Canales iónicos y potencial de membrana (2015)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Fisiologia Animal, neurofisiologia y endocrinologia
Año del apunte 2015
Páginas 12
Fecha de subida 21/12/2015
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Jesica Molina Si necesitas más apuntes puedes encontrarlos en Unybook.com buscando el usuario jmolinareyes TEMA 1. CANALES IONICOS Y POTENCIAL DE MEMBRANA - Existe una diferencia de potencial entre el interior de la célula y el exterior, siendo el interior negativo respecto el exterior.
- Esta diferencia de potencial es debida a la distribución desigual de iones entre uno y otro lado de membrana.
- El exterior está formado básicamente por Cl- y Na+, mientras que en el interior predominan el K+ y aniones orgánicos.
La actividad electrofisiológica es como cambia el potencial de membrana. De las células normalmente es negativo respecto al interior. En reposo esta alrededor de -70 mV, pero esta puede variar. ¿Por que se establece esta diferencia de potencial entre el exterior y la célula? Porque las concentraciones de iones son asimétricas en el interior y exterior. No hay la misma concentración. Además, la permeabilidad de la membrana a los iones es otra condición para explicar este potencial de membrana. A priori, la membrana plasmática no deja pasar sustancias hidrosolubles siendo el ion el más extremo. Permeabilidad selectiva.
La concentración habitual de iones en el interior o exterior de iones: El sodio está básicamente en el exterior. El cloro también está muy desproporcionado entre dentro y fuera, hay mucho más en el exterior. En el caso del potasio, hay mucho más en el interior. Si miramos aniones orgánicos, son cargas negativas y ancladas en el interior de la célula, por lo tanto, son mayores a nivel intracelular. En cambio, el calcio prácticamente no hay en el interior de la célula.
Esto quiere decir que si miramos los iones básicos (4), cualquier cambio que hay en el potencial de membrana se explica por un movimiento de alguno de estos iones. Ya que los aniones orgánicos están anclados y no se van a mover, y por lo tanto, estos no pueden ocasionar un cambio en el potencial de membrana.
El líquido extracelular es cloruro sódico. En el interior de la célula lo que predomina es el potasio que se puede combinar con los aniones orgánicos.
¿Cómo se mueven los iones a través de la membrana si ésta es permeable? Hay dos sistemas básicamente: - Canal iónico: Es una estructura compleja proteica, se inserta en la membrana y puede estar de dos maneras (cerrado o abierto). Si se abre un poro en la membrana, como en la estructura interna el ion se puede mover, permito que se mueva. El ion se mueve por un gradiente electroquímico y la concentración.
El canal permite que el canal se mueva si está abierto, pero también depende de la carga y concentración de la membrana para que haya este movimiento.
Si una célula cambia el potencial de membrana, nos preguntamos qué canal iónico ha permitido que un ion se mueva.
- Bomba iónica. La más característica la de sodio y potasio. Mueve el potasio y el sodio en el sentido contrario a como lo ha hecho el potencial de acción. Es tan importante porque intenta restablecer el desequilibrio que se ha creado con el potencial de acción, y la mayor parte del gasto energético de la neurona es del gasto de esta bomba.
Potencial de equilibrio electroquímico para un ion Para saber el potencial electroquímico es a través de la ecuación de Nernst. La mayoría son constantes. Lo que puede cambiar para un ion particular de un momento a otro, es la concentración de ese ion en el interior y exterior.
Por ejemplo, el potencial electroquímico del potasio es de -75 mV. Es posible que de una célula a otra varíe. En el momento en el que estamos en laboratorio y cambiamos la concentración externa de potasio en la placa de Petri, inmediatamente ya se cambia el potencial electroquímico de esas células.
Por ejemplo, célula a -80 mv de potasio. Abrimos el canal de potasio y los iones se van a mover hacia dentro.
Cuando queremos hacer una célula más negativa, los iones que pueden explicar esto generalmente es el cloruro, cloro o potasio. Si quiero hace una célula más positiva participaran canales de sodio y calcio. El sodio mucho más que el calcio.
