potencial d'acció

5/14/2018 Potencial d'acci

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El potencial de accion

INTRODUCCIONPROPIEDADESDEL POTENCIAL DE ACCIONLASSUBIDASY BAJADAS DE UN POTENCIAL DEACCIONGENERAClbN DE UN POTENCIAL DE ACCIONGENERACION DE MULTIPLESPOTENCIALES DEACCION

Cuadro 4-1 Para saber m as: Metodos de registro de potenciales de accionEL POTENCIAL DE ACCION, EN TEORIACORRIENTESDE MEMBRANA Y CONDUCTANCIASLASENTRADAS Y LAS SALIDAS DE UN POTENCIAL DEACCION

EL POTENCIAL DE ACCION, EN REALIDADELCANAL DE SODIO DEPENDIENTE DEVOLTAJE

Estructura del canal de sodioPrD !> ied ad es fu ncio nales d el c anal d e so dio

Cuadro 4-2 Para saber m as: El metoda de patch-clamp(fijacion de membrana)Efectos de las toxinas sobre el canal de sodio

Cuadro 4-3 A s[ s e d es cu br io ... : La tetradotoxina y el amanecerde la farmacologfa de los canales ionicos. por Toshio NarahashiCANALES DE POTASIO DEPENDIENTES DEVOLTAJECONJUNCION DE LAS PIEZAS

CONDUCCION DE LOS POTENCIALES DE ACCIONFACTORESQUE INFLUYEN EN LAVELOCIDAD DE CONDUCCION

Cuadro 4-4 MlIY interesante: Anestesia localMIELINA Y CONDUCCION SALTATORIA Cuadro 4-5 Muy interesante: Esclerosis multiple, una enfermedaddesmielinizante

POTENCIALES DE ACCION,AXONES Y DENDRITAS Cuadro 4-6 Muy interesante: El eclectico comportarniento electricode las neuronas

COMENTARIOS FINALES If


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76 CAP [ T U L 0 4 EL POTENCIAL DE ACCION

T INTRODUCCIONAbordamos ahora la sefial que transporta la informaci6n a traves de la distan

cia en el sistema nervioso. el potencial de acci6n. Como virnos en el capitulo 3,citosol de la neurona en reposo esta cargado negativamente con respecto alquido extracelular. El potencial de acci6n es una inversi6n rapida de esta situcion. de manera que por un instante el interior de la membrana queda cargadpositivamente con respecto al exterior. El potencial de acci6n tarnbien es denminado frecuentemente punta, impulso nervioso 0 descarga.Los potenciales de acci6n generados por una celula son de tamaiio y duraci6

similares, y no disminuyen a medida que son conducidos a 10 largo del ax6n. Tega en cuenta la idea principal: la frecuencia y el patron de los potenciales de acci6constituyen el c6digo utilizado por las neuronas para transferir informaci6n desitio a otro. En este capitulo exponemos los mecanismos responsables de generael potencial de acci6n y c6mo se propaga este a traves de la membrana ax6nic

T PROPIEDADES DEL POTENCIAL DE ACCIONLos potenciales de acci6n tienen ciertas propiedades universales, caracterfsticacompartidas por los axones del sistema nervioso de cada animal, desde el calam

hasta el estudiante de universidad. Comencemos explorando alguna de estas prpiedades. LQue aspecto tiene un potencial de acci6n? LC6mo se inicia? LCon qrapidez puede generar potenciales de acci6n una neurona?

Las subidas y bajadas de un potencial de acci6nEn el capitulo 3 vimos que el potencial de membrana, Vrn- puede determinar-

se insertando un microelectrodo en la celula. Se utiliza un voltimetro para mecla diferencia de potencial electrico entre la punta de este microelectrodo intracelular y otro localizado fuera de la celula. Cuando la membrana neuronal estareposo. el voltimetro registra una diferencia de potencial constante de un-65 mY. Sin embargo, durante el p tencial de acci6n el potencial de membranase convierte en breve en positivo. Como esto ocurre con gran rapidez. 100 vecmas rapidarnente que el parpadeo del ojo. se utiliza un tipo especial de voltimtro. llamado osciloscopio, para estudiar los potenciales de acci6n. El osciloscopiogistra el voltaje a medida que cambia con el tiempo (cuadro 4-1).La figura 4-1 muestra un potencial de acci6n tal y como aparecerfa en la pant

lla de un osciloscopio. Este grafico representa un potencial de membrana versustiempo. N6tese que el potencial de acci6n tiene ciertas partes identificables. La pmera parte, llamada fase ascendente, se caracteriza por una rapida despolarizaci6n de la membrana. Este cambio del potencial de membrana continua hasta qel V rn alcanza un valor pico de unos 40 mY. La parte del potencial de acci6n dode el interior de la neurona esta cargado positivamente con respecto al exteriorconoce como sobreexcitacion. La fase descendente del potencial de acci6nuna rapida repolarizaci6n hasta que la membrana se hace incluso mas negativque el potencial de reposo. La ultima parte de la fase descendente se llama farefractaria.Finalmente, hay una gradual vuelta al potencial de reposo. Desdecomienzo hasta el final, el potencial de acci6n dura alrededor de 2 ms.

Generaci6n de un potencial de acci6nEn el capitulo 3 dijimos que la rotura de la pie 1por una chincheta era suficie

te para generar potenciales de acci6n en un nervio sensitivo. Utilicemos eejemplo para ver c6mo se inicia un potencial de acci6n.La percepci6n de un dolor agudo cuando la chincheta entra en el pie esta casada por la generaci6n de potenciales de acci6n en determinadas fibras nerviosa

de la piel (aprenderemos mas sobre el dolor en el cap. 12). Se cree que la rnem


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40

20;; -. stil 0~.0EO J -20O J'or o(3 -40O J- 0Q ._-60

-800

a2 3

Tiempo (rns)

T PROPIEDADESDEL POTENCIAL DEACCION 77

o mV

Potencialde reposo

Sobreexcitaci6n

descendente

b

brana de estas fibras po see un tipo de canal dependiente de sodio que se abrecuando Ia terminal nerviosa es estirada. La cadena inicial de acontecimientos es,par tanto: 1) la chincheta penetra en la piel. 2) la membrana de lasfibras nervio-sas de la piel es estirada y 3) se abren canales permeables al Na". Debido al grangradiente de concentracion y la carga negativa del citosol. los iones Na" entran enla fibra a traves de estos canales. La entrada de Na" despolariza la membrana; estoes. la superficie citoplasrnatica (el interior) de la membrana se hace menos nega-tiva. Si esta'despolarizacion, denominada po t enc ial qenerador , alcanza un nivel cri-tico, la membrana generara un potencial de accion. El nivel critico de despolari-zacion que debe cruzarse para desencadenar un potencial de accion se denorninaumbral. L os p ote nc ia le s d e a cc io n e std n c au sa do s p or la d es po la riz ac io n d e fa m em bra namas aIM d el umb ra l.La despolarizacion que causa los potenciales de accion se crea de diferentes rna-

neras en diterentes neuronas. En nuestro ejemplo anterior, la despolarizacion lacause la entrada de Na" a traves de canales ionicos especializados que eran sen-sibles al estiramiento de la membrana. En las interneuronas, la despolarizacionocurre habitualmente por la entrada de Na" a traves de canales que son sensiblesa los neurotransmisores liberados por otras neuronas. Adernas de estas formasnