Electrofisiología

ELECTROFISIOLOGÍA

María José Ortega

Nataly Marcela Romero

Jeisson Javier Tovar

Jesús Francisco Turizo

Universidad de Sucre. Facultad de Ciencias de la Salud. Programa de Medicina. Bioestructura III. Biofísica. Periodo 02-2013.

GENERALIDADES

Bioelectricidad

Estudia la producción de electricidad en los seres vivos, animales y vegetales.

Conceptos clave

Electrofisiología

Estudio de los fenómenos eléctricos y/o iónicos generados en células y tejidos.

Electroquímica

Estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química.

Conceptos clave

Catión

Ion con carga positiva.

Anión

Ion con carga negativa.

Ion

Átomo o molécula con carga eléctrica.

Cl- HCO3- PO4

3-Na+ K+ Mg+

Electrolito

Sustancia que disocia iones libres cuando se disuelve en un líquido.

Conceptos clave

Ionización

Pérdida o ganancia de electrones de un átomo o molécula.

Electrólisis

Separación de los elementos que forman un compuesto aplicando electricidad.

HCl NaCl HBr KOH NaOH

K+ OH-

H+ Cl-

Na+ Cl-

H+ Br-

Na+ OH-

Conceptos clave

Electrodo

Conductor eléctrico a través del cual puede entrar o salir una corriente eléctrica.

Ánodo

Electrodo o polo positivo atrayente de aniones, por donde entra la corriente eléctrica.

Cátodo

Electrodo o polo negativo atrayente de cationes, por el que sale la energía eléctrica.

+ -

Fuente de corriente directo

Ánodo Cátodo

Conceptos clave

Corriente eléctrica

Circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado.

Circuito eléctrico

Recorrido preestablecido por el que se desplazan las cargas eléctricas.

Potencial eléctrico

Trabajo realizado para trasladar una carga positiva de un punto a otro.

P u n t o d e c o n t r o l

El ion K+ se encuentra a mayor concentración en:

a. Líquido extracelular.

b. Líquido intracelular.

c. Líquido intersticial.

d. Plasma sanguíneo.

INTRODUCCIÓN

Historia

Luigi Galvani (1737-1798), médico, fisiólogo y físico, sus estudios

le permitieron descifrar la naturaleza eléctrica del impulso nervioso.

Elaboró la teoría de la electricidad animal, demostró que los

músculos de la rana eran capaces de producir electricidad cuando

se le aplicaba una pequeña corriente eléctrica a la médula espinal.

Alessandro Volta (1745-1827), físico, famoso principalmente por

haber desarrollado la pila eléctrica. Propuso encontrar otras

alternativas que le permitieran obtener electricidad sin utilizar tejido

animal. Logró generar electricidad usando distintos metales.

Experimento de GalvaniExperimento de Volta

Carlo Matteucci (1811-1868), físico, realizó investigaciones sobre

los efectos fisiológicos de la electricidad y la electricidad muscular.

Demostró la existencia de una diferencia de potencial entre la

superficie ilesa y un punto leso del mismo músculo de la rana.

Historia

Alan Lloyd Hodgkin (1934-1998), fisiólogo y biofísico, elaboró la

teoría sobre el origen del potencial de membrana, describiendo la

presencia de iones de sodio y potasio con una distribución

específica a través de la membrana.

Historia

Andrew Fielding Huxley (1917-2012), fisiólogo y biofísico,

Descubrió el potencial de acción de la membrana de las células

nerviosas y el papel que la bomba de sodio y potasio desempeña

en la transmisión del impulso nervioso.

John Carew Eccles (1903-1997), neurofisiólogo, Demostró que la

excitación de una fibra nerviosa hace que la sinapsis libere una

sustancia que abre los poros de la membrana nerviosa, permitiendo

el paso de iones sodio a la célula nerviosa vecina.


Carlo Matteucci (1811-1868), ideó la teoría de:

a. Potencial de membrana.

b. Potencial de acción.

c. Potencial de reposo.

d. Diferencia de potencial.

MEMBRANA CELULAR

Anatomía

La membrana plasmática es una estructura de 80 a 100 A° de espesor, constituida

por lípidos y proteínas.

