ELECTROFISIOLOGÍA
María José Ortega
Nataly Marcela Romero
Jeisson Javier Tovar
Jesús Francisco Turizo
Universidad de Sucre. Facultad de Ciencias de la Salud. Programa de Medicina. Bioestructura III. Biofísica. Periodo 02-2013.
GENERALIDADES
Bioelectricidad
Estudia la producción de electricidad en los seres vivos, animales y vegetales.
Conceptos clave
Electrofisiología
Estudio de los fenómenos eléctricos y/o iónicos generados en células y tejidos.
Electroquímica
Estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química.
Conceptos clave
Catión
Ion con carga positiva.
Anión
Ion con carga negativa.
Ion
Átomo o molécula con carga eléctrica.
Cl- HCO3- PO4
3-Na+ K+ Mg+
Electrolito
Sustancia que disocia iones libres cuando se disuelve en un líquido.
Conceptos clave
Ionización
Pérdida o ganancia de electrones de un átomo o molécula.
Electrólisis
Separación de los elementos que forman un compuesto aplicando electricidad.
HCl NaCl HBr KOH NaOH
K+ OH-
H+ Cl-
Na+ Cl-
H+ Br-
Na+ OH-
Conceptos clave
Electrodo
Conductor eléctrico a través del cual puede entrar o salir una corriente eléctrica.
Ánodo
Electrodo o polo positivo atrayente de aniones, por donde entra la corriente eléctrica.
Cátodo
Electrodo o polo negativo atrayente de cationes, por el que sale la energía eléctrica.
+ -
Fuente de corriente directo
Ánodo Cátodo
Conceptos clave
Corriente eléctrica
Circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado.
Circuito eléctrico
Recorrido preestablecido por el que se desplazan las cargas eléctricas.
Potencial eléctrico
Trabajo realizado para trasladar una carga positiva de un punto a otro.
P u n t o d e c o n t r o l
El ion K+ se encuentra a mayor concentración en:
a. Líquido extracelular.
b. Líquido intracelular.
c. Líquido intersticial.
d. Plasma sanguíneo.
INTRODUCCIÓN
Historia
Luigi Galvani (1737-1798), médico, fisiólogo y físico, sus estudios
le permitieron descifrar la naturaleza eléctrica del impulso nervioso.
Elaboró la teoría de la electricidad animal, demostró que los
músculos de la rana eran capaces de producir electricidad cuando
se le aplicaba una pequeña corriente eléctrica a la médula espinal.
Alessandro Volta (1745-1827), físico, famoso principalmente por
haber desarrollado la pila eléctrica. Propuso encontrar otras
alternativas que le permitieran obtener electricidad sin utilizar tejido
animal. Logró generar electricidad usando distintos metales.
Experimento de GalvaniExperimento de Volta
Carlo Matteucci (1811-1868), físico, realizó investigaciones sobre
los efectos fisiológicos de la electricidad y la electricidad muscular.
Demostró la existencia de una diferencia de potencial entre la
superficie ilesa y un punto leso del mismo músculo de la rana.
Historia
Alan Lloyd Hodgkin (1934-1998), fisiólogo y biofísico, elaboró la
teoría sobre el origen del potencial de membrana, describiendo la
presencia de iones de sodio y potasio con una distribución
específica a través de la membrana.
Historia
Andrew Fielding Huxley (1917-2012), fisiólogo y biofísico,
Descubrió el potencial de acción de la membrana de las células
nerviosas y el papel que la bomba de sodio y potasio desempeña
en la transmisión del impulso nervioso.
John Carew Eccles (1903-1997), neurofisiólogo, Demostró que la
excitación de una fibra nerviosa hace que la sinapsis libere una
sustancia que abre los poros de la membrana nerviosa, permitiendo
el paso de iones sodio a la célula nerviosa vecina.
P u n t o d e c o n t r o l
Carlo Matteucci (1811-1868), ideó la teoría de:
a. Potencial de membrana.
b. Potencial de acción.
c. Potencial de reposo.
d. Diferencia de potencial.
MEMBRANA CELULAR
Anatomía
La membrana plasmática es una estructura de 80 a 100 A° de espesor, constituida
por lípidos y proteínas.
Los lípidos que integran la membrana celular son fosfolípidos, colesterol y
cerebrósidos en la proporción 2:2:1.
