Pot Memb y Pot Ac

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EL POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO EL POTENCIAL DE ACCION

NEUROSCIENCE THIRD EDITION

Las clulas nerviosas generan seales elctricas para transmiAr informacin. Aunque las neuronas no son buenos conductores de la electricidad han desarrollado elaborados mecanismos para generar estas seales Las neuronas presentan un potencial de membrana, negaAvo en el interior ( al igual que todas las clulas, incluidas los glbulos rojos) que puede ser medido registrando el voltaje entre el interior y el exterior de la clula. A este potencial de membrana lo llamamos potencial de reposo

El potencial de accin es un cambio transitorio en el potencial elctrico de la membrana. Los potenciales de accin se propagan a lo largo de sus axones y consAtuyen la seal fundamental que lleva informacin de un lugar a otro en el sistema nervioso

Estas seales elctricas surgen de los ujos de iones a travs de las membranas de las clulas nerviosas, que son selecAvamente permeables a diferentes iones y tambin debido a la distribucin no uniforme de estos iones a ambos lados de la membrana

Mximo

Vm

Despolarizacin

Repolarizacin

Reposo

Hiperpolarizacin

Reposo

POTENCIALES ELECTRICOS A TRAVES DE LAS MEMBRANAS DE LAS CELULAS NERVIOSAS

Las neuronas ocupan el potencial de accin para codificar y transferir informacin. Estas seales se pueden observar mediante un microelectrodo inserto en el espacio intracelular de la clula

Tpicamente un microelectrodo es un tubo de vidrio estirado que termina en una punta de un dimetro interno de 1 m, o menos y lleno de una solucin concentrada de sal, el microelectrodo se conecta a un voltmetro y se registra el voltaje transmembrana de la clula nerviosa

0 -90 mV

+ Interno

Externo

-

Vm=Vi-Ve=-90 mV -90

0

mV

+ Interno

Externo

-

A) El contacto activa un corpsculo de Paccini en la piel y genera un potencial de accin

B) Activacin de un contacto sinptico sobre una neurona piramidal genera un potencial de accin

C) Estimulacin espinal refleja produce un potencial de accin en una motoneurona

Una manera de producir un potencial de accin experimentalmente es pasar corriente a travs de la membrana de la neurona mediante un microelectrodo de esAmulacin inserto en la neurona y recoger la seal con un microelectrodo de registro

Si la corriente entregada hace el potencial ms negaAvo (hiperpolarizacin) no pasa nada, el potencial de reposo cambia proporcionalmente a la magnitud de la corriente. Esta respuesta no requiere ninguna propiedad especial de la neurona y se llama respuesta pasiva

Por el contrario, si se aplica una corriente de signo contario que lleva a una despolarizacin de la membrana y alcanza un cierto nivel que llamamos umbral se dispara un potencial de accin que obedece a una respuesta acAva generada por la neurona, dura alrededor de 1 ms

Si la intensidad o duracin del es[mulo aumenta pueden ocurrir mlAples potenciales de accin

El potencial de accin es un cambio rpido en el potencial de membrana seguido de un retorno al potencial de reposo de la membrana. Un potencial de accin se propaga con la misma forma y tamao a lo largo del axn de una clula nerviosa El potencial de accin permite a las clulas nerviosas transmitir informacin, y a clulas musculares contraerse Los canales dependientes de voltaje son los responsables del potencial de accin

DE QUE MODO LOS MOVIMIENTOS DE LOS IONES PRODUCEN SEALES ELECTRICAS

Primero, porque existen diferencias en las concentraciones de iones especcos a travs de las membranas y, Segundo, porque las membranas son selecAvamente permeables a algunos de estos iones

Esto depende de la presencia de dos Apos de protenas presentes en las membranas: Transportadores acAvos Canales inicos

Para entender el papel de las gradientes inicas y la permeabilidad selecAva en la generacin de un potencial de membrana, consideremos un sistema simple en el cual una membrana arAcial separa dos comparAmientos que conAenen soluciones de iones