Los lípidos que integran la membrana celular son fosfolípidos, colesterol y

cerebrósidos en la proporción 2:2:1.

Las proteínas que componen la membrana celular son proteínas periféricas y

proteínas integrales.

Los microvellos y las uniones epiteliales son estructuras dependientes de la

membrana celular.

Glicoproteína Glicolípido

Proteína de canalColesterol

Bicapa fosfolipídica

Proteína integral

Proteína periférica

Fosfato

Glicerol

Ácido graso saturado

Ácido graso insaturado

Col

a hi

drof

óbic

aC

abez

a hi

drof

ílica

Fisiología

Provee una barrera con permeabilidad selectiva y transporte de solutos, permite

acumular iones específicos, estableciendo gradientes iónicos.

Desempeña un rol protagónico en la respuesta de la célula a las señales externas,

proceso denominado transducción de señales.

Media la interacción entre una célula y sus vecinas, permite que las células se

reconozcan y envíen señales entre sí.

Permite la transformación de un tipo de energía, participan en la transferencia de

energía química de carbohidratos y grasas a ATP.


Los lípidos más abundantes de la membrana celular son:

a. Fosfolípidos.

b. Glucolípidos.

c. Esfingolípidos.

d. Cerebrósidos.

TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA

Diferencias químicas entre el citosol y el ambiente extracelular

Líquido intracelular

Plasma

Líquido intersticial



Líquido extracelular


Plasma

Otros líquidos


Con

cent

raci

ón (m

Eq/L

)



Plasma


Carga neta + Carga neta -

Líquido extracelular Citoplasma

Potencial de membrana

Diferencia del potencial eléctrico entre dos medios separados por una membrana.

Transporte de sustancias a través de la membrana

Potencial de reposo

Estado estacionario en el que el flujo de iones a través de la membrana es cero.

Potencial de acción

Flujo de iones a través de la membrana modificando la distribución de cargas.

Potencial de equilibrio

Equilibrio de las fuerzas del gradiente electroquímico que actúan sobre un ion.


Polarización

Fase en el que la membrana después de un impulso alcanza su potencial de reposo.

Despolarización

Fase en el que la membrana después de un estímulo adquiere su potencial de acción.

Axón

Despolarización


Gradiente de concentración

Diferencia de concentración de soluto entre dos medios separados por una membrana.

Gradiente eléctrico

Diferencia neta de carga eléctrica entre dos medios separados por una membrana.

Gradiente electroquímico

Potencial neto de membrana producto del gradiente de concentración y gradiente eléctrico.

Transporte pasivo: el movimiento de las sustancias no requiere gasto de energía.

Transporte activo: el transporte de las sustancias requiere gasto de energía.


Transporte pasivo

Difusión

La difusión es el movimiento espontáneo de sustancias de una región de mayor

concentración a otra de menor concentración, lo que conlleva a eliminar la diferencia

de concentración entre las dos regiones.

La difusión es un proceso impulsado por el movimiento cinético aleatorio de las

partículas de la materia, fenómeno llamado entropía.

Transporte pasivo

Difusión

La difusión simple es el paso de sustancias de forma directa por la bicapa lipídica,

determinado por la polaridad y el tamaño de una sustancia.

Difusión simple

Transporte pasivo

Difusión

La ósmosis es el movimiento de agua a través de una membrana de una región con

menor concentración de solutos a una región con mayor concentración de solutos.

Ósmosis

Hipotónica Isotónica Hipertónica

Concentración del medio extracelular

Transporte pasivo

Difusión

La difusión facilitada es el paso de sustancias a través de la membrana, mediado por

proteínas transportadoras o canales proteicos, a favor de un gradiente electroquímico.

Difusión facilitada

Transporte activo

Transporte activo primario

El transporte activo primario es el movimiento forzado de sustancias de una región

de menor concentración a una región de mayor concentración, lo que crea un

potencial de membrana debido a la diferencia de cargas.

El transporte activo primario es un proceso mediado por un tipo especial de

proteínas transportadoras llamadas bombas.

