Fisiología Humana - Apuntes PDF

Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte Fisiología Humana Bloque I. Fisiología celular 1. Introducción a la Fisiología Dr. David Ramiro Cortijo [email protected] Contenidos Las funciones básicas de los seres vivos y sus niveles de organización. Composición y función...

Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte Fisiología Humana Bloque I. Fisiología celular 1. Introducción a la Fisiología Dr. David Ramiro Cortijo [email protected] Contenidos Las funciones básicas de los seres vivos y sus niveles de organización. Composición y función del medio interno: mantenimiento de la constancia del medio interno. Las funciones principales de los sistemas fisiológicos. La homeostasis: mantenimiento de del rango fisiológico para la salud. Sistemas de control homeostáticos intrínseco y extrínseco y mecanismos. Parámetro fisiológico de regulación por mecanismos homeostáticos. Los sistemas endocrino y nervioso como sistemas de regulación homeostática. Introducción a la Fisiología La Fisiología se ocupa de estudiar el funcionamiento “normal” de los seres vivos Fisiología: ciencia que estudia la forma en que funcionan las distintas partes del cuerpo y los mecanismos que utiliza el organismo en su conjunto para llevar a cabo las tareas esenciales para el desarrollo de la vida. Conocer las funciones del organismo en la salud guarda relación con su morfología y es necesario para comprender como se alteran en la enfermedad. Estudia la función de los sistemas corporales, pero no es un simple catálogo de sistemas corporales → Integración Estudia cómo funciona nuestro cuerpo de forma integrada en distintas situaciones Introducción a la Fisiología. Funciones básicas de los seres vivos RELACION NUTRICION Nos relacionamos con el medio Transformamos la materia que tomamos que nos rodea, manteniendo del medio en energía y otras sustancias nuestro medio interno constante Metabolismo / Crecimiento / Desarrollo REPRODUCCION Contribuimos a la supervivencia y perpetuación de la especie Niveles de organización de los seres vivos Los seres vivos se diferencian de los inertes en su nivel de complejidad Materia inerte = Moléculas sencillas Seres vivos = Moléculas complejas Hidratos de carbono Lípidos Proteínas Ácidos nucleicos Niveles de organización de los organismos pluricelulares Complejidad ascendente Sistemas y 6. 1. Molecular 5. Aparatos Organismo 4. Órganos Orgánulo 2. Celular 3. Tisular Niveles de organización de los organismos pluricelulares. Células Las macromoléculas se organizan para formar células. Unidad funcional básica. Estructuras con una separación a través de una membrana. La composición del interior de la célula es muy distinta de la del exterior. Medio intracelular (citoplasma)  Medio extracelular Niveles de organización de los organismos pluricelulares. Tejidos Unión y soporte Conjunto de células + matriz extracelular. Mismo origen embrionario. Especialización en una función concreta. Contracción/relajación y movimiento Secreción, absorción y protección Inicio y trasmisión de impulsos nerviosos Niveles de organización de los organismos pluricelulares. Tejidos Laxo Piel, vasos sanguíneos, etc. Regular Tendones, ligamentos. Conectivo: Unión y Soporte Denso Irregular Hígado, bazo, etc. Adiposo Cualquier lugar con espacio libre. Niveles de organización de los organismos pluricelulares. Tejidos Muscular: Movimiento Cardiaco Esquelético Liso Niveles de organización de los organismos pluricelulares. Tejidos Epitelial: Secreción, Absorción y Protección Disposición Forma de de las capas las células Simples Pseudoestratificados Estratificados Escamoso Cubico Columnar Epitelio simple escamoso Epitelio estratificado escamoso Epitelio estratificado columnar Niveles de organización de los organismos pluricelulares. Órganos Los distintos tejidos se asocian para formar órganos. Agrupación de distintos tejidos para desarrollar una función concreta y superior a la que tendría el tejido. Niveles de organización de los organismos pluricelulares. Aparatos y Sistemas Agrupación de órganos, similares o no, que colaboran para realizar una función de coordinación. S. Tegumentario