de la naturaleza para los que poseen neuronas amielinicas

Conduccioacuten saltatoria

En axones mieliacutenicos la conduccioacuten saltatoria es el proceso por el que los potenciales

de accioacuten parecen saltar a lo largo del axoacuten siendo regenerados soacutelo en unos anillos no

aislados (los nodos de Ranvier) La conduccioacuten saltatoria incrementa la velocidad de

conduccioacuten nerviosa sin tener que incrementar significativamente el diaacutemetro del axoacuten

Ha desempentildeado un papel importante en la evolucioacuten de organismos maacutes complejos

cuyos sistemas nerviosos necesitan transmitir raacutepidamente potenciales de accioacuten a

largas distancias Sin conduccioacuten saltatoria la velocidad de conduccioacuten requeririacutea

incrementos draacutesticos en el diaacutemetro del axoacuten a tal punto que podriacutean resultar en la

formacioacuten de sistemas nerviosos excesivamente grandes para los cuerpos que deben

alojarlos

Mecanismo detallado

El principal obstaacuteculo para la velocidad de transmisioacuten en axones amieliacutenicos es la

capacitancia de la membrana La capacidad de un condensador puede disminuirse

bajando el aacuterea de un corte transversal de sus placas o incrementando la distancia entre

las placas El sistema nervioso utiliza la mielinizacioacuten para reducir la capacitancia de la

membrana La mielina es una vaina protectora creada alrededor de los axones por las

ceacutelulas de Schwann y los oligodendrocitos ceacutelulas de la neurogliacutea que aplastan sus

citoplasmas formando laacuteminas de membrana y plasma Estas laacuteminas se arrollan en el

axoacuten alejando las placas conductoras (el plasma intra y extracelular) entre siacute

disminuyendo la capacitancia de la membrana

El aislamiento resultante redunda en un conduccioacuten raacutepida (praacutecticamente instantaacutenea)

de los iones a traveacutes de las secciones mielinizadas del axoacuten pero impide la generacioacuten

de potenciales de accioacuten en estos segmentos Los potenciales de accioacuten soacutelo se vuelven

a producir en los nodos de Ranvier desmielinizados que se situacutean entre los segmentos

mielinizados En estos anillos hay un gran nuacutemero de canales de sodio dependientes de

voltaje (hasta cuatro oacuterdenes de magnitud superior a la densidad de axones amieliacutenicos)

que permiten que los potenciales de accioacuten se regeneren de forma eficaz en ellos

Debido a la mielinizacioacuten los segmentos aislados del axoacuten actuacutean como un cable

pasivo conducen los potenciales de accioacuten raacutepidamente porque la capacitancia de la

membrana es muy baja y minimizan la degradacioacuten de los potenciales de accioacuten porque

la resistencia de la membrana es alta Cuando esta sentildeal que se propaga de forma pasiva

alcanza un nodo de Ranvier inicia un potencial de accioacuten que viaja de nuevo de forma

pasiva hasta que alcanza el siguiente nodo repitiendo el ciclo

Minimizacioacuten de dantildeos

La longitud de los segmentos mielinizados de un axoacuten es importante para la conduccioacuten

saltatoria Deben ser tan largos como sea posible para optimizar la distancia de la

conduccioacuten pasiva pero no lo suficiente como para que la disminucioacuten en la intensidad

de la sentildeal sea tanta que no alcance el umbral de sensibilidad en el siguiente nodo de

Ranvier En realidad los segmentos mielinizados son lo suficientemente largos para que

la sentildeal que se propaga pasivamente recorra al menos dos segmentos manteniendo una

amplitud de sentildeal suficiente como para iniciar un potencial de accioacuten en el segundo o

tercer nodo Asiacute se eleva el factor de seguridad de la conduccioacuten saltatoria permitiendo

que la transmisioacuten traspase nodos en caso de que esteacuten dantildeados

Periodo Refractario

Se define como el momento en el que la ceacutelula excitable no responde ante un estiacutemulo y

por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Accioacuten Se divide en dos Periodo

Refractario Absoluto (o Efectivo) y Periodo Refractario Relativo

El Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje

se encuentran inactivados por lo que se deja el transporte de Sodio

En cambio el Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de

Repolarizacioacuten en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para

asiacute comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio por lo que al agregar un

estiacutemulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran

cerrados en ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Accioacuten El Periodo