Tipos de transportadores

Uniporte Simporte Antiporte

Bombas Na+ - K+ - ATPasa

Bic

apa

lipíd

ica

K+Na+

Con

cent

raci

ón

ATP ADPPO4

3-

K+

Na+

+

- +

-

Transporte activo

Transporte activo secundario

El transporte activo secundario involucra el transporte de dos o más sustancias, una

de las cuales se mueve a favor de un gradiente o potencial electroquímico.

El transporte activo secundario es el movimiento de sustancias que normalmente no

atraviesan la membrana celular, cuya energía deriva del gradiente de concentración.

Na+

+

-

Bic

apa

lipíd

ica

Sistema Na+ - Glucosa

Glucosa

Con

cent

raci

ón

Transporte de moléculas grandes a través de la membrana

Endocitosis

PinocitosisFagocitosisEndocitosis

mediada por receptor

Ligando

Receptor

Partícula sólida

VacuolaVesícula

Vesícula revestida

Transporte de moléculas grandes a través de la membrana

Exocitosis

Líquido extracelular

Citoplasma

Vesícula


Esta fuerza es la suma del gradiente de concentración

y el gradiente eléctrico:

a. Potencial de membrana.

b. Potencial eléctrico.

c. Potencial de reposo.

d. Gradiente electroquímico.


Debido a que son constituyentes de la membrana,

los canales iónicos son ejemplos de:

a. Proteínas receptoras.

b. Proteínas integrales.

c. Proteínas periféricas.

d. Glicoproteínas.


El agua se mueve por ósmosis _________.

a. De un área con alta concentración de solutos a una más baja.

b. De un área con alta concentración de agua a una menor.

c. De un área con baja concentración de agua a una mayor.

d. Ninguna de las anteriores.


Difusión es a ________ como endocitosis es a________.

a. Filtración; fagocitosis.

b. Osmosis; pinocitosis.

c. Solutos, fluidos.

d. Gradiente; energía química.


¿Qué hace la bomba Na+ - K+ para mantener

la carga negativa neta en el interior de la célula?

a. Expulsando aniones.

b. Introduciendo aniones.

c. Expulsando más cationes de los que se introducen.

d. Expulsar e introducir el mismo número de cationes.


Por cuál de estos mecanismos de transporte una

célula puede introducir moléculas grandes al citosol:

a. Pinocitosis.

b. Fagocitosis.

c. Transporte facilitado.

d. Transporte activo primario.

ELECTROFISIOLOGÍA DE MEMBRANA

Electrotono

Un electrono es un estado eléctrico en una fibra excitable a la que se le aplica una

corriente constante, que consiste en la modificación de la excitabilidad y de la

conductibilidad, y la producción de electricidad, en la vecindad de los electrodos.

Un anelectrotono es un estado eléctrico, que consiste en la disminución de la

irritabilidad de una fibra excitable a nivel de la zona del ánodo durante el paso de la

corriente eléctrica.

Un catelectrotono es un estado eléctrico, que consiste en el aumento de la

irritabilidad de una fibra excitable a nivel de la zona del cátodo durante el paso de la

corriente eléctrica.

Electrotono

1. Se aplican dos electrodos sobre la superficie de la membrana, los cuales están

conectados a un generador de corriente continua.

2. Se produce un movimiento neto de iones por el medio extracelular, a través de la

membrana y por el medio intracelular sin provocar la excitación.

3. A dichas corrientes iónicas se llaman corrientes electrotónicas.

Distribución de las corrientes electrotónicas

I

+ -

Electrotono

Distribución de las corrientes electrotónicas

Excitabilidad

La bioelectrogénesis es la capacidad que tienen los seres vivos, plantas y animales

para producir electricidad.

La bioelectricidad se aplica al estudio de la electricidad animal, asociada a los

fenómenos bioelectrogenéticos.

La excitabilidad es la capacidad de las células o tejidos de responder a los estímulos

de manera específica.

El estímulo debe ser capaz de despolarizar, siendo una condición indispensable que

las células se hallen polarizadas.

