Potenciales de Membrana y Potenciales de Acción

Potenciales de Membrana y Potenciales de Acción

• Presentado por Dr. Hugo Monfredini en 2019, Fisiología- FCM-UNA

Generalidades de la Membrana

• La membrana celular incluye proteínas en estructura alfa-hélice, cadenas de oligosacáridos, glucolípidos, proteínas globulares, fosfolípidos, segmentos hidrófobos de proteínas y colesterol.

Conceptos Básicos

• Los conceptos básicos incluyen potencial de difusión, potencial de equilibrio, ecuación de Nernst, ecuación de Goldman Hodgkin Katz, potencial de reposo, potencial de acción y periodo refractario.

Potencial de Membrana

• Es la diferencia de carga, o diferencia de potencial a través de la membrana.
• Representa la diferencia de permeabilidad a iones.
• Está influenciado por la presencia de moléculas con carga negativa que no se difunden dentro de la célula.
• Está influenciado por las bombas de Na+/K+, creando una distribución desigual de cargas a través de la membrana.

Potenciales de Membrana por Difusión

• Son causados por la difusión de iones a través de la membrana.
• En una fibra nerviosa, la difusión de iones potasio desde el interior hacia el exterior de la célula a través de una membrana selectivamente permeable al potasio genera un potencial de difusión.
• En una fibra nerviosa, la difusión de iones sodio a través de una membrana permeable solo al sodio también genera un potencial de difusión.
• El interior de la membrana es negativo durante la difusión de iones potasio y positivo durante la difusión de iones sodio.

Potencial de Equilibrio de Potasio

• Si el K+ fuera el único ion capaz de difundirse, se distribuiría entre los compartimentos intracelular y extracelular hasta establecer un equilibrio.
• En equilibrio, la concentración de K+ dentro de la célula es mayor que fuera debido a la atracción de K+ por los aniones fijos.
• El interior de la célula sería de -90 mV en comparación con el exterior, lo cual representa el potencial de equilibrio (Ek) para el potasio.

Potencial de Difusión

• Es la diferencia de potencial generada a través de una membrana cuando un soluto cargado (ion) se difunde a favor de su gradiente de concentración.
• Un potencial de difusión puede generarse solo si la membrana es permeable a ese ion.

Potenciales de Equilibrio

• Si existe una diferencia de concentración para un ion a través de una membrana permeable a ese ion, se crea un potencial de difusión.
• La difusión neta del ion se enlentece y luego se detiene debido a esta diferencia de potencial.

Potencial de Equilibrio

• Es el potencial de difusión que equilibra 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 sobre un ion son iguales y opuestas, sin difusión neta.

Relación entre el Potencial de Difusión y la Diferencia de Concentración: Potencial de Nernst

• El nivel del potencial de difusión a través de una membrana que se opone exactamente a la difusión neta de un ion particular se denomina potencial de Nernst para ese ión.
• La ecuación para calcular el potencial de Nernst es: FEM (milivoltios) = ± (61/z) x log (Concentración interior / Concentración exterior).

Cálculo del Potencial de Difusión con Multiples Iones Permeables

• El potencial depende de tres factores.
• La polaridad de la carga eléctrica de cada uno de los iones.
• La permeabilidad de la membrana (P) para cada uno de los iones.
• Las concentraciones (C) de los respectivos iones en el interior y exterior de la membrana.

Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz

• La ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz es: FEM (milivoltios) = -61 x log((CNa+i PNa + CK+i PK + CCl-o PCl-) / (CNa+o PNa + CK+o PK + CCl-i PCl-)).
• Los iones Na +, K+, Cl - son los más importantes en la generación de potenciales de membrana.
• El gradiente de cada uno de ellos ayuda a determinar el voltaje de membrana.

A partir de la Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz

• El grado de importancia de cada uno de los iones es proporcional a la permeabilidad de la membrana para ese ion particular.
• Un gradiente positivo de concentración iónica desde el interior hacia el exterior produce electronegatividad en el interior de la membrana.
• La permeabilidad de los canales de Na y K experimenta cambios rápidos durante la transmisión del impulso nervioso.
• Los cambios rápidos de la permeabilidad al sodio y al potasio son los principales responsables de la transmisión de las señales en las neuronas

Potencial de Membrana en Reposo de los Nervios

• Es de -90 mV por dentro de la membrana celular (MC).

Factores Determinantes del Potencial de Membrana en Reposo

• Transporte activo de Na y K a través de la membrana celular (MC) por la Bomba de Na-K.
• Fuga de potasio y de sodio a través de la membrana nerviosa, a través de canales de fuga con una permeabilidad de 100:1 (Na:K).

