Dra. Catalina de León POTENCIALES DE MEMBRANA, TRANSPORTE Y EXCITABILIDAD.

Transcripción

1 Dra. Catalina de León POTENCIALES DE MEMBRANA, TRANSPORTE Y EXCITABILIDAD.

2 Membrana Barrera al paso de iones y solutos polares (azúcares, aminoácidos, proteínas, fosfatos). Compartimentación: -Medio interno: solución salina baña una trama de proteínas estructurales aniónicas. -Medio externo: solución acuosa con iones. Sodio, mayor concentración medio extracelular, y potasio mayor concentración intracelular.

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5 Propiedades de la membrana Propiedades eléctricas pasivas (no cambian durante la generación de señales): -Conductancia: por canales iónicos abiertos. 1/R -Gradiente electroquímico: participa en el potencial de membrana -Capacitancia: propiedad de la membrana celular de acumular cargas eléctricas. Propiedades activas: -Canales voltaje-dependientes.

6 Preconceptos Ion: partícula con carga eléctrica. Canal iónico: proteína de membrana que transporta iones por difusión pasiva o facilitada (sin consumo de ATP). Polaridad: capacidad de un cuerpo de tener dos polos con características distintas. Potencial de reposo: estado en el cual las células no están transmitiendo impulsos. Potencial de membrana: es el voltaje que le da a la membrana la diferente concentración de iones a ambos lados de si misma. Potencial de acción: transmisión de un impulso producido al cambiar las concentraciones intra/extracelulares de determinados iones.

7 Preconceptos EQUILIBRIO QUÍMICO: Es el estado al que llega un sistema después de cierto tiempo sin que actúen fuerzas exteriores, manteniéndose invariable con el tiempo. ESTADO ESTACIONARIO: En contraposición al anterior, podemos definirlo como un estado de no equilibrio el cual se mantiene constante en el tiempo. Esto requiere aporte de energía.

8 Potencial de reposo Cuando una célula está en reposo, existe una diferencia de carga eléctrica entre el interior y el exterior celular. El exterior es positivo respecto al interior debido a la presencia de cationes en mayor concentración que en el medio intracelular. Interior cargado negativamente. Aniones no difusibles. Membrana: >permeabilidad a K+ que a Na+.

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11 Potencial de reposo Por convención se asume que el potencial fuera de la célula vale cero. Por lo tanto podemos definir la diferencia: Vint-Vext Como Potencial de membrana o Potencial de membrana en reposo (Em o Vm). Existen algunos tipos celulares (neuronas y músculo) que pueden modificar su valor de potencial de membrana de forma rápida y transitoria en respuesta a un estímulo (químico, eléctrico, mecánico), de intensidad adecuada, y que dicho cambio se transmita en forma de una onda de amplitud constante, a lo largo de la fibra. Es por esto que a estos tipos de células se las denomina excitables.

12 Potencial de reposo La salida de K+ genera pérdida de cargas (+) contribuyendo al potencial de reposo. Por lo tanto, el PMR es el que existe en las células excitables cuando su membrana no está participando de respuestas fisiológicas. La magnitud del potencial de membrana en reposo varía según el tipo celular pero generalmente es de unas pocas decenas de milivoltios. Este potencial es mayor en las células nerviosas y musculares, en las que generalmente es de -40 a 90 mv. CONSTANTE.

13 Potencial de reposo DEPENDE DE: La redistribución de los iones a través de la membrana. El Na+ y Ca+2 más abundantes afuera. El K+, PO4-, SO4- y Cl- más abundante adentro. La acción de la bomba Na-K ATPasa. La bomba saca 3 sodios e introduce 2 potasios simultáneamente, manteniendo una carga positiva afuera. Los canales de K de fuga siempre abiertos. El potasio sale por los canales abiertos atraído por el gradiente químico.

14 Potencial de reposo Dado que el potencial de membrana en reposo es negativo, el movimiento hacia el interior de la célula de los iones con carga positiva (sodio y el calcio) se ve favorecido y estos iones pueden difundir hacia el interior de la célula siguiendo sus gradientes respectivos de concentración. Por el contrario, el valor negativo del potencial de membrana se opone a la entrada de iones con carga negativa como el cloruro, a pesar de que su gradiente de concentración favorece el movimiento neto de entrada.

15 Potencial de NERNST El potencial de reposo de una célula es producido por diferencias en la concentración de iones dentro y fuera de la célula y por diferencias en la permeabilidad de la membrana celular a los diferentes iones. El potencial de equilibrio de Nernst, relaciona la diferencia de potencial a ambos lados de una membrana biológica en el equilibrio, con las características relacionadas con los iones del medio externo e interno y de la propia membrana.

