8/17/2019 12. Potenciales Bioeléctricos
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Potenciales
bioeléctricos,
canales iónicos y el
potencial de accion
Dr. Gonzalo Yévenes C.
Departamento de Fisiología
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¿Como se transmiten los
impulsos nerviosos?
La neurona: unidad funcional del SNC
• Célula excitable: permite TRANSMITIR e INTEGRAR los
impulsos nerviosos
¿Porqué la neurona es excitable?
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¿Cómo funciona el flujo de información?
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1. Gradientes de concentración iónicos
La distribución
iónica
es asimétrica
La distribución de los iones a través de la membrana es
mantenida por t ranspo rte act ivo de iones mediante bombas
La distribución asimétrica crea un gradiente de con centración
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El gradiente de concentración y la separación de
cargas originan los potenciales bioeléctricos
1- Potencial de reposo
2- Potenciales locales
3- Potenciales propagados o de acción
• Potencial de la membrana en reposo
• Electrotónicos• Sinápticos
• Generadores o de receptores*
• Impulso nervioso
• Potenciales de acción de células musculares
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El potencial de membrana en reposo es negativo
Vm=Vi-Vo
-70 mV
Existe un pequeño
exceso de cargasnegativas al interior
de la membrana
En neuronas, el potencial de membrana puede cambiar
drásticamente (-90mV a +30mV) en tiempos muy cortos (ms)
Las neuronas se comunican a través de cambios transitorios
rápidos en el potencial de membrana: po tencial de acción
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Potencial de membrana en reposo
Vm=Vi-Vo
≈ -70 mV
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El gradiente de concentración y el potencial de
membrana determinan los flujos iónicos
El flujo iónico se determina por 2 fuerzas:
1. Gradiente de concentración2. Gradiente eléctrico (dado por el Vm)
El voltaje al cual las 2 fuerzas están en
equilibrio es el
Potenc ial de equil ib r io para el ion (E ion )
1. Concentración 2. Potencial de membrana
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El gradiente de concentración y el
potencial de membrana determinan los
flujos iónicos
Gradiente electroquímico
Gradiente químico Gradiente eléctrico
Cuando el Vm = Eion el flujo neto es CERO
La Eion esta determinada por la ecuación de Nernst
Eion = (RT/zF) ln([ion]e/[ion]i)
i.e., ENa+ = (58/1) log10([140]e/[7]i) = +58 mV
i.e., ECl- = (58/-1) log10([150]e/[14]i) = -58 mV
Potencial de equilibrio (Eion)
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Gradiente electroquímico
Cuando el Vm = Eion el flujo neto es CERO
Cuando el Vm ≠ Eion
Difusión pasiva del ion en dirección del
gradiente electroquímicoVm – Eion
Gradiente
electroquímico:fuerza que mueve
el ion a través del
canal iónico
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Flujos típicos de iones a través
de canales iónicos
Apertura canales de Na+→Entrada de Na+→Despolarización
Apertura canales de K+→Salida de K+→Hiperpolarización
Apertura canales de Cl-→Entrada de Cl-→Hiperpolarización
Apertura canales de Ca++
→Entrada de Ca++
→Despolarización
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Los flujos de iones a través de canales
iónicos determinan el potencial de membrana
La membrana en reposo es tónicamente permeable al K+
El potencial de reposo es similar al potencial
de equilibrio del K+
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Los flujos de iones a través de canales
iónicos determinan el potencial de membrana
La membrana en reposo es tónicamente permeable al K+
Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz
Vm en relación a la
permeabilidad
y a la concentración
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Gradiente electroquímico
Canales iónicos → permeabilidad
Base de la transmisión nerviosa
La difusión de iones a través del loscanales iónicos genera
una corriente iónica
Cambian el po tencial
de memb rana
Despolarización
Hiperpolarización
Cambian las
concentraciones
de iones en el medio
intracelular
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Canales iónicosLos canales iónicos son grandes conjuntos de proteínas
transmembrana que median el paso de iones a través
de membranas celulares. Por lo tanto, los canalesiónicos proporcionan un ambiente polar a los iones.
1. Transporte a través de canales es extremadamente
rápido . (≈ 1.000.000 iones por segundo!)
