Resumen de contenidos Fisiología I Unidad I

Autores: Edgardo Pacheco M., José Miguel Sotomayor J. y Paulina Valenzuela S. (2020) Edición: José Miguel Sotomayor J. (2021)

Escuela de Salud Universidad de O´Higgins

Resumen de contenidos Fisiología I – Unidad I – Semana 3

Canales iónicos

Las proteínas de canal o canales iónicos son proteínas que forman verdaderos tubos que se disponen a través

de la membrana celular, creando de esta manera un poro o espacio, selectivo, para que las moléculas que no

pueden o les presenta mucha dificultad atravesar esta membrana lo hagan. Los iones, moléculas con carga

positiva o negativa, son beneficiarios de estos canales iónicos, pudiendo de esta manera transportarse hacia

un lado y otro de la membrana, este transporte corresponde a un transporte facilitado, ya que, no hay gasto

energético debido a que ocurre a través de la energía potencial generada por un gradiente de concentración.

La selectividad del canal esta dada por su conformación proteica, su forma, su diámetro y la naturaleza de las

cargas eléctricas y enlaces químicos que están situados a lo largo de su superficie interna.

Estos canales se pueden encontrar abiertos o cerrados por diversos mecanismos físicos que permiten el

estrechamiento o apertura del canal, así como diversos estímulos que controlan estos mecanismos físicos de

apertura o cierre.

Dentro de los mecanismos físicos se encuentran:

- Cambio de configuración en una región: Se produce un cambio de configuración localizado en una

región del canal.

- Cambio estructural general: Se produce un cambio estructural generalizado a lo largo de la longitud

del canal.

- Partícula bloqueadora: Una partícula bloqueadora oscila dentro y fuera de la boca del canal.



Dentro de los estímulos que controlan la apertura o cierre se encuentran:

- Regulado por ligando: Los canales regulados por ligando se abren cuando el ligando (molécula que es

afín con el canal) se une a una porción del canal. Existen un mecanismo en el que la molécula o el

ligando se inserta directamente en el canal, a este canal se le denomina receptor ionotrópico. Los

canales iónicos también pueden ser regulados de manera indirecta a través de ligandos que se unen a

proteínas G, activándolas, la que a su vez activa o inhibe una determinada enzima que tiene un efecto

de apertura o cierre del canal, a estas proteínas G se le conocen como metabotrópicos.

- Regulado por fosforilación: La fosforilación y desfosforilación (añadir o quitar un grupo fosfato) del

canal regula su apertura y cierre, la energía para abrir estos canales procede de la transferencia de

fosfato de alta energía (fosforilación).

- Regulado por voltaje: Las variaciones del potencial de membrana pueden abrir y cerrar algunos

canales. La energía de la regulación de apertura procede de una variación de la diferencia de potencial

a través de la membrana, que provoca un cambio de configuración actuando sobre un componente del

canal dotado de carga neta, a este componente se le conoce como sensor de voltaje.

- Regulado por distensión o presión: Los canales se pueden activar por distensión o presión. La energía

de regulación de la apertura y el cierre puede proceder de fuerzas mecánicas que se transmiten al

canal a través del citoesqueleto.



Ley de Ohm

Los canales iónicos, en el contexto de los circuitos eléctricos, los podemos asociar con resistencias cuando se

encuentran cerrados, es decir, impiden el flujo de corriente y conductores cuando se encuentran abiertos, es

decir, dispositivos que permiten el flujo de corriente. Que dice la ley de Ohm, dice que el voltaje es igual a la

intensidad de corriente multiplicado por la resistencia, es decir, Vm = I x R, si desglosamos estos conceptos nos

queda lo siguiente:

Voltaje (Vm): Conocido como tensión o diferencia de potencial, es la presión que ejerce una fuente de

energía. Su medición es en voltios.

Intensidad (A): Es el flujo de electrones que pasa por un circuito, es decir, la cantidad de electrones que pasan

por el circuito en una cantidad de tiempo. Su medición es en amperios.

Resistencia (Ω): Es la resistencia u oposición al paso de electrones o al flujo, se mide en ohmios.

