1.3 ELECTROFISIOLOGIA,1.3 ELECTROFISIOLOGIA,EXCITABILIDAD Y EXCITABILIDAD Y

POTENCIALESPOTENCIALES

1.3.1 NOCIONES GENERALES 1.3.1 NOCIONES GENERALES DE ELECTROFISIOLOGIADE ELECTROFISIOLOGIA

1.3.1.1 Definición1.3.1.1 Definición

1.3.1.2 Ión, Anión, Catión1.3.1.2 Ión, Anión, Catión

1.3.1.3 Electrolito1.3.1.3 Electrolito

1.3.1.1 Definición1.3.1.1 Definición

Estudio de las propiedades eléctricas de la Estudio de las propiedades eléctricas de la célula.célula.

Parte de la fisiología que se encarga del Parte de la fisiología que se encarga del estudio del estado de reposo y actividad de una estudio del estado de reposo y actividad de una célula excitable.célula excitable.

CELULAS EXCITABLES

Neuronas

Células cardiacas

Células Beta pancreáticas

1.3.1.2 Ión, Anión, Catión1.3.1.2 Ión, Anión, Catión

Un ión es un átomo o grupo de átomos que Un ión es un átomo o grupo de átomos que tienen una carga eléctrica. tienen una carga eléctrica.

Los iones con carga positiva se denominan Los iones con carga positiva se denominan cationes: Ej: Na, K, Mg. cationes: Ej: Na, K, Mg.

Los que tienen carga negativa se denomina Los que tienen carga negativa se denomina aniones. Ej: Cl, HCO3.aniones. Ej: Cl, HCO3.

1.3.1.3 Electrolito1.3.1.3 Electrolito

Un Un electrolitoelectrolito es una sustancia que disocia es una sustancia que disocia iones libres cuando se disuelve o funde, para iones libres cuando se disuelve o funde, para producir un medio que conduce la electricidad.producir un medio que conduce la electricidad.

Sustancia que al disolverse en un líquido se Sustancia que al disolverse en un líquido se disgregan en partículas cargadas disgregan en partículas cargadas eléctricamente (iones).eléctricamente (iones).

Sustancia capaz de conducir electricidad en Sustancia capaz de conducir electricidad en solución.solución.

Los electrolitos generalmente existen como Los electrolitos generalmente existen como ácidos, bases o sales.ácidos, bases o sales.

Ejemplo: HCl, NaCl, H2SO4, NaOH, Ejemplo: HCl, NaCl, H2SO4, NaOH, Acido acético, Ca(OH)2, Na2SO4.Acido acético, Ca(OH)2, Na2SO4.

EXCITABILIDADEXCITABILIDAD

Capacidad de responder activamente ante la Capacidad de responder activamente ante la aplicación de un estímulo.aplicación de un estímulo.

Estímulo.- Variación energética del medio Estímulo.- Variación energética del medio ambiente.ambiente.

Propiedad exclusiva de los seres vivos.Propiedad exclusiva de los seres vivos.

CLASES DE ESTIMULOSCLASES DE ESTIMULOS

Mecánicos Mecánicos TérmicosTérmicos Sonoros Sonoros

LuminososLuminosos EléctricosEléctricos QuímicosQuímicos

(según las clases de energía)(según las clases de energía)

TIPOS DE ESTIMULOSTIPOS DE ESTIMULOS

UMBRALUMBRAL Mínima cantidad de energía que provoca una Mínima cantidad de energía que provoca una

respuesta.respuesta.

SUPRAUMBRALSUPRAUMBRAL Mayor intensidad que el umbral.Mayor intensidad que el umbral.

SUBUMBRALSUBUMBRAL Estímulo con menor intensidad que el umbral. Estímulo con menor intensidad que el umbral.

No es capaz de provocar una respuesta activa.No es capaz de provocar una respuesta activa.

MAXIMOMAXIMO Mínima cantidad de energía capaz de Mínima cantidad de energía capaz de

provocar una respuesta máxima.provocar una respuesta máxima.

SUPRAMAXIMOSUPRAMAXIMO

Intensidad mayor que el máximo, pueden Intensidad mayor que el máximo, pueden provocar daño celular.provocar daño celular.