El calcio es fundamental en las células para la señalización intracelular. El calcio que entra a una célula a nivel de membrana es muy importante para esta señalización.
Empiezan procesos de activación de enzimas y señalización. A parte del retículo endoplasmatico, desde fuera pueden abrirse canales de calcio y entrar. Cualquier cosa que provoque un cambio en los canales iónicos de calcio, provoca una entrada de calcio y procesos de señalización intracelular.
El potencial de equilibrio para el Na es +50mV y para el cloro es -80mV. Los más negativos son el potasio y el cloro.
Cambios en el potencial de membrana - El potencial de membrana de las células puede cambiar, siendo ésta una característica especialmente importante en las células excitables.
Siempre que hay un cambio en el potencial de membrana es debido a cambios en la permeabilidad a determinados iones Un cambio en la permeabilidad es debido a que se modifican canales iónicos (normalmente que se abren) Los iones que son importantes para modificar el potencial de membrana (es decir poseen canales iónicos) son el Cl-, Na+, K+ y en algunos casos el Ca++.
Ecuación de Goldman-Hodkin-Katz La ecuación de Goldman es una ampliación de la ecuación de Nerst que tiene en cuenta todos aquellos iones que pueden ser importantes para el cambio de potencial de membrana. Por otro lado introduce el concepto de permeabilidad de la membrana a un ion particular.
Si pudiera registrar el potencial de membrana de una neurona y a me dicen te voy a dar la concentración de iones que hay dentro y fuera de la célula, te voy a dar la permeabilidad para cada ion y tú me calculas. Si calculamos, lo que registramos es muy parecido a la ecuación de Goldman. Eso significa que si hemos dicho, a priori, que en realidad la concentración de iones in vivo fuera y dentro no cambia, porque la concentración que cambia es muy pequeña. Si esto no cambia prácticamente, la ecuación de Goldman para explicar cómo ha cambiado el potencial de membrana si hemos pasado de menos 70 a -40, lo que ha cambiado es la permeabilidad para algunos iones.
Siempre que quiera explicar un cambio en el potencial de membrana tiene que ver con el cambio en la permeabilidad de iones.
La concentración puede variar de un tejido a otro, de un animal a otro. Siempre que queramos explicar cambio de potencial de membrana se tiene que explicar por un cambio de permeabilidad a estos iones. En la práctica, cuando estudiamos células y estamos viendo cambios de potencial de membrana, el averiguar a que ion le está cambiando la permeabilidad puede ser muy difícil, pero lo que esta claro son los conceptos.
Por que cambia la permeabilidad a los iones? Porque se están modificando canales iónicos que dejan pasar estos iones.
Cuando tenemos una célula y le ponemos cargas negativas con un electrodo se provoca una despolarización. Estamos haciendo una hiperdesporalización. Estamos haciéndola más negativa. Al cabo de una fracción de milisegundo, este cambio de poner cargas negativas se recupera y vuelve al -70 de referencia. Hasta ahora, no estamos cambiando la permeabilidad de iones.
Se pone más carga, se hace más negativa pero vuelve rápido a la normalidad. Esto ocurre porque hasta ahora no estamos cambiando la permeabilidad de la membrana, entonces si la ecuación dice que para estas condiciones el potencial de membrana es 70, sin cambiar la permeabilidad volverá rápidamente a ese valor.
Si añadimos cargas positivas, nos vamos acercando a 0. Eso se llama despolarización de la membrana. Llega un momento que vuelve a la normalidad porque estamos añadiendo cargas positivas pero seguimos sin cambiar la permeabilidad.
Esto ocurre hasta que llegamos a una despolarización del orden de -50 mv, pasamos de -70: no solo no vuelve a la normalidad sino que se aleja más. Esto da lugar al potencial de acción. En el momento que se ha descontrolado, por algún motivo se ha cambiado la permeabilidad a algún ion. Si de golpe vemos que el potencial de membrana pasa a +30 mv, tenemos que pensar en un ion cuyo potencial según la ecuación de Nerst este cerca del sodio.
