celulas exitables clase 2

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1 Células Excitables Clase 2 Ernesto Cristina

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Page 1: Celulas exitables clase 2

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Células Excitables

Clase 2Ernesto Cristina

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2

IVV Rdt

dVrestm

mt

t

0)(

)(

VVV restm

tt

exp1)(

= R . C = rm . cm

VV restmm

t

t

dt

dV )(

)(

VVV restm

tt

exp)(

Dedujimos dos ecuaciones que describen el curso temporal

del PM ante estímulos de corriente, y definimos .

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3

• Presentaremos la “Ecuación del Cable”, a partir de la cual

es posible obtener una ecuación que describe el curso

espacial del PM (cambio de Vm con la distancia) ante

estímulos de corriente. Definiremos (Constante de

Espacio).

• Veremos como se relaciona la Velocidad de Propagación

del cambio en Vm con y con .

• Deduciremos una ecuación que permite calcular el valor

del PM en estado estacionario (GHK versión “eléctrica”).

• Comenzaremos a analizar las propiedades básicas de la

excitabilidad.

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Registro Experimental

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Teoría del Cable

• Esta designación proviene de la deducción, estudio

y aplicación de una ecuación matemática al primer

cable telegráfico transatlántico, en el año 1855, por

parte del Profesor William Thomson Kelvin (Lord

Kelvin).

• La aplicación de la teoría del cable a las neuronas

comenzó en la década de 1950, cuando resultó

necesario interpretar algunos resultados obtenidos

mediante experimentos de estimulación, empleando

microelectrodos, en neuronas individuales.

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Se asumen las siguientes 4 condiciones:

1. Axón: conductor cilíndrico uniforme de gran longitud, deresistividad y capacitancia constantes.

2. Resistencias de tipo óhmicas (independientes de V y de t).

3. El flujo de corriente ocurre fundamentalmente a lo largo de unadimensión (eje x). La resistencia de membrana es mucho mayorque la resistencia interna (lado citoplasmático). La corrientefluirá en forma paralela al eje del cilindro, a lo largo de unacierta distancia, antes de que una fracción significativa de estacorriente se “fugue” a través de la membrana.

4. Se asume, por conveniencia, que la resistencia extracelular es 0.

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Ecuación del Cable

• Rm : Resistencia de membrana por unidad de longitud delcilindro (ohm . cm).

• Ri : Resistencia longitudinal interna (ohm/cm).

• Cm : Capacitancia de membrana por unidad de longitud delcilindro (F/cm).

• V(x,t) = [Vm – Vrest], con Vm ≡ Vi –Vo (Voltios).

0),(),(),(

2

2

2

txV

txVtxV

tx

RR

i

m CR mm

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• Una solución interesante de la ecuación anterior se obtiene alasumir que V(x,t) es independiente del tiempo, o sea,

• Obteniéndose:

Ecuación diferencial lineal de 2º orden (homogénea) quedepende sólo de x.

0),(

ttxV

0)()(

2

2

2

xV

xV

x

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• Proponemos la siguiente solución:

o

• Esta solución indica que el valor de Vm decae en forma exponencial con ladistancia (x).

• V0 : desplazamiento con respecto a Vrest en el punto de inyección de

corriente.

• Cuando x = 0, Vm = Vrest + V0.

• Cuando x +, Vm = Vrest.

)exp()(0

xx VVV restm

)exp(0)(

xVxV

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Cuando x = 0, Vm = Vrest + V0.

Cuando x +, Vm = Vrest.

)exp()(0

xx VVV restm

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Constante de Espacio ()

La constante de espacio representa la distancia que se requiere

para que el desplazamiento despolarizante decaiga un 63% de su

valor inicial.

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• Recordemos que

• Rm : Resistencia de membrana por unidad de longitud del

cilindro (ohm . cm).

• Ri : Resistencia longitudinal interna (ohm/cm).

A continuación expresaremos en función de

otros parámetros.

RR

i

m

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• Área de un círculo de radio “a”:

• Área Superficie Lateral de un Cilindro de radio “a”:

• La resistencia interna (Ri) por unidad de longitud será:

_________________________________________________________

Rm : Resistencia de membrana por unidad de longitud del cilindro(ohm . cm).

• La Resistencia Específica de Membrana (ohm . cm2) será:

Ésta es la resistencia transversal de 1 cm2 de membrana

ai

iR 2

aA 2

aRr mm 2

laS 2

)(A

lR

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Sustituyendo las expresiones de Rm y de Ri

en la ecuación que define a , se obtiene:

i

drm

4

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• Pregunta: ¿Cómo se relaciona la velocidad de propagación

(vp) del cambio en el PM con y con ?

• Respuesta: vp /.

• Animales con respuestas veloces y “groseras”: axonesamielínicos.

• Animales con respuestas veloces y “finas”: axonesmielínicos.

rc m im

dvp

4

1

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Membrana en Estado Estacionario(Células Animales)

• Alta conductancia al potasio (gK).

• Baja conductancia al sodio (gNa).

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IK e INa se determinan por la ley de Ohm

• IK = gK . (Vm - EK)

• INa = gNa . (Vm - ENa)

• IL = IK + INa

(L: Leak)

AGC (Loligo

pealei)

• EK -75 mV

• ENa 55 mV

• Vrest -60 mV

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ggEgEg

VggINaK

NaNaKKmL NaK

)(

)( EVgI LmLL

ggEgEg

ENaK

NaNaKKL

gggNaKL

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En Estado Estacionario

0dt

dV mmC cI

ggEgEg

VggINaK

NaNaKKmL NaK

)(0

ggEgEg

VNaK

NaNaKKm

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GHK versión “eléctrica” para Vm

(Estado Estacionario)

ggEgEg

VNaK

NaNaKKm

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VVV restm

tt

exp1)(

VVV restm

tt

exp)(

)exp()( 0 xx VVV restm

rc m im

dvp

4

1

ggEgEg

VNaK

NaNaKKm

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Si la magnitud de la intensidad de corriente de un estímulo despolarizante

(estímulo efectuado en una célula excitable), alcanza un determinado valor

(nivel de disparo o valor “umbral”), ocurre un cambio en el PM que es

distinto en su forma, amplitud y duración, con respecto a los cambios en

el PM que hemos estudiado hasta ahora.

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El análogo eléctrico explica el fenómeno denominado

electrotono, el cual ocurre por debajo del nivel de

disparo.

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• Este cambio en el PM se denomina Potencial de Acción

(PA); es una respuesta típica de las membranas de las

células excitables (ejemplo: células nerviosas y

musculares).

• El PA se produce de una forma tipo “todo o nada”. Todo

estímulo inferior en magnitud al pulso umbral no

producirá esta respuesta. Todo estímulo cuya magnitud

sea igual o superior a la umbral podrá desencadenar un

PA, pero aunque la intensidad del estímulo sea mayor a

la umbral, el PA producido presentará las mismas

características básicas que los generados por pulsos

umbrales.

• Una vez generado, se propagará también en un modo tipo

“todo o nada”. Si se produce, por ejemplo, en el cono

axónico, se propagará a lo largo del axón llegando a las

terminaciones sinápticas (propagación sin decremento).

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El PA es el “vehículo” a través del cual la

información periférica (por ejemplo, la que

proviene de los receptores sensoriales,

mediante vías aferentes), es codificada y

propagada hacia el Sistema Nervioso Central;

allí se iniciarán, por ejemplo, comandos

motores que se propagarán hacia la periferia

(mediante vías eferentes), por medio de

potenciales de acción, siendo éste el primer

“paso” en el inicio de la contracción muscular.

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• En el Axón Gigante de Calamar (AGC) Vrest = -60 mV. Durante el “pico”

del PA el PM llega a valores que están en el entorno de los +40 mV. Se

produce una importante despolarización.

• Durante la fase de repolarización, existe un período de tiempo durante el

cual Vm se vuelve más negativo con respecto a Vrest. Aquí se verifica una

hiperpolarización.

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Una observación importante acerca del PA es que el

cambio en el PM atraviesa una región que se halla limitada por

ENa en uno de sus extremos, y por EK en el otro extremo.

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¿Es posible dilucidar los mecanismos iónicos que generan un PA?

Hodgkin y Katz iniciaron PA en el AGC para diferentes [Na+] en el

medio externo, obteniendo los siguientes resultados:

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• 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.

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• 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.

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Método del “cable axial” (Space Clamp)