T6. Excitabilidad Neuronal PDF

TEMA 6. EXCITABILIDAD NEURONAL Excitabilidad neuronal: capacidad para emitir las señales. 1. ASPECTOS GENERALES Objetivo del cerebro: adquirir, coordinar y transmitir, almacenar o eliminar info. Todo se hace con señales eléctricas. Unidad funcional: las células nerviosas transmite...

TEMA 6. EXCITABILIDAD NEURONAL Excitabilidad neuronal: capacidad para emitir las señales. 1. ASPECTOS GENERALES Objetivo del cerebro: adquirir, coordinar y transmitir, almacenar o eliminar info. Todo se hace con señales eléctricas. Unidad funcional: las células nerviosas transmiten señales químicas y eléctricas. Las neuronas no son buenas conductoras de la electricidad. La principal función de las neuronas es transmitir las señales, pero la propia estructura de la membrana no es buena conductora de la electricidad. Existen mecanismos para mejorar eso. Membranas neuronales → membranas de células excitables. Las neuronas pueden generar electricidad, responder a una señal eléctrica, transmitirla y esto es muy importante en organismos pluricelulares para que haya buena comunicación. Los primeros estudios sobre bioelectricidad se realizaron en ancas de rana estimuladas con electricidad. Hodgkin y Huxley definieron la excitabilidad celular como: “la propiedad funcional que tienen ciertas células para generar respuestas eléctricas ante los estímulos que reciben”. Generan. Responden. Transmiten. Importancia en organismos pluricel. 2. PROPIEDADES ELÉCTRICAS Dentro y fuera de las cels hay diferencia entre las cargas eléctricas. En una neurona la diferencia de potencial está en torno a -60 mV → en el interior hay más cargas negativas que en el exterior. Diferencia de potencial → Diferencia entre el número de cargas eléctricas de un lado y otro de la membrana. Las membranas son capaces de responder al estímulo eléctrico y por eso se puede inyectar corriente de manera artificial dentro de la célula y regularla. Se puede hacer esto: haciendo que el interior de la célula sea más negativo de -60 mV (hiperpolarización) o haciendo que el exterior de la célula tenga más cargas positivas (despolarización). Hiperpolarizar hace que la diferencia entre el interior y exterior es mayor, despolarizar es lo contrario. El potencial de la membrana cambia al hacer esto de manera experimental, pero lo hace de manera particular: la respuesta no es inmediata tras inyectar corriente hiperpolarizante, la membrana responde con cierto retraso. Mayor intensidad implica mayor amplitud en la diferencia de potencial. Respuesta retardada en ambas situaciones → en la gráfica en color morado. 1 2.1. Propiedades pasivas de la membrana Propiedades pasivas: la cel no hace nada. Resistencia: al paso de la corriente. Si no hubiera resistencia, tras aplicar el estímulo en la gráfica la curva disminuiría inmediatamente. (Rm). ○ Mayor diámetro del axón → menor resistencia. ○ Mayor longitud → mayor resistencia de la membrana. Capacitancia: capacidad de la membrana de mantener las cargas separadas, de quedarse de manera pasiva. (Cm). ○ T de tau: cte de tiempo → resultado de resistencia por capacitancia. Cuanto más resistencia más tiempo tarda en reaccionar. Tau es el tiempo al que la diferencia de potencial cae a 1/e de su diferencia de potencial inicial. El tau cambia entre neuronas y entre las diferentes zonas de la membrana. ○ Cambio de potencial de la membrana en cuanto al tiempo es dependiente de la intensidad y de la capacitancia: Cuanto más intensa es la corriente, más rápido cambia la membrana. Cuanto mayor sea la capacitancia de la membrana, más lento cambia la membrana. Cuanto mayor es el diámetro mayor es tau, más tiempo se tarda en llegar a 1/e. La resistencia es muy variable y depende de los canales iónicos. 