La membrana es solo permeable al K+ y no al Cl-

K+

Cl-

Si la concentracin de K+ es igual a ambos lados de la membrana no se registrar una diferencia de potencial elctrico debido a que no hay un flujo neto de K+

Pero si la concentracin de K+ es 10 veces mayor en el lado 1

En el equilibrio, el compartimiento 1 ser negativo respecto del compartimiento 2

Esta diferencia en el potencial elctrico se genera porque los iones K+ fluyen debido a su gradiente de concentracin y se llevan su carga positiva En este caso, se establecer rpidamente un equilibrio Por que? Porque cada ion K+ que abandona el lado 1 deja un ion Cl- que no puede pasar lo que impide que ms iones fluyan al compartimiento 2

El movimiento neto de K+ cesar en un punto en el cual el potencial elctrico generado a travs de la membrana se oponga a la gradiente de concentracin de K+

El numero de iones K+ que uye del comparAmiento 1 al 2 es muy pequeo (10-12 moles de K+ por cm2 de membrana) De este hecho se deprende que las concentraciones de los iones permeantes no cambia signicaAvamente

Pensemos ahora en una gla que en su citoplasma hay protenas, fosfatos orgnicos, cidos nucleicos, que no pueden atravesar la membrana plasmAca. La mayora de estos iones no permeantes estn cargados negaAvamente al pH siolgico. Adems Aene en su interior una alta concentracin de K+ y de aniones cargados negaAvamente, mientras que en el exterior hay una elevada concentracin de Na+ y Cl-. Las clulas gliales son permeables al in K+ porque slo Aenen canales de K+ no dependientes de potencial que estn siempre abiertos. Si estos canales estn abiertos, el K+ tender a salir a favor de su gradiente qumico, lo cual ocasiona un acumulo de cargas posiAvas en el espacio extracelular deja atrs las cargas negaAvas de los aniones. Cuanto ms K+ uya al exterior, ms posiAvo se har el exterior y ms negaAvo el interior, hasta que la fuerza elctrica sea igual a la fuerza debido al gradiente de concentracin. El potencial elctrico que equipara a la fuerza qumica de senAdo opuesto es el potencial de equilibrio del K+. VK = RT / zF ln K+e / K+i Si a una gla se le mide el potencial elctrico de la membrana, ese potencial ser el mismo potencial calculado por la ecuacin de Nernst

Citoplasma

Extracelular

K+ AK+ K+ AAAK+ K+Na+ ClCl-

-

+ + + +

ClNa+

Na+

Si se mide el potencial de reposo con microelectrodos, este potencial ser el mismo que el calculado por la Na ecuacin de Nernst +

Cl-

LAS FUERZAS QUE GENERAN EL POTENCIAL DE MEMBRANA

El potencial elctrico que se genera a travs de la membrana, en el equilibrio, es el potencial de equilibrio del ion permeante, predicho por la ecuacin de Nernst

[K+]2 RT VK= zF ln + [K ]1

Canales puricados de K+ o un ionforo para K+

El comparAmiento interno har negaAvo respecto del externo Eventualmente, la diferencia de voltaje a travs de la membrana se har tan negaAva que no habr ms movimiento neto de K + hacia el lado izquierdo. En este momento el sistema est en equilibrio y el voltaje a travs de la membrana es -92.4 mV, el lado derecho negaAvo.