Si no cambiamos permeabilidad a un ion, podemos añadir cargas negativas o positivas pero podrá recuperarse y volver al valor inicial.
Canal iónico y su selectividad por un ión Es una estructura que se inserta en la membrana y esta estructura permite el paso de iones porque tiene una parte hidrofilia. Para cambiar la permeabilidad de un ion si se tienen los canales iónicos cerrados, se tienen que abrir. Si un canal abierto se cierra, se está disminuyendo la permeabilidad.
Hay muchos tipos de canales iónicos. El esquema general es, tiene una parte central hidrofílica por donde se mueve el ion. En un punto del canal hay aminoácidos que pueden estar cargados positiva o negativamente, por lo tanto, cuando llegue un ion negativo al canal y este está cargado negativamente se repelerá. Mediante este dispositivo los canales son muy selectivos para cationes o aniones. La selectividad para aniones o cationes es muy estricta, o es un canal que solo deja pasar aniones o cationes.
Cuando se habla de aniones nos referimos al cloro. Cuando hablamos de cationes tenemos el potasio, sodio y calcio. Aquí es más difícil y la selectividad de los canales depende del tamaño del poro y de otras características. Hay canales cationicos que son bastante selectivos para el sodio por ejemplo, y hay algunos canales ionicos que son poco selectivos, que se abren y dejan pasar a diferentes cationes.
Existen muchos tipos diferentes de anales ionicos, que pueden clasificarse en funcion de: - - Conductancia del canal (contrario de resistencia): se mide en siemens si la intensidad se mide en amperios y el voltaje en voltios. Oscila entre 5-400 pS, mucha diferencia de conductancia de un canal a otro. La conductancia es el término eléctrico, y la permeabilidad es la facilidad que el ion pasa a través de los canales.
Selectividad iónica: es muy estricta cationes/aniones y dentro de cationes puede ser más estricta o menos.
Mecanismo de apertura Farmacología: aplicando moléculas capaces de actuar de manera selectiva podemos estudiar que tipo de canal es.
Mecanismos de apertura ¿Cómo cambia la permeabilidad? - canales muy frecuentes que son los dependiente de ligando. Se une una unidad neurotransmisora al ligando y el canal se abre.
Sensibles a iones, moléculas o modificaciones internas. Ejemplo de un canal que sufre fosforilación, se provoca cambio intercelular que activa a protein kinasa que fosforilará el canal y entonces se abre. Estos casos son muy frecuentes también.
- Dependientes de voltaje. La estructura del canal tiene unas zonas sensibles al voltaje. Ejemplo, el canal de sodio que explica el potencial de acción.
Sensibles a la deformación mecánica. Responsables que cuando la membrana se deforma se abren.
Sensibles a la temperatura. Se pueden modificar en función de la temperatura.
En general, la célula es bastante permeable a los canales de potasio. Al sodio, cuando está en reposo es básicamente impermeable. El calcio es impermeable. El cloro es el más problemático. En las neuronas en reposo, en general, la permeabilidad de las neuronas al cloro es realmente baja, es bastante impermeable al cloro. En cambio, en las células musculares es bastante permeable.
De todo esto se deduce que la cantidad de canales ionicos es enorme. En una celula particular como puedo saber que está pasando con los canales ionicos? No se puede saber, demasiado complejo.
En una célula en particular, una neurona de la corteza cerebral, ¿cómo puedo saber qué pasa con los canales iónicos? Es imposible saber que está pasando en cada momento.
- La permeabilidad al Cl cambia drásticamente de unas células excitables a otras (muy baja en neuronas, muy alta en musculatura esqulética).
Para cada ión existen diversos tipos de canales iónicos tanto dependientes de voltaje como de otros tipos La selectividad de los canales es muy estricta para cationes o aniones (debido a una zona del canal que discrimina cargas), pero lo es mucho menos para discriminar entre distintos cationes.
Canales iónicos dependientes de voltaje En algunos, el modelo típico, pueden pasar por tres etapas conformacionales: cerrado, abierto e inactivado.
