Dr. Tomás Noel Santana Téllez POTENCIAL DE MEMBRANA Y POTENCIAL DE ACCIÓN Dr. Tomás Noel Santana Téllez Doctor en Ciencias Médicas. Magister en Enfermedades Infecciosas. Especialista en Medicina Interna

GENERALIDADES

MEMBRANA CELULAR

(Células glandulares, los macrófagos y las células ciliadas) CÉLULAS (Según propiedad eléctrica) Excitables: Capaces de autogenerar impulsos electroquímicos en sus membranas en respuesta a determinadas señales. Células musculares Células nerviosas No excitables: Mantienen un potencial de membrana fijo. (Células glandulares, los macrófagos y las células ciliadas)

CONCEPTOS Ion: Partícula con carga eléctrica. Canal Iónico: Proteína de membrana a veces específica que transporta iones y otras moléculas pequeñas a través de la membrana. Polaridad: Capacidad de un cuerpo de tener dos polos con características distintas. Impulso Nervioso: Transporte de información a través de los nervios (por medio de sustancias como Na y K e interacción con la membrana.

POTENCIAL DE MEMBRANA POTENCIALES POTENCIAL DE DIFUSIÓN

POTENCIALES DE MEMBRANA PROVOCADOS POR DIFUSION

“POTENCIALES DE DIFUSIÓN” Producido por una diferencia de concentración iónica a los dos lados de la membrana. Concentración de K+ es grande dentro de la membrana de la fibra, pero muy baja fuera de la misma. Membrana permeable solo a iones K+ . Debido al gran gradiente de concentración desde el interior al exterior hay una intensa tendencia a que los iones difundan hacia afuera. Generando electropositividad fuera de la membrana y electronegatividad dentro. 1 ms la diferencia de potencial entre el interior y el exterior (Potencial de difusión) es suficientemente grande como para bloquear la difusión neta de K hacia afuera. Fibra nerviosa normal la diferencia de potencia necesaria es de aprox. 94 mV, con negatividad en el interior de la membrana de la fibra.

Concentración elevada de iones Na+ fuera de la membrana y concentración baja de Na+ dentro. Permeable a iones Na+. Difusión de Na+ hacia el interior crea un potencial de membrana de polaridad opuesta. Potencial de membrana suficiente alto para bloquear la difusión neta de Na+ hacia el interior. Potencial es de aproximadamente 61 mV positivos en el interior de la fibra. Una diferencia de concentración de iones a través de una membrana puede crear un POTENCIAL DE MEMBRANA.

Potenciales de membrana creados por difusión ++ - - K+ Na+ [ Na+] extracelular > [ Na+] intracelular = difunde = > cargas POSITIVAS Intracelulares=pero, luego la difusion se frena por esas cargas (+) = POTENCIAL DE NERNST

FACTORES QUE AFECTAN LA TASA NETA DE DIFUSION PERMEABILIDAD DE MEMBRANA Espesor. Liposolubilidad. Número de canales. Temperatura. Peso molecular. COEFICIENTE DE DIFUSION D=PxA ( P: Permeabilidad, A: Área total de la membrana).

POTENCIAL DE MEMBRANA

POTENCIAL DE MEMBRANA Producido por una diferencia de concentración iónica en ambos lados de la membrana. MEMBRANA POTENCIAL DE POTENCIALES ELECTROQUÍMICOS Células nerviosas y musculares Células glandulares. Células ciliadas . Macrófagos. POTENCIALES ELECTRICOS La mayoría de las células

POTENCIAL DE REPOSO POTENCIAL DE ACCIÓN Potencial que posee la célula cuando está en reposo, sin estimular (estable y «calmadita». POTENCIAL DE ACCIÓN Transmisión de impulso a través de célula excitable cambiando las concentraciones intracelulares y extracelulares de ciertos iones.

El POTENCIAL DE MEMBRANA depende de: Polaridad de la carga eléctrica de cada ión. Permeabilidad de la membrana para cada ión. Concentración de cada ion en el EIC y EEC. CUALES?: Na+ K+ Cl- El GRADIENTE de CONCENTRACIÓN de cada ion a través de la membrana determina el VOLTAJE del potencial de membrana.

