UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CHIAPASFACULTAD DE MEDICINA HUMANA C. IV TAPACHULA

LICENCIATURA EN MEDICO CIRUJANOALUMNO: ALEJANDRA AGUIRRE CANCINO

1 SEM BMATERIA: FISIOLOGIA

DR. OMAR GOMEZ CRUZ

FISIOLOGIA DE LA MEMBRANA, NERVIO Y MUSCULO

TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS CELULARES

El líquido extracelular contiene una gran cantidad de sodio, y una pequeña cantidad de potasio. En el líquido intracelular ocurre lo contrario, el líquido extracelular contiene una gran cantidad de iones cloruro, la concentración de fosfatos y de proteínas del líquido intracelular es considerablemente mayor que la del líquido extracelular.

LA MEMBRANA CELULAR CONSISTE EN UNA BICAPA LIPÍDICA CON PROTEÍNAS DE TRANSPORTE DE LA MEMBRANA CELULAR

Constituye una barrera frente al movimiento de moléculas de agua y sustancias insolubles entre los compartimentos del líquido extracelular e intracelular.

Sus estructuras moleculares interrumpen la continuidad de la bicapa lipídica y constituyen una ruta alternativa a través de la membrana celular. Muchas penetrantes pueden actuar como Proteínas transportadoras, algunas tienen espacios acuosos en todo el trayecto del interior de la molécula y permiten el movimiento libre del agua, iones o moléculas seleccionados, estas se denominan Proteínas de los canales. Las Proteínas transportadoras se unen a las moléculas o iones que se va a transportar y se desplazan después las sustancias a través de los intersticios de la proteína hasta el otro lado de la membrana. Las proteínas de los canales y las proteínas transportadoras son selectivas.

DIFUSIÓN FRENTE A TRANSPORTE ACTIVO

El transporte ya sea directamente a través de la bicapa lipídica o a través de las proteínas, se produce mediante uno de dos procesos básicos: Difusión o Transporte activo

La difusión es el movimiento moléculas aleatorio de las sustancias molécula a molécula, a través de espacios intermoleculares de la membrana o en combinación con una proteína trasportadora. La energía que hace que se produzca la difusión es la energía del movimiento cinético normal de la materia.

El transporte activo se refiere al movimiento de iones o de otras sustancias a través de la membrana en combinación con una proteína transportadora de tal manera que la proteína transportadora hace que la sustancia se mueva contra un gradiente de energía, como desde un estado de baja concentración a un estado de alta concentración. Este movimiento precisa una fuente de energía adicional además de la energía cinética

DIFUSIÓN

El movimiento continuo de moléculas entre sí en los líquidos o los gases se denomina: difusión

DIFUSIÓN A TRAVÉS DE LA MEMBRANA CELULAR

Difusión a través de la membrana celular se divide en dos subtipos: difusión simple y difusión facilitada. Difusión simple significa que el movimiento cinético de las moléculas o de los iones se produce a través de una abertura de la membrana o a través de espacios intermoleculares sin ninguna interacción con las proteínas transportadoras de la membrana.

La difusión facilitada precisa la interacción de una proteína transportadora, ayuda al paso de moléculas o de los iones a través de la membrana mediante su unión química con estos y su desplazamiento a través de la membrana de esta manera.

LA DIFUSIÓN SIMPLE SE PRODUCE POR 2 RUTAS:

1) A través de los intersticios de la bicapa lipídica si la sustancia que difunde es liposoluble

2) A través de canales acuosos que penetran en todo el grosor de la bicapa a través de las grandes proteínas transportadoras

DIFUSIÓN DE SUSTANCIAS LIPOSOLUBLES A TRAVÉS DE LA BICAPA LIPÍDICA

Un factor que determina la rapidez con la que una sustancia difunde a través de la bicapa lipídica es la Liposolublidad

La velocidad de difusión de cada una de estas sustancias a través de la membrana es directamente proporcional a su Liposolublidad, se pueden transportar cantidades especialmente grandes de oxígeno, se puede liberar oxígeno en el interior de la celula casi como si no existiera la membrana celular

DIFUSIÓN DE AGUA Y DE OTRAS MOLÉCULAS INSOLUBLES EN LÍPIDOS A TRAVÉS DE CANALES PROTEICOS

El agua es muy insoluble en los lípidos de la membrana, pasa rápidamente a través de los canales de las moléculas proteicas que penetran en todo el espesor de la membrana. Las membranas celulares del cuerpo contienen poros proteicos denominados Acuaporinas que permiten selectivamente el rápido paso de agua a través de la membrana celular. Y existen al menos 13 tipos diferentes en las diversas células de los mamíferos.

