Estructura y función de la membrana celular

Estructura de la membrana celular

• La membrana celular está constituida por una bicapa lipídica con un gran número de moléculas proteicas.
• Los lípidos más abundantes son los fosfolípidos, los glucolípidos y el colesterol.
• Los fosfolípidos contienen colina, como las lecitinas y las esfingomielinas, y tienen carácter anfipático (cabeza hidrófila y cola hidrófoba).
• Las cabezas hidrófilas están orientadas hacia el citosol y el líquido extracelular, mientras que las colas se orientan hacia el interior de la membrana.
• La bicapa lipídica tiene baja permeabilidad a los iones y a la mayoría de las moléculas polares, pero muy alta a las sustancias liposolubles.
• Los glucolípidos en la membrana celular tienen carbohidratos que funcionan como receptores o antígenos.
• El colesterol estabiliza la membrana celular haciéndola mecánicamente más estable.
• Las moléculas proteicas constituyen el 50% de la masa de la membrana celular.

Funciones de las Proteínas de Membrana

• Proteínas integrales o transmembranales atraviesan la membrana y forman canales proteicos o iónicos con espacios acuosos para el movimiento pasivo de iones.
• Proteínas transportadoras se unen a moléculas para moverlas a través de la membrana a favor de gradientes electroquímicos (difusión facilitada).
• Proteínas anclan las células a sus vecinas o a la lámina basal, actuando como moléculas de adhesión (integrinas, lamininas y cadherinas).
• Proteínas funcionan como bombas para el transporte activo de iones a través de la membrana.
• Proteínas son receptores de neurotransmisores y hormonas, iniciando cambios fisiológicos al unirse a ellos.
• Proteínas funcionan como enzimas catalizando reacciones en la superficie de la membrana.

Tipos de Transporte a Través de la Membrana Celular

• El transporte se lleva a cabo por transporte pasivo (difusión) y transporte activo.

Transporte pasivo

• Se basa en el movimiento browniano de sustancias a través de la membrana o con proteínas transportadoras.
• Se produce gracias a la energía cinética de la materia.
• Las moléculas se mueven a favor del gradiente de concentración (de mayor a menor concentración).
• Existen dos tipos de difusión a través de la membrana celular: simple y facilitada.

Difusión Simple

• Moléculas o iones pasan a través de los espacios de la membrana o a través de canales proteicos desde zonas de mayor a menor concentración.
• La tasa de difusión sigue la primera ley de Fick: J = A x D (C1-C2) / T.
• J: Tasa neta de difusión del soluto.
• A: Área de superficie de la membrana celular (directamente proporcional a la difusión).
• D: Constante de difusión (relación entre solubilidad y el inverso de la raíz cuadrada de su peso molecular).
• C1-C2: Diferencia de concentración (gradiente).
• T: Espesor de la membrana (inversamente proporcional a la difusión).
• El oxígeno, el nitrógeno y el dióxido de carbono tienen mayor liposolubilidad que los iones, lo que facilita su paso a través de la membrana.
• La mayoría de los iones (calcio, sodio, potasio, etc.) atraviesan la membrana celular utilizando canales iónicos debido a que la carga eléctrica de los iones atrae moléculas de agua, formando iones hidratados de gran tamaño.
• La carga eléctrica de los iones interactúa con la carga eléctrica interna del poro del canal, actuando como filtro de selectividad.
• Canales con filtros de selectividad conformados por aminoácidos cargados positivamente son aniónicos.
• Canales conformados por aminoácidos cargados negativamente son catiónicos.
• La selectividad del canal depende del diámetro, forma y carga eléctrica de su superficie interna.