Las proteínas que componen la membrana celular son proteínas periféricas y
proteínas integrales.
Los microvellos y las uniones epiteliales son estructuras dependientes de la
membrana celular.
Glicoproteína Glicolípido
Proteína de canalColesterol
Bicapa fosfolipídica
Proteína integral
Proteína periférica
Fosfato
Glicerol
Ácido graso saturado
Ácido graso insaturado
Col
a hi
drof
óbic
aC
abez
a hi
drof
ílica
Fisiología
Provee una barrera con permeabilidad selectiva y transporte de solutos, permite
acumular iones específicos, estableciendo gradientes iónicos.
Desempeña un rol protagónico en la respuesta de la célula a las señales externas,
proceso denominado transducción de señales.
Media la interacción entre una célula y sus vecinas, permite que las células se
reconozcan y envíen señales entre sí.
Permite la transformación de un tipo de energía, participan en la transferencia de
energía química de carbohidratos y grasas a ATP.
P u n t o d e c o n t r o l
Los lípidos más abundantes de la membrana celular son:
a. Fosfolípidos.
b. Glucolípidos.
c. Esfingolípidos.
d. Cerebrósidos.
TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA
Diferencias químicas entre el citosol y el ambiente extracelular
Líquido intracelular
Plasma
Líquido intersticial
Diferencias químicas entre el citosol y el ambiente extracelular
Líquido intracelular
Líquido extracelular
Líquido intersticial
Plasma
Otros líquidos
Diferencias químicas entre el citosol y el ambiente extracelular
Con
cent
raci
ón (m
Eq/L
)
Líquido intracelular
Líquido intersticial
Plasma
Diferencias químicas entre el citosol y el ambiente extracelular
Carga neta + Carga neta -
Líquido extracelular Citoplasma
Potencial de membrana
Diferencia del potencial eléctrico entre dos medios separados por una membrana.
Transporte de sustancias a través de la membrana
Potencial de reposo
Estado estacionario en el que el flujo de iones a través de la membrana es cero.
Potencial de acción
Flujo de iones a través de la membrana modificando la distribución de cargas.
Potencial de equilibrio
Equilibrio de las fuerzas del gradiente electroquímico que actúan sobre un ion.
Transporte de sustancias a través de la membrana
Polarización
Fase en el que la membrana después de un impulso alcanza su potencial de reposo.
Despolarización
Fase en el que la membrana después de un estímulo adquiere su potencial de acción.
Axón
Despolarización
Transporte de sustancias a través de la membrana
Gradiente de concentración
Diferencia de concentración de soluto entre dos medios separados por una membrana.
Gradiente eléctrico
Diferencia neta de carga eléctrica entre dos medios separados por una membrana.
Gradiente electroquímico
Potencial neto de membrana producto del gradiente de concentración y gradiente eléctrico.
Transporte pasivo: el movimiento de las sustancias no requiere gasto de energía.
Transporte activo: el transporte de las sustancias requiere gasto de energía.
Transporte de sustancias a través de la membrana
Transporte pasivo
Difusión
La difusión es el movimiento espontáneo de sustancias de una región de mayor
concentración a otra de menor concentración, lo que conlleva a eliminar la diferencia
de concentración entre las dos regiones.
La difusión es un proceso impulsado por el movimiento cinético aleatorio de las
partículas de la materia, fenómeno llamado entropía.
Transporte pasivo
Difusión
La difusión simple es el paso de sustancias de forma directa por la bicapa lipídica,
determinado por la polaridad y el tamaño de una sustancia.
Difusión simple
Transporte pasivo
Difusión
La ósmosis es el movimiento de agua a través de una membrana de una región con
menor concentración de solutos a una región con mayor concentración de solutos.
Ósmosis
Hipotónica Isotónica Hipertónica
Concentración del medio extracelular
Transporte pasivo
Difusión
La difusión facilitada es el paso de sustancias a través de la membrana, mediado por
proteínas transportadoras o canales proteicos, a favor de un gradiente electroquímico.
Difusión facilitada
Transporte activo
Transporte activo primario
El transporte activo primario es el movimiento forzado de sustancias de una región
de menor concentración a una región de mayor concentración, lo que crea un
potencial de membrana debido a la diferencia de cargas.
El transporte activo primario es un proceso mediado por un tipo especial de
proteínas transportadoras llamadas bombas.
