Excitabilidad

Habilidad que tienen algunas células de comunicarse, supone la habilidad de ser irritadas, es decir, que tengan irritabilidad, el proceso de irritabilidad se produce cuando al ser estimulados los receptores, el organismo genera una respuesta, los receptores sensoriales son todos irritables, y en la manera que sean estimulados darán una respuesta. La capacidad de dar respuesta es lo que constituye la excitabilidad

Células irritables:

- Neuronas: que son las células del sistema nervioso.

- Fibras musculares: que son los miocitos que también son excitables, existen 3 tipos de músculo con 3 tipos de células distintas que y que funcionan por mecanismos distintos pero cuyo objetivo es el mismo y son: musculatura estriada musculatura lisa musculatura cardiaca

- Células receptoras

Estructura de la respuesta excitativa

Todo sistema regular tiene por un lado, órganos sensoriales que informan que es lo que pasa (receptores sensoriales) como receptores de la retina, oído interno etc.

Por otro lado esta el sistema generador de respuestas (SNC) órganos efectores que generalmente dan respuestas de tipo motor

¿De que manera se excitan nuestras células excitables?

Primero que todo, nuestros líquidos corporales son soluciones de agua en la cual hay electrolitos disueltos, los cuales son conductores de la corriente, formamos corrientes, porque tenemos solutos que las forman también y que están disueltos en el agua, en otras palabras nosotros somos suna solución conductora.

Los solutos son de 2 tipos:

- Cationes: iones positivos, que toman este nombre por tener afinidad por el cátodo (polo negativo).

- Aniones: iones negativos, que tienen afinidad por el ánodo (polo positivo).

Por lo tanto si yo tengo aniones y cationes en una solución con 2 electrodos por los q circula la corriente, los aniones se acercaran al ánodo y loas cationes al cátodo, así es como se distinguen los aniones de los cationes.

Los iones pueden ser nomovalentes (Na+, K+), bivalente (Ca+) o polivalentes, dependiendo de la cantidad de valencias que tengan, a pesar de que todos los iones poseen las misma importancia, es importante saber la concentración de el Na+ y el K+ a ambos lados de la membrana celular, que es el limite que separa a los electrolitos en el medio interno.

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Los iones generan corrientes iónicas que son flujos de iones, en el Ca por ejemplo que es útil para músculo esquelético, en este caso la corriente intraelectrica provoca el flujo de electrones, también existen corrientes de sodio, de cloruro, de potasio y de calcio.

Los flujos son movimientos de cargas eléctricas movidos por una fuerza. La fuerza que mueve a los solutos es el gradiente de concentración, que es lo que llamaremos potencial químico de un soluto y es lo que provoca la difusión de un soluto de un lugar a otro.

Entonces la difusión es el fenómeno físico que habla del traslado de las partículas de un lugar a otro.

Permeabilidad: es la facilidad que tiene una partícula para atravesar una barrera, que es lo que pasa en las células, donde la barrera es la membrana plasmática, existen compartimentos intracelulares y extracelulares, y existen solutos a ambos lados y si hay diferencia en el gradiente va a haber un movimiento masivo de solutos que es movido por ese gradiente.

El potencial químico que mueve a los solutos va a permitir que los solutos pasen de un lado a otro de la membrana plasmática pero este movimiento dependerá de las características del soluto, de las características de la solución y dependiendo de las características de la membrana se va a establecer una permeabilidad que es característica de cada soluto, porque existen solutos muy permeables, de permeabilidad negativa (permeables y poco permeables) y solutos impermeables.

La membrana plasmática es una barrera de semipermeabilidad o de permeabilidad relativa por donde pasa libremente el sodio, el potasio, algunos electrolitos de alta permeabilidad y el agua y pasan con diferentes dificultades otros electrolitos que debido a su capacidad de carga se van haciendo mas grandes y por su tamaño se hace mas difícil su paso por la membrana, llegando prácticamente a la impermeabilidad absoluta en ciertos solutos como las proteínas, que se mantienen dentro de la célula

En una célula el potasio es altamente permeable, pero esto no solo depende de las características del potasio, si no también de las características de la membrana, por ejemplo, si yo tengo otras células diferentes a las como las células del músculo liso en que el cloruro (Cl-) resulta ser más permeable que el potasio (K), eso depende entonces de las características de la membrana, por lo tanto, la permeabilidad de los solutos depende de la célula de la que se este hablando.