2 Además está la constante de espacio: En un punto del axón se inyecta una corriente, entonces en ese punto cambia el potencial de membrana. Si se registra el potencial de membrana en otros puntos, cuando nos alejamos, el potencial se va volviendo a -60 mV. Por eso se dice que el potencial generado por la corriente inducida se va perdiendo con el espacio. Constante de espacio (lambda): Distancia a la que el voltaje cae a 1/e de su valor inicial. Lambda depende del diámetro del axón y de los canales iónicos. Se puede calcular el potencial en cualquier punto, sabiendo el valor de lambda. Propagación pasiva esencial para propagar potencial de acción. 3. BASES IÓNICAS DEL POTENCIAL DE MEMBRANA Las propiedades eléctricas de las membranas neuronales dependen de: La estructura semipermeable de la bicapa lipídica. la presencia, cantidad, tipo y distribución de canales iónicos. La bicapa lipídica es permeable a pequeñas moléculas apolares (grasas) y gases, un poco permeable al agua y prácticamente impermeable a iones que llegan la carga eléctrica. Los canales iónicos son proteínas que tienen un poro para permitir que los iones pasen sin entrar en contacto con la bicapa lipídica. Dependiendo de los canales, la membrana tiene mayor o menor capacidad para dejar pasar iones. Los canales se cierran y abren cuando cambia el voltaje. Ver imágen. 1. Deja pasar el potasio (+) pero no el cloro (-). La carga no varía porque hay concentraciones iguales. 3  2. Si aumenta la concentración en un lado pasará de la concentración más concentrada a la diluida hasta que las cargas del otro lado repelen a las otras cargas. Esto se llama equilibrio electroquímico o potencial de equilibrio para el potasio. La diferencia de potencial, en este caso, es de -58 mV y se conoce para potencial de equilibrio para el potasio, es decir, como flujo neto el potasio ni entra ni sale. En realidad entra y sale constantemente, pero en flujo neto no hay cambio. Potencial de equilibrio para un ión: El valor cuantitativo que permite comparar las contribuciones relativas de la diferencia de concentración y de la diferencia de potencial eléctrico. F → cte de Faraday: cantidad de carga eléctrica contenida en un mol de un ion univalente. En las membranas hay más de un ion permeable. Se puede calcular el potencial de membrana usando la ecuación de Goldman. La consecuencia más importante de la ecuación de Goldman es que el potencial de membrana de una célula tienen en cada momento un valor cercano al potencial de equilibrio del ión más permeable, es decir, cuanto mayor es la permeabilidad para un ión, tanto mayor es la capacidad de dicho ión para aproximar el potencial de membrana a su potencial de equilibrio. 4  ➔ El potencial de membrana se parece al potencial de equilibrio del ion más permeable. Permeabilidad: membranas pueden ser permeables a un ion si y a otro no, o en un momento sí, pero en otro no. La diferencia de potencial de membrana será en el caso anterior del ion potasio. 3.1. Dos eventos responsables de la diferencia de potencial en la membrana biológica 1) Distribución desigual: Hay más potasio dentro que fuera. 2) Aniones Fijos: La A- habla de aniones fijos en la parte interior de la membrana y no pueden salir de ella, estos aniones son los que hacen que el interior se mantenga negativo. El flujo iónico influye en el potencial de reposo Experimento del axón gigante del calamar (Hodking y Huxley): Al aumentar K + out, el K + tiende a entrar dentro de la célula. El potasio fuera de la membrana fue aumentando su concentración. Como aumenta el potasio fuera, el potasio entraría si la membrana está permeable al potasio. Al entrar el potasio aumentan las cargas positivas y la diferencia de potencial se despolariza. Sobre todo de aquellos iones que son más permeables como el K. El potencial de membrana influye en el flujo iónico El potencial de membrana puede cambiar y también cambia la permeabilidad a diferentes iones. Esto es debido porque muchos son dependientes de voltaje → se abren o cierran en función de un voltaje determinado. A una diferencia de pot fisiológico (-60 mV), el ión más permeable sería el potasio. El sodio no es permeable, ni entra ni sale, a ese voltaje los canales de sodio dependientes de voltaje están cerrados. Si hay una despolarización muy alta el ion sodio es muy permeable, pero los otros iones no tanto (K, Cl, K). El potencial de membrana y el potencial de acción dependen del número, distribución y tipos de canales iónicos y de las corrientes iónicas que generan. Las neuronas utilizan distintas formas de comunicarse mediante señales eléctricas. 