FÍSICA BÁSICA DE LOS POTENCIALES DE MEMBRANA

Ecuaciones para calcular la diferencia de potencial eléctrico Ecuación de NERSNT Un ión. Múltiples iones. Ecuación de GOLDMAN-HODGKIN-KATZ

POTENCIAL DE NERNST Potencial de Nernst Mayor El nivel del potencial de difusión a través de una membrana que se opone exactamente a la difusión neta de un ion particular a través de la membrana Potencial de Nernst Cociente de las concentraciones de ese ion específico en los dos lados de la membrana Ecuación de Nernst Mayor Cociente Mayor tendencia del ion a difundir Potencial de Nernst necesario para impedirlo

La ECUACIÓN DE NERNST solamente puede predecir el potencial de membrana, cuando existe un solo canal de membrana abierto, en una membrana. Esto puede lograrse artificialmente, fabricando liposomas. A diferencia del POTENCIAL DE NERNST, el potencial de membrana no es un potencial de equilibrio, sino de estado estacionario.

POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO

POTENCIAL DE REPOSO EN LA MEMBRANA DE LA CÉLULA NERVIOSA Cuando no están transmitiendo señales=- 90 mv

(Todas las células lo tienen) POTENCIAL DE REPOSO (Todas las células lo tienen) Qué significa esto? Bajo condiciones de reposo, o sea sin estímulos, se puede medir una diferencia de potencial a través de la membrana. Este potencial es la resultante de un exceso de aniones en el interior respecto del exterior, lo que hace que en condiciones de reposo, el interior de la membrana sea negativo respecto del exterior.

POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO DE LOS NERVIOS Cuando una fibra nerviosa NO transmite señales nerviosas tiene un potencial de -90mV en el interior. DIFUSIÓN PASIVA DEL K +: = - 94 mv DIFUSIÓN PASIVA DEL Na+: = + 61 mv La combinación de ambos generan un POTENCIAL NETO de – 86 mv. BOMBA Na+ y K + Saca 3 Na+ y mete 2 K+ = contribuye con -4mv.

ORIGEN DEL POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO NORMAL Producido totalmente solo por la difusión del K+. Producido por la difusión de los iones de Na+ y K+. Producido por la difusión de Na+ y K+ más el bombeo de estos 2 iones por la bomba de Na+ -K+.

Diferencia de carga a ambos lados de la membrana 28/04/2017 POTENCIAL DE MEMBRANA ¿PORQUÉ ES NEGATIVO? Los iones que son transportados activamente no están en equilibrio electroquímico a ambos lados de la membrana: Proteínas y fosfatos tienen carga negativa a un pH normal. Estos aniones atraen cationes cargados positivamente que pueden difundir a través de los canales celulares. La membrana es más permeable al K+ que al Na+: 20-100 veces más permeable al K+. Gradientes de concentración para Na+ y K+. La bomba Na+/ K+ ATPasa bombea 3 Na+ fuera por cada 2 K+ dentro. La bomba de Na+/K+ genera negatividad adicional (5 a 20%). Diferencia de carga a ambos lados de la membrana

Medición del potencial de membrana Pipeta llena de solución de electrolitos. Se inserta en la membrana celular hasta el interior de la fibra. Se coloca otro electrodo(electrodo indiferente), en el liquido extracelular. Se mide la diferencia de potencial entre el interior y exterior de la fibra utilizando un voltímetro.

Electrodo fuera de la membrana del nervio (liquido extracelular) Electrodo en zona de cambio de voltaje La capa del dipolo se genera cuando se transportan hacia afuera suficientes iones positivos dejando un potencial negativo en el interior El desplazamiento rápido de los iones desde el interior hacia el exterior y viceversa origina las señales nerviosas

Bomba de sodio-potasio Es una Bomba electrogena por que bombea mas cargas positivas hacia el exterior. Se escapan iones de K incluso en una célula en reposo, también se pierden algunos iones de Na Transporta iones de Na hacia el exterior y iones de K hacia el interior. Genera potencial negativo en el interior de la membrana. Genera grandes gradientes de concentración.

POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Bomba Na+-K+: Bombea Na+ hacia el exterior y K+ al interior. Se bombean más cargas positivas hacia el exterior, generando un potencial negativo en el interior. Genera gradientes de concentración para Na+ y K+. Interior Exterior Na+ 14 mEq/l 142 mEq/l K+ 140 mE1/l 4 mEq/l

POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Además de la bomba Na+-K+, existen Canales de Fuga Na+-K+. 100 veces más permeables al K+. Esta diferencia también determina el nivel de potencial de membrana en reposo.

Bomba Na-K y Canales de fuga K-Na

Origen del potencial de membrana en reposo Potencial de difusión de potasio Difusión de sodio Contribución de la Bomba Na-K Difusión Sodio y Potasio -86mv Bomba Na-K -4mV

POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Difusión de Na, K y Bomba Na-K

POTENCIAL DE ACCIÓN

POTENCIAL DE ACCIÓN NERVIOSO Las señales nerviosas se transmiten mediante POTENCIALES DE ACCIÓN. POTENCIAL DE ACCIÓN Cambio rápido del potencial de membrana, que se extienden a lo largo de la membrana de la fibra nerviosa.