Refractario Relativo termina despueacutes de la fase de Hiperpolarizacioacuten (o Postpotencial)

en donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje estaacuten cerrados y disponibles para

un nuevo estiacutemulo

El Periodo Refractario variacutea de ceacutelula a ceacutelula y es una de las caraacutecteriacutesticas que

permiten decir si una ceacutelula es maacutes o menos excitable que otra En otros casos como el

muacutesculo cardiaco su amplio Periodo Refractario le permite la increiacuteble capacidad de no

tetanizarse

El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las sentildeales lleguen de un extremo a

otro del axoacuten sin peacuterdidas en el camino Un potencial de accioacuten no soacutelo se propaga a lo

largo del axoacuten sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes ioacutenicas

en cada estrechamiento de la membrana en su camino En otras palabras la membrana

nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la sentildeal

recorre el axoacuten superando los liacutemites que impone la teoriacutea de liacuteneas de transmisioacuten

Page 6: SeMINARIO 11 BIOECTRICIDAD

se han medido de forma artificial obligando a la ceacutelula a sobrepasarlo Auacuten asiacute

el ENa soacutelo podriacutea alcanzarse si la corriente de potasio no existiese

3 La flecha azul indica el voltaje maacuteximo que puede alcanzar el pico del potencial

de accioacuten Es el potencial de membrana maacuteximo que la ceacutelula en estado natural

puede alcanzar y no puede llegar al ENa debido a la accioacuten contraria de los flujos

de potasio

4 La flecha roja indica el umbral del potencial de accioacuten Es el punto donde el Isum

se cambia a un flujo neto hacia el interior Destaca que en este punto se atraviesa

el punto de flujo neto cero pero con pendiente negativa Cualquier punto de

corte con pendiente negativa del nivel de flujo cero en el graacutefico IV es un

punto inestable Si el voltaje en este punto es negativo el flujo va hacia el

exterior y la ceacutelula tiende a volver al potencial de reposo Si el voltaje es

positivo el flujo va hacia el interior y tiende a despolarizar la ceacutelula Esta

despolarizacioacuten implica mayor flujo hacia el interior haciendo que los flujos de

sodio se realimenten El punto en el que la liacutenea verde alcanza el valor maacutes

negativo es cuando todos los canales de sodio estaacuten abiertos La despolarizacioacuten

maacutes allaacute de este punto baja las corrientes de sodio ya que la fuerza eleacutectrica

disminuye a medida que el potencial de membrana se acerca a ENa

El umbral del potencial de accioacuten se confunde a veces con el umbral de la apertura de

canales de sodio Es una incorreccioacuten ya que los canales de sodio carecen de umbral

Por el contrario se abren en respuesta a la despolarizacioacuten aleatoriamente La

despolarizacioacuten no implica tanto la apertura de los canales como el incremento de la

probabilidad de que se abran Incluso en potenciales de hiperpolarizacioacuten un canal de

sodio puede abrirse esporaacutedicamente Ademaacutes el umbral del potencial de accioacuten no es

el voltaje a la que el flujo de iones sodio se hace importante es el punto en que excede

el flujo de potasio

Bioloacutegicamente en las neuronas la despolarizacioacuten se origina en las sinapsis

dendriacuteticas En principio los potenciales de accioacuten podriacutean generarse en cualquier punto

a lo largo de la fibra nerviosa Cuando Luigi Galvani descubrioacute la electricidad animal

haciendo que la pierna de una rana muerta volviese a la vida tocando el nervio ciaacutetico

con un escalpelo aplicaacutendole sin darse cuenta una carga electrostaacutetica negativa e

iniciando un potencial de accioacutenpn

Propagacioacuten

En los axones amieliacutenicos los potenciales de accioacuten se propagan como una interaccioacuten

pasiva entre la despolarizacioacuten que se desplaza por la membrana y los canales de sodio

regulados por voltaje

Los potenciales de accioacuten de membrana pueden representarse uniendo varios circuitos