S. Endocrino S. Nervioso S. Musculo-Esqueletico S. Circulatorio A. Digestivo A. Respiratorio A. Urinario A. Reproductor S. Inmunitario Funciones de los sistemas corporales Te g u m e n t a r i o Nervioso Endocrino Sistema / Aparato Función Principal Función Básica Tegumentario Barrera/defensa Relación Musculo - Endocrino Comunicación y control Relación Esqueletico Nervioso Comunicación y control Relación Circulatorio Musculo-Esqueletico Movimiento Relación Inmunitario Defensa Relación Respiratorio Circulatorio Transporte Nutrición Digestivo Nutricion/Desechos Nutrición Digestivo Respiratorio Nutricion/Desechos/pH Nutrición Urinario Urinario Agua e iones/Desechos Nutrición Reproductor Reproductor Perpetuación Reproducción Medio Interno Mantener el medio interno estable Un medio interno estable es posible gracias a la existencia de barreras que separan al organismo del exterior → Compartimentos. Organismo unicelular: Membrana medio interno = medio intracelular (citoplasma) Aisla / Intercambia Medio interno estable Medio externo variables Inadecuado para las reacciones vitales Medio Interno en organismos pluricelulares Organismos pluricelulares: La mayor parte de las células no están en contacto directo con el medio externo. Medio interno  medio intracelular. Medio interno es el que rodea/interacciona con las células. Medio externo Medio interno variables estable Inadecuado para las reacciones vitales Medio Interno en organismos pluricelulares En un organismo pluricelular, el medio interno está formado por el compartimento extracelular: Se habla de líquido extracelular (LEC) porque el Plasma sanguíneo agua constituye el 60-65% del peso corporal en el Liquido intersticial adulto Agua intracellular Plasma sanguíneo Liquido intersticial Medio Interno en organismos pluricelulares Te g u m e n t a r i o Nervioso Endocrino Algunos sistemas están en contacto con el medio externo Musculo - Esqueletico Circulatorio ¿Como se defiende el organismo Respiratorio del contacto con el exterior? Mecanismos de protección: Barreras físico-químicas Digestivo Sistema Inmunitario Urinario Reproductor Medio Interno en organismos pluricelulares Un medio interno estable es imprescindible para la Estamos expuestos a un medio externo cambiante vida Cambios en los gases atmosféricos O2/CO2 Variaciones en la ingesta Agua/ Alimentos Los seres vivos tienen la cualidad de mantener Cambios de temperatura exterior estables las condiciones físico-químicas del medio Calor/Frío/Humedad interno a través de los fenómenos fisiológicos. Cambios en la actividad Concepto de constancia del medio interior Sedentarios/ Activos/Dormidos (precursor de la homeostasia) Agentes nocivos Toxinas ambientales Claude Bernard Agentes infecciosos fisiólogo francés del s. XIX. Traumatismos Heridas y Golpes  Los parámetros del medio interno deben mantenerse siempre en un rango de “estabilidad” Homeostasis. Mantenimiento de la estabilidad del medio interno Los seres vivos mantienen su medio interno Sirve para adaptar a los organismos a un medio externo cambiante. relativamente constante. La enfermedad puede considerarse una alteración de la homeostasis. A esto le llamamos homeostasis. Todos los sistemas fisiológicos tienen mecanismos de regulación (sistemas de control homeostático) Coordinación de los mecanismos de regulación → Walter B. Cannon fisiólogo estadounidense del s. XX. S. Endocrino S. Nervioso MECANISMOS DE CONTROL HOMEOSTATICO CONTROL HOMEOSTATICO En el propio órgano. Intrínsecos Cada órgano puede “regularse” a si mismo Enviando señales en forma MECANISMOS Sistema Nervioso de impulso nervioso. Cambios rápidos. Extrínsecos Enviando señales químicas Sistema Endocrino (hormonas). Cambios lentos. Elementos de un sistema de control homeostático Parámetro fisiológico (variable) No necesita Influye Si ¿Está en rango? acción Efectores 1 No 3 Modifica Activa Envía Centro de Sensor señales integración 2 Elementos de un sistema de control homeostático 1 3 2 Sistema de control homeostático Mas frecuentes y adaptativos Cuando la variable ha llegado al valor de referencia, se manda una señal para Negativa detener el sistema. Si no existieran estos mecanismos, peligraría la vida. Retroalimentación Positiva El estímulo inicia una cascada que va aumentando y crea un ciclo vicioso Pre- Permite predecir que un cambio esta por ocurrir y comenzar Tipos alimentación la vía de respuesta anticipadamente. Ritmos Oscilaciones de una variable a lo largo del tiempo. circadianos Sirven para ajustar la variable a las condiciones ambientales. Mecanismos de control homeostático por: Retroalimentación positiva Retroalimentación negativa  Mecanismos de control homeostático por: Pre-alimentación Ritmos circadianos Detección por SNC El estómago se prepara para la digestión  Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte Fisiología Humana Bloque I. Fisiología celular 2. Transporte y señalización celular Dr. David Ramiro Cortijo [email protected]  Contenidos Funciones de la membrana plasmática: gradiente y equilibrio electroquímico y osmótico. La difusión simple y facilitada: poros, canales y permeasas. El transporte activo y pasivo. La bomba Na+-K+ ATPasa. La exocitosis y endocitosis. La comunicación autocrina, paracrina y endocrina. La comunicación por contacto. Principios de señalización celular: ligando, célula emisora y receptora, receptor, la localización de receptores liposolubles e hidrosolubles y los segundos mensajeros. Sistemas de señalización intracelular: proteínas G La membrana plasmática Modelo del mosaico fluido Lípidos: Fosfolípidos / Esfingolipidos / Colesterol Proteínas (integrales/perifericas/asociadas a lípidos) - Enzimas - Receptores - Transportadores - Canales Jonathan Singer - 1972 Garth Nicolson - 1972 Hidratos de carbono (exterior): Glucocálix Glicoproteína Glicolipido Compartimento extracelular → Fosfolípidos Compartimento intracelular → Proteínas Periféricas Proteínas Colesterol Proteínas Esfingolipidos (citoplasma) Integral Integral Funciones de las membranas celulares 1. Intercambio de sustancias entre la célula y el medio extracelular (o entre orgánulos y citoplasma) 2. Mantenimiento del gradiente electroquímico a ambos lados de la membrana 3. Recibir mensajes para que la célula genere respuestas: Crecimiento/muerte Movimiento Secreción Reconocimiento 4. Secretar sustancias: hormonas, neurotransmisores, sustancias paracrinas. La membrana plasmática (o de orgánulos intracelulares) presenta permeabilidad selectiva La difusión y el gradiente ¿Hacia dónde se mueven las moléculas? Las moléculas tienen movimiento intrínseco y se mueven aleatoriamente → Las moléculas difunden Resultado de imagen de Brownian movement En ausencia de barreras, las moléculas difunden hacia donde hay menos concentración y con el tiempo se distribuyen homogéneamente → Las moléculas difunden a favor de gradiente de concentración https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/10/Scheme_simple_diffusion_in_cell_membrane-es.svg/310px-Scheme_simple_diffusion_in_cell_membrane-es.svg.png Gradiente de concentración: diferencia de concentración de una sustancia entre dos lugares La difusión y el gradiente Los líquidos intracelular y extracelular son diferentes El citoplasma (liquido intracelular) y el líquido intersticial y plasma (liquido extracelular) tienen:  concentración de moléculas → Desequilibrio químico  carga eléctrica a ambos lados de la membrana → Desequilibrio eléctrico = concentración de partículas → Equilibrio osmótico La difusión y el gradiente – el desequilibrio químico y eléctrico Desequilibrio químico: K+ K+ y las proteínas están más concentrados en el líquido intracelular Proteínas Na+, Cl- y HCO3- están más concentrados en el líquido extracelular HCO3- Na+ Cl- + +-+ + + Desequilibrio eléctrico: El interior de la membrana es negativo respecto del exterior +- - + + -- - + + - - La existencia de un gradiente electroquímico es imprescindible para el - + funcionamiento celular + - - + + +  La difusión y el gradiente y el equilibrio osmótico El agua es capaz de atravesar las membranas y equilibra el número de partículas a ambos lados Moléculas = 10 Moléculas = 5 Extracelular → Membrana Plasmática semi- permeable → → Tiempo → Intracelular → Moléculas = 5 Moléculas = 5 Osmolaridad liquido intracelular = Osmolaridad líquido extracelular En los líquidos