POTENCIAL DE ACCIÓN NERVIOSO Comienza con un cambio súbito desde el potencial de membrana negativo en reposo normal hasta un potencial positivo y después termina con un cambio casi igual de rápido de nuevo hacia el potencial negativo.

cargas negativas: Superficie interna . Distribución de los iones en el líquido extracelular que rodea una fibra nerviosa y en el líquido del interior de la fibra. cargas negativas: Superficie interna . cargas positivas: Superficie externa.

POTENCIAL DE ACCIÓN ETAPAS REPOSO: La membrana está POLARIZADA con – 90 mv DESPOLARIZACIÓN: AUMENTA la permeabilidad al Na +. Entra Na + a la célula. REPOLARIZACION: DISMINUYE la Permeabilidad al K +. Sale K + al exterior .

¿Cómo ocurre esto? UMBRAL de estimulación La entrada de Na supera la salida de K, generando un aumento súbito de potencial de membrana a -65mV. El aumento de voltaje abre muchos canales de Na (retroalimentación positiva) Entra Na y aumenta más el voltaje Se abren más canales de Na Entra más Na, se abren todos los canales Na Se cierran los canales de Na y se abren los canales de K

Inicio del potencial de acción UMBRAL de estimulación La entrada de Na supera la salida de K, generando un aumento súbito de potencial de membrana a -65mV. El aumento de voltaje abre muchos canales de Na (retroalimentación positiva) Entra Na y aumenta más el voltaje Se abren más canales de Na Entra más Na, se abren todos los canales Na Se cierran los canales de Na y se abren los canales de K

PROPAGACIÓN DEL IMPULSO Despolarización de la membrana en un punto produce: Electronegatividad extracelular Electropositividad intracelular Transmisión de la onda de electronegatividad

Despolarización

Repolarización

Hiperpolarización

PERÍODO REFRACTARIO ABSOLUTO Fracción de tiempo, después del inicio del potencial de acción, durante la cual ningún estimulo puede excitar esa porción de fibra. (Independiente de su magnitud) (Duración variable y según la fibra) RELATIVO Fracción de tiempo, del inicio del potencial de acción, durante la cual para que se genere un nuevo potencial de acción se requiere que el estimulo aplicado sea de una intensidad elevada.

UMBRAL DE EXCITACIÓN Y POTENCIALES LOCALES AGUDOS Un estimulo eléctrico negativo débil puede ser capaz de excitar una fibra. Sin embargo cuando aumenta el voltaje del estimulo se llega a un punto en el que se produce la excitación.

RESUMEN DE LOS FENOMENOS QUE CAUSAN EL POTENCIAL DE ACCION. Durante el estado de reposo, la conductancia a los iones potasio es 50 a 100 veces mayor a la conductancia a los iones sodio. Al inicio del potencial de acción se activan instantáneamente los canales de sodio y dan lugar a un aumento de la conductancia al sodio de 5000 veces. El inicio del potencial de acción también produce activación por el voltaje de los canales de potasio, haciendo que empiecen a abrirse mas lentamente una fracción de milisegundo después de que se abran los canales de sodio.

FUNCIONES DE OTROS IONES DURANTE EL POTENCIAL DE ACCION LOS IONES CON CARGA NEGATIVA (ANIONES) NO DIFUSIBLES EN EL INTERIOR DEL AXÓN NERVIOSO Son los responsables de la carga negativa en el interior de la fibra . Incluyen los aniones de las moléculas proteicas y de muchos compuestos de fosfato orgánico, compuesto de sulfato y similares.

CALCIO El calcio coopera con el sodio (o actúa en su lugar) en algunas células para producir la mayor parte del potencial de acción. Al igual que la bomba de sodio, la bomba de potasio bombea iones calcio desde el interior hasta el exterior de la membrana celular, creando un gradiente de ion calcio aproximadamente 10 000 veces. Hay canales de calcio activados por voltaje; cuando se abren, fluyen hacia el interior de las fibras tanto iones calcio como iones sodio (estos canales también se denominan Ca- Na.) Los canales de calcio se activan lentamente y precisan hasta 10 o 20 veces mas tiempo para su activación que los canales de sodio (canales lentos).