Clasificación de canales iónicos

• De acuerdo al Grado de Regulación: Pasivos o Activos.
• Canales Pasivos o de Fuga:
  • Siempre están abiertos y no tienen compuertas.
  • El ion atraviesa el canal siguiendo su gradiente eléctrico o químico, como el canal pasivo de potasio.
• Canales Activos:
  • Están regulados y poseen compuertas que se abren o cierran en respuesta a estímulos.
  • La apertura y cierre está controlada por cuatro estímulos:
    • Estiramiento o presión mecánica de la membrana celular: La energía para la apertura de estos canales es debida a fuerzas mecánicas que se transmiten al canal iónico a través del citoesqueleto.
    • Ligando: Se abren cuando una molécula (ligando) se une a un sitio receptor del canal proteico.
    • Fosforilación: Se abren o cierran en respuesta al grado de fosforilación de las proteínas del canal, controlados por proteincinasas reguladas por segundos mensajeros.
    • Cambios de Voltaje: La compuerta responde al potencial eléctrico a través de la membrana celular.

Estados Funcionales de Canales Iónicos

• Cerrado y activable (en reposo): El canal está cerrado porque no está presente la fuerza o estímulo que controla su apertura, pero tiene la capacidad de activarse si ésta se presenta.
• Abierto (activo): Está abierto porque está presente la fuerza o estímulo que controla su apertura, permitiendo el paso de iones pasivamente por el espacio acuoso del canal siguiendo su gradiente eléctrico o químico.
• Cerrado y no activable (inactivado o refractario): Está cerrado debido a que se encuentra inactivado o en estado refractario.
• Mecanismos de inactivación: cambio en el voltaje, aumento en la concentración de un ligando intracelular o desfosforilación.

Estructura y Función de Canales Iónicos

• La estructura proteica básica de los canales de voltaje dependientes consiste en subunidades α, codificadas por un solo gen, que contienen el poro hidrofílico y regiones especializadas para la selectividad y detección de cambios de voltaje.
• Los canales de sodio y calcio tienen proteínas que son cadenas de aminoácidos que forman cuatro dominios homólogos unidos por asas intracelulares.
• Los canales de potasio están formados por dos o cuatro subunidades α.
• El poro está delineado por segmentos S6 en el extremo intracelular y por asas que unen segmentos S5 y S6 en el extremo extracelular.
• La actividad de la subunidad α puede ser modulada por subunidades accesorias.
• La nomenclatura para identificar los canales se refiere al ión que permea, seguido del estímulo que controla la apertura y un número que indica la familia de proteínas e isoforma.

Recuadro A: Estructura Molecular de los Canales Iónicos

• Los canales iónicos son sistemas complejos formados por subunidades.
• Las subunidades constan de seis segmentos hidrofóbicos (S1-S6) embebidos en la membrana plasmática, con los dominios amino y carboxilo terminal ubicados intracelularmente.
• El segmento transmembranal (S4) contiene cargas positivas que funcionan como sensor de voltaje.
• La región que conecta S5 y S6 forma el poro del canal, oclusión rápida del poro del canal mediante el mecanismo de cadena y bola.
• Anestésicos locales y tetrodotoxina bloquean el poro del canal.

Difusión Facilitada

• Requiere la unión de la sustancia a transportar con la proteína transportadora de la membrana, que cambia de conformación para pasar la sustancia a otro lado de la membrana.
• La velocidad máxima de transporte (VMax) se alcanza cuando todos los sitios de transporte en la proteína están ocupados.
• La glucosa y la mayoría de los aminoácidos utilizan la difusión facilitada a favor de su gradiente y el cotransporte cuando se mueven en contra de su gradiente.

Transporte Activo

• Las moléculas se mueven de un área de baja concentración a otra de alta concentración (en contra del gradiente), requiriendo energía liberada durante la hidrólisis de ATP.

Transporte activo primario

• Las proteínas transportadoras se denominan ATPasas y utilizan la energía de la degradación de ATP en ADP y Pi.
• Ejemplos: ATPasa Na+ - K+ (bomba de sodio y potasio), ATPasa-H⁺ y ATPasa-Ca++.
• Las ATPasas Na+ - K+ bombean Na+ hacia el exterior y K+ hacia el interior, manteniendo elevadas las concentraciones intracelulares de K+ y extracelulares de Na+.

