Potenciales de membrana y potenciales de acción

Física básica de los potenciales de membranaPotenciales de membrana provocados por difusiónPotencial de difusión producido por una diferencia de concentración iónica a los dos lados de la membranaLa [] de K es grande dentro de la fibra nerviosa, pero baja fuera. Debido a este gradiente los iones tienden a difundir hacia afuera. El potencial de difusión es la diferencia de potencial entre el interior y el exterior y a medida que ocurre la difusión se hace lo suficientemente grande y bloquea la difusión neta de K hacia el exterior. La diferencia de potencial necesaria es de -94mV (negativo en el interior) en una fibra nerviosa normal.La difusión de iones Na hacia el interior crea positividad en el interior, hasta que se hace demasiado elevado y bloquea la difusión neta de Na. El potencial es de 61mV en el interior.

Relación del potencial de difusión con la diferencia de concentración: potencial de NernstEl potencial de Nernst para cada ion: el potencial de difusión que se opone a difusión neta. Si el signo es + el ion que sale es negativo, si es - el ion es positivo.

Cálculo del potencial de difusión cuando la membrana es permeable a varios iones diferentes Depende de 3 factores:1) la polaridad de la carga de cada ion2) la permeabilidad de la membrana (P)3) las [] (C) de los iones en el interior (i) y en el exterior (e)Es la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz y da el potencial de membrana en el interior considerando al Na, K y Cl.Cuando el cloruro entra produce negatividad.

Medición del potencial de membranaPara generar un potencial negativo, sólo se debe sacar los iones positivos necesarios para generar la capa de dipolo eléctrico en la membrana.

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Potencial de membrana en reposo de los nerviosEl potencial en reposo es de: -90mV.agua pasa por los canales a una gran velocidad. Otras moléculas hidrosolubles pasan por estos canales y entre más pequeñas sean, mayor será su difusión.

Transporte activo de los iones Na y K a través de la membrana: bomba sodio-potasioEsta bomba genera gradientes de [] para el sodio y potasio:

Fuga de potasio y sodio a través de la membrana nerviosa

Las prot. de fuga dejan que se pierdan algunos iones de Na, pero son mucho más permeables al potasio que al sodio (es clave para el potencial de membr. en reposo).

Origen del potencial de membrana en reposo normalFactores que contribuyen:❖ Contribución del potencial de difusión de potasioEl cociente de K entre el interior y exterior es: 35:1, el potencial de Nernst es de -94mV = [log de 35 x (-61)]Si el potencial de reposo sólo dependiera del K, sería igual a -94mV❖ Contribución de la difusión de sodio a través de la membrana nerviosaEl potencial de Nernst para el Na es de +61mV. Pero como interacciona con el potencial para el K, usando la ecuación de Goldman obtenemos que el potencial del interior es de -86mV❖ Contribución de la bomba Na-KBombea 3 iones de Na hacia el exterior y 2 iones K hacia el interior, que ocasiona pérdida continua de cargas positivas (-4mV)El potencial neto considerando todos estos mecanismo es de -90mV (-86 dependiendo del K y -4 de la bomba Na-K)

Potencial de acción nerviosoLas señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción, que comienzan con un cambio súbito desde el potencial de membrana negativo en reposo hasta un pot. positivo. Fases del potencial de acción:1) Fase de reposo: La membrana está polarizada

porque su potencial en reposo es de -90mV2) Fase de despolarización: Se hace súbitamente

permeable a los iones sodio y se neutraliza su estado polarizado e incluso se hace algo positivo (sobreexcita)

3) Fase de repolarización: Después de 10 milésimas de seg. los canales de sodio se empiezan a cerrar y los

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canales de potasio se abren. Así se recupera la carga negativa de reposo (repolarización)4) Canales de sodio y potasio activados por el voltaje: Son necesarios para la despolarización y

repolarización. Su fn. es adicional a la bomba Na-K y los canales de fuga K

Canales de sodio activado por el voltaje: activación e inactivación del canalTiene 2 compuertas: la de activación (en el exterior) y la de inactivación (en el interior). Cuando la compuerta de activación está cerrada impide la entrada de iones Na.

Activación del canal de sodioCuando el potencial se hace menos negativos (-70 y -50mV) se produce un cambio conformacional en la activación de la compuerta a su posición abierta, y pueden atravesar los iones de sodio.

Inactivación del canal de sodioEl voltaje que abre la compuerta de activación también cierra la compuerta de inactivación pero 10 milésimas de segundo después. Y se empieza a recuperar el estado de membr. en reposo (repolarización). La compuerta de inactivación sólo se abre cuando el potencial de membrana regresa a los valores de reposo.

Canal de potasio activado por el voltaje y su activaciónCuando el potencial de membrana aumenta hasta 0, se produce una apertura de la compuerta y permite la difusión de K hacia afuera. Pero se abren cuando los canales de Na se empiezan a cerrar --> aceleran la repolarización (que dura algunas diezmilésimas de seg.)

