El Potencial de Acción“Integrador Comunicacional Rápido”

Dr. Daniel MoragaUnidad de Fisiología

Potencial de Acción Definición de Potencial de Acción:

Señal eléctrica regenerativa cuya amplitud no cambia a medida que avanza por la membrana plasmática neuronal (axón) ó muscular (sarcolema).

Un potencial de acción puede: Estimular ó inhibir otro potencial de acción Estimular la contracción muscular Estimular la secreción glandular Ser generado por un potencial receptor

Un Potencial de Acción ocurre debido a: Cambios selectivos en la permeabilidad de los iones

Na+ y K+

Relación electro-mecánica

Se puede analogar la relación de las actividades eléctricas de los nervios – a través de los potenciales de acción – como inductores de la contracción muscular y la generación de fuerza con la chispa que enciende el motor y el movimiento del auto

En ambos casos es primero la actividad eléctrica y luego se genera la fuerza y el trabajo mecánico.

Figure 48.11 Saltatory conduction

Velocidad de Conducción

La velocidad de conducción del potencial de acción aumenta con el diámetro y con la mielinización

La desmielinización axonal genera disminución en la velocidad de conducción y daño en la célula post-sináptica (encefalomielitis; esclerosis múltiple; Síndrome de Guillán Barré; Charcot Marie Tooth)

Velocidad de Conducción

Tipo de Fibra Función Diámetro De la Fibra (m)

Velocidad de Conducción (m/seg)

Duración de Espiga (m/seg)

Periodo Refr. Abs. (m/seg)

A- Propiocepción Motor Somático

12-20 70-120 0.4-0.5 0.4-1

A- Tacto, Presión 5-12 30-70 0.4-0.5 0.4-1 A- Motor a Huso

Muscular 3-6 15-30 0.4-0.5 0.4-1

A- Dolor, Frio, Tacto 2-5 12-30 0.4-0.5 0.4-1 B Autonómico

Preganglionar <3 3-15 1.2 1.2

C Raiz Dorsal

Dolor, Temperatura Mecanorreceptores Respuestas Reflejas

0.4-1.2 0.5-2 2 2

C Simpatica

Simpáticas Postganglionar

0.3-1.3 0.7-2.3 2 2

Aspectos Históricos Se comenzó con

una idea de espíritus que viajaban por los nervios desde Galeno hasta llegar a una explicación eléctrica de los fenómenos nerviosos.

Historia del Potencial de Acción – Galeno - Primera Hipótesis

Historia del Potencial de Acción – Galeno vs Borelli

500 AC Grecia Nervios = vasos vacíos 384-322 AC Aristóteles Nervios = tendones 130-201 DC Galeno Nervios = conductos huecos

por donde viajan espíritus animales

1452-1519 da Vinci Idea de Galeno 1514-1564 Vesalius Idea de Galeno 1635-1703 Hooke Nervios = no son conductos

huecos 1608-1679 Borelli Nervios = no tienen gases Establece la hipótesis de la

fermentación

Historia del Potencial de Acción – Galvani 1786

Luigi Galvani, 1786

Demostró la electricidad animal al generar contracción de músculo en ausencia de estímulo eléctrico externo

Historia del Potencial de Acción – von Helmholtz 1850

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz

1821-1894 Midió la

velocidad del impulso nervioso

27-30 m/seg

Historia del Potencial de Acción – Cole y Curtis 1938 Cole y Curtis (1938)

durante el paso del potencial de acción, la resistencia de la membrana disminuía desde 1000 Ocm2 hasta solamente 25 Ocm2, sin cambios en la capacitancia.

Con esto quedaba probada una vez más la hipótesis de Bernstein de que el potencial de acción se debía a un cambio en la selectividad iónica de la membrana.

Potencial de acción medido en axón gigante de calamar en el cual se superpone la resistencia.

