guia biopotenciales 2011

8/4/2019 Guia Biopotenciales 2011

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CURSO DE BIOFSICAAPO XITransporte a travs de la membrana. Fenmenos

bioelctricos y biopotenciales.Objetivos:

Conocer e interpretar el concepto de las diferentes formas de transporte a travs delas membranas.

Conocer e interpretar el concepto de los diferentes fenmenos bioelctricos y

biopotenciales. Conocer la importancia del equilibrio de membrana de Donnan.

Conocer la Ecuacin de Nernst y su importancia a nivel biolgico.

Conocer e interpretar la Ecuacin de Goldman y Katz.

Relacionar los conocimientos adquiridos con lo ocurrido en torno a los potencialeselctricos de la membrana celular.

Relacionar los conocimientos adquiridos con lo ocurrido en torno a los potencialeselctricos del msculo y en especial a nivel del msculo cardaco.

Conocer e interpretar la formacin de las diferentes ondas de unectrocardiograma.

Contenidos: El potencial de membrana. Potencial de difusin.

Gradiente electroqumico, equilibrio electroqumico y ecuacin de Nernst.

Importancia del equilibrio Donnan.

El potencial de membrana en estado estacionario. Ecuacin de Goldman y Katz.

La membrana celular. A) Generalidades. B) Propiedades elctricas de lamembrana.

Potencial elctrico del msculo.

Los canales de Sodio y Potasio.

Representacin vectorial de la actividad elctrica celular. Despolarizacin y

Repolarizacin. Potencial elctrico del corazn. Sistema de conduccin.

Electrocardiograma.

Ejercicios de aplicacin.

Material diseado y compaginado por el personal docente y no docente dela Ctedra de Introduccin a la Biofsica de la Facultad de CienciasVeterinarias, U.N.L.P.


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Transporte a travs de membranas.

Introduccin:Cuando hablamos de la membrana celular debemos considerar que ella

separa dos medios de muy diferente composicin y contribuye a mantener la diferencia. La

concentracin del ion sodio es alrededor de 15 veces mayor en el medio exterior que en el

interior mientras que la concentracin del potasio es 23 veces mayor en el interior que enel exterior.

Estas concentraciones se mantienen mientras la clula se encuentra en

reposo debido a la accin de la membrana.

Para estudiar el pasaje de sustancias a travs de la membrana celular

primero debemos establecer un modo de expresar este pasaje en forma cuantitativa.

Flujo. Densidad de flujo.

Se define como flujo a la cantidad de sustancia expresada en moles, que atraviesa unadeterminada seccin perpendicular a la direccin de desplazamiento por unidad de tiempo.

Si expresamos este parmetro con la letra j, el nmero de moles ( n) que atraviesan lasuperficie al cabo de un tiempo (t) ser:

j = n t

Y llamaremos densidad de flujo, al flujo que atraviesa la seccin por unidad de rea:

m = j = nA A . t

De acuerdo a esta definicin, el flujo se mide en moles/s y la densidad de flujo en moles/s

cm2.

Transporte:

En general, cuando se produce un transporte de iones a travs de unamembrana semipermeable, este transporte puede realizarse de dos maneras; una consistente

en transporte como resultado de un gradiente de concentracin entre ambos lados de la

membrana, que genera un potencial electroqumico, dicho transporte no consume energa y

en general se lo denomina transporte pasivo, mientras que en el otro caso, intervienen otros

mecanismos que no tienen que ver con el potencial electroqumico, en general son encontra del gradiente de concentracin y por lo tanto requieren de consumo de energa,

denominndose a estos transporte activo.


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Transporte pasivo:

En esta categora incluimos el transporte difusivo simple (difusin simple) y eltransporte facilitado.

Difusin simple:

Cuando la diferencia de concentracin es la nica causa de desplazamiento, la

concentracin disminuye en forma lineal. En ese caso, la densidad de flujo entre dospuntos de la solucin es directamente proporcional a la diferencia de concentracin C einversamente proporcional a la distancia que los separa x.

m = D C1 - C2 = D . - C (1) o m = D M1 - M2 = D - M (2)

x x x x

Figura 1

Y si se multiplica los dos primeros miembros de la ecuacin 1 por el rea de seccinatravesada (A) se obtiene:

m = D C1-C2 . A (3) expresin que recibe el nombre de ley de Fick.

x

Esta expresin puede resumirse de la siguiente forma:

m = D C . A (4), donde C se denomina gradiente de concentracin,x x

llamndose al coeficiente D, coeficiente de difusin y siendo numricamente igual a lacantidad de soluto que pasa por unidad de tiempo a travs de una superficie perpendicular

de un centmetro cuadrado cuando el gradiente de concentracin es igual a 1.

El valor de este coeficiente de difusin depende de la solucin y de la temperatura; el signo


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del flujo, en tanto, se considera positivo si el soluto se desplaza en el sentido del semieje

positivo de las abcisas (Fig.2).

Figura 2

En esta figura la concentracin cae en forma lineal entre las concentraciones C1 y C2,

es decir que el gradiente de concentracin es constante, pero no siempre ocurre eso; en

muchos casos, el gradiente vara en forma continua como se observa en la figura anterior.En ese caso, el gradiente debe definirse como una derivada.

Es importante destacar que no debe confundirse gradiente con diferencia. Loscocientes en la ecuacin (1) son gradientes, mientras que las diferencias son slo los

numeradores. Un gradiente representa una pendiente.