La mayor parte de las células nerviosas y musculares cumple con la regla de permeabilidad antes expuesta (*)

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Si P Na = 1, P Cl = 50 y P K = 100(*) Si la permeabilidad del sodio es

1unidad la del potasio cloruro es 50 veces mayor que esta y la del potasio es 100 veces mas grande que la del sodio.

Potencial Químico

En este ejemplo existen 2 compartimentos separados por una membrana, la cual es altamente permeable para el soluto disuelto que en este es glucosa, por lo tanto si en un compartimento hay glucosa (100 mg/L) y en esotro no, esta rápidamente difundirá hacia el compartimentos que no posee glucosa para igualar las concentraciones.

La glucosa además no posee carga eléctrica, por lo tanto, no se mueve solo por fuerzas químicas (potencial químico)

Por lo tanto el potencial químico de la glucosa es cero, el potencial químico de la glucosa baja de 100 a 0 y el potencial eléctrico nunca existió debido a la ausencia de cargas eléctricas en la molécula de glucosa

Que el potencial químico baje de 100 a 0 significa que de estar en un estado altamente inestable (100 mg/L v/s 0 mg/L de glucosa), la glucosa pasó a estar en un estado de equilibrio (50 mg/L v/s 50 mg/L), termodinámicamente esto significa que la energía que consume una partícula de glucosa para pasar de un lado a otro de la membrana es cero y que no existe preferencia por la molécula por un lado u otro de la membrana.

Este estado de equilibrio se denomina estado estacionario y que se consigue prácticamente solo con pospotenciales químicos y sin que haya potenciales eléctricos, porque el soluto es No – electrolito.

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Los solutos No-electrolitos (como la glucosa) NO generan potenciales eléctricos y difunden solo por gradientes químicos

Potencial electroquímico

Cuando hay electrolitos en la solución, la movilidad de las partículas en un sentido u otro de la membrana dependerá de la carga eléctrica que esta posea.

Ej.:

Si se tiene Cl K en ambos lados de la membrana, se vera que el cloruro, que poseen 2 polos negativos, que introduce en la solución, serán atraídas por la carga positiva, mientras que el potasio se aleja de la carga positiva y será atraído al polo negativo de la solución (debido a que por electrostasis los polos opuestos se atraen), migrando de un lado a otro de la membrana, esto sucederá hasta que se genere un potencial eléctrico sea igual al gradiente químico que existía.

Si yo pongo una solución de cloruro de potasio (Cl K) a ambos lados de una membrana pero en concentraciones diferentes (ver diagrama) lo que sucede es lo que sucedería en una célula normal, es decir en una célula yo puedo tener una concentración intracelular 30 veces mas grande que la extracelular. En esta membrana el potasio viaja libremente por la membrana, debido a que es un ión con gran permeabilidad.

Este potasio va a migrar desde A a B, movido por el gradiente químico, pero junto con moverse el potasio, que es un ión de carga positiva, va a arrastrar cargas negativas, y como lo único que atraviesa la membrana es potasio, el cloruro que esta disuelto y separado del potasio (esta disociado) va a quedar atrapado en la membrana (en el lado (A). Las cargas negativas son abandonadas por las positivas que atraviesan la membrana, hacia (B).

El gradiente químico genera una migración, una difusión de potasio y el potasio como es permeable comienza a producir una cierta polaridad en la membrana haciéndola negativa por un lado (A) y positiva por el otro (B), y esta diferencia de carga eléctrica que aparece a ambos lados de la membrana, se llama potencial eléctrico que al comienzo cuando no hay migración de potasio es cero. El potasio va a comenzar a migrar hacia B pero luego volverá hacia A, debido a la positividad que hay en el lado B de la membrana, que va creando un potencial eléctrico, que crea una nube de carga positiva que frena el paso del potasio, y que va a acelerar la huida del potasio hacia el compartimiento A. Entonces, el flujo que era unidireccional pasa a ser bidireccional, muy pequeña en un comienzo porque el campo eléctrico que empuja al potasio de vuelta es pequeño, pero al cabo de un rato, los flujos llegan a igualarse, el potasio q pasa de A a B genera un campo eléctrico tan grande que permite que la misma cantidad de potasio que pasa hacia B se devuelva hacia A, entonces el potencial químico del potasio no cambio, porque a pesar del movimiento las concentraciones siguen iguales. Este es un nuevo equilibrio porque el flujo neto de cargas es cero, porque pasa tanto potasio de A a B como de B a A. La fuerza que mueve al potasio de A a B es un gradiente químico, que generó un gradiente eléctrico que es -10 mV, esto sucede en las células todo el tiempo, mientras la célula este vida esta sacando y entrando potasio, y este gran

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movimiento de potasio lo mantiene la célula por un gradiente eléctrico que se generó, por el gradiente químico que tenia.

Todo esto es posible mientras se mantenga el gradiente químico, lo que se denomina potencial de equilibrio de un ión en este caso potasio.

Potencial de equilibrio de un ión

Es un potencial medido en milivolts (mV), que es un campo, la magnitud de un campo eléctrico, lo que significa, que todas las células que tienen diferencia de gradientes químicos (electrolitos), van a generar gradientes eléctricos, que son potenciales eléctricos.

Ahora, esto es para la población del potasio, pero por ejemplo en una neurona se encuentran también gradientes de sodio, de cloro, potasio y muchos otros electrolitos, los cuales tienen todos su propio potencial de equilibrio.

El potencial de reposo de la membrana va a ser la suma algebraica de todos los potenciales parciales de los electrolitos, y el potencial de membrana predominantes, el más importante, es adquirido del ión más permeable; el potencial de membrana es un potencial directo que aparece en las células excitables, debido a los gradientes químicos de los iones que componen el liquido que esta a ambos lados de la membrana, este potencial de membrana va a ser muy próximo al potencial de equilibrio del ión mas permeable.

¿Qué significa que el potencial de membrana sea igual al potencial del ión más permeable?

Significa que el flujo de entrada y de salida, es decir, el flujo neto de esta partícula, es cero, lo que significa que hay un gran movilidad del electrolito en ambas direcciones, característica que solo posee el ión mas permeable

La membrana es permeable a potasio, debido a que posee estructuras que aseguran su permeabilidad, que son los canales iónicos, que son proteínas que permiten el paso de electrolitos, que habitualmente están cerrados, pero que se abren para que el electrolito pase en dirección de su gradiente químico (de mayor a menor concentración), y este mecanismo de generar una permeabilidad va a depender de la energía que utilice la membrana en hacer funcionar esta proteína, que es una bomba, que tiene un sitio de gran afinidad por los iones que están fuera de la célula y que se van a unir por fuera de la célula a este sitio activo. Después esta proteína va a que generar energía, por la desfosforilación; por ejemplo, de un ATP, que pudiera tener en su estructura, el cual bota el fosfato, por una enzima (una ATPasa), y la energía que se obtiene de la liberación del fosfato inicia en esta proteína un cambio conformacional, que puede ser una rotación (fig2-2), dejando fuera al ión, es a través de la bomba que se devuelven los iones que habían entrado por diferencia de gradiente de concentración, a lo que se le llama transporte activo.

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Las partículas que fueron ingresadas pero canales iónicos, vuelven al exterior por bombas iónicas, la bomba que es transporte activo debido a que consume energía para lograr un cambio conformacional, para sacar el ión de la célula. Habitualmente los mecanismo s que consumen energía se relacionan con el sodio y le potasio. Los mecanismos de transporte de cloruro se observan en los epitelios en general, como los del nefrón, sistema digestivo, etc.

El rol de la bomba es mantener el gradiente, lo que mantiene excitable la célula, para mantener los gradientes químicos, deben mantenerse los gradientes eléctricos. Si se bloquean las bombas se produce un cese de la excitabilidad eléctrica de la célula, por que al igualarse las concentraciones se acaban los gradientes químicos y, por lo tanto, se acaban los gradientes eléctricos.

Los canales iónicos son sitios por los que entran los electrolitos para poder mantener o cambiar su gradiente químico, algunos de los cuales son sensibles a mensajeros, que son sustancias que tienen un sitio de unión en la estructura del canal, el cual al unirse se abre el canal, logran un cambio conformacional, estos canales sensibles a mensajeros químicos (a ligando), son generalmente canales no específicos (puede entrar y salir mas de una especia iónica), como ejemplo los canales de sinapsis químicas y en las palcas musculares.

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Algunos tipos de cambio de conformación de los canales iónicos

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Canal iónico sensible a mensajero, que son sustancias que poseen un sitio de unión a estructuras del canal, el ligando produce un cambio conformacional que permite que el canal se abra, al salir el ligando el canal se cierra.

Si se fosforila el canal, es decir, se una un fosfato al canal, este se abre, y se cierra si el canal se desfosforila

La membrana es negativa por dentro y positiva por fuera y, se invierte la polaridad, y el canal se abre, es decir son sensibles a la polaridad de la membrana

Se abren por presión me canica del citoesqueleto, debido a que los canales están unidos al citoesqueleto y, si se deforma la membrana, el canal es mecánicamente abierto

Existen electrolitos a ambos lados de la célula, de estos electrolitos, los más importantes son Na+, K→+ y Cl- y los aniones impermeables, que le dan estabilidad celular. Estos se encuentran en el medio intracelular a una concentración de mM/L, donde el sodio tiene baja concentración, 12mM, mientras que en el medio extracelular es 145mM, es decir 12 veces mas concentrado. El potasio tiene una concentración intracelular de 155mM y una concentración extracelular de 4 mM, es decir, alrededor de 35 veces mayor, por lo tanto, es más concentrada dentro de la célula. El cloruro, es igual al potasio, intracelular 3.8 mM/L y extracelular 120mM/L, o sea, alrededor de 30 veces mas concentrado en el medio extracelular, etc.

Fuera del intersticio celular existe cloruro de sodio, en alta concentración, e líquido intersticial intercambia mucho con los líquidos vasculares y el plasma, el NaCl es la base de nuestro plasma.

Es de notar que los gradientes de concentración se oponen al potasio, es decir, el potasio es mas concentrado dentro de la célula, lo que generará gradientes de concentración que a su vez generarán potenciales de equilibrio, en cada uno de sus iones, lo que es importante para que la membrana pueda generar un potencial de membrana de -90mV.

A partir de los gradientes de concentración se puede calcular el potencial de equilibrio. El potencial de reposo de la membrana va a ser la suma de los potenciales de equilibrio de de los iones. También sabemos a partir de eso que el ión mas permeable es el ión cloruro debido a que es el mas cercano al potencial de la membrana, esta es una excepción, debido a que en general el ión mas permeable es potasio.

Es importante saber como se origina el potencial de membrana y cual lejos esta este del potencial de los iones, para así saber cual es el impacto que causa un cambio en la permeabilidad de los iones, que ocasiona un cambio en el potencial de equilibrio, lo que va a tener a su vez impacto en el potencial de membrana.

Distribución de los iones en los compartimentos intracelulares y extracelulares del músculo

esquelético de mamíferos y los potenciales de equilibrio para estos iones en estado de reposo

IónConcentración, mmol/L Potencial

de equilibrio

(mV)Liquido

IntracelularLiquido

ExtracelularNa+ 12 145 +65K+ 155 4 -95H+ 13 x 10 -5 3.8 x 10 -5 -32Cl- 3.8 120 -90

HCO3- 8 27 -32

A- 155 0 …A representa los iones orgánicos

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Ecuación de W. Nernst

Es una ecuación que considera los factores eléctricos del fenómeno, o sea la constante de los gases (R) que son la cantidad de carga por volts y por mol de sustancia, a una temperatura absoluta, que es T; Z es la valente de ión, en el caso de potasio es 1, F es la constante de Faraday que es cantidad de carga que se transporta por mol de sustancia.

La cantidad de carga que transportan los electrolitos es enorme (96.500 coulomb x mol), por eso cuando se producen los cambios eléctricos, la cantidad de moles de soluto que se ha movido es tan poca que casi no se altera la concentración de solutos a ambos lados de la célula, mientras que si se generan grandes fenómenos eléctricos

Ecuación de Goldman

Con ella se calcula el potencial de una membrana de una célula a partir de sus coeficientes de permeabilidad relativa, sus gradientes de concentración intra y extracelulares y una constante (58 mV) que se calcula a partir de variables definidas en la ecuación de Nernst.

La diferencia entre esta y la ecuación de Nernst el uso del las permeabilidades relativas de mas de un ión.

Nuestra membrana celular tiene un potencial eléctrico que lo obtiene de los distintos gradientes iónicos de los distintos iones permeables que hay a ambos lados de la membrana, de sus relativas permeabilidades, de los gradientes de concentración y de su relativa permeabilidad y también de la presencia de energía en la membrana para poder mover las bombas iónicas que mantienen los gradientes de los electrolitos, es decir, el potencial de reposo de la membrana es un campo eléctrico que se sostiene por los gradientes iónicos del potasio y el cloruro, en particular por el ión as permeable.

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¿QUE SUCEDE CON EL POTENCIAL ELECTRICO DE UNA MEMBRANA CUANDO AUMENTAN LAS PERMEABILIDADES RELATIVAS DE LOS IONES QUE SE ENCUENTRAN A AMBOS LADOS DE ESA MEMBRANA?

El aumento de la permeabilidad relativa de un ión cambia por ejemplo si bajara la permeabilidad relativa del potasio, entonces todos los canales de sodio que estaban cerrados se abren y estos abren mas canales, entonces, toda la población de canales de sodio que hay en la membrana se abren también dejando entrar al sodio por que este esta mas concentrado fuera de la célula que dentro de ella y favorece su gradiente químico entonces sodio se transforma en el ión mas permeable potenciándose el equilibrio de este y no de potasio, que es positivo y no negativo como el potasio, entonces el potencial e la membrana empieza a acercarse al potencial de equilibrio del sodio, y luego se vuelve a invertir y vuelve a ser el potasio el ión mas permeable, es decir ha habido un cambio transitorio, un pick muy rápido de cambio del potencial de reposo de la membrana, producto de los cambios de permeabilidad de lo iones sodio y potasio.

La polaridad de la membrana se invirtió debido a la entrada masiva de sodio positivizando el medio interno, y este cambio de la polaridad de la membrana abrió canales de potasio, aumentando la permeabilidad de este por encima de la del sodio, desviando el potencial de equilibrio de la membrana hacia el ión potasio. Este cambio eléctrico de la membrana se llama potencial de acción y es la señal química que utilizan las neuronas para transmitir los estímulos y las sensaciones

Características del potencial de acción

1)

Los potenciales de acción duran aproximadamente 1milisegundo y se producen por un cambio de permeabilidad consecutiva del sodio y luego del potasio.

La conductancia para el sodio es muy alta al comienzo, es decir, entra mas sodio de lo que sale e potasio.

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La conductancia que es el reciproco de la resistencia, que es la fuerza que se opone al flujo, o sea, a una alta conductancia una resistencia baja y viceversa, que es lo que le sucede al sodio, al aumentar su conductancia disminuye su resistencia y entra a la célula.

Al comienzo entonces (ver línea punteada) la membrana se despolariza, luego llega a su máximo el potencial, lo que volvió activos a los canales de sodio, lo siguiente que sucede es la inactivación de los canales de sodio, debido a que a pesar de que estos permanecen abiertos las concentraciones a ambos lados impiden que este se traslade, es decir, no pasa sodio por los canales, luego en el máximo punto de polarización todos los canales están abiertos o inactivos, luego de eso los canales de sodio solo pueden cerrarse, lo que disminuye la potencia del sodio y aumenta la de potasio y la membrana se repolariza con la salida masiva de potasio, lo que llega a convertirse en una hiperpolarización aun cuando el sodio deja de entrar a la célula el potasio sigue saliendo de esta, y el medio interno se hace mas negativo que lo habitual.

En resumen:

- una entrada de sodio, más que una salida de potasio, provoca una despolarización.

- Un cese de la entrada de sodio y una salida excesiva de potasio, produce una repolarización.

- La solo salida de potasio provoca una hiperpolarización de la membrana

La hiperpolarización de la membrana tiene un sentido. Para poder despolarizar la membrana esta necesita ser estimulada eléctricamente, entonces a medida que aumenta la intensidad del estimulo, aumenta la amplitud de la respuesta, si la intensidad no es lo suficientemente grande como para lograr un potencial de acción entonces, el estimulo es subumbral y por lo tanto este conjunto de respuestas pequeñas, por debajo del umbral de eficacia de la neurona se denominan potenciales subumbrales.

2)

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Un canal de sodio se abre solo cuando el potencial llega a -70mV o menos, no existen los potenciales intermedios, por que la despolarización de la membrana se rige por la ley del “todo o nada”

Un potencial de acción puede generarse ya sea por la sumatoria de estímulos subumbrales o por la presencia de un estimulo de suficiente intensidad.

3)

Requieren de potenciales locales, es decir, que no se propagan, 2 potenciales locales se suman si se encuentran, lo que quiere decir que 2 estímulos subumbrales, podrían llegas a generar un potencial de acción

Son lentos, lo que quiere decir que demoran mucho tiempo en producir el potencial de acción

El inicio de la repolarización se llama periodo de latencia.

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Etapas del potencial e acción:

- Umbral de descarga

- Despolarización: entrada de sodio

- Sobredescarga.

- Postdespolarización: salida de potasio

- Posthiperpolarización

La naturaleza membrana plasmática de los cuerpos dendríticos de una neurona, va a tener una gran cantidad de proteínas receptoras de mensajeros químicas, que están concentradas en los botones sinápticos, estos receptores son sensibles a los neurotransmisores que libera una neurona antes de la sinapsis. Las dendritas estimuladas son capaces de generar SOLO potenciales locales

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