Tejido nervioso

Excitabilidad

Tejidos excitables

Tejido muscular

Excitabilidad

Tejidos excitables

Excitabilidad

Células excitables

Células β-pancreáticasNeurona Miocito

Excitabilidad

Células excitables

Células adenohipofisiariasCélulas adrenocorticalesCélulas cromafines

Células parafoliculares Células paratiroideas Células yuxtaglomerulares

Hipótesis iónica de la bioelectrogénesis

La distribución peculiar existente entre el citoplasma y el medio extracelular, llevaron a

Bernstein en (1902), a emitir una hipótesis donde planteaba que el potencial de

reposo es generado por la difusión de iones K+ que pasan para el medio externo,

donde su concentración es baja.

Para esto Bernstein, hizo la hipótesis de que la membrana solamente es permeable a

los iones K+, no permitiendo el paso de otros iones. Más adelante Boyle y Conway,

desmintieron esto, ya que ellos encontraron que la membrana era permeable a otros

iones, solo que eran de radio mas pequeño.

Potencial de reposo

Cuando una célula esta en reposo, (no estimulada ni excitada) los canales de K+

están abiertos, el K+ tenderá a salir hacia el exterior.

Al mecanismo que se encuentra la membrana celular y genera este intercambio de

iones, se le llama la bomba de sodio potasio.

Estas cargas positivas, causan que el interior celular sea negativo respecto al exterior.

Cl-

Cl-

Cl-Cl-

Cl-

Cl-

Na+

Na+

K+

Na+

Na+

Na+

Na+

K+ K+ K+

K+

K+

K+

K+K+

Prot-

Prot-

Prot-


La membrana celular está en su potencial de reposo ( -70mv).

Se reciben estímulos eléctricos que despolarizan la membrana (-55mv).

Los canales de sodio se abren aumentando la concentración intracelular de sodio.

Se invierte el potencial de la membrana de (-70mv a +40mv).

Los canales de potasio se activan dejando salir cationes de potasio.

La membrana se hiperpolariza momentáneamente por la excesiva salida de potasio.

Las bombas de sodio y potasio hacen que la misma vuelva a su potencial de reposo.


Pote

ncia

l de

mem

bran

a (m

V)

Tiempo (ms)

1 2 3 4 5

-60

-40

-20

0

20

40

60

|


Potencial de reposo


Cam

bio

de c

ondu

ctan

cia

Tiempo (ms)

1 2 3 4 5

Na+

K+

Potencial de equilibrio

El potencial de equilibrio de un ion es el potencial al que se equilibrarían las fuerzas

del gradiente electroquímico actuando sobre ese ion.

El potasio está más concentrado dentro de la célula, por tanto por gradiente de

concentración el potasio tiende a salir.

El sodio está más concentrado fuera que dentro de la célula, por lo que el sodio tiende

a entrar en ésta.

ELECTROFISIOLOGÍA DEL TEJIDO NERVIOSO

Estructura de una célula nerviosa

Cuerpo celular (soma)

Axón Oligodendrocito

Membrana celular

Nódulo

Vaina de mielina

Dendrita

Botón terminal

Vaina de mielina

Axón

Proceso de conducción nerviosa

La polarización invertida

La conductancia y los potenciales

Nueva despolarización

Podemos decir que:

El estado de excitación puede propagarse en ambos sentidos a partir de la

zona excitada inicialmente.

La sinapsis actúa como válvula en el sistema nervioso y no la fibra nerviosa.

Conducción nerviosa en fibras amielínicas

La velocidad de propagación del impulso

La rapidez en que cada región excitada se despolariza

El tiempo que tarda en descargarse el condensador

La resistencia

Podemos inferir que la velocidad de conducción en los cilindroejes amielínicas

será tanto mas alta cuanto mayor sea el diámetro de la fibra.

Conducción nerviosa en fibras mielínicas

En la fibras mielínicas, por se la mielina un aislante, las corrientes solo pueden atravesar la

membrana a través de los nódulos de Ranvier.

Distribución de la mielina en el axón

Corriente saltatoria en fibras mielínicas

No es necesario que e despolarice toda la porción de la fibra comprendida entre los dos

nódulos, así se ahorra la necesidad de despolarizar toda la parte comprendida entre ellos.