Difusin a travs de una membrana. Permeabilidad.La ley de Fick es aplicable cuando el medio en el cual se desplaza una especie

qumica es homogneo, en cuyo caso el coeficiente de difusin D es constante.

En el caso particular en que estudiemos la difusin a travs de la membrana celular,dicha condicin se cumple si en lugar del coeficiente de difusin D empleamos el

coeficiente de difusin de la membrana, Dm y si introducimos las concentraciones c1 y c2que corresponden a la superficie de la misma y no al seno del lquido que moja dichamembrana.

Por lo que la ley de Fick, m = D C1-C2 A x

se transforma en: m = Dm c1- c2 A (5) siendo a el espesor de la membranaa


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Los valores c1 y c2 son determinados por las concentraciones existentes a ambos lados de la

membrana y por el coeficiente de particin correspondiente a la interfase (recordar en

cambios de estado). En funcin de lo cual:

C1 = k(coeficiente de particin), de donde: c1 = k.C1 y c2 = k.C2

C2

Reemplazando en (5), queda: m = Dm k (C1-C2) Aa

y como Dm, k y a son constantes, se pueden reemplazar por otra constante:

P = Dm k luego m = P. (C1-C2) . A (6)

a

donde P recibeel nombre de permeabilidad, dependiendo de la composicin qumica y dela estructura de la membrana, de su espesor y de la especie qumica que difunde a travs de

ella.

En la membrana celular, la difusin simple se produce a travs de la doble capa

lipdica obedeciendo a la ecuacin reciente vista (6).

En consecuencia la representacin grfica del flujo en funcin de la diferencia de

concentraciones es una recta que pasa por el origen y est representada en la siguiente

figura (Fig. 3).

Figura 3

Transporte facilitado.

En el caso de los iones y muchas sustancias hidrosolubles es importante aceptar que

atraviesan la membrana por determinados sitios. En estos casos, el pasaje se realiza a travs

de estructuras especiales formadas por protenas que se extienden a travs de la membrana.

Dichas estructuras de acuerdo a diferentes teoras, pueden considerarse como canales otransportadores. En el primer caso, la estructura proteica forma un conducto donde pueden


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alojarse molculas de agua, y a travs de ese conducto, las especies qumicas hidrfilas se

desplazan de a una la travs de la membrana.

Los transportadores en cambio, son sistemas de protenas que poseen uno o ms sitios

de unin para iones u otras especies qumicas y que efectan, en forma cclica cambios de

conformacin resultando el transporte de la sustancia ligada.

La diferencia entre los dos sistemas no siempre son claras, porque los canales pueden

sufrir tambin, cambios de conformacin que muchas veces responden a factores qumicos,

elctricos o mecnicos. Ya estudiaremos con ms detalle estos mecanismos al hablar deBiopotenciales.

Se llama transporte facilitado al transporte pasivo realizado por medio de transportadores .

Figura 4

En la figura anterior (Fig. 4) se ilustra el Transporte Facilitado por un transportadormediante un modelo simplificado, con un sitio de unin y dos conformaciones A y B, que

transportan una sola especie qumica en un sentido.

En la configuracin A, el transportador presenta el sitio de unin del ladoizquierdo de la membrana y el ligando S se une a aqul en forma reversible.

Decimos, entonces que: A + S = AS.


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Luego el sistema adopta la conformacin B, trasladando el sitio con el sustrato al ladoderecho de la membrana. Entonces el ligando se desprende y el transportador vuelve a la

configuracin inicial.Para analizar el comportamiento que se puede inferir de este sistema

consideraremos un factor limitante del flujo, que es la concentracin de las unidades detransporte y el tiempo que toma en llevarse a cabo el cambio de configuracin.En este caso, el flujo del ligando es directamente proporcional a la concentracin de AS:

j = k [AS] donde k = [ A] [ S][AS]

Transporte activo.

Como dijimos anteriormente, se habla de transporte activo cuando la energa

necesaria para el pasaje de sustancias a travs de la membrana, no se ha producido por la

diferencia de potencial electroqumico. En tales casos, la energa necesaria para el

transporte puede provenir de procesos metablicos o del desplazamiento de otras especies

qumicas, a favor de un gradiente de potencial electroqumico.

Cuando la energa proviene de procesos metablicos, se habla de transporteactivo primario mientras que si proviene del desplazamiento de otra especie qumica, sedenomina transporte activo secundario.

Transporte activo primario.Ya comentamos que el in sodio ingresa constantemente a la clula a favor de un

potencial electrocintico, a pesar de lo cual, su concentracin en el interior de la misma, se

mantiene relativamente constante. Esto ocurre porque adems del proceso pasivo por el que

ingresa, existe otro que lo lleva nuevamente al exterior en contra de un gradiente de

concentracin, suministrando energa libre provista por el metabolismo.

Los procesos de transporte realizados con consumo de energa libre metablicareciben el nombre de procesos de transporte activo primario.

En el organismo existen varios mecanismos de esta clase, entre ellos los transportes

de Na+, K

+y Ca

++.

Desde el punto de vista energtico, este tipo de transporte puede compararse conuna bomba que restituye a un recipiente de nivel superior, el agua que escurre hacia otro, de

nivel inferior. Por estas similitudes, los sistemas que realizan este tipo de transporte, suelen

llamarse bombas (bomba de sodio y potasio y de Calcio).

Estructuras y caractersticas del sistema.

Al igual que los transportadores estudiados anteriormente, los sistemas de transporte

activo estn constituidos por protenas que se extienden a travs del espesor de la

membrana y que efectan cambios conformacionales en forma cclica.