Conductancia (G): Es la facilidad que ofrece un material al paso de electrones o al flujo, es inversamente

proporcional a la resistencia y se puede calcular de la siguiente manera: 1/R, a la vez que la resistencia se

puede calcular como 1/G.

Entonces si nosotros queremos evaluar la conductancia de un canal dependiente de voltaje, es decir, la

facilidad con que este canal deja pasar los iones afines a su selectividad, se puede relacionar la intensidad es

decir el flujo de iones por el canal a diferentes voltajes o diferencias de potencial, resultando la siguiente

formula:

I = Vm x G → G = I/Vm

Esta fórmula nos puede predecir la conductancia de un canal, pudiendo comportarse el canal de manera

lineal, es decir, a medida que aumenta su potencial de membrana, la intensidad, es decir, el flujo de iones que

ingresa es proporcional al aumento. Los canales lineales responden a la ley de Ohm y se les denomina

“óhmicos”. Los canales que no presentan una conductancia lineal al relacional Intensidad y variación del

potencial, se les denomina “rectificadores”, conducen electricidad más fácilmente a una dirección que la otra.

Canales “óhmicos” Canales “rectificadores”



Ecuación de Nerst

La ecuación de Nerst tiene la capacidad de predecir el potencial de membrana de un único ion. Situación

ficticia, dado que la membrana celular es permeable a más de un ion en particular. Sin embargo, permite

cuantificar teóricamente el gradiente eléctrico entre el líquido intra y extracelular.

A partir de aquí podemos definir con seguridad dos aspectos que influyen determinantemente en definir este

potencial de membrana:

1. Los gradientes de concentración de los iones a través de la membrana.

2. La permeabilidad de la membrana a estos iones.

Donde:

61 es 2,303 RT/F a 37°C; Z es la carga eléctrica del ión en

cuestión; y el cociente que es representado por las

concentraciones químicas del ion dentro y fuera de la célula.

Potencial de membrana en reposo y ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz

La ecuación de Goldman – Hodking – Katz se utiliza para calcular el potencial de membrana en reposo, en

condiciones más realistas, ya que, considera la contribución al potencial de todos los iones que pueden

atravesar la membrana. Esta ecuación incluye los valores de permeabilidad de la membrana de un ion

determinado; importante esto, pues si un ion en particular no es permeable a la membrana, éste no

contribuye al potencial de membrana en reposo.

Normalmente las células en reposo no son permeables al calcio, por lo tanto, el potasio, el sodio y el cloro son

los iones que influyen en el Vm.

Donde:

Vm es el potencial de membrana en reposo en mV

a 37°C; 61 es 2,303 RT/F a 37°C;

P es la permeabilidad de la membrana al ion

mostrado en el subíndice, y [ion]fuera y [ion]dentro representan las concentraciones iónicas fuera y dentro de la

célula.

Esta ecuación permite predecir los potenciales de membrana en reposo sobre la base de las concentraciones

químicas de los iones y la permeabilidad de la membrana dada para cada ion. Se puede también utilizar para

predecir lo que sucede con el potencial de membrana cuando cambian las concentraciones iónicas o las

permeabilidades de las membranas. Una ecuación, sin duda, muy importante en fisiología.



Axón gigante de calamar y medición del potencial de membrana

Antes de poder medir el potencial de membrana que daría mayor entendimiento de la conducción nerviosa,

ocurrieron dificultades, los instrumentos de la época a mediados del siglo XIX no eran lo suficientemente

pequeños para poder introducirse en los diminutos nervios de ranas que se usaban para los experimentos de

neurofisiología, sin embargo, los científicos Hodgkin y Huxley comenzaron a trabajar de manera más precisa

en la neurofisiología a través de un axón gigante de jibia, el que tenía la capacidad de generar la contracción

muscular del manto para impulsarse y escapar, a través del impulso eléctrico llamado potencial de acción.

