Potencial de Membrana en Reposo y Canales Iónicos

Repaso del Potencial de Membrana en Reposo

• Alan Hodgkin y Andrew Huxley propusieron la existencia de canales que permiten el paso selectivo de iones a través de la membrana plasmática.
• La difusión, la ósmosis y la permeabilidad sientan las bases del funcionamiento electrofisiológico celular
• Voltage Clamp es un dispositivo para determinar corrientes iónicas utilizando el voltaje como fuente principal.

Deducciones Mediante Voltage Clamp

• Los canales deben tener una alta capacidad de conducción debido a la magnitud de las corrientes determinadas.
• Las corrientes iónicas dependen de un gradiente electroquímico.
• La conducción de Na y K es independiente, requiriendo canales específicos para cada uno.
• Los canales tienen sensores de voltaje.
• Se necesita un estímulo para activar un canal.

Tipos de Canales Iónicos

• Canales dependientes de voltaje se abren si las cargas positivas disminuyen y las negativas aumentan, permitiendo el paso de iones.
• Los cambios de voltaje permiten el paso de iones.
• Canales dependientes de ligando/acoplados a un receptor están asociados a receptores como AMPc o GMPc.
• Mecanoreceptores responden a estímulos mecánicos.
• Los canales de fuga siempre están abiertos, dependiendo del tipo de ion que conducen.

Propiedades Eléctricas de la Membrana

• La membrana actúa como un capacitor o condensador (voltaje).
• La membrana es selectivamente semipermeable (resistencia).
• La conductancia mide la corriente.
• Los iones se distribuyen de manera diferencial, generando voltaje.
• La membrana funciona como un capacitor/condensador.
• La resistencia es proporcionada por los canales que permiten la corriente (conducción).
• Más canales resultan en menor resistencia

Moléculas Presentes en el Potencial de Membrana

• Aniones orgánicos con carga negativa (-), como el ADN.
• Cationes con carga positiva (+), como Na+ y Ca2+.

Mecanismos de Apertura/Cierre

• Un canal cerrado o abierto sufre despolarización (cambio en las cargas) o hiperpolarización (aumento de las cargas del valor de referencia).
• La compuerta de un canal se abre cuando ocurre un cambio de voltaje, permitiendo la conducción de la corriente iónica.

Estados del Canal y Mecanismos de Apertura/Cierre

• Estados del canal: abierto, cerrado (impermeable), inactivo (fase refractaria).
• Un canal puede entrar en un estado de nula o baja respuesta si el estímulo es demasiado prolongado o intenso.

Búsqueda Mediante Fármacos

• Un canal tiene una región del poro, un sensor de voltaje y un dominio de inactivación.
• La fosforilación puede acelerar la apertura de un canal.
• Las toxinas pueden inactivar los canales de sodio dependientes de voltaje y los canales unidos a ligando.

Búsqueda Mediante Muestras Enriquecidas

• Los nódulos de Ranvier contienen muchos canales.

Búsqueda de Información Estructura/Función

• Se busca mediante modelos in vivo, reconstitución en bicapas (ex vivo) y modelos in vitro, como los estudios de Huxley y Hudkins con el axón del calamar.
• Se seleccionan modelos de estudio buscando células con la menor cantidad de canales o induciendo la expresión de un gen en un organismo que no lo tenía (transgénico).

Permeabilidad Dependiente de Voltaje

• El voltage clamp (flotador de voltaje) permite estudiar canales sensibles a voltaje ajustando el voltaje de la membrana.
• Efectos del voltaje:
  • Repolarización: el voltaje regresa de (-) a (+).
  • Hiperpolarización: aumentan las cargas (+) o (-).
  • Despolarización: el voltaje va de (+) a (-).

Registro de Corriente

• El patch clamp permite estudiar un solo canal.

Fuerzas que Impulsan un Ion

• Las fuerzas que impulsan un ion son el gradiente y la carga.
• La conducción se lleva a cabo a través de los canales; si el canal está cerrado, no hay conducción. El voltaje permanece estable.

Flujo de Iones/Difusión Iónica

• El flujo de iones se describe por: J= -D/ deltaC/ deltaX, J= I/zF
  • i= corriente, z= valencia del ion, F= cte de Faraday
• Cuando un canal se abre (estado activo), conduce una corriente eléctrica (iones con cierta carga), a esto se le denomina CONDUCTANCIA (g).

Potencial Electroquímico: Ecuación de Nernst (1 solo ion a la vez)

• Describe la relación entre la diferencia de potencial a cada lado de la membrana, en equilibrio con las características de los iones del medio externo e interno y de la membrana.
• Indica en qué condiciones un ion ya no se mueve.
• E= 2.3RT/zF. log(1)/log(2) convierte la diferencia de concentración de un ion en voltaje.
• La membrana tiene carga negativa (-) en el interior y positiva (+) en el exterior.
• La diferencia de cargas en una célula es el potencial.

Esquema Eléctrico de la Membrana Celular

• El potencial observado a través de la membrana resulta de la cantidad de canales abiertos y de su permeabilidad relativa.
• E= mV/ d: cuanto más delgada es la membrana, mayor es el campo eléctrico.

Gradiente Iónico Asimétrico/Diferencia de Permeabilidad

• El flujo de iones cambia el voltaje.
• El potencial de equilibrio depende del gradiente y del campo eléctrico.