5  Potencial de receptor: receptores que detectan un estímulo y dentro de la membrana cambia el potencial, por ejemplo presión. Potencial postsináptico: inhibitorio (hiperpolarización, IPSP) o excitatorio (despolarización, EPSP). La neurona decidirá si transmite la señal (excitación) o no. Potencial de acción. 4. CORRIENTES RESPONSABLES DEL POTENCIAL DE REPOSO Principios básicos: La permeabilidad iónica se mantiene, en estado de reposo, por la presencia de canales abiertos. El gran gradiente de concentración se mantiene por transportadores activos con gasto de energía (bomba sodio/potasio). Aunque existen más tipos de corrientes responsables del potencial de reposo. 4.1. Corrientes de fuga (leakage channels) Estos canales estarían siempre abiertos y no se verían afectados por el potencial de membrana (voltaje) ni otros factores. En algunas neuronas es posible inhibir todas las corrientes dependientes de voltaje y aún así se registra flujo de corriente. Necesarias para el mantenimiento del potencial, pero algunos autores defienden que con otras corrientes se explicaría. Su sustrato molecular no está claro. Dejarían pasar Na+, K+, Cl-. Puede que sean canales mixtos. No pueden ser suficientes para explicar por completo el potencial de membrana. 4.2. Corrientes dependientes de voltaje Para que un tipo de canal de voltaje ejerza su influencia sobre el potencial de reposo debe cumplir al menos los siguientes requisitos: Su curva de activación debe abarcar el potencial de reposo de la célula, de modo que un cierto número de canales esté abierto en reposo. Debe carecer de inactivación, es decir, debe permanecer abierto para proporcionar una corriente ininterrumpida, si no se mantendría el potencial de reposo. Estas corrientes influyen sobre el pot. de membrana y el potencial de membrana influye sibre la fuerza que estas corrientes pueden ejercer. Corrientes de potasio tipo M (dependen del voltaje) Se activa entre -70 y -60 mV. Carece de inactivación. Se modula por la acetilcolina a través de receptores muscarínicos (M). Se describió por primera vez en neuronas simpáticas de rana. Desempeña un papel en el potencial de reposo y adaptación en numerosas neuronas de mamíferos. Corriente de potasio hiperpolarizante. Corriente de potasio tipo EAG Tres subfamilias (EAG, ERG y ELK). En todas, al menos un miembro que puede estar abierto en reposo. 6  EAG2 no se inactiva y comienza abrirse a -90 mV. Distribución selectiva, por ejemplo en neuronas corticales de la capa IV. Corriente parecida a M. Es hiperpolarizante Corriente catiónica tipo H Permeable a sodio y potasio. Se activa por hiperpolarización y se cierra con la despolarización. Despolarizante. Las corrientes M y H colaboran para estabilizar el potencial de reposo en algunas neuronas (hipocampo y ganglio cervical superior): Gráfica: M: canal de potasio. H: canal catiónico, que deja pasar más de un catión (normalmente sodio y potasio). En un experimento se bloquea una corriente con Ba, si el potencial se despolariza, la corriente que bloqueo es una corriente hiperpolarizante y tiende a llevar el potencial en valores más negativos. Cs: potencial membrana se hiperpolariza, entonces el Cs bloquea algún canal que tiene la tendencia a despolarizar la membrana. La tetrodotoxina es una toxina del pez globo. La TTX bloquea canales de sodio, pero algunos en particular, no todos. Algunos no son sensibles a las TTX. Corrientes de sodio persistentes, insensibles a TTX Se activa lentamente alrededor de -70 mV. Inactivación ultralenta. Contribuye al potencial de membrana con un efecto despolarizante. Localización selectiva en neuronas tipo C de los ganglios de las raíces dorsales. Nocicepción. Corrientes de sodio persistentes, sensibles a TTX La corriente dependiente de voltaje sensible a TTX tiene dos componentes: uno que participa en el potencial de acción (inactivación rápida) y otra que no participa (no se inactiva). Esta última contribuye al potencial de reposo. Se activa de -70 mV a - 60 mV. Se inactiva parcialmente o no se inactiva. Tiene un efecto despolarizante sobre el potencial de reposo. 