AUMENTO DE LA PERMEABILIDAD DE LOS CANALES DE SODIO CUANDO HAY DEFICIT DE IONES CALCIO Cuando hay déficit de los iones calcio, los canales de sodio se activan (abren) por un aumento muy pequeño del potencial de membrana desde su nivel normal, muy negativo. Por lo tanto, la fibra nerviosa se hace muy excitable, y a veces descarga de manera repetitiva sin provocación en lugar de permanecer en su estado de reposo. Es necesario que la concentración de ion calcio disminuya solo un 50% por debajo de su concentración normal para que se produzca la descarga espontanea en algunos nervios periféricos, produciendo con frecuencia tetania muscular.

CANALES DEPENDIENTE DE VOLTAJE

Canal de Na activado por voltaje Compuerta de activación (externa) Compuerta de inactivacion (interna) Tres fases Reposo Activación Inactivación

Canal de Na activado por voltaje Fase de reposo -90mV Compuerta de activación cerrada Activación -70 a -50mV Compuerta de activación abierta Aumenta la permeabilidad del sodio 500-5000 veces (Entra sodio)

Canal de Na activado por voltaje Inactivación El mismo voltaje que abre la compuerta, la cierra, pero el cambio conformacional toma más tiempo. La compuerta de inactivación no se abre hasta que el potencial de membrana llega a -90mV.

Canal de K activado por voltaje Reposo Potencial -90mV Compuerta cerrada Activación Potencial hacia Cero Compuerta abierta Sale Potasio, al tiempo en que se cierran los canales de Sodio.

Relación Ca++ - Na+ Concentración de Calcio en el líquido extracelular Cuando hay déficit Los canales de sodio se abren con un aumento muy pequeño de potencial de membrana La fibra nerviosa se vuelve muy excitable, y a veces descarga de manera repetitiva sin razón. Aparentemente el Calcio se pega a la proteína del canal de Sodio alterando su voltaje hacia positivo.

Propagación del potencial de acción Un potencial de acción que se desencadena en cualquier punto de una membrana excitable (excita porciones adyacentes de la membrana). Las cargas eléctricas positivas son desplazadas a lo largo de la fibra nerviosa mielinizada y abren más canales de SODIO en nuevas zonas.

Propagación del potencial de acción en una fibra nerviosa

Propagación del potencial de acción Dirección de la propagación El potencial viaja en todas direcciones alejándose del estímulo “Todo o nada” Las condiciones deben ser adecuadas (voltaje) para la propagación del potencial o no se propagará.

Equilibrio Na y K Después de varios impulsos nerviosos, pueden desequilibrarse las cantidades de Na y K dentro de la fibra nerviosa La bomba Na-K-ATPasa restablece el equilibrio (potencial de reposo)

Meseta en algunos potenciales de acción La membrana no se repolariza inmediatamente Músculo cardíaco – contracción del músculo por 0.2 – 0.3 segundos, luego repolarización de la membrana. El músculo cardíaco tiene también canales lentos (Sodio – calcio) Los canales de potasio se abren más lentamente

Potencial de acción en una fibra de Purkinje

DESCARGA REPETITIVA Las descargas repetitivas autoinducidas aparecen en: Corazón. Músculo liso. Neuronas. GENERANDO: Latido rítmico del corazón. Peristaltismo rítmico del intestino. Control rítmico de la respiración.

Ritmicidad espontánea Debe haber permeabilidad suficiente al Na (o Na–Ca) para permitir la despolarización automática. En el corazón, el potencial de membrana en reposo es de -60 a -70mV El voltaje no es suficiente para cerrar todos los canales de Sodio y Calcio.

Ritmicidad espontánea Potencial en reposo -60 a -70mV Entra Na y Ca a la fibra Aumenta más el voltaje Entra más Na y Ca Se genera un potencial de acción Se repolariza la membrana Vuelve a despolarizarse, no entra en reposo.

Ritmicidad espontánea En el corazón hay un retraso entre repolarización y despolarización (inicio del siguiente potencial de acción) Al final del potencial de acción la fibra se hace mucho más permeable al potasio Al salir más potasio, queda más negativo dentro. Este estado se llama hiperpolarización Da tiempo entre un potencial y otro.

Potenciales de acción rítmicos

Características especiales Un tronco nervioso medio tiene el doble de fibras no mielinizadas.

Fibra mielinizada Axón Dentro tiene el Axoplasma Por fuera Vaina de Mielina, depositada por las células de Schwann La mielina es un aislante eléctrico Cada 1-3 mm hay un nódulo de Ranvier Zona no aislada, por donde fluye el impulso nervioso.