Este experimento consistió en introducir un electrodo dentro del axón (Líquido intracelular (LIC)) para

compararlo con otro afuera del axón en el líquido extracelular (LEC), lo que permite obtener la diferencia de

potencial entre el LIC y el LEC del axón, dando un aproximado de -70mV en mamíferos (ojo que si uno revisa

los paper Hodgkin y Huxley median +70mV de potencial de membrana en reposo, porque ocupaban el

electrodo interno como referencia, como se podía ocupar cualquier electrodo como referencia, para evitar

confusiones, algunos años después se realizó un congreso para definir cuál sería la referencia el electrodo del

LIC o del LEC, al final llegaron al acuerdo de utilizar el del LEC y así se usa hasta el día de hoy y por eso el

potencial de membrana en reposo se mide a valores negativos).

Además les permite evaluar el potencial de acción a través de estimulación eléctrica externa, permitiendo

dilucidar un estado de despolarización disminuyendo la diferencia de potencial debido al ingreso de cargas

positivas de sodio dentro del axón, cuando es producido el impulso eléctrico, este estadio se disminuye por la

salida de cargas positivas en forma de potasio, lo que permite obtener un estadio de hiperpolarización, el que

es corregido por el cierre de los canales de potasio, lo que permite el restablecimiento del reposo, apoyado

por la acción de la bomba sodio y potasio, manteniendo la homeostasis de la membrana y el equilibrio

electroquímico entre el LEC y el LIC.

La técnica anteriormente descrita corresponde al voltaje - clamp, que no es el funcionamiento fisiológico de la

célula, pero nos permite medir corrientes a un potencial definido, es el mecanismo que se utilizaba antes del

patch - clamp. Según la ley de ohm, el voltaje es directamente proporcional a la corriente, por lo tanto, si

cambias la corriente cambia el voltaje, esta técnica permite mantener el voltaje constante (clamp es pinzas en

inglés) la traducción literal de la técnica es pinzas de voltaje, o sea que permite mantener el voltaje sin

cambios y ver las corrientes que pasan por la membrana a ese voltaje. Esto permite estudiar las diferentes

sinapsis excitatorias e inhibitorias y cuantificar su eficacia.



Hoy en día somos capaces de registrar cualquier tipo de células, con la técnica de patch - clamp. La ventaja de

esta técnica es que puedes amplificar señales eléctricas muy pequeñas, además puedes medir tanto el voltaje

como las corrientes dependiendo de su modalidad de un único canal iónico, evaluando su comportamiento

eléctrico.

Las células funcionan normalmente en current-clamp, donde controlas las corrientes para modificar el voltaje,

esta técnica nos permite realizar los registros de potenciales de acción.



Circuito equivalente

Las propiedades funcionales importantes de la neurona pueden representarse a través de un modelo de

circuito eléctrico, en el que costa de:

- Conductores o resistores: Estos en la neurona están representados por los canales iónicos, que tiene la

capacidad de permitir o evitar el paso de iones, cuando permiten el paso de iones funcionaran como

conductores y a medida que aumenta la capacidad para que estos iones pasan se habla de un aumento

de conductancia del canal para un ión determinado. Por el contrario, cuando el canal no permite el

paso de iones por el canal se habla de una resistencia al paso de iones, es decir, aumenta la resistencia

del canal o disminuye su conductancia. Estos conceptos son inversamente proporcionales, es decir, a

medida que aumenta la conductancia, disminuye la resistencia y viceversa.

- Batería: La batería o fuente energética en la neurona esta determinada por el potencial eléctrico

generado por la diferencia de concentración de iones a través de la membrana, otorgándole la

capacidad de conducir electricidad.

- Condensador o capacitor: Un condensador en electricidad es un dispositivo que es capaz de almacenar

energía. En la neurona quien tiene la capacidad de almacenar el potencial eléctrico, generado por la

diferencia de concentraciones iónicas, es la membrana plasmática.

En el contexto neuronal tendremos que la batería estará determinada principalmente por el potencial de

equilibrio (E) de los iones involucrados (Na+, K+ y Cl-), otorgando un gradiente eléctrico. La conductancia (g)

estará dada por los diferentes canales que permitan el paso de los iones y la membrana ocupará la labor de

almacenar esta energía.

Lo anterior se puede representar en el siguiente esquema:

Donde:

ENa, Ek y Ecl, corresponden a la batería, que en el caso

de la neurona es el potencial eléctrico generado por la

diferencia de concentración iónica.

gNa, gk y gcl, corresponden a los conductores, que en el

caso de la neurona son los canales iónicos, que

permiten el flujo de los iones.