7  Su sustrato molecular no está claro, podrían ser los mismos canales que participan en el pot. de acción, pero no se sabe. Amplia distribución: hipocampo, cerebelo, estriado, tálamo, hipotálamo, corteza, médula, bulbo, etc… Muchas veces no se puede caracterizar exactamente el canal, como pasa en los sensibles a TTX, que no está claro el sustrato molecular, podrían ser los mismos canales que participan en el pot. acción. A partir de experimentos en el ganglio superior cervical de la rata (GSC) se sacó la siguiente figura. Son corrientes de ahí, del GSC, y no quiere decir que estén en todas las neuronas: a) La hipótesis clásica explica el de fuga independientes de voltaje, una potencial de reposo con dos corrientes de potasio (K,f) y una de sodio (Na,f), y asume un comportamiento pasivo para el cloro. Teoría clásica: el sodio está tirando con cuerda del potencial de membrana hacia arriba pq es su potencial de equilibrio, el pot al que el sodio quiere llevar a la membrana es de +55. La fuerza que todos juntos ejercen sería mantener el potencial de membrana a -70 aprox. b) En el modelo de neuronas simpáticas se deben añadir tres corrientes dependientes de voltaje, la de sodio persistente (Na,p), la de potasio tipo M (K,m) y la catiónica mixta (Na/K) activada por la hiperpolarización (H). En estas neuronas el cloro no se distribuye pasivamente, de modo que se debe Finalmente, el componente electrogénico de la bomba de Na/K también tiene una añadir la corriente de fuga de cloro (Cl,f) pequeña contribución hiperpolarizante (B). Todos estos componentes, y tal vez alguno más, determinan un potencial de reposo de alrededor de –60 mV. El pot de reposo no es un proceso tan estático como parece, sino que hay procesos muy activos para llegar a ese reposo. 4.3. Oscilaciones subumbrales En algunos tipos neuronales se pueden producir oscilaciones subumbrales (low threshold oscillations, LTO). Son variaciones rítmicas que oscilan el -70mV de reposo. Tiene lugar por canales iónicos determinados. Las LTO no son más que variaciones rítmicas del potencial de membrana en condiciones en las que la neurona debería tener un potencial estable, es decir, estar en reposo. Se han observado LTO en neuronas cultivadas, neuronas en rodajas e incluso en neuronas registradas in vivo. 8  Se puede considerar el potencial de reposo como un equilibrio dinámico inestable. Se produce por actividad de canales iónicos, no azarosamente. Observamos: control con oscilaciones subumbrales. Se ve que con TTX se detienen las oscilaciones subumbrales, cuando se produce el lavado de la TTX vuelven a aparecer las oscilares subumbrales. 5. ASPECTOS CLÍNICOS RELACIONADOS CON CANALES DE REPOSO Mutaciones que afectan a la corriente M (subunidades KCNQ2 y KCNQ3) provocan epilepsia neonatal benigna. La corriente M se reduce y provoca hiperexcitabilidad de la neurona, por despolarización. ○ Epilepsia por descarga e hipersensibilidad de las neuronas. ○ Cuando se mutan los canales de la corriente M, la corriente se reduce y se provoca una hiperexcitabilidad. Bloqueadores de corriente M mejora el aprendizaje (ensayos en Alzheimer). Mutaciones en canales de Na dependientes de voltaje provocan distintos tipos de epilepsia. 