Potenciales de difusin y de equilibrio

Potenciales de difusin y de equilibrioCanales InicosProtenas integrales de membrana que, al abrirse, permiten el paso de ciertos iones. Esta selectividad se basa en el tamao del canal y las cargas que lo revisten. La conductancia o permeabilidad de un canal depende de la probabilidad de que est abierto. Los canales dependientes del voltaje se abren y se cierran en respuesta a cambios en el potencial de membrana. La compuerta de activacin en el canal de Na+ en el nervio se abre por despolarizacin de la membrana celular nerviosa; la apertura de este canal es responsable del ascenso del potencial de accin. Una compuerta de inactivacin, se cierra por despolarizacin. Puesto que la compuerta de activacin responde ms rpidamente a la despolarizacin que la compuerta de inactivacin, el canal de Na+ primero se abre y luego se cierra. Los canales dependientes del ligando se abren y se cierran en respuesta a la unin de ligandos como hormonas, neurotransmisores o segundos mensajeros. El receptor nicotnico en la placa motora terminal es un canal inico que se abre cuando se une la acetilcolina (ACh); cuando est abierto, es permeable a los iones Na+ y K+.Potenciales De DifusinUn potencial de difusin en milivoltios (mV) es la diferencia de potencial generada a travs de una membrana cuando un soluto cargado (un ion) se difunde a favor de su gradiente de concentracin. Por tanto, un potencial de difusin est causado por la difusin de iones. Puede generarse slo si la membrana es permeable a ese ion. La magnitud depende del tamao del gradiente de concentracin, y ste es la fuerza impulsora. El signo depende de la carga del ion en difusin.Los potenciales de difusin se crean por el movimiento de slo algunos iones y no causan cambios en la concentracin de los iones en la solucin global.Potencial De EquilibrioEs el potencial de difusin que equilibra exactamente o se opone a la tendencia de la difusin a favor de la diferencia de concentracin. En el equilibrio electroqumico, las fuerzas impulsoras qumicas y elctricas que actan sobre un ion son iguales y opuestas, y no se produce una difusin neta.

Potencial De EquilibrioLa figura muestra dos soluciones separadas por una membrana permeable al Na+ pero no al Cl. La concentracin de NaCl es ms elevada en la solucin 1 que en la 2. El ion permeable (Na+) se difundir a favor de su gradiente de concentracin de la solucin 1 a la 2, pero el ion impermeable (Cl) no lo acompaar. Como consecuencia del movimiento neto de carga positiva a la solucin 2, se desarrolla un potencial de difusin de Na+ y la solucin 2 se vuelve positiva respecto a la 1. La positividad en la solucin 2 se opone a la difusin de ms Na+, y al final es lo bastante grande como para impedir una difusin neta adicional. La diferencia de potencial que equilibra exactamente la tendencia de difusin del Na+ a favor de su gradiente de concentracin es el potencial de equilibrio del Na+. Cuando las fuerzas impulsoras qumicas y elctricas sobre el Na+ son iguales y opuestas, se dice que el Na+ est en equilibrio electroqumico.

