TEMA 2.1 – TEJIDOS EXCITABLES - LA NEURONA (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Fisiologia animal
Año del apunte 2014
Páginas 7
Fecha de subida 19/03/2015 (Actualizado: 21/03/2015)
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TEMA 2 – TEJIDOS EXCITABLES Concepto de excitabilidad celular – Células excitables La excitabilidad es la capacidad de usar el movimiento de iones a través de la membrana celular para generar respuestas de tipo eléctrico (excitación).
Las señales eléctricas son la base para generar respuestas celulares/tisulares. Estas señales son el sistema de comunicación entre células: generar respuestas, coordinar un tejido... Si movemos iones, movemos cargas eléctricas, y esto es lo que produce la excitación.
Las células excitables son las neuronas y las células musculares: - Músculo estriado esquelético Músculo estriado cardíaco Músculo liso 1. LA NEURONA La neurona: morfología y tipos funcionales Los componentes celulares del sistema nervioso son: - Glia → astrocitos, oligodendrocitos, microglia y células epindemales.
Neuronas → unidad funcional del sistema nervioso. La estructura funcional de la neurona se representa como la motoneurona espinal, la cual actúa como modelo. Esta motoneurona genera respuestas motoras. La del calamar mide 1 mm de diámetro, pero es igual a las de otras especies. El axón está recubierto de vainas de mielina formadas por células de Schwann.
Distinguimos diferentes tipos neuronales según la clasificación morfofuncional: 1. Según si están cubiertas de mielina, distinguimos las neuronas mielínicas o mielinizadas y las amielínicas o no mielinizadas.
2. Según sus prolongaciones pueden ser: monopolares, bipolares o multipolares, como la motoneurona.
3. Según la dirección a la que envían la información encontramos: a. Sensoriales o aferentes → envían información desde la periferia hacia el SNC.
b. Motoras o eferentes → envían información desde el SNC hacia los órganos efectores.
c. Interneuronas → transmiten información entre neuronas sensoriales y neuronas motoras.
Potencial de membrana (reposo) Todas las células del organismo generan una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana celular. Si miramos como se distribuyen los iones, hay un desequilibrio en el medio interno y el medio externo de la célula. Se genera una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana celular, no solo en las neuronas, sino en todas las células del organismo.
El potencial es siempre negativo, de alrededor de -90mV (neurona): hay un exceso de carga negativa en el interior celular. Esto es un concepto ideal, porque si no habría todo el rato descargas eléctricas y un desequilibrio eléctrico. En el conjunto del organismo, hay carga neutra, tenemos tantas cargas positivas como negativas. Sólo en las membranas hay un pequeño desequilibrio, pero en el resto del organismo hay una compensación de cargas negativas y positivas.
El potencial de membrana es debido al movimiento de iones a través de la membrana celular, que depende de la difusión por gradientes electroquímicos (K+ tiende a salir a favor de gradiente de concentración) y del transporte activo. También es debido a que las membranas tienen permeabilidad selectiva, es decir, son semipermeables.
Si añadimos un compuesto AB a dos medios separados por una membrana semipermeable a diferentes concentraciones y obtenemos que: - Kp A+ = 0 (no es nada permeable) Kp B- = X (se moverá hasta llegar al equilibrio) Kp → medida de permeabilidad de la membrana Los iones de A+ no se moverán de un medio a otro pues para ellos la membrana es impermeable. Por lo tanto no hay difusión de A+. En cambio, para B-, la membrana sí que es permeable. Por lo tanto hay difusión por gradiente de concentración y por gradiente eléctrico hasta conseguir un equilibrio electroquímico.
Cuando se alcanza el equilibrio, en la zona 1 (donde hemos añadido menos cantidad de AB) aumenta la carga negativa por la difusión de B-. En cambio, en la zona 2 aumenta la carga positiva por la desaparición de B-. Esto genera una diferencia de potencial a través de la membrana y el potencial de membrana será negativo.
El potencial de equilibro para un ión se alcanza cuando la difusión debida al gradiente eléctrico es igual magnitud, pero en sentido contrario, que la difusión debida al gradiente de concentración. En el equilibrio, la difusión neta = 0.
La cantidad de ion que se mueve a un lado por la carga, es la misma cantidad de ion que se mueve al otro lado por nulo gradiente de concentración. Hay difusión, pero se compensan un lado y otro.