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Resumen de los fenómenos que causan el potencial de acciónDurante el reposo la conductancia del K es 100 veces mayor que para el Na, gracias a los canales de fuga. Cuando empieza el potencial de acción se activan los canales de Na y se aumenta la conductacnia 5000 veces. Un miliseg. después se cierran los canales de Na (inactivación). Los canales de K se empiezan a abrir 1 miliseg después de que se abren los canales de Na. Cuando termina el pot. de acción, la recuperación del pot. de membr. en resposo (negativo) hace que se cierren los canales de K, pero 1ms después. En la 1ra parte del potencial de acción el cociente de conductancia (Na/K) aumenta 1000 veces --> entra mucho Na y sale K: hacen positivo el interior. Despuñes se cierran los canales de Na y se empiezan a abrir los canales de K. El cociente ahora se desplaza a favor de la conductancia del K y se recupera su nivel basal.

Funciones de otros iones durante el pot. de acciónDentro del axón hay mucho iones negativos que no pueden atravesar los canales y son responsables de la carga negativa en el interior cuando hay déficit de K y de iones positivos.

Iones calcioIgual que la bomba de Na, la bomba de Ca transporta iones de Ca desde el interior al exterior. [] interior: 10^-7. [] exterior: 10^-3. Además hay canales de Ca activados por voltaje, y cuando se abren por un estímulo despolarizante, el Ca entra a la cel. Así contribuyen a la fase de despolarización, pero son más 10 veces más lentos que los de Na. Se denominan canales lentos y dan una despolarización más sostenida.

Aumento de la permeabilidad de los canales de Na cuando hay déficit de iones CaCuando hay déficit de Ca, los canales de Na se abren por un aumento pequeño del pot de membr. --> fibra muy excitable. Si disminuye el 50% se producen descargas esopontáneas.--> tetania nuscular. Los iones de Ca se unen a la superficie externa de la prot. de canal de Na. Las cargas positivos del Ca alteran al canal y modifica su nivel de apertura para el Na.

Inicio del potencial de acciónUn ciclo de retroalimentación postiva abre los canales de NaSi no hay alteraciones de la membrana de la fibra nerviosa, no se producirá ningún potencial de acción. El aumento de voltaje hace que se empiecen a abrir los canales de Na activados por voltaje, entra el Na y se eleva más el pot. de membr. --> se abren más canales de Na, y entra más Na = Círculo viciosa de retroalimentación positiva. Desupés se inactivan los canales de Na y se abren los canales de K --> finaliza el potencial de acción.

Umbral para el inicio del potencial de acciónCuando el # de iones de Na es mayor que el # de iones K que salen se produce un potencial de acción. Un aumento de 15-30mV puede generar un p.a. (potencial de acción) El umbral es de: -65mV.

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Propagación del potencial de acciónSe puede iniciar en cualquier punto de la membrana y propagarse a lo largo de la membrana. Las cargas eléctricas positivas son desplazadas por la difusión hacia dentro del Na. Estas cargas positivas aumentan el voltaje de 1-3mm a lo largo de la fibra mielinizada hasta un valor superior al umbral para inicar un p.a. Estos canales adyacentes se abren y se produce la propagación del p.a. El impulso nervioso o muscular: transmisión del proceso de despolarización a lo largo de una fibra nerviosa muscular.

Dirección de la propagaciónEl pot. de acción viaja en todas las direcciones alejándose del estímulo hasta despolarizar toda la membrana.

Principio del todo o nadaEl proceso de despolarización viaja por toda la membrana si las condiciones son adecuadas o no viaja en absoluto si no lo son. Para que se produzca una propagación continuada del impulso el cociente del pot. de acción respecto al umbral de exitación debe ser mayor a 1 (factor de seguridad para la propagación).

Restableciemiento de los gradientes iónicos de sodio y potasio tras completarse los potenciales de acción: la importancia del metabolismo de la energíaPara restablecer las [] de Na y K (potencial de reposo) se usa la bomba de Na-K. Esta bomba necesita energía, así que la “recarga” de la fibra nerviosa es un poceso metabólicamente activo que usa ATP, y produce un exceso de calor (medida de gasto energético cuando aumenta la frecuencia de los impulsos nerviosos).

La ATPasa se activa cuando hay un exceso de Na en el interior, (en proporción a la 3ra potencia). Por eso la “recarga” ocurre siempre se empiecen a agotar las diferencias de [] de Na y K.

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Meseta en algunos potencials de acción A veces la membrana excitada no se repolariza inmediatamente después de la despolarización, sino que permanece en una meseta cerca del máx. pot. de espiga (se prolonga el periodo de despolarización). En las fibras cardiacas, la meseta dura hasta 0.3 s y prolonga la contracción del msc. cardíaco. Participan 2 tipos de canales:1) canales de Na activados por voltaje: canales rápidos -->

porción en espiga2) canales de Ca-Na activados por voltaje: canales lentos -->

mesetaTambién los canales de K se abren más lento y retrasa la normalización del pot. de membr. negativo.