Ecuacin De NernstSe utiliza para calcular el potencial de equilibrio de un ion a una diferencia de concentracin dada a travs de una membrana, suponiendo que la membrana es permeable a ese ion. E= 2,3RT/ zF log10 [Ci]/[Ce] FEM=+ - 61 log [Ci]/[Ce]Donde E=Potencial de equilibrio (mV), 2,3 RT/F=Constante (60 mV a 37 C)z= Carga en el ion (+1 para Na+; +2 para Ca2+; 1 para Cl)Ci =Concentracin intracelular (mmol/l), Ce =Concentracin extracelular (mmol/l)La ecuacin de Nernst convierte una diferencia de concentracin para un ion en un voltaje. R es la constante de los gases, T es la temperatura absoluta y F es la constante de Faraday; la multiplicacin por 2,3 convierte el logaritmo natural en log10.El potencial de membrana se expresa como el potencial intracelular respecto al potencial extracelular. Por tanto, una diferencia de potencial transmembrana de 70 mV significa 70 mV, interior celular negativo. Los valores tpicos de potencial de equilibrio para los iones ms frecuentes:ENa+=+65 mvECa2+=+120 mvEK+=85 mvECl=90 mvPotencial de membrana en reposoEs la diferencia de potencial que existe a travs de la membrana de las clulas excitables, como las del nervio y el msculo, en el perodo entre potenciales de accin (es decir, en reposo). Se establece mediante potenciales de difusin, que se deben a las diferencias de concentracin de varios iones a travs de la membrana celular. (Establecidas mediante mecanismos de transporte activo primario y secundario.)Cada ion permeable intenta conducir el potencial de membrana hacia su propio potencial de equilibrio. Los iones con las permeabilidades o conductancias ms altas en reposo son los que contribuirn en mayor medida al potencial de membrana en reposo. El PMR de las clulas excitables se encuentra en el intervalo de 70 a 80 mV. Est cerca de los potenciales de equilibrio de K+ y Cl dada su alta permeabilidad en reposo y est lejos de los potenciales de equilibrio de Na+ y Ca2+ dada la baja permeabilidad de estos iones en reposo.Una forma de evaluar la contribucin de cada ion al potencial de membrana es utilizar la ecuacin de conductancia de cuerda, que pondera el potencial de equilibrio de cada ion (calculado con la ecuacin de Nernst) con su conductancia relativa. Potencial de membrana en reposoUn mtodo alternativo aplica la ecuacin de Goldman, que considera la contribucin de cada ion ms por su permeabilidad relativa que por su conductancia. La ecuacin de conductancia de cuerda se formula:Em= gK+/gT. EK+ + gNa+/gT. ENa+ + gCl/gT. ECl + gCa2+/gT. ECa2+, dondeEm=Potencial de membrana (mV)gK+ etc.= K+ conductancia etc. (mho, recproco de la resistencia)gT=Conductancia total (mho)EK+ etc.=K+ potencial de equilibrio etc. (mV)En reposo, las membranas de las clulas excitables son bastante ms permeables al K+ y al Cl que a Na+ y Ca2+. Estas diferencias explican el potencial de membrana en reposo.Que funcin desempea la NaKATPasa en la creacin del potencial de membrana en reposo? Realiza una pequea contribucin electrognica directa de -4 mV, basada en la estequiometra de los tres iones Na+ bombeados hacia el exterior de la clula por cada dos iones K+ bombeados hacia el interior. La contribucin indirecta ms importante es crear y mantener el gradiente de concentracin del K+, que es el que establece el potencial de membrana en reposo. (mantiene el gradiente inico del Na+ a travs de la membrana celular, que es responsables del ascenso del potencial de accin.)Contribucin del potasio: Si la membrana es permeable solo a los iones potasio transportan cargas elctricas positivas hacia el exterior, generando electropositividad fuera de la membrana y electronegatividad en el interior debido a los aniones negativos que permanecen y que no difunden hacia fuera con el potasio. En un 1 ms la diferencia de potencial entre el interior y el exterior, denominada potencial de difusin, se hace lo suficientemente grande como para bloquear la difusin adicional neta de potasio hacia el exterior. En la fibra nerviosa normal del mamfero la diferencia de potencial necesaria es de -94 mV.La difusin de los iones sodio de carga positiva hacia el interior crea un potencial de membrana de polaridad opuesta, con negatividad en el exterior y positividad en el interior. El potencial de membrana se hace lo suficientemente elevado en milisegundos para bloquear la ulterior difusin neta de iones sodio hacia el interior. Esta vez el potencial es de 61 mV positivos en el interior de la fibra nerviosa.Ecuacin de Goldman-Hodgkin-Katz. Cuando una membrana es permeable a varios iones diferentes, el potencial de difusin que se genera depende de tres factores: La polaridad de la carga elctrica de cada uno de los iones; La permeabilidad de la membrana (P) a cada uno de los iones, y las concentraciones (C) de los respectivos iones en el interior (i) y en el exterior (e) de la membrana. Asi, la ecuacin de Goldman da el potencial de membrana calculado en el interior de la membrana cuando participan dos iones positivos univalentes, sodio (Na1') y potasio (K+), y un ion negativo univalente, cloruro (CL). En la fibra nerviosa la permeabilidad de la membrana al potasio es 100 veces mayor que la permeabilidad al sodio. Utilizando este valor en la ecuacin de Goldman se obtiene un potencial en el interior de la membrana de -86 mV, que es prximo al potencial del potasio. !El PMR es -90 mV!

Potenciales de accin Despolarizacin: proceso de hacer el potencial de membrana menos negativo. Hiperpolarizacin: proceso de hacer el potencial de membrana ms negativo. La corriente de entrada es el flujo de carga positiva hacia el interior de la clula. Despolariza el potencial de membrana. Un ejemplo es el flujo de Na+ a la clula durante la fase ascendente del potencial de accin. La corriente de salida es el flujo de carga positiva hacia el exterior de la clula. Hiperpolariza el potencial de membrana. Un ejemplo es el flujo de K+ fuera de la clula durante la fase de repolarizacin del potencial de accin. El potencial umbral es el potencial de membrana en el que es inevitable la aparicin del potencial de accin. La corriente de entrada neta (p. ej., de Na+) es mayor que la corriente de salida neta (p. ej., salida de K+), y la despolarizacin resultante se automantiene, dando lugar a la fase ascendente del potencial de accin. Si la corriente de entrada neta es menor que la corriente de salida neta, la membrana no se despolarizar hasta el umbral y no se producir ningn potencial de accin (respuesta todo o nada). El sobretiro (overshoot) es la parte del potencial de accin en la que el potencial de membrana es positivo (interior celular positivo).

Potenciales de accin El pospotencial hiperpolarizante (undershoot) es la parte del potencial de accin, despus de la repolarizacin, en la que el potencial de membrana es ms negativo que en reposo. El perodo refractario es un perodo durante el que no puede producirse otro potencial de accin normal en una clula excitable. Pueden ser absoluto o relativo.Caractersticas De Los Potenciales De Accin: Tamao y forma estereotpicos. Cada potencial de accin normal de un tipo celular dado parece idntico, se despolariza al mismo potencial y se repolariza hasta el mismo potencial de reposo. Propagacin. Un potencial de accin en un sitio causa una despolarizacin en sitios adyacentes, llevndolos hasta el umbral. La propagacin de los potenciales de accin de un sitio al siguiente no es decreciente. Respuesta todo o nada. Un potencial de accin se produce o no. Si una clula excitable es despolarizada hasta el umbral entonces la aparicin de un potencial de accin es inevitable. Si la membrana no se despolariza hasta el umbral, no puede producirse ningn potencial de accin. Si el estmulo se aplica durante el perodo refractario, no se producir ningn potencial de accin o el potencial de accin se producir, pero no tendr el tamao ni la forma estereotpicos.Base Inica Del Potencial De AccinEl potencial de accin consiste en una despolarizacin rpida (fase de ascenso), seguida de una repolarizacin hasta alcanzar el potencial de membrana en reposo. 1.Potencial de membrana en reposo. Es de aproximadamente 70 mV. La conductancia o permeabilidad al K+ es alta. El potencial de difusin de K+ impulsa el potencial de membrana hacia el potencial de equilibrio del K+. La conductancia al Cl tambin es alta y, el Cl tambin est cerca del equilibrio electroqumico. La conductancia al Na+ es baja.2. Ascenso del potencial de accin. Una corriente de entrada causa la despolarizacin de la membrana celular nerviosa hasta el umbral, aproximadamente a 60 mV. Esta despolarizacin causa la rpida apertura de las compuertas de activacin del canal de Na+ y la conductancia al Na+ aumenta rpidamente e incluso ms que la conductancia al K+. El potencial de membrana se despolariza hacia el potencial de equilibrio del Na+ de +65 mV. La tetrodotoxina del pez globo japons y el anestsico local lidocana bloquean estos canales de Na+ sensibles al voltaje y evitan la aparicin de potenciales de accin nerviosos.3. Repolarizacin del potencial de accin. El efecto combinado del cierre de los canales de Na+ y la mayor apertura de los canales de K+ hacen que la conductancia al K+ sea mucho mayor que la conductancia al Na+. Por tanto, se produce una corriente de salida de K+ y la membrana se repolariza. El tetraetilamonio (TEA) bloquea estos canales de K+ dependientes del voltaje, la corriente de salida de K+ y la repolarizacin.4. Pospotencial hiperpolarizante (undershoot). Durante un breve perodo despus de la repolarizacin, la conductancia al K+ es ms elevada que en reposo y el potencial de membrana es conducido an ms cerca del potencial de equilibrio del K+. Al final, la conductancia al K+ vuelve al nivel de reposo y el potencial de membrana se despolariza ligeramente, de vuelta al potencial de membrana en reposo. Ahora la membrana ya est preparada para generar otro potencial de accin.Figura A. Curso de los cambios de voltaje y conductancia durante el potencial de accin del nervio.

