FISIOLOGIA I TEMA NUMERO 8 Potencial de Acción Celular PROFESOR: Gregorio Tiskow, Ph.Sc. E-mail: gtiskow@ucla.edu.ve U.C.L.A. Barquisimeto, Venezuela

Potencial de Acción Las señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción, que son cambios rápidos del potencial de membrana que se propagan a lo largo de la membrana de las células excitables.

¿y para qué?... Técnica de medida o parámetro Rango de la medida                           ¿y para qué?... Técnica de medida o parámetro Rango de la medida Rango de frec. de la señal (Hz) Transductor o método Electrocardiografía (ECG) 0.5–4 mV 0.01 – 250 Electrodos superficiales Electroencefalografía (EEG) 5–300 m V Dc – 150 Electrodos de cuero cabelludo Electrocorticografia 10–5000 m V Electrodos de profundidad Electrogastrografia 10-1000 m V 0.5–80 mV Dc – 1 Electromiografia (EMG) 0.1–5 mV Dc – 10000 Electrodos de aguja Potenciales de ojo (EOG) (ERG) 50–3500 m V 0–900 m V Dc – 50 Electrodos de contacto

Potencial de Acción Celular Los cambios del potencial de membrana son señales importantes para las células excitables: Neurona Músculo Las células excitables tienen en su membrana canales de sodio (Na+) operados por voltaje

Potencial de Acción Celular

Potencial de Acción Celular

Potencial de Acción Celular

Potencial de Acción Celular

Potencial de Acción El Potencial de Acción no es más que un cambio brusco en la polaridad de la membrana que está en reposo.

Potencial de Acción

Potencial de Acción Génesis del Potencial de Acción: Cualquier acontecimiento que cambie y aumente RÁPIDAMENTE el potencial de membrana y sobrepase el UMBRAL alrededor de los – 65 mV, provocará que se abran los canales de Na+ (voltaje dependientes) en forma PROGRESIVA y RECLUTANTE.

Potencial de Acción Cualquier fenómeno que aumente la permeabilidad al Na+ producirá la apertura de los canales de Na+ automáticamente: Pueden ser: *Estímulos físicos *Estímulos químicos *Estímulos eléctricos

Potencial de Acción El cambio de permeabilidad en el punto de excitación permite el movimiento de iones de un lado a otro de la membrana, provocando una variación en el potencial de reposo, lo que genera una nueva diferencia de potencial que da inicio a un potencial de acción celular.

Potencial de Acción

Potencial de Acción

Potencial de Acción

Potencial de Acción

Potencial de Acción

Potencial de Acción

POTENCIAL LOCAL (ELECTROTÓNICO) 1 ms 0 mV Potencial local o Potenciales graduados (electrotónico) Variable Pasivo No se propaga (se extingue rápidamente) POTENCIAL ELÉCTRICO -70 mV TIEMPO

Potencial Local

Fases del Potencial de Acción Un potencial de acción es un cambio muy rápido 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 último una fase hiperpolarizada.

Fases del Potencial de Acción Fase de Reposo Celular: Es el potencial de membrana en reposo, antes del comienzo del potencial de acción. Aquí la membrana esta POLARIZADA, debido al potencial de membrana negativo de -90 mV (Interior celular negativo)

Fases del Potencial de Acción Fase de Despolarización: En este instante, la membrana se hace muy permeable a los iones Na+ (por apertura masiva de canales de sodio voltaje dependientes) Esto genera entrada de cargas (+) al interior celular en cantidad importante (Corriente Interna de iones) Se comienza a invertir la polaridad celular de reposo.

Fase de Despolarización EVENTO CLAVE: ACTIVACION DEL CANAL DE Na+

Pregunta interesante… ¿Por qué se activan los canales de Na+ antes que los de K+ en respuesta al estímulo de la depolarización?

Respuesta interesante… Porque los canales de Na+ son más sensibles al cambio de voltaje que los canales de K+

Fase de Despolarización Cuando el potencial de membrana alcanza un voltaje entre -70 a – 50 mV, se va a producir un cambio conformacional en el canal de Na+, con activación de la compuerta de entrada: se pasa al ESTADO ACTIVADO DEL CANAL.