ELECTROFISIOLOGÍA DEL TEJIDO MUSCULAR

Potenciales en el músculo esquelético

Estructura de una fibra muscular esquelética

Sarcolema

Sarcoplasma

Miofibrillas

Estriaciones

Fibra muscular


Estructura de un sarcómero

Línea Z

Actina Miosina

Línea M

Sarcómero

Miofibrilla



Vm (m

vat

)

-90

-60

-30

30

t


Acoplamiento excitación-contracción

t

e

m

Propiedades eléctricas del músculo cardíaco


Que lo produce:

Abertura:

Canales de sodio rápido.

Canales de calcio (calcio - sodio).

Canales de potasio.

Generan despolarización → Respuesta

eléctrica en la membrana (PA) →

Respuesta contráctil.


PA

M del M.C

Desde (T)

PA → m, t, s, l → Produce liberación iones calcio desde RS a SM

Iones del calcio difunden → Hacia las miofibrillas y catalizan reacciones químicas

favorecen deslizamiento A, M

Interior de la fibra muscular a lo largo de la membrana.

Hacia sarcoplasma m.→ Contracción.


PA

Fases 0, 1, 2, 3, 4

Canales de potasioCanales de calcio-sodio

< Potasio fase 2sucesos:

Canales de calcio-sodio se cierran 0.2 y 0.3s< Permeabilidad de K+

> Permeabilidad de K+

Este > de K+ desde la fibra devuelve PM a su nivel de reposo

Finaliza PA

Reduce la salida de K+ durante la meseta del PA

Impide el regreso rápido del voltaje del PA a su

nivel de reposo


PA Variedades más diferenciales del PA

Desde el punto de vista propiedades eléctricas 2 fibras:

1. Fibra de trabajo o de respuesta rápida

PA de fibras de trabajo

2. Fibras automáticas o de respuesta lenta

Fases: 0 1 2 3 4 5

PA marca pasos

Fases: Fase de reposo Fase despolarización Fase repolarización

Necesitan estímulo

Conducir y generar PA


3002001000

+40

0

-40

-80

-120

Tiempo (ms)

Volta

je (m

V)

Periodo refractario

absoluto

Periodo refractario

relativo

0

2

3


3002001000

+40

0

-40

-80

-120

Tiempo (ms)

Volta

je (m

V)

Periodo refractario

absoluto

Periodo refractario

relativo

1

2

3

4


-20

-40

-60

-80

-100

Tiempo (ms)

Volta

je (m

V)

-20

0

Periodo refractario absoluto: 200ms

Periodo refractario relativo: 50ms


Automatismo del corazón

El ciclo o revolución cardíaca corresponde al conjunto de movimientos que efectúa

el corazón en cada latido.

El ciclo o revolución cardíaca fundamentalmente comprende tres fases:

La sístole auricular o presístole.

La sístole ventricular.

La diástole ventricular.

Inicio


Ley del todo o nada

La ley del todo o nada es el principio por el que el músculo cardíaco cuando se halla

bajo cualquier estímulo por encima del umbral, responderá con una contracción de

potencia máxima, o bien no se contraerá en absoluto.

La ley del todo o nada hace referencia a unidades motoras individuales y no a

músculos enteros. La adición de unidades motoras durante una contracción muscular

hará que la fuerza que produce un músculo sea cada vez mayor.


Electrocardiografía

La electrocardiografía es un método para registrar la actividad eléctrica generada por

el músculo cardíaco.

La actividad eléctrica se produce por la capacidad de las células de generar

potenciales de acción por sí mismas con cierta periodicidad.

El corazón es un órgano relativamente autónomo, funcionando sin intervención del

sistema nervioso, aunque éste si puede llegar a regular el ritmo de latido.

5mm

+1 R

Q S

Onda TOnda P

Intervalo PR Intervalo QT

Mili

volti

os (m

V)

Segmento PR

Segmento ST

Complejo QRS


Electromiografía

La electromiografía es el registro de la actividad

eléctrica del músculo, y se realiza mediante la

inserción de un electrodo con forma de aguja en el

mismo, con el fin de registrar su actividad eléctrica.

El electromiograma no se lleva a cabo de una

forma estándar; se diseña en cada caso en función

de la historia clínica y la exploración neurológica.

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Health & Medicine

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