16 Potencial de NERNST El potencial de Nernst se establece entre disoluciones separadas por una membrana semipermeable. Por ejemplo, KCl (cloruro de potasio), una sal, en medio acuoso se disocia en K+y Cl- compensando las cargas positivas de K+ con las negativas de Cl- por lo que la disolución será eléctricamente neutra. De existir una membrana biológica selectivamente permeable al K+ en el interior de la solución, los K+ difundirán libremente a un lado y a otro de la membrana. Sin embargo, como hay más iones en el compartimento 1, inicialmente fluirán más iones K+ del 1 al 2 que del 2 al 1.

17 Potencial de NERNST Como el Cl- no puede difundir a través de la membrana, pronto hay un exceso de carga positiva en el compartimento 2 y un exceso de carga negativa en el 1. El fluido en cada compartimento permanece con una carga neutra, si bien las cargas en exceso se concentran a lo largo de la membrana. Las capas de carga positiva y negativa a cada lado de la membrana producen una diferencia de potencial V = V1 - V2 a través de la membrana y un campo eléctrico E.

18 Potencial de NERNST En este sistema, tras un tiempo se alcanzará el equilibrio dinámico en el que exista un flujo de K+ idéntico del 2 al 1 como del 1 al 2. Este equilibrio depende de la diferencia de concentración que favorece el movimiento del 1 al 2 y de la diferencia de potencial que favorece la difusión del 2 al 1.

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21 Potencial de acción El potencial de acción es un cambio brusco y transitorio del potencial de membrana en reposo. En unos milisegundos el potencial se invierte de negativo(-70mv a -90mV) a positivo para posteriormente regresar al potencial de reposo.

22 Potencial de acción Fases del potencial de acción: Despolarización: El potencial se eleva en dirección positiva, primero gradualmente hasta un umbral y luego de forma brusca, llegando a invertirse. El pico de potencial invertido (positivo) se llama exceso o sobretiro. Repolarización: el potencial cae rápidamente en dirección negativa hacia el potencial de reposo. Hiperpolarización postpotencial: el potencial se sitúa transitoriamente en valores ligeramente más negativos que el de reposo.

23 Bases iónicas del PA En los cambios del potencial de acción intervienen canales de membrana con puertas de voltaje. Canales de Na+: Se abren al inicio de la despolarización y se cierran al final, cuando comienza la repolarización. Canales de K+: Se abren desde el inicio de la repolarización hasta el final de la hiperpolarización.

24 Bases iónicas del PA La conductancia (g) o permeabilidad es la facilidad con que los iones fluyen a través de la membrana. Los cambios en el potencial de membrana durante el potencial de acción se deben a cambios selectivos en la conductancia de la membrana para Na+ y K+ y la variación resultante en la proporción entre las conductancias para ambos iones. El predominio de la conductancia para uno de los dos iones arrastra el potencial de membrana hacia el potencial de equilibrio (potencial de Nernst) de dicho ion.

25 Durante la fase de reposo la conductancia para el K+ es 100 veces mayor que para el Na+. El incremento brusco de la conductancia para el Na+ (activación de canales Na+), que llega a ser 3000 veces mayor que la del K+, produce la entrada masiva de Na+ y la consiguiente fase de despolarización. La reducción brusca de la conductancia para el Na+ (inactivación de canales Na+) junto con el incremento de la conductancia para el K+ (activación de canales K+) producen la salida neta de cargas positivas y la consiguiente fase de repolarización. El mantenimiento de la conductancia elevada para el K+, 1000 veces mayor que la conductancia normalizada para el Na+, produce la fase de hiperpolarización. La normalización de ambas conductancias (ambos canales en reposo) produce el regreso al potencial de reposo.

26 Propiedades del PA Umbral de excitación: intensidad del estímulo para provocar un PA. Ley de todo o nada: estímulo umbral o supraumbral genera potencial de acción de igual amplitud, independientemente de la intensidad del estímulo. Conducción sin decremento: propagación de PA con amplitud constante. La velocidad de propagación depende del tamaño de la fibra, presencia o ausencia de mielina.

27 Propiedades del PA Período refractario absoluto: es el tiempo, inmediatamente después de producirse un PA durante el cual la célula no responde a otros estímulos. Período refractario relativo: período durante el cual la intensidad de los estímulos aplicados, ha de ser mayor de lo normal para provocar un PA en las células.

28 Potenciales electrotónicos Características -Graduados -Locales -Pasivos -Sumatorios -Despolarizantes o hiperpolarizantes.

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30 Como hacen los potenciales locales para generar un PA?

31 SUMA TEMPORAL Integra dos o más potenciales electrotónicos que se producen en el mismo lugar pero en diferentes momentos. FORMULA ES TAU = capacitancia x resistencia. TAU (constante de tiempo): tiempo necesario para que el potencial de membrana alcance el 63% del máximo de variación.

32 SUMA ESPACIAL Se expresa por la constante de espacio LAMBDA. LAMBDA= resistencia de la membrana / resistencia axial (interna). Se define como la distancia en la cual la variación del potencial local decrece hasta llegar al 37% de su valor inicial.

33 TRANSPORTE DE MEMBRANA El transporte celular es un mecanismo mediante el cual entran sustancias que la célula necesita y salen de ella las sustancias de desecho y también productos útiles. Existen dos tipos de transporte: pasivo y activo. El transporte pasivo es el que se lleva a cabo sin gasto de energía por parte de la célula, como la difusión simple, la difusión facilitada y la ósmosis; todos ellos a favor de un gradiente de concentración. El transporte activo es el que necesita energía celular para llevarse a cabo, pues es en contra de un gradiente de concentración.

34 Difusión simple La molécula puede pasar directamente a través de la membrana. Es siempre a favor de un gradiente de concentración. Esto limita la máxima concentración posible en el interior de la célula (o en el exterior si se trata de un producto de desecho). La efectividad de la difusión, está limitada por la velocidad de difusión de la molécula. Las moléculas pequeñas sin carga pueden difundir libremente a través de la bicapa lipídica. Las moléculas pequeñas no polares, tales como O2 y CO2, son solubles en la bicapa lipídica y por lo tanto pueden cruzar fácilmente las membranas.

35 Difusión simple Las moléculas pequeñas polares sin carga, tales como el H2O, pueden también difundir a través de las membranas, pero moléculas polares sin carga y más grandes, tales como la glucosa, no pueden. Por lo tanto si bien la difusión es un mecanismo de transporte suficientemente efectivo para algunas moléculas (por ejemplo el agua), la célula debe utilizar otro mecanismo de transporte para sus necesidades, como lo es el transporte activo. > concentración < concentración. Termodinámicamente= libera energía.

36 Difusión facilitada Las moléculas que no pueden cruzar la membrana por libre difusión, pueden hacerlo por la acción de proteínas transmembrana específicas, que actúan como transportadoras. Se utilizan proteínas que reaccionan cambiando su estructura básica para permitir que moléculas cargadas (que de otra manera no podrían atravesar la membrana) difundan libremente hacia afuera y adentro de la célula. La velocidad del transporte facilitado está limitado por el número de proteínas disponibles, mientras que la velocidad de la difusión simple depende solo del gradiente de concentración.

37 Difusión facilitada Transportadores: estructuras proteicas con uno o más sitios de unión, que exponen alternativamente uno o varios sitios de unión a un lado y otro de la membrana. Etapas: 1- atrapar ión y despojarlo de las moléculas de hidratación 2- cruzar el ión 3- liberarlo y rehidratarlo en la otra orilla Transporte por cambios conformacionales.

38 Difusión facilitada Canales: son proteínas transmembrana que poseen un poro cuya apertura es controlada por voltaje, ligando, mecánicamente, y permite el flujo de iones a través de la membrana. Presentes en tejidos excitables y no excitables, involucrados en procesos de señalización.

39 Transporte activo En el transporte activo se requiere de un gasto de energía adicional (ATP) para transportar la molécula de un lado al otro de la membrana, ya que el transporte de moléculas se hace en contra del gradiente de concentración. Para lograr dicho objetivo se necesita de la presencia de proteínas de canal especializadas, que actúan como maquinaria o bomba de transporte. Y que ademas dicho proceso, esta limitado por el número de estas proteínas presentes en la membrana. Son de interés dos grandes categorías de transporte activo, primario y secundario.

40 Transporte activo 1rio Ocurre cuando una molécula atraviesa la membrana celular con un gasto de energía estrictamente dedica a ella, es decir, la energía derivada del ATP directamente empuja a la sustancia para que cruce la membrana. El ejemplo más característico es la bomba de Na+/K+ (sodio-potasio), que mantiene una baja concentración de Na+ en el citosol, moviéndolo del interior en contra de un gradiente hacia el exterior y simultáneamente mueve los iones K+ desde el exterior hasta el interior de la célula en contra de un gradiente de concentración. Esta bomba debe funcionar constantemente y es vital para la célula.

41 Transporte activo secundario Otros solutos como la glucosa y aminoácidos tienden a entrar a la célula a través del aprovechamiento de esta energía utilizada en el transporte activo primario. Por ejemplo a nivel del la mucosa intestinal, la glucosa logra ser absorbida, gracias a que esta se une a la proteína de transporte primario, y cuando se está interiorizando el potasio, esta aprovecha el viaje y el gasto de energía para lograr cruzar la membrana celular en contra de un gradiente de concentración.

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