Celulas exitables clase 3

867 visualizaciones

Publicado el

Publicado en: Educación
1 comentario
0 recomendaciones
Estadísticas
Notas
  • Sé el primero en recomendar esto

Sin descargas
Visualizaciones
Visualizaciones totales
867
En SlideShare
0
De insertados
0
Número de insertados
4
Acciones
Compartido
0
Descargas
11
Comentarios
1
Recomendaciones
0
Insertados 0
No insertados

No hay notas en la diapositiva.

Celulas exitables clase 3

  1. 1. Células Excitables Clase 3 Ernesto Cristina 1
  2. 2. 2
  3. 3. 3
  4. 4. 4
  5. 5. Una observación importante acerca del PA es que elcambio en el PM atraviesa una región que se halla limitada porENa en uno de sus extremos, y por EK en el otro extremo. 5
  6. 6. • Problema: cuando se alcanza el umbral durante una despolarización, y se dispara el PA, se generan corrientes a través de la membrana. Como consecuencia, resulta muy difícil poder medir el cambio en la corriente resultante, debido a que todo esto ocurre muy rápidamente.• Este fue el principal obstáculo que enfrentaron los investigadores de la época para lograr el posterior análisis de los mecanismos iónicos que gobiernan la generación y propagación del PA. 6
  7. 7. • Hodgkin, Huxley, y sus colegas, perfeccionaron un dispositivo que les permitió estabilizar el PM en diferentes valores de voltaje, por prolongados períodos de tiempo. Emplearon un dispositivo electrónico de retroalimentación que denominaron “voltage clamp amplifier” (controlador o regulador de voltaje).• Este dispositivo toma la diferencia entre el registro actual del PM y el valor deseado (valor al cual se quiere llevar el PM), y genera una corriente hiperpolarizante o despolarizante, según sea el caso, para minimizar la diferencia. La cantidad de corriente necesaria para mantener el PM en el valor deseado representa la corriente que atraviesa a la membrana, para ese “step” (paso) específico de voltaje. 7
  8. 8. 8
  9. 9. Método del “cable axial” (Space Clamp) 9
  10. 10. Registros de la corriente de membrana medidos en el AGC (PM controlado mediante la técnica de “voltage clamp”) (T = 3.8 ºC) 10
  11. 11. • La técnica de “voltage clamp” ofreció por primera vez la posibilidad de medir las corrientes iónicas que atraviesan las membranas de las células excitables, ante los diferentes valores de potencial eléctrico impuestos por el experimentador.• Hodgkin y Huxley (HH) (1952) desarrollaron una serie de experimentos para poder determinar cuáles eran los iones que transportaban estas corrientes, y de qué forma los cambios en la permeabilidad de la membrana se encontraban relacionados con las mismas.• Como se trataba de un área de investigación totalmente novedosa, debieron formular nuevas estrategias para dilucidar los mecanismos involucrados en la generación del PA. 11
  12. 12. Hipótesis formuladas por HHHipótesis 1. Asumieron que los iones involucrados en lacorriente total que atraviesa a la membrana del axón duranteun PA se desplazaban pasivamente a favor de su gradienteelectroquímico. En consecuencia, basándose en argumentostermodinámicos se podría predecir si el movimiento de un iónespecífico ocurrirá hacia el interior o hacia el exterior de lacélula.Por ejemplo: corrientes transportadas por iones Na+ ocurriríanhacia el interior celular a PM menores a ENa, y hacia elexterior celular a PM mayores a ENa. A un PM igual a ENa, nohabría ninguna contribución de este ión a la corriente total queatravesaría la membrana.Argumentos similares se aplicarían a otros iones (K+, Cl-,Ca2+, etc.), teniendo en consideración sus respectivospotenciales de equilibrio. 12
  13. 13. Corrientes registradas a partir de la técnica de “voltage clamp” para distintos “steps” de voltaje (T = 6.6 ºC) 13