biológicos la osmolaridad normal es de ≈300 mOsm/L La difusión y el gradiente y el equilibrio osmótico Osmolaridad  Tonicidad Tonicidad. Es un término de “comportamiento” celular (no se mide). Qué cambios se producen en el volumen celular en el equilibrio cuando se pone la célula en una solución con una concentración extracelular determinada Depende de la osmolaridad de la solución y si los solutos pasan o no la membrana celular Tipo de solución Comportamiento celular Hipertónica Reduce el volumen Isotónica No se modifica el volumen Hipotónica Aumenta el volumen Transporte a través de la membrana La célula mantiene el gradiente electroquímico gracias al transporte selectivo de moléculas a través de la membrana plasmática Los solutos pueden transportarse a favor de gradiente o en contra de gradiente electroquímico Difusión Simple No requiere aporte externo de energía PASIVO Usa la energía cinética del Difusión Facilitada movimiento molecular Según el gasto energético Primario Requiere aporte de energía externa ACTIVO Es saturable Secundario Transporte a través de la membrana PASIVO Difusión Simple Difusión Facilitada Que moléculas pasan así: Que moléculas pasan así: Pequeñas y apolares: O2, CO2 Moléculas impermeables Liposolubles: alcoholes, vitaminas A, E, D y K Polares: Agua Moléculas Agua Gases liposolubles PORO CANAL PERMEASAS Directamente proporcional a: Gradiente de concentración Cada tipo celular expresa unas proteínas diferentes Velocidad de Liposolubilidad en la membrana difusión Inversamente proporcional a: La dirección del transporte depende del gradiente Tamaño de la molécula electroquímico de la molécula a transportar Grosor de la membrana https://phet.colorado.edu/sims/html/neuron/latest/neuron_es.html Transporte a través de la membrana PASIVO Difusión Facilitada PORO CANAL PERMEASAS Siempre abiertos Se abren y cierran Paso selectivo de sustancias Algunos se abren en respuesta a: Moléculas muy grandes y polares que Moléculas muy pequeñas Cambios eléctricos en la membrana no caben por los canales Moléculas polares Unión de molecular al canal Otros estímulos (estiramiento, vibración) Mecanismo de apertura: cambio conformacional. Las acuaporinas son poros Permiten el paso de iones No están abiertas simultáneamente a los dos por los que el agua pasa Hay canales específicos de cada ion lados más rápido que por (según carga y tamaño) difusión simple Si están abiertos también permiten el paso del agua No se saturan y transporte muy rápido Pueden transportar en ambas direcciones La dirección de transporte depende del gradiente Transporte a través de la membrana PASIVO Difusión Facilitada PERMEASAS Selectividad: Muy alta (más que los canales) Velocidad de transporte: Menor que los canales y se saturan Pueden transportar en las dos direcciones. Según el gradiente Permeasa GLUT, que transportan hexosas por difusión facilitada Glucosa Insulina Glucosa GLUT3 GLUT4 Tejido independiente de insulina (nervioso) Tejido dependiente de insulina (adiposo y músculo) Transporte a través de la membrana ACTIVO Primario Secundario Consume energía indirectamente Consume energía directamente (transporte acoplado a una molécula (hidrólisis de ATP) que entra a favor de gradiente) Bombas Transportadores Transporte a través de la membrana ACTIVO Primario Bomba Na+/K+ ATP-asa Proteína de transporte y enzima (actividad ATPasa) Electrogénica (genera potencial de membrana) Transporta 3Na+ al exterior y 2K+ al interior Sitio de unión al K+ Sitio de unión al Na+ Gasta entre el 25-50% del ATP producido por una célula Transporte a través de la membrana ACTIVO Primario Interior de Exterior de Importancia fisiológica de la Bomba Na+/K+ ATP-asa la célula la célula 1) Contribuye al gradiente químico. Mantiene la diferencia de 2 concentraciones de Na+ y K+ entre el LIC y el LEC. K+ 2) Contribuye al gradiente eléctrico. Mantiene la diferencia de Na+ cargas a ambos lados de la membrana → mantiene potencial de la membrana. 