ATPasa Na+ - K+

• Saca tres iones Na+ de la célula e introduce dos K+, dejando un déficit de iones positivos dentro (cargada negativamente).
• Tiene sitios activos para el sodio, potasio, ATP y ouabaína.
• Su actividad aumenta ante hormonas tiroideas y aldosterona, y se inhibe ante la ouabaína y los digitálicos.

Transporte activo secundario

• Utiliza la energía potencial presente en los gradientes de concentración producidos por la bomba de sodio y potasio.
• El cotransporte desplaza dos solutos hacia el mismo lado de la membrana (utilizando una proteína simportadora).
• La energía liberada permite que otra sustancia se introduzca en contra de su gradiente.
• Los aminoácidos y la glucosa utilizan este tipo de transporte en células epiteliales intestinales y renales utilizando energía del gradiente de sodio.
• El contratransporte mueve los solutos en sentidos opuestos (a través de una proteína antiportadora).
• Un ejemplo es el intercambio Na+ - H⁺ en los túbulos renales proximales y conductos pancreáticos.
• Los transportadores que no hidrolizan ATP pertenecen a la Superfamilia de transportadores SLC.

Potenciales Eléctricos de la Célula

• Todas las células vivas del cuerpo humano tienen una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana celular llamada Potencial de estado estacionario o potencial de reposo (Es o Em).
• Por convención se escribe con un signo negativo (-) por delante significando que el interior de la célula es negativo con respecto al exterior.
• Su magnitud varía considerablemente de tejido a tejido
• Valor promedio para la fibra muscular esquelética de -90 mV
• Valor promedio para célula nerviosa es de -70 mV.

Diferencia de composición iónica

• Esta diferencia de composición se establece por las características de permeabilidad de la membrana y se mantiene por el trabajo de la bomba de sodio y potasio.

La diferencia de composición iónica genera un gradiente de concentración que mueve los iones a través de la membrana celular.

• En el líquido intersticial (LIS) e intracelular (LIC) de motoneuronas y células musculares esqueléticas de mamíferos, el potasio es más abundante en el LIC y el sodio en el LIS.
• La membrana celular es prácticamente impermeable a las proteínas intracelulares y a otros aniones orgánicos (A¯).
• la presencia de estos aniones orgánicos (A¯) en el interior de la célula le confiere una carga interna negativa.
• En reposo la membrana es permeable a los iones Na+, Cl- y K+

Permeabilidad de la membrana en reposo

• La permeabilidad de la membrana en reposo es 50 a 100 veces más permeable para el potasio que para el sodio. K+ > CI > Na⁺.
• El K+ difunde a través de canales pasivos o de fuga hacia afuera siguiendo su gradiente de concentración y el sodio y cloro se mueven hacia adentro.
• La mayoría de los aniones y proteinatos que tienen carga negativa permanecen en el interior de la célula y la salida de cationes (iones K⁺) es mayor.
• El flujo neto de iones positivos hacia afuera de la célula es mayor y la membrana se mantiene polarizada con el interior negativo con respecto al exterior.

La bomba de sodio y potasio.

• El transporta activamente el Na⁺ hacia afuera y el K⁺ activa hacia el interior.
• Es una bomba electrogénica donde se intercambian tres iones de sodio al exterior por dos de potasio al interior
• Deja un déficit neto de iones positivos en el interior.
• La membrana celular es impermeable a las proteínas debido a su gran tamaño. Las proteínas con carga negativa se mantienen en el interior de la célula.
• La membrana celular es permeable a los iones: Na+, K+, y Cl pero la célula en reposo es mucho más permeable al potasio y al cloro que al sodio.
• El equilibrio de Gibss-Donnan contribuye con alrededor de 10 mV al potencial de estado estacionario.

Fuerzas que mueven los iones a través de la membrana.