2. Los canales iónicos son al tamente s elect ivos
(Canales de K+ 99,9% selectivos vs Na +, pero son casi
iguales en tamaño! K+ es 1.33 y Na+ es 0.95A)
3. La mayoría de los canales iónicos no es tánpermanentemente abiertos.
Se abren en respuesta a estímulos específicos..
4. Los iones fluyan a favor de un gradiente
electroquímico (no se necesita energía!)
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General featu res 6:
How we can s tudy ion channels?
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Voltage clamp: how is it work?
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Patch clamp: typical lab setup
1. Amplifier (A)
2. Personal computer (PC)
3. Analog-to-digital converter
interface (C)
4. Motorized dual pipette
manipulators (PM)
5. Microscope (M)
6. Perfusion systems (P)
7. Vibration isolation
table (VT)
8. Faraday Cage (FC)
9. Electrical rack (R)
10. Puller (PU)
11. Patch pipettes (PP)
12. Cells
PU
PP
P
P
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Tipos de canales iónicosSe pueden clasificar
de acuerdo a:
Proceso de apertura
(los estímulos que
abren el canal)
Ion permeable principal
del canal
• Voltage-gated : Na+, K+, Ca2+, Cl-
• Extracel lular l igand -gated : Glutamate, nAchR, GABA A, Glycine, ATP
• Intracel lular l igand-gated : Ryanodine, IP3, Ca2+ activated K+,
• G protein -gated : Inward rectifier K+ (GIRKs)
• Ligh t-gated ion ch annels : Channel rhodopsin
• Mechanosensi t ive : ASICs, DEG/ENaC, TREK, MEDEG
• Temperature-gated : TRPV1 (> 43°C), TRPM8 (< 28°C).
•
Cycl ic-nu cleot ide g ated : cAMP-gated (olfactory), cGMP-gated (vision)
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Tipos de canales iónicosSe pueden clasificar
de acuerdo a:
Proceso de apertura
(los estímulos que
abren el canal)
Ion permeable principal
del canal
Ac tivados po r vo lt aje :
• Na+
• K+
• Ca2+
• Cl-
Ac tivados po r l igando :
• Glutamato,
• Acetilcolina
• GABA A
• Glicina
•
ATP
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Tipos de canales iónicos vs función
(a)
Potencial
de
reposo
( -70 mV)
(b)
Potencial
deaccion
( -70 a +30
mV)
(c)
Neuro
transmisión(activados
por
NTs)
(d)
Sistemas
Sensoriales
(visual,
olfatorio,)
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Canales ionicos activados por voltaje
VGIC son canales iónicos que son activados mediante cambios
en el potencial de membrana. Dependiendo del tipo y
permeabilidad del canal se producirá una respuesta excitatoria
o inhibitoria en la célula.
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LGICs son los mediadores de la comunicación en la sinapsis
química. Mensajeros químicos difusibles (NTs) producirán una
respuesta excitatoria o inhibitoria en la célula dependiendo del
tipo y permeabilidad del canal iónico .
Canales ionicos activados por ligando
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Clasificacion estructural de los LGIC
Cys- loop• Nicotinic Acetylcholine
• GABA A• Glycine
• 5-HT3
Ionot rop ico Glu tamato • NMDA
• AMPA
• Kainate
Purinergic • P2X
21
3
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Clasificacion de los LGIC
Cys- loop
• GABA A• Glycine
Ionot rop ico Glu tamato
• NMDA
• AMPA
• Kainate
Purinergicos
• P2X
21
Clasificacion funcional de los LGIC
Cys- loop
• Nicotinic Acetylcholine
• 5-HT3
EXCITATORIOS INHIBITORIOSDEPOLARIZACION
VmDEPOLARIZACION
Vm
Na+
Ca2+Cl-ININ
L id d f i l d l SNC
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¿Como se transmiten los
impulsos nerviosos?
La neurona: unidad funcional del SNC
• Célula excitable: permite TRANSMITIR e INTEGRAR los
impulsos nerviosos
¿Porqué la neurona es excitable?
