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Excitabilidad celular
Fisiología (1234)
Universidad Nacional Andrés Bello
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Excitabilidad celular y potencial de
membrana
Molécula: Masa sin carga (químico) / masa con carga (electroquímico, iones).
El objetivo es lograr que las sustancias se transporten de un lado hacia otro de la membrana.
Lo único que importa de una molécula sin carga es su gradiente de concentración y de una molécula con carga, la característica de la carga (repulsión, atracción).
La masa se relaciona con una característica química del soluto (diferencia de concentración), si se establece esta diferencia significa que hay energía y esta energía (DG) se puede calcular con una formula referida a un potencial (posibilidad de hacer algo). (todo proceso fisiológico requiere de energía para ocurrir).
Potencial químico
Aquellas moléculas que no tienen carga y se transportan sin usar ATP, tienen energía potencial química.
Se basa en la diferencia de concentración que se cataloga como una característica química. Cualquier sustancia que vaya a cruzar la membrana, lo hará en función de su potencial químico.
Una molécula sin carga se mueve entre dos compartimentos a través de una membrana gracias a su gradiente de concentración (gradiente químico). La energía que se usa para atravesar la membrana está en función de la diferencia de concentración, definida por DG. Sistema en equilibrio: Concentraciones igualadas (DG = 0).
DG es una variación (cambio) de las energías libres de un determinado sistema, en este caso, transporte de moléculas.
La fórmula dice:
A ciertas condiciones y características constantes la diferencia de concentraciones es la que da la variabilidad G. El resultado puede ser negativo, positivo o 0.
Negativo: Espontaneo (energía suficiente para el movimiento 0<). Positivo: No espontaneo (se usa el transporte activo primario 0>). 0: Equilibrio (igual a 0).
R: Constante de los gases. T: Temperatura en grados kelvin.
Potencial electroquímico
Una molécula con carga (iones) se mueve entre dos compartimentos por medio de una membrana, este movimiento depende de su gradiente de concentración y de su carga.
Si un ion se quiere mover al interior de la membrana y dentro hay otro ion del mismo signo, se va a repeler.
Cuando se habla de movimiento de moléculas con carga, depende de lo químico
y de lo eléctrico, por lo tanto, tienen lo que se denomina potencial electroquímico.
Cuando se calcula el potencial electroquímico se establecen diferencias de carga, por lo que la formula tiene una zona química y una eléctrica.
Esta solución esta separada por esa pared, al lado izquierdo de la figura hay mayor cantidad de partículas con carga negativa, y al lado derecho de la membrana hay mayor cantidad de partículas con carga positiva, por lo que se establece una distribución desigual de cargas (diferencia de potencial eléctrico). Cuando comienzan a moverse las partículas a favor de su gradiente de concentración y eléctricos, se moverán hacia al lado izquierdo o derecho según corresponda hasta que las cargas se igualen a ambos lados.
En la membrana: Para atravesar la membrana plasmática necesitamos variaciones de energía.
R = Constante de los gases F= Constante de Faraday T= Temperatura en grados Kelvin Zx= Valencia de las moléculas cargadas Vm= Potencial de membrana
DV: Gradiente eléctrico propio del sistema (diferencia de cargas del sistema exterior/interior).
Hay dos opciones, mover partículas desde el medio extracelular al intracelular o viceversa. Hay que calcular el DG y según el resultado es para donde se moverá esta partícula (<0, 0<, =0), será espontaneo (negativo), no espontaneo (positivo) o en equilibrio.
Entonces, el potencial electroquímico es la gradiente para una molécula con carga. Electro por la carga y químico por la concentración. En el fondo, para transportar, se necesita una fuerza que impulse el transporte y esa fuerza es un vector que tiene dos componentes, parte química y parte eléctrica, si lo químico y eléctrico apuntan los dos para afuera, la partícula se moverá al extracelular, si apuntan los dos hacia dentro, la partícula se moverá al intracelular, si uno apunta para fuera y el otro para dentro, la partícula se moverá al lado donde sea más grande (concentración o carga).
(célula sin mover iones, ni abriendo canales, ni ejerciendo ninguna función), la célula presenta una diferencia de cargas entre un lado y el otro, esto es un potencial de membrana (la diferencia de cargas). Todas las células del cuerpo tienen esta diferencia de cargas con el interior siempre mas negativo que el exterior (diferencia de voltaje).
Es el potencial eléctrico que existe a través de una membrana biológica.
Potencial de reposo
Potencial de membrana cuando la célula no está transmitiendo un impulso eléctrico.
Esta establecido por los potenciales de difusión que resultan de la diferencia de concentración de los iones permeables. Cada ion permeable intenta llevar el potencial de membrana hacia su potencial de equilibrio.
¿Por qué el interior de la célula es más negativo que el exterior?
Porque tienen proteínas las cuales son aniones orgánicos no difusibles, que le otorgan al sistema la carga negativa, nunca se transportan, si se llegasen a transportar significaría que la célula murió.
