Excitabilidad (Parte 1) - Biología Celular y Tisular

Clase de Bases Biofísicas de la Excitabilidad

Introducción a la Clase

• Se presenta el tema de la clase sobre las bases biofísicas de la excitabilidad, parte del ciclo de biología celular y tisular.

Revisión del Transporte a través de Membranas

• En la clase anterior se discutieron características del transporte de sustancias a través de membranas biológicas, destacando su impermeabilidad al paso de iones y solutos polares.

• Se mencionó que una función clave es la compartimentación, separando medios con distinta composición (interior y exterior celular).

Potencial de Membrana

• La simetría de cargas entre el interior y exterior celular genera una diferencia de potencial, medible con un voltímetro.

• Para medir esta diferencia se utiliza un electrodo fino que penetra en la célula sin romperla; el potencial fuera se asume como cero.

• El potencial de membrana en reposo varía según el tipo celular, oscilando entre -40 mV y -90 mV.

Cambios en el Potencial Membrana

• Algunos tipos celulares como neuronas pueden modificar rápidamente su potencial en respuesta a estímulos químicos, eléctricos o mecánicos.

• Este cambio se transmite como una onda constante a lo largo del nervio o fibra muscular, conocido como potencial de acción.

Circuito Análogo a la Célula

• Se introducen fenómenos pasivos y activos; se construye un circuito análogo para definir parámetros relacionados con la célula.

• La bicapa lipídica actúa como aislante mientras los medios intra y extracelulares son conductores; esto permite representar la membrana como un condensador.

Representación del Potencial Membrana

• Las proteínas que atraviesan la bicapa funcionan como canales iónicos permitiendo el paso de iones, representados como resistencias en el circuito equivalente.

• El potencial de membrana se representa con una pila orientada hacia afuera (polo positivo), formando así un modelo simplificado del comportamiento eléctrico celular.

Experimento Propuesto

• Se propone realizar un experimento utilizando un voltímetro para medir el potencial de membrana en reposo al pinchar una neurona.

Generación de Potenciales de Acción en Células

Introducción al Experimento

• Se introduce un generador de corriente para estudiar el comportamiento eléctrico de las células en la ciudad.

Estimulación de la Célula

• Se utiliza un electrodo para inyectar cargas negativas en la célula, lo que hace que el interior celular se vuelva más negativo.

• Se registra el potencial de membrana y se observa que cada pulso aplicado hiperpolariza la membrana, manteniéndose constante hasta apagar el generador.

Aumento de Intensidad del Estímulo

• Al aumentar la intensidad del estímulo, se observa una mayor hiperpolarización del potencial de membrana.

• La relación entre corriente aplicada y respuesta de voltaje es lineal, sugiriendo un comportamiento similar al de una resistencia.

Cambio en el Sentido de Corriente

• Se cambia el sentido de la corriente inyectando cargas positivas, lo que provoca una despolarización del potencial de membrana.

• Al aumentar nuevamente la intensidad del estímulo, se observa que la respuesta a veces puede volverse descontrolada.

Generación del Potencial de Acción

• Cuando se alcanza un umbral crítico, se genera un potencial de acción; esto indica que las respuestas a los estímulos no son iguales dependiendo del tipo y dirección de corriente aplicada.

• La respuesta activa (potencial de acción) ocurre cuando las respuestas pasivas dejan su rango normal.

Propiedades Eléctricas y Respuesta Temporal

• Las gráficas muestran que tanto la hiperpolarización como la despolarización tienen formas cuadradas similares a los pulsos aplicados.

• La respuesta no es instantánea debido a las propiedades resistivas y capacitivas; hay una constante temporal (tau).

Cálculo del Tiempo Respuesta

• La constante tau cuantifica cuán lentamente responde una membrana a un estímulo; puede calcularse mediante resistencia y capacidad o analizando gráficos temporales.

• El tiempo necesario para alcanzar el 63% del valor máximo es crucial para entender cómo varía el potencial durante los estímulos.

¿Cómo se relaciona la constante de tiempo con el potencial de acción?

Dinámica del potencial de membrana

• Se menciona que el tiempo necesario para alcanzar un 63% del valor máximo del potencial ocurre al inicio del pulso, y que tras apagar el estímulo, la membrana regresa a su potencial de reposo exponencialmente.

• Se discute cómo las ecuaciones representan los cambios en el potencial tanto al inicio como al final del pulso, sugiriendo que es posible calcular estos tiempos mediante sustituciones en las fórmulas.

• La constante de tiempo depende de las propiedades celulares; diferentes tipos celulares tendrán distintas constantes, lo cual es crucial para entender procesos como la integración sináptica.

