Potencial de Membrana y Potencial de Acción PDF

Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte Fisiología Humana Bloque I. Fisiología celular 3. El potencial de membrana y el potencial de acción Dr. David Ramiro Cortijo [email protected] Conteptos El potencial de membrana en reposo: rangos fisiológicos y mecanismos moleculare...

Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte Fisiología Humana Bloque I. Fisiología celular 3. El potencial de membrana y el potencial de acción Dr. David Ramiro Cortijo [email protected] Conteptos El potencial de membrana en reposo: rangos fisiológicos y mecanismos moleculares. Despolarización, hiperpolarización y repolarización. La excitabilidad celular. El potencial de acción: fases, potencial de disparo y características estimulares. Cambios iónicos de la membrana durante un potencial de acción: los canales voltaje dependiente Los periodos refractarios absoluto y relativo. Los potenciales electrotónicos y diferencia con los potenciales de acción. De qué depende la velocidad de conducción del potencial de acción. La conducción saltatoria ¿Qué es el potencial de membrana? Desequilibrio eléctrico: Entre el interior y el exterior de la membrana celular existe diferencia de cargas. Esa diferencia de cargas entre los dos lados de la membrana se denomina diferencia de potencial. ++ + La membrana celular está polarizada + - - + Interior más negativo Exterior más positivo - + - -- + V + -++ + ¿Qué moléculas contribuyen a la diferencia de cargas a ambos lados de la membrana? Proteínas Mayor concentración en el citoplasma = Tienen cargas negativas. No pueden salir de la célula (son muy grandes). Iones El K+ y el Na+ son los que más contribuyen a la diferencia de carga eléctrica = actividad Na+/K+-ATPasa Potencial de membrana La diferencia de potencial se puede medir con un voltímetro Se representa como Vm (diferencia de potencial de membrana) La diferencia de potencial de membrana (Vm) en una célula se mide en milivoltios (mV) El valor del potencial de membrana es una medida relativa, considerando valor “cero” el exterior. 𝑉𝑚 = 𝑉𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 − 𝑉𝐸𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 ++ + Esta célula tiene un Vm = -70 mV + - - + El interior es negativo, con una diferencia de 70 mV, respecto del exterior - + - - + - V Voltímetro + -++ + ¿Qué es el potencial de membrana en reposo? Todas las células del organismo mantienen una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana. Si la célula está en reposo (no activada) la diferencia de potencial se denomina potencial de membrana en reposo. Si la célula se activa, se modifican las cargas iónicas a ambos lados y puede cambiar el potencial de membrana ➔ En algunas células puede invertirse haciéndose positivo el interior ¿Cuál es el valor del potencial de membrana en reposo? Valor estándar del potencial de membrana en reposo es aproximadamente de Vm = -70mV Este valor puede ser diferente en distintas células. ¿De qué depende el potencial de membrana? Neuronas Músculo esquelético Musculo cardiaco -70 mV -70 a -90 mV -90mV 1. La bomba Na+/K+-ATPasa.  Repasa! 2. La permeabilidad a iones (fundamentalmente al K+ y Na+) ¿Qué significa permeabilidad a un ion? Permeabilidad: Capacidad de un ion de pasar de un lado a otro de la membrana. ¿De qué depende la permeabilidad de un ion? Presencia de canales abiertos para el ion  Potencial de equilibrio de un ion Es el potencial de membrana en el cual un ion equilibra su entrada y salida Na+ - - - + - Atracción por gradiente electrico K Atracción por gradiente quimico Cuando la entrada de K+ = a la salida → el Vm en ese momento es el potencial de equilibrio del K+ - - - Si cambia la permeabilidad de la membrana a El potencial de membrana depende de la permeabilidad (canales) algún ion, se modifica el potencial de membrana Vm = -70 mV  canales de K+ en la membrana =  la  canales de Na+ en la membrana =  permeabilidad al K+ la permeabilidad al Na+ = Canales para Na+ El K+ saldrá de la célula. El Na+ entrara a la célula. = Canales para K+ El Vm será menos negativo. El Vm será más negativo. Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ -K - Na K+ -K - Na -K - Na -K + + + Na+ -K K+ + + Na+ -K K+ + + - K K - + - K K - + Na+ - - Na + - K K - + Na+ - - + Na+ + + Na+ - - + Na+ + Na+ Na+ Na+  Potenciales de equilibrio del sodio y potasio El potencial de equilibrio de un ion (EX) se puede calcular Potencial de equilibrio del Na+ = +50 mV mediante la Ecuación de Nerst conociendo la carga del ion (n) y sus concentraciones dentro y fuera. Potencial de equilibrio del K+ = -85 mV En condiciones fisiológicas 𝑅 × 𝑇º [𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑟]𝑋 [𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑟]𝑋 𝐸𝑋 = 𝐿𝑛 → 61.5 × 𝐿𝑜𝑔10 𝑛×𝐹 [𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑟]𝑋 [𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑟]𝑋 Potencial de membrana en reposo = -70 mV. El potencial de membrana está más cercano al potencial de equilibrio del K+ porque hay más permeabilidad al K+ (más canales de K+ que de Na+). 𝑃𝑁𝑎 · [𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎]𝑁𝑎 + 𝑃𝐾 · [𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎]`𝐾 + 𝑃𝐶𝑙 · [𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎]𝐶𝑙 Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz 𝑉𝑚 = 61.5 × 𝐿𝑜𝑔10 𝑃𝑁𝑎 · [𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎]𝑁𝑎 + 𝑃𝐾 · [𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎]`𝐾 + 𝑃𝐶𝑙 · [𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎]𝐶𝑙 En condiciones fisiológicas, donde RTº/F son constantes (R=8314 kJ/K·mol; Tº en Kelvin es = 37+273 = 310ºK; F=96485 C/mol) es igual a 26.712. Si se transforma el Ln en Log10, entonces la constante es 26.712 x 2.303 = 61.5. Si aplicas la relación de concentraciones al revés, es decir [Intra]/[Extra], debes poner el signo en función de la dirección del ion, siendo "+" si se moviera hacia el interior celular y "-" si se moviera hacia el exterior celular. ¿Qué es una despolarización, hiperpolarización y repolarización? El potencial de membrana en reposo puede modificarse ante determinados estímulos Despolarización:  de la polaridad = interior menos negativo o INCLUSO POSITIVO. Hiperpolarización:  de la polaridad = interior más negativo. Repolarización: vuelta a la polaridad en reposo. Estimulo: ligando, paso de iones, Vm = -70 mV corriente eléctrica iones Vm se hace menos negativo Vm se hace más negativo Vm en reposo Vm Si se repolariza -90 mV Despolariza -60 mV -90 mV Despolarización -70 mV Despolariza +30 mV -70 mV Repolarización Hiperpolarización -70 mV Hiperpolariza -90 mV -70 mV Células excitables y no excitables Todas las células tienen potencial de membrana Vm = Vm = Vm = Vm = -70 mV -70 mV +30 mV -10 mV Células no excitables Células excitables En respuesta a un estímulo, cambia su Vm ✓ ✓ Los cambios en el Vm modifican la actividad celular ✓ ✓ Cambios de Vm PEQUEÑOS GRANDES Transmite señales eléctricas  ✓ Distancia de la señal -- LARGAS Algunas células presentan excitabilidad Todas las células: Tienen un potencial de membrana en reposo. Pueden variar, ligeramente, el potencial de membrana en reposo (depolarizarse, hiperpolarizarse) Algunas células: Pueden generar grandes variaciones del potencial de su membrana en respuesta a estímulos = excitabilidad. Excitabilidad. La capacidad de algunos tejidos de producir una señal eléctrica en respuesta a estímulos. Esta señal se denomina potencial de acción ¿Qué tipos de células presentan excitabilidad y para qué sirve? Tejidos NO excitables Tejidos excitables Puede transmitir mensajes a larga distancia Puede generar fuerza Liberar neurotranmisores Contraerse El potencial de acción Inversión brusca del potencial de membrana Se genera por cambios en la permeabilidad de algunos iones (Na+, K+, Cl- y Ca2+). Los iones se mueven a través de canales iónicos mediados por voltaje +35 mV Entra Na+ Sale K+ Tiempo de latencia Umbral: -55 mV -70 mV Fase hiperpolarizante Estímulo desencadenante Canales están implicados Canales de Na+ y K+ dependientes de voltaje Cerrado Reposo Abierto Activo Abierto Inactivado Canales de Na+: No pasa Na+ Pasa Na+ No pasa Na+ Tienen 2 compuertas Son muy rápidos en abrirse Se abren cuando la célula se despolariza y después se inactivan Cerrado Abierto Canales de K+: No pasa K+ Pasa K+ Tienen 1 compuerta Son muy lentos en abrirse y cerrarse Se abren cuando la célula se despolariza y se cierran lentamente Cambios iónicos en las distintas fases del potencial de acción en una neurona Canal Na+ Canal K+ Na+ K+ Na+ 1. Estímulo. 2. Ligera despolarización. Na+ 3. Apertura de canales Na+ voltaje dependiente. Na+ 4. Entrada masiva de Na+ 5. Despolarización masiva y generación del K+ potencial de acción Umbral de disparo: potencial de membrana que permite la apertura de canales de Na+ voltaje dependiente K+ https://phet.colorado.edu/sims/html/neuron/latest/neuron_es.html  Resumen Cambios en las distintas fases del potencial de acción 1. Potencial de membrana en reposo. 2. Un estímulo induce una pequeña despolarización. 3. Si la despolarización alcanza un nivel umbral (aprox -55 mV), se abren los canales de Na+ voltaje-dependientes rápidamente (tiempo de latencia=tiempo que tardan en abrirse). Los canales de K+ voltaje-dependientes también se activan, pero son muy lentos y no están abiertos aún. 4. Entra mucho Na+ por lo que la célula se despolariza bruscamente y se invierte el potencial (+35 mV). Empiezan a inactivarse los canales de Na+ (cierre de la 2ª compuerta). 5. En el pico (+35 mV) ya están inactivados los canales de Na+ y los canales de K+ están abiertos completamente. 6. El K+ sale de la célula (pierde cargas positivas=la célula gradualmente se repolariza hacia su potencial de reposo). 7. Cierre lento de los canales de K+, sigue saliendo K+ = se produce una ligera hiperpolarización. 8. Cierre completo de canales de K+ y repolarización Tiempo de apertura de canales voltaje dependientes Potencial de acción +55 Apertura de canales Na+ +35 Apertura de Canales K+ 0 Vm -10 “Umbral de disparo” -45 -60 -75 Tiempo (ms) Características de un potencial de acción 1. Respuesta estereotipada de todas las células excitables: Cuando se genera un potencial de acción siempre tendrá la misma amplitud. 2. Dura milisegundos 3. Fenómeno todo-nada: Si no se alcanza el umbral de disparo NO se produce potencial de acción A. Si la intensidad del estímulo es baja y no alcanza el umbral no se genera un potencial de acción B. Si la intensidad del estímulo es suficiente para que el potencial de membrana se modifique hasta el umbral se produce un potencial de acción C. Un estímulo de intensidad superior al necesario para alcanzar el umbral genera un potencial de acción de igual intensidad. estímulo subumbral estímulo umbral estímulo supraumbral Umbral de disparo Los periodos refractarios Es el tiempo durante el cual un estímulo adicional no pueden generar otro potencial de acción. Absoluto. No se puede generar, aunque el estímulo sea de alta intensidad Relativo. Puede generarse otro potencial si el estímulo es de suficiente intensidad. Canales de Na+ inactivados Canales de K+ abiertos, pero empiezan a cerrarse Canales de Na+ ya no están inactivados y podrían llegar a abrirse si el estímulo es suficientemente alto Potenciales electrotonicos Suelen perder intensidad con la distancia = el potencial de membrana puede volver al potencial en reposo en zonas de la membrana alejadas del estímulo. Pueden sumarse = un estímulo depolarizante repetido puede progresivamente depolarizar la membrana lo suficiente como para llegar al umbral de disparo, originándose un potencial de acción -45 mV +35 El cono axónico es la zona de -55 mV la neurona al inicio del axón con una gran concentración 0 de canales Na+ voltaje- Vm -10 dependientes -55 -60 -75 Tiempo (ms) Potenciales electrotonicos Ejemplo de estímulo depolarizante (neurotransmisor) que tras liberación repetida genera potenciales electrotonicos +35 0 Vm -10 Si los potenciales electrotónicos llegan al umbral de disparo en la zona del cono axónico, se dispara un potencial de