No difusible: No se pueden difundir en la membrana, no hay canales para proteínas, se mantienen dentro.
Potenciales de difusión y de
equilibrio
Canales iónicos
Proteínas integrales que cuando están abiertos permitirán el paso de ciertos iones.
Son selectivas según el tamaño del canal y la distribución de las cargas. Pueden estar abiertos o cerrados, por lo tanto, permitir o no el paso de moléculas.
Conducción de un canal: Va a depender de la probabilidad de que este abierto. La apertura y cierre de canales está controlado por compuertas.
Regulados por voltaje: Abren o cierran por efecto de cambios en el potencial de membrana. Regulados por ligando: Abren o cierran por efecto de hormonas, segundos mensajeros o neutransmisores.
Fuerza impulsora
Cuando tenemos solutos sin carga, la fuerza impulsora para su difusión neta es sencillamente la diferencia de concentración del soluto a través de la membrana celular. No obstante, cuando se trata de solutos cargados (es decir, iones) la fuerza impulsora para su difusión neta debe tener en cuenta tanto la diferencia de concentración como la diferencia del potencial eléctrico en toda la membrana celular.
Cuando la fuerza impulsora es negativa ese ion X penetrará en la célula si se trata de un catión y se apartará de ella si es un anión. A la inversa, si la fuerza impulsora es positiva, el ion X abandonará la célula si es un catión y la penetrará si es un anión.
Corriente iónica La corriente iónica o flujo de corriente se produce cuando hay movimiento de un ion a través de la membrana celular. Los iones se mueven a través de la membrana celular por canales iónicos cuando se cumplen dos condiciones:
Existe una fuerza impulsora sobre el ion.
La membrana tiene conductancia para ese ion (es decir, sus canales iónicos están abiertos).
La dirección de la corriente iónica está determinada por la dirección de la fuerza impulsora. La magnitud de la corriente iónica está determinada por el tamaño de la fuerza impulsora y la conductancia. En el caso de una conductancia determinada, cuanto mayor es la fuerza impulsora, mayor será el flujo de corriente. Finalmente, si la fuerza impulsora o la conductancia de un anión fueran cero, no podría producirse la difusión de ese ion a través de la membrana celular, y por lo tanto tampoco el flujo de corriente.
Movimiento de iones
Se debe de considerar DV en el sistema.
Eflujo: Flujo hacia el exterior. Influjo: Flujo hacia el interior.
Canal de sodio: Hay un influjo ya que esta menos concentrado al interior.
Canal de potasio: Hay un eflujo ya que esta menos concentrado al exterior, mayor magnitud química.
Se debe de analizar la magnitud del potencial electroquímico.
Potenciales de difusión
Un potencial de difusión es la diferencia de potencial generada a través de una membrana cuando un ion se difunde a favor de su gradiente de concentración. Así, se deduce que un potencial de difusión puede generarse sólo si la membrana es permeable a ese ion. La magnitud de un potencial de difusión medida en milivoltios (mV) depende
del tamaño del gradiente de concentración, y este es la fuerza impulsora. El signo del potencial de difusión depende de la carga del ion en difusión. Potencial de equilibrio de un ion
El potencial de equilibrio es el potencial de difusión que equilibra exactamente o se opone a la tendencia de la difusión a favor de la diferencia de concentración. En el equilibrio electroquímico, las fuerzas impulsoras químicas y eléctricas que actúan sobre un ion son iguales y opuestas, y no se produce una difusión neta. Ejemplo: -70mV y +70mV. Por cada ion que entra a la célula, habrá uno que salga consiguiendo un equilibrio. Cuando la parte química y eléctrica se igualan en magnitud, pero lado contrario (ósea DG=0). La diferencia de potencial es característico de la célula.
Ejemplo de célula hipotética (misma m, un solo ion): A. Si la membrana es permeable sólo a K+ y las concentraciones son iguales a ambos lados (sin distribución desigual de cargas, no hay diferencia de voltaje), el flujo neto es 0 y el DV=0.
real y se acerca más, es el potasio porque tiene mayor permeabilidad.
El movimiento de los iones varía según el potencial de membrana en reposo.
Cuando las concentraciones de los iones varían (cambia la distribución de cargas, cambian los movimientos de transporte y se altera el potencial de membrana), comienzan a haber problemas...
Ejemplo:
Hiperkalemia: Concentración de potasio en sangre aumentada. Hipokalemia: Concentración de potasio en sangre disminuida.
La sangre es un reflejo del estado extracelular, si aumenta el potasio en la sangre, significa que aumenta en el extracelular.
Aumento de potasio:
Gradiente disminuida. Menos energía para el transporte. Se transporta menos potasio. Mas potasio dentro de la célula. Carga positiva donde debería prevalecer la negativa.
(Es lo contrario con disminución de potasio)
Células excitables
La excitabilidad es la propiedad de algunas células (neuronas, células de músculo estriado, liso y glándulas) de modificar el potencial de membrana y de conducir estos cambios de potencial eléctrico, como resultado de cambios transitorios de la permeabilidad de membrana en respuesta a un estímulo.
