Guido Ulate Montero, MD, PhD

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Bioelectricidad

• Guido Ulate Montero, MD, PhD
• Catedrático
• Departamento de Fisiología
• Escuela de Medicina

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TEMA 2 EXCITABILIDAD NERVIOSA OBJETIVOS
TERMINALES 4. Calcular e interpretar los
gradientes electroquímicos de los iones mediante
la ecuación de Nernst, para resolver situaciones
dadas, tales como las debidas a cambios en
concentraciones, la permeabilidad o la actividad
de los sistemas iónicos. 5. Analizar los
eventos bioeléctricos e iónicos que se dan
durante la génesis de los potenciales de acción y
electrotónicos, así como la conducción de estos
potenciales.
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• TABLA DE CONTENIDOS
• Gradientes eléctricos ecuación de Nernst.
  Potenciales de equilibrio electroquímico
  potasio, sodio, calcio y cloro.
• Relaciones entre el potencial de membrana y los
  potenciales de equilibrio iónicos.
• Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz.
• Canales iónicos tipos, estructura, conductancia
  y regulación.
• Potencial de acción morfología, génesis,
  períodos refractarios.
• Despolarización subumbral.
• Propagación de la excitación conducción
  electrotónica. Teoría del cable.
• Suma de respuestas locales. Factores que afectan
  la velocidad de propagación. Propagación
  saltatoria.

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Potencial de la membrana celular (?m)
En reposo, existe diferencia de voltaje entre el
interior (negativo) y exterior celular (cero).
Magnitud del ?m depende del tipo celular musc.
liso -50 a -60 mV neuronas -40 a -75 mV musc.
esquelético -80 a -100 mV glóbulo rojo -9 mV
5
Potencial de la membrana celular (?m)
Debido al poco grosor de las membranas celulares
el campo eléctrico es muy grande E Vm/d Si
d4 nm?E 250 000 V/cm
Libro texto, pag. 150
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Génesis del ?m

• Diferencias en la permeabilidad de la membrana a
  los diferentes iones
• Diferencias de concentraciones iónicas entre el
  LEC y el LIC
• La actividad de la Na-KATPasa (transportador
  electrogénico)

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Cómo es que el gradiente de concentración de un
ión produce una diferencia de V (potencial de
difusión) a través de la membrana?
Cuando la diferencia de V contrarresta el
gradiente de concentración equilibrio flujo
neto es cero
Bear, et al. Neuroscience, 3er ed, pag. 62
8
Potencial de equilibrio del potasio (EK) a
través de una bicapa lipídica que contiene
canales selectivos para el potasio (T20C)
Libro texto, pag. 152
9
El ?m depende de la concentración extracelular de
K
Libro texto, pag. 151
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Ecuación de Nernst
Eion (RT/zF) ln Ce/Ci
Se utiliza para calcular la diferencia de voltaje
que debe existir en la membrana celular necesaria
para contrarrestar el gradiente químico de un
determinado ión. El resultado se conoce como
potencial de equilibrio iónico.
R 8.314 VC/molK F 96 490 C/mol y además ln
2.303log k 61.5 (resultado en mV)
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Diferencias entre la composición del LEC y el LIC
LEC (mM)
LIC (mM)
Rango
Valor medio
Sodio
135-150
145
15
Potasio
3.5-5
4
150
Calcio
2.1-2.6
2.5
0.0001
Magnesio
0.8-1.3
1
12
Cloruro
100-110
110
8
Bicarbonato
22-26
24
8
12
Diferencias entre la composición del LEC y el LIC
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Qué valor tomará el ?m si la célula es permeable
a varios iones?
En reposo, los iones Na, K y Cl- pueden
atravesar la membrana de la mayoría de las
células vivas y, por lo tanto, todos ellos
contribuyen al potencial de membrana. Ec. de
Goldman-Hodgkin-Katz ?m 61.5 log PK Ke
PNa Nae PCl- Cl-i / PK Ki PNa
Nai PCl- Cl-e En esta ecuación (también
llamada de campo constante) se toman en cuenta
las concentraciones externas (señaladas con una
e) y las internas (señaladas con una i) de los
iones K, Na y Cl además la importancia de cada
ión es ponderada por el grado de permeabilidad
que tiene cada uno de ellos en las diferentes
membranas celulares. Para el axón de calamar la
PK1, la PNa0,04 y la PCl-0,4. Esta ecuación
también sirve para calcular el Vrev de un canal
cuando éste es permeable a varios iones.
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Los iones se mueven de acuerdo con la fuerza
electromotriz (FEM)
FEM Potencial de membrana de la célula (?m)
Potencial de equilibrio electroquímico del
ión (?ion)
?ion 61.5/z log ione/ioni
Interpretación un catión sale de la célula
siempre que la FEM sea positiva y por el
contrario, si la FEM es negativa, el catión
entra. Para los aniones, ocurre exactamente lo
opuesto, es decir, ingresan en la célula siempre
que la FEM sea positiva y salen si ésta es
negativa.
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EJEMPLO
Suponga que se abren canales de potasio en una
neurona que presenta un ?m de 60 mV y un ?K de
90 mV. El potasio entra o sale de esa neurona?