La rapidez con la que las proteínas de agua pueden difundir es sorprendente. Otras moléculas insolubles en lípidos pueden atravesar si son hidrosolubles y de un tamaño lo suficientemente pequeño.

DIFUSIÓN A TRAVÉS DE POROS Y CANALES PROTEICOS: PERMEABILIDAD SELECTIVA Y ACTIVACIÓN DE CANALES.

Los poros y canales proteicos han mostrado trayectos tubulares que se extienden desde el líquido extracelular hasta el intracelular.

Los poros están compuestos por proteínas de membranas celulares integrales que forman tubos abiertos a través de la membrana y que están siempre abiertos. El diámetro de un poro y sus cargas eléctricas proporcionan selectividad, permiten el

rápido paso de agua a través de las membranas celulares pero impiden el de otras moléculas

Los canales proteicos se distinguen por dos características importantes: 1) con frecuencia son Permeables de manera selectiva 2) muchos de los canales se pueden abrir o cerrar por Compuertas que son reguladas por señales eléctricas (canales activados por el voltaje) o sustancias químicas que se unen a las proteínas de canales (canales activados por ligandos)

PERMEABILIDAD SELECTIVA DE LOS CANALES PROTEICOS

Son muy selectivos para el transporte de uno o más iones o moléculas específicos, se debe a las características del propio canal, como su diámetro y su forma y la naturaleza de las cargas eléctricas y enlaces químicos que están situados a lo largo de las superficies internas.

Se descubrió que lo canales potasio tienen una Estructura tetramerica consistente en cuatro subunidades proteicas idénticas que rodean a un poro central

En el Canal del sodio, las superficies internas de este camal están revestidas con aminoácidos que tienen carga intensamente negativa, estas cargas pueden arrastrar pequeños iones sodio deshidratados hacia el interior de estos canales, el canal sodio es altamente selectivo para el paso de iones sodio.

ACTIVACIÓN DE LOS CANALES PROTEICOS

Proporciona un medio para controlar la permeabilidad iónica de los canales. La apertura y cierre de las compuertas están controlados de dos maneras principales:

1) Activación por voltaje: la conformación molecular de la compuerta o de sus enlaces químicos responde al potencial eléctrico que se establece a través de la membrana celular

2) Activación química (por ligando): las compuertas de algunos canales proteicos se abren por la unión de una sustancia química a la proteína, que produce un cambio conformacional o un cambio de los enlaces químicos de la molécula de la proteína que abre o cierra la compuerta

Esta compuerta es muy importante para la transmisión de señales nerviosas desde una celula nerviosa a otra y desde las células nerviosas a las células musculares para producir contracción

Estado abierto frente ha estado cerrado de los canales activados

El canal conduce la corriente según un mecanismo de todo o nada, la compuerta del canal se abre súbitamente y después se cierra súbitamente de modo que cada estado abierto dura únicamente desde una fracción de segundo

OSMOSIS

Es el proceso del movimiento neto del agua. Se produce cuando en un lado tenemos mayor concentración de agua y esta tendrá que pasar al otro lado de manera selectiva. La cantidad de presión que se utiliza para detener la osmosis denomina “presión osmótica”. Esta se determina por la concentración de la solución en función del número de partículas.

La concentración del número de partículas se mide en osmolalidad y osmolaridad.

Osmolalidad: es la cantidad de solutos respecto a su número de partículas. Se expresa por kg de agua, es decir, un osmol de soluto disuelto por kilogramo de agua.

Osmolaridad: se mide por litro. Un osmol por litro de solución.

TRANSPORTE ACTIVO

Es el transporte de moléculas en contra de su gradiente de concentración. Se divide en transporte activo primario y transporte activo secundario. Transporte activo primario: bomba sodio – potasio. Como su nombre lo dice, esta bomba se encarga de mantener las concentraciones de sodio y potasio a través de la membrana celular. Transporta 3 iones sodio hacia el exterior de la célula y 2 iones potasio hacia su interior.