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

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

Conducción “saltatoria” Los iones casi no fluyen a través de las vainas de mielina, pero si a través de los nódulos de Ranvier. Los potenciales de acción se producen sólo en los nódulos de Ranvier. La corriente eléctrica fluye Por el líquido extracelular Por el axoplasma del axón Excitando el siguiente nódulo de Ranvier.

Conducción saltatoria – axón mielinizado

CONDUCCIÓN SALTATORIA Aumenta la velocidad de transmisión nerviosa en las fibras mielinizadas de 5-50 veces. (0.25m/s a 100m/s). Conserva la energía para el axón porque sólo se despolarizan los nódulos. Se utiliza menos energía para restablecer las diferencias de concentración Na-K.

EXCITACIÓN Cualquier factor que haga que el Na empiece a difundir hacia el interior de la membrana: Trastorno mecánico sobre la membrana. Efecto químico. Paso de electricidad.

PERÍODO REFRACTARIO No se puede producir un nuevo potencial de acción mientras la membrana siga despolarizada, incluso con un estímulo intenso. Poco después del inicio del potencial de acción los canales de sodio y potasio se inactivan Sólo al volver al potencial de reposo se podrán abrir las compuertas.

INHIBICIÓN DE LA EXCITABILIDAD Factores estabilizadores de membrana Concentración elevada de calcio extracelular: Disminuye la permeabilidad de membrana a Na. Anestésicos locales: Procaína, Tetracaína. Actúan directamente en las compuertas.

EJEMPLOS DE POTENCIAL ACCIÓN

Sinapsis

Cuando el impulso nervioso llega a la unión neuromuscular, ésta libera una sustancia llamada Acetilcolina

La Acetilcolina penetra la fibra muscular, a través de los Túbulos “T”, hasta llegar a la miofibrilla, momento en el cual la fibra muscular libera el Calcio que tiene almacenado

El Calcio liberado en la fibra muscular se distribuye entre los filamentos de la miofibrilla

En el filamento de Actina se distinguen la Tropomiosina y la Troponina, mientras en el de Miosina el ATP.

El ATP libera una molécula de P, se produce un cambio conformacional en la cabeza de la miosina, por lo que aparece un movimiento que mueve a la actina, por acción de la miosina

Ciclo de retroalimentación positiva Inicio del potencial de acción: Umbral para el inicio del potencial de acción -90 MV

MESETA EN ALGUNOS POTENCIALES DE ACCION Miocito cardiaco K Na+ Na/K+ ATPasa Ca+ Ca2+ ATPasa Na+/Ca ATPasa Proteína UCRY RYR2 +30MV DHP -70MV -90MV

Proceso de Reexitacion necesario para ritmicidad espontanea Se llama Hiperpolarizacion a la negatividad mucho mayor de la normal de la fibra Muscular debido a la salida de potasio en la fase 3 del potencial de accion

Características especiales de la transmisión de señales en los Troncos Nervioso FIBRA NERVIOSA MIELINIZADA Proceso saltatorio: 1.- aumenta en la fibra la velocidad de transmisión nerviosa. 2.- solo se despolarizan los nódulos permitiendo una perdida de iones tal vez 100 veces menor. Nódulos de ranvier: Considerado el sitio donde se realiza El potencial de acción Nervioso Velocidad de conducción Nerviosa: 0,25 m/s

EXITACIÓN: EL PROCESO DE GENERACION DEL POTENCIAL DE ACCION Cualquier factor que haga que los iones sodio comiencen a difundir hacia el interior a través de la membrana en un numero suficiente puede desencadenar la apertura regenerativa automática de los canales de sodio. Esto se debe a un trastorno mecánico de la membrana A los efectos químicos sobre la membrana O al paso de electricidad a través de la membrana

EXCITACIÓN DE UNA FIBRA NERVIOSA POR UN ELECTRODO METALICO CARGADO NEGATIVAMENTE El método habitual para excitar un nervio o un musculo en el laboratorio experimental es aplicar electricidad a la superficie del nervio, del musculo mediante dos electrodos pequeños, uno de los cuales contiene carga negativa y el otro positivo. La causa es que el potencial de accion se inicia por la apertura de canales de sodio activados por el voltaje.

Punto A: un estimulo débil hace que el potencial de la membrana cambie de -90 a -85mV pero no es suficiente para que se produzcan los procesos regenerativos. Punto B: el estimulo es mayor pero tampoco es suficiente. Punto C: el estimulo es aun mas intenso. Ahora el potencial local apenas ha alcanzado el nivel necesario para generar un potencial de acción, denominado nivel liminar (umbral). Punto D: el estimulo es mas intenso.

La mayoría de los hombres no carecen de fuerza, sino de constancia. Víctor Hugo

MUCHAS GRACIAS