Bases Iónicas del Potencial de acción

1. Esquema que representa registro simultáneo de un potencial de acción y de las conductancias al ión sodio y al ión potasio relacionadas con el potencial

2. Potencial cero, es el potencial de referencia medido antes de la penetración en la célula del microelectrodo

3. Diferencia de potencial medida después de la penetración del microelectrodo

4. Potencial de acción 5. Conductancia al ión sodio.

Representa una corriente positiva que entra por canales específicos para el ión sodio. Corresponde a la fase ascendente del potencial de acción

6. Conductancia al ión potasio. Representa a una corriente positiva que sale de la célula. Corresponde a la fase descendente del potencial de acción.

7. Escala que mide el potencial de membrana en mV

8. Escala que representa el número de canales iones por unidad de superficie de membrana de la célula (mm2)

9. Artefacto

Claves para entender el potencial de Acción #1: Medio Interno = LEC

LICLEC•Electrolitos•Gases•Nutrientes•Osmolaridad•Presión•Temperatura•PH•Eliminación de desechos

Claves para entender el potencial de Acción #2: Homeostasis El cuerpo humano contiene 1013 – 1014 células en total La vida de las células depende de las condiciones físico-

químicas del LEC que las baña conocido como medio interno.

La homeóstasis (Cannon, 1929) ó las variaciones del medio interno dentro de límites normales, representa un equilibrio dinámico que depende:

del funcionamiento automático e inconsciente de los diferentes sistemas del cuerpo (digestivo, excretor, respiratorio, inmunológico, circulatorio, endocrino y nervioso).

de otras funciones conductuales necesarias para conseguir alimentos, tomar agua, protegerse del frío y proteger en general la integridad física del cuerpo humano.

Cuando las variaciones del medio interno salen de los límites de normalidad se habla de heterostasis (Selye, 1973).

La isostasis (Bernard, 1859) representa la idea de la constancia del medio interno.

Claves para entender el potencial de acción:#3: El Problema Osmótico

I.- EL PROBLEMA OSMÓTICO• La estructura y función celular requiere de la presencia

intracelular de millones y millones de moléculas osmóticamente activas respecto de su medio.

• El agua del medio donde vive la célula podría ingresar al LIC hasta igualar las concentraciones osmolares entre LIC y LEC (principio de iso-osmolaridad) con eventual citolisis.

• Las bacterias y vegetales resisten la presión osmótica expansiva gracias a la existencia de una pared celular.

• Los protozoos expulsan el agua con una vacuola contráctil • Las células de animales pluricelulares expulsan

activamente un ión altamente hidratado (sodio) e ingresan un ión menos hidratado (potasio).

Hidratación del K+ versus Na+

Potasio = 19 peso atómico 19 electrones Menor atracción electrostática

sobre el dipolo (-) del agua, debido al mayor efecto de apantallamiento por su nube electrónica más densa

Capa de hidratación menor Sodio = 11 peso atómico 11 electrones Mayor atracción electrostática

sobre el dipolo (-) del agua debido al menor efecto de apantallamiento por su nube electrónica menos densa

Capa de hidratación mayor

Na+

K+

Gradientes de Concentración LIC - LEC

Normonatremia 136 – 145 mEq/L Normokalemia 3.5 – 5.5

mEq/L

Hiponatremia < 136 mEq/L Hipokalemia < 3.5 mEq/L Hipernatremia > 145 mEq/L Hiperkalemia > 5.5 mEq/L

(plasma > 5.0 mEq/L)

Claves para entender el potencial de Acción #4: Permeabilidad ConstitutivaII.- LA PERMEABILIDAD CONSTITUTIVA Y LA DIFUSIÓN DEL POTASIO La actividad de la bomba Na-K-ATPasa mantiene la gradiente

de concentraciones de los iones sodio y potasio a través de la membrana plasmática, lo cual genera iso-osmolaridad entre el LIC y LEC y resuelve el problema osmótico.

No obstante, dado que todas las membranas plasmáticas son permeables a los iones potasio, gracias a la presencia desrregulada de canales iónicos específicos y siempre abiertos (constitutivos) para el potasio, el potasio puede difundir a favor de su gradiente de concentración del LIC al LEC a través de estos canales generando una corriente eléctrica positiva de entrada.