Todos los sistemas de transporte activo tienen un sitio para la fijacin de cationes, los


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cuales son llevados de un lado al otro de la membrana a travs de la estructura proteica.

Como el Transporte Activo depende del suministro de energa libre por parte delmetabolismo, su funcionamiento es inhibido por los txicos metablicos.

Mediante ciertas tcnicas especiales se ha demostrado que privando al sistema de ATPla bomba de sodio y potasio se detiene mientras que comienza a funcionar nuevamente si se

adiciona dicha sustancia.

Las protenas que realizan transporte activo son enzimas que aceleran la hidrlisis del

ATP, es decir son ATPasas. En el proceso, el ATP, por desfosforilacin oxidativa se

transforma en ADP, liberndose una molcula de Fsforo en una reaccin exergnica. LaATPasa realiza su funcin efectuando en forma cclica, cambios conformacionales entre

losestados E1 y E2 segn se observa en la figura 5.

Figura 5

Se observa que en el estado 1 se fija ATP del lado interno de la membrana, el ion sodio,

en tanto se fija en los sitios de unin correspondientes y se libera el potasio (1). El sodio,

luego queda ocludo en la estructura proteica (2) y la enzima desprende ADP (3), quedando

unido a ellas un grupo fosfato. Luego la ATPasa toma la configuracin 2, libera el sodio dellado externo, fija potasio en los sitios de unin para este catin (4) y se desprenden hacia el

citosol el in fosfato que haba quedado unido a la enzima (5). Esta, cambia nuevamente de

conformacin volviendo al estado 1 y el ciclo se reanuda.


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La ATPasa de sodio y potasio, tiene tres sitios de unin para el sodio y dos para el potasio.

El transporte de 3 cargas elctricas positivas hacia fuera y 2 hacia dentro genera lapresencia de una corriente elctrica neta de cargas positivas hacia afuera por lo que se dice

que la bomba de sodio y potasio es el electrognica.

Transporte activo secundario.En esta clase se incluyen dos tipos de mecanismos: el Contratransporte y el

Cotransporte.

Contratransporte.

Se denomina as a un mecanismo acoplado que puede transportar una especie, en

contra de su gradiente de potencial electroqumico, a expensas de la energa libre

suministrada por otra especie, que se desplaza en sentido contrario y

a favor de un gradiente de potencial.

Para interpretar en qu consiste el mecanismo procederemos, en forma simplificada, a

imaginar la forma en que se produce, para ello utilizaremos la figura siguiente:

Figura 6

Si observamos la figura 6, veremos que este mecanismo permite adoptar dos

configuraciones, las que figurarn como configuracin A y B y que disponen de un sitiounin al que puede llegar solamente un sustrato, que denominaremos X e Y.

En la configuracin A, el sistema expone su sitio de unin al lado izquierdo de la

membrana (1). En este estado se une, por ejemplo, el ligando X. El transportador toma

entonces la configuracin B, exponiendo el sitio ocupado al lado derecho de la membrana

(2). A continuacin, se desprende el sustrato X y el sitio de unin es ocupado por el Y (3).


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Entonces, el transportador adopta nuevamente la configuracin A, trasladando el nuevo

ligando al lado izquierdo de la membrana (4); por ltimo, Y se desprende y el transportadorvuelve al estado inicial (1).

Que el sistema realice ciclos en un sentido o en el otro, depende de los potencialeselectroqumicos de los sustratos.

Cotransporte.

Recibe este nombre, un mecanismo acoplado que puede llevar una especie en contra de su

gradiente de concentracin, a expensas de la energa libre suministrada por otra especie,

que se desplaza en el mismo sentido y a favor de su gradiente.

El potencial de membrana. Potencial de difusin.

Es importante distinguir un sistema "en equilibrio" de aqul que no lo est.

Si tenemos dos compartimentos separados por una membrana y ambos tienen

concentraciones desiguales de un soluto no cargado (por ejemplo, sacarosa), el sistema no

estar en equilibrio. La fuerza impulsora que movilizar al soluto, seguir la diferencia de

potencial qumico (gradiente de concentracin) que hay entre los dos compartimientos.Qu diferencia se establecer, si los solutos estn cargados?

Las fuerzas impulsoras que movilizar a las especies inicas seguirn el resultado de losefectos combinados de las diferencias de potencial qumico y elctrico.

Tal es el caso que se dara, si tuviramos dos compartimentos separados por una membrana

semipermeable, donde en el lado 1 existiera una solucin de KCl 0,01M y en elcompartimiento 2 una solucin KCl 0,1 M, tal como lo indicamos en la figura 1 A y B.

Fig. 7: Los iones son impulsados por una fuerza que es la resultante de las

diferencias de potencial qumico y elctrico.

Si la movilizacin del K+

y del Cl-en las soluciones, son consideradas iguales y la


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permeabilidad de ambos iones en la membrana tambin, se observar un movimiento de K+

y Cl-desde el lado 2 al lado 1, sin que se genere una separacin de cargas. El hecho es que

ambos iones estn en igualdad de condiciones para atravesar la membrana y que se genereuna diferencia de potencial entre los compartimentos 1 y 2 (figura 1 A). Pero si la permeabilidad de la membrana para el Cl

-es mayor que para el K

+, aparecer una

diferencia de potencial transmembrana con el lado 1, ya que a los iones Cl- les resultar msfcil atravesar dicha membrana (figura 1 B). Si la membrana fuera ms permeable para el

K+ que para el cloro, el lado 1 aparecera como positivo.Esta diferencia de potencial que surge como consecuencia de la existencia de un gradiente

de concentracin a ambos lados de la membrana, al no ser sta, igualmente permeable a

ambos iones recibe el nombre de potencial de difusin. Este potencial se mantiene hastaque se disipan los gradientes de concentracin.

