Trabalho de Biofísica

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Potenciales de membrana 4 potenciales de acción Propiedades eléctricas de la membrana celular Potencial de reposo y potencial de acción Conducción nerviosa Registro de potenciales de acción Osciloscopio de rayos catódicos POTENCIALES DE MEMBRANA Propiedades eléctricas de la membrana Rm celular. Los canales iónicos de la membrana celular pueden ser comparados con resistencias de alto valor (cuando están cerradas) o de bajo Fig. 4-1. Circuito eléctrico equivalente de la membrana celular. Los valor (cuando están abiertas); por otro lado, la canales iónicos cerrados representan la resistencia (Rm). La bicapa lipídica actúa como un consensador (Cm). Vm=diferencia de potencial. bicapa lipídica puede ser comparada a un con- densador o capacitor. La capacidad de la membrana celular es de Se denomina conductancia (g) a la facilidad 1 mF / cm² (1 microfaradio por cm² de mem- para el paso de iones a través de los canales brana). F = IC/V iónicos incluyendo la influencia de los gradien- tes eléctricos, por ello se suele usar el término Los canales iónicos y la bicapa lipídica conductancia en un contexto eléctrico. La per- de la membrana celular conforman en meabilidad es la facilidad de paso por difusión, conjunto una estructura comparable a en general, por lo cual su contexto es químico. una serie de resistencias y condensado- res asociados en paralelo. La unidad para expresar potencial y diferen- cia de potencial es el voltio. Se define al voltio En condiciones de reposo la resistencia para como el cociente Joule / Coulomb. En otras pa- el cloruro y el potasio es baja, y es alta para el labras, la diferencia de potencial entre dos pun- sodio y el calcio (los canales cerrados repre- tos es de 1 voltio cuando se requiere un trabajo sentan resistencias), por lo tanto la conductan- de 1 Joule para mover una carga de 1 Coulomb cia para el cloruro y el potasio es alta y para el entre un punto y otro. Así, la unidad voltio ex- sodio y el calcio es baja. presa también una fuerza electromotriz.36 / GUILLERMO A. Micó MÉDICA Y BIOLÓGICA ORIGEN DEL POTENCIAL DE El resultado de RT 2,3 es 0,061 V, es decir F MEMBRANA 61 mV El potencial registrado a ambos lados de la La ecuación queda entonces: membrana celular se caracteriza, como ya he- mos visto, por una electropositividad externa y una electronegatividad interna, es decir que donde Z es la valencia del ion incluido el existe una diferencia de potencial transmem- signo, CI es la concentración interna y CE la brana. Por convención se expresa este poten- concentración externa. Convencionalmente el cial como el registrado en el lado interno de la resultado obtenido corresponde al potencial del membrana. lado interno de la membrana expresado en mi- Potencial de equilibrio. Cuando existe una livoltios. diferencia de concentración para un determina- Para calcular el potencial de equilibrio para do ion, éste difundirá hacia el lado en que se el sodio y el potasio, como ambos son cationes encuentra en menor concentración; de acuer- monovalentes (valencia +1) el denominador do con las concentraciones del sodio y potasio +1 cambia al numerador con signo cambiado y podemos afirmar que el sodio tendrá tendencia se utiliza la ecuación a entrar dentro de la célula y el potasio a sa- Ci VEq (en mV) -61 log lir. Sin embargo, el movimiento iónico llegará Ce a ser nulo una vez que el mismo movimiento Teniendo en cuenta sus concentraciones in- genere un potencial eléctrico que retengn al ion terna y externa el potencial de equilibrio para en el compartimiento que quiere abandonar. el potasio resulta ser -94 mV y el En resumidas cuentas, el potasio saldra fuera del mV. de la célula impulsado por el gradiente de con- Según la ecuación de Nernst se deduce que centración hasta que la electronegatividad cada el potencial de equilibrio es, considerando el vez mayor mantenga a estos cationes dentro de lado interno de la membrana, positivo para el la célula. sodio y el calcio y negativo para el potasio y El potencial de equilibrio es el potencial cloruro. que contrarresta el efecto del gradiente de con- centración de un ion, y puede calcularse por la NOBELPRIS 1920 Ecuación de Nernst. La ecuación original creada por Walter Nernst es: RT Ci ZF Ce donde Z es la valencia del ion, Ci es la concen- tración interna y Ce la concentración externa. R es la constante universal de los gases 8,31 SVERIGE T es la temperatura absoluta = 310 K si se con- Fig. 4-2. Walter Nernst, ganador del Premio Nobel de Química 1920, sidera la