Biología Sensorial Animal. Teórica #4

Transcripción

1 Biología Sensorial Animal Teórica #4

2 Contenido de la teórica #4 Introducción a la transducción de señales. Bases celulares y propiedades de las células excitables. Potencial de acción y de membrana en reposo. Potencial electroquímico. Ecuación de Nerst. Ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz. Respuestas eléctricas pasivas y activas. Bases y canales iónicos involucrados en el Potencial de acción. Período refractario. Propagación y transmisión de señales eléctricas. Sinapsis eléctricas y químicas: características, significado fisiológico.

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10 Potencial de reposo La membrana separa en compartimento intra- y extracelular 1 mv= 0,001 V Negativa por dentro (-80 to -60 mv) Debido a una permeabilidad diferencial de la membrana a distintos iones se produce una distribución asimétrica de estos a uno y otro lado de la misma.

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14 La ecuación de Nerst describe el potencial de equilibrio de un ion E ion = RT / zf * ln ([ion] out / [ion] In ) donde: R es la constante del gas (8,314 X 10 7 dyne-cm/mole grado) T es la temperatura absoluta en Kelvin (273,16 + t ( C)) z es la carga del ion F es la constante de Faraday (cantidad de electricidad necesaria para modificar químicamente un gramo de peso equivalente de material reactivo = 9,648 x 10 4 coulombs/mol).

15 Una versión simplificada de la ecuación de Nerst (a 37 C) E ion = 61 / z * log ([ion] out / [ion] In )

16 Calculando el potencial de membrana para una célula que es solo permeable al K + [K + ] out = 5 mm [K + ] in = 150 mm E ion =61/ z*log([ion] out /[ion] In ) E K+ =61/1*log([5]/[150]) E K+ =61*(-1.5)=-92mV

17 Potencial de equilibrio del Sodio E Na = 61 1 log [150] [15] E Na = 61 * 1 = +61 mv

18 Cómo se mantiene la asimetría iónica?

19 Permeabilidad diferencial Concentraciones ionicas y permeabilidades relativas durante el potencial de reposo: [Na + ] [K + ] [Ca + ] [Cl - ] [A - ] x E ion + 62 mv - 90 mv +190 mv -85 mv E ion solo cuando la permeabilidad es distinta de 0

20 Potencial de reposo Hodgkin y Katz mostraron que el potencial de reposo interior es negativo porque: La membrana de la neurona en reposo es más permeable al K + por canales abiertos Hay más K + en el interior de las neuronas mantenido por transportadores de membrana

21 Prediciendo el potencial de membrana (Vm) El potencial de membrana puede ser descripto por la relación entre las permeabilidades y concentraciones de los iones Ecuacion de Goldman Vm = 61 log P K [K + ] out + P Na [Na + ] out + P Cl [Cl - ] in P K [K + ] in + P Na [Na + ] in + P Cl [Cl - ] out En el potencial de reposo: a. K + esta muy cerca de su potencial de equilibrio. b. Na + esta muy lejos de su potencial de equilibrio. c. P K >> P Na

22 Evidencia experimental potencial de reposo determinado por K + E ión = 61 / z * log ([ión] out / [ión] in )

23 Problema! La ecuación de Goldman es de uso limitado. Por ejemplo no puede ser usada para determinar cuan rápido cambia el potencial de membrana en respuesta a cambios en la permeabilidad Solución! Un modelo matemático llamado circuito equivalente

24 Modelo de circuito equivalente e r Ley de Ohm I = V R R= 1 G I = V * G

25 Circuito RC I Na = g Na * (V m E Na ) I K = g K * (V m E K ) I Cl = g Cl * (V m E Cl )

26 Qué sucede si un ion (x) no esta en su potencial de equilibrio (E x )? I x = G x (V m E x ) 50 mv E Na -75 mv -90 mv Vm E Cl E K

27 La corriente a través de los canales iónicos conduce cambios en el potencial de membrana Ley de Ohm: V = I * R V = voltaje, I = corriente (Amp), R = resistencia (Ohms) I = V/R ó I = V * G G = conductancia (Siemens) Para que la corriente fluya debe haber una fuerza motriz (Vm - E ión ) 0, por lo tanto I = (Vm - E ión ) * G Si la corriente fluye a través de una resistencia (la membrana celular actúa como tal) hay un cambio de voltaje (potencial de membrana).