De todo esto se concluye: " en un sistema, con dos compartimentos separados por una

membrana permeable que tiene diferente permeabilidad a las especies inicas dadas,si existe una diferencia de concentracin de las especies entre ambos compartimentos,se generar una diferencia de potencial elctrico.La magnitud de dicho potencial depender del gradiente de concentracin existente y de la

permeabilidad del ion considerado. Si en el sistema hay varios iones, el potencial resultante

seguir la sumatoria de los generados por cada uno de ellos. En el caso especfico del KCl,

con igual permeabilidad para ambos iones, los potenciales generados son iguales y de signocontrario por lo que se anulan y no se observa diferencia de potencial.

Gradiente electroqumico, equilibrio electroqumico y Ecuacin Nernst.

Consideraremos el caso especial en que la membrana slo fuera permeable al pasaje de K+.Este ion tendera a difundir del compartimiento 2 hacia el 1 a favor de su gradiente deconcentracin. El potencial qumico para el K

+en cada compartimiento es igual:

Donde 0 = potencial qumico de referenciaR = constante de los gases ( 8,31 J.mol

-1K

-1)

T = temperatura absoluta (K)

(K)1 = concentracin de K+

en el compartimiento uno

(K)2 = concentracin de K+ en el compartimiento dos

Como adems, existe un gradiente elctrico, teniendo en cuenta la naturaleza inica del

soluto, se deber tener en cuenta este factor:

Por lo que considerando estos dos factores, la fuerza impulsora ser la resultante de la suma

de ellos y nos dar el denominado potencial electroqumico que en cada compartimientosera igual a:

2 = 0 + RT ln (K)21 = 0 + RT ln (K)1

E1 = z FV1 E2 = z FV2


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Cada una de las ecuaciones contiene dos trminos, uno correspondiente al potencial

qumico y el otro correspondiente al potencial elctrico.El valor de gradiente electroqumico existente entre ambos compartimentos ser:

.

Considerando que los dos gradientes electroqumicos son iguales, la diferencia entre ellos

es 0 y por lo tanto se deduce en esas condiciones, que:

RT Ln (K)1/(K)2+ zF (V1-V2) = 0 y

despejando (V1-V2)

obtendremos:

Esta ecuacin es la denominada ecuacin de Nernst y nos permite calcular la diferenciade potencial que se obtendr a ambos lados de una membrana, tanto si existiera unadiferencia de concentracin para un ion dado, como si ste se encontrara en equilibrioelectroqumico. En otras palabras es el potencial elctrico que se necesita para equilibrar aun gradiente qumico.

Si el valor del potencial obtenido para un in no coincide con lo calculado por la ecuacin

de Nernst, el ion considerado no est en equilibrio electroqumico.Tanto R como F son constantes, por lo que la relacin RT/F depender de la temperatura.

En general para hacer las determinaciones no se utilizan logaritmos naturales sino

decimales por lo que se debe producir el llamado cambio de base, por lo que la expresin

de la ecuacin es la siguiente:

V1-V2 = RT 2,303 Log (K)2

z F (K)1

y el producto RT 2,303= 58,17 mV a 20C siendo el factor z = 1 para un ion monovalente

zF

elq1 = 0 + RT Ln (K)1 + z FV1

elq2 = 0 + RT Ln (K)2 + z FV2

elq= lq1 - lq2

(V1-V2)= RT Ln (K)2zF (K)1


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positivo; donde redondeando este valor, nos d 60 mV.

La ecuacin queda expresada de la siguiente manera: V1-V2 = -60 mV log (K)2(K)1

Importancia del equilibrio Donnan

Como sabemos, es un tipo de equilibrio que se produce cuando de un lado de la membrana

se encuentra un ion no difusible.

Fig.8: El mismo sistema de la Fig. 1, pero en este caso la membrana nodiscrimina el Cl

-del K

+, siendo impermeable a un in hipottico A, no difusible.

Consideremos una vez ms que tenemos dos compartimentos (1 y 2) separados por unamembrana semipermeable como se observa en la figura 2. En el lado 1 tenemos KCl y en ellado 2 K+ acompaado de A-, ambos compartimentos tienen la misma concentracin inicainicial. Debido a la existencia de un gradiente qumico habr un pasaje de Cl

-de 1 hacia 2,

generndose un potencial de difusin (lado 2 negativo) que induce un pasaje de K+ en lamisma direccin. Por el principio de Electroneutralidad sabemos, que al llegar al equilibrio

el nmero total de cargas positivas deber ser igual al nmero total de cargas negativas encada compartimiento por lo tanto tendremos:

En la solucin 1: (K+)1 = (Cl-)1

En la solucin 2: (K+)2 = (Cl-)2 + A

-

Como consecuencia de ello, la presencia de un in no difusible produce una asimetra en la

distribucin de los iones difusibles, cumplindose en este caso la ecuacin:

( K+)1 ( Cl

-)1 = (K

+)2 (Cl

-)2


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Siendo posible calcular el voltaje de membrana que se ha desarrollado en el equilibrioDonnan. Recordemos que en el equilibrio EK= ECl y Vm es proporcional, de manera tal

que Vm se puede calcular a partir de EKo de EClEn el caso de la clula, el potencial de membrana, produce valores que no coinciden conlos de un equilibrio. Esto indudablemente indica la presencia o existencia de sistemas que,

con gasto de energa, le permiten a la clula el mantenimiento de una situacin de estado

estacionario (Bomba de Sodio y Potasio).