• En el estado de equilibrio de cada ión en particular, las fuerzas eléctricas y de concentración son iguales y opuestas.
• No se ejerce fuerza neta sobre el ión, y por consiguiente, no se produce desplazamiento neto del mismo.
• El ión se encuentra equilibrio electroquímico a través de la membrana.
• El potencial de equilibrio electroquímico de un ión (Eion) es el valor que debe tener el Es si el ión está equilibrio (cuando las fuerzas eléctricas están exactamente balanceadas por las fuerzas quimicas).
• La magnitud de dicho potencial se calcula usando la ecuación de Nernst. - En mamiferos los cálculos se hacen a una Temperatura de 37° C. - La conversión de log natural a base 10 y el reemplazo de las unidades con valores numéricos convierten a la ecuación en:
• Eion = 61 log []EXT
• En la célula en reposo, los iones (sodio y potasio) a través de la membrana celular no están en equilibrio.
• Los valores de sus potenciales electroquímicos calculados con la ecuación de Nernst no son iguales a los valores de estado estacionario medidos con un electrodo.
• El potencial de equilibrio electroquímico para el potasio tiene un valor cercano al potencial de estado estacionario.
• El potencial de equilibrio electroquímico para el sodio tiene un valor alejado del potencial de estado estacionario

Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz

• La magnitud del potencial de membrana en un momento determinado depende entonces, de la distribución de Na+, K+ y Cl- y de la permeabilidad de la membrana para cada uno de estos iones

Potencial Local

• Se define como el cambio en el potencial de membrana en reposo ante la aplicación de un estímulo
• El desarrollo depende del cambio de conductancia a un ión (o iones) específicos
  • Se encuentran en toda célula viva
  • Pueden ser de hipopolarización
  • Pueden ser de hiperpolarización
  • Decaen exponencialmente en el tiempo y en el espacio.
  • Se suman en el tiempo y en el espacio.
  • Su magnitud depende de la intensidad del estímulo.

Potencial Umbral (Eu)

• Se define como el voltaje necesario para desencadenar una serie de cambios abruptos en la permeabilidad normal de la membrana
• En condiciones de reposo la salida de potasio de la célula es mayor que la entrada de sodio pero en el valor del potencial umbral la entrada de sodio iguala a la salida de potasio
• Se debe estimar repetidamente la célula y producirse potenciales locales de hipopolarización se pueden sumar y alcanzar el valor del potencial umbral lo que desencadena el potencial de acción.
• El estímulo supraumbral tiene mayor intensidad que el umbral y desencadena un potencial de acción con características iguales (magnitud y duración) que er de producir el estímulo umbral.

Potencial de Acción

• Por definición se trata de una serie de cambios abruptos y explosivos en la permeabilidad normal de la membrana
• Se produce ante la aplicación de un estímulo umbral o supraumbral.
• El potencial de acción es el lenguaje que entiende el sistema nervioso.

Fases.

• Despolarización:

  • Ocurre una hipopolarización que alcanza el valor del potencial umbral.
  • Aumento de la permeabilidad al sodio.
  • Los canales de sodio voltaje dependientes se activan.
  • Entra sodio a la célula y se invierte la polaridad de la membrana
  • Llega aprocimadamente a +35 mV

• Repolarización:

  • Los canales de potasio voltaje dependientes se activan.
  • Salida de potasio de la célula a través de los canales de potasio voltaje dependientes.
  • Los canales de sodio se encuentran inactivos.

  Caracterísitcas del Potencial de Acción

• Sigue la Ley del Todo o Nada,El estímulo umbral ocasiona que se desarrolle Todo el potencial de acción.

• En condiciones normales tiene siempre la misma magnitud, La magnitud del potencial de acción corresponde a su tamaño

• No se suma.

• Se conduce sin decremento, el El potencial una vez desencadenado se conduce a porciones vecinas manteniendo el mismo tamaño

• Potenciales Eléctricos Ante Variaciones Del Lec

• Ante variaciones de los electrolitos del LEC:

Variaciones del Es Ante Cambios En Las Concentraciones de Potasio Del LEC

• La hipokalemia aumenta el umbral de excitabilidad celular (la requerida es mayor) y la célula se hiperpolariza.
• La hiperkalemia disminuye el umbral de excitabilidad (la requerida es menor) y la célula se hipopolariza.

Variaciones en el valor del potencial umbral ante cambios en las concentraciones de calcio del LEC

• La concentración de calcio influye en el voltaje al que se abren los canales de sodio voltajes dependientes.