Para cambiar el potencial de membrana, debe existir un impulso, para que exista un impulso, se debe salir del reposo y solo las células excitables pueden hacerlo.
Movimiento de partículas con carga = corriente iónica (impulso nervioso)
Los canales iónicos dependientes de potencial responden a los cambios de potencial al igual que los iones, por esto su nombre. Frente a un cambio de potencial de membrana, se activan los canales dependientes de potencial. Los dos más importantes son:
Canal de sodio dependiente de potencial: Se abre, se inactiva y se cierra. Permite o inhabilita el paso del sodio. Se puede relacionar con un semáforo:
Luz verde (abierto): Se puede pasar directamente.
Los canales son regulados, es decir, pasan por diferentes estados. Cuando se tiene en la membrana de la célula un canal que no es regulado ósea “siempre abierto”, no necesita estimulo ni para abrirse ni para cerrase, esto permite la fuga de
Luz amarilla (inactivo): Se debe esperar para continuar. Luz roja (cerrado): No se puede pasar.
Se inactiva para poder cerrarse y luego de que esta cerrado se puede volver a abrir.
Canal de potasio dependiente de potencial: Se abre y se cierra, pero funciona lentamente. Permite o inhabilita el paso del potasio.
Potencial de reposo
El potencial de membrana de una neurona que no está transmitiendo un impulso nervioso se llama potencial de reposo. El valor de ese potencial está principalmente determinado por unos canales de K+ que permanecen siempre abiertos, llamados canales de fuga (van solo hacia un sentido). El potasio tiene más canales de fuga.
Este potencial (estándar -70mV) se establece porque lo único que funciona en ese momento son los canales de fuga. Si se inhibe la bomba sodio-potasio la célula se muere.
Si se estimula una célula que estaba en condiciones de reposo, en algún momento cambiará el voltaje, luego volverá, no cambia mucho, eso se denomina respuestas pasivas.
Respuesta pasiva o electro tónica
Son un cambio pequeño de potencial de membrana. Habitualmente de baja intensidad. No necesariamente modifica la permeabilidad de la membrana (no abre canales iónicos). Exhibe un decaimiento característico. Se extiende pocos mm. No se auto propaga. Depende de la intensidad del estímulo (estímulos grandes, cambios grandes – estímulos chicos, cambios chicos). Pueden tener signo positivo o negativo. Entrada de cargas positivas: Despolarizante. Entrada de cargas negativas: Hiperpolarizante. Son sumables (si la suma de todos da un cambio que llegue al valor umbral, podría haber una respuesta mas grande (potencial de acción)).
¿Agregamos un bloqueador de los canales de K+ dependientes de potencial? = No se repolariza, no bajan los niveles de PA. ¿Si evitamos la inactivación de los canales de Na+ dependientes de potencial? = Despolarización hasta equilibrio.
*Cuando se aplica anestesia local, en la zona se bloquean todos los canales dependientes de sodio dependientes de potencial.
El periodo refractario
Potenciales de acción poseen periodos refractarios absolutos y relativos.
Periodo refractario absoluto: Es el periodo durante el cual no puede provocarse otro potencial de acción. Coincide con casi toda la duración del potencial de acción y no es consecutivo.
Las compuertas de desactivación de los canales de Na+ están cerradas cuando el potencial de acción se despolariza y permanecen cerrados hasta que ocurra la repolarización. No puede producirse ningún potencial de acción sino hasta que se abran las compuertas de desactivación.
Periodo refractario relativo: Empieza al final del periodo refractario absoluto y continua hasta que el potencial de membrana vuelve al nivel de reposo. Durante este periodo solo puede provocarse un potencial de acción si se proporciona una corriente de entrada mas grande de lo habitual.
La conductancia para el K+ es mas alta que en reposo y el potencial de membrana esta mas cerca del potencial de equilibrio del K+ y, por lo tanto, mas lejos del umbral, se necesita mas corriente de entrada para llevar la membrana al umbral.
Propagación del PA
El PA se propaga en forma unidireccional en distintas velocidades dependiendo de:
Efecto del diámetro de la fibra: Entre más gruesa, será más rápida la propagación.
Mielinización: La mielina actúa como un aislante alrededor de los axones nerviosos y aumenta la velocidad de conducción. Los nervios mielinizados (mielínicos) presentan conducción saltatoria porque los potenciales de acción solo pueden generarse en los nódulos de Ranvier, que presentan zonas sin vaina de mielina.
Conducción saltatoria: Los axones con vaina de mielina, y la localización especifica de canales de sodio en los nodos, genera un potencial de acción que salta de nodo a nodo a lo largo del axón.
Efecto del diámetro de la fibra y la mielinización en la velocidad de conducción.
Excitabilidad celular
Asignatura: Fisiología (1234)
Universidad: Universidad Nacional Andrés Bello
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