3 3) Contribuye a mantener el volumen celular. Membrana plasmática Transporte a través de la membrana ACTIVO Secundario Co-transporte Una de las moléculas se mueve a favor de gradiente electroquímico y proporciona la energía para transportar a otra en contra de gradiente. Sistemas acoplados a ion Na+ El Na+ siempre tiende a entrar y permite introducir/sacar otras sustancias en contra de gradiente Hay otros sistemas de co-transporte asociados a otros iones. ¿Por qué gasta energía el transporte activo secundario mediado por Na+? La Na+/K+ ATPasa lo vuelve a sacar con gasto energético Simporte: Ambas moléculas se Antiporte: La molécula a transportar se mueven en la misma dirección mueve en dirección contraria al Na+ Transporte a través de la membrana ACTIVO Secundario Transportadores SGLT: simporte de Na+-Glucosa → Permite acumular glucosa en contra de gradiente 1. Na+ se une al transportador en el espacio extracelular 2. Se activa un sitio de alta afinidad para la glucosa y se une la glucosa 3. La unión de la glucosa produce el cambio conformacional y 4. En el interior, el Na+ se libera por gradiente y se reduce la el SGLT se vuelve hacia el interior afinidad por la glucosa que pasa al citoplasma  Transporte a través de la membrana Algunas moléculas son demasiado grandes para entrar/salir de la célula Transporte mediado por vesículas ESPACIO 1. ENDOCITOSIS 2. EXOCITOSIS EXTRACELULAR ESPACIO INTRACELULAR La vesícula puede fusionarse con lisosomas para liberar el contenido La membrana de la vesícula secretora se fusiona con la membrana celular, abriéndose al espacio En ocasiones la endocitosis está mediada por extracelular y liberando el contenido de la misma receptores en la superficie que reconocen a la molécula a transportar Comunicación celular Las células se comunican para coordinar su actividad Célula emisora Célula Diana Envía el mensaje Recibe el mensaje Mensajero Clasificación de la comunicación celular Química Corta distancia – Comunicación Según Según la LOCAL Naturaleza del Eléctrica distancia a la que mensajero viaja el mensaje Larga distancia Por contacto Comunicación celular Química Usa moléculas que produce la célula emisora La célula diana necesita tener receptores para esa molécula El mensaje puede llegar a células diferentes La respuesta será diferente según el tipo celular Eléctrica Implica movimiento de iones Las señales eléctricas entre 2 células tienen lugar a través de uniones en hendidura (GAP junction) Formadas por proteínas denominadas conexinas Permiten el paso rápido de iones de una célula a otra Las neuronas se comunican mediante señales eléctricas y químicas Viajan a larga distancia Señales eléctricas Señales químicas Algunos tejidos reciben mensajes por comunicación eléctrica y química Células musculares lisas (arterias) Mensajero químico Paso rápido de información entre células por uniones en hendidura Comunicación celular Por contacto Implica un contacto directo entre células Mediado por proteínas de membrana Las uniones en hendidura son un tipo de comunicación por contacto Las células inmunes se mueven desde la sangre a los tejidos mediante proteínas de membrana Clasificación de los sistemas de comunicación química Según el lugar sobre el que actúan Comunicación AUTOCRINA Comunicación PARACRINA Comunicación ENDOCRINA Sobre si misma Sobre celulas vecinas Sobre celulas distantes transportadas Resultado de imagen de cell communication electrical signals cartoon por la sangre Resultado de imagen de cell communication electrical signals cartoon Resultado de imagen de cell communication electrical signals cartoon Clasificación de los sistemas de comunicación química Comunicación AUTOCRINA Comunicación A corta distancia PARACRINA Según la distancia Comunicación POR Señales exclusivamente químicas CONTACTO Viaja por la sangre (hormonas) Receptores específicos en célula diana Sistema ENDOCRINO A larga distancia Sistema NERVIOSO Señales eléctricas y químicas (neurotransmisores) La señal eléctrica puede viajar largas distancias, pero el neurotransmisor se libera muy cerca de la célula diana La comunicación química necesita receptores Una misma sustancia puede interaccionar con más de un receptor → La especificidad del mensaje está en el receptor Una sustancia químicamente relacionada puede interaccionar con el mismo receptor Los receptores pueden localizarse en la membrana, el citoplasma o el