Hipocalcemia: la apertura de los canales de sodio se efectúa con cambios mínimos de voltaje.

• la excitabilidad celular disminuye.
• Los síntomas son consecuencia del aumento de la excitabilidad neuromuscular
  • Incluyen parestesia peribucal
  • Hiperreflexia en las extremidades
  • signo de Chovstek y de Trousseau.
• Hipercalcemia:la excitabilidad celular se encuentra disminuida y se genera debilidad muscular e hiporreflexia.

Variaciones del Estado Acido Base del LEC

• Acidosis:las proteínas plasmáticas aceptan un hidrogenión y aumenta del calcio libre en sangre.
• Alcalosis: las proteínas plasmáticas donan un hidrogenión y disminuye del calcio libre en sangre.

Conducción

• La conducción del potencial de acción requiere de la acción coordinada de dos formas de flujo de corriente:

  • El flujo pasivo de corriente
  • Las corrientes activas que fluyen a través de los canales voltajes dependientes.

• Las corrientes activas dependen de la aplicación de un estímulo umbral al axón y la activación de canales de sodio y potasio voltaje dependientes.

  Tipos de Conducción

  • Por circuitos locales.

• Se produce un circuito local de flujo de corriente activa entre las zonas de la membrana despolarizadas y las que se encuentran en reposo por canales de sodio y potasio voltaje dependientes

• En el punto que se aplicó el estímulo umbral se desencadenó el potencial de acción es decir fluyen corrientes positivas hacia el interior de la célula que despolarizan regiones adyacentes y las que estaban polarizadas producen circuitos locales

  Saltatoria:Rodeando al axón hay una vaina de mielina interrumpida a cada nodo de Ranvier

• La densidad de los canales de sodio es mayor en los nodos y en las regiones internodales y debajo de la vaina de mielina hay una cantidad escasa de canales de potasio voltajes dependientes

• En ese sector de la célula la corriente se propaga (a traves de los líquidos extraceulares que rodean por fuera de la vaina de mielina y también a través del axoplasma) hasta el segundo nodo de Ranvier y lo despolariza.

  Factores que determinan la velocidad de conducción nerviosa

  • Diámetro de la fibra

• Modifica la resistencia del axoplasma y cuando mayor sea el diámetro más veloz se conducirá el potencial de acción

• Grado de Mielinización,Cuanto más gruesa sea la vaina de mielina, con mayor velocidad se puede conducir un potencial de acción.

• Distancia Internodal

TRANSMISIÓN

Anatomía de La Sinapsis

• Membrana Presináptica:contiene Neurotransmisor almacenado en Vesículas.

• Espacio Sináptico: Entre ambas células , Mide habitualmente de 30-50nm

• Membrana Postsináptica: Posee receptores para el Neurotransmisor

  Clasificación de las Sinapsis

• De acuerdo a las estructuras anatómicas Involucradas se Clasifican en: - Axosomátiva (Axón de una Neurona con el Soma de otra) - Axodendritica(Axón de una Neurona con la Dendrita de Otra)) - Axoaxónica (Axón de una Neurona con un Axón de la otra) - Unión Neuromuscular (Axón de una Neurona con la Fibra Muscular)

• De acuerdo a como se lleva a cabo la Transmisión - Eléctricas: Entre las dos células existe un unión GAP JUNCTION o tipo hendirura (Nexus) - Se forma por la Aposición de Conezones situados en la Membrana de Dos Células adyacentes -Son Uniones de baja resistencia a través de los cuales se trasmite el Potencial de Acción ( Son de Latencia Corta )

  • Químicas : en las neuronas presinápticas se libera Mediador químicos: Neurotransmisores

    Eventos Fisiológicos a Nivel de la Sinapsis

  --- Neurotransmisores ya sintetizados se almacenan En Vesículas localizadas en la Terminal Presináptica

  • LLegada del Potencial de Acción despolariza Terminal y ActivaCanales de Calcio

• -- Entra Calcio a la Terminal Y la liberación Neurotransmisor de Las Vesículas X Exocitosis