Cm, corresponde al condensador o capacitor, que en

este caso es la membrana capaz de almacenar la

diferencia de potencial.



Potencial de acción

Para comprender el potencial debemos tener en cuenta los conceptos de potencial de membrana, transporte

facilitado por canales iónicos y características de la neurona.

El potencial de acción se puede definir como cambios rápidos del potencial de membrana, en el que la

diferencia del potencial de membrana en reposo disminuye o se despolariza y que se extiende rápidamente a

lo largo de la fibra nerviosa. Para que este fenómeno ocurra es necesario un estímulo que incentive el ingreso

de cargas positivas a la célula con el objetivo de despolarizar la membrana.

¿Cuáles y como son las fases del potencial de acción?

Fase de Reposo: En esta fase la membrana se encuentra con una diferencia de potencial de membrana en

reposo, es decir, se genera una diferencia de carga neta entre el Líquido intracelular y extracelular, cuando las

concentraciones iónicas del sodio (Na+) y potasio (K+) se encuentran en relativo equilibrio electroquímico. Se

dice que la membrana esta “polarizada”.

Fase de despolarización: Para que ocurra esta fase, debe existir un estímulo que genere una alteración en la

diferencia del potencial de membrana, logrando su disminución, es decir, hacerlo más positivo. Este cambio

genera la entrada de Na+ hacia el líquido intracelular, a través de la activación de canales de sodio regulado

por voltaje.

El potencial de acción responde a la acción de todo o nada, es decir, debe llegar a un umbral de potencial de

membrana mínimo para que se inicie. El estímulo debe ser lo suficientemente fuerte para activar la cantidad

de canales suficientes para que el potencial de membrana disminuya hasta el umbral, cuando este es

alcanzado, ingresa una gran cantidad de Na+ hacia el líquido extracelular, disminuyendo aún más el potencial

de membrana, acercándose al 0. En algunos tipos celulares este umbral bordea los -55m. Al llegar al pico de la

despolarización comienza la inactivación de los canales de Na+, dando paso a la repolarización.

Fase de repolarización: Una vez alcanzado el punto más alto de la despolarización (en diez milisegundos), la

conductancia de los canales de Na+ disminuye y comienzan a cerrarse, a la vez que comienzan a abrirse

lentamente los canales de K+, regulados por voltaje, aumentado su conductancia y permitiendo la salida de K+

hacia el líquido extracelular, esto genera un aumento en la diferencia del potencial de membrana, haciéndose

negativo, buscando volver al reposo, proceso conocido como repolarización.

Fase de hiperpolarización: Esta fase ocurre debido a que los canales de K+ antes de cerrarse, permiten una

salida de K+ que aumenta aún más la diferencia del potencial de membrana, hiperpolarizándola, es decir,

haciéndola aún más negativa que en el estado de reposo. Este proceso es revertido rápidamente en primer

lugar por el cierre de los canales de K+ dependiente de voltaje, evitando la salida de K+ y en segundo lugar,

pero no menos importante, a la acción de la bomba de Na+/K+ dependiente de ATP, la que se encarga de

restablecer las concentraciones iónicas de Na+ y K+.





Propagación del potencial de acción

El potencial de acción se propaga desde el lugar donde llega el estímulo, hacia todas direcciones a lo largo del

axón, activando los canales de Na+ regulados por voltaje de su lado, permitiendo la propagación.

Las vainas de mielina otorgan una propiedad fundamental al axón para efectuar con mayor rapidez la

propagación del potencial de acción. La vaina de mielina al ser aislante genera una disminución en la salida de

iones Na+, acumulando la carga y que esta pueda servir para despolarizar la membrana en las zonas

descubiertas de membrana, llamados Nodos de Ranvier, esto permite que se genere una conducción

saltatoria, haciendo aún más eficaz el potencial de acción, aumentando su rapidez y evitando la perdida de

energía a través del axón.