Con el propsito de reforzar el concepto del potencial de equilibrio veamos algunos experimentos adicionales en el modelo experimental que revisamos respecto de la inuencia inica y permeabilidad

Qu potencial elctrico a travs de la membrana se generara si el KCl del lado 2 se reemplazara por 10 mM NaCl y el KCl en el comparAmiento 1 se reemplazara por 1 mM NaCl? CERO Por qu? Porque denimos la membrana permeable solamente para K+ 1 mM NaCl

0

10 mM NaCl

+58 mM

Sin embargo, si bajo estas condiciones inicas, 10 veces ms Na + en el comparAmiento 2, la membrana cambiara mgicamente a ser completamente permeable al Na +, el vol[metro leera +58 mV 1 mM NaCl 10 mM NaCl

El balance de las fuerzas qumicas EN EL EQUILIBRIO

Y fuerzas elctricas

Signica

El potencial elctrico a travs de la membrana Del mismo modo que las gradientes inicas

Determina

Flujos inicos a travs de la membrana El potencial elctrico a travs de la membrana de la membrana

Determina

Veamos como el potencial elctrico modica las gradientes inicas

Batera apagada

Batera apagada

Batera prendida (-116 mV)

Para evaluar la inuencia del potencial elctrico en los ujos inicos, imaginemos que conectamos una batera en los dos lados de la membrana para controlar el potencial elctrico a travs de ella. Mientras la batera est apagada, las cosas estarn como vimos anteriormente y como muestra la gura

Batera apagada

Batera apagada

Batera prendida (-116 mV)

Si el comparAmiento 1 se hace ms negaAvo (-116 mV), el K+ entonces uir desde el comparAmiento 2 hacia el 1 debido a que los iones K+ sern atrados por el potencial ms negaAvo del comparAmiento 1

EQUILIBRIO ELECTROQUIMICO EN UN AMBIENTE CON MS DE UN ION PERMEABLE

VNa

VK

Una situacin en la que Na+ y K+ estn distribuidos desigualmente a travs de la membrana

VNa

VK

Si la membrana fuera permeable slo al K+, el potencial de membrana sera -58 mV

VNa

VK

Si la membrana fuera permeable slo al Na+, el potencial de membrana sera +58 mV

VNa

VK

Cul sera el potencial de membrana si la membrana fuera permeable tanto para el K+ como para el Na+?

VNa

VK

En este caso el potencial de membrana depender de la permeabilidad relaAva de la membrana al K+ y el Na+

VNa

VK

Si la membrana es ms permeable al K+ el potencial de membrana se acercar al potencial de equilibrio del K+ Si la membrana es ms permeable al Na+ el potencial de membrana se acercar al potencial de equilibrio del Na+

VNa

VK

No nos sirve la ecuacin de Nernst para predecir el potencial de membrana porque solo se aplica para un ion permeante (David Goldman, 1943)

En la mayora de los tipos de clulas, los iones no se encuentran en su potencial de equilibrio entre el citoplasma y el espacio extracelular.

VNa

VCl

(potencial de membrana en reposo)

VK

En la figura arriba vemos las concentraciones de Na+, K+, y Cl- en el fluido extracelular y en el citosol de una clula muscular esqueltica humana.

0 mV -90 mV 90 mV

VNa

VCl

(potencial de membrana en reposo)

VK

El potencial de reposo de una clula muscular esqueltica es aproximadamente -90 mV.

0 mV -90 mV 90 mV

VNa

VCl

(potencial de membrana en reposo)

VK

El Cl- se encuentra en equilibrio a ese potencial de reposo. Si se calcula el potencial de equilibrio para el Cl- (VECl) se obtiene un potencial elctrico muy cercano al potencial de reposo de la clula, medido con electrodo.

0 mV -90 mV 90 mV

VNa

VCl

(potencial de membrana en reposo)

VK

El K+ tiene una fuerza de concentracin que tiende a hacerlo salir de la clula. La fuerza elctrica sobre el K+ es opuesta a la fuerza de concentracin. Si el valor de Vi-Ve (Vm) fuera -100 mV, el valor del VEK, estara exactamente en equilibrio.

0 mV -90 mV 90 mV

VNa

VCl

(potencial de membrana en reposo)

VK

Como el Vm es de -90 mV, la fuerza de concentracin del K+ es mayor que la fuerza elctrica, el K+ tiene una tendencia neta a salir de la clula.