RC cada uno representando un trozo de membrana

Cuando una parte de la membrana celular se despolariza lo suficiente como para que se

abran los canales de sodio dependientes de voltaje los iones de sodio entran en la ceacutelula

por difusioacuten facilitada Una vez dentro los iones positivos de sodio impulsan los iones

proacuteximos a lo largo del axoacuten por repulsioacuten electrostaacutetica y atraen los iones negativos

desde la membrana adyacente

Como resultado una corriente positiva se desplaza a lo largo del axoacuten sin que ninguacuten

ion se esteacute desplazando muy raacutepido Una vez que la membrana adyacente estaacute

sufiencientemente despolarizada sus canales de sodio dependientes de voltaje se abren

realimentando el ciclo El proceso se repite a lo largo del axoacuten generaacutendose un nuevo

potencial de accioacuten en cada segmento de la membrana

Velocidad de propagacioacuten

Los potenciales de accioacuten se propagan maacutes raacutepido en axones de mayor diaacutemetro si los

demaacutes paraacutemetros se mantienen La principal razoacuten para que ocurra es que la resistencia

axial de la luz del axoacuten es menor cuanto mayor sea el diaacutemetro debido a la mayor

relacioacuten entre superficie total y superficie de membrana en un corte transversal Como

la superficie de la membrana es el obstaacuteculo principal para la propagacioacuten del potencial

en axones amieliacutenicos el incremento de esta tasa es una forma especialmente efectiva

de incrementar la velocidad de la transmisioacuten

Un ejemplo extremo de un animal que utiliza el aumento de diaacutemetro de axoacuten como

regulador de la velocidad de propagacioacuten del potencial de membrana es el calamar

gigante El axoacuten del calamar gigante controla la contraccioacuten muscular asociada con la

respuesta de evasioacuten de depredadores del animal Este axoacuten puede sobrepasar 1 mm de

diaacutemetro y posiblemente sea una adaptacioacuten para permitir una activacioacuten muy raacutepida

del mecanismo de escape La velocidad de los impulsos nerviosos en estas fibras es una

de las maacutes raacutepidas de la naturaleza para los que poseen neuronas amielinicas

Conduccioacuten saltatoria

En axones mieliacutenicos la conduccioacuten saltatoria es el proceso por el que los potenciales

de accioacuten parecen saltar a lo largo del axoacuten siendo regenerados soacutelo en unos anillos no

aislados (los nodos de Ranvier) La conduccioacuten saltatoria incrementa la velocidad de

conduccioacuten nerviosa sin tener que incrementar significativamente el diaacutemetro del axoacuten

Ha desempentildeado un papel importante en la evolucioacuten de organismos maacutes complejos

cuyos sistemas nerviosos necesitan transmitir raacutepidamente potenciales de accioacuten a

largas distancias Sin conduccioacuten saltatoria la velocidad de conduccioacuten requeririacutea

incrementos draacutesticos en el diaacutemetro del axoacuten a tal punto que podriacutean resultar en la

formacioacuten de sistemas nerviosos excesivamente grandes para los cuerpos que deben

alojarlos

Mecanismo detallado

El principal obstaacuteculo para la velocidad de transmisioacuten en axones amieliacutenicos es la

capacitancia de la membrana La capacidad de un condensador puede disminuirse

bajando el aacuterea de un corte transversal de sus placas o incrementando la distancia entre

las placas El sistema nervioso utiliza la mielinizacioacuten para reducir la capacitancia de la

membrana La mielina es una vaina protectora creada alrededor de los axones por las

ceacutelulas de Schwann y los oligodendrocitos ceacutelulas de la neurogliacutea que aplastan sus

citoplasmas formando laacuteminas de membrana y plasma Estas laacuteminas se arrollan en el

axoacuten alejando las placas conductoras (el plasma intra y extracelular) entre siacute

disminuyendo la capacitancia de la membrana

El aislamiento resultante redunda en un conduccioacuten raacutepida (praacutecticamente instantaacutenea)

de los iones a traveacutes de las secciones mielinizadas del axoacuten pero impide la generacioacuten

de potenciales de accioacuten en estos segmentos Los potenciales de accioacuten soacutelo se vuelven

a producir en los nodos de Ranvier desmielinizados que se situacutean entre los segmentos

mielinizados En estos anillos hay un gran nuacutemero de canales de sodio dependientes de

voltaje (hasta cuatro oacuterdenes de magnitud superior a la densidad de axones amieliacutenicos)

que permiten que los potenciales de accioacuten se regeneren de forma eficaz en ellos