  14. 14. Hipótesis 2. Iones pueden ser removidos de la soluciónexterna en la que se halla el axón, por lo tanto, la remoción deiones específicos en esta solución podría ocasionar cambiosen la corriente total que atraviesa a la membrana, para un“step” de voltaje establecido mediante la técnica de “voltageclamp”.Por ejemplo: considerando una situación extrema, si un iónpermeable se sustituye completamente por uno no permeable,alguno de los componentes de la corriente total deberíadesaparecer, si este ión transporta parte de esa corriente.La identificación de INa fue confirmada mediante elreemplazo del cloruro de sodio del medio externo porcloruro de colina, en experimentos de “voltage clamp” comolos descritos anteriormente.Nota: 10 años después (1961- 1962) de los experimentos deHH, se desarrollaron métodos para modificar lasconcentraciones de los iones a nivel intracelular. 14
  15. 15. La corriente transitoria entrante que se observa en el control (100%de Na+) desaparece en un medio con una baja [Na+] (10% de Na+),mientras que la corriente saliente tardía se mantiene. (T = 8.5 ºC) 15
  16. 16. • Aunque HH no intentaron alterar las concentraciones externa o interna de K+, investigaciones posteriores permitieron identificar la corriente saliente tardía con el ión K+.• Por lo tanto, el registro de corriente obtenido en un medio con una baja [Na+] corresponde casi completamente a IK. 16
  17. 17. Componente Entrante de la corriente total:Corriente de Na+.Componente Saliente de la corriente total:Corriente de K+. 17
  18. 18. • Hodgkin y sus colegas sugirieron, en base a los resultados obtenidos, que durante la fase inicial de un PA la membrana se vuelve selectivamente permeable al Na+. Es decir, la membrana pasa de un estado de alta permeabilidad al K+ (condiciones de “reposo”), hacia un estado de alta permeabilidad al Na+.• Pregunta: si la membrana se vuelve altamente permeable al Na+, ¿qué valor de Vm se podría predecir?• Respuesta: el valor de Vm se aproximará al valor de ENa (aproximadamente +55 mV para el AGC). g E  g E V  g g Na Na K K m Na K 18
  19. 19. Pregunta: ¿Cómo puede ser que lamembrana sea altamente permeable al K+ enun instante de tiempo y poco tiempo después,como consecuencia de un estímulodespolarizante, se vuelva altamentepermeable al Na+? 19
  20. 20. Hodgkin y Huxley propusieron que este cambio en laconductancia es dependiente del voltaje; la gNa es baja enestado de “reposo”, pero si la célula se despolariza, gNa seincrementa. Esto explicaría, en principio, la fase “creciente” delPA. g E  g E V  g g Na Na K K m Na K 20
  21. 21. • Hodgkin y sus colegas sugirieron, además, que durante un PA también se produce un aumento en la permeabilidad de la membrana al K+, fundamentalmente durante la fase de repolarización.• Pregunta: si la membrana se vuelve más permeable al K+, ¿qué valor de Vm se podría predecir?• Respuesta: el valor de Vm se aproximará al valor de EK (aproximadamente -75 mV para el AGC). g E  g E V  g g Na Na K K m Na K 21
  22. 22. Pregunta: ¿Cómo se podría verificar ladependencia de la conductancia de Na+, y lade K+, con respecto al voltaje? 22
  23. 23. • Midiendo la corriente iónica en función del tiempo, I(t); conociendo Vm (el cual se establece por “voltage clamp”), y efectuando, por ejemplo, los experimentos de sustitución de Na+ extracelular, la conductancias de Na+ y de K+ en función del tiempo, gNa (t) y gK (t), se pueden calcular simplemente aplicando la Ley de Ohm (para corrientes iónicas): g Na (t )  I Na (t ) g K (t )  I K (t ) V m  E Na V m  EK• Cambiando Vm mediante el dispositivo de control de voltaje, se pueden determinar las conductancias de Na+ y de K+ correspondientes a una gran variedad de potenciales de membrana impuestos por el experimentador, y obtener de esta manera, mediante el empleo de las ecuaciones anteriores, el cambio en la conductancia de la membrana a estos iones ante diferentes valores de potencial. 23
  24. 24. 24
  25. 25. 25
  26. 26. Este tipo de experimentos proporciona una fuerte evidenciaexperimental a la hipótesis de que el cambio en lasconductancias de Na+ y de K+ son dependientes delvoltaje, y del tiempo, y presenta un mecanismo que puedeexplicar la fase “creciente” y “decreciente” del PA. 26
  27. 27. Notar que hay 2 grandes diferencias entre gNa y gK:• El cambio en gK es mucho más lento que el cambio en gNa.• gNa presenta el fenómeno de inactivación, mientras que gK permanece elevada en tanto se mantenga la despolarización. 27