Bomba de Sodio y Potasio y los Gradientes de Concentración

• La Bomba de Sodio y Potasio genera los gradientes de concentración a través de la membrana.
• El Na⁺ (exterior) representa 142 mEq/l, Na⁺ (interior) representa 14 mEq/l, K⁺ (exterior) representa 4 mEq/l, y K⁺ (interior) representa 140 mEq/l.
• Las razones son: Na⁺interior / Na⁺exterior = 0.1 y K⁺interior / K⁺exterior = 35.

Origen del Potencial de Membrana en Reposo Normal

• La contribución del potencial de difusión del K es -94 mV.
• La contribución de la difusión del Na es +61 mV (K y Na juntos -86 mV).
• La contribución de la Bomba de Na-K representa – 4 mV más de electronegatividad, resultando en -90 mV.

Potencial de Acción Nervioso

• Son cambios rápidos del potencial de membrana.
• Mediante estos potenciales de acción (PA) se transmiten las señales nerviosas.
• El proceso se inicia con un cambio súbito del potencial negativo hacia el lado positivo y culmina restaurándose nuevamente la electronegatividad interna.
• Este cambio se desplaza a lo largo de la fibra nerviosa.

Fases del Potencial de Acción

• Fase de reposo: La membrana está polarizada a -90 mV.
• Fase de despolarización: Gran permeabilidad al Na. El potencial aumenta de -90 mV en dirección positiva.
• Fase de repolarización: Cierre de los canales de Na y apertura de los canales de K, retornando al potencial normal.

Canales de Sodio y Potasio Activados por Voltaje

• Un canal de sodio activado por voltaje aumenta la permeabilidad al sodio de 500 a 5000 veces.

Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz

• Los cambios rápidos de la permeabilidad al sodio y al potasio son los principales responsables de la transmisión de las señales en las neuronas.
• Un canal de potasio activado por Voltaje

Conducción

• La permeabilidad de los canales de Na y K experimenta cambios rápidos durante la transmisión del impulso nervioso.
• Un canal de potasio activado por voltaje.

El Potencial de Acción (Esquemático)

• Los componentes son umbral, estímulo, inicios fallidos, potencial de reposo, pico, fase refractaria y sobreexcitación.
• El potencial de acción (real) presenta potencial de reposo, umbral y estimulo insuficiente.

Canales de Sodio y Potasio

• Durante el potencial de acción, el potencial de membrana aumenta súbitamente desde el valor en reposo normal de -90 mV hasta un valor positivo de +10 mV durante 2 ms.
• Los canales de sodio se abren y se cierran (inactivan) antes del final de los 2 ms, mientras que los canales de potasio solo se abren y la velocidad de apertura es mucho más lenta que la de los canales de sodio.

El Proceso de Repolarización

• La disminución de la entrada de sodio a la célula y el aumento simultáneo de la salida de potasio desde la célula se combinan para acelerar el proceso de repolarización.
• Esto da lugar a la recuperación completa del potencial de membrana en reposo en otras diezmilésimas de segundo.

Cambios de Conductancia

• La conductancia al sodio aumenta varios miles de veces durante las primeras fases del potencial de acción, mientras que la conductancia al potasio aumenta solo aproximadamente 30 veces.

Funciones de Otros Iones Durante el Potencial de Acción

• Iones no difusibles: son responsables de la carga negativa (proteínas, fosfatos orgánicos, sulfatos, etc).
• Iones de calcio: cooperan con el sodio o actúan en su lugar en algunas células.
• La apertura de estos canales es más lenta y proporcionan una despolarización más sostenida, disminuyendo su concentración facilita la activación de canales de sodio e inician la despolarización con menos umbral.

Inicio del Potencial de Acción

• Un ciclo de retroalimentación positiva abre los canales de sodio.
• El Umbral para el inicio del potencial de acción corresponde al aumento mínimo del PM para el inicio del PA a -65 mV.

Propagación del Potencial de Acción

• El potencial de acción se inicia en un punto de una membrana excitable, habitualmente excita porciones adyacentes dando lugar a la propagación del potencial de acción.
• Una membrana excitable no tiene dirección de propagación, propagándose en todas direcciones alejándose del estímulo hasta que se despolarice toda la membrana.

Principio del "Todo o Nada"

• Una vez que se ha originado el potencial de acción en cualquier punto de una fibra normal, el proceso de despolarización viaja por toda la membrana si las condiciones son las adecuadas, o no viaja si no lo son.

Restablecimiento de los Gradientes Iónicos

• El restablecimiento de los gradientes iónicos de sodio y potasio tras completarse los PA es importante gracias el metabolismo de la energía.
• La actividad de la Bomba de Na y K aumenta hasta la 3ª potencia cuando aumenta el Na Intracelular.

Meseta en Algunos Potenciales de Acción

• En el musculo cardiaco, el potencial de acción incluye canales rápidos de Na y lentos de Na-Ca, siendo estos últimos responsables por la meseta debido a la entrada de Ca.

Ritmicidad de Algunos Tejidos Excitables

• Es responsable del latido rítmico del corazón.
• Es responsable del peristaltismo en intestinos.
• Es responsable de fenómenos neuronales como el control rítmico de la respiración.
• Las membranas deben ser lo suficientemente permeables al Na+ (o al Ca y Na por canales lentos) para permitir la despolarización automática de la membrana.

Caracteristicas Especiales

• Las fibras nerviosas mielinizadas y no mielinizadas presentan características especiales de la transmisión de señales en los troncos nerviosos.
• Las fibras grandes son mielinizadas y las pequeñas son no mielinizadas.
• El axón contiene dentro el axoplasma, luego está rodeado de la vaina de mielina, que cada 1 a 3 mm se interrumpe (nódulos de Ranvier).
• Las membranas de las células de Schwann tienen una sustancia: esfingomielina.
• La esfingomielina es un excelente aislante eléctrico que disminuye el flujo iónico aproximadamente 5000 veces.
• La velocidad de conducción varía de 0.25 m/s en las no mielinizadas hasta 100 m/s en las grandes fibras mielinizadas.

Conducción Saltatoria en Fibras Mielinizadas

• La transmisión del impulso se da solo en los nódulos.
• La despolarización salta largos intervalos y aumenta la velocidad de transmisión 5 a 50 veces..
• Se conserva energía para el axón ya que solo se despolarizan los nódulos, permitiendo una pérdida de iones 100 veces menor.

La Vaina

• Al disminuir la capacitancia de la fibra 50 veces, la vaina permite que se produzca la repolarización con poca transferencia de iones.

Excitación

• Proceso de generación de potencial de acción con estímulos mecánicos, químicos, electricos con un Umbral de excitación.
• Hay potenciales locales agudos y subliminales agudos.
• También existe un periodo refractario.

Resumen

• PMR: gran permeabilidad al K+.
• PA (despolarización): gran permeabilidad al Na+ (Ca+) por apertura de canales activados por voltaje o ligandos.
• Repolarización: cierre de canales de Na+ y apertura de canales de K+ activados por voltaje.
• El post potencial hiperpolarizante resulta en mayor conductancia a K+ durante un breve periodo de después de la repolarización.

Hiperpolarización y Periodos Refractarios

• La Hiperpolarización ocurre cuando el potencial de membrana se vuelve más negativo que el valor de reposo, por ejemplo, un PMR -70 pasa a -85mV.
• El Periodo Refractario Absoluto impide la posibilidad de producir un PA con cualquier estímulo intenso.
• El Periodo Refractario Relativo permite la generación de PA, sólo con un estimulo más intenso del habitual, y coincide con la etapa del post potencial hiperpolarizante.

Preguntas

• Cuando una neurona es estimulada se vuelve más permeable a sodio.
• Los iones Sodio difunden hacia en interior causando despolarización.
• El periodo de tiempo en el cual una neurona es insensible a una nueva estimulación y no puede generar un nuevo potencial de acción el periodo refractario absoluto.
• La conducción saltatoria se da en fibras mielinizadas
• La meseta de los potenciales de acción se debe a Canales lentos de Calcio.
• La conductancia al Sodio se encuentra baja y la de Potasio alta, durante el potencial de reposo.

Caso Clínico

• Juan, un buen alumno, se entera que perderá el año por falta de asistencia con la Jefa de Cátedra.
• Juan sale con lagrimas en los ojos luego de la entrevista, hiperventilando, inmediatamente empieza tener espasmos musculares y fasciculaciones.
• La hiperventilación por una crisis de ansiedad aumenta la eliminación de CO2.
• La hipocapnia genera alcalosis respiratoria.
• La alcalosis aumenta la unión del Calcio iónico a las proteínas plasmáticas.
• La hipocalcemia funcional transitoria.
• Esto genera aumento de la excitabilidad neuromuscular.