Debido a la mielinizacioacuten los segmentos aislados del axoacuten actuacutean como un cable

pasivo conducen los potenciales de accioacuten raacutepidamente porque la capacitancia de la

membrana es muy baja y minimizan la degradacioacuten de los potenciales de accioacuten porque

la resistencia de la membrana es alta Cuando esta sentildeal que se propaga de forma pasiva

alcanza un nodo de Ranvier inicia un potencial de accioacuten que viaja de nuevo de forma

pasiva hasta que alcanza el siguiente nodo repitiendo el ciclo

Minimizacioacuten de dantildeos

La longitud de los segmentos mielinizados de un axoacuten es importante para la conduccioacuten

saltatoria Deben ser tan largos como sea posible para optimizar la distancia de la

conduccioacuten pasiva pero no lo suficiente como para que la disminucioacuten en la intensidad

de la sentildeal sea tanta que no alcance el umbral de sensibilidad en el siguiente nodo de

Ranvier En realidad los segmentos mielinizados son lo suficientemente largos para que

la sentildeal que se propaga pasivamente recorra al menos dos segmentos manteniendo una

amplitud de sentildeal suficiente como para iniciar un potencial de accioacuten en el segundo o

tercer nodo Asiacute se eleva el factor de seguridad de la conduccioacuten saltatoria permitiendo

que la transmisioacuten traspase nodos en caso de que esteacuten dantildeados

Periodo Refractario

Se define como el momento en el que la ceacutelula excitable no responde ante un estiacutemulo y

por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Accioacuten Se divide en dos Periodo

Refractario Absoluto (o Efectivo) y Periodo Refractario Relativo

El Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje

se encuentran inactivados por lo que se deja el transporte de Sodio

En cambio el Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de

Repolarizacioacuten en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para

asiacute comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio por lo que al agregar un

estiacutemulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran

cerrados en ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Accioacuten El Periodo

Refractario Relativo termina despueacutes de la fase de Hiperpolarizacioacuten (o Postpotencial)

en donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje estaacuten cerrados y disponibles para

un nuevo estiacutemulo

El Periodo Refractario variacutea de ceacutelula a ceacutelula y es una de las caraacutecteriacutesticas que

permiten decir si una ceacutelula es maacutes o menos excitable que otra En otros casos como el

muacutesculo cardiaco su amplio Periodo Refractario le permite la increiacuteble capacidad de no

tetanizarse

El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las sentildeales lleguen de un extremo a

otro del axoacuten sin peacuterdidas en el camino Un potencial de accioacuten no soacutelo se propaga a lo

largo del axoacuten sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes ioacutenicas

en cada estrechamiento de la membrana en su camino En otras palabras la membrana

nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la sentildeal

recorre el axoacuten superando los liacutemites que impone la teoriacutea de liacuteneas de transmisioacuten

Page 7: SeMINARIO 11 BIOECTRICIDAD

Los potenciales de accioacuten de membrana pueden representarse uniendo varios circuitos

RC cada uno representando un trozo de membrana

Cuando una parte de la membrana celular se despolariza lo suficiente como para que se

abran los canales de sodio dependientes de voltaje los iones de sodio entran en la ceacutelula

por difusioacuten facilitada Una vez dentro los iones positivos de sodio impulsan los iones

proacuteximos a lo largo del axoacuten por repulsioacuten electrostaacutetica y atraen los iones negativos

desde la membrana adyacente

Como resultado una corriente positiva se desplaza a lo largo del axoacuten sin que ninguacuten

ion se esteacute desplazando muy raacutepido Una vez que la membrana adyacente estaacute

sufiencientemente despolarizada sus canales de sodio dependientes de voltaje se abren

realimentando el ciclo El proceso se repite a lo largo del axoacuten generaacutendose un nuevo

potencial de accioacuten en cada segmento de la membrana

Velocidad de propagacioacuten

Los potenciales de accioacuten se propagan maacutes raacutepido en axones de mayor diaacutemetro si los

demaacutes paraacutemetros se mantienen La principal razoacuten para que ocurra es que la resistencia

axial de la luz del axoacuten es menor cuanto mayor sea el diaacutemetro debido a la mayor

relacioacuten entre superficie total y superficie de membrana en un corte transversal Como