Fl j tí i d i t é
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Flujos típicos de iones a través
de canales iónicos
Apertura canales de Na+→Entrada de Na+→Despolarización
Apertura canales de K+→Salida de K+→Hiperpolarización
Potenc iales locales y po tencial de acc ión
Potenciales locales y potencial de acción
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Potenciales locales y potencial de acción
en una neurona típica
Potenciales locales y potencial de acción
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Potenciales locales y potencial de acción
en una neurona típica
Potenciales locales y potencial de acción
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Potenciales locales y potencial de acción
en una neurona típica
NO hay propagación
de la depolarizacion
Potencial LOCAL
Potenciales locales y potencial de acción
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Potenciales locales y potencial de acción
en una neurona típica
Potenciales locales y potencial de acción
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Potenciales locales y potencial de acción
en una neurona típica
Potenciales locales y potencial de acción
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Potenciales locales y potencial de acción
en una neurona típica
HAY propagación
de la depolarizacion
Potencial
PROPAGADO
PotencialDE
ACCION
Potenciales locales y potencial de acción
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Potenciales locales y potencial de acción
en una neurona típica
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El potencial de acción (P.A.)
Es una cambio rápido ytransitorio en el potencial
de membrana de la
neurona que sigue una
dirección de propagaciónúnica
Las células que inician
P.A. son
denominadas
células
excitables
El potencial de acción (P A )
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El potencial de acción (P.A.)
Durante el potencial de
accion, la permeabilidad
de la membrana neuronal
al Na+ y al K+
cambia rápidamente debido
a la apertura y cierre de
canales ionicos
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Movimientos iónicos en el potencial de acción
C l ió i l t i l d ió
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Canales iónicos en el potencial de acción
Canales de sodio
voltaje-activados Canales de potasio
voltaje-activados
Tetrodotoxina (TTX)
Lidocaína
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L d l t d d l l b l
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Ley del todo o nada: alcanzar el umbral
Potenciales electrotónicos
Cambios en el potencial de membrana queno producen potenciales de acción
Potencial umbral
Potencial de membrana en el cual sedesencadena un potencial de acción
Periodo refractarioTiempo durante el cual la neurona no
producirá un potencial de acción
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Lights, Camera, Action Potentials!
http://www.youtube.com/watch?v=XdCrZm_JAp0
P ió d l t i l d ió
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Propagación de los potenciales de acción
La propagación es unidireccional: inactivación de los canales de Na+
Conducción saltatoria: nódulos de Ranvier
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Conducción saltatoria: nódulos de Ranvier
• Aísla eléctricamente segmentos del axón →
agrupaciones de canales de Na+ y K +
• Propagación rápida de potenciales de acción
Mielina
Estructura del axón mielinizado
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Estructura del axón mielinizado
• La mielina es un espiral continuo de membrana glial
• Se compone de lípidos (70%) y proteínas (30%)
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Respuesta refleja y velocidad de conducción
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Respuesta refleja y velocidad de conducción
• Neurona sensorial nociceptiva tipo C: ≈ 1 m/s; sin mielina
• Neurona motora tipo A : ≈ 100 m/s; mielinizada
Enfermedades desmielinizantes
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Enfermedades desmielinizantes
• La conducción nerviosa normal depende del
aislamiento proporcionado por la mielina• Defectos en la mielina tiene consecuencias
neurológicas importantes → Esclerosis múltiple
• Enfermedadautoinmune
• Mujeres : hombres; 2:1
• Mas de 3 millones de
personas• Se desarrolla por
factores ambientales y
genéticos
• Diagnostico muy difícil
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SINAPSIS QUIMICA POTENCIAL DE ACCION
+
=
¿Secuencia de
Eventos
para el flujo de laInformacion
entre
neuronas ?
¿Secuencia de
eventos que hace
que la informacionfluya entre
neuronas ?
