Examen de Electrofisiología PDF

1. Potencial de membrana El potencial de membrana es la diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior de la célula. Se debe a la distribución desigual de iones como sodio (Na⁺), potasio (K⁺), cloro (Cl⁻) y proteínas con carga negativa. Factores principales que lo determinan:...

1. Potencial de membrana El potencial de membrana es la diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior de la célula. Se debe a la distribución desigual de iones como sodio (Na⁺), potasio (K⁺), cloro (Cl⁻) y proteínas con carga negativa. Factores principales que lo determinan: 1. Gradiente de concentración iónica: o K⁺ está en mayor concentración dentro de la célula y tiende a salir. o Na⁺ está en mayor concentración fuera de la célula y tiende a entrar. 2. Permeabilidad selectiva de la membrana: o La membrana es más permeable al K⁺ que al Na⁺, por lo que el K⁺ tiene mayor influencia en el potencial de membrana en reposo. 3. Bomba de sodio-potasio (Na⁺/K⁺ ATPasa): o Mantiene el gradiente iónico bombeando 3 Na⁺ fuera y 2 K⁺ dentro de la célula, gastando ATP. Valor típico: En células nerviosas y musculares, el potencial de membrana en reposo es de aproximadamente -70 mV. 2. Potencial de acción El potencial de acción es un cambio transitorio y rápido en el potencial de membrana, que se propaga como una señal eléctrica a lo largo de la célula excitable. Fases del potencial de acción: 1. Despolarización: o Estímulos suficientes abren canales de sodio (Na⁺) dependientes de voltaje. o El Na⁺ entra rápidamente en la célula, llevando el potencial hacia valores positivos (hasta +30 mV). 2. Repolarización: o Los canales de Na⁺ se inactivan. o Se abren los canales de potasio (K⁺), permitiendo que el K⁺ salga de la célula. 3. Hiperpolarización: o El potencial desciende por debajo del nivel de reposo debido al cierre retardado de los canales de K⁺.  4. Regreso al reposo: o La bomba Na⁺/K⁺ restablece las concentraciones iónicas originales. Características clave: Todo o nada: ocurre completamente si se supera el umbral (≈ -55 mV). Propagación unidireccional debido al período refractario. 3. Potencial cardiaco Origen: Inician en el nodo sinoauricular (SA), el marcapasos natural del corazón. Este genera impulsos espontáneos gracias a la despolarización lenta por canales "funny" (If) y de calcio. Conducción: o Nodo AV: Retrasa el impulso, permitiendo el llenado ventricular. o Haz de His y fibras de Purkinje: Distribuyen rápidamente la señal para coordinar la contracción ventricular. Células: o Respuesta lenta: En nodos SA y AV; despolarización mediada por canales de calcio. o Respuesta rápida: En fibras de Purkinje y miocardio; despolarización mediada por canales de sodio. Fases: o Despolarización: Contracción (entrada de Na⁺ o Ca²⁺). o Repolarización: Retorno al reposo (salida de K⁺). Regulación: o Simpático: Aumenta la frecuencia cardiaca. o Parasimpático: La reduce. o Comunicación eficiente por uniones gap entre células. 4. Uniones Gap Las uniones Gap son canales proteicos especializados que permiten la comunicación directa entre el citoplasma de células adyacentes. Estructura:  Están formadas por conexones, que son complejos de 6 subunidades proteicas llamadas conexinas. Dos conexones (uno por célula) se alinean para formar un canal continuo que conecta las dos células. Función: Permiten el paso de iones, metabolitos pequeños y segundos mensajeros (como Ca²⁺, IP₃). Facilitan la comunicación eléctrica y metabólica, crucial para la sincronización de actividades celulares. Relevancia biológica: Tejido cardíaco: Coordinan la contracción simultánea de las células del miocardio al permitir la propagación rápida del potencial de acción. Sistema nervioso: Intervienen en sinapsis eléctricas, permitiendo una transmisión rápida y bidireccional. Tejidos epiteliales: Mantienen la homeostasis al compartir nutrientes y señales. Aspectos clínicos: Alteraciones en las conexinas se han asociado con enfermedades como arritmias cardíacas, sordera congénita y neuropatías hereditarias. 