Ejemplo práctico con neuronas

• Se presentan dos neuronas con diferentes constantes de tiempo: una tiene 1 milisegundo y otra 10 milisegundos. Ambas reciben potenciales de acción a la misma frecuencia.

• Al llegar un potencial de acción a una sinapsis química, se liberan neurotransmisores que generan respuestas pasivas en lugar de un nuevo potencial de acción inmediato.

• La importancia de la constante de tiempo radica en cómo afecta la separación temporal entre respuestas pasivas; células con menor constante responden más rápido pero también se relajan más rápidamente.

Implicaciones funcionales

• Una célula con mayor constante puede acumular estímulos antes de alcanzar el umbral para disparar un nuevo potencial, permitiendo una polarización continua hasta generar un nuevo impulso eléctrico.

• Este fenómeno se conoce como suma temporal y es fundamental para comprender cómo las neuronas integran señales eléctricas sucesivas.

Medición del cambio en el potencial

• En experimentos donde se inyecta corriente en fibras musculares esqueléticas, se observa que el cambio en el potencial no permanece constante debido a la resistencia limitada de la membrana celular.

• Gráficamente, los cambios en el potencial muestran una caída exponencial conforme aumenta la distancia desde donde se inyectó corriente, indicando que no hay conservación total del cambio eléctrico a lo largo del tejido.

Resistencia y movimiento eléctrico

• El circuito equivalente muestra cómo la corriente inyectada dentro de una célula escapa hacia el exterior por diversas resistencias; esto implica que tanto la resistencia intracelular como la resistencia membranal son factores críticos para entender los cambios eléctricos observados.

• Se introduce el concepto de "constante espacial", que cuantifica cuánto disminuye el potencial a medida que nos alejamos del punto donde se inyectó corriente.

¿Cómo se propaga el voltaje en las neuronas?

Propagación del Voltaje

• La propagación de una alteración en el voltaje se cuantifica como la distancia a la que el voltaje alcanza un 37% de su valor máximo, conocido como lambda.

• Se puede calcular lambda utilizando la raíz cuadrada de la resistencia de membrana sobre la resistencia intracelular más la resistencia extracelular. A menudo, se desprecia la resistencia intracelular en muchos libros.

Constante de Espacio y Evolución

• A mayor constante de espacio (lambda), mejor conservación del potencial de membrana a medida que aumenta la distancia. Por ejemplo, un axón con mayor lambda conserva mejor el potencial que uno con menor lambda.

• Los organismos han evolucionado para maximizar su constante de espacio; por ejemplo, algunos invertebrados aumentaron su diámetro para reducir la resistencia intracelular.

Vaina de Mielina y Resistencia

• La aparición de la vaina de mielina en vertebrados incrementó significativamente la resistencia de membrana, lo que también aumenta lambda y mejora la propagación del potencial eléctrico.

• En comparación entre dos células con diferentes constantes de espacio, aquellas con mayor constante conservan mejor el cambio en el potencial de membrana al recibir señales pasivas.

Suma Espacial y Potencial de Acción

• Las señales pasivas tienen más probabilidades de sumarse y generar un potencial de acción en células con alta constante de espacio, mientras que en células con baja constante hay una pérdida significativa del voltaje recibido. Esto se conoce como suma espacial.

• Este fenómeno es crucial para entender cómo las neuronas generan potenciales de acción a partir del estímulo recibido por sinapsis múltiples.

Analogía Eléctrica y Canales Iónicos

• Se utiliza un modelo eléctrico para representar las poblaciones iónicas importantes (Na+, K+, Cl-) y sus respectivos potenciales eléctricos dentro y fuera celularmente.

• La conductancia se refiere a cuán permeable es una membrana a ciertos iones; cuanto mayor sea esta conductancia, más fácil será el paso iónico a través dela misma.

Diferencia Potencial e Impulso Eléctrico

• La diferencia entre el potencial de membrana y los potenciales eléctricos específicos (potenciales de equilibrio) determina la fuerza impulsora que mueve los iones a través del canal iónico representado como resistencias eléctricas.

• Para una fibra muscular esquelética específica (como en ranas), este cálculo da un valor aproximado del potencial negativo necesario para mantener funciones celulares adecuadas.(1890)

Potencial de Membrana y Equilibrio Iónico

Ley de Ohm y Corrientes Iónicas

• Se establece que la corriente es igual a la diferencia de potencial sobre la resistencia, representando esto con la ley de Ohm.

• La corriente del potasio se define como la diferencia entre el potencial de membrana y el potencial de equilibrio del potasio multiplicado por su conductancia.

• Similarmente, para el sodio y el cloruro, las corrientes se calculan usando sus respectivos potenciales de equilibrio y conductancias.

Equilibrio del Cloruro

• El cloruro está en equilibrio cuando su fuerza impulsora es cero, lo que significa que no habrá movimiento apreciable en reposo.