Para que esta acción se realice se necesita la activación del ATPasa para la creación de una molécula de ATP la cual se dividirá en ADP y liberara energía de fosfato, esta energía creada es necesaria para poder transportar los sodios y fosfatos al exterior e interior de la célula.

La función de la bomba sodio potasio es de suma

importancia ya que permite transmitir las señales nerviosas por todo el sistema nervioso, controlar el volumen celular y genera un potencial eléctrico a través de la membrana celular por lo que se dice que es electrógena. No solo existe la bomba sodio – potasio en el transporte activo primario, sino que también encontramos a la bomba de calcio.

Encontramos dos bombas de calcio, la primera consiste en bombear calcio hacia el exterior de la célula y la segunda se encarga de bombera calcio hacia los orgánulos vesiculares intracelulares. Ambos procesos utilizan el mismo mecanismo de obtención de energía de la bomba sodio – potasio.

Otro transporte activo primario es el de los iones de hidrogeno, este se lleva a cabo en dos pates del cuerpo:

1) Glándulas gástricas del estómago: el transporte activo primario la tienen las células parietales que se encuentran en las capas de este y tiene como principal función secretar el ácido clorhídrico.

2) Túbulos renales: contienen a las células intercaladas con el objetivo de secretar iones de hidrogeno desde la sangre hacia la orina para eliminar los líquidos corporales en exceso.

También es importante mencionar que la energía necesaria para mover una sustancia se determina por la cantidad de sustancia que se concentra durante el transporte.

Transporte activo secundario: cuando se lleva a cabo el transporte activo primario se presenta una concentración elevada de iones de sodio fuera de la célula y una baja concentración en su interior lo que provoca un almacén de

energía, entonces, esta energía sobrante es utilizada por el transporte activo secundario.

Existen dos tipos de transporte activo secundario: cotransporte y Contratransporte.

Cotransporte: es el paso de dos sustancias a través de la membrana en una sola dirección. Por ejemplo: cotransporte sodio-glucosa y cotransporte con sodio de los aminoácidos. Contratransporte: es el paso de dos sustancias en direcciones opuestas en una misma proteína de membrana, es decir, una va hacia el exterior mientras la otra va hacia el interior. Ejemplo: Contratransporte sodio-calcio y Contratransporte sodiohidrogeno.

TRANSPORTE ACTIVO A TRAVÉS DE CAPAS CELULARES

El transporte activo no solo se lleva a cabo en las membranas celulares, sino que también se pueden transportar sustancias a las capas celulares, ejemplo:

1) Epitelio intestinal

2) Epitelio de los túbulos renales

3) Epitelio de las glándulas exocrinas

4) Epitelio de la vesícula biliar

5) Membrana del plexo coroideo del cerebro

POTENCIALES DE MEMBRANA Y POTENCIALES DE ACCIÓN

Las fibras nerviosas contienen una concentración elevada de potasio en su interior mientras que en su exterior es baja. Estos se moverán dependiendo de su gradiente de concentración creando así electropositividad y electronegatividad, en este caso la electropositividad se generará fuera de la membrana y la electronegatividad dentro de ella debido a que el transporte de cargas positivas hacia afuera y cargas positivas hacia adentro. A esta diferencia de potencial entre ambos extremos de la membrana se llama potencial de difusión.

Es importante saber que el potencial eléctrico a cada lado de la membrana dependerá del ion que se transporte. Una diferencia de concentración de iones crea un potencial de membrana el cual se encarga de la transmisión de los impulsos nerviosos y musculares. Los iones sodio, potasio y cloruro son los más importantes para esta acción.

POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO DE LAS NEURONAS

El potencial de membrana en reposo de las fibras musculares es de -90 mV. El interior de la fibra será más negativo que el potencial del líquido extracelular.

ORIGEN DEL POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO NORMAL

Cuando hay una contribución del potencial de difusión del potasio el potencial en reposo será de -94mV. En la difusión del sodio en la membrana nerviosa nos dice que el potencial de nerst será de +61mV. Con una difusión de potasio de -86mV. En la ecuación de Goldman. En la bomba sodio potasio debido a la salida de potasios el interior tiene una pérdida de cargas

positivas y genera una electronegatividad de -4mV.

