excitabilidad celular - biofísica
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Universidad Autónoma de QuerétaroCampus Aeropuerto
Ingeniería en Nanotecnología
Biofísica09 de Octubre de 2012
Julio Cesar Espinosa AngelesPorfirio Hernández Muños
David Medina CabreraJesús Gerardo Nava Arango
Excitabilidad Celular
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Introducción Células Excitables Distribución de iones a través de la membrana Potenciales de Equilibrio y Ecuación de Nernst Potencial de Membrana en reposo Impulso eléctrico Referencias
Índice
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Bioelectromagnetismo Denominado parcialmente como
bioelectricidad o biomagnetismo.
Todo campo eléctrico genera campo magnético van de la mano
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Confusiones… Biolectromagética
Magnetorrecepción
Biomagnetismo
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Contexto Histórico
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Membranas
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Células Excitables
Las células excitables ejercen sus funciones generando señales eléctricas en términos de cambios de potencial de la membrana plasmática. Existen diferentes clases de células excitables con funciones diversas, tanto en el reino animal como en el vegetal.
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Mimosa pudica, la Mimosa sensitiva, vergonzosa, "no me toques", moriviví,adormidera
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Células Excitables
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Aunque muchas células de los microrganismos multicelulares tienen capacidades de contracción limitadas, esta habilidad de las células musculares, que están especializadas para contraerse, es la que permite que se muevan los animales.
Células Musculares09/10/12
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Fotomicrografía de un corte longitudinal de músculo esquelético (x540).
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Músculo esquelético
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Músculo Liso 09/10/12
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Músculo Cardiaco
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El sistema endocrino regula actividades
metabólicas en ciertos órganos y
tejidos del cuerpo, en consecuencia ayuda a
llevar a cabo la homeostasis.
Células Secretoras y Sistema endocrino
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El sistema nervioso autónomo regula ciertos órganos y tejidos a través de impulsos.
El sistema endocrino produce un efecto lento y difuso por medio de sustancias químicas llamadas hormonas.
Aunque los sistemas nervioso y endocrino funcionan de diferentes formas, ambos interactúan para modular y coordinar las actividades metabólicas del cuerpo.
Las células secretoras activan el mecanismo secretor por medio de señales eléctricas, las que producen a su vez, un aumento intracelular transitorio de la concentración del ión Ca2+.
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Las glándulas endocrinas tienen una vasculatura abundante de manera que su
producto secretor pueda liberarse a espacios delgados del tejido conectivo entre las células y los lechos capilares de los cuales penetran en
el torrente sanguíneo.
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Neuronas
El tejido nervioso forma el complejo sistema de comunicación neuronal dentro del cuerpo.
Las neuronas tienen receptores, elaborados en sus terminales, especializados para recibir diferentes tipos de estímulos (p. ej., mecánicos, químicos, térmicos) y traducirlos en impulsos nerviosos que pueden conducirse a centros nerviosos
Micrografía de luz de la sustancia gris de la glándula espinal (x270). Obsérvese
los cuerpos celulares de neuronas multipolares y sus
procesos.
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La función primordial de la neurona es integrar la información que le llega por los contactos sinápticos y emitir señales a otras neuronas y a efectores (células musculares y de órganos de secreción).
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Las neuronas son capaces de generar distintos tipos de señales eléctricas especializadas, a saber:
Señales breves y de gran amplitud, llamadas potenciales de acción.
Respuestas más lentas y de menor voltaje como por ejemplo, los potenciales marcapasos, los prepotenciales y pospotenciales. Señales de bajo voltaje resultantes de la acción sináptica, denominadas potenciales sinápticos.
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Membrana como Bipolo Eléctrico
Las modificaciones del potencial de membrana resultan de cambios en la
conformación de proteínas estructurales de la membrana plasmática llamados canales
iónicos.
Estos cambios conformacionales dan lugar a un aumento de la permeabilidad selectiva de la membrana a iones que se encuentran distribuidos asimétricamente a ambos lados
de la membrana.
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• Los cambios de permeabilidad y la distribución asimétrica de los iones dan lugar a corrientes iónicas que median las modificaciones del potencial de membrana.
• Este tipo de actividad eléctrica de membrana es la base de lo que se conoce con el nombre de respuestas activas.
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Distribución de los iones a través de la membrana
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• Na+ superior en exterior de la célula
• K+ superior en el interior.
• Las cargas positivas del K+ son contrarrestadas por aniones no difusibles, A- (proteínas)
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Potencial de equilibrio
La tendencia de K+ será a salir, creando una carga negativa del interior de la célula respecto al exterior. La salida de K+ hacia el exterior se interrumpe cuando el potencial de membrana
alcanza un valor que contrarresta al de escape.
Es decir cuando las fuerzas de moción eléctrica y química se han igualado, o lo que es lo mismo, cuando el potencial
electroquímico del K+ es cero. Esta situación de equilibrio
teórico en la que no hay un flujo neto de K+ en la membrana de la
célula se dice que este ión ha alcanzado su POTENCIAL DE
EQUILIBRIO
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El potencial de equilibrio de un ión es el potencial al que se equilibrarían las fuerzas del gradiente electroquímico actuando sobre ese ión, por ejemplo el ion K+, de manera que el ión no
tendría tendencia a entrar ni a salir de la célula.
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Otra definición…
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• En la célula se ha convenido que el potencial de membrana se expresa como el potencial intracelular respecto al extracelular.
• El potencial de membrana resulta de la integración de los potenciales de los distintos iones ,
–K+ que tiene una concentración intracelular más alta, y por tanto tiende a salir ,
–Na+ y Cl- y Ca 2+ que tienen una concentración mucho más alta en el exterior que en el interior, y por tanto tenderán a entrar en la célula.
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• Los valores más comunes para los potenciales de equilibrio de los iones más importantes, asumiendo una distribución normal a cada lado de la membrana son:
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E Na+ = +65mV E K+ = -85mVE Ca2+ = +120 mVE Cl- = -90 mV
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La concentración de K+ es mayor dentro que fuera de la célula
La membrana deja pasar solo al K+
El K+ tiende a fluir desde dentro de la célula hacia fuera
siguiendo su gradiente de
concentración
Esto produce una acumulación de cargas positivas en el exterior y
una acumulación de cargas
negativas en el interior.
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Este valor de potencial de
membrana es el potencial de equilibrio.
Se llega a un punto
El potencial de membrana toma un valor tal que la
fuerza eléctrica que actúa sobre el K+ sea igual a la
fuerza química
No hay flujo neto del ion
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Ecuación de Nernst
Premio Nobel de Química 1920
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El valor cuantitativo que permita comparar las contribuciones relativas de las diferencias de concentración
y de potencial eléctrico se denomina potencial electroquímico (V) de un ión.
Donde R = constante de los gases - 2 cal/mol KF = constante de Faraday - 2.3 x 104 cal/V molz = valencia (carga) del ionT = temperatura en KCo = concentración exteriorCi = concentración intracelular
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Simplificaciones
• A temperatura ambiente
• Si se quiere pasar a logaritmo base 10 entonces
→ En los tejidos, Na+ y K+ no están en equilibrio electroquímico porque son transportados activamente (bombas Na+/K+, cotransportadores…)
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Ejercicios
• Calcular potencial del ion K+ si su concentración fuera de la célula es de 50 mmol/L y dentro de la célula es de 10 mmol/L. ¿Qué pasa si las concentraciones se invierten?
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La Ecuación de Nernst puede ser usada para encontrar el potencial de equilibrio para cualquier ion permeable, cuyas
concentraciones intracelulares y extracelulares son conocidas.
Ejercicios
• Calcule el potencial de membrana del ion Na+ que tiene una concentración extracelular de 117 mM y una concentración intracelular de 30 mM.
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• Calcule el potencial electroquímico del ion Cl- que tiene una concentración de 120 mM fuera de la célula y 4 mM adentro.
• Encuentre la relación que existe entre la concentración extracelular e intracelular para un ion de K+ si se sabe que tiene un potencial de equilibrio de -85 mV. En base a sus resultados dónde se tiene mayor concentración de K+ (dentro o fuera de la célula).
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Si el potencial de membrana es diferente del potencial de equilibrio para un determinado ion, el gradiente de concentración de ese ion tenderá a cambiar, para restablecer el equilibrio.
Ejercicio
Para una concentración intracelular de 12 mM de Na+ y una concentración extracelular de 100 mM del mismo ion, determine si con esas concentraciones se tiene un potencial de equilibrio. Si no es así, entonces ¿cuál es la relación de concentraciones extracelular e intracelular para que se tenga un potencial de equilibrio? ¿hacia dónde deben de fluir los iones de Na+ para lograr este equilibrio?
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Potencial de Membrana en Reposo
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Generalidades
MacrófagoCélulas ciliadas
Células granulares
Especialmente en Fibras nerviosas y Musculares.
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Potencial de MembranaProducido por una diferencia de concentración
iónica en los dos lados de la membrana
Fibra Nerviosa
Na+
Na+Na+Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
K+
K+
K+K+
K+
K+
K+
K+
Na+
La permeabilidad del Potasio cambia.
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Ahora sí! Potencial de Membrana en ReposoEs la diferencia de potencial que se establece entre
ambos lados de una membrana cuando la célula esta en reposo.
En Fibra Nerviosa hay carga neta-60 mv a -70 mv
Quienes actúan para formar el potencial de membrana en reposo:
Permeabilidad al Potasio. Permite la salida del potasio de la célula.
Bomba Sodio-Potasio. Adiciona un potencial a la diferencia que hay en la membrana
Aniones(-) indifusibles
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El PME dado por canales de fuga
Membrana Celular, esta permite el paso de los iones libremente a través de ella.
La permeabilidad al potasio es 100 veces mayor a la del sodio, de 35:1.
Na+
K+
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Que aporta la Bomba Sodio-Potasio
La bomba proporciona una distribución adicional al potencial de membrana en reposo.
Na+ Na+ Na+
K+ K+K+ K+
Na+ Na+ Na+
E
Aporta -4mv aprox.
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Impulso eléctrico Un potencial de acción o también llamado impulso
eléctrico, es una onda de descarga eléctrica que viaja a lo largo de la membrana celular modificando su distribución de carga eléctrica.
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Fases del Potencial de Acción a) Despolarización: el potencial se eleva en
dirección positiva, primero gradualmente hasta un umbral y luego de forma brusca, llegando a invertirse. El pico de potencial invertido (positivo) se llama exceso o sobretiro.
b) Repolarización: el potencial cae rápidamente en dirección negativa hacia el potencial de reposo.
c)Hiperpolarización postpotencial: el potencial se sitúa transitoriamente en valores ligeramente más negativos que el de reposo
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Referencias09/10/12
• Buño, W., & Araque, A. (2006). Propiedades eléctricas de las membranas de las células excitables .
• Villalón, Á. (s.f.). Potencial de reposo. Recuperado el 8 de Octubre de 2012, de Páginas de docencia de Fisiología: http://www.uam.es/personal_pdi/medicina/algvilla/reposo/reposo.html
• Buñor, W., & Araque, A. (2006). Propiedades eléctricas de las membranas de las células excitables. . Madrid, España. : Viguera Editores.
• Gatner, L. P., & Hiatt, J. L. (2001). Texto Atlas de Histología . México, D.F: McGraw-Hill Interamericana .