  28. 28. • Inactivación de gNa: aunque el PM permanece despolarizado durante todo el tiempo que dura el estímulo, la gNa decae a su valor de reposo. El incremento en la gNa es sólo transitorio. A esto se lo conoce como Inactivación.• Actualmente resulta evidente que este flujo de Na+ hacia el interior celular, así como el flujo de K+ hacia el exterior celular, se verifican a través de canales de Na+ y de K+ que presentan la particularidad de ser sensibles al voltaje.• En la molécula proteica existen estructuras cargadas capaces de movilizarse, según el campo eléctrico de la membrana. Los primeros biofísicos que estudiaron este tipo de proteínas llamaron a estas estructuras “compuertas” (gates).• En el caso concreto del canal de Na+ se puede pensar que posee dos tipos de compuertas: de “activación” y de “inactivación”. En el caso del canal de K+ podemos asumir que presenta exclusivamente compuertas de “activación”. 28
  29. 29. 29
  30. 30. • Si la gNa decae, la despolarización se reducirá, y esta reducción promoverá un descenso en el ingreso de Na+ a la célula. Como resultado, un nuevo ciclo se inicia, tendiente a repolarizar a la membrana.• Aunque debemos notar lo siguiente:1. La duración del PA es de aproximadamente 1 mseg., mientras que el cambio en la gNa dura alrededor de 4 mseg.. Según esto, el PA debería durar un período de tiempo mayor a 1 mseg..2. Resulta difícil explicar el efecto de hiperpolarización que se verifica en el PA, teniendo en cuenta exclusivamente a la inactivación de Na+. 30
  31. 31. 31
  32. 32. La explicación se logra analizando en forma conjunta los cambios queocurren tanto en gNa como en gK, durante el curso de un PA. El incrementoen gK hace que el PM sea menos positivo, para todo tiempo comprendidoaproximadamente entre 0.5 y 1 mseg., con respecto al valor que hubierapresentado si no se verificaran los cambios en gK. 32
  33. 33. Los cambios en gK permiten que el PM se repolarice más rápidamente, yaque ahora existen dos factores que contribuyen a la repolarización de lamembrana: 1) la inactivación de los canales de sodio, y 2) el incremento engK. Estos dos fenómenos explican la corta duración del PA. 33
  34. 34. • ¿Pueden los cambios en gK explicar la hiperpolarización?• Es notorio que el aumento en gK es lento. También su descenso ocurre en forma lenta. Cuando la membrana se repolariza, y gNa retorna a su valor de “reposo”, el valor de gK aún sigue siendo un tanto mayor que el de su valor de “reposo”. En consecuencia, el PM se aproximará a EK, ocurriendo una hiperpolarización g E  g EV  g g Na Na K K m Na K 34
  35. 35. • Hodgkin y Huxley buscaron “testear” en forma más rigurosa los resultados obtenidos a partir de la técnica de “voltage clamp”. Para ello, desarrollaron un modelo matemático del PA basado en las medidas experimentales de los cambios en las conductancias a los iones Na+ y K+.• Se preguntaron si un modelo matemático que considerara, exclusivamente, los cambios en las conductancias de los dos iones mencionados, sería capaz de “generar” un PA.• En la época en la que HH desarrollaron sus investigaciones se desconocía la existencia de los canales iónicos. Sin embargo, su trabajo teórico (modelo matemático) suponía la presencia de cierta clase de “partículas cargadas”, vinculadas a la membrana, que debían encontrarse en una posición específica, en un tiempo dado, para que se produjera el cambio en la conductancia de la membrana. 35
  36. 36. El circuito equivalente que se emplea para deducir lasecuaciones del modelo matemático de Hodgkin y Huxley esel siguiente: 36
  37. 37. Algunos de los resultados de la simulación de su modelose muestran en el siguiente gráfico: 37
  38. 38. • Como resultado de un PA el cambio en la [Na+]i por cm2 de área de membrana es de aproximadamente 1 pM, y ese cambio se halla restringido a la superficie interna de la membrana. Dicho cambio es despreciable en comparación con la [Na+]i que se halla en el orden de mM. Algo similar ocurre con el K+.• Si la bomba de Na+ y K+ fuera “bloqueada” en el AGC, sería posible iniciar más de 500.000 PA antes de que se pudieran evidenciar cambios en el PM o en la amplitud del PA (condiciones de laboratorio).• En general, el rol de la bomba de Na+ y K+ se basa en mantener los gradientes iónicos necesarios para que se produzca esta señal electroquímica, pero no participa directamente en el mecanismo que da lugar al PA. 38