El potencial de membrana en estado estacionario. Ecuacin de Goldmany Katz

En el caso particular de la clula, el interior y el exterior se encuentran separados por una

membrana, que como veremos ms adelante, se comporta ms que como un dielctrico

como un condensador, por lo que a ambos lados de la misma, surge un gradiente de

concentracin inica y una diferencia de potencial.

Adems la membrana celular presenta la caractersticade ser de permeabilidad selectiva,lo que significa que en determinadas condiciones permite un mayor flujo de determinado

tipo de iones.Cuando la clula est en reposo la membrana permite un pequeo flujo de iones que

determina que ms que en equilibrio la clula se encuentre en un estado estacionario. Esto

implica que cada especie inica se encuentra sometida a un gradiente electroqumico que

genera un determinado flujo que hace que pase a travs de la membrana. El flujo del in

depende de su movilidad, de la diferencia de potencial y del gradiente de concentracin aambos lados de la membrana.

La movilidad real del ion no es fcil de ser determinada por lo que se la reemplaza por uncoeficiente emprico que toma tambin en cuenta el coeficiente de particin y el espesorde la membrana. Este coeficiente se denomina permeabilidad (Pi).Esto permite determinar el flujo inico a travs de la membrana reemplazando la

movilidadpor la permeabilidad.Teniendo en cuenta estos conceptos, Goldman y Katz establecieron la diferencia depotencial en la membrana a travs de la siguiente ecuacin:

V = RT Ln PK(K)1 + PNa (Na)1 + PCl (Cl)2

F PK(K)2 + PNa (Na)2 + PCl (Cl)1

Si la diferencia de potencial elctrico depende del flujo y ste a su vez del gradientequmico es tambin obvio que para mantener la diferencia de potencial ser necesariomantener dicho gradiente. Por lo que se concluye que: en un sistema de estadoestacionario es necesario que se mantengan los gradientes a fin de preservar elpotencial de membrana.En el caso particular de la clula para que esto funcione se debe cumplir un mecanismo con

consumo de energa que es la bomba de sodio y potasio.


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El Potencial de Membrana (Pm) se define como la diferencia de potencial entre el interior(VI) y el exterior (Ve). Por convencin internacional Ve es igual a 0 y es el potencial dereferencia por lo que Vm= -Vi

Se llama Potencial de Reposo al potencial de membrana en estado estacionario en el queno existe flujo neto de cargas a travs de la membrana.En la tabla 1, se muestran algunas concentraciones de los diferentes iones existentes a uno y

otro lado de la membrana celular.

Tabla 1: Concentraciones inicas aproximadas en el interior y exterior de la clula.

LA MEMBRANA CELULAR.

a) GENERALIDADES.La clula, unidad anatmica y fisiolgica de la materia viva, est relacionada con el medio

que la rodea a travs de una membrana. Esta membrana posee propiedades que le soncaractersticas desde el punto de vista qumico, fsico y biolgico.

Su arquitectura qumica es la dada por una capa central y molecular lipdica, y dos capas,

interna y externa, constituidas por protenas.

De acuerdo a la teora ms difundida, esta membrana no es continua pues est interrumpida

por poros que estn distribuidos en toda su extensin.

La teora actual, ms moderna, denominada del MOSAICO FLUIDO, reemplaza estos poros por transportadores qumicos que cumpliran la funcin de ayudar a atravesar lamembrana a los iones presentes de uno y otro lado.

Fsicamente, se comporta como una membrana semipermeable y ultraselectiva pudiendo

ser atravesada slo por determinadas sustancias, y an stas, slo pueden hacerlo en

determinadas condiciones.Esta caracterstica fsicoqumica, confiere a la membrana propiedades biolgicas que

pasaremos a considerar.


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b) PROPIEDADES ELCTRICAS DE LA MEMBRANA:

Si colocamos en la parte externa de la membrana un electrodo y luego otro en el interior dela clula comprobaremos que existe una diferencia de potencial fcilmente registrable con

un voltmetro. Esta diferencia de potencial que se conoce como potencial de membrananos indica que la membrana y, por extensin, la clula estn polarizadas elctricamente.

Ya que este potencial lo hemos observado con la clula en reposo a partir de este momento

lo denominaremos potencial de reposo (en realidad, la clula, que es un ente dinmico,nunca se encuentra en reposo debido a los continuos procesos metablicos de formacin y

degradacin de sustancias y energa que en ella, se llevan a cabo).

Si en lugar de colocar los electrodos en una clula intacta, lo hiciramos en una clula en

donde la membrana ha sido lesionada, se observara que la zona lesionada se comportara

de la misma forma que el interior de la clula, pero el potencial a registrar sufrira una

modificacin, cuya razn estudiaremos posteriormente, por lo que a este potencial,

diferente del anterior, lo denominaremos potencial de lesin.

Figura 9

Fi ura 10


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Figura 11

Cuando hacemos estas mediciones en una fibra miocrdica, observamos que el potencialque registra el voltmetro es de -90 mV. Esto indica que el interior se comportara comonegativo con respecto al exterior. Veremos ms adelante que tal cosa no es as, pero para

poder interpretarlo deberemos primero determinar cul es la razn de esta diferencia de

potencial.