Cuando un ión potasio difunde al exterior de la célula a través de canales específicos se separa forzosamente de su contra-ión del LIC (contradiciendo un poquito el principio de electro-neutralidad) generando así una separación de cargas y un potencial eléctrico a través de la membrana plasmática.

El potencial eléctrico de una membrana celular en condiciones de reposo esta dado mayoritariamente por las corrientes de salida del potasio

Principio de electroneutralidady el potencial eléctrico La sumatoria de

cargas positivas y negativas es igual en cada compartimiento

Obsérvese que a través de la membrana hay separación de cargas

POTENCIALES ELECTRICOS EN LA CELULA POTENCIAL DE REPOSO DE MEMBRANA POTENCIAL DE EQUILIBRIO POTENCIALES DE DIFUSION POTENCIALES ELECTROTONICOS

POTENCIAL POSTSINAPTICO POTENCIAL RECEPTOR POTENCIAL INTERNODAL

POTENCIALES DE ACCION

POTENCIAL DE REPOSO DE MEMBRANA EM

ES EL VALOR MEDIDO DE LA ENERGIA ELECTRICA POTENCIAL A TRAVÉS DE LA MEMBRANA

CELULAS NO EXCITABLES EM = -90 mv

CELULAS EXCITABLES EM = -70 mv

POTENCIAL DE REPOSO EM

ECUACION DE TRANSFERENCIA

EM = EK • TK + ENA • TNA

ECUACION DE GOLDMAN-HODGKIN-KATZ

EM = -RT/F • LOG PK • [K+]IN + PNA • [Na+]IN

PK • [K+]EXT + PNA • [Na+]EXT

POTENCIAL DE EQULIBRIO DEL K+

CORRESPONDE A LA ENERGIA ELECTRICA POTENCIAL NECESARIA PARA DETENER EL FLUJO DE IONES K+ A TRAVES DE LAS MEMBRANA. NO ES UN VALOR MEDIDO, SINO QUE TEORICO

SI LAS CONCENTRACIONES DE K+ AFUERA Y ADENTRO SON LAS FISIOLÓGICAS, EL POTENCIAL DE EQUILIBRIO DEL K ES:

EK = -92 mv

EK VERSUS EM

LAS CELULAS TIENEN POTENCIALES DE REPOSO MAS CERCANO AL POTENCIAL DE EQUILIBRIO DEL K+ QUE DE NA+

ESTO IMPLICA QUE EN REPOSO LAS CELULAS SON MUCHO MAS PERMEABLES AL K+ QUE AL NA+

SI UNA CELULA TUVIERA UN EM = EK INDICARÍA QUE TIENE PERMEABILIDAD SOLO AL K+ ESTO OCURRE CON MUCHAS CELULAS NO EXCITABLES

EK VERSUS EM

PERO EN LAS CELULAS EXCITABLES OCURRE:

EM < EK

ESTO ES EXPLICABLE POR LA EXISTENCIA DE CANALES DE NA+ PASIVOS QUE INGRESAN CARGAS POSITIVAS Y GENERAN LA DEPOLARIZA-CIÓN DE LA MEMBRANA, ALEJANDOLA DEL EK

Claves para entender el potencial de Acción #5: Permeabilidad ReguladaII.- LA PERMEABILIDAD REGULADA Y EL POTENCIAL DE ACCIÓN Las células no excitables presentan potenciales de

membrana determinados por la permeabilidad constitutiva del potasio.

En cambio las neuronas y las células musculares presentan canales de sodio, potasio y calcio regulados por voltaje.

Una vez que el potencial de la membrana alcanza el valor umbral para la apertura de los canales de sodio regulados por voltaje, el sodio difunde del LEC al LIC como corriente positiva de entrada a favor de su gradiente de concentración y generando la fase ascendente del potencial de acción.

El proceso detiene entre otras cosas debido a la apertura de canales de potasio dependientes de voltaje que se abren después que los canales de sodio y generan una corriente de salida de cargas positivas, lo cual genera la fase descendente del potencial de acción.