Propiedades pasivas Lambda y Tau

Estos conceptos físicos, se asocian principalmente al estudio de ondas electromagnéticas, recordando lo que

se dijo en circuito equivalente, el axón puede ser ejemplificado como un circuito en el que habrá resistencia o

conductores, un batería y un capacitor, todos estos asociados a alguna estructura de la neurona en específico

que cumplen la función.

Lambda: Es una constante de longitud, la que, en el axón, mide que tan lejos puede viajar el voltaje a través de

este antes de decaer a 0. La constante se calcula a partir de la raíz cuadrada de la división entre la resistencia

de la membrana neuronal (rm) y la resistencia interna de la neurona (ri).

La variable rm hace referencia a que tan porosa es la membrana, es decir, cuantos canales iónicos existen. Si

rm aumenta, quiere decir que hay una menor cantidad de canales, por ende, lambda será más grande.

La variable ri es la resistencia del líquido intracelular de la neurona, ahora la relación es inversa, mientras más

pequeña sea ri, más grande será la constante.

Según lo revisado, una neurona ideal debería tener una constante de longitud o lambda lo más grande posible,

para que el potencial de acción pueda recorrer grandes distancias, ahora, ¿Cómo se puede lograr esto?

¡Aumentando el grosor del axón! Si tenemos un axón más engrosado modificará tanto la resistencia de la

membrana como la resistencia interna de la membrana, sin embargo, lo hará en proporciones distinta, ya que,

la rm depende principalmente de la circunferencia del axón versus la ri que depende del área del axón. Si a la

formula anterior le incluimos el radio, nos queda que la constante de longitud es igual a la raíz cuadrada del

radio.



Tau: La constante de tiempo o Tau, hace referencia a que, si se aplica un cambio de voltaje dentro de una

neurona, existe un periodo de tiempo que se demora la neurona en “cargarse” a ese voltaje, es decir, se

demora en repolarizarse. Esta constante esta determinada por la resistencia de la membrana neuronal (rm)

multiplicada por la capacitancia de la membrana (cm), mientras mayor sea esta última variable, que esta dada

por la membrana, mayor se demorara el capacitor en volver a cargarse o almacenar sus cargas, actuando

como un tapón ante los cambios de voltaje.

Una neurona ideal debería tener la menor capacitancia posible, para disminuir la constante de tiempo y el

axón pueda volver a generar ante el menor cambio de potencial. Recordando el concepto de capacitancia,

este valor, disminuye al separar las placas que se encuentran cargadas, aplicando este concepto, la membrana

plasmática del axón, es la que actúa como capacitor, si se aumenta la separación entre el LIC y el LEC,

disminuiría la capacitancia, ¿Cómo podemos lograr esto?

¡A través de la vaina de mielina! La mielina es una capa lipídica que aumenta el grosor del axón, generando un

aislante al flujo de cargas eléctricas, es decir, por un lado, aumenta la resistencia de la membrana y a su vez

disminuye la capacitancia de esta al aumenta la separación que existe entre el LIC y LEC. Si bien la mielina

colabora disminuyendo al doble la constante de tiempo, si nosotros tuviéramos nuestros axones cubiertos

completamente de mielina, no habría espacio para la conducción eléctrica, ya que, no habría espacio para los

canales iónicos dependiendo de voltaje, es por eso que la capa de mielina es discontinua, presenta espacios

sin vaina de mielina, en la que se encuentra una alta concentración de canales iónicos dependiente de voltaje

que permiten la propagación del potencial de acción, creando una conducción saltatoria entre nodo y nodo,

aumentando la eficacia y la rapidez de este.

Referencias

- Guyton y Hall, Fisiología Humana, tratado, 13a edición, Editorial Elsevier, idioma español, 2016. ISBN: 978-84-9113-024-6.

- Silverthorn Dee Unglaub, Fisiología Humana, Un Enfoque Integrado, 6a edición, Editorial Panamericana, idioma español, 2014. ISBN: 9786079356149.

- Kandel, E., Schwartz, J. y Jessell, T. (2000) Neurociencia de la Conducta. Madrid: Prentice Hall Pearson Education.

- Experimento: Comparando la velocidad de dos fibras de tamaño distinto (backyardbrains.cl)

http://www.backyardbrains.cl/experiments/comparingNerveSpeed

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