La ecuación de Nernst determina el potencial de equilibrio generado por la difusión de un ión a través de una membrana semipermeable. Esta ecuación depende de la temperatura y la fluidez de la membrana. Es una ecuación que solo se puede aplicar a iones monovalentes y para membranas permeables a un solo ion monovalente.
Pmx (mV) = ± 61* log ([X]I/[X]E) - PMx (medido en mV) → potencial de membrana (intracelular) generado por la difusión del ión X.
[X]E → concentración extracelular del ión X.
[X]I → concentración intracelular del ión X.
La polaridad se considera positiva para iones negativos y negativa para iones positivos.
Esta ecuación está afectada por la temperatura. Está pensada para aplicarse a 37ºC.
El potencial de Nernst para los principales iones del medio interno (asumiendo permeabilidad selectiva) es el siguiente: Na+ K+ Cl- [Extracelular] (mEq/L) [Intracelular] (mEq/L) Potencial de equilibrio (mV) 150 15 61 5.5 150 -88 125 9 -70 La ecuación de Nernst no refleja las condiciones reales en la célula, pues en un sistema biológico participa más de un ión. El potencial de membrana real debe representar la participación relativa de todos los iones presentes en el medio.
En las células hay al menos tres iones importantes que difunden a través de la membrana: Na+, K+ y Cl-.
La ecuación de Goldman (Goldman – Hodgkin – Katz) determina el potencial de membrana generado por más de un ión difundiendo simultáneamente a través de una membrana, con permeabilidades selectivas características. Esta ecuación trabaja para un sistema donde al menos están los tres iones fundamentales. No es universal, tiene ciertas condiciones: - Es aplicable a medios con tres iones monovalentes.
Dos de estos iones deben ser positivos (Na+ y K+) y uno negativo (Cl-).
La membrana debe tener permeabilidad selectiva para cada ion.
PMI (mV) = − 61 ∗ 𝑙𝑜𝑔 - 𝑃𝑁𝑎 + ∗[𝑁𝑎 + ]𝐼 + 𝑃𝐾+ ∗[𝐾+ ]𝐼 + 𝑃𝐶𝑙 − ∗[𝐶𝑙 − ]𝐸 𝑃𝑁𝑎 + ∗[𝑁𝑎 + ]𝐸 + 𝑃𝐾+ ∗[𝐾+ ]𝐸 + 𝑃𝐶𝑙 − ∗[𝐶𝑙 − ]𝐼 PMI (medido en m) → potencial de membrana (intracelular) generado por la difusión de Na+, K+ y Cl-.
PX → permeabilidad relativa de la membrana para el ion X.
[X]I → Concentración intracelular del ion X.
[X]E → Concentración extracelular del ion X.
Esta ecuación está afectada por la temperatura. Está pensada para aplicarse a 37ºC.
Si la membrana tiene permeabilidad relativa = 0 para dos de estos iones, la ecuación de Goldman se convierte automáticamente en la ecuación de Nernst.
El resultado de la ecuación de Goldman es muy parecido a los valores reales.
Para hacer una determinación experimental del potencial de membrana se utiliza un osciloscopio de rayos catódicos, parecido a un electrocardiograma. El osciloscopio tiene tubo de vacío, de rayos X, que genera un haz de electrones que es proyectado en una pantalla. Se pasa el haz de electrones por el circuito. Si el potencial es negativo, los electrones se repelirán y bajaran, si es positivo, subirán.
El potencial de reposo en diferentes tejidos es: - Neuronas → -90 a -70mV Músculo esquelético → -80 a -90mV Músculo liso → -40 a -60mV Músculo cardíaco → -90mV Potencial de acción nervioso El potencial de acción nervioso es un cambio rápido y transitorio en el potencial de membrana de reposo, que implica un cambio en la polaridad de la célula y que se propaga rápidamente a lo largo de la fibra nerviosa.
Cuando es un tejido excitable, como una neurona, le podemos meter electrodos como antes con el osciloscopio.
Si provocamos un estímulo eléctrico, como una descarga eléctrica, provocamos un potencial en espiga (subida y bajada rápida). Pasa lo siguiente: - - Estado de reposo → -60mV.
Despolarización → el potencial se convierte rápidamente en positivo. El potencial de acción sufre un cambio rápido y transitorio en el potencial en reposo. Cambia la polaridad de la célula, hasta +40mV. De negativa pasa a positiva y se propaga a lo largo de toda la neurona.