  39. 39. • Umbral: se alcanza cuando el flujo entrante de Na+ supera al flujo saliente de K+, durante la despolarización.• Período Refractario Absoluto: hace referencia al período de tiempo (entre 0.5 - 1 mseg), luego de iniciado un PA, durante el cual no es posible generar un nuevo PA, independientemente de la intensidad del estímulo despolarizante. Esto se debe a que se requiere un cierto número de canales de sodio que haya “salido” de su inactivación para poder iniciar un nuevo PA.• Período Refractario Relativo: hace referencia al período de tiempo, luego de iniciado un PA, durante el cual es posible iniciar un nuevo PA, pero únicamente con un estímulo de mayor intensidad con respecto al empleado para la iniciación del primer PA. En parte se explica teniendo en cuenta que la membrana se encuentra hiperpolarizada. 39
  40. 40. 40
  41. 41. • Acomodación: se define como el cambio en el umbral de la membrana de una célula excitable cuando una lenta despolarización es aplicada. De hecho, si la despolarización es lo suficientemente lenta ningún PA se generará. El proceso de inactivación de Na+ contribuye a este fenómeno. 41
  42. 42. • Básicamente, un proceso de lenta despolarización provee de suficiente tiempo para que los canales de Na+ pasen al estado “abierto inactivado” antes de que se alcance el número necesario de canales de Na+ en el estado abierto, para que la corriente entrante de Na+ supere a la corriente saliente de K+. Es decir, habría un número insuficiente de canales de Na+ con sus compuertas de inactivación abiertas, ya que la mayoría de estos canales se encontraría en el estado abierto pero “inactivado”. 42
  43. 43. Electrotono (respuesta “pasiva”) y PA• Electrotono: 1) es graduado; si el pulso es de menor amplitud, la respuesta es de menor tamaño; 2) decae con la distancia.• Potencial de Acción: 1) es de tipo “todo o nada”, y sus características básicas, una vez generado, son independientes de la amplitud del estímulo; 2) se propaga sin sufrir modificación (sin decremento) a lo largo de grandes distancias en las fibras axónicas. 43
  44. 44. Propagación del PA en axones con mielina 44
  45. 45. Toxinas 45
  46. 46. 46
  47. 47. • Name: Alan Lloyd Hodgkin.• Birth Date: February 5, 1914.• Death Date: December 20, 1998.• Nationality: English.• Occupations: Physiologist and Biophysicist.• Name: Andrew Fielding Huxley.• Birth Date: 1917.• Nationality: English.• Occupations: Physiologist and Biophysicist. 47
  48. 48. Algunos datos relativos al AGC• [Na+]i = 50 mM; [Na+]e = 440 mM.• [K+]i = 400 mM; [K+]e = 20 mM.• EK = -75 mV; ENa = +55 mV.• Vrest = -60 mV. 48
  49. 49. Bibliografía consultada (de la cual se extrajeron las figuras de las tres clases)• A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. A. L. Hodgkin and A. F. Huxley. J. Physiol. (1952) 117, 500-544.• An Introduction to Membrane Transport and Bioelectricity. Second Edition. John H. Byrne, Stanley G. Schultz. Raven Press. 1988.• Biophysics of Computation. Information Processing in Single Neurons. Christof Koch. Oxford University Press. 1998.• Cellular Biophysics – Electrical Properties. Thomas Fischer Weiss. The MIT Press. Cambridge, Massachusetts. London, England. 1996.• Foundations of Cellular Neurophysiology. Daniel Johnston and Miao-Sin Wu. MIT. 1994.• Ionic Channels of Excitable Membranes. Second Edition. Bertil Hille. SINAUER ASSOCIATES INC. Publishers Sunderland, Massachusetts. 1992.• Medical Physiology, 14th Edition. Vernon B. Mountcastle. The C. V. Mosby Company. 1979.• Methods in Neuronal Modeling. Edited by Christof Koch and Idan Segev. MIT. 1999.• Transporte y Excitabilidad. Eduardo Ríos. División Publicaciones y Ediciones, Facultad de Odontología, UdelaR. 1983. 49

×