núcleo. Depende de la naturaleza química del ligando: Liposoluble (citoplasma o núcleo) Hidrosolubles (membrana) Receptores intracelulares Liposoluble Hidrosolubles Receptores de membrana A B C B Especificidad ligando-receptor Ligando Ligando para otro receptor Cada receptor es específico para un ligando o sustancias relacionadas Receptores La unión del ligando al receptor provoca cambios en la célula: Iónicos (apertura o cierre de canales iónicos) Célula diana Bioquímicos (cambios en la actividad de alguna proteína) Transcripción de genes (síntesis de una nueva proteína) Modifican la actividad celular: Cambios eléctricos Movimiento Síntesis/ degradación Muerte/ proliferación celular Unión de un ligando con receptores intracelulares Unión de un ligando con receptores de membrana El ligando-receptor se une al Pueden producir apertura o Producen un segundo mensajero ADN y activa un gen cierre de un canal iónico Gen Proteína Transducción de señales Los receptores son transductores de señales → Transforman una señal en otra Tipos de receptores de membrana que traducen señales al interior celular Asociados Asociados a enzimas a canales Integrinas Asociados a proteinas G Enzima Transducción de la señal Receptores asociados a proteínas G Receptores acoplados a enzimas El receptor atraviesa la membrana (7 dominios transmembrana) Se une a una proteína formada por 3 subunidades Tirosina-quinasa: Fosforilan proteínas Funcionamiento Guanilato ciclasa: GTP→ cGMP (segundo mensajero) Estado inactivo (sin ligando) → subunidades asociadas Estado activado (con ligando) → disociación → SEÑALIZACION Resultado de imagen de g coupled protein receptor ligando GDP GTP Sistema adenilato ciclasa-AMP cíclico Sistema fosfolipasa C- Inositol trifosfato (IP3) y diacil glicerol (DAG) Receptores acoplados a proteínas G - Sistema adenilato ciclasa-AMP cíclico (AMPc) 1. Unión ligando-receptor activa la proteína G 2. Esta activa/inhibe la Adenilato Ciclasa (AC) 1 2 3 3. La AC transforma el ATP en cAMP 4. El cAMP activa la proteína kinasa A (PKA) 2º mensajero 4 5 5. La PKA fosforila diversas proteínas 6. Cambios celulares 6 Receptores acoplados a proteínas G - Sistema fosfolipasa C (PLC) Ligando 2º mensajero 1. Unión ligando-receptor activa a la proteína G 2. La Proteína G activa a la Fosfolipasa C (PLC) 3. La PLC transforma un tipo de fosfolípido de la membrana en 2 compuestos: Diacil glicerol (DAG)→ activa la proteína Kinasa C (PKC) → fosforila proteínas Inositol trifosfato (IP3) → libera Ca2+ del retículo endoplásmico → señalización celular  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  Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte Fisiología Humana Bloque I. Fisiología celular 4. La contracción muscular: músculo esquelético, liso y cardiaco Dr. David Ramiro Cortijo [email protected]  Contenidos Fisiología de los tejidos musculares: esquelético, liso y cardiaco. El patrón de bandas del tejido muscular esquelético: los filamentos finos y gruesos. La unidad motora. Los mecanismos excitación-contracción en los tejidos musculares: el papel del calcio. Parámetros que regulan la fuerza de contracción: la tetanización. La tensión isométrica, isotónica, precarga, tensión pasiva, activa y total. Los patrones de contracción del músculo liso. La contracción cardiaca: canales de Ca2+ tipo L y la importancia del periodo refractario. Tipos de músculo Excitables Contráctiles Elásticas Músculo esquelético Grupos musculares antagonistas Estructura de la fibra muscular (célula) Sarcomero: La unidad funcional de la fibra muscular Estructura de la fibra muscular (célula) Acoplamiento excitación-contracción 1. Despolarización del sarcolema es previa a la contracción. 2. La actina se mueve sobre la miosina → los filamentos finos se acercan a la línea M La contracción muscular Relajación Contracción El Ca2+ es imprescindible en la contracción muscular La contracción muscular 1. Cuando una señal nerviosa llega a la célula muscular, se libera Ca2+ del retículo sarcoplasmático y este se une a la troponina y provoca un cambio conformacional en la tropomiosina, que expone los sitios de unión de la actina a la miosina. 