Sobretiro → parte de la despolarización en que la polaridad es positiva. Es frecuente pero no siempre está presente.
Repolarización → la célula recupera la polaridad que tenía.
Hiperpolarización  el potencial llega hasta -80mV y finalmente se vuelve a estabilizar.
Umbral de descarga: valor mínimo para que reaccione la célula.
El potencial de acción está provocado por un movimiento coordinado de iones de Na+ y K+ a través de la membrana.
En la membrana encontramos canales iónicos activados por voltaje. Estos canales iónicos son sensibles a cambios en el potencial de membrana: se abren o cierran según los cambios de potencial: - Canales de Na+ voltaje-dependientes: son canales rápidos y pueden presentar tres estados: abierto (activo), cerrado (reposo) o inactivo.
Canales de K+ voltaje-dependientes: son canales lentos, tanto de apertura como de cierre lento. Estos sólo presentan dos estados: abierto (activo) o cerrado (reposo).
Para el Na+, los aumentos de permeabilidad de membrana son rápidos y transitorios. El Na+ entra en la célula a favor de gradiente electroquímico y se produce la despolarización. En cambio, para el K+, los aumentos de permeabilidad de membrana son lentos y transitorios. Cuando el K+ sale de la célula a favor de gradiente electroquímico se producen la repolarización e hiperpolarización. Otros iones, como el Cl-, tienen una participación despreciable.
Los canales de Na+ se abren, la permeabilidad aumenta y el Na+ entra a favor de gradiente electroquímico. La membrana se despolariza. El punto máximo, lo detectan los canales de K+, que se abren lentamente. El K+ sale por gradiente electroquímico. Si la célula pierde potasio, se repolariza y vuelve a ser negativa.
Los procesos de repolarización son más lentos por culpa de los canales de K+. Además pierde un exceso de K+ (hiperpolarización). Para volver de nuevo al estado de reposo se utiliza la bomba Na+-K+, que sirve para regular esto.
Sin estas bombas, todas las células animales morirían.
Generación de potenciales de acción Para generar un potencial de acción se necesita dar una descarga eléctrica, lo que llamamos potencial electrotónico.
Esto provoca cambios locales en el potencial de membrana caracterizados por: - Ser de amplitud variable.
Pueden ser despolarizantes o hiperpolarizantes.
Provocan corrientes locales que se extinguen rápidamente.
Afectan a zonas limitadas de la membrana.
La perturbación eléctrica dependerá del estímulo que le demos, si no llaga al umbral de descarga, no habrá un potencial de acción.
Si añadimos cargas negativas, será más difícil de excitar, pues la estamos hiperpolarizando. Si metemos cargas positivas, la repolarizamos y por tanto, será más fácil.
Cuando un potencial electrotónico despolarizante alcanza el umbral de descarga se genera un potencial de acción.
Vamos aumentando de potencia las descargas, y en el intento X, la descarga llega al umbral de descarga y por tanto se produce el potencial de acción.
Una vez generado el potencial de acción, éste es imparable, presentará todas las fases → ley de todo o nada.
Cuando se generan los potenciales electrotónicos locales, se desplazan por la membrana. Se genera un potencial de acción, lo que provoca corrientes iónicas locales en zonas adyacentes. Se llega al umbral de descarga y se genera un nuevo potencial de acción. Por lo tanto, el potencial de acción se propaga y consigue que se produzca una despolarización por toda la membrana.
Una vez producido el potencial de acción, este migra por toda la membrana, hacia los lados del axón. Las zonas vecinas detectan las despolarizaciones y le dan su carga para compensar, y por tanto esa carga vecina también se despolariza y la primera vuelve a su estado normal (dibujo incorrecto). Esto ocurre en el laboratorio, no en condiciones fisiológicas.
Esto es una alteración de la homeóstasis → feed-back positivo. Se amplifica de alguna manera el estímulo inicial.
En condiciones fisiológicas, no sucede como antes. En una neurona, no se propaga en las dos direcciones, si no que la propagación es unidireccional, de soma a axón. Esta unidireccionalidad se genera a partir de las propiedades de los canales iónicos, que son voltaje-dependientes: - Canales de Na+ → presenta un periodo de inactivación después de abrirse.
Canales de K+ → son lentos.