El Canal De Na+ En El NervioUn canal de Na+ dependiente del voltaje es el responsable de la fase de ascenso del potencial de accin en el nervio y el msculo esqueltico. Este canal es una protena integral de membrana, que consta de una gran subunidad a y dos subunidades b. La subunidad a tiene cuatro dominios, cada uno con seis hlices a transmembrana. Las repeticiones de las hlices a transmembrana rodean un poro central, a travs del que pueden fluir iones Na+ (si las compuertas del canal estn abiertas). El supuesto bsico de este modelo es que, para que el Na+ se mueva a travs del canal, las dos compuertas deben estar abiertas. 1. En reposo, la compuerta de activacin est cerrada. Aunque est abierta (porque el potencial de membrana est hiperpolarizado), el Na+ no puede moverse a travs del canal.2. Durante la fase de ascenso del potencial de accin, la despolarizacin hasta el umbral provoca la apertura rpida de la compuerta de activacin. La compuerta de inactivacin an est abierta porque responde a la despolarizacin ms lentamente que la compuerta de activacin. Por tanto, las dos compuertas se abren brevemente y el Na+ puede fluir a travs del canal hacia el interior de la clula, causando ms despolarizacin (fase de ascenso).3. En el pico del potencial de accin, la lenta compuerta de inactivacin finalmente responde y se cierra, cerrando as el canal. Empieza la repolarizacin. Cuando el potencial de membrana se ha repolarizado hasta su nivel de reposo, la compuerta de activacin se cerrar y la de inactivacin se abrir, ambas en sus posiciones originales.Perodos RefractariosDurante los perodos refractarios, las clulas excitables son incapaces de producir potenciales de accin normales. El perodo refractario incluye un perodo refractario absoluto y otro relativo.Perodo refractario absolutoEl perodo refractario absoluto coincide con casi toda la duracin del potencial de accin. Durante este perodo ningn estmulo, por intenso que sea, podr producir un nuevo potencial de accin. La base del perodo refractario absoluto es el cierre de las compuertas de inactivacin del canal de Na+ en respuesta a la despolarizacin. Estas compuertas estn en posicin cerrada hasta que la clula se repolariza y alcanza el potencial de membrana en Reposo.Perodo refractario relativoEl perodo refractario relativo se inicia al final del perodo refractario absoluto y coincide principalmente con el perodo del pospotencial hiperpolarizante. Durante este perodo, puede producirse un potencial de accin, pero slo si se aplica una corriente despolarizante (de entrada) mayor de la habitual. La base del perodo refractario relativo es que la conductancia al K+ es mayor que durante el potencial de reposo. Dado que el potencial de membrana est ms cerca del potencial de equilibrio del K+, se necesita ms corriente de entrada para despolarizar la membrana hasta el umbral y que se inicie el siguiente potencial de accin.AcomodacinCuando una clula nerviosa o muscular se despolariza lentamente o se mantiene a un nivel despolarizado, se puede superar el potencial umbral habitual sin que ocurra ningn potencial de accin. Este proceso se denomina acomodacin y se produce porque la despolarizacin cierra las compuertas de inactivacin de los canales de Na+. Si la despolarizacin se produce con suficiente lentitud, los canales de Na+ se cierran y se mantienen cerrados. La fase de ascenso del potencial de accin no puede producirse porque no hay suficientes canales de Na+ para llevar la corriente de entrada. Por ejemplo, se observa acomodacin en personas con una concentracin srica elevada de K+ o hiperpotasemia. Propagacin De Los Potenciales De AccinLa propagacin de los potenciales de accin por una fibra nerviosa o muscular se produce por la transmisin de corrientes locales desde regiones activas hacia otras inactivas adyacentes.En reposo, todo el axn nervioso est en el potencial de membrana en reposo, con el interior celular negativo. Los