LEY DE LA EXCITABILIDAD

A menor umbral Mayor excitabilidad

A mayor umbral menor excitabilidad

CURVA DE EXCITABILIDADCURVA DE EXCITABILIDAD

Curva de Intensidad – duración.Curva de Intensidad – duración.

Un Un estímuloestímulo

se compone de: se compone de: intensidad y intensidad y

tiempo de aplicación.tiempo de aplicación.

Los parámetros que se tienen que definir Los parámetros que se tienen que definir para explicar la para explicar la excitabilidadexcitabilidad son: son:

ReobaseReobase: : Intensidad mínima que, aplicada Intensidad mínima que, aplicada durante un tiempo durante un tiempo indefinido, da lugar a indefinido, da lugar a una respuesta.una respuesta.

CronaxiaCronaxia: : tiempo durante el cual se tiene tiempo durante el cual se tiene que aplicar un que aplicar un estímulo de intensidad estímulo de intensidad doble a la reobase para que se produzca doble a la reobase para que se produzca

respuesta.respuesta.

V

O

L

T

S1

2

3

4

MILESIMAS DE SEGUNDO

0.1 0.2 0.3 0.4

T.U.

REOBASE*

* CRONAXIA

Curva de Intensidad – Duración.Curva de Intensidad – Duración.

Cuanto más pequeña sea la reobase y cronaxia de Cuanto más pequeña sea la reobase y cronaxia de una fibra (axón), más excitable será.una fibra (axón), más excitable será.

La cronaxia sirva para expresar excitabilidades La cronaxia sirva para expresar excitabilidades relativas.relativas.

1.3.3 POTENCIAL DE MEMBRANA1.3.3 POTENCIAL DE MEMBRANA

1.3.3.1 Estados de la célula.1.3.3.1 Estados de la célula.

1.3.3.2 Factores que determinan el potencial 1.3.3.2 Factores que determinan el potencial de membrana.de membrana.

1.3.3.3 Bomba de sodio y potasio.1.3.3.3 Bomba de sodio y potasio.

Conceptos Conceptos

Potencial de Membrana: es el voltaje que le dan a la membrana Potencial de Membrana: es el voltaje que le dan a la membrana las concentraciones de los iones en ambos lados de ella.las concentraciones de los iones en ambos lados de ella.

Potencial de Reposo: es el estado en donde no se transmiten Potencial de Reposo: es el estado en donde no se transmiten impulsos por las neuronas. impulsos por las neuronas.

Potencial de Acción: es la transmisión de impulso a través de la Potencial de Acción: es la transmisión de impulso a través de la neurona cambiando las concentraciones intracelulares y neurona cambiando las concentraciones intracelulares y extracelulares de ciertos iones. extracelulares de ciertos iones.

Potencial de EquilibrioPotencial de Equilibrio

El potencial de equilibrio El potencial de equilibrio de un ión es el potencial de un ión es el potencial al que se equilibrarían al que se equilibrarían las fuerzas del gradiente las fuerzas del gradiente electroquímico actuando electroquímico actuando sobre ese ión, de sobre ese ión, de manera que en el manera que en el potencial de equilibrio el potencial de equilibrio el ión no tendría tendencia ión no tendría tendencia a entrar ni a salir de la a entrar ni a salir de la célula. célula.

Potencial de equilibrioPotencial de equilibrioEl movimiento de los iones se debe fundamentalmente a dos efectos:

• difusión: en presencia de un gradiente de concentración.

• atracción eléctrica: en presencia de un campo eléctrico.

En condiciones normales, en el interior de la célula hay una concentración 30 veces superior que en el exterior de iones de K+.

Ello hace que se produzca un flujo de iones hacia el exterior, haciendo que el interior de la célula adquiera una carga negativa, que tiende a contrarrestar el flujo debido a la difusión.

Las dos fuerzas (difusión y campo eléctrico) se compensan cuando la diferencia de potencial entre el interior y el exterior es de -80mv (en ausencia de otros iones o de canales que permitan la difusión de otros iones).