Eventos CLAVE en la sinapsis entre neuronas
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Eventos CLAVE en la sinapsis entre neuronas
Estado en reposo
Receptores excitatorios activados por ligando
(NMDA-AMPA-P2X-nAchR-5-HT3)
Canales de calcio
activados
por voltaje (VGCC)
Canales de sodio
activadospor voltaje (VGSC)
Canales
de potasio
glutamato
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El potencial de acción llega a través del axón
Receptores excitatorios activados por ligando
(NMDA-AMPA-P2X-nAchR-5-HT3)
Canales de sodio
activados
por voltaje (VGSC)
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Se genera apertura de canales de sodio
Receptores excitatorios activados por ligando
(NMDA-AMPA-P2X-nAchR-5-HT3)
Canales de sodio
activados
por voltaje (VGSC)
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DEPOLARIZACION del terminal presináptico
Canales de sodio
activados
por voltaje (VGSC)
DEPOLARIZACIÓN
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Canales de calcio
activados
por voltaje (VGCC)
Apertura de canales de CALCIO presinápticos
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Aumento de la concentración de CALCIO
a nivel presináptico
Canales de calcio
activados
por voltaje (VGCC)
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El alza de CALCIO estimula la fusión y
LIBERACION de vesículas sinápticas
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El neurotransmisor glutamato activa
receptores postsinápticos
Receptores excitatorios activados por ligando(NMDA-AMPA-P2X-nAchR-5-HT3)
glutamato
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Los receptores postsinápticos glutamatérgicos
promueven la entrada de Na+ y Ca++
glutamato
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La entrada de Na+ y Ca++ genera una
DEPOLARIZACION del terminal postsináptico
DEPOLARIZACIÓN
glutamato
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La DEPOLARIZACION promueve la activación
de canales de sodio: POTENCIAL DE ACCION
DEPOLARIZACIÓN
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En una sinapsis inhibitoria se liberan
neurotransmisores de igual manera, pero..
GABA/glicina
Receptores inhibitorios activados por ligando
(GABA A-Glicina)
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GABA/glicina
Los receptores postsinápticos inhibitorios
promueven la entrada de Cl-
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HIPERPOLARIZACIÓN
GABA/Glicina
La entrada de Cl- genera una
HIPERPOLARIZACION del terminal postsináptico
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HIPERPOLARIZACIÓN
GABA/Glicina
(-) (-)
La HIPERPOLARIZACION desfavorece la
iniciación de un nuevo POTENCIAL DE ACCION
SINAPSIS QUIMICA POTENCIAL DE ACCION
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SINAPSIS QUIMICA POTENCIAL DE ACCION
+
=
¿Integración de la
Informacion
entremiles de
neuronas ?
I t ió d l
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¿Integración de la
Informacion
entremiles de
neuronas ?
1. Convergencia y divergencia
2. Sumacion temporal y espacial
3. Plasticidad neuronal
1. Convergencia y divergencia
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1. Convergencia y divergencia
1 Convergencia y divergencia en la
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1. Convergencia y divergencia en la
formación de circuitos neuronales
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2. Sumacion temporal y espacial
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p y p
de potenciales locales
Ejemplo 1
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Una neurona que recibe
entradas de sinapsis
excitatorias débiles
Las señales excitatorias
se suman
Un potencial de acción es
generado
Ejemplo 2
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Una neurona que recibe
entradas de sinapsisexcitatorias e inhibitorias
Las señales excitatorias
se suman
La señal inhibitoria
disminuye la depolarizacion
El potencial de acción
NO es generado
Ejemplo 2
Las ne ronas reciben e
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Las neuronas reciben e
integran múltiples
señales procedentes
de distintas neuronas
3. Plasticidad neuronal
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Es un termino que agrupatodo aquellos cambios en
las sinapsis y en las redes
neuronales debidos a
diversos factores, talescomo ambientales,
aprendizaje, pensamiento,
comportamiento,
emocionales y patológicos.
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Los procesos deplasticidad neuronal
explican y exploran
como el cerebro y elsistema nervioso
cambia a través de la
vida
Los procesos de plasticidad neuronal
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comienzan a nivel celular y molecular
Potenciación de largo plazo (LTP)
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• LTP es un aumento persistente en la fuerza sináptica que sucede después de
una estimulación persistente (alta frecuencia) de una sinapsis• Fue descrita por primera vez en hipocampo de conejo por Lømo and Bliss en
Oslo (1966)
Long term potentiation (LTP)
NMDA-LTP
Clasificación de las fibras nerviosas
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Las fibras nerviosas se clasifican de acuerdo a:
Diámetro
Grado de mielinizacion Velocidad de conducción
Función
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