POTENCIAL DE ACCIÓN DE LAS NEURONAS

Los potenciales de acción permiten las transmisiones de señales nerviosas, los potenciales de acción están divididos en tres fases: 1) Fase de reposo: cuando el potencial de membrana está en reposos se dice que esta polarizada y es de -90mV. 2) Fase de despolarización: en esta fase la membrana se hace permeable a los iones sodios lo que provoca una despolarización debido al ingreso de iones sodios (están cargados positivamente). 3) Fase de re polarización: después de la permeabilidad estos canales de sodio comienzan a cerrarse y al mismo tiempo los canales de potasio se abren, lo que permite la salida de iones potasio hacia el exterior reestableciendo el reposo negativo normal, ósea la re polarización.

CANALES DE SODIO Y POTASIO ACTIVADOS POR VOLTAJE

El elemento necesario para la polarización y despolarización es el canal del sodio activado por voltaje, aunque también, el canal de potasio activado por voltaje es indispensable para la re polarización de la membrana.

ACTIVACIÓN E INACTIVACIÓN DEL CANAL DE SODIO ACTIVADO POR EL VOLTAJE

El canal de sodio está compuesto por dos compuertas, una de activación y otra de inactivación. La compuerta de activación se encuentra cerrada cuando el potencial de membrana está en su estado normal (-90mV.) lo que por lógica

impedirá el paso de los iones sodio. Para la activación del canal de sodio es necesario que haya una disminución del potencial de membrana para alcanzar un voltaje, en este caso seria -70 y -50 mV. Lo que inmediatamente producirá la abertura de estos canales y se dice que está en estado activo, una vez realizado esta activación los iones sodio ingresaran y aumentaran la permeabilidad de la membrana hasta 500 o 5000 veces.

Para la inactivación del canal de sodio se utiliza el mismo voltaje que en la compuerta de activación, pero este será un proceso más largo y lento. Una vez cerradas las compuertas los iones sodios ya no pueden atravesar la membrana y por lo tanto se recupera a su estado normal, la repolarización. Y para que este proceso vuelva a repetirse es necesario que se lleve a cabo la repolarización de lo contrario los canales no volverán a abrirse.

Existe un método llamado pinza de voltaje, este es utilizado para medir el flujo de iones que atraviesan los canales, consiste en dos electrodos, uno es utilizado para medir el voltaje y el otro para conducir corriente eléctrica ya sea al exterior o interior de la membrana. Este aplica la velocidad para el voltaje y electricidad positiva o negativa que uno quiera.

Hay otros tipos de iones considerados para los potenciales de acción, entre estos se encuentran dos más: los aniones y los iones de calcio.

INICIO DEL POTENCIAL DE ACCIÓN

Para que se lleve a cabo el potencial de membrana que realiza la apertura y cierre de las compuertas existe un ciclo de realimentación positiva el que permite que este se origine sucesivamente cada vez que termina un potencial de acción. Para que pueda haber un potencial de membrana es necesario que este alcance un umbral que sea lo suficientemente grande para dar inicio al ciclo de retroalimentación positiva. El umbral para llevar a cabo la estimulación es de - 65mV.

PROPAGACIÓN DEL POTENCIAL DE ACCIÓN

Cuando se genera un potencial de acción en algún punto de la membrana este se propaga a lo largo de toda la membrana provocando una despolarización en toda la fibra nerviosa lo que genera un impulso nervioso o muscular. La propagación no tiene una dirección definida, debido a que esta puede generarse en cualquier punto y de ahí parte la despolarización sobre toda la membrana.

El principio del todo o nada nos dice que para que haya una propagación en la membrana de un impulso, el cociente del potencial de acción respecto al umbral debe ser mayor de 1, si este no llega a este umbral la propagación es nula. El requisito mayor de 1 se denomina factor de seguridad para la propagación.

RESTABLECIMIENTO DE LOS GRADIENTES IÓNICOS DE SODIO Y POTASIO TRAS COMPLETARSE LOS POTENCIALES DE ACCIÓN: LA IMPORTANCIA DEL METABOLISMO DE LA ENERGÍA

Cuando se generan las propagaciones de los potenciales de acción provocan una ligera diferencia de concentración de sodio y potasio en el interior y exterior de la célula. Con el tiempo por medio de las bombas sodio-potasio se puede restablecer las diferencias de las concentraciones, por medio de la energía utilizada por esta bomba, “la recarga” en las fibras nerviosas es un proceso metabólico activo que utiliza la energía que procede del sistema energético del trifosfato de adenosina de la célula.