1. Calcular la FEM -60mV - (-90mv) 30mV

2. Como el potasio es un catión y su FEM es
positiva, el potasio sale de esa neurona.
3. Al salir el potasio de la neurona, su ?m
tiende a sufrir una hiperpolarización, es decir,
aumenta la negatividad interior
4. El ?m se aleja del umbral. La neurona se
torna menos excitable
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Definiciones
Despolarización condición en la cual disminuye
la magnitud (sin considerar el signo) del Em de
reposo. Hiperpolarización condición en la cual
aumenta la magnitud (sin considerar el signo) del
Em de reposo. Repolarización es el retorno del
Em a su valor de reposo después de que la célula
a sufrido un cambio en éste. Corriente de salida
catión que sale o anión que ingresa en la célula.
Es positiva Corriente de entrada catión que
ingresa o anión que sale de la célula. Es
negativa Capacitancia es la medida de la
capacidad de un dispositivo para almacenar carga
y energía potencial eléctrica Se mide en faradios
(F) C/V
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Propiedades eléctricas de la membrana celular.
Los canales iónicos representan resistencias en
paralelo. Los potenciales de equilibrio iónico se
representan como baterías. La membrana celular
además se comporta como un capacitor Cm
A??o/d donde A área ? k dieléctrica ?o k de
permisividad d grosor del aislante. Cm normal
1 ?F/cm2. ? 5 y ?o 8.84x10-12 F/m
Libro texto, pag. 156
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El Vm puede sufrir 2 tipos de cambios
1. Potenciales graduados o locales 2. Potenciales
de acción Los canales iónicos presentes en la
membrana celular son los responsables de ambos
tipos. Los segundos solo se producen en los
tejidos excitables neuronas y músculo.
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Propagación de los potenciales graduados y de los
PAs
Libro texto, pag. 181
20
Potenciales graduados o locales
21
Libro texto, pag. 209
22
Potenciales de acción

1. Responden a la ley del todo o nada. Para que se
   produzcan debe alcanzarse un umbral
2. Morfología constante siempre que se trate del
   mismo tipo celular y se mantengan las condiciones
3. No se suman
4. Despolarización aumenta g Na
5. Repolarización aumenta g K
6. Se propagan de manera regenerativa

23
Diferentes potenciales de acción
Libro texto, pag. 180
El tipo de potencial correlaciona con
función. Influye 1. Tipo de canales iónicos
involucrados, 2. Concentraciones intra y
extracelulares de los iones que atraviesan por
esos canales, 3. Propiedades de la membrana, i.e.
Cm, Rm. Duración y forma puede ser modulada por
mensajeros químicos.
24
Morfología de los PAs en diversos tipos de
neuronas
Boron,1er ed, pag. 286
25
Los PA solo se producen ante desporalizaciones
que alcanzan el umbral
Libro texto, pag. 181
26
Qué es el umbral?
Es el nivel del Em en el cual una despolarización
(como la provocada por la INa) se vuelve
autorregenerativa y de magnitud suficiente para
superar las corrientes hiperpolarizantes
concomitantes así como las pérdidas de cargas
que ocurren de manera pasiva. La densidad de
canales voltaje dependientes en la membrana de
las células excitables influye en el magnitud del
umbral.
27
Libro texto, pag. 183
28
Estadios de los canales durante el potencial de
acción de una neurona
Berne y Levy, Fisiología, 3era ed, pag. 34
Densidad de canales 1 a 2000/?m2. IM N?Po?iU
29
Estadios de los canales rápidos de sodio
dependientes de voltaje
30
Silverthorn, Human Physiology, 3er ed, pag. 260
31
Libro texto, pag. 188
Para canales de Na Po 0.5 -50 mV Para canales
de K Po 0.5 -30 mV Po probabilidad de
apertura de un canal. Corresponde al porcentaje
del tiempo que está abierto.
Silverthorn, Human Physiology, 3er ed, pag. 260
32
Silverthorn, Human Physiology, 3er ed, pag. 260
33
Mayoría de células con ? entre 1 y 20 ms y ?
entre 0.1 y 2 mm
34
Libro texto, pag. 318
2 000 canales/?m2
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Table 12-1. Classes of Peripheral Sensory and Motor Axons, by Size and Conduction Velocity
Clasificación de las fibras nerviosas según
Erlanger y Gasser
Aa Aß A? Ad B C
Function Sensory afferents from proprioceptors of skeletal muscleMotor neurons to skeletal muscle Sensory afferents from mechanoreceptors of skin Motor fibers to intrafusal fibers of muscle spindles Sensory afferents from pain and temperature receptors Preganglionic neurons of the autonomic nervous system Sensory afferents from pain, temperature, and itch receptors
Diameter (µm) 13-20 6-12 3-6 1-5 lt3 0.2-1.5
Conduction velocity of action potential (m/s) 80-120 35-75 12-30 5-30 3-15 0.5-2.5
Alternative classification of sensory axons from muscle and tendon Ia (sensory from muscle spindle fibers)Ib (sensory from Golgi tendon organs) II   III   IV

NO MIELINA
This A-C classification was introduced by Joseph Erlanger and Herbert Gasser, who shared the 1944 Nobel Prize in Medicine or Physiology for describing the relationship of axon diameter, conduction velocity, and function in a complex peripheral nerve.This I-IV classification was introduced by other investigators. It applies only to sensory axons and only to those from muscle and tendon.Modified from Bear MF, Connors BW, Paradiso MP Neuroscience Exploring the Brain, 2nd ed. Baltimore Lippincott Williams Wilkins, 2001.
Libro texto, pag. 319