0 mV -90 mV 90 mV

VNa

VCl

(potencial de membrana en reposo)

VK

Tanto la fuerza elctrica como la fuerza de concentracin sobre el Na+ tienden a provocar su entrada a la clula.

0 mV -90 mV 90 mV

VNa

VCl

(potencial de membrana en reposo) (potencial de membrana en reposo)

VK

El Na+ es el ion ms alejado del potencial de reposo.

0 mV -90 mV 90 mV

VNa

VCl

(potencial de membrana en reposo)

VK

Cuanto mayor sea la diferencia entre el potencial de membrana medido y el potencial de equilibrio para un ion, mayor ser la fuerza neta que tienda a provocar que el ion se desplace. Esa fuerza neta la llamamos fuerza electromotriz

0 mV -90 mV 90 mV

VNa

VCl

(potencial de membrana en reposo)

VK

FEM = Vm - VE

0 mV -90 mV 90 mV

VNa

VCl

(potencial de membrana en reposo)

VK

Por ejemplo, calculemos cuanto est alejado del equilibrio el ion Na+ y cual es su fem para que se mueva

FEM = Vm - VE = -90 mV-(+65 mV) = -155 mV

BASES IONICAS DEL POTENCIAL DE REPOSO

La mayor parte del conocimiento de cmo las gradientes inicas y cambios en la permeabilidad de la membrana produce seales elctricas provino de los clsicos trabajos realizados en el axn del calamar

Las neurona gigantes nacen en el ganglio stellato y son responsables de la actividad del msculo del manto del calamar.Richard H Foster Physiology & Biophisics

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El axn gigante, tiene un dimetro interno de hasta 1 mm, comparado con el dimetro interno de una neurona de mamfero de 0,002 mm. Esta preparacin todava se usa en muchos laboratorios en el mundo.

Conociendo las gradientes de concentracin de los disAntos iones se puede usar la ecuacin de Nernst y calcular el potencial de equilibrio para cualquiera de ellos Ya que el potencial de reposo de la neurona del calamar-medido-es de aproximadamente -65 mV, el K+ es el ion que se encuentra ms prximo a su potencial de equilibrio, cuando la clula se encuentra en reposo Lo que signica que la membrana en reposo es ms permeable al K+ que a cualquiera de los otros iones mencionados

Alan Hodgkin y Bernard Katz (1949) demostraron experimentalmente como cambia el potencial de membrana en reposo a medida que se altera la concentracin de K+ fuera de la neurona

BASES IONICAS DEL POTENCIAL DE ACCION

Por qu el potencial de membrana de una neurona se despolariza durante un potencial de accin?

Aunque esta pregunta se puede contestar rpidamente leyendo cualquier texto de siologa (permeabilidad aumentada para Na+), bien vale la pena revisar algo de la evidencia experimental que soporta este concepto

COMPOSICION IONICA, POTENCIALES DE EQUILIBRIO Y POTENCIAL DE MEMBRANA ION CONCENTRACION INTRACELULAR (mM) CONCENTRACION EXTRACELULAR (mM) VION

K+

400

20

- 75 mV

Na+

50

460

+ 56 mV

Vm

- 70 mV Dos preguntas: Cmo interaccionan estos gradientes inicos para determinar el potencial en reposo? Cmo se mantienen estos gradientes?

Extracelular VK = -75 mV Vm = -75 mV Vm = -70 mVmuchos

Vpocos

K+

Na++ + + + + + + + + - Na+

+ + + + + + -

K+- -

-

-

-

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Debido a que no existe el trmino permeabilidad en la ecuacin de Nernst, se necesita otra expresin para calcular el potencial de membrana en reposo

Extracelular

EL FLUJO PASIVO DE Na+ Y K+ SE CONTRARESTA POR LA ACTIVIDAD DE LA BOMBA DE Na+ Y K+

COMPOSICION IONICA, POTENCIALES DE EQUILIBRIO Y POTENCIAL DE MEMBRANA ION CONCENTRACION INTRACELULAR (mM) CONCENTRACION EXTRACELULAR (mM) VION