Tipos de transportadores
Uniporte Simporte Antiporte
Bombas Na+ - K+ - ATPasa
Bic
apa
lipíd
ica
K+Na+
Con
cent
raci
ón
ATP ADPPO4
3-
K+
Na+
+
- +
-
Transporte activo
Transporte activo secundario
El transporte activo secundario involucra el transporte de dos o más sustancias, una
de las cuales se mueve a favor de un gradiente o potencial electroquímico.
El transporte activo secundario es el movimiento de sustancias que normalmente no
atraviesan la membrana celular, cuya energía deriva del gradiente de concentración.
Na+
+
-
Bic
apa
lipíd
ica
Sistema Na+ - Glucosa
Glucosa
Con
cent
raci
ón
Transporte de moléculas grandes a través de la membrana
Endocitosis
PinocitosisFagocitosisEndocitosis
mediada por receptor
Ligando
Receptor
Partícula sólida
VacuolaVesícula
Vesícula revestida
Transporte de moléculas grandes a través de la membrana
Exocitosis
Líquido extracelular
Citoplasma
Vesícula
P u n t o d e c o n t r o l
Esta fuerza es la suma del gradiente de concentración
y el gradiente eléctrico:
a. Potencial de membrana.
b. Potencial eléctrico.
c. Potencial de reposo.
d. Gradiente electroquímico.
P u n t o d e c o n t r o l
Debido a que son constituyentes de la membrana,
los canales iónicos son ejemplos de:
a. Proteínas receptoras.
b. Proteínas integrales.
c. Proteínas periféricas.
d. Glicoproteínas.
P u n t o d e c o n t r o l
El agua se mueve por ósmosis _________.
a. De un área con alta concentración de solutos a una más baja.
b. De un área con alta concentración de agua a una menor.
c. De un área con baja concentración de agua a una mayor.
d. Ninguna de las anteriores.
P u n t o d e c o n t r o l
Difusión es a ________ como endocitosis es a________.
a. Filtración; fagocitosis.
b. Osmosis; pinocitosis.
c. Solutos, fluidos.
d. Gradiente; energía química.
P u n t o d e c o n t r o l
¿Qué hace la bomba Na+ - K+ para mantener
la carga negativa neta en el interior de la célula?
a. Expulsando aniones.
b. Introduciendo aniones.
c. Expulsando más cationes de los que se introducen.
d. Expulsar e introducir el mismo número de cationes.
P u n t o d e c o n t r o l
Por cuál de estos mecanismos de transporte una
célula puede introducir moléculas grandes al citosol:
a. Pinocitosis.
b. Fagocitosis.
c. Transporte facilitado.
d. Transporte activo primario.
ELECTROFISIOLOGÍA DE MEMBRANA
Electrotono
Un electrono es un estado eléctrico en una fibra excitable a la que se le aplica una
corriente constante, que consiste en la modificación de la excitabilidad y de la
conductibilidad, y la producción de electricidad, en la vecindad de los electrodos.
Un anelectrotono es un estado eléctrico, que consiste en la disminución de la
irritabilidad de una fibra excitable a nivel de la zona del ánodo durante el paso de la
corriente eléctrica.
Un catelectrotono es un estado eléctrico, que consiste en el aumento de la
irritabilidad de una fibra excitable a nivel de la zona del cátodo durante el paso de la
corriente eléctrica.
Electrotono
1. Se aplican dos electrodos sobre la superficie de la membrana, los cuales están
conectados a un generador de corriente continua.
2. Se produce un movimiento neto de iones por el medio extracelular, a través de la
membrana y por el medio intracelular sin provocar la excitación.
3. A dichas corrientes iónicas se llaman corrientes electrotónicas.
Distribución de las corrientes electrotónicas
I
+ -
Electrotono
Distribución de las corrientes electrotónicas
Excitabilidad
La bioelectrogénesis es la capacidad que tienen los seres vivos, plantas y animales
para producir electricidad.
La bioelectricidad se aplica al estudio de la electricidad animal, asociada a los
fenómenos bioelectrogenéticos.
La excitabilidad es la capacidad de las células o tejidos de responder a los estímulos
de manera específica.
El estímulo debe ser capaz de despolarizar, siendo una condición indispensable que
las células se hallen polarizadas.