Potencial Umbral El valor de potencial de membrana en el que los canales de Na+ se abren masivamente (produciendo la despolarización) se denomina: POTENCIAL UMBRAL

Fase de Despolarización La conductancia a los iones Na+ aumenta cerca de 5000 veces por encima de lo normal en esta fase. Canales Na+ abiertos/Canales K+ abiertos (20:1)

Fase de Despolarización

Canal de Na+

Canal Iónico

Círculo de retroalimentación positiva Ciclo de Hodgkin Círculo de retroalimentación positiva

Capa de solvatación

Fase de Despolarización El movimiento de iones Na+ hacia el interior hace que el potencial de membrana ahora se sobre-excite, más allá del valor o nivel cero y se haga positivo. Ese pico del potencial de acción alcanza un valor de casi 35 mV (positivos)

Fase de Despolarización El cambio brusco del potencial de membrana, hace que se acerque al potencial de equilibrio del ion Na+ (ENa+) (unos +50 a +55 mV)

Fase de Despolarización

Fase de Despolarización

Inicio de la Repolarización El mismo aumento de voltaje que abre la compuerta de activación, cierra también la compuerta de inactivación. Esta compuerta se cierra diezmilésimas de segundo después que se abrió la compuerta de activación. El cerrar la compuerta de inactivación es un proceso un poco más lento. Los iones Na+ no pueden entrar más. Comienza la Repolarización.

Fase de Despolarización

Fase de Repolarización En unas diezmilésimas de segundo de haberse abierto los canales de Na+ comienzan a cerrarse, y los de K+ (voltaje dependientes) a abrirse. Así, hay salida de iones K+ hacia el exterior (Corriente externa de iones) celular restableciéndose poco a poco el potencial de membrana en reposo normal. Es la fase de Repolarización de la membrana

Fase de Repolarización En la fase de Repolarización, el potencial de membrana vuelve a repolarizarse en dirección al valor del potencial de membrana en reposo, esto es, muy cercano al potencial de equilibrio del ion K+ (EK+)

Fase de Repolarización Despolarización

Fase de Repolarización Final del potencial acción En REPOSO

Fase de Repolarización Cuando el potencial de membrana aumenta desde -90 mV hasta cero mV, se produce apertura conformacional de la compuerta del canal de K+ permitiendo la salida de iones K+ hacia el exterior celular. Se abren casi al mismo tiempo que se van cerrando los canales de Na+

Fase de Repolarización

Fase de Hiperpolarización En esta fase continua la salida iones K+ hacia el exterior, pero en forma más lenta, ya que los canales tardan más en cerrarse, y los de Na+ se recuperan lentamente de la inactivación. El potencial de membrana se vuelve más negativo de los normal (la membrana se hiperpolariza)

Fase de Hiperpolarización

ATPasa Na-K La bomba de Na-K termina el proceso, al restablecer los gradientes iónicos a sus valores normales.

Gráfico del potencial de acción Es tan rápido, que en un osciloscopio se llama ESPIGA

Resumen Fases del potencial de acción: Depolarización: 0,2 a 0,5 ms. Se alcanza un voltaje de hasta +35 mV. Repolarización: 0,5 ms. El voltaje vuelve al valor de potencial de reposo. Hiperpolarización: El voltaje desciende por debajo del potencial de reposo.

Osciloscopio digital

Imagen de osciloscopio

Conductancias iónicas • Canales de sodio: – Muy rápidos en su activación – Provocan despolarización – Se inactivan • Canales de potasio: – Menos rápidos en su activación – Revierten la despolarización.

Conductancias iónicas

Conductancias iónicas

Conductancias iónicas

Ecuación de Goldman

Período Refractario Al cerrarse los canales de Na+, entran en una fase de muy poca capacidad de respuesta: están INACTIVOS. Se requerirá de cierto tiempo para que puedan volver a activarse. Así, durante la fase de repolarización del potencial de acción, no podrá generarse otro potencial de acción: Período Refractario.

Período Refractario Periodo refractario absoluto: Es aquella fracción de tiempo, después de iniciarse un potencial de acción, durante la cual ningún estimulo (por muy elevada que sea su magnitud) puede excitar esa porción de fibra. Su duración es variable, dependiendo del tipo de fibra de que se trate. Periodo refractario relativo: Es aquella fracción de tiempo, después de iniciarse un 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.

Período Refractario Periodo refractario absoluto – Asegura que cada potencial de acción esté Separado uno del otro. – Origina la transmisión del impulso nervioso en una única dirección (hacia delante)

Período Refractario Absoluto

Período Refractario

Y, ¿Los otros iones qué? …

Iones Calcio En algunas células como las cardíacas y las musculares lisas, el Ca++ actúa (o coopera con el ion Na+) para producir la mayor parte del potencial de acción. Existencia de canales de Ca++ activados por voltaje. También son ligeramente permeables al Na+ Su activación es muy lenta comparada a los canales de Na+ (son canales lentos)

Dato de interés La alta concentración de Ca++ en líquido extracelular tiene un efecto importante sobre el nivel de voltaje en que se activan los canales de Na+ Al existir déficit de iones Ca++, los canales de Na+ se abren por un aumento muy pequeño del potencial de membrana. Así, la fibra nerviosa se vuelve muy excitable, y descarga repetitivamente (aún sin estímulos), hecho conocido como tetania muscular.

Ley del Todo o Nada Es una característica del potencial de acción. Se aplica a todos los tejidos excitables.