El gradiente de concentración provoca un movimiento del ión X+ desde el compartimiento más concentrado hacia el de menos concentración

El gradiente eléctrico de tendencia opuesta que tiende a detener la entrada de más iones X+

Potencial de equilibrioPotencial de equilibrio

ION Exterior :Interior E ion (37ºC)

K+ 1 : 30 -80 mv

Na+ 10:1 62 mv

Ca++ 104 :1 123 mv

Cl- 11.5 : 1 -65 mv

En reposo (equilibrio dinámico) el potencial de membrana viene determinado por los iones de K+ y Na+. Al ser la membrana mucho más permeable (unas 40 veces) a los iones de K+, el potencial de equilibrio está más cerca de la tensión de equilibrio debida sólo al K+:

Potencial de membrana en reposo: -60 mv

Elementos de la BombaElementos de la Bomba Na Na K ATP asaK ATP asa

ProteínaProteína

NaNa

KK

ATP asaATP asa

Sodio (Na+)Sodio (Na+)

Niveles normales Niveles normales de Na en suero: de Na en suero: 135 a 145 mEq/l135 a 145 mEq/l

Mayor proporción Mayor proporción a nivel a nivel extracelularextracelular

POTASIOPOTASIO

Elemento metálico Elemento metálico

Intracelular 98%Intracelular 98%

Niveles normales Niveles normales de K en suero: 3,7 de K en suero: 3,7 a 5,2 mEq/la 5,2 mEq/l

ATPATP

El ATP: El ATP:

adenina adenina

ribosa ribosa

tres grupos fosfatos tres grupos fosfatos

Enlaces de alta Enlaces de alta energía al romperse energía al romperse se libera la energía se libera la energía almacenada. almacenada.

HIDRÓLISIS DEL ATPHIDRÓLISIS DEL ATP

ATP se hidroliza ATP se hidroliza a ADP, a ADP, rompiéndose un rompiéndose un sólo enlace y sólo enlace y quedando un quedando un grupo fosfato grupo fosfato librelibre

¿Qué es la ATP asa?¿Qué es la ATP asa?

Es una enzima, presente en las Es una enzima, presente en las células, que es capaz de acelerar, el células, que es capaz de acelerar, el proceso de hidrólisis del ATP. proceso de hidrólisis del ATP.

ATP "moneda universal de ATP "moneda universal de energía"energía"..

Componentes Físicos de la Componentes Físicos de la bombabomba

Complejo de 2 Complejo de 2 proteínas proteínas globulares globulares

Subunidad Subunidad αα

PM: 100 000PM: 100 000

Subunidad Subunidad ββ

PM: 55 000PM: 55 000

(ensamblado)(ensamblado)

Características Características Subunidad Subunidad αα

3 lugares para la 3 lugares para la unión del sodio unión del sodio (interior)(interior)

2 lugares para la 2 lugares para la unión del potasio unión del potasio (exterior)(exterior)

Porción interna, Porción interna, posee actividad posee actividad ATP asaATP asa

¿Qué es La bomba de ¿Qué es La bomba de sodio (Na+/K+-ATPasa)sodio (Na+/K+-ATPasa)

Es un sistema de transporte Es un sistema de transporte ubicado en la membrana de las ubicado en la membrana de las células encargado de mantener células encargado de mantener la concentración de sodio la concentración de sodio dentro de éstas más baja, y la dentro de éstas más baja, y la de potasio más alta que en el de potasio más alta que en el líquido que las circunda. líquido que las circunda.

c) Tiene dos estados c) Tiene dos estados conformacionales:conformacionales:Uno en que se une a Na+ Uno en que se une a Na+ interno, por lo promueve interno, por lo promueve la hidrólisis de ATP, se la hidrólisis de ATP, se libera energía y la libera energía y la ATPasa cambia de ATPasa cambia de conformación. conformación. Ahora es el K+ externo el Ahora es el K+ externo el que se une, el Na+ se que se une, el Na+ se libera y el K+ se mueve libera y el K+ se mueve hacia la cara interna de hacia la cara interna de la membrana.la membrana.

Modelos para la bomba Modelos para la bomba de Na+ / K+de Na+ / K+

INTERIOR DE LA CELULA

Funciones de Funciones de La bomba La bomba de sodio Na+/K+-ATPasade sodio Na+/K+-ATPasa Es esencial para :Es esencial para :La transmisión de impulsos La transmisión de impulsos nerviosos nerviosos El mantenimiento del volumen El mantenimiento del volumen celular celular La absorción de nutrientes a través La absorción de nutrientes a través del intestino del intestino La excreción y reabsorción de La excreción y reabsorción de sustancias en el riñón.sustancias en el riñón.

POTENCIAL DE ACCIONPOTENCIAL DE ACCION

El potencial de acción es un ciclo de :El potencial de acción es un ciclo de :

- despolarización, - despolarización,

- hiperpolarización y- hiperpolarización y

- retorno al valor de reposo de la membrana. - retorno al valor de reposo de la membrana.

IONION mEq/LtmEq/LtNa Na 1414

KK 140140

CaCa 00

MgMg 2020

ClCl 44

HCO3HCO3 1010

HPO4HPO4 1111

SO4SO4 11

LactatoLactato 1.51.5

ProteínasProteínas 44

UreaUrea 44

mEq totalesmEq totales 281.0281.0

Composición iónica del liquido intracelular

Composición iónica del Composición iónica del liquido extracelularliquido extracelular

IONION PLASMATIPLASMATICOCO

mEq/LtmEq/Lt

INTERSTIINTERSTICIALCIAL

mEq/LtmEq/Lt

NaNa 142142 139139

KK 4.24.2 4.04.0

CaCa 4.54.5 4.84.8

MgMg 22 22

ClCl 100100 100100

HCO3HCO3 2424 2828

HPO4HPO4 44 44

SO4SO4 0.50.5 0.50.5

LactatoLactato 1.21.2 1.21.2

ProteínasProteínas 1.21.2 0.20.2

UreaUrea 44 44

mEq totalesmEq totales 282.0282.0 281.0281.0

Potencial de membrana en reposo:Potencial de membrana en reposo:- En las neuronas, casi siempre es cercano a – 70mV.- En las neuronas, casi siempre es cercano a – 70mV.

(Ganong)(Ganong)

- -90 mV (Guyton).- -90 mV (Guyton).

El ciclo dura 1-2 ms y puede tener lugar El ciclo dura 1-2 ms y puede tener lugar cientos de veces por segundo. cientos de veces por segundo.

Estas variaciones cíclicas del potencial de Estas variaciones cíclicas del potencial de membrana son consecuencia de incrementos membrana son consecuencia de incrementos transitorios de la permeabilidad de una región transitorios de la permeabilidad de una región de la membrana, primero a Na+, luego a K+. de la membrana, primero a Na+, luego a K+.

Un potencial de acción es consecuencia de la Un potencial de acción es consecuencia de la apertura y el cierre en secuencia de canales apertura y el cierre en secuencia de canales catiónicos regulados por voltaje. catiónicos regulados por voltaje. – Primero, la apertura de los canales de Na+ durante Primero, la apertura de los canales de Na+ durante

alrededor de 1 ms, lo que produce una gran alrededor de 1 ms, lo que produce una gran despolarización súbita de un segmento de la despolarización súbita de un segmento de la membrana.membrana.

– Luego el canal se cierra y se torna incapaz de Luego el canal se cierra y se torna incapaz de abrirse (refractario) durante varios milisegundos, abrirse (refractario) durante varios milisegundos, lo cual impide el flujo posterior de Na+.lo cual impide el flujo posterior de Na+.

La La apertura gradualapertura gradual de los canales de K+, a de los canales de K+, a partir del momento en que el potencial de partir del momento en que el potencial de acción alcanza su pico máximo, permite la acción alcanza su pico máximo, permite la salida de K+, que en un principio salida de K+, que en un principio hiperpolarizahiperpolariza la membrana. la membrana.

A medida que estos canales A medida que estos canales se cierranse cierran, la , la membrana membrana retorna a su potencial de reposoretorna a su potencial de reposo..

La La despolarización despolarización asociada con un potencial asociada con un potencial de acción generado en un punto a lo largo del de acción generado en un punto a lo largo del axón se difunde en forma pasiva hacia el axón se difunde en forma pasiva hacia el segmento adyacente, segmento adyacente, donde induce la apertura donde induce la apertura de canales de Na+de canales de Na+ regulados por voltaje y, en regulados por voltaje y, en consecuencia, otro potencial de acción. consecuencia, otro potencial de acción.