temperatura corporal recordado en estampillas (sellos postales) de su F es la constante de Faraday: 96.500 C / mol. Potencial de reposo. Cuando una célula Para convertir los logaritmos naturales de excitable no es afectada por ningún estímulo, esta ecuación a logaritmos decimales el co- el potencial transmembrana es denominado po- ciente Ci / Ce se multiplica por 2,3. tencial de reposo.POTENCIALES DE MEMBRANA Y POTENCIALES DE ACCIÓN / 37 El potencial de membrana en reposo está Potencial de acción. Es el cambio rápido y determinado por: transitorio del potencial de membrana, llegán- La difusión de iones debido al desequili- dose a la inversión del potencial, es decir a una brio químico producido por el fenómeno de positividad interna. Para ser considerado po- Donnan. Aplicando la ecuación de Nernst po- tencial de acción este cambio debe propagarse: demos verificar que el potencial de reposo tie- a los potenciales locales no se los considera po- ne un valor cercano al potencial de equilibrio tenciales de acción. Cada potencial de acción para el potasio. es una despolarización de suficiente magnitud El bombeo de cargas positivas al exte- para producir una respuesta en la célula exci- rior por parte de la bomba de sodio y potasio table. El umbral de excitación es la magnitud (Na+K+ATPasa). mínima que debe tener la despolarización para La presencia de aniones no difusibles en el convertirse en potencial de acción. En la ma- interior de la célula: proteínas, sulfatos y fos- yoría de las células excitables este cambio del fatos. potencial debe ser de alrededor de +20 mV, ne- El potencial de reposo de las principales cé- cesario para que se abran las compuertas acti- lulas excitables es vadas por voltaje. Si el potencial de reposo es Músculo cardíaco ventricular: -95 mV de mV, un cambio de +20 mV se estable- Fibra nerviosa y fibra muscular: -90 mV cerá cuando el potencial de membrana llegue a Fibras de Purkinje: mV -70 mV. A este último valor se denomina po- Soma de la neurona: -70 mV tencial umbral. Músculo liso: -55 a -60 mV Durante el potencial de acción se suelen al- Células del nódulo sinoauricular: -55 a -60 canzar potenciales internos de +45 o +55 mV, mV. valores cercanos al potencial de equilibrio para Considerando el espesor de la unidad de el sodio, lo cual demuestra que el potencial de membrana, de unos 7,5 nm, el campo eléctrico acción se debe esencialmente a la difusión de (en voltios por metro) en el interior de la mem- este ion. brana de una fibra nerviosa es de: La visualización de los potenciales de ac- (0,09 V) (7,5 m) 6,75 10⁻¹⁰ V/m ción en el osciloscopio de rayos catódicos Cambios de la polaridad: despolarización muestra la positividad alcanzada como un pico e hiperpolarización que recibe el nombre de "overshoot" y pode- Cualquier cambio del potencial de reposo mos llamar sobrepico. llevando el potencial hacia el cero se denomina despolarización, pues en este caso la polariza- Tipos de potencial de acción ción disminuye. No importa la magnitud del -Potenciales de espiga, en los que la despo- cambio. En condiciones fisiológicas ocurre por larización va seguida rápidamente de una repo- el ingreso de cationes al interior de la célula. larización. Es el tipo de potencial de acción que El fenómeno opuesto es el cambio del po- se observa en las fibras nerviosas y las fibras tencial haciéndose más negativo, es decir ale- musculares. El nombre "espiga" o aguja hace jándose del cero, lo cual recibe el nombre de referencia a su breve duración, aproximada- hiperpolarización. Ocurre por la disminución mente 3 ms. de la entrada de cationes, la entrada de aniones -Potenciales en meseta, en los que la repo- o la salida de cationes. larización tarda en presentarse y por lo tanto la despolarización es prolongada. Potenciales de38 / GUILLERMO A. FÍSICA MÉDICA Y BIOLOGICA este tipo se observan en el músculo cardíaco calculado teóricamente según la ecuación de y en el músculo liso uterino. Su nombre hace Nernst. Si el post-potencial es prolongado la referencia a la forma de las mesetas, superficie duración adicional se debe a la actividad de la plana que puede tener la parte superior de las Na+ K+ ATPasa hasta que se logra el valor montañas. exacto del potencial de reposo. En los potenciales de espiga la despolari- Cambios de conductancia durante el zación se produce por la entrada de sodio y la potencial de acción repolarización se consigue mediante la salida de potasio. Como esto restituye el potencial de Durante la despolarización la conductancia reposo pero deja los iones "del lado equivoca- para el sodio aumenta, produciéndose su ingre- do", se necesita que en los intervalos entre los so al interior de la célula. La repolarización se potenciales de acción la actividad de la bomba va desarrollando a medida que aumenta la con- de sodio y potasio devuelva el sodio al exterior ductancia para el potasio. En este período la y el potasio al interior. conductancia para el sodio ha disminuido, por esta razón no vuelve a salir debiendo hacerlo Partes del potencial en espiga en las más tarde, como se ha dicho, por la acción de fibras nerviosas la bomba de sodio y potasio. 