K+

400

20

- 75 mV

Na+

50

460

+ 56 mV

Vm

- 70 mV

Mirando los datos de la tabla, uno puede usar la ecuacin de Nernst y calcular el potencial de equilibrio para el Na+ (+56 mV)

COMPOSICION IONICA, POTENCIALES DE EQUILIBRIO Y POTENCIAL DE MEMBRANA ION CONCENTRACION INTRACELULAR (mM) CONCENTRACION EXTRACELULAR (mM) VION

K+

400

20

- 75 mV

Na+

50

460

+ 56 mV

Vm

- 70 mV

Por lo tanto, si la membrana se hiciera altamente permeable al Na+, el potencial de membrana medido debera acercarse al potencial de equilibrio del Na+

Hodgkin y Katz generaron la hiptesis que el potencial de accin surge porque la membrana de la neurona se hace temporalmente permeable al Na+

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Estos invesAgadores demostraron el papel del Na+ en la generacin del potencial de accin preguntando: qu sucede con el potencial de accin si se saca el Na+ del medio externo durante un potencial de accin?.

Si se disminuye la concentracin de externa de Na+, se reduce tanto la velocidad de despolarizacin como el mximo en la amplitud.

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En contraste, la disminucin de la concentracin externa de Na+ no afect mayormente el potencial de reposo de la membrana.

EN RESUMEN

Un potencial de reposo negativo es el resultado de un flujo neto de K+ a travs de la membrana neuronal que es predominantemente permeable al K+

En contraste, un potencial de accin se genera cuando hay un aumento transiente en la permeabilidad para Na+ y permite un flujo de entrada que despolariza la membrana

El breve aumento en la permeabilidad para Na+ es seguido por un aumento transiente en la permeabilidad para K+ que repolariza la membrana y produce una breve hiperpolarizacin

En consecuencia, la membrana se despolariza al estilo todo o nada

Cuando estos cambios activos de la permeabilidad ceden, el potencial de membrana vuelve a su nivel de reposo debido a la alta permeabilidad de la membrana al K+

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Mientras la membrana de la neurona es apenas permeable al Na+, la membrana se hace extraordinariamente permeable al Na+ durante la fase de ascenso del potencial de membrana.

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Este aumento temporal de permeabilidad para el Na+ es el resultado de la apertura de canales selectivos para Na+ que se encuentran cerrados en el reposo. Cuando los canales se abren, el Na+ entra rpidamente y despolariza la membrana y el Vm se aproxima al VENa. El tiempo en que el potencial bordea el VENa (58 mV) es corto, debido a que por una parte, el aumento de permeabilidad para Na+ dura poco, y por otra. hay una aumento en la permeabilidad para K+.

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DOS TIPOS DE CONDUCTANCIAS

Qu es conductancia?

MODELO ELECTRICO DE LA MEMBRANA

El potencial de equilibrio de un ion parAcular lo podemos considerar como una FEM para ese ion. Cada una de estas bateras produce su propia corriente inica a travs de la membrana y la suma de estas corrientes inicas individuales corresponde a la corriente total

Itotal = IK + INa + ICl + ICa

VK

VNa

VCa

VCl

De acuerdo a la ley de Ohm la FEM o voltaje y la corriente I se relacionan por la resistencia R, o por su recproco que llamamos conductancia G.