En realidad, la diferencia de potencial a la que hacemos referencia se explica por la

diferencia de concentracin de iones que existen a ambos lados de la membrana.

Los iones que predominan en el lquido intersticial son el sodio, el cloro y el bicarbonato,los que predominan en el medio intracelular son el potasio, los proteinatos y cidos

orgnicos, en general estos cidos orgnicos derivan de las protenas que como

consecuencia del pH del medio se comportan como cidos dbiles.

Estas diferencias elctricas y de concentracin inica, condicionan la diferencia depotencial a la que nos referamos anteriormente y no se equilibran penetrando cationes a la

clula o saliendo aniones al exterior, por una serie de factores que pasaremos a analizar y

que son los determinantes de este gradiente de potencial.

1- Los aniones cloro y bicarbonato intracelulares no salen, pues se encuentran en muy baja concentracin dentro de la clula con respecto al lquido intersticial (gradiente de

concentracin).

2-Los aniones (proteinatos) no pueden salir, por ser sus molculas de mayor tamao que elde los poros de la membrana (caracterstica de la membrana).

3- El potasio no penetra, pues se encuentra en concentracin muy baja en el exterior de laclula con respecto al interior (gradiente de concentracin).

4-El sodio no entra, porque no puede atravesar la membrana ya que los poros de sta enreposo, son menores que el tamao del ion sodio (caracterstica de la membrana). Si bien elsodio normalmente puede entrar en pequeas cantidades, es expulsado inmediatamente al

exterior por otro mecanismo activo (con consumo energa) en contra del gradiente de

concentracin, que es la bomba de sodio y potasio cuya funcin es la de extraer ionessodio e introducir iones potasio (figura 12).


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Esta diferente distribucin inica que determina que haya mayor cantidad de iones

positivos por fuera de la clula que dentro de la misma, est relacionada, como hemos visto,con ciertos fenmenos pasivos sin gasto de energa, y activos, con gastos energa (figura

13).

La consecuencia de la accin de estos factores son las siguientes:

1) Existe una diferencia de potencial entre el interior y el exterior de la clula (-90 mV),

siendo ms positiva esta ltima zona.

2) La mayor cantidad de cationes sodio est fuera de la clula.

3) El catin potasio est en mayor concentracin intracelular que extracelularmente.

Debemos tener claro que todo lo hasta aqu expuesto, solamente constituye una hiptesisque no ha sido absolutamente comprobada y que no llega a explicar todos los fenmenos de

membrana.

Los canales de sodio y potasio.

Figura 12

Figura 13


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En la actualidad y a partir de la teora de la membrana del mosaico fluido se ha demostrado

en realidad, que el transporte de iones se produce a travs de canales que atraviesan este

mosaico y que son especficos para cada ion.

Figura 14: Representacin esquemtica de un canal de potasio (I) y uno de sodio (II).

En forma simple, se pueden imaginar los canales de potasio como integrados por grupos

atmicos que fluctan entre dos configuraciones, cuyas probabilidades dependen del

potencial de membrana y que actan como si fueran compuertas abrindose o cerrndose al

paso del ion. La cantidad de canales abiertos crecer gradualmente hasta alcanzar un estado

estacionario para cada potencial.En cuanto a los canales de sodio, estos se abren al aumentar el potencial interior y vuelven

a cerrarse aunque el cambio de potencial se mantenga. Esto puede explicarse si se acepta

que los canales pueden corresponder a dos tipos diferentes de compuertas. Unas llamadas

compuertas de reactivacin o compuertas m que generalmente estn cerradas en reposo,creciendo su probabilidad de abrirse al despolarizarse la membrana y otras, denominadas de

inactivacin o compuertas h, que estn en su mayora abiertas en reposo y tienden a

cerrarse con la despolarizacin.


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Figura 15: Representacin en funcin del tiempo del estado de las compuertas del sodiocuando se despolariza la membrana (I) y evolucin de la cantidad de canales franqueables

(II).

Se muestra en forma cualitativa en la figura anterior (Fig. 15), cmo vara en funcin del

tiempo, el porcentaje de compuertas de reactivacin abiertas y el de compuertas de

inactivacin cerradas a partir del instante en que se establece y se mantiene constante un

aumento del potencial interior (despolarizacin).Se desprende de todo esto, que la cantidad de canales abiertos est representada por la

diferencia entre las dos curvas (porcentaje de compuerta de reactivacin abiertas menos

porcentaje de compuertas de inactivacin cerradas). La figura siguiente (Fig.16) muestra el

estado de ambas clases de compuertas y los flujos de sodio que se producen en seis

instantes de la despolarizacin numeradas en la figura 15.


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Figura 16: Representacin esquemtica de las fracciones de canales abiertos (trazos

verticales) y cerrados (trazos horizontales) en los 6 instantes sealados en el grfico de la

figura 9.

Como la configuracin de las compuertas depende del potencial, es de suponer que las

agrupaciones atmicas que las forman y los movimientos de sus cargas elctricas deben

manifestarse en forma de dbiles corrientes elctricas.

De acuerdo a lo expresado se infiere que la bomba de Sodio y Potasio, hasta ahora

considerada como responsable del gradiente qumico de los iones indicados, slo cumple la

funcin de mantener el gradiente constante, pues dicho gradiente depende ms del potencial

elctrico que de ella.

Representacin vectorial de la actividad elctrica celular.

Cuando se estimula una clula y se propaga el impulso, existe un momento en el cual una

parte de la superficie de la membrana presenta cargas negativas y la otra, cargas positivas.