La La propagación del potencial de acciónpropagación del potencial de acción sólo sólo marcha en una dirección, debido al corto marcha en una dirección, debido al corto periodo de inactivación de los canales de Na+ periodo de inactivación de los canales de Na+ y a la breve hiperpolarización consecuente de y a la breve hiperpolarización consecuente de la salida de K+.la salida de K+.

Las neuronas gruesas conducen los impulsos Las neuronas gruesas conducen los impulsos con mayor rapidez que las delgadas. con mayor rapidez que las delgadas.

La mielinización incrementa la velocidad de La mielinización incrementa la velocidad de conducción del impulso hasta en 100 veces.conducción del impulso hasta en 100 veces.

En las neuronas mielinicas, los canales de Na+ En las neuronas mielinicas, los canales de Na+ regulados por voltaje se concentran en los regulados por voltaje se concentran en los nodos de Ranvier (2000 y 12000). nodos de Ranvier (2000 y 12000).

La despolarización en un nodo se difunde con La despolarización en un nodo se difunde con rapidez y escasa atenuación al nodo siguiente, rapidez y escasa atenuación al nodo siguiente, por lo que el potencial de acción “salta” de un por lo que el potencial de acción “salta” de un nodo al siguiente.nodo al siguiente.

El potencial de acción no se produce si el El potencial de acción no se produce si el estímulo tiene una magnitud inferior al estímulo tiene una magnitud inferior al umbral, y se genera con una amplitud y forma umbral, y se genera con una amplitud y forma constantes constantes sinsin importar la intensidad del importar la intensidad del estimulo, si ésta se encuentra al nivel o por estimulo, si ésta se encuentra al nivel o por arriba de la intensidad umbral. arriba de la intensidad umbral.

Por tanto, el potencial de acción tiene un Por tanto, el potencial de acción tiene un carácter de “todo o nada” y se dice que carácter de “todo o nada” y se dice que obedece a la ley del todo o nada.obedece a la ley del todo o nada.

Si el estímulo es pequeño, no pasa nada. Si es Si el estímulo es pequeño, no pasa nada. Si es muy grande, por muy grande que sea, será el muy grande, por muy grande que sea, será el mismo potencial de acción.mismo potencial de acción.

La membrana al hacerse permeable para el NaLa membrana al hacerse permeable para el Na++, , entra el Naentra el Na++ y el estímulo la despolariza. y el estímulo la despolariza.

La despolarización consiste en la entrada rápida La despolarización consiste en la entrada rápida de Nade Na++..La repolarización implica la salida de KLa repolarización implica la salida de K++ que compensa que compensa la entrada de cargas positivas de Nala entrada de cargas positivas de Na++..

La postdespolarización consiste en la salida de NaLa postdespolarización consiste en la salida de Na++..

La repolarización consiste en la entrada de KLa repolarización consiste en la entrada de K++..

La posthiperpolarización consiste en que sale La posthiperpolarización consiste en que sale demasiado Kdemasiado K++..

Cuando entra el NaCuando entra el Na++, se abren los canales de Na, se abren los canales de Na++ y se y se produce un produce un feed-backfeed-back positivo. Se despolariza la positivo. Se despolariza la membrana y se detiene la entrada de Namembrana y se detiene la entrada de Na++ porque el porque el interior ya es positivo. Los canales se cierran y la interior ya es positivo. Los canales se cierran y la permeabilidad de la membrana baja. permeabilidad de la membrana baja.

En la posthiperpolarización, se produce otro feed-En la posthiperpolarización, se produce otro feed-back positivo para el Kback positivo para el K++ y se mantienen abiertos los y se mantienen abiertos los canales para que salga más de la cuenta.canales para que salga más de la cuenta.

Un Un estímuloestímulo intensidad y intensidad y

se compone dese compone de tiempo de aplicación. tiempo de aplicación.

Los parámetros que se tienen que definir Los parámetros que se tienen que definir para explicar la para explicar la excitabilidadexcitabilidad son: son:

·· ·· ReobaseReobase: Intensidad mínima que, aplicada durante : Intensidad mínima que, aplicada durante un tiempo un tiempo indefinido, da lugar a una respuesta.indefinido, da lugar a una respuesta.