la superficie de la membrana es el obstaacuteculo principal para la propagacioacuten del potencial

en axones amieliacutenicos el incremento de esta tasa es una forma especialmente efectiva

de incrementar la velocidad de la transmisioacuten

Un ejemplo extremo de un animal que utiliza el aumento de diaacutemetro de axoacuten como

regulador de la velocidad de propagacioacuten del potencial de membrana es el calamar

gigante El axoacuten del calamar gigante controla la contraccioacuten muscular asociada con la

respuesta de evasioacuten de depredadores del animal Este axoacuten puede sobrepasar 1 mm de

diaacutemetro y posiblemente sea una adaptacioacuten para permitir una activacioacuten muy raacutepida

del mecanismo de escape La velocidad de los impulsos nerviosos en estas fibras es una

de las maacutes raacutepidas de la naturaleza para los que poseen neuronas amielinicas

Conduccioacuten saltatoria

En axones mieliacutenicos la conduccioacuten saltatoria es el proceso por el que los potenciales

de accioacuten parecen saltar a lo largo del axoacuten siendo regenerados soacutelo en unos anillos no

aislados (los nodos de Ranvier) La conduccioacuten saltatoria incrementa la velocidad de

conduccioacuten nerviosa sin tener que incrementar significativamente el diaacutemetro del axoacuten

Ha desempentildeado un papel importante en la evolucioacuten de organismos maacutes complejos

cuyos sistemas nerviosos necesitan transmitir raacutepidamente potenciales de accioacuten a

largas distancias Sin conduccioacuten saltatoria la velocidad de conduccioacuten requeririacutea

incrementos draacutesticos en el diaacutemetro del axoacuten a tal punto que podriacutean resultar en la

formacioacuten de sistemas nerviosos excesivamente grandes para los cuerpos que deben

alojarlos

Mecanismo detallado

El principal obstaacuteculo para la velocidad de transmisioacuten en axones amieliacutenicos es la

capacitancia de la membrana La capacidad de un condensador puede disminuirse

bajando el aacuterea de un corte transversal de sus placas o incrementando la distancia entre

las placas El sistema nervioso utiliza la mielinizacioacuten para reducir la capacitancia de la

membrana La mielina es una vaina protectora creada alrededor de los axones por las

ceacutelulas de Schwann y los oligodendrocitos ceacutelulas de la neurogliacutea que aplastan sus

citoplasmas formando laacuteminas de membrana y plasma Estas laacuteminas se arrollan en el

axoacuten alejando las placas conductoras (el plasma intra y extracelular) entre siacute

disminuyendo la capacitancia de la membrana

El aislamiento resultante redunda en un conduccioacuten raacutepida (praacutecticamente instantaacutenea)

de los iones a traveacutes de las secciones mielinizadas del axoacuten pero impide la generacioacuten

de potenciales de accioacuten en estos segmentos Los potenciales de accioacuten soacutelo se vuelven

a producir en los nodos de Ranvier desmielinizados que se situacutean entre los segmentos

mielinizados En estos anillos hay un gran nuacutemero de canales de sodio dependientes de

voltaje (hasta cuatro oacuterdenes de magnitud superior a la densidad de axones amieliacutenicos)

que permiten que los potenciales de accioacuten se regeneren de forma eficaz en ellos

Debido a la mielinizacioacuten los segmentos aislados del axoacuten actuacutean como un cable

pasivo conducen los potenciales de accioacuten raacutepidamente porque la capacitancia de la

membrana es muy baja y minimizan la degradacioacuten de los potenciales de accioacuten porque

la resistencia de la membrana es alta Cuando esta sentildeal que se propaga de forma pasiva

alcanza un nodo de Ranvier inicia un potencial de accioacuten que viaja de nuevo de forma

pasiva hasta que alcanza el siguiente nodo repitiendo el ciclo

Minimizacioacuten de dantildeos

La longitud de los segmentos mielinizados de un axoacuten es importante para la conduccioacuten

saltatoria Deben ser tan largos como sea posible para optimizar la distancia de la

conduccioacuten pasiva pero no lo suficiente como para que la disminucioacuten en la intensidad

de la sentildeal sea tanta que no alcance el umbral de sensibilidad en el siguiente nodo de