28 Resumen de las bases del potencial de membrana Gradientes de concentración por bombas Permeabilidad selectiva La estructura química de la membrana produce una permeabilidad selectiva a substancias liposolubles o pequeñas moléculas e iones, pero impermeable a moléculas polares y macromoléculas. Movimiento a favor del gradiente de concentración Movimiento por un gradiente de carga eléctrica Relación basada en ley de Ohm

29 La unidad estructural y funcional del sistema nervioso es.. la neurona

30 CELULAS DEL SISTEMA NERVIOSO Neuronas o células nerviosas Células de la Glia terminal * Astrocitos * Oligodendrocitos * Microglía * Células Ependimarias

31 Existen diferentes formas y tamaños de neuronas en mamíferos

32 Categorías anatómicas y funcionales de neuronas Las neuronas pueden ser clasificadas de acuerdo a su función y/o estructura en: Neuronas sensoriales Función Interneuronas del SNC Neuronas eferentes o motoras Anaxonica Estructura Pseudounipolar Bipolar Multipolar

33 Categorías anatómicas y funcionales de neuronas

34 Categorías anatómicas y funcionales de neuronas

35 Neurona modelo Las dendritas reciben las señales entrantes; los axones llevan la información saliente La estructura de la mayoría de las neuronas es asimétrica.

36 Registro de las señales eléctricas activas y pasivas en una célula nerviosa

37 Resumen Las neuronas son la unidad funcional del sistema nervioso (con diferentes formas y tamaños). Para que una corriente fluya debe haber: una fuerza motriz y una conductancia distinta de cero Los canales iónicos permiten el pasaje de iones a través de la membrana de la célula (conductancia). El potencial de reposo está dado fundamentalmente por una distribución asimétrica y permeabilidades diferenciales de los iones. Ecuación de Nerst describe el pot. de equilibrio de un ion. La ecuación de Goldman toma en cuenta todos los iones. K + esta muy cerca y el Na + muy lejos de sus potenciales de equilibrio (permeabilidad K + >> permeabilidad Na + ).

38 La transmisión de una señal a través del sistema nervioso depende de los movimientos de iones, los cuales producen una señal eléctrica. Algo (por ej., un ion) se mueve solo si: 1) Existe una fuerza motriz (driving force) 2) Existe un camino (pathway)

39 La transmisión de una señal a través del sistema nervioso depende de los movimientos de iones, los cuales producen una señal eléctrica. Cómo se mueven sustancias a través de la membrana? Modelo de mosaico fluido S.J. Singer & G. Nicolson 1) A través de canales. Los iones se mueven gracias a una fuerza motriz (movimiento pasivo). 2) Transportado por proteínas (puede ser activo o pasivo) i) Activo: gasto de energía (en general hidrólisis de ATP) ii) Pasivo: a favor de un gradiente electroquímico (el ión debe estar pegado a una proteína transportadora)

40 Los potenciales de reposo y de acción implican permeabilidades a diferentes iones

41 Potencial de acción Un aumento en la permeabilidad al Na + es responsable de la generación del potencial de acción (PA). Se observa que el PA se inicia solo cuando el potencial de membrana se hace mas positivo y supera cierto umbral. Esto qué sugiere? Sugiere que el mecanismo responsable del aumento de permeabilidad del Na + es sensible al potencial de membrana!

42 Técnica de voltage clamp Problema práctico: No se podía cambiar en forma sistemática el potencial de membrana para estudiar cambios en la permeabilidad en forma controlada. Kenneth Stewart Cole ( ) Solución!!

43 Técnica de voltage clamp

44 Las notables neuronas gigantes del calamar

45 Premio Nobel de Fisiologia o Medicina 1963 "for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane" Sir John Carew Eccles Alan Lloyd Hodgkin Andrew Fielding Huxley Our understanding of the ionic events during an action potential are based on a model proposed in the early 1950 s by Hodking ans Huxley.

46 Suposiciones del modelo de Hodking y Huxley Las membranas poseen conductacias (o canales) separados e independientes para los iones de Na + y K +. La magnitud de la conductancia para el Na + y el K + depende del potencial de membrana y el tiempo. Los iones se mueven solo si hay una fuerza motriz y una conductancia distinta de 0 (ley de Ohm).

47 Experimentos para poner a prueba el modelo Usando fármacos que boquean conductancias específicas Tetrodotoxina (TTX) bloquea canales de Na +. Tetra-etil amonio (TEA) bloquea canales de K +. Modificando la carga eléctrica y/o concentración de los componentes de la fuerza motriz. Cambiando el potencial de membrana y midiendo las corrientes Variando las concentraciones iónicas y observando los efectos en las corrientes

48 Flujo de corriente en experimento de voltage clamp

49 Corriente producida a distintas depolarizaciones de membrana

50 Relación entre amplitud de corriente y potencial de membrana

51 Corriente temprana (inwards) dependiente de Na +

52 Corrientes Na+ y K+

53 Cambios de conductancias dependientes de tiempo y voltaje Conductancias calculadas a partir de las corrientes

54 Modelo matemático del potencial de acción

55 Figure 8-9, step 1

56 Canal de Na + voltaje dependiente Los canales de Na + tienen dos puertas: de activación e inactivación.

57 Propiedades pasivas de la membrana Resistencia de membrana en reposo (Rm) Cambio del potencial de membrana en respuesta a la inyección de corriente (input resistance) Capacitancia de membrana (Cm) Cuanto tiempo le lleva el cambio de potencial Resistencia intracelular axial a lo largo de axones y dendritas (Ra) Resistencia que ofrece el citoplasma del axón al flujo longitudinal de corriente como resultado de coliciones entre iones y partículas citoplasmáticas.