La existencia de estos dos puntos con cargas contrarias en la superficie celularconstituyeun dipolo.


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Este dipolo determina la existencia de una fuerza electromotriz que, por ser una magnitud

vectorial, tendr intensidad, direccin y sentido propios.La intensidad estar dada por la longitud del vector, la direccin por una lnea que une los

puntos de distinto potencial y el sentido ser el de la corriente (de negativo a positivo en ladespolarizacin y de positivo a negativo en la repolarizacin).

Figura 17

En consecuencia, toda onda de despolarizacin se representa con un vector que avanza con

cabeza o punta positiva y cola negativa; en tanto para el caso de la repolarizacin el vector

avanza con cabeza negativa y cola positiva.

Figura 18

Grfica de la actividad elctrica de la clula:

a) Despolarizacin y Repolarizacin de la clula.

La clula en reposo como ya vimos, cuando es explorada con un voltmetro muestra susuperficie isoelctrica (esto es debido a que toda su superficie tiene carga positiva, por lo

que no se pueden observar diferencias de potencial).


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Figura 19

Al actuar un estmulo, la clula se despolariza y el voltmetro demuestra la existencia de

una diferencia de potencial ya que sobre la superficie hay cargas de diferentes signos.

La onda de despolarizacin avanza con frente positivo y cola negativas.

Al comienzo de la despolarizacin, se inscribir en el registro una curva positiva, puescomo ya vimos, por convencin toda onda que incide hacia un electrodo del mismo signo

es positiva y se inscribe hacia arriba de la lnea de base.

Figura 20

Al final de la despolarizacin el registro vuelve a la lnea de base, pues quedan todas las

cargas positivas por dentro de la membrana y las negativas por fuera.


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Figura 21

Luego comienza la repolarizacin, que tiene siempre el mismo sentido y la misma

magnitud y direccin que la despolarizacin, con la diferencia que la cabeza de la onda es

negativa y la cola es positiva, por lo que se inscribir sobre la lnea de base una curva hacia

abajo ya que la cabeza positiva apunta al electrodo de signo contrario.

Figura 22: Comienzo de la Repolarizacin

Concluida la repolarizacin, el registro vuelve a la lnea de base pues quedan todas las

cargas positivas afuera de la membrana y las negativas adentro.


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Figura 23

Por todo lo expuesto, se deben considerar una serie de reglas a aplicar en la produccin de

las curvas representativas del electrocardiograma. Estas reglas son las siguientes:

1- Toda onda de despolarizacin avanza con cabeza positiva y cola negativa.

2- Toda onda de repolarizacin avanza con cabeza negativa y cola positiva.

3- La despolarizacin y la repolarizacin tienen igual direccin, magnitud y sentido.

4- Toda onda que incide con su cabeza o cola positiva hacia un electrodo explorador delmismo signo se inscribe por convencin, por encima de la lnea de base (curva positiva).

A la inversa toda onda que incide con cabeza o cola negativa hacia un electrodo explorador

de signo contrario, se inscribir por debajo de la lnea de base (curva negativa).

Figura 24


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Potenciales del Msculo.

Si en lugar de aplicar los electrodos a una clula, los aplicramos sobre la superficie de un

msculo extrado ntegro, es decir el msculo con el tendn respectivo, sin ningn tipo delesin, observaramos que no se observa pasaje de corriente por el voltmetro (figura 25).

Esto indica sin lugar a dudas, que el potencial de la superficie es constante por lo que sedesigna como potencial isoelctrico. Si excitramos un msculo lesionado, colocando unode los electrodos en la superficie y el otro en la zona lesionada, se observa como en el caso

de la clula, que la zona lesionada se presenta como polo negativo con respecto a la zonasin lesionar, que se comporta como polo positivo (figura 26).

Figura 25: Excitacin de un msculo entero. A, B, C y D electrodos.

Figura 26: Excitacin de un msculo lesionado.

Ahora si colocamos los electrodos de la forma indicada y el msculo es excitado, por

ejemplo con un pinchazo o se produce una quemadura de la superficie, se observa

inmediatamente que los electrodos ubicados en la zona ms cercana de la lesin cambian su

polaridad a negativos (figura 27) producindose a medida que pasa el tiempo, un pasaje a la

misma polaridad del resto de los electrodos, hasta que se logra nuevamente una superficie

isoelctrica pero con signo negativo (figura 28).Si el msculo se encuentra ntegro transcurrido un cierto tiempo, los primeros electrodos


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vuelven a la polaridad positiva inicial y luego lo harn el resto de los electrodos, esto

determina volver nuevamente a una superficie isoelctricamente positiva (figura 29).

Figura 27

Figura 28


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Figura 29

Si representamos esta variacin de potencial en un eje de coordenadas cartesianas en donde

en el eje de las y colocamos la variacin de potencial y en el eje de las x el tiempo, seobserva la formacin de una onda bipolar (figura 30).

Figura 30: Registro de la respuesta elctrica del msculo entero estimulado.

Si se efecta el mismo experimento con un msculo lesionado, en la representacin grfica

slo se observa la onda representativa de la variacin de potencial negativo, por lo que slo

se obtiene una onda monopolar (figura 31).


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Figura 31: Registro de la respuesta elctrica del msculo lesionado estimulado.

Para que estos fenmenos elctricos se produzcan, tanto en la clula como en los msculos,

la membrana debe cumplir la funcin de un dielctrico pues si no fuera as, se producira

entre el interior y el exterior un cortocircuito que eliminara la diferencia de potencial.