Ranvier En realidad los segmentos mielinizados son lo suficientemente largos para que

la sentildeal que se propaga pasivamente recorra al menos dos segmentos manteniendo una

amplitud de sentildeal suficiente como para iniciar un potencial de accioacuten en el segundo o

tercer nodo Asiacute se eleva el factor de seguridad de la conduccioacuten saltatoria permitiendo

que la transmisioacuten traspase nodos en caso de que esteacuten dantildeados

Periodo Refractario

Se define como el momento en el que la ceacutelula excitable no responde ante un estiacutemulo y

por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Accioacuten Se divide en dos Periodo

Refractario Absoluto (o Efectivo) y Periodo Refractario Relativo

El Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje

se encuentran inactivados por lo que se deja el transporte de Sodio

En cambio el Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de

Repolarizacioacuten en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para

asiacute comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio por lo que al agregar un

estiacutemulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran

cerrados en ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Accioacuten El Periodo

Refractario Relativo termina despueacutes de la fase de Hiperpolarizacioacuten (o Postpotencial)

en donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje estaacuten cerrados y disponibles para

un nuevo estiacutemulo

El Periodo Refractario variacutea de ceacutelula a ceacutelula y es una de las caraacutecteriacutesticas que

permiten decir si una ceacutelula es maacutes o menos excitable que otra En otros casos como el

muacutesculo cardiaco su amplio Periodo Refractario le permite la increiacuteble capacidad de no

tetanizarse

El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las sentildeales lleguen de un extremo a

otro del axoacuten sin peacuterdidas en el camino Un potencial de accioacuten no soacutelo se propaga a lo

largo del axoacuten sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes ioacutenicas

en cada estrechamiento de la membrana en su camino En otras palabras la membrana

nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la sentildeal

recorre el axoacuten superando los liacutemites que impone la teoriacutea de liacuteneas de transmisioacuten

Page 8: SeMINARIO 11 BIOECTRICIDAD

En axones mieliacutenicos la conduccioacuten saltatoria es el proceso por el que los potenciales

de accioacuten parecen saltar a lo largo del axoacuten siendo regenerados soacutelo en unos anillos no

aislados (los nodos de Ranvier) La conduccioacuten saltatoria incrementa la velocidad de

conduccioacuten nerviosa sin tener que incrementar significativamente el diaacutemetro del axoacuten

Ha desempentildeado un papel importante en la evolucioacuten de organismos maacutes complejos

cuyos sistemas nerviosos necesitan transmitir raacutepidamente potenciales de accioacuten a

largas distancias Sin conduccioacuten saltatoria la velocidad de conduccioacuten requeririacutea

incrementos draacutesticos en el diaacutemetro del axoacuten a tal punto que podriacutean resultar en la

formacioacuten de sistemas nerviosos excesivamente grandes para los cuerpos que deben

alojarlos

Mecanismo detallado

El principal obstaacuteculo para la velocidad de transmisioacuten en axones amieliacutenicos es la

capacitancia de la membrana La capacidad de un condensador puede disminuirse

bajando el aacuterea de un corte transversal de sus placas o incrementando la distancia entre

las placas El sistema nervioso utiliza la mielinizacioacuten para reducir la capacitancia de la

membrana La mielina es una vaina protectora creada alrededor de los axones por las

ceacutelulas de Schwann y los oligodendrocitos ceacutelulas de la neurogliacutea que aplastan sus

citoplasmas formando laacuteminas de membrana y plasma Estas laacuteminas se arrollan en el

axoacuten alejando las placas conductoras (el plasma intra y extracelular) entre siacute

disminuyendo la capacitancia de la membrana

El aislamiento resultante redunda en un conduccioacuten raacutepida (praacutecticamente instantaacutenea)

de los iones a traveacutes de las secciones mielinizadas del axoacuten pero impide la generacioacuten

de potenciales de accioacuten en estos segmentos Los potenciales de accioacuten soacutelo se vuelven

a producir en los nodos de Ranvier desmielinizados que se situacutean entre los segmentos

mielinizados En estos anillos hay un gran nuacutemero de canales de sodio dependientes de

voltaje (hasta cuatro oacuterdenes de magnitud superior a la densidad de axones amieliacutenicos)

que permiten que los potenciales de accioacuten se regeneren de forma eficaz en ellos