  • Las Moléculas de Neurotransmisor se Almacenan En Vesículas Localizadas En la Terminal Presináptica 1- Desporalización de Membrana por la llegada Potencia de acción 2- Apertura de de Canales Dependientes Y entrada Calcio 3- Conexión del Calcio A la Calmodulina II Y Activación de la Proteína Kinasa 4- Fosforilación de La Sinapsina I (Proteina Que une la Membrana de la vesícula Con el Citoesqueleto ) 5-Movilización de la Vesícula ( Se libera Energía para el Mov ) 6 ACOMPLAMIENTO DE MEMBRANA DE LA VESÍCULA A LA MEMBRANA PRE SINÁPTICA a través de Proteínas Enlace V-SNARE, T-SNARE

    TOXINAS que MEJ OTRAN la LIBERACIÓN Neurotrasmisor

Los CLOSTRIDIOS tetani y botulinum Producen tétanos ,Botulina que dificulta la liberación

• La toxina tetánica penetra en la terminal nerviosa presináptica y bloquea la liberación de Glicina y GABA sobre la motoneurona = Parálisis Espástica -Las toxinas botulínicas disminuyen la liberación De Ach / PARÁLISIS FLÁCACida _alatrotoxina (araña viuda negra) promueve la Masiva liberación Neurotrasmisor

  ### Rutas de Neurotransmisor Liberado
  
     -Unirse a Receptores en la Membrana Postináptica
         -Unirse a Receptores en la Membrana Presináptica
        - Difundirse al Espacio Extracelular
    -SerDesnaturalización por Enzimas
  

• Ser Recapturado Activa por La Terminal Presináptica

A- Potencial Postsináptico Excitador (PPSE)

• Potencial local de hipopolarización con Aumento peremabilidad al Naci y K (neurona se hipopolariza = + cerca del potencial de acción

  ### B- POTENCIAL POST SINÁPTICO INHIVIDOR
  

• Potencial local de HIPERPOLARIZACION con con Aumento perm Cl- / Y o potasio = neurona se hiperpolariza y alejamiento del potencial de acción

  Unión Neuromuscular

    - Unión = Botón terminal fibra mielinica y fibra muscular esqueleto
    - cilindroeje Inerva Fibra muscular se divide  en TERMINALES (con Acetilcolona)
  

  • Terminaciones En Depresiones de placa motora- la Membrana muscular Pliega

    Potencial Acción Llega a la Terminación

• Se activan Canales K dependientes de voltaje ,Calcio entra en terminación presináptica Y Acetilcolona se  libera
  

  --- Acetilcolona se une a Receptores Nicotinicos post sináptica en pliergues de placa terminal

Propiedades de Sinapsis

    - Retraso Sináptico  es el tiempo que trascurre entre  p d accion Y Respuesta en Membrana
  - Trasmisión : Unidireccional

   - Fatiga Sináptica (Disminuye trasmisión NT)

• • Frequncia en Membrana PreSinaptica (40/50 pulso /seg) Supera sintesis Suscept a Las Características Fisicoquímicas de medio , ej ALCALOSIS AUM EXCITABILIDAD
• Puede haber EXCITACION o Inhibición a este Nivel

Excitación Postsináptica

   - Hipopolarización Como es consec Recetor y membrana post sináptica
   - Los Transmisores Promueve la Entrada de sodio

Inhibicion Postsináptica

        _ Hiperpolarización
      El TRansmisor  promueve Cloro  o Potasio

Inibicion Presinaptica

    -En Sinapsis  (axioaxónicas) Axion Libera GABA ,Y receptores “A" hiperpolarizan al Axon /// EXCITADOR EN NEUROMUSCULAR  (inhibición NO Ocurre DIRECTAMENTO en PRE / axón.

                ### Enfermedades Union neuromusculares con debilidad muscular: (CUADRO  3,3)

( CUADRO COMPARATIVO:LAMBERT EATON Y la MIASTENIA GRAVIS (ADULTO)