58 Propiedades pasivas de la membrana Injección corriente Cambio voltaje Input resistance Gráfico I-V

59 Propiedades pasivas de la membrana ʎ = (r m / r a ) r m = specific membrane resistance (R por unidad de sup.) r a = axial resistance

60 Flujo pasivo de corriente en un axón

61 Constante espacial (ʎ) Es una medida de la eficiencia de propagación de cambios de potencial de membrana a lo largo de la neurona (conducción electrotónica) Efectos en función neuronal Influencia la sumación espacial Influencia la velocidad de propagación de los potenciales de acción

62 Propagación de un potencial de acción

63 Por qué un PA no viaja para el otro lado?

64 Señales eléctricas: Periodo refractario

65 Propagación del PA

66 El tamaño del axón importa 1 mm

67 La mielina aisla los axones

68 Conducción saltatoria de un potencial de acción

69 La mielinización aumenta la velocidad de conducción

70 CANALES IONICOS Registros de canal único de Na + Sakmann & Neher s Nobel Prize 1991

71 Técnica de patch clamp Sakmann & Neher s Nobel Prize 1991

72 Mediciones de corrientes de Na + y K + con patch clamp

73 Estados de canales de + Na y + K

74 Sinápsis eléctricas y químicas

75 Estructura y función en uniones de sinápsis eléctricas

76 Otto Loewi ( ) Sinápsis eléctricas o químicas?

77 Experimento de Loewi

78 Propiedades de las sinapsis electricas y quimicas Type of synapse Electric al Distance between preand postsynaptic cell membranes Cytoplasmic continuity between preand postsynaptic cells Ultraestructural components Agents of transmissio n Synapti c delay 3.5 nm Yes Gap-junctions channels Ion current Virtuall y absent Direction of the transmission Usually bidirectional Chemic al nm No Presynaptic vesicles and active zones; postsynaptic receptors Chemical transmitter Chemic al transmit ter Unidirectional

79 Cell-to-Cell: Calcium Action potential 1 An action potential depolarizes the axon terminal. Axon terminal Synaptic vesicle 2 3 The depolarization opens voltagegated Ca 2+ channels and Ca 2+ enters the cell. Calcium entry triggers exocytosis of synaptic vesicle contents. 1 Voltage-gated Ca 2+ channel 2 Ca 2+ Ca 2+ Docking protein Receptor Neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and binds with receptors on the postsynaptic cell. Neurotransmitter binding initiates a response in the postsynaptic cell. Postsynaptic cell 5 Cell response

80 Cómo se detiene la activación post-sináptica?

81 Cell-to-Cell: Inactivation of Neurotransmitters

82 Resumen de sucesos en el terminal presináptico 1) Potenciales de acción abren canales de Ca 2+ 2) Vesículas conteniendo el neurotransmisor se fusionan con la membrana plasmática 3) El transmisor es liberado y difunde por la hendidura sináptica

83 Unión neuromuscular Stimulate axon Record synaptic response (endplate potential=epp) (excitatory postsynaptic potential=epsp) Neurotransmitter is acetylcholine (Ach)

84 Liberación de transmisores de las vesículas sinápticas Distribucion de cuantos de las amplitudes de los potenciales placa terminal (PPT) Solucion con bajo Ca++ Multiplos enteros de la amplitud media de PPTM Curva roja prediccion modelo estadistico

85 Liberación estocástica de transmisores Distribución Binomial Amplitud (mv) AP-evoked EPSP amplitude = n p q n=# of available vesicles, p=probability of release (from 0 to 1), q= quantal amplitude

86 Microscopia de criofractura: fusión de vesículas sinápticas en terminaciones presinápticas A) Izq.: no estimulada Der: estimulada por un PA

87 Resumen Potenciales eléctricos a través de la membrana Potencial de reposo Potencial receptor Potencial sináptico Potencial de acción Fuerzas que generan potencial de membrana (Ecuación de Nerst) Equilibrio electroquímico con más de un ion permeable (Ecuacion de Goldman) Neuronas gigantes de calamar Base iónica del potencial de reposo y de acción

88 Resumen Técnica de voltage clamp Corrientes y conductancias dependientes del voltaje Potencial de acción (PA) Propagación del PA Velocidad de conducción Propiedades pasivas de la membrana Mielinización Período refractario Propagación saltatoria Transmisión sináptica Eléctrica Química