Ritmicidad de algunos tejidos excitables: descarga repetidaEn msc. liso, corazón y SNC y producen:1) latido rítmico del corazón2) peristaltismo rítmico de los intestinos3) fenómenos neuronales: control de la respiraciónAdemás de que si reduce el umbral, los tejidos excitables también pueden descargar de manera repetitiva.Proceso de reexcitación necesario para la ritmicidad espontáneaLa membrana debe ser permeable al Na y al Ca para permitir la despolarización automática de la membrana. En el corazón el pot. de membrana es de -60 a -70mV: a ese voltaje los canales de Na y Ca no pueden permanecer totalmente cerrados. 1) Fluyen iones Na y Ca al interior2) Aumenta el voltaje de la membr. 3) Aumenta la permeabilidad de la membr.4) Entran más iones, aumenta más la permeabilidad --> potencial de acción Al final de cada potencial de acción la membr. se hace más permacle al K, el potasio entra (durante 1 seg.) con lo que recupera su negatividad, acercándose al potecial de Nernst para el K. Si la conductancia al K está aumentada, se produce hiperoplarización.

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Características especiales de la transmisión de señales en los troncos nerviososLas fibras grandes están mielinizadas, y las pequeñas están no mielinizadas. Un tronco nervioso medio tiene el doble de fibras no mielinizadas que mielnizadas. gradientes electroquímicos del Na y K. En cel. nerviosas, hasta el 70% de la energía se gasta en bombear Na fuera y K dentro. Su función es controlar el volumen de las células. Como el interior es negativo, esto atrae a K, Na, si ese proceso no se detiene, la célula se hincha y explota (debido a la osmosis). Esto se logra porque bombea 3 iones hacia afuera y 2 hacia adentro (perdida neta de iones hacia el exterior), además de que la permeabilidad al Na es menor (tienden a quedarse fuera después de ser bombeados). También desplaza una carga positiva neta hacia afuera --> negatividad en el interior: La bomba es electrógena. La membrana del axón es la que conduce el pot. de acción. 1) Axoplasma: en el liq. intracelular2) Vaina de mielina: alrededor del axón3) Nodo de Ranvier: cada 1-3mm a lo largo de la vaina

Las cel. de Schwann depositan la vaina de mielina (contiene esfingomielina) alrededor del axón. La esfingomielina es un aislante eléctrico. Los nódulos de Ranvier son zonas no aisladas para permitir el flujo de iones entre el liq. intracelular y extracelular

Conducción “saltatoria” en las fibras mielinizadas de un nódulo a otroEn los nódulos de Ranvier sí es posible el flujo de iones: los pot. de acción sólo se producen en los nódulos y saltan de uno a otro --> conducción saltatoria y es útil porque:1) Aumenta la velocidad de transición nerviosa en las fibras mielinzadas hasta 50 veces2) Conserva la energía para el axón, pierde 100 veces menos iones, precisa de poco metabolismo para

restablecer las diferencias de [] después de los impulsos

Velocidad de conducción en las fibras nerviosas0.25m/s en las fibras no mielinizadas100m/s en fibras mielinizadas grandes

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Excitación: el proceso de generación del potencial de acciónCualquier factor que haga que el Na entre puede desencadenar la apertura regenerativa automática de los canales de Na. Se puede deber a: un trastorno mecánico de la membrana, a efectos químicos sobre la membrana, o al paso de electricidad a través de la membrana.

Umbral de excitación y potenciales locales agudosUn estímulo débil (A) no es suficiente para producir procesos regenerativos automáticos del pot. de acción, pero sí altera localmente el pot. de membr. --> potenciales locales agudos: cambios locales de potencial. El estímulo (B) tampoco es suficiente. Potenciales subliminales agudos: cuando no pueden producir un pot. de acción.El punto (C) es más intenso y sí puede generar un pot- de acción: nivel liminar (umbral). El estímulo (D) es más intenso, el potencial local agudo es más intenso y el pot . de acción se produce después de un periodo de latencia más breve.

Periodo refractario tras un potencial de acción, durante el cual no se puede generar un nuevo estímuloMientras la membr. sigue despolarizada, no se puede producir un nuevo pot. de acción, ya que los canlaes de Na y K están inactivados hasta que el pot. regrese a su nivel basal. Periodo refractario absoluto: no se puede generar un 2do pot. de acción aún con un estímulo intenso, es de 1/2500s aprox.

Inhibición de la excitabilidad: estabilizadores y anestésicos localesReducen lla excitabilidad. Ej: la [] elevada de calcio en el liq. extracelular, ya que reduce la permeabilidad para el Na y reduce la excitabilidad. El Ca es un estabilizador✤ Anestésicos locales: Procaína y tetracaína que actúan sobre las compuertas de activación de los canales de sodio, dificultando su apertura. Reducen el factor de seguridad por debajo de 1, y los impulsos nervios no pasan a lo largo de nervios anestesiados.

Registro de potenciales de membrana y potenciales de acciónOsciloscopio de rayos catódicos:Puede responder a los cambios rápidos de potencial de membrana. Se compone de:tubo de rayos catódicos que está formado por un cañón de electrones y una pantalla fluorescentedos grupos de placas con carga eléctrica: uno a ambos lados del haz electónico y otro por encima y por debajo del mismo

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