Durante la recarga la fibra nerviosa produce un aumento del calor que es una medida del gasto energético cuando aumenta la frecuencia de los impulsos nerviosos

MESETA DE ALGUNOS POTENCIALES DE ACCIÓN

La meseta es la prolongación del tiempo de la despolarización, esto ocurre en algunos casos, en donde después de la despolarización la repolarización no se lleva a cabo inmediatamente, sino que pasa un periodo de milisegundos para que suceda la repolarización. La causa de la meseta se debe a diversos factores: en primer lugar, en el proceso de despolarización del musculo cardiaco existen dos tipos de canales, los activados por voltaje “canales rápidos” y los canales calcio sodio activados por voltaje (canales de calcio tipo L) “canales lentos” lo que hace que se genere la porción de meseta de los potenciales de acción.

Otro segundo factor es que los canales de potasio activados por voltaje tienen una apertura más lenta de lo habitual y no se abren mucho hasta el final de la meseta.

RITMICIDAD DE ALGUNOS TEJIDOS EXCITABLES: DESCARGA REPETITIVA

Las descargas repetitivas se llevan a cabo en tejido excitables como en el corazón, musculo liso y neuronas del sistema nervioso central, estas descargas rítmicas producen el latido rítmico del corazón, peristaltismo rítmico de los intestinos y los fenómenos neuronales como por ejemplo el control de la respiración.

Para que pueda producirse ritmicidad espontanea la membrana debe ser lo suficientemente permeable a los iones sodio lo que permitirá la despolarización automática de la membrana.

La excitación rítmica se lleva a cabo cuando los iones sodio y calcio fluyen hacia el interior lo que produce el aumento del voltaje de esta cavidad y provoca el aumento de la permeabilidad de la membrana, se produce el flujo de entrada de más iones y aumenta aún más la permeabilidad progresivamente hasta que se

genera un potencial de acción, que después de este se despolarizará la membrana, y este ciclo continua de manera indefinida.

CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES EN LOS TRONCOS NERVIOSOS Existen fibras nerviosas mielinizadas y no mielinizadas Las fibras mielinizadas con tienen un núcleo llamado axón, este contiene una membrana que se encarga de conducir el potencial de acción. En el centro del axón se encuentra el axoplasma que es un líquido intravescular viscoso.

Alrededor del axón hay una vaina de mielina y a lo largo de la vaina de mielina están los nódulos de Ranvier, que son la unión entre dos células de Shwann y entre ellas pueden fluir los iones. Las células de Schwann se encargan de depositar la vaina de mielina alrededor del axón. La membrana de una célula de Schwann rodea al axón y deposita múltiples capas de membrana de la célula de Schwann que contienen la sustancia lipídica esfingomielina, esta sustancia es un aislante eléctrico que disminuye el flujo iónico a través de la membrana.

Los potenciales de acción solo se llevan a cabo en los nódulos por lo que se dice que es una conducción saltatoria. Este mecanismo aumenta la velocidad de transmisión nerviosa y permite una pérdida de iones hasta 100 veces menor de lo necesario. La velocidad de conducción de los impulsos nerviosos es de 0.25 m/s en fibras no mielinizadas y de 100m/s en fibras mielinizadas.

EXCITACIÓN: EL PROCESO DE GENERACIÓN DEL POTENCIAL DE ACCIÓN

El pasó de la electricidad o efectos químicos que suceden sobre la membrana son factores que pueden generar la apertura de los canales de sodio. Los potenciales locales agudos se caracterizan cuando un estímulo altera localmente el potencial de la membrana después de haber tenido dos estímulos débiles. Y cuando no pueden generar ningún potencial de acción se denominan potenciales subliminales agudos.

PERIODO REFRACTARIO

No se puede producir un nuevo potencial de acción en una fibra excitable mientras la membrana siga despolarizada por el potencial de acción precedente. El motivo de esta restricción es que poco después del inicio del potencial de acción se inactivan los canales de sodio (o los canales de potasio o ambos) y ninguna magnitud de la señal ex citatoria que se aplique a estos canales en este momento abrirá la compuertas de inactivación

La única situación que permitirá que se vuelvan a abrir es que el potencial de membrana vuelva al nivel del potencial de membrana en reposo original o cerca de este.

El periodo refractario es aquel que no puede generar un segundo potencial de acción, aunque tenga un estímulo muy intenso.