acción -55 -60 -75 Tiempo (ms) Potenciales electrotonicos  Diferencias entre potenciales de acción y potenciales escalonados Potencial de acción Potencial escalonado Despolarización Despolarización o hiperpolarizacion Magnitud Grande Pequeña Distancia Larga Corta Intensidad No pierde Si pierde Canales iónicos Voltaje-dependientes Activados por voltaje / por ligando / por estiramiento Una vez se alcanza el umbral de disparo no son Son directamente proporcionales a la intensidad del directamente proporcionales a la intensidad estímulo. Si alcanzan umbral→ Potencial de acción Umbral de disparo Resumen señales eléctricas Un estímulo (sustancia química, estiramiento mecánico o entrada de iones por uniones en hendidura) produce apertura de canales iónicos y una variación del potencial de membrana en reposo. Despolarización Potencial DE ACCIÓN (inversión del potencial de membrana) Variación del potencial de membrana en reposo Despolarización Potencial ELECTROTÓNICOS Hiperpolarización  Cono axónico o segmento inicial del axón: membrana con alta El potencial de acción en una neurona concentración de canales de Na+ y K+ voltaje-dependientes Canales dependientes de voltaje Canales pasivos “de goteo” (por cambios de potencial) (abiertos siempre) Canales dependientes de ligando (por mensajero químico) Propagación del potencial de acción El potencial de acción se va alejando del lugar donde surgió. La propagación se realiza en un solo sentido y sin decremento (no disminuye su amplitud) El Na+ que entra durante la despolarización se mueve hacia regiones adyacentes atraídos por las cargas negativas: Hacia adelante: cambian el potencial de membrana y se alcanza el umbral → nuevo potencial de acción. Hacia detrás. No se genera un potencial de acción porque la región esta en periodo refractario. Potencial de reposo Depolarización Repolarización ¿De qué depende la velocidad de conducción del potencial de acción? La velocidad de propagación varía en función de: ▪ Diámetro del axón ▪ Presencia de mielina: La vaina de mielina actúa como aislante del axón ▪ Conducción saltatoria = velocidad de propagación más rápida. ¿De qué depende la velocidad de conducción del potencial de acción? Diámetro del axón Tipo Diámetro Velocidad Fisiología A 1-20 m 15-20 m/s Dolor agudo, tacto, presión, musculo esquelético Mielina B 1-3 m 3-15 m/s Visceral C 0.5-1.5 m 0.5-2 m/s Dolor crónico Sin Mielina Conducción saltatoria: Es la propagación del potencial de acción en una fibra mielinizada ¿Cómo se produce la conducción saltatoria? La mielina es aislante → evita perdida de iones por goteo hacia el líquido extracelular La apertura de canales de Na+ sólo se produce en los Nodos de Ranvier (no aislados) → Se reduce el Nº de canales que deben abrirse y cerrarse → propagación más rápida Velocidad de conducción nerviosa Axones sin mielina Axones con mielina (velocidad más lenta) (velocidad más rápida) Dirección del Dirección del impulso impulso En axones no mielínicos la velocidad es “Conducción saltatoria” tanto mayor cuanto mayor es su diámetro Fisiología de las células excitables Resumen 1. Las células excitables (tejido nervioso y muscular) pueden generar potenciales de acción en respuesta a un estímulo. 2. Un estímulo puede provocar: Potencial electrotónico (depolarizar o hiperpolarizar) Potencial de acción (inversión de la polaridad de la membrana, siempre depolarizante) 3. El potencial de acción en una célula nerviosa surge por: La depolarización inducida por un estímulo que alcanza el “umbral de disparo” Aumento de la permeabilidad a Na+ y K+. La zona del cono axónico = mayor concentración de canales voltaje dependientes 4. Los potenciales de acción, a diferencia de los electrotónicos: Tienen siempre la misma amplitud (Ley del todo o nada) Poseen periodo refractario (no hay “sumación” en absoluto) 5. La propagación de los potenciales de acción en una neurona: Se lleva a cabo en un solo sentido y sin “decremento” Es más rápida en los axones con mielina (conducción saltatoria) Es más rápida cuanto mayor es el grosor del axón