• Se introduce la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz para calcular el potencial de membrana considerando diferentes iones (Na+, K+, Cl-) y sus concentraciones.

Ecuación de Goldman

• La ecuación incluye términos para las concentraciones iónicas tanto intracelulares como extracelulares, así como sus permeabilidades.

• Al invertir las concentraciones en la ecuación, se puede utilizar una valencia común para simplificar los cálculos.

Condiciones Estables

• La ecuación se aplica cuando el potencial celular es constante; en este caso, se considera al cloro en equilibrio.

• Si la permeabilidad al potasio es despreciable (cero), la ecuación se reduce significativamente.

Reducción a Ecuaciones Simples

• Con una alta conductancia al sodio comparada con otras especies iónicas, el potencial de membrana tiende a aproximarse al potencial de equilibrio del sodio.

• Se discute cómo estas relaciones pueden ser entendidas desde un punto eléctrico donde las corrientes son iguales y opuestas durante condiciones estables.

Respuesta Activa: Potencial de Acción

Registro del Potencial

• Se presenta un gráfico que muestra cómo varía el potencial a lo largo del tiempo durante un potencial de acción.

Fases del Potencial de Acción en la Membrana Celular

Despolarización y Polarización

• El potencial de membrana comienza a despolarizarse, alcanzando un pico máximo antes de decrecer hacia el potencial de reposo. Posteriormente, se vuelve más negativo que el potencial de reposo durante la hiperpolarización.

• La duración del potencial de acción es breve, entre 1 y 2 milisegundos, y se caracteriza por fases opuestas: despolarización, repolarización e hiperpolarización.

Mecanismos del Potencial de Acción

• Los cambios en las corrientes a través de la membrana son responsables del potencial de membrana. Durante la despolarización, se requiere alcanzar un valor umbral para disparar el potencial de acción.

• Para disparar un potencial de acción, es necesario abrir suficientes canales iónicos; los canales de sodio son cruciales para este proceso.

• La concentración elevada de sodio fuera de la célula provoca que al abrir los canales dependientes del voltaje, el sodio fluya hacia adentro, generando una carga positiva que contribuye a la despolarización.

Umbral y Regeneración del Proceso

• El valor umbral está relacionado con el número necesario de canales abiertos; si no se alcanza este número crítico, no se genera un potencial de acción.

• Al alcanzar el umbral adecuado, se abre un número suficiente de canales iónicos que permite una despolarización rápida y regenerativa debido al flujo creciente de sodio.

Equilibrio y Fuerza Impulsora

• A medida que entra sodio en la célula durante la despolarización, el potencial se aproxima al equilibrio del sodio pero nunca lo alcanza debido a factores como resistencia y características temporales del canal.

• La fuerza impulsora disminuye conforme aumenta la polaridad celular; esto impide que el potencial alcance su nivel máximo teórico.

Inactivación y Repolarización

• Los canales iónicos presentan inactivación tras ser activados por voltaje; esta inactivación limita su tiempo abierto y reduce el flujo iónico posterior.

• Durante la repolarización, los canales de potasio comienzan a abrirse permitiendo que salga potasio desde dentro hacia afuera. Esto contribuye a volver el potencial hacia valores negativos.

Hiperpolarización Final

• Tras cerrar los canales de potasio después del pico positivo en el potencial celular, ocurre una hiperpolarización donde el potencial puede descender aún más antes regresar al reposo normal.

• La cinética diferencial entre los canales iónicos (potasio vs. sodio) explica cómo se produce esta hiperpolarización tras completar las fases anteriores del ciclo eléctrico celular.

¿Cómo afecta la cinética de los canales iónicos al potencial de acción?

Cinética de los Canales de Potasio y Sodio

• La cinética de los canales de potasio es más lenta en comparación con otros canales, lo que permite que permanezcan abiertos por más tiempo. Esto resulta en un mayor flujo de potasio a través de la membrana.

• La lentitud en la apertura y cierre de los canales de potasio provoca que el potencial de membrana se vuelva más negativo que el potencial en reposo, afectando así la excitabilidad neuronal.

• Los canales de sodio pasan por diferentes estados: cerrado, abierto e inactivo. Después del estado inactivo, regresan al estado cerrado, lo cual es crucial para la generación del potencial de acción.

• Durante el período refractario absoluto, un nuevo estímulo no puede generar otro potencial de acción porque la mayoría de los canales de sodio están inactivos. Este fenómeno es esencial para entender cómo se propagan las señales eléctricas en las neuronas.

• A medida que transcurre el tiempo después del primer impulso, algunos canales sodio vuelven a su estado cerrado, permitiendo eventualmente una nueva excitación neuronal.