6. POTENCIAL DE ACCIÓN Las neuronas son malas conductoras de la electricidad. En la cte de espacio, si se produce despolarización en un pto esa despolarización se mantiene un espacio concreto pero luego se pierde. Para llevar una corriente eléctrica desde una neurona a otra zona (ej pie) se usa el potencial de acción para poder transmitir la electricidad. ➔ El potencial de acción es una respuesta activa. Inyectar corriente a la neurona → despolarización de su membrana. Si se hiperpolariza la membrana no sucede nada, cuanto más grande el estímulo mayor respuesta. Con la despolarización en potenciales subumbrales, se aplica corriente y la neurona despolariza, si el estímulo es mayor despolariza más y llegará a un potencial un poco más positivo/menos negativo. Llega un momento en el que se alcanza un umbral, el pot de membrana, que cuando se alcanza la neurona actúa y elabora un potencial de acción (respuesta activa por parte de la neurona) para comunicar lo que está pasando. 9 6.1. Corrientes responsables del potencial de acción. Bases iónicas. Los responsables de la despolarización en las neuronas , es decir, los que elaboran pot acción son dos corrientes fundamentales: corrientes canales de potasio y de sodio. Estas corrientes pueden ser bloqueadas TTX para sodio, por ejemplo. ¿Cómo se abren los canales? Tenemos canales de sodio y de potasio dependientes de voltaje. Con un estímulo (inducido experimentalmente o ser por parte de neurosecreción de neurotransmisores de otra neurona) los canales se abren → el sodio entra → despolarización (en una zona determinada pero en suma la neurona responde) porque entra mucho sodio (pico de arriba el potencial de acción) → el potencial de la membrana tiene a ir al potencial de memb EQ del sodio y se hace el pico del pot. acción. Los canales de sodio se activan y desactivan rápidamente, cuando el pot memb se restaura se inactiva. La corriente eléctrica producida por la despolarización se propaga por la neurona y hace que canales de sodio adyacentes también se abran (canales de sodio se abren en respuesta a despolarización). 10 Luego cuando se inactivan canales de sodio, se activan los canales de potasio → potasio sale (en el interior de cada uno estamos llenos de KKKK) → se restaura el potencial de membrana. Esto produce la forma que tiene el potencial de acción: partimos en una zona en concreto con un pot reposo → estímulo (si es subumbral queda una pequeña despolarización) → si es supraumbral se produce el pico (abren canales sodio) → luego cuando baja la curva los canales de sodio se cierran y los de potasio se abren para producir luego la repolarización (el tiempo donde la repolarización se pasa y la memb se hiperpolariza es el periodo refractario). La conducción saltatoria Mielina como aislante. Potencial de acción “salta”. Espacio entre nodos y λ, coordinado. Velocidad de conducción aumenta varias veces. Distribución desigual de canales. 6.2. Características principales del pot. de acción Threshold Varía entre neuronas y en el tiempo. Entre 10-20 mV del Vm. Esencial para no enviar info superflua. Periodo refractario 11  Todo o nada Cuando se aplica estímulo supraumbral, la neurona se despolariza pero siempre llegará al mismo número (-40 o -50), pero el pico nunca será diferente. Aquí al aplicar un estímulo mayor, nunca hay más respuesta, siempre es la misma. Código de frecuencia La neurona para saber si es estímulo es mayor o menor tiene un código de frecuencia: ○ Se cambia la latencia. Modifica el pot de acción: amplitud no se puede modificar pero si el periodo de latencia (tiempo desde el estímulo hasta que se genera pot. acción) y es mayor cuando es estímulo es menor y viceversa. ○ Periodo refractario se acorta. Nunca se elimina, pero si se acortan en el tiempo. 12 6.3. Diferentes patrones de actividades eléctricas neuronales Los pot acción no se elaboran solo para respuestas, hay neuronas que tienen patrón de disparo intrínsecos. Estos patrones tienen formas concretas: Las beating disparan potenciales de manera continua. Bursting: un tiempo disparan pot. de acción, otro tiempo no. Neuronas con comportamientos que requieren patrones como la respiración. 13