1. Despolarización lenta. Se debe al ingreso La relación entre conductancia y movimien- de sodio por acción del estímulo. to iónico a través de la membrana se explica 2. Despolarización rápida. Se debe a la matemáticamente como sigue: la conductancia apertura de canales para sodio activados por que promueve el flujo iónico debe multiplicar- voltaje. Esto ocurre cuando se alcanza el va- se por la diferencia entre el potencial de mem- lor predeterminado mencionado antes, llamado brana y el potencial de Nernst para el ion: potencial umbral. 3. Repolarización. Se obtiene mediante la Flujo iónico = (Vm Eq) g salida de potasio. Esto significa sencillamente que a medida que el potencial de membrana se acerca al po- +40 tencial de Nernst (potencial de equilibrio) para Potencial de membrana un ion, la conductancia se multiplica por una 0 cifra cada vez menor y el flujo resultante dis- Conductancia minuye. -40 para el K* El potencial en meseta, sus partes y sus causas, estudiaremos a propósito del músculo -80 cardíaco. -120 Período refractario. El período de tiempo Tiempo en milisegundos en el cual la fibra o célula excitable no pue- Fig. 4-3. Partes del potencial de acción en espiga. La parte del pico que de volver a generar un potencial de acción se se encuentra por encima de la linea de puntos que indica potencial cero denomina período refractario. Si esta imposi- se conoce como overshoot. bilidad es absoluta, sin importar la intensidad 4. Hiperpolarización post-potencial. La del estímulo, se denomina período refractario primera parte se debe a un exceso de salida absoluto o período refractario efectivo; co- de potasio, mientras su conductancia todavía a la despolarización y el inicio de la está aumentada; en este momento el ion pota- repolarización, mientras dura la inactivación sio puede alcanzar su potencial de equilibrio de los canales de sodio. El período refractarioPOTENCIALES DE MEMBRANA Y POTENCIALES DE ACCIÓN / 39 relativo es el período de tiempo en que se pue- PROPAGACIÓN DEL POTENCIAL de generar un nuevo potencial de acción con DE ACCIÓN la condición de que el estímulo tenga una in- tensidad mayor que el umbral; se puede decir Una vez que se produce un potencial de ac- ción en la membrana, éste recorre toda la fibra que el umbral está aumentado. Este período corresponde a la última parte de la repolariza- nerviosa o muscular con las siguientes carac- terísticas: ción, y se debe a que la conductancia para el potasio aún está elevada, lo cual contrarresta a) se propaga en todas direcciones, aunque las corrientes de entrada de sodio a consecuen- por la forma de las fibras predomina una di- cia de un eventual estímulo. Finaliza cuando mensión y podemos decir que propaga "a lo termina la hiperpolarización postpotencial, es largo". decir cuando se regulariza la conductancia para b) la amplitud del potencial de acción se el potasio y coincidentemente también para el mantiene (propagación sin decremento). sodio. c) la propagación es del tipo todo o nada; La duración del período refractario absoluto es decir ocurre a lo largo de toda la fibra no en las fibras nerviosas es de 2 ms, de mane- pudiendo detenerse por el camino. ra que la frecuencia máxima de potenciales de d) la despolarización va seguida de la repo- larización en el mismo sentido. acción generados puede ser de hasta 500 por segundo. Ley del todo nada: una vez aplicado un estímulo a una fibra muscular o nerviosa, PRA PRR la despolarización recorre toda la fibra o no +40 lo hace en absoluto. La ley del todo o nada se cumple en: fibras nerviosas, fibras musculares 0 esqueléticas, músculo cardíaco y unidad mo- Conductancia -40 para el K* tora. No se cumple en el músculo considerado como tejido órgano, solamente se cumple en la célula muscular aislada (la fibra). -80 Según que la fibra sea mielínica o amielíni- ca, la conducción del potencial de acción pue- -120 de ser: Tiempo en milisegundos Conducción continua. En las fibras amielí- Fig. 4-4. Diferentes grados de refractariedad