Tejido nervioso
Excitabilidad
Tejidos excitables
Tejido muscular
Excitabilidad
Tejidos excitables
Excitabilidad
Células excitables
Células β-pancreáticasNeurona Miocito
Excitabilidad
Células excitables
Células adenohipofisiariasCélulas adrenocorticalesCélulas cromafines
Células parafoliculares Células paratiroideas Células yuxtaglomerulares
Hipótesis iónica de la bioelectrogénesis
La distribución peculiar existente entre el citoplasma y el medio extracelular, llevaron a
Bernstein en (1902), a emitir una hipótesis donde planteaba que el potencial de
reposo es generado por la difusión de iones K+ que pasan para el medio externo,
donde su concentración es baja.
Para esto Bernstein, hizo la hipótesis de que la membrana solamente es permeable a
los iones K+, no permitiendo el paso de otros iones. Más adelante Boyle y Conway,
desmintieron esto, ya que ellos encontraron que la membrana era permeable a otros
iones, solo que eran de radio mas pequeño.
Potencial de reposo
Cuando una célula esta en reposo, (no estimulada ni excitada) los canales de K+
están abiertos, el K+ tenderá a salir hacia el exterior.
Al mecanismo que se encuentra la membrana celular y genera este intercambio de
iones, se le llama la bomba de sodio potasio.
Estas cargas positivas, causan que el interior celular sea negativo respecto al exterior.
Cl-
Cl-
Cl-Cl-
Cl-
Cl-
Na+
Na+
K+
Na+
Na+
Na+
Na+
K+ K+ K+
K+
K+
K+
K+K+
Prot-
Prot-
Prot-
Potencial de acción
La membrana celular está en su potencial de reposo ( -70mv).
Se reciben estímulos eléctricos que despolarizan la membrana (-55mv).
Los canales de sodio se abren aumentando la concentración intracelular de sodio.
Se invierte el potencial de la membrana de (-70mv a +40mv).
Los canales de potasio se activan dejando salir cationes de potasio.
La membrana se hiperpolariza momentáneamente por la excesiva salida de potasio.
Las bombas de sodio y potasio hacen que la misma vuelva a su potencial de reposo.
Potencial de acción
Pote
ncia
l de
mem
bran
a (m
V)
Tiempo (ms)
1 2 3 4 5
-60
-40
-20
0
20
40
60
|
Potencial de acción
Potencial de reposo
Potencial de acción
Cam
bio
de c
ondu
ctan
cia
Tiempo (ms)
1 2 3 4 5
Na+
K+
Potencial de equilibrio
El potencial de equilibrio de un ion es el potencial al que se equilibrarían las fuerzas
del gradiente electroquímico actuando sobre ese ion.
El potasio está más concentrado dentro de la célula, por tanto por gradiente de
concentración el potasio tiende a salir.
El sodio está más concentrado fuera que dentro de la célula, por lo que el sodio tiende
a entrar en ésta.
ELECTROFISIOLOGÍA DEL TEJIDO NERVIOSO
Estructura de una célula nerviosa
Cuerpo celular (soma)
Axón Oligodendrocito
Membrana celular
Nódulo
Vaina de mielina
Dendrita
Botón terminal
Vaina de mielina
Axón
Proceso de conducción nerviosa
La polarización invertida
La conductancia y los potenciales
Nueva despolarización
Podemos decir que:
El estado de excitación puede propagarse en ambos sentidos a partir de la
zona excitada inicialmente.
La sinapsis actúa como válvula en el sistema nervioso y no la fibra nerviosa.
Conducción nerviosa en fibras amielínicas
La velocidad de propagación del impulso
La rapidez en que cada región excitada se despolariza
El tiempo que tarda en descargarse el condensador
La resistencia
Podemos inferir que la velocidad de conducción en los cilindroejes amielínicas
será tanto mas alta cuanto mayor sea el diámetro de la fibra.
Conducción nerviosa en fibras mielínicas
En la fibras mielínicas, por se la mielina un aislante, las corrientes solo pueden atravesar la
membrana a través de los nódulos de Ranvier.
Distribución de la mielina en el axón
Corriente saltatoria en fibras mielínicas
No es necesario que e despolarice toda la porción de la fibra comprendida entre los dos
nódulos, así se ahorra la necesidad de despolarizar toda la parte comprendida entre ellos.