Estos canales deben recuperar su estado inicial, de reposo, para ser capaces otra vez de generar otro potencial de acción. Para volver a sus estado original necesitan un tiempo de recuperación. Durante ese tiempo, los canales no permiten que el potencial de acción se propague ni que haya flujos iónicos. Esto hace que en una neurona, con un potencial de acción, haya un tiempo en el cual la neurona no pueda generar otro potencial de acción → periodo refractario.
- - Absoluto → coincide con la despolarización y la repolarización; con la espiga del potencial de acción. La neurona no puede generar otro potencial de acción. En la práctica, esto evita que el potencial de acción se propague retrógradamente. Es decir, la carga que se acaba de compensar y vuelve a estar negativa, no ayudará a compensar la vecina, sino que se encargará la del otro lado, en la dirección soma-axón.
El potencial de acción siempre se origina en el soma neuronal.
Relativo → coincide con la fase de hiperpolarizacion. Una neurona es capaz de generar un potencial de acción, pero el estímulo necesario es de mayor intensidad a cuando se encuentra en reposo, ya que tiene un exceso de carga negativa.
Como consecuencia de los periodos refractarios, la propagación del potencial de acción es unidireccional.
- Propagación ortodrómica → se produce de soma a axón, en sentido fisiológico.
- Propagación antidrómica → se produce en condiciones artificiales, u ocasionalmente en algún tipo de neurona. La propagación es inversa, desde el axón hasta el soma.
Encontramos factores que afectan a lo propagación del potencial de acción: - El diámetro del axón → a mayor diámetro, menor resistencia al paso de iones (los canales se abren mejor) y aumenta la velocidad de propagación.
Presencia de mielina alrededor del axón → tienen mayor velocidad las fibras nerviosas mielinizadas. La propagación saltatoria hace que sólo se despolarice la zona de los nódulos de Ranvier. El potencial solo se propagaría entre nódulos y el proceso seria más rápido.
Estas características son las que se utilizan para clasificar las fibras nerviosas. Todas están mielinizadas menos las C, con un diámetro más pequeño.
Hay que saberse si A, B y C son mielínicas o no, y por ello deducir su diámetro y velocidad de propagación.
Por lo tanto, como resumen, las características generales de los potenciales de acción son: - Están desencadenados por un fenómeno de despolarización (cambio del potencial de membrana de reposo).
Hay un nivel de umbral de despolarización (10 - 20 mV) Se produce una inversión del potencial de membrana en el pico del potencial de acción, llamado sobretiro.
Fenómeno de todo-o-nada.
Encontramos la presencia de un periodo refractario absoluto (1 ms).
Es fenómeno propagable.
Sinapsis La sinapsis es una conexión, una unión especializada entre neuronas que permite la propagación de los potenciales de acción entre ellas. El cambio eléctrico pasaría de una neurona a otra.
El sistema nervioso es una unidad funcional, pero no una unidad anatómica, puesto que las neuronas tienen un espacio entre ellas.
Encontramos dos tipos de sinapsis: - - Químicas → las neuronas están físicamente separadas. La información (señales) se transmite mediante mensajeros químicos (neurotransmisores). La comunicación es unidireccional. El 99% de las sinapsis en organismos superiores son químicas.
Eléctricas → hay conexión entre las dos neuronas con uniones tipo GAP. La transmisión de las señales se lleva a cabo a través de estas uniones comunicantes. La comunicación es bidireccional.
En la sinapsis química podemos distinguir tres regiones: - - Neurona o superficie presináptica → envía la señal eléctrica. Tiene una parte de la membrana especializada en enviar la señal, la membrana presináptica. Se encuentra en el terminal o botón axónico, donde podemos encontrar gránulos, abundantes mitocondrias (metabolismo aeróbico) y vesículas sinápticas llenas de neurotransmisores.
Espacio sináptico, surco sináptico o hendidura sináptica → lugar de 200 A de amplitud donde se liberan los neurotransmisores. Este espacio está comunicado directamente con el espacio extracelular.
Neurona postsináptica → modificación de la membrana celular especializada en recibir la señal. Es una zona especializada con abundantes proteínas de membrana (receptores) para los neurotransmisores y canales iónicos. Se produce una alteración eléctrica, la despolarización de membrana y un nuevo potencial de acción.