5. Introducción a la transmisión sináptica y sinapsis neuromuscular La transmisión sináptica es el proceso mediante el cual las neuronas comunican señales a otras células. Puede ser eléctrica o química, siendo la química la más común en los mamíferos. Sinapsis Química: 1. Eventos clave: o Llegada del potencial de acción al botón presináptico. o Apertura de canales de calcio (Ca²⁺) dependientes de voltaje. o Entrada de Ca²⁺ que desencadena la fusión de vesículas sinápticas con la membrana presináptica. o Liberación de neurotransmisores al espacio sináptico. o Unión de los neurotransmisores a receptores específicos en la membrana postsináptica. 2. Ejemplo clásico: Sinapsis neuromuscular o Neurotransmisor: Acetilcolina (ACh).  o Receptores: Nicotínicos de acetilcolina (nAChR), que son canales iónicos activados por ligando. o Respuesta: Entrada de Na⁺ que genera un potencial de acción en el músculo, iniciando su contracción. Diferencias entre sinapsis eléctrica y química: Característica Sinapsis Eléctrica Sinapsis Química Velocidad Muy rápida Más lenta Dirección Bidireccional Unidireccional Naturaleza Paso de iones Liberación de neurotransmisores 6. Integración sináptica La integración sináptica es el proceso mediante el cual una neurona combina múltiples señales sinápticas (excitatorias e inhibitorias) para generar una respuesta. Mecanismos: 1. Sumación espacial: o Ocurre cuando varios potenciales postsinápticos (EPSP o IPSP) de diferentes sinapsis se suman en la neurona. 2. Sumación temporal: o Sucede cuando potenciales postsinápticos de una misma sinapsis se acumulan en un corto intervalo de tiempo. Tipos de señales: EPSP (Excitatorio): Lleva el potencial de membrana hacia el umbral de disparo, aumentando la probabilidad de generar un potencial de acción. IPSP (Inhibitorio): Aleja el potencial de membrana del umbral, reduciendo la probabilidad de disparo. Importancia: Permite que las neuronas procesen grandes cantidades de información y decidan si generan un potencial de acción. 7. Sistema de segundos mensajeros Los sistemas de segundos mensajeros son vías de señalización intracelular que amplifican las señales de un receptor activado. Principales sistemas: 1. AMPc (monofosfato de adenosina cíclico): o Activado por receptores acoplados a proteínas G (GPCRs). o Enzima clave: adenilato ciclasa. o Efectos: Activación de PKA (proteína quinasa A), que regula funciones como el metabolismo y la transcripción génica. 2. GMPc (monofosfato de guanosina cíclico): o Enzima clave: guanilato ciclasa. o Importante en procesos como la relajación del músculo liso y la visión. 3. IP₃/DAG (inositol trifosfato/diacilglicerol): o Activado por GPCRs que estimulan la fosfolipasa C. o IP₃: Libera calcio del retículo endoplásmico. o DAG: Activa PKC (proteína quinasa C). 4. Calcio (Ca²⁺): o Funciona como segundo mensajero en procesos como la contracción muscular y la liberación de neurotransmisores. 8. Neurotransmisores y su liberación Los neurotransmisores son moléculas químicas que median la comunicación entre neuronas y otras células. Clasificación de neurotransmisores: 1. Aminoácidos: o Excitatorios: Glutamato. o Inhibitorios: GABA (ácido gamma-aminobutírico), glicina. 2. Aminas biógenas: o Dopamina, serotonina, noradrenalina, histamina. 3. Neuropéptidos: o Sustancia P, endorfinas.  4. Otros: o Acetilcolina, óxido nítrico (NO). Liberación de neurotransmisores: 1. Llegada del potencial de acción: o Despolarización de la membrana presináptica. 2. Apertura de canales de calcio dependientes de voltaje: o Entrada de Ca²⁺ al terminal sináptico. 3. Fusión vesicular: o Las vesículas sinápticas se fusionan con la membrana plasmática y liberan neurotransmisores al espacio sináptico. 