V = I R

1 R = G

I V = G

I = VG

VK

VNa

VCa

VCl

GK + GNa + GCa + GCl = Gm VK VNa VCa VCl

Un elemento que nos falta en el circuito de la membrana es el condensador

Q C = V

Las corrientes de Na+, K+, Ca2+, Cl- cruzan la membrana a travs de rutas disAntas a nivel molecular, estas rutas son canales especcos

EXTRACELULAR

+VmK+

iNa

GNa 0,5 x 10-6 S

iK

GK 10 x 10-6 S

VNa = + 55 mV

+VK = - 75 mV

iNa + iK = 0 iNa = GNa(Vm - VNa ) iK = GK (Vm - VK )

+

-

INTRACELULAR

Vm =

GNa x VNa + GK x VK GNa + GK

GNa(Vm - VNa ) + GK (Vm - VK ) = 0Vm =

0,5 x 10-6 S x (+ 0,055 V) + 10 x 10-6 S x (- 0,075 V) 0,5 x 10-6 S + 10 x 10-6 S

= - 0,069 V

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Al inicio, el aumento en la conductancia para el Na+ (Gna) hace que el Na+ fluya al interior del axn, despolarizando el potencial de membrana el cual se aproxima al potencial de equilibrio del Na+

Despus la velocidad de despolarizacin disminuye por inactivacin de los canales de Na+. Al mismo tiempo los canales de K+ dependientes de potencial comienzan a abrirse lo que resulta en la salida de K+ al exterior y repolariza la membrana hacia el potencial de reposo.

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Poco despus la conductancia del K permanece alta por un perodo breve que da cuenta de la hiperpolarizacin de la membrana

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En el estado de reposo, un segmento de la protena, en el lado citoslico impide el paso de Na+. Una pequea despolarizacin produce un movimiento de la protena hacia la superficie lo que produce un cambio conformacional en la compuerta que abre el canal y permite el paso de Na+

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Despus de alrededor de 1 mseg, la entrada de Na+ est impedida por el movimiento del segmento inacAvador del canal

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Mientras la membrana permanezca despolarizada, el segmento inacAvador del canal permanece en el canal abierto. El canal esta inacAvado y no puede reabrirse.

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Unos pocos mseg despus que se ha restablecido el interior negaAvo, el segmento inacAvador sale del poro y el canal vuelve a la condicin de cerrado, y puede nuevamente abrirse por una despolarizacin de la membrana.

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PROPAGACION DEL POTENCIAL DE ACCIN

sobre disparo (inversin de la polaridad)

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umbral

respuesta subumbral

pospotencial de hiperpolarizacin

registro es[mulo

El cambio en el potencial de membrana que ocurre durante un potencial de accin se mide registrando el Vm con un microelectrodo

sobre disparo (inversin de la polaridad)

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umbral

respuesta subumbral

pospotencial de hiperpolarizacin

Si se aplican pulsos de corriente despolarizante cada vez mayores se observa primero la respuesta pasiva y luego, cuando el pulso despolarizante alcanza una zona umbral se produce el, potencial de accin. Es decir es todo o nada:

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La respuesta pasiva del cambio de Vm obedece simplemente a la ley de Ohm

Si el pulso de corriente no es lo suficiente para generar un potencial de accin, la magnitud del cambio en el potencia decae exponencialmente con la distancia desde el sitio de estmulo. Tpicamente el potencial decae a una fraccin pequea del valor inicial a una distancia no mayor de unos pocos mm desde el punto de inyeccin.

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El progresivo decaimiento en la amplitud del potencial se debe a que la corriente inyectada se gotea hacia fuera y menos corriente hay disponible a lo largo del axn.No son electrones

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A tiempo cero, un potencial de accin (en rojo) se encuentra en la posicin 2-mm en el axn. Los canales de Na, en esta posicin estn abiertos y los iones Na estn entrando. El exceso de iones Na difunde en ambas direcciones, a lo largo del interior de la membrana, extendiendo pasivamente la despolarizacin. Debido a que los canales de Na a 1 mm estn inactivados, no pueden reabrirse por la despolarizacin pasiva causada por el Na. Por lo tanto, la despolarizacin en la posicin 2-mm a tiempo 0 gatilla potenciales de accin slo ro abajo. Al tiempo 1ms un potencial de accin est pasando por la posicin 3-mm position, y a 2 ms, un potencial de accin est pasando por la posicin 4-mm.

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