ELECTROFISIOLOGÍA DEL TEJIDO MUSCULAR
Potenciales en el músculo esquelético
Estructura de una fibra muscular esquelética
Sarcolema
Sarcoplasma
Miofibrillas
Estriaciones
Fibra muscular
Potenciales en el músculo esquelético
Estructura de un sarcómero
Línea Z
Actina Miosina
Línea M
Sarcómero
Miofibrilla
Potenciales en el músculo esquelético
Potenciales en el músculo esquelético
Vm (m
vat
)
-90
-60
-30
30
t
Potenciales en el músculo esquelético
Acoplamiento excitación-contracción
t
e
m
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
Potencial de acción
Que lo produce:
Abertura:
Canales de sodio rápido.
Canales de calcio (calcio - sodio).
Canales de potasio.
Generan despolarización → Respuesta
eléctrica en la membrana (PA) →
Respuesta contráctil.
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
PA
M del M.C
Desde (T)
PA → m, t, s, l → Produce liberación iones calcio desde RS a SM
Iones del calcio difunden → Hacia las miofibrillas y catalizan reacciones químicas
favorecen deslizamiento A, M
Interior de la fibra muscular a lo largo de la membrana.
Hacia sarcoplasma m.→ Contracción.
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
PA
Fases 0, 1, 2, 3, 4
Canales de potasioCanales de calcio-sodio
< Potasio fase 2sucesos:
Canales de calcio-sodio se cierran 0.2 y 0.3s< Permeabilidad de K+
> Permeabilidad de K+
Este > de K+ desde la fibra devuelve PM a su nivel de reposo
Finaliza PA
Reduce la salida de K+ durante la meseta del PA
Impide el regreso rápido del voltaje del PA a su
nivel de reposo
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
PA Variedades más diferenciales del PA
Desde el punto de vista propiedades eléctricas 2 fibras:
1. Fibra de trabajo o de respuesta rápida
PA de fibras de trabajo
2. Fibras automáticas o de respuesta lenta
Fases: 0 1 2 3 4 5
PA marca pasos
Fases: Fase de reposo Fase despolarización Fase repolarización
Necesitan estímulo
Conducir y generar PA
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
3002001000
+40
0
-40
-80
-120
Tiempo (ms)
Volta
je (m
V)
Periodo refractario
absoluto
Periodo refractario
relativo
0
2
3
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
3002001000
+40
0
-40
-80
-120
Tiempo (ms)
Volta
je (m
V)
Periodo refractario
absoluto
Periodo refractario
relativo
1
2
3
4
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
-20
-40
-60
-80
-100
Tiempo (ms)
Volta
je (m
V)
-20
0
Periodo refractario absoluto: 200ms
Periodo refractario relativo: 50ms
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
Automatismo del corazón
El ciclo o revolución cardíaca corresponde al conjunto de movimientos que efectúa
el corazón en cada latido.
El ciclo o revolución cardíaca fundamentalmente comprende tres fases:
La sístole auricular o presístole.
La sístole ventricular.
La diástole ventricular.
Inicio
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
Ley del todo o nada
La ley del todo o nada es el principio por el que el músculo cardíaco cuando se halla
bajo cualquier estímulo por encima del umbral, responderá con una contracción de
potencia máxima, o bien no se contraerá en absoluto.
La ley del todo o nada hace referencia a unidades motoras individuales y no a
músculos enteros. La adición de unidades motoras durante una contracción muscular
hará que la fuerza que produce un músculo sea cada vez mayor.
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
Electrocardiografía
La electrocardiografía es un método para registrar la actividad eléctrica generada por
el músculo cardíaco.
La actividad eléctrica se produce por la capacidad de las células de generar
potenciales de acción por sí mismas con cierta periodicidad.
El corazón es un órgano relativamente autónomo, funcionando sin intervención del
sistema nervioso, aunque éste si puede llegar a regular el ritmo de latido.
5mm
+1 R
Q S
Onda TOnda P
Intervalo PR Intervalo QT
Mili
volti
os (m
V)
Segmento PR
Segmento ST
Complejo QRS
Propiedades eléctricas del músculo cardíaco
Electromiografía
La electromiografía es el registro de la actividad
eléctrica del músculo, y se realiza mediante la
inserción de un electrodo con forma de aguja en el
mismo, con el fin de registrar su actividad eléctrica.
El electromiograma no se lleva a cabo de una
forma estándar; se diseña en cada caso en función
de la historia clínica y la exploración neurológica.
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