Efecto de Gibbs-Donnan: Gradiente Electroquímico

• La asimetría de partículas cargadas depende de:
  • Gradiente químico (concentraciones diferenciales).
  • Campo eléctrico (diferencia de potencial eléctrico).
• La diferencia entre el potencial de membrana y el potencial de equilibrio de un ion determina su dirección de flujo.
• El gradiente electroquímico solo aplica para iones (sustancias que tienen carga).

Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz

• Calcula el potencial de la membrana en el interior de la célula cuando participan dos iones positivos univalentes (K+ y Na+) y un ion negativo también univalente (Cl-).
• EHK= RT/F . In Pk[K+]out + PNa[Na+]out + PCI[Cl-]in/ Pk[K+]in + PNa[Na+]in + PCI[Cl-]out
• Donde c= concentración del ion y p= permeabilidad de la membrana del ion.

El Ion Calcio

• El Ca+ tiene el mayor gradiente de todos los iones, pero tiene muy baja permeabilidad.
• Esto lo aleja significativamente de ser importante respecto a cambios en el potencial de membrana, cuando llega a permear.

Efecto de Gibbs-Donnan: Una Catástrofe Bajo Control

• El potencial de membrana en reposo depende de:
  • La gran permeabilidad de K+.
  • Los aniones que están dentro de la célula no se salgan.
• El potencial de membrana en reposo se mantiene por:
  • Alta permeabilidad al K+ (muchos canales de K+ abiertos). -Baja/nula permeabilidad de aniones (proteínas intracelulares/fosfatos) -Bomba Na/K+ (mantiene el gradiente de K+ bajo control).
• Potencial de membrana en reposo: -60mV.

Dinámica en los Cambios en la Polaridad de la Membrana

• Un cambio de voltaje, que obedece a un estímulo, se produce con un electrodo intracelular y otro extracelular.

Responsables de los Cambios en la Resistencia de la Membrana

• La membrana tiene conductividad iónica selectiva; el potencial de acción obedece a cambios drásticos en la permeabilidad.
• Un ion tiene que ser respuesta a ese cambio (K+, Ca+, Cl-, Na+).

Potencial de Membrana en Acción

• Proceso de todo o nada: o se da, o no se da.
  • Corriente subumbral: no provoca P.A.
  • Corriente supraumbral: provoca P.A.
• Potencial umbral➔ ocurre una curva de dosis/ respuesta.

Periodo Refractario

• Es el intervalo de tiempo durante el cual no se puede generar un potencial de acción.
• Refractario absoluto: ocurre desde el inicio del P.A hasta el inicio de la repolarización (los canales de Na+ están inactivos); no se puede generar un P.A.
• Refractario relativo: ocurre durante la repolarización y la hiperpolarización; se puede generar otro P.A si el estímulo es más fuerte.

Fenómenos de Adaptación

• Respuesta fásica: genera P.A inmediato y se regresa.
• Respuesta tónica: se generan varios P.A a la vez.

Tipos de Corrientes Inducidas por Voltaje

• Cuando despolarizas: hay 2 componentes principales.
  • Corriente entrante/ temprana.
  • Corriente tardía/ saliente: persiste y aumenta conforme aumenta la Vm.

Relación entre Amplitud de Corriente y Potencial de Membrana

• Ambas conductancias (entrante/saliente) son tiempo dependientes.
• La corriente temprana no se da en Vm mayores a +52Vm.
• Para las condiciones del axón gigante de calamar, el Na presenta un ENa=+55Vm.

¿Cómo una Célula Puede Perder sus Iones Intracelularmente?

• Se puede neutralizar el efecto de los canales con farmacología.
• La tetradotoxina quita la corriente entrante, demostrando que es Na+ y que es un canal.
• El tetraetilamonio permanece la entrante y quita la saliente.
• Farmacológicamente la identidad del ion que se moviliza primero es Na+ y durante la corriente saliente sostenida es K+.

Identificación de la Corriente Entrante/Temprana

• La corriente entrante no se presenta en ausencia de Na+ extracelular (pero no se afecta la saliente sostenida).
• Se restablece cuando se vuelve a incluir al Na+ en el medio extracelular.

Conductancia Dependiente al Voltaje

• lion= Gion (Vm-Eion).

Potencial de Acción

• Inicia con la apertura de canales de Na+ y termina mediante canales de K+.

Eventos de Apertura, Cierre/Insensibilización-Cierre

• Canal de Na+: cerrado, abierto, inactivo, cerrado.
• Canal de K+: cerrado, cerrado, abierto, cerrado.
• La bomba Na/K se encarga de corregir los gradientes iónicos.

Importancia de la Cinética de GNa

• La GNa automáticamente empieza a detenerse al llegar al pico del PA, resultando en una repolarización más rápida y potencializando la ocurrencia de más eventos.
• Una despolarización lenta no es efectiva para provocar un PA.
• El curso temporal de la recuperación del estado inactivo es determinante para los periodos refractarios.

Potencial de Membrana en Acción

• Los potenciales de equilibrio de cada ion son referencias importantes del comportamiento del potencial de acción.
• Canales de Na+➔ despolarización.
• Canales de K+➔ repolarización.
• La bomba Na/K+ se encarga de la recuperación hacia la parte de reposo.