4. Unión a receptores: o Los neurotransmisores se unen a receptores en la membrana postsináptica, desencadenando respuestas específicas (EPSP o IPSP). 5. Reciclaje o degradación: o Los neurotransmisores se eliminan mediante recaptura, degradación enzimática o difusión. Ejemplo: Acetilcolina Se degrada rápidamente por la enzima acetilcolinesterasa en la sinapsis. 9. Proteínas Las proteínas son macromoléculas esenciales formadas por cadenas de aminoácidos unidas por enlaces peptídicos. Clasificación: 1. Estructurales: o Ej.: Colágeno, queratina. o Dan soporte físico y forma a tejidos. 2. Enzimáticas: o Ej.: Amilasas, ATPasas. o Catalizan reacciones químicas específicas. 3. De transporte:  o Ej.: Hemoglobina, canales iónicos. o Facilitan el transporte de moléculas o iones. 4. Reguladoras: o Ej.: Hormonas (insulina). o Regulan procesos biológicos como el metabolismo. Propiedades destacadas: Estructura jerárquica: Primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. Interacciones específicas: Reconocen moléculas mediante sitios activos o de unión. Dinámicas: Pueden cambiar de conformación para cumplir su función. 1. Aminoácidos y su Relación con Proteínas Los aminoácidos son las unidades básicas de las proteínas, formados por un grupo amino (-NH₂), un grupo carboxilo (-COOH), un hidrógeno y una cadena lateral (R) que determina sus propiedades específicas. Enlace peptídico: Une el grupo carboxilo de un aminoácido con el grupo amino de otro, formando cadenas de aminoácidos llamadas polipéptidos. 2. Polipéptidos: Los Precursores de las Proteínas Los polipéptidos son cadenas lineales de aminoácidos. Adquieren estructura tridimensional (estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria) para convertirse en proteínas funcionales, que realizan roles específicos en el cuerpo, como catálisis enzimática, transporte, señalización y estructura celular. 3. Expresión Génica y Síntesis de Polipéptidos La expresión génica es el proceso mediante el cual los genes codifican para proteínas: 1. Transcripción: El ADN se transcribe en ARN mensajero (ARNm). 2. Traducción: El ARNm se lee en los ribosomas, donde se ensamblan aminoácidos en la secuencia codificada por el ARNm, formando un polipéptido. Los ribosomas usan el código genético (tripletes de nucleótidos llamados codones) para incorporar los aminoácidos correctos en la cadena en crecimiento. 4. Relación Completa: Del Gen a la Proteína Funcional 1. Gen (ADN): Contiene la información para la secuencia de aminoácidos. 2. ARNm: Copia la información del gen y la lleva al ribosoma.  3. Ribosoma: Traduce el ARNm y construye el polipéptido, uniendo aminoácidos mediante enlaces peptídicos. 4. Polipéptido: Se pliega en estructuras secundaria, terciaria y, si es necesario, cuaternaria, para convertirse en una proteína funcional. 10. Canales Iónicos Los canales iónicos son proteínas transmembrana que forman poros selectivos para el paso de iones a través de la membrana celular. Estructura: Compuestos por subunidades proteicas que forman un canal central. Poseen dominios específicos para el reconocimiento de iones. Clasificación: 1. Por activación: o Dependientes de voltaje (Na⁺, K⁺, Ca²⁺). o Activados por ligando (receptores nicotínicos de acetilcolina). o Dependientes de estrés mecánico (canales mecanosensibles). 2. Por selectividad iónica: o Selectivos para Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻ o no selectivos. Importancia: Generan y regulan potenciales eléctricos en la membrana celular. Intervienen en procesos como la contracción muscular, transmisión sináptica y regulación osmótica. 11. Funcionalidad de los Canales Iónicos Los canales iónicos permiten el paso de iones específicos en respuesta a estímulos externos o cambios en el entorno celular. Mecanismo: 1. Estimulación: o Cambios de voltaje, unión de ligandos, o estímulos mecánicos.  