Cuando ponemos cargas positivas y pasamos de -70 a -50, por ejemplo, es el punto umbral en el que se modifica la permeabilidad y el canal se abre para que entre el sodio masivamente. La última etapa, la inactiva, el canal no deja pasar iones pero por un mecanismo molecular distinto al que está cerrado. Esta etapa siempre ocurre después de que se abra el canal. Esto es importante porque cuando está inactivo no hay ninguna manera de poder abrirlo. Por lo tanto, determina un periodo en el cual no se podrá activar ese canal por un tiempo determinado.
Si miramos cada uno de los canales, tienen sus características particulares. Lo que puede cambiar de un canal a otro puede ser el tiempo que permanece abierto, inactivo,… No hay ningún canal iónico dependiente de voltaje que sea de cloro. Nos concentramos en los tres cationes.
En el potencial de acción hay una despolarización que de golpe cambia el perfil de membrana. Esto es el punto umbral. Si cambia el perfil de la membrana quiere decir que ha habido cambios en la permeabilidad.
Yo paso el potencial de membrana de -50 lo subo a +40mv, entonces tiene que estar incrementándose la permeabilidad al sodio porque es similar al potencial de equilibro para el sodio. Porque no llegamos al potencial de equilibrio? Porque hay más iones implicados. Dentro de los iones implicados está el potasio. Cuando el sodio está intentando llegar a +55 hay canales de potasio intentando frenar lo.
No hay potencial de equilibrio porque hay más iones involucrados. El perfil del potencial del al pico, sube paralelo a la permeabilidad al sodio. De golpe cuando empieza a bajar también baja la permeabilidad del sodio. Mientras están los canales abiertos está subiendo, pero de golpe baja porque hemos entrado en la etapa de inactivación. La permeabilidad del sodio sigue bastante bien el potencial de acción. En el potasio, la permeabilidad al potasio se incrementa también pero es más tardía. La apertura de canales de potasio es más lenta, por lo tanto, primero domina el sodio y luego el potasio. Hay un momento en el que la permeabilidad de potasio está elevada y la de sodio ya está muy baja. El potencial de membrana en ese momento está más negativa de lo que estaba, porque unos canales se han cerrado pero hay otros que aun no.
El potencial de acción en las células cardiacas es en meseta debido a canales de calcio dependientes de voltaje que tienen una dinámica diferente del sodio. Hay un pico de la entrada de sodio y luego una meseta de los canales de calcio.
Resumen: - - En condiciones de reposos la permeabilidad al K es alta y a Na y Cl baja Cuando se alanza el valor umbral, se abren muy rápidamente canales de Na dependientes de voltaje y, posteriormente, canales de K dependientes de voltaje La apertura de los canales de Na es de tipo todo o nada: una vez alcanzado el umbral electico, se abren prácticamente todos los canales disponibles, independientemente del nivel d despolarización alcanzado.
La pendiente de subida del potencial de acción es mas abrupta cuando la despolarización inicial ha sido mayor. Es decir, el perfil del potencial de acción cambia algo.
Hay algunas células que tienen cambios cíclicos en el potencial de reposo, como la musculatura lisa. Hay potenciales cíclicos y potenciales de acción que ocurren cuando está más despolarizada. Muchas neuronas, las que tienen un comportamiento cíclico como las que regulan la respiración, tienen cambios cíclicos en el potencial de membrana. Esto se explica por cambios en la permeabilidad a potasio o calcio. Como de canales de calcio y potasio hay mucha variedad, el funcionamiento particular de cada célula se explica por cambios cíclicos que hay en el potencial de membrana que no son potenciales de acción.
Período refractario relativo y absoluto El periodo refractario absoluto coincide con la fase de inactivación de los canales de Na dependientes de voltaje (por lo tanto no puede emitirse otro potencial de acción).
Comprende la fase de ascenso y los dos primeros tercios de la fase de descenso del potencial de acción.
El periodo refractario relativo comprende el último tercio del descenso y todo el periodo de hiperpolarización tardía. Como los canales de Na están cerrados puede emitirse otro potencial de acción con mayor estimulación.
Potenciales de acción y el equilibrio iónico de la neurona - El movimiento de iones a través de los canales no implica coste energético dado que es a favor de gradiente El potencial de acción crea un cierto desequilibrio, dado que entra más Na del que sale posteriormente. Lo contrario ocurre con el K.
La bomba de intercambio Na-K corrige este desequilibrio, expulsando Na y captando K. esta bomba gasta ATP.
La bomba contribuye también a restablecer el potencial de membrana en reposo El funcionamiento de la bomba Na-K es continuo y representa el mayor gasto energético de la neurona.
Si modifico la concentración de potasio en el exterior, que ocurrirá con la ecuación de Nerst? La ecuación, el potencial de equilibrio depende de la concentración de iones.
Por lo tanto, si se cambia la concentración directamente se cambia el potencial. La célula se hace más excitable, alomejor el potencial de equilibrio ya no es -70 sino que 60 (por ejemplo). Por lo tanto, lo que va a ocurrir es que llega un momento en que se dispara cuando llega cualquier estimulación. O si entra mucho potasio, directamente sobrepasa el valor umbral y empiezan a dispararse potenciales de acción.
Características del potencial de acción La fundamental es que se mantiene una vez que se ha generado, en el espacio y en el tiempo. Es decir, se va propagando sin que se pierda. El potencial de acción se pierde al llegar a la terminal sináptica, pero por el axón se mantiene. Los axones sirven para enviar señales a grandes distancias, y eso tiene otra implicación. Todas las neuronas no tienen axón (neuronas de la retina). La función básica es propagarse a lo largo del axón. Cuando das cargas eléctricas positivas en el interior del axón, esas cargas llegan al punto umbral y se abren los canales de sodio dependientes de voltaje y el sodio entra masivamente en el interior generándose el potencial de acción. El interior pasa de ser a -70 a +40 (por ejemplo) y eso quiere decir que hay muchas cargas positivas.
Están cargas se disponen a los lados de manera que se va propagando a lo largo del axón hasta llegar a la terminal sináptica. Cuando estimulamos un axón en un punto determinado se generan potenciales de acción hacia las dos direcciones, hacia la terminal sináptica (ortodrómica) y los que van hacia el soma (antidróbica).
En una neurona, los potenciales de acción e generan en una parte del soma, por lo tanto la información viajará hacia la terminal. Es solo cuando estimulamos directamente en el interior del axón.
Esto es lo que ocurre en los axones amielínicos. En un axón que tiene vainas de mielina, la vaina recurre casi todo el axón menos unas zonas concretas llamada nodos de Ranvier. Solo se generan los potenciales de acción aquí, por lo tanto hay menos potenciales de acción pero la propagación va a ser más rápida. Esta conducción a través de los axones con mielina se llama conducción saltatoria, de un nodo al otro. La localización de los canales iónicos se concentra en los nodos de Ranvier. La conducción saltatoria es más rápida. En realidad, los axones con mielina aparecen con el aumento de tamaño de los animales. Para responder a ciertas circunstancias, se necesita responder muy rápidamente, y con estos axones hace que haya más velocidad.
Un axón puede tener múltiples ramificaciones Si se genera un potencial de acción en un punto determinado, se propagará en todas direcciones y ramificaciones que haya. El potencial de acción se mantiene intacto en espacio y tiempo y también por todas las ramificaciones. Las ramificaciones axónicas pueden llevar información de una única neurona a muchas zonas diferentes del SNC.
El potencial de acción de una neurona concreta es bastante constante, puede haber una pequeña diferencia pero mínima. Es decir, que si alcanza +40 siempre va a alcanzar ese valor con pocas variaciones. La única que cambia un poco es la pendiente.
Cuando la neurona está más repolarizada, la pendiente puede cambiar un poco el perfil del potencial de acción. Pero salvo esto, la altura y amplitud del potencial de acción es constante.
- El potencial de acción s va propagando sin modificación por todas las ramificaciones de un axón y llega a todas las terminales.
Las ramificaciones axónicas pueden llevar información de una única neurona a muchas zonas diferentes del SNC ...