Las sinapsis se pueden clasificar según su morfología, es decir, según con que parte interaccionan unas neuronas con otras: - Axodendrítica Axosomática Axoaxónica - Somatosomal Dendrodendrítica Dendrosomática Pero también encontramos una clasificación funcional de las sinapsis, es decir, según qué cambios eléctricos se producen en la neurona postsináptica: - - Excitatoria → disminuye el potencial de reposo, es decir, se produce una despolarización de membrana, y aumenta la excitabilidad → se acerca al umbral de descarga. Genera Potenciales Postsinápticos Excitatorios (EPSP).
Inhibitorias → se produce una hiperpolarización de la membrana, la cual se vuelve más negativa, y disminuye la excitabilidad. Hace que sea mas difícil generar el potencial de acción. Genera Potenciales Postsinápticos Inhibitorios (IPSP).
En la práctica se pueden dar las dos sinapsis a la vez: - Excitación + excitación → excitación Excitación + inhibición → inhibición Inhibición + inhibición → excitación Para que una neurona sea capaz de generar un potencial de acción, no es suficiente con una descarga de una neurona presináptica. Si no que la neurona postsináptica necesita que haya muchas neuronas presinápticas que le den la señal a la vez. Esto se llama fenómeno de convergencia.
Además, la neurona presináptica envía el potencial de acción a más de una célula. Esto se llama divergencia. Estas células también necesitaran que más de una neurona presináptica le transmitan un potencial de acción a la vez (convergencia).
Y también, algunas neuronas poseen retroalimentación, parecido a un feed-back. Estas neuronas modifican su propia actividad. Hacen sinapsis con ellas mismas o con una neurona que luego hará sinapsis con ella misma.
La activación de una terminal presináptica casi nunca es suficiente para generar un potencial de acción. Por este motivo, se precisa la acción simultánea de varias terminales → sobre una neurona se han de sumar varios potenciales de acción para que una neurona sea capaz de generar su propio potencial de acción. Esto son los fenómenos de sumación: - Sumación temporal → se dan descargas sucesivas rápidas desde un mismo terminal presináptico.
Sumación espacial → se activan simultáneamente múltiples terminaciones presinápticas. Es una consecuencia de la convergencia.
Neurotransmisores Los neurotransmisores son unas sustancias que tienen estas características: - Están presentes en el interior de la neurona presináptica.
Se liberan en respuesta a la despolarización de la célula (normalmente en forma Ca2+-dependiente).
Hay receptores específicos en la célula postsináptica.
La administración exógena debe producir en la célula postsináptica los mismos efectos que la liberación endógena.
Su ciclo vital es el siguiente: son sintetizados y empaquetados en vesículas en la neurona presináptica y liberados desde la célula presináptica, uniéndose a receptores sobre una o más células postsinápticas. Una vez liberados en la hendidura son eliminados o degradados.
Para que los neurotransmisores actúen, han de ser reconocidos por la neurona postsináptica gracias a unos receptores específicos.
- - Receptores ionotrópicos (tropismo por iones). Son canales iónicos acoplados a un neurotransmisor (ligando).
Es un poro en la membrana que deja pasar iones → funciona como un canal irónico de acción rápida. Al unirse el neurotransmisor al receptor, se abrirá el poro y pasaran iones para transmitir la señal de una neurona a otra.
Son utilizados por GABA y Ach.
Receptores metabotrópicos, acoplados a proteínas G (segundos mensajeros). Son dependientes de la activación de medidores intracelulares. Llevan a cabo la activación secundaria de canales iónicos, una acción relativamente lenta. No es un poro para iones, pero genera una cascada de señalización, y como consecuencia cambia la polaridad de la membrana por el movimiento de iones.
Los neuropéptidos actúan por este mecanismo.
SÍNTESIS - Excitación: Uso de flujos iónicos en sistemas biológicos para generar respuestas eléctricas.
Célula excitable modelo: Neurona (motoneurona) Las células tienen un potencial de membrana de reposo siempre negativo.
El potencial de membrana depende de fenómenos de difusión y transporte de iones a su través.
El potencial asociado a difusión viene definido por las ecuaciones de Nernst y Goldman.
Potencial de acción: Cambio rápido y transitorio en el potencial de membrana, con capacidad de propagación.
El potencial de acción tiene unas fases y características de generación y propagación particulares.
Sinapsis: Sistema especializado de comunicación funcional entre dos células excitables que permite la transmisión de potenciales de acción.
Las sinapsis se basan en el uso de mensajeros químicos especializados: Neurotransmisores.
A nivel postsináptico los neurotransmisores actúan sobre receptores específicos de tipo ionotrópico o metabotrópico.
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