Estudiando la membrana desde el punto de vista de un dielctrico, se observa que la

funcin de sta ms que la de un aislador es la de un verdadero capacitor (condensador) por

lo que en forma transversal sta se comportara como un verdadero circuito (figuras 32 y33).

Figura 32: Circuito equivalente de la impedancia Figura 33: Circuito equivalente de lade la membrana. rm: resist. transversal. membrana. rm: resist. transversal.

Cm: capacidad. Cm: capacidad. Em: fuerzaelectromotriz


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Figura 34: Circuito equivalente de una fibra muscular o nerviosa. A, B y C: circuitos

elementales; ro: resistencia longitudinal exterior; ri: resistencia longitudinal interior.

A continuacin daremos algunos de los valores de los elementos representados en este

circuito.

Cuando analizamos en una clula las variaciones de potencial que se produce luego de una

excitacin se observa que el cambio de polaridad se realiza en forma continua a travs del

tiempo lo que significa que dicha clula cuando est en reposo tiene en el exterior cargaselctricas positivas y en el interior cargas negativas las que se invertiran en el momento de

excitacin y a partir de dicho punto excitacin se comienza a producirse un cambio de

polaridad en donde la primeros puntos pasan a ser negativos en el exterior y positivos en elinterior como esto es continuo, transcurrido un cierto tiempo la totalidad de las cargas

positivas estn el interior y las negativas en el exterior, cuando se logra este punto se dice

que la clula ha sido despolarizada y mientras se est realizando este proceso se habla de

una corriente de despolarizacin, la que es una magnitud de tipo vectorial.

Potenciales Elctricos del corazn. Sistemas de Conduccin.

En el corazn de los animales superiores, existen dos centros de excitacin denominados

ndulos o senos y un sistema de conduccin que permite que rpidamente el impulso

producido en los centros de excitacin se transmita al resto de la vscera.


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Figura 35

En condiciones normales, el impulso se inicia en el ndulo auricular, el que se encuentraubicado en el techo de la aurcula derecha, transmitindose la excitacin en todas

direcciones y sentidos. Esto produce la denominada Sstole Auricular y hace que la sangrepase de las aurculas a los ventrculos. Cuando el impulso llega al segundo ndulo llamadondulo auriculoventricular, que se encuentra en la base de las aurculas y techo de losventrculos, este ndulo produce excitacin elctrica que es transmitida al resto del

corazn, por el llamado Haz de Hiss, el que finaliza en la pared de los ventrculos formando

las fibras de Purkinje. La ltima regin que se despolariza es la pared posterior y superior

de los ventrculos.

La repolarizacin de las aurculas se hace en el sentido de la despolarizacin, pero en los

ventrculos el proceso es ms complicado pues presentan caractersticas distintas a lasrepolarizaciones ocurridas en los dems tejidos del organismo.

En donde ms se manifiesta esta diferencia es en la pared del ventrculo izquierdo. Se ha

observado que esta por cumplir una funcin especfica en la gran circulacin, se caracteriza

por ser mucho ms espesa y adems la sangre presenta una temperatura menor por venir de

los pulmones debindose ejercer una presin mayor para cumplir con su funcin

especfica. El conjunto de estos factores determinan que el epicardio resulte una zona ms

activa metablicamente que el endocardio.

Debido a lo expresado anteriormente en el proceso de despolarizacin y repolarizacin se produce un desfasaje (denominado gradiente ventricular) como consecuencia del cual larepolarizacin se produce retrasada con respecto a la repolarizacin del resto de la vscera.


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Figura 36

Electrocardiograma.

El electrocardiograma es "el registro grfico de la actividad elctrica del corazn tomado adeterminados puntos de la superficie, denominadas derivaciones". Estas derivaciones estn

determinadas por la aplicacin de los electrodos del Electrocadigrafo.

Figura 37

La ubicacin de los electrodos para la obtencin del electrocardiograma determina laformacin de un tringulo denominado tringulo de Einthoven, que se observa a

continuacin (Fig 38)


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Figura 38

Los vectores que se presentan en el corazn se inscriben en el electrocardiograma segn su

proyeccin sobre el eje de cada derivacin. Como consecuencia de la aplicacin de lo

antedicho para cada uno de los vectores de despolarizacin o repolarizacin proyectados

sobre la derivacin, se obtiene una serie de curvas de acuerdo a lo explicado en el siguiente

grfico (Fig. 39).

Figura 39


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Figura 40

El resultado final es el electrocardiograma, el cual va tener tres expresiones diferentes deacuerdo a la derivacin considerada. As, por ejemplo para el caso de la primera derivacin,

su representacin ser como la observada en la Figura 41.

La onda P es el resultado de la despolarizacin auricular. El intervalo P-R, quecomprende la onda P ms el segmento P-R, representa el tiempo que media entre el

comienzo de la despolarizacin auricular y el comienzo de la ventricular.El complejo QRS es el resultado de la activacin de las fibras musculares de los ventrculosdel corazn: La onda Q es la primera deflexin hacia abajo del complejo QRS y representala despolarizacin del septum interventricular, la pared que divide los dos ventrculos.La onda R es la primera deflexin hacia arriba del complejo QRS y es debida a la

despolarizacin de la punta del ventrculo izquierdo. Por su parte, la onda S es la primera deflexin negativa que sigue a la onda R y representa la despolarizacin de labase del ventrculo izquierdo. La onda T representa la repolarizacin ventricular.


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Figura 41: Electrocadiograma correspondiente a la Primera Derivacin

guia biopotenciales 2011

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