potenciales de accin se inician en el segmento inicial del axn, lo ms cerca posible del cuerpo neuronal. Se propagan por el axn mediante la transmisin de corrientes locales. El segmento inicial del axn neuronal est despolarizado hasta el umbral y dispara un potencial de accin (la regin activa). A consecuencia de una corriente de entrada de Na+, en el pico del potencial de accin, la polaridad del potencial de membrana se invierte y el interior celular se vuelve positivo. La regin adyacente del axn sigue estando inactiva, con el interior celular negativo.La figura 1-15B muestra la transmisin de una corriente local desde la regin activa despolarizada hacia la regin inactiva adyacente. En el sitio activo, las cargas positivas dentro de la clula fluyen hacia las cargas negativas en el sitio inactivo adyacente. Este flujo de corriente produce la despolarizacin hasta el umbral de la regin adyacente.La regin adyacente del axn neuronal (despus de haberse despolarizado hasta el umbral) dispara un potencial de accin. La polaridad de su potencial de membrana se invierte y el interior celular se vuelve positivo. En este momento, la regin activa original se ha repolarizado hasta el potencial de membrana en reposo y ha recuperado su polaridad interna negativa. El proceso contina, transmitiendo el potencial de accin secuencialmente por el axn.Transmisin de la despolarizacin en una fibra nerviosa por corrientes locales. A El segmento inicial del axn ha disparado un potencial de accin y la diferencia de potencial a travs de la membrana celular se ha invertido para volver al interior positivo. La zona adyacente est inactiva y se mantiene en el potencial de membrana en reposo, con el interior negativo. B, En el sitio activo, las cargas positivas dentro del nervio fluyen hacia el rea adyacente inactiva. C, El flujo de corriente local provoca la despolarizacin de la zona adyacente hasta el umbral y el disparo de potenciales de accin; la regin activa original se ha repolarizado hasta el potencial de membrana en reposo.

Velocidad de conduccinCambios en la velocidad de conduccinExisten dos mecanismos que aumentan la velocidad de conduccin en un nervio: el incremento del tamao de la fibra nerviosa y la mielinizacin de la fibra nerviosa. Aumento del dimetro del nervio. Aumenta la velocidad de conduccin. Cuanto mayor es la fibra, menor es la resistencia interna. El aumento del tamao de la fibra nerviosa es importante para aumentar la velocidad de conduccin en el sistema nervioso, pero las restricciones anatmicas limitan el tamao que pueden alcanzar los nervios. Por tanto, para aumentar la velocidad de conduccin se apela a un segundo mecanismo, la mielinizacin. Mielinizacin. La mielina es un aislante lipdico de los axones nerviosos que aumenta la resistencia de membrana y reduce la capacitancia de membrana. El aumento de resistencia de la membrana fuerza a la corriente a fluir por el recorrido de menor resistencia en el interior del axn en vez de atravesar el recorrido de alta resistencia de la membrana axonal.La disminucin de la capacitancia de la membrana produce un descenso de la constante de tiempo; por tanto, en las interrupciones de la vaina de mielina la membrana axonal se despolariza ms rpido en respuesta a la corriente de entrada. Juntos, los efectos del aumento de la resistencia y de la disminucin de la capacitancia de la membrana dan lugar a un aumento de la velocidad de conduccin.Existen interrupciones en la vaina de mielina (a intervalos de 1-2 mm) en los ndulos de Ranvier. En los ndulos, la resistencia de membrana es baja, por lo que la corriente puede fluir a travs de la membrana y pueden producirse potenciales de accin. En consecuencia, la conduccin de los potenciales de accin es ms rpida en los nervios mielinizados que en los no mielinizados, ya que los potenciales de accin saltan largas distancias de un ndulo al otro, un proceso llamado conduccin saltatoria.