Otras Características del Potencial de Acción Viaja a grandes distancias No pierde intensidad durante su desplazamiento Son todos idénticos. Es continuo Unidireccionales gracias al período refractario Principal forma de comunicación entre las neuronas Un potencial de acción es un impulso nervioso

Generación de potenciales de acción Los mismos se generan en regiones celulares donde existen elevadas concentraciones de canales de Na+ (más de 12.000 x µ2) En una neurona clásica éste tipo de región es el cono axónico o segmento inicial del axón.

Bloqueantes de canales de Na+ Un número de toxinas y químicos pueden bloquear o modular la función de los canales de Na+ en la membrana celular. Existen diversas clasificaciones según su modo de acción o sitio de binding o modificación de los mecanismos cinéticos de cierre o apertura del canal. Muchas de esas toxinas existen en organismos inferiores vivos.

Bloqueantes de canales de Na+ Saxitoxina (STX) (en dinoflagelados) Tetroidotoxina (TTX) (aislado de peces) µ-Conotoxina Batracotoxina Veratridina Aconitina Toxina de anemona marina -Escorpio-toxina Brevetoxina Toxina de alacranes Fármacos moduladores

Bloqueantes Canales K+ Agitoxina Aminopiridina Charibdotoxina Glibenclamida Veneno de escorpión Tetracaína Dendrotoxina Margatoxina Minoxidilo

Propagación del Potencial de Acción

Corrientes Locales

Circuito de Corrientes Locales

Circuito de Corrientes Locales

Propagación del potencial de acción: El Impulso Nervioso

Propagación del potencial de acción: El Impulso Nervioso

Propagación del potencial de acción

El Impulso Nervioso

Conducción Nerviosa Conductividad: Es la capacidad de las células de propagar un cambio de potencial desde un punto de estimulación a todo lo largo de la membrana celular.

Conducción Ortodrómica En el ser humano la transmisión de la señal nerviosa es ORTODRÓMICA. Esto significa que el flujo nervioso, de carácter eléctrico, va siempre desde el cuerpo celular de la neurona hasta su axón, y de ahí al cuerpo celular de la siguiente neurona.

Tipos neuronales

Conducción Antidrómica En este caso, el impulso nervioso puede desplazarse o viajar en ambos sentidos a los largo de la fibra nerviosa. Es producido en forma patológica o en condiciones experimentales.

Transmisión del impulso nervioso Su Velocidad de Propagación depende de: Temperatura de la fibra nerviosa Diámetro del Axón Presencia o no de Mielina

Transmisión del impulso nervioso Influencia de la temperatura

Transmisión del impulso nervioso

Según diámetro del axón Los axones más gruesos, conducen mejor el impulso nervioso

Transmisión del impulso nervioso

Transmisión del impulso nervioso

Tipos neuronales

Presencia de Mielina

Transmisión del impulso nervioso

Fibra nerviosa

Célula de Schwann

Conducción Saltatoria 2 µm

Conducción Saltatoria

Conducción Saltatoria

Velocidad de Conducción La velocidad de conducción en las fibras nerviosas varía desde 0,25 m/s (fibras no milenizadas pequeñas), hasta 100 m/s (en fibras mielinizadas grandes)

Bloqueo por anestésicos Locales Es un estabilizador de la membrana. Produce inhibición de la excitabilidad. Ejemplos: procaína y tetracaína. Actúan sobre las compuertas de activación de los canales de Na+ (haciéndolos más refractarios a su apertura) Los impulsos nerviosos no pueden viajar a lo largo de los nervios anestesiados.

Otros Estabilizadores de la Membrana Ion calcio Reduce la excitabilidad de la membrana. Concentración elevada de Ca++ en el líquido extracelular, reduce la permeabilidad de la membrana a iones Na+

Voltaje de Reobase y Cronaxia

Voltaje de Reobase y Cronaxia Reobase: Intensidad mínima de un estímulo capaz de producir una respuesta propagada y prolongada. Cronaxia: Tiempo de respuesta cuando la intensidad del estímulo es el doble que la de reobase.

Técnica del Patch Clamp Técnica del clampeo del voltaje o pinzamiento de membrana o pinzamiento zonal. Permite estudiar los fenómenos eléctricos a nivel de membrana celular (sobre todo canales)

¿Más? …

Circuito eléctrico equivalente Circuito equivalente de una célula esférica. Vm es el potencial de reposo, rm y Cm las resistencia y capacidad de la célula. Cm tiene un valor aproximado de 1 uF/cm²

Circuito eléctrico equivalente Componentes de las conductancias de Na+ y K+ con sus respectivos potenciales de equilibrio. Las flechas indican el sentido de la corriente cuando el potencial de membrana es constante.

Para la práctica…

Preguntas??? En los momentos de crisis, sólo la imaginación es más importante que el conocimiento – Albert Einstein