2. La cabeza de miosina se une a los sitios de unión de la actina, formando puentes cruzados conforme se libera el fosfato inorgánico (Pi). 3. Se libera ADP, lo que inicia el golpe de fuerza, en el que el filamento fino es empujado hacia la línea M del sarcómero. 4. Una nueva molécula de ATP se une a la miosina, provocando la separación de los puentes cruzados. El ATP se hidroliza a ADP y fosfato inorgánico (paso 1). El ciclo de contracción continúa hasta que, para la señal nerviosa, y el Ca2+ vuelve a ser reabsorbido por el retículo sarcoplasmático, y la tropomiosina cubre los sitios de unión de la actina. La contracción muscular  La contracción muscular. Unidad motora Unidad motora: motoneurona + fibras musculares Nervio que inerva Médula espinal Motoneurona A Motoneurona B Unión neuromuscular Regulación de la fuerza de contracción ¿De qué depende la fuerza de contracción? Cantidad de fibras contraídas → sumación espacial o reclutamiento de unidades motoras. Frecuencia de estímulo → sumación temporal de estímulos. Fatiga → metabolismo. Sumación espacial: incremento de fuerza mediante Sumación temporal: Incremento de fuerza aumentando la el reclutamiento de unidades motoras frecuencia del estímulo Unidad motora: motoneurona + fibras Nervio musculares que inerva Médula espinal Contracción tetánica Motoneurona A Motoneurona B Unión neuromuscular Fuerza de contracción de A < fuerza de contracción de A+B Regulación de la fuerza de contracción. Metabolismo y fatiga Depende de: Músculos de distintos tipos según fibras: Tipo de ATPasa en miosina Fibras tipo I contracción lenta Tipo y cantidad de bombas de Ca2+ Fibras tipo II A contracción rápida oxidativas-glucolíticas Diámetro de fibra Fibras tipo II X (B) contracción rápida glucolíticas Cantidad y tipo de mioglobina Cantidad de mitocondrias Metabolismo anaeróbico Glucosa Piruvato Lactato 2 ATP Metabolismo aeróbico Acetil- CoA 32 ATP CO2+H2O Regulación de la fuerza de contracción. Metabolismo y fatiga Tipo I Tipo IIA Tipo IIB Diámetro Pequeño Intermedio Grande Mioglobina    Capilares    Producción de ATP ++ + - Metabolismo Aeróbica (oxidativa) Anaeróbico Anaeróbica (glucolitica) Velocidad de contracción Lenta Rápida Rápida Resistencia a la fatiga    Potencia    Anatomía Músculos posturales Miembros inferiores Miembros superiores Función principal Mantener la postura, resistencia Caminar, correr Movimientos rápidos e intensos Tipos de contracción Isotónica El musculo se acorta durante la contracción. El musculo se acorta contra una carga fija Isométrica El musculo no se acorta durante la contraccion. El musculo se contrae sin disminuir su longitud. Duración de contracción Esqueletico Cardiaco Liso Músculo liso y patrones de contracción Unidad única (visceral) Unidad múltiple Conectadas eléctricamente: Uniones GAP o comunicantes Contracción rítmica, intermitente = FÁSICA Contracción mantenida = TÓNICA No es necesario el POTAC de la neurona, si hay el de la fibra muscular Músculo liso y su organización de filamentos Contracción del musculo liso LEC La señal para la contracción es el Calmodulina aumento de Ca2+ citosolico Contracción Fásica: contracción rápida Quinasa de cadena ligera de Tónica: contracción prologada (horas, días, etc) miosina Activa Quinasa de cadena ligera de miosina Inactiva La contracción del musculo liso se regula por los filamentos gruesos. En el músculo esquelético se regulaba por los filamentos finos, ya que el Ca2+ se unía a la troponina en el filamento fino de actina. Relajación del musculo liso Control de contracción en músculo liso Músculo Cardíaco Conectadas eléctricamente: Uniones GAP Potencial de acción cardiaco Canales de Ca2+ dependientes de voltaje Recordar el potencial de acción Lentos Tipo “L” Transitorios Rectificadores lentos Rectificadores Se alarga el periodo refractario lentos y rapidos para evitar tetanización Rápidos Rectificación interna Acoplamiento excitación-contracción en la fibra muscular cardiaca En los túbulos T hay una gran acumulación de Ca2+, haciendo que la contracción cardiaca dependa del Ca2+ extracelular, mientras que en el musculo esquelético, las variaciones extracelulares de Ca2+ no afectan tanto a la fuerza de contracción