Debido a la mielinizacioacuten los segmentos aislados del axoacuten actuacutean como un cable

pasivo conducen los potenciales de accioacuten raacutepidamente porque la capacitancia de la

membrana es muy baja y minimizan la degradacioacuten de los potenciales de accioacuten porque

la resistencia de la membrana es alta Cuando esta sentildeal que se propaga de forma pasiva

alcanza un nodo de Ranvier inicia un potencial de accioacuten que viaja de nuevo de forma

pasiva hasta que alcanza el siguiente nodo repitiendo el ciclo

Minimizacioacuten de dantildeos

La longitud de los segmentos mielinizados de un axoacuten es importante para la conduccioacuten

saltatoria Deben ser tan largos como sea posible para optimizar la distancia de la

conduccioacuten pasiva pero no lo suficiente como para que la disminucioacuten en la intensidad

de la sentildeal sea tanta que no alcance el umbral de sensibilidad en el siguiente nodo de

Ranvier En realidad los segmentos mielinizados son lo suficientemente largos para que

la sentildeal que se propaga pasivamente recorra al menos dos segmentos manteniendo una

amplitud de sentildeal suficiente como para iniciar un potencial de accioacuten en el segundo o

tercer nodo Asiacute se eleva el factor de seguridad de la conduccioacuten saltatoria permitiendo

que la transmisioacuten traspase nodos en caso de que esteacuten dantildeados

Periodo Refractario

Se define como el momento en el que la ceacutelula excitable no responde ante un estiacutemulo y

por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Accioacuten Se divide en dos Periodo

Refractario Absoluto (o Efectivo) y Periodo Refractario Relativo

El Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje

se encuentran inactivados por lo que se deja el transporte de Sodio

En cambio el Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de

Repolarizacioacuten en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para

asiacute comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio por lo que al agregar un

estiacutemulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran

cerrados en ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Accioacuten El Periodo

Refractario Relativo termina despueacutes de la fase de Hiperpolarizacioacuten (o Postpotencial)

en donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje estaacuten cerrados y disponibles para

un nuevo estiacutemulo

El Periodo Refractario variacutea de ceacutelula a ceacutelula y es una de las caraacutecteriacutesticas que

permiten decir si una ceacutelula es maacutes o menos excitable que otra En otros casos como el

muacutesculo cardiaco su amplio Periodo Refractario le permite la increiacuteble capacidad de no

tetanizarse

El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las sentildeales lleguen de un extremo a

otro del axoacuten sin peacuterdidas en el camino Un potencial de accioacuten no soacutelo se propaga a lo

largo del axoacuten sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes ioacutenicas

en cada estrechamiento de la membrana en su camino En otras palabras la membrana

nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la sentildeal

recorre el axoacuten superando los liacutemites que impone la teoriacutea de liacuteneas de transmisioacuten

Page 9: SeMINARIO 11 BIOECTRICIDAD

Periodo Refractario

Se define como el momento en el que la ceacutelula excitable no responde ante un estiacutemulo y

por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Accioacuten Se divide en dos Periodo

Refractario Absoluto (o Efectivo) y Periodo Refractario Relativo

El Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje

se encuentran inactivados por lo que se deja el transporte de Sodio

En cambio el Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de

Repolarizacioacuten en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para

asiacute comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio por lo que al agregar un

estiacutemulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran

cerrados en ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Accioacuten El Periodo

Refractario Relativo termina despueacutes de la fase de Hiperpolarizacioacuten (o Postpotencial)

en donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje estaacuten cerrados y disponibles para

un nuevo estiacutemulo

El Periodo Refractario variacutea de ceacutelula a ceacutelula y es una de las caraacutecteriacutesticas que

permiten decir si una ceacutelula es maacutes o menos excitable que otra En otros casos como el

muacutesculo cardiaco su amplio Periodo Refractario le permite la increiacuteble capacidad de no

tetanizarse

El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las sentildeales lleguen de un extremo a

otro del axoacuten sin peacuterdidas en el camino Un potencial de accioacuten no soacutelo se propaga a lo

largo del axoacuten sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes ioacutenicas

en cada estrechamiento de la membrana en su camino En otras palabras la membrana

nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la sentildeal

recorre el axoacuten superando los liacutemites que impone la teoriacutea de liacuteneas de transmisioacuten