La existencia de canales iónicos de sodio y potasio que se abren y cierran gracias a diferencias de voltaje y cinéticas de apertura y cierre diferentes sustenta el potencial de acción

Figure 48.9 The role of voltage-gated ion channels in the action potential (Layer 5)

Algunas sinapsis se forman en las dendritas, cuerpo celular ó en el cono axónico

POTENCIALES ELECTROTONICOS SON CAMBIOS EN EL POTENCIAL DE

MEMBRANA PASIVOS DEPENDEN DEL GRADO DEL ESTIMULO

(GRADUADOS) NO SE AUTOPROPAGAN (LOCALES) NO SON ESTEROTIPADOS SU MAGNITUD Y DURACION DEPENDEN DEL

TAMAÑO Y FUERZA DEL ESTIMULO DECAEN EN EL TIEMPO Y EN EL ESPACIO

Potencial de acción en el terminal sináptico

El potencial de acción se mueve por el axón hasta el terminal sináptico

La despolarización abre canales de calcio dependientes de voltaje El calcio ingresa y estimula la fusión de vesículas sinápticas con

la membrana presináptica Los neurotransmisores se liberan al espacio sináptico y estimulan

la membrana postsináptica

Si un NT despolariza la neurona postsináptica, se dice que es excitatorio

Si un NT hiperpolariza la neurona postsináptica, se dice que es inhibitorio

El hecho que un NT se inhibitorio ó excitatorio depende del receptor

Neurotransmisores excitatorios e inhibitorios

Figure 48.12 A chemical synapse

Sumación de potenciales post-sinápticos La apertura de canales regulados por ligando genera potenciales post-sinápticos

excitatorios (EPSP) o inhibitorios (IPSP) Si dos potenciales EPSP ó IPSP ocurren al mismo tiempo (sumación espacial) en

diferentes lugares ó al mismo tiempo en sucesión rápida (sumación temporal), sus efectos se suman

Decaimiento de los PPS

Dado que el voltaje se disemina a través de las dendritas y el cuerpo celular sin un potencial de acción, el valor de los potenciales post-sinápticos (PPS) decae con la distancia y en el tiempo. Por lo tanto los PPS son potenciales electrotónicos.

CONSTANTE DE TIEMPO = RM • CM CONSTANTE DE ESPACIO = RM/RI

Y SUS DECAIMIENTOS EXPONENCIALES

Vt = VMAX (1 - e-t/) EN EL TIEMPO VX = VMAX (e-x/) Y EN EL ESPACIO

Fig 48.13

PROPIEDADES DE CABLE DE LA MEMBRANA UNA MEMBRANA PERMEABLE A UN IÓN (CON

LOS CANALES IONICOS ESPECÍFICOS) ES UN CONDUCTOR ELECTRICO CARACTERIZADO POR UNA RESISTENCIA RM

LA CAPACIDAD DE SEPARAR CARGAS A TRAVES DE LA MEMBRANA SE DEFINE COMO CM

Y LAS RESISTENCIAS AL FLUJO INTRACELULAR COMO RI

PROPIEDADES DE CABLE DE LA MEMBRANA

ESTAS VARIABLES DEFINEN OPERACIONALMENTE LAS VARIABLES:

CONSTANTE DE TIEMPO = RM • CM

CONSTANTE DE ESPACIO = RM/RI

Y SUS DECAIMIENTOS EXPONENCIALES Vt = VMAX (1 - e-t/) EN EL TIEMPO VX = VMAX (e-x/) Y EN EL ESPACIO

Sistema Excitoconductor Cardiaco

Fase 0 GNa+ GCa2+

Fase 1 GNa+ GK+ GCa2+ No esta

Fase 2 GCa2+ GK+ (Plateu Ientrada = Isalida) No esta

Fase 3 GK+ GCa2+ GK+ GCa2+

Fase 4 GK+ GNa+ GCa2+ GNa+ (IF)

Referencias Historia del Potencial de Acción

http://www.facmed.unam.mx/historia/

Estructura desarrollo y funciones SNC http://www.puc.cl/sw_educ/neurociencias/

Principles of Neural Sciences, Kandel