Explicación biofisica del la neurona

1. CÁTEDRA DE BIOFÍSICA
UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO DE PIURA
FACULTAD DE CIENCIAS MÈDICAS
2012
Blgo. Jorge Luis Plasencia Cuba 1
BIOFÌSICA DE LA CONDUCCIÒN NERVIOSA

2. TEMARIO
1. Forma de actuación del Sistema Nervioso.
2. Elementos de Anatomía neuronal.
3. Sinapsis: elementos. Sinapsis Química y Eléctrica.
4. Bases Físicas del Potencial de Membrana.
5. Potencial de acción. Mecanismo Físico del Potencial de Acción.
Mecanismo Molecular del Potencial de Acción.
6. Propagación del Potencial de Acción: fibras mielínicas y
amielínicas.
7. Propiedades del Potencial de Acción: umbral de excitación, Ley del
Todo o Nada, periodo refractario, velocidad de propagación.
8. Modelo eléctrico de la membrana neuronal.
2

3. Definiciones previas
• IRRITABILIDAD: “capacidad de
reaccionar frente a los cambios del medio
externo o interno, debida a la facultad de
los organismos para recibir y transmitir
información.”
• ESTÍMULO: “ todo aquello capaz de
provocar un cambio”
3

4. FORMA DE ACTUACIÓN DEL SISTEMA
NERVIOSO
4
RECEPTOR
Célula nerviosa
o NEURONA
ESTÍMULO
Órgano EFECTOR
Célula sensorial
o RECEPTORA

5. • NEURONA: unidad
básica del sistema
nervioso, encargada de:
– Recibir y Analizar
estímulos provenientes
del medio.
– Elaborar y Transmitir
respuestas a tales
estímulos.
Formadas por:
Soma
Dendritas: Fibras aferentes
Axón
Telodendrón: Fibras eferentes
Elementos de Anatomía neuronal.
5

6. SINAPSIS
Las dendritas y el soma están especializados
para la recepción de información.
El axón se encarga de transmitir la
información.
Para transmitir la información de una neurona a otra,
el axón de la neurona 1 establece contacto con las
dendritas de la neurona 2.
La unión entre dos neuronas se llama Sinapsis.
SINAPSIS: Es la unión de dos neuronas para
transmitir información de una a otra.
QUÍMICA
ELÉCTRICA
6

7. SINAPSIS QUÍMICA
•Son la mas abundantes.
•El axón de la neurona
actúa como emisora de
información, libera los
neurotransmisores de las
vesículas sinápticas a la
hendidura, donde se
ponen en contacto con la
membrana postsináptica
provocando:
•Excitación.
•Inhibición.
7

8. SINAPSIS ELÉCTRICA
•Son las menos frecuentes.
•Existe un contacto directo
entre la membrana del axón
emisor y la membrana de la
neurona receptora de la
información.
•El impulso nervioso se
transmite directamente de
una célula a otra.
8

9. BASES FÍSICAS DEL
POTENCIAL DE MEMBRANA
9

10. • ECUACIÓN DE NERNST:
DV=RT. ln C2
n.F C1
• R=8,31 J/mol.K
• T=310 K
• F=96500 cb/mol
CUIDADO
La ecuación de Nernst no es aplicable
a las células ya que las membranas son
permeables a mas de un ión (excepto
cél. Gliales: permeables solo a K+)
10

11. La Ecuación de Nernst
in
out
X
X
X
zF
RT
E
]
[
]
[
ln

valencia
del ion X
potencial eléctrico
del ion X
concentración extracelular
concentración intracelular
i
o
X
X
X
z
E
]
[
]
[
log
058
.
0

A 18° C, Em (en voltios) es:
RT/F es constante ( 0.058 a 18° C y 0.061 a 38° C)
11

12. Potencial de Equilibrio de Nernst para el K+
Calcular el potencial de equilibrio de Nernst para K+:
1. Asumir que [K+]i es 10 veces mayor que [K+]o
2. [K+]o/[K+]i =


 )
1
.
0
log(
058
.
0
K
E -58 mV
0.1
+1
i
o
K
K
K
z
E
]
[
]
[
log
058
.
0

3. Valencia =



 )
1
(
058
.
0
K
E -0.058V
i
o
K
K
K
E
]
[
]
[
log
058
.
0 

12

13. Potencial de Equilibrio de Nernst para el Na+
Calcular el potencial de equilibrio de Nernst para Na+:
1. Asumir que [Na+]o es 10 veces mayor que [Na+]i
2. [Na+]o/[Na+]i =