2. Apertura del canal: o Cambio conformacional que permite el flujo de iones. 3. Flujo iónico: o Los iones se mueven según su gradiente electroquímico. 4. Cierre o inactivación: o Vuelve al estado de reposo una vez cesa el estímulo. Roles fisiológicos: Generación de potenciales de acción en neuronas. Regulación del ritmo cardíaco (canales de Ca²⁺ en miocitos). Transducción de estímulos sensoriales (vista, audición, tacto). 12. Biopotenciales Los biopotenciales son diferencias de voltaje generadas por el movimiento de iones a través de membranas celulares. Ejemplos: 1. Potencial de membrana en reposo: o Diferencia de potencial estable entre el interior y el exterior de la célula en reposo (~ -70 mV en neuronas). 2. Potencial de acción: o Evento transitorio de despolarización/repolarización generado por canales iónicos dependientes de voltaje. 3. Electrocardiograma (ECG): o Registra la actividad eléctrica del corazón. 4. Electroencefalograma (EEG): o Mide la actividad eléctrica cerebral. Importancia: Reflejan la actividad funcional de tejidos excitables como nervios, músculos y glándulas. Sirven como herramienta diagnóstica en enfermedades cardiovasculares, neurológicas, etc. 13. Herramientas Experimentales en Biología Molecular y Neurociencia 1. Patch Clamp Definición: Técnica para medir la actividad eléctrica de canales iónicos en células vivas. Tipos principales: o Cell-attached: Registra actividad de un canal sin perforar la membrana. o Whole-cell: Accede al interior celular para medir toda la actividad de la célula. o Inside-out: Extrae un parche de membrana para estudiar el canal desde su lado interno. o Outside-out: Estudia canales desde el exterior extracelular. Aplicaciones: o Estudio de potenciales de acción y corriente iónica. o Evaluación de efectos farmacológicos sobre canales iónicos. 2. PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa) Definición: Técnica para amplificar fragmentos específicos de ADN. Pasos principales: 1. Desnaturalización: Separación de las hebras de ADN a altas temperaturas. 2. Alineación: Unión de los primers al ADN molde. 3. Extensión: La ADN polimerasa sintetiza nuevas cadenas de ADN. Aplicaciones: o Detección de mutaciones genéticas. o Identificación de microorganismos. o Cuantificación de genes en expresión génica. 3. Optogenética Definición: Técnica que combina genética y luz para controlar la actividad de células específicas, como neuronas. Mecanismo: o Se introducen genes que codifican proteínas sensibles a la luz (como canalesrhodopsinas) en las células objetivo. o La luz activa o inhibe estas células. Aplicaciones:  o Estudio de circuitos neuronales. o Control de comportamiento animal. o Investigación de enfermedades neurodegenerativas. 4. Inmunohistoquímica Definición: Método para localizar y visualizar proteínas específicas en tejidos usando anticuerpos marcados con colorantes o fluoróforos. Tipos: o Directa: Utiliza un anticuerpo marcado que reconoce directamente la proteína. o Indirecta: Utiliza un anticuerpo primario no marcado y un anticuerpo secundario marcado. Aplicaciones: o Identificación de marcadores celulares. o Diagnóstico de enfermedades como cáncer. o Estudio de redes de señalización intracelular. 5. Imagenología de Calcio Definición: Técnica para medir cambios en los niveles intracelulares de calcio mediante colorantes fluorescentes sensibles a Ca²⁺ (como Fura-2 o GCaMP). Proceso: o Las células se cargan con un colorante o se modifican genéticamente para expresar proteínas fluorescentes sensibles a calcio. o Cambios en los niveles de calcio generan variaciones en la fluorescencia, que se registran con microscopios especializados. Aplicaciones: o Estudio de transmisión sináptica. o Análisis de contracción muscular. o Investigación de procesos de señalización celular.