de la fibra nerviosa. nicas el cambio de potencial en el lado interno Estados de los canales iónicos de la membrana se va propagando por vecin- En total, los canales iónicos tienen tres es- dad, pero después de generarse localmente un tados posibles, los cuales citamos en el orden potencial de acción en cada punto. Una vez en que se encuentran desde que se inicia un po- despolarizada un área de la membrana se pro- tencial de acción. duce un circuito local en virtud del cual una 1- abiertos; corriente de cargas positivas se desplaza has- 2- inactivados, lo cual quiere decir que no ta los canales iónicos voltajedependientes de responderán a un nuevo estímulo; las áreas vecinas, proceso cuya velocidad va- ría inversamente con la resistencia interna de 3- en reposo, lo cual quiere decir cerrados pero disponibles, pudiendo abrirse si el poten- la fibra. Intentando explicar gráficamente esto cial alcanza un valor umbral. digamos que el dipolo carga positiva-carga ne- gativa (entre el interior y el exterior) es per-40 / GUILLERMO A. Micó MÉDICA Y BIOLÓGICA pendicular a la dirección de propagación del Nodo de Estimulo Ranvier impulso nervioso. Como consecuencia de ello para que ocurra la propagación el movimiento de iones debe ser perpendicular y luego lon- Axon gitudinal a la dirección de la propagación del Vaina de mielina impulso, haciendo una especie de "costura" de la membrana. Corriente Para dar una interpretación útil al modelo B del circuito local, muy difundido por cierto, Na se debe considerar que mientras unas cargas se desplazan para alcanzar los canales vecinos otras cargas se mueven en el proceso de repo- larización. Fig. 4-6. Conducción saltatoria en las fibras mielínicas. CLASIFICACIÓN FISIOLÓGICA DE LAS FIBRAS NERVIOSAS Fibras tipo A: son mielínicas somáticas (de la motilidad voluntaria y la sensibilidad cons- ciente). Su velocidad de conducción varía entre 15 y 120 m/s. Fibras tipo B: son mielínicas vegetativas (del sistema nervioso autónomo). Su velocidad de conducción es de 3 a 20 m/s. Frecuentemen- te no se considera la existencia de fibras de tipo Fig. 4-5. Una de las formas de esquematizar gráficamente la propa- gación continua. B, incluyéndoselas como fibras tipo A delga- das. Erlanger y Gasser limitan el uso de este Conducción saltatoria. En las fibras mie- nombre exclusivamente a las preganglionares línicas el dipolo mencionado antes no puede simpáticas. ser perpendicular, pues la mielina es eléctrica- Fibras tipo C: son las fibras amielínicas. mente impermeable. Entonces las cargas eléc- Su velocidad de conducción es de 0,5 a 2 m /s. tricas recorren electrotónicamente un lado de la membrana celular sin detenerse hasta llegar En anatomía se utiliza una clasificación que distingue cuatro categorías nombradas con nú- a un nódulo de Ranvier, donde se produce el meros romanos. Esta clasificación solamente mismo circuito local que en las fibras amie- se aplica a fibras sensitivas. línicas pero, al producirse entre dos nódulos, recorre la fibra con mayor velocidad. En efec- to, solamente en los nódulos de Ranvier se REGISTRO DE LOS POTENCIALES producen potenciales de acción con flujo de DE ACCIÓN dirección perpendicular a la membrana y el re- tardo correspondiente. Además de la ganancia de velocidad, la conducción saltatoria permite Registro monofásico el ahorro de energía, ya que se requiere menos Es el registro que se realiza con un solo trabajo de la bomba de sodio y potasio. electrodo, ubicado convencionalmente en elPOTENCIALES DE MEMBRANA Y POTENCIALES DE ACCIÓN / 41 interior de la célula o fibra. Es con este tipo de será negativa. Por lo tanto cuando la despola- registro que se obtienen los gráficos comunes rización llegue al primer electrodo el registro de potenciales de acción. trazará un ascenso o un descenso al indicar va- Registro bifásico (fig. 4-7). Se realiza con lores positivos o negativos según la regla men- dos electrodos colocados en lugares distintos cionada en este mismo párrafo. de la superficie externa, uno de ellos conectado Cuando ambos electrodos se hallan en zo- a la terminal positiva y el otro conectado a la nas despolarizadas no se registrará diferencia terminal negativa. de potencial, la aguja inscriptora se dirigirá Cuando no se registra diferencia de poten- nuevamente a la línea de base (diferencia de cial entre las dos posiciones, se observa una lí- potencial cero). nea isoeléctrica (diferencia de potencial cero). La repolarización hará que se produzcan Cuando hay distinta polaridad se observa- nuevamente ondas, esta vez en sentido contra- rá una onda positiva o negativa, siguiendo esta rio. regla: si hay diferencia de potencial y el elec- Obsérvese que el registro indica cero cada trodo positivo registra un potencial positivo, la vez que no exista diferencia de potencial entre onda o deflexión será positiva, si el electrodo lo captado por ambos electrodos. No importa positivo registra un potencial negativo la onda la polaridad ("signo"), sino que sea igual para ambos electrodos. A) (+) (-) OSCILOSCOPIO DE RAYOS CATÓDICOS El osciloscopio de rayos catódicos es un B) (+) (-) instrumento que permite observar en una pan- talla los potenciales de acción del músculo y el nervio. También permite observar cualquier fenómeno que pueda traducirse en diferencias de potencial. C) (+) Los rayos catódicos son electrones con alta velocidad, producidos por medio del efec- to termoiónico, que consiste en la emisión de electrones desde un material calentado a alta D) (+) temperatura. La aceleración de estos electrones se debe a que durante la emisión se mantiene una gran diferencia de potencial entre cátodo y ánodo. Fig. 4-7. Registro bifásico del potencial de acción. En este esquema Propiedades de los rayos catódicos un potencial de acción se propaga de izquierda a derecha. En (A) el electrodo positivo se encuentra cerca de una superficie negativa; por 1. Como son electrones son partículas de convención la aguja de registro debe desplazarse hacia abajo. En (B) existencia material con carga eléctrica. ambos electrodos se encuentran cerca de una superficie negativa, la aguja inscriptora vuelve a la linea de base. En (C) la propagación de la 2. Pueden ser desviados por campos eléc- despolarización hace que el electrodo positivo se encuentre cerca de tricos y magnéticos. una superficie positiva la deflexión de la aguja es hacia arriba. En (D) ambos electrodos se encuentran cerca de una superficie positiva, por lo tanto, al no haber diferencia de potencial, el registro es cero.42 / GUILLERMO A. Micó FÍSICA MÉDICA Y BIOLÓGICA (+) de barrido (-) (+) Placas de vertical (-) 0 (+) Anodo Perforado Amplificador Pantalla (+) (-) Electrodos Fluorescente Fibra Nerviosa Fig. 4-8. Osciloscopio de rayos catódicos. 3. Otra propiedad de los rayos catódicos es posición más distal, pero esta vez colocados la de producir fluorescencia en ciertos verticalmente. Estas placas no están conecta- materiales, especialmente los sulfuros. das con el músculo, su función es imprimir a La fluorescencia es el cambio de longi- los electrones (y al punto de impacto) un des- tud de onda de la luz y con ello del color plazamiento de izquierda a derecha, por ello se (o una onda no visible se vuelve visible). las llama placas de barrido. El punto de im- 4. Los rayos catódicos no atraviesan el vi- pacto de los electrones, y los gráficos trazados, drio. se visualizan en una pantalla por el fenómeno Gracias a estas propiedades, si se desvían de fluorescencia. los rayos catódicos de acuerdo a las fluctuacio- Los circuitos del osciloscopio son cuatro: nes de un potencial impactarán en una pantalla a- circuito de alimentación. de material fluorescente dibujando los poten- b- circuito de aceleración (entre cátodo y ciales de acción. ánodo). circuito de deflexión. Partes del osciloscopio de rayos d- circuito de barrido. catódicos Con el osciloscopio se puede visualizar El cátodo está formado principalmente por cualquier actividad electrofisiológica del orga- el filamento que se calienta para emitir electro- nismo (ondas cerebrales, potenciales de acción nes. Éstos salen disparados hacia una lámina del corazón, potenciales en las fibras nervio- que cumple la función de ánodo. Esta lámina sas). está perforada de tal manera que los electrones siguen su camino pasando luego entre las pla- cas de deflexión vertical. Las fluctuaciones LECTURAS del potencial entre estas dos placas dependen Aurengo, A., Petitclerc, T. 3a de los potenciales registrados, los cuales llegan Edición. Mc Graw Hill / Interamericana. hasta las placas después de pasar por un ampli- Madrid 2008. ficador. Así, los electrones se desplazan hacia Cotterill, R.M.J. Biophysics. An Introduc- arriba y hacia abajo dentro del campo eléctrico tion. John Wiley & Sons Ltd., Chichester, entre las placas. Para que puedan observarse England, 2002. imágenes similares al registro monofásico o Drucker Colín, R. Fisiología Médica. Ma- bifásico del potencial de acción y no un simple nual Moderno. México, 2005. punto ascendente y descendente en el mismo Frumento, A.S. Biofísica. Edición. Mos- sitio, se disponen otras dos placas paralelas en by/Doyma. Madrid, 1995.