·· ·· CronaxiaCronaxia: tiempo durante el cual se tiene que : tiempo durante el cual se tiene que aplicar un aplicar un estímulo de intensidad doble a la reobase estímulo de intensidad doble a la reobase para que se produzca para que se produzca respuesta.respuesta.

NOTA: Como más pequeña sea la reobase y cronaxia de una fibra (axón), NOTA: Como más pequeña sea la reobase y cronaxia de una fibra (axón), más excitable será.más excitable será.

Forma de propagación del Forma de propagación del impulso nerviosoimpulso nervioso

La excitabilidad irá hasta llegar al nivel de La excitabilidad irá hasta llegar al nivel de descarga. descarga.

Cuando se llega al nivel de descarga:Cuando se llega al nivel de descarga: se abren los canales de Nase abren los canales de Na++

y, por muy intenso que sea el estímulo, la y, por muy intenso que sea el estímulo, la excitabilidad será (-) porque la fibra se encuentra en excitabilidad será (-) porque la fibra se encuentra en un periodo refractario absoluto.un periodo refractario absoluto.

Durante el Durante el potencial de acciónpotencial de acción cambia la cambia la excitabilidad de la neurona excitabilidad de la neurona

con periodos refractarios (nunca habrá respuesta con periodos refractarios (nunca habrá respuesta por intenso que sea y dura la punta de la espiga) por intenso que sea y dura la punta de la espiga)

y periodo de adición latente (en el que la y periodo de adición latente (en el que la excitabilidad es menor).excitabilidad es menor).

PERIODOS REFRACTARIOSPERIODOS REFRACTARIOS

Periodo refractario absoluto:Periodo refractario absoluto:

Corresponde al período desde el momento en Corresponde al período desde el momento en el cual se llega al nivel de disparo hasta que se el cual se llega al nivel de disparo hasta que se completa un tercio de la repolarización.completa un tercio de la repolarización.

* Ningún estímulo excitará al nervio, sin * Ningún estímulo excitará al nervio, sin importar su intensidad.importar su intensidad.

Periodo refractario relativo:Periodo refractario relativo:

Que dura desde este punto hasta el inicio de la Que dura desde este punto hasta el inicio de la posdespolarización.posdespolarización.

* Los estímulos más fuertes de lo normal pueden * Los estímulos más fuertes de lo normal pueden producir excitación.producir excitación.

Si sobre un axón de una fibra nerviosa polarizada se Si sobre un axón de una fibra nerviosa polarizada se aplica un estímulo suficiente, la fibra se aplica un estímulo suficiente, la fibra se despolarizarádespolarizará. El flujo de corriente (con cargas . El flujo de corriente (con cargas positivas y negativas juntas) provocará una positivas y negativas juntas) provocará una despolarización de la zona adyacente.despolarización de la zona adyacente.

La La repolarizaciónrepolarización consistirá en que en la zona consistirá en que en la zona central, se hace salir Kcentral, se hace salir K++, restituyendo la polaridad del , restituyendo la polaridad del principio. Se empieza donde se ha empezado la principio. Se empieza donde se ha empezado la despolarización.despolarización.

Justo por detrás del impulso nervioso que va Justo por detrás del impulso nervioso que va avanzando..... hay una neurona en periodo avanzando..... hay una neurona en periodo refractario con excitabilidad nula y no permite refractario con excitabilidad nula y no permite que se cambie la dirección del impulso que se cambie la dirección del impulso nervioso.nervioso.Esta forma de despolarización le ocurre a las fibras Esta forma de despolarización le ocurre a las fibras

amielínicasamielínicas

En una célula mielinizadaEn una célula mielinizada, se aísla el axón de , se aísla el axón de la neurona y el único punto que se puede la neurona y el único punto que se puede despolarizar son los nodos de Ranvier, que despolarizar son los nodos de Ranvier, que provoca que la despolarización vaya saltando provoca que la despolarización vaya saltando de un nódulo a otro. de un nódulo a otro.

Se llama conducción saltatoria (Es mucho Se llama conducción saltatoria (Es mucho más rápidamás rápida ).).