 )
10
log(
058
.
0
Na
E 58 mV
10
+1
i
o
Na
Na
Na
z
E
]
[
]
[
log
058
.
0

3. Valencia =



 )
1
(
058
.
0
Na
E 0.058V
i
o
Na
Na
Na
E
]
[
]
[
log
058
.
0 

13

14. Potencial de Equilibrio de Nernst para el Cl-
Calcular el potencial de equilibrio de Nernst para Cl-:
1. Asumir que [Cl-]o es 10 veces mayor que [Cl-]i
2. [Cl-]o/[Cl-]i =



 )
10
log(
058
.
0
Cl
E -58 mV
10
-1
i
o
Cl
Cl
Cl
z
E
]
[
]
[
log
058
.
0

3. Valencia =



 1
058
.
0
Cl
E -0.058V
i
o
Cl
Cl
Cl
E
]
[
]
[
log
058
.
0 


14

15. EQUILIBRIO DONNAN
INTRACELULAR
mEq/L
EXTRACELULAR
meq/L
Na+ 10 142
K+ 140 5
Cl- 7 103
X- Muy elevada
[Na+]2 = [K+]2 = [Cl-]1
[Na+]1 = [K+]1 = [Cl-]2
[Na+] 10
[K+] 140
[Cl-] 7
[P-] 165 mM
[Na+] 142
[Cl-] 103
[K+] 5
En el EQUILIBRIO, la
relación entre iones de
ambos lados de la membrana
es un valor constante.
La célula NO ES UN
SISTEMA EN EQUILIBRIO.
15

16. ECUACIÓN DE GOLDMAN-
HODGKIN-KATZ
• Si la célula fuera un sistema en equilibrio no
debería haber flujo neto transmembrana (se
usaría la Ec. de Nernst)
• La célula es un sistema en ESTADO
ESTACIONARIO en donde hay un flujo neto que
siempre se mantiene constante por
determinados mecanismos Homeostásicos (se
usa la ecuación de Goldman)
16

17. Ecuación de Goldman ó de Goldman-Hodgkin-Katz
• Calcula el potencial de equilibrio cuando mas de un ion es
permeable.
• Incorpora los coeficientes de permeabilidad de cada ion
(especifico de cada membrana)







 





o
Cl
i
Na
i
K
i
Cl
o
Na
o
K
ions
Cl
P
Na
P
K
P
Cl
P
Na
P
K
P
F
RT
E
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
ln
17

18. PMR de una neurona
• Adentro de las neuronas hay mas ANIONES
que CATIONES (en el exterior ocurre al revés)
• Hay mayor cantidad de cargas negativas
adentro.
• Se crea una diferencia de potencial a lo largo de
la membrana llamado POTENCIAL DE
MEMBRANA EN REPOSO.(PMR= -70 mV)
INTRACELULAR
mEq/L
EXTRACELULAR
meq/L
Na+ 10 142
K+ 140 5
Cl- 7 103
Ca+2 0,001 5
18

19. PMR
• En reposo, las permeabilidades (relativas al K+) de los iones mas
importantes son:
 PNa= 0,03
 PCa= 0,001
 PCl= PK= 1
DV= -0,058 V . Log 140 + (0,03)10 + (0,001)0,001 + 103 = -0,058 V.log 275,4 =
5 + (0,03)142 + (0,001)7 + 5 14,3
DV = -0,071 V = - 71 mV
INTRACELULAR
mEq/L
EXTRACELULAR
meq/L
Na+ 10 142
K+ 140 5
Cl- 7 103
Ca+2 0,001 5







 





o
Cl
i
Na
i
K
i
Cl
o
Na
o
K
ions
Cl
P
Na
P
K
P
Cl
P
Na
P
K
P
F
RT
E
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
ln
19

20. POTENCIAL DE ACCIÓN
20

21. • La existencia de un PMR es la base de la
exitabilidad de las células (responder a
ciertos estímulos)
• Cuando una neurona sufre un estímulo, su
membrana sufre una serie de cambios
que modifican el PMR.
• Dichos cambios se conocen como
POTENCIAL DE ACCIÓN.
21

22. 22

23. MECANISMO FÍSICO DEL P.A.
• “El potencial de acción es consecuencia
de los cambios de permeabilidad a ciertos
iones (no a la entrada o salida de estos)”
• ETAPAS
– Despolarización.
– Repolarización.
– Hiperpolarización.
23

24. ESTÍMULO
CAMBIO EN LA
PERMEABILIDAD
AL Na+
Ingresa Na+
Disminuye la
Carga (-) adentro.
DESPOLARIZACIÓN
Inmediatamente que
disminuye la
permeabilidad al
Na+, aumenta al K+.
Comienza a salir K+
y se restablece la
carga negativa
adentro.
REPOLARIZACIÓN
La permeabilidad al K+
cambia tanto que sigue
saliendo K+ haciendo
mas negativa de lo
normal.
HIPERPOLARIZACIÓN
La bomba de Na+ y K+
regenera el valor de
PMR.
AFUERA
ADENTRO
24

25. MECANISMO MOLECULAR DEL P.A.
¿PORQUÉ CAMBIA LA PERMEABILIDAD DE LOS IONES Na+
Y K+ CUANDO SE GENERA EL POTENCIAL DE ACCIÓN?
ESTÍMULO DESPOLARIZACIÓN
Cambia la
permeabilidad
al Na+.
Se abren
canales de Na+
Cambia la
permeabilidad
al Na+.
Se cierran
canales de Na+
Cambia la
permeabilidad
al K+.
Se abren
canales de K+
REPOLARIZACIÓN
Los canales
de K+ siguen
abiertos
HIPERPOLARIZACIÓN
Bomba de Na+ y K+ PMR
25

26. PROPAGACIÓN DEL
POTENCIAL DE ACCIÓN
26

27. ++++++++++++++++++++++++++++
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
++++++++++++- -+++++++++++++
-- - - - - - - - - - - ++ - - - - - - - - - - - - -
++++++++ + - - - - - - - - +++++++++
- - - - - - - - - ++++++++ + - - - - - - - - -
A la membrana llega un estímulo.
Provoca la salida de K+ y el ingreso
de Na+.
Si el estímulo es de intensidad
suficiente, se llega al valor
umbral y se produce el Potencial
de Acción que se propaga en
todas direcciones y no disminuye
de Intensidad, es infrenable.
Si el estímulo NO es de
intensidad suficiente, las fuerzas
regeneradores RESTITUYEN el
PMR y no se logra la generación
de un PA propagable.
Este tipo de conducción del PA se realiza en las
neuronas de tipo AMIELINICAS.
27
++++++++++++++++++++++++++++
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
PMR

28. CONDUCCIÓN SALTATORIA
28
Este tipo de conducción del PA se realiza en las
neuronas de tipo MIELINICAS (mas veloces).

29. PROPIEDADES DEL
POTENCIAL DE ACCIÓN
29

30. • UMBRAL DE EXCITACIÓN: para que se
genere el PA, la intensidad del estímulo
ha de ser tal que supere cierto valor de
potencial (20 mV para la neurona)
• LEY DEL TODO O NADA: un estímulo
supraumbral origina un PA que una vez
producido se transmite a lo largo de toda
la neurona. Si el estímulo es subumbral, el
PA no se produce.
30

31. • PERÍODO REFRACTARIO: después que se ha
producido el PA, existe un tiempo en el cual la célula no
responde a los estímulos, posteriormente la célula va
recuperando su excitabilidad.
• VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN: la velocidad con la
que se conduce un impulso nervioso es constante.
Depende de:
– Diámetro de la fibra.
– Presencia o ausencia de mielina.
– Propiedades eléctricas de la membrana: resistencia,
capacitancia, etc.
31

32. BIBLIOGRAFÍA
• “Biofísica”; Calvo Bruzos, S.; Sandoval Valdemoro, E.; Summers
Gamez, J.; Encuadernación Elva S.A.; Segunda edición, Madrid,
España. 1987.
• “Temas de Biofísica”; Parisi, M.; McGraw-Hill Interamericana;
Cuarta edición, México. 2003.
• “Biofísica”; Frumento, A. S.; Mosby/Doyma Libros S.A.; Tercera
edición, Madrid, España 1995.
• “Manual de Biofísica”; Muracciole, J. C.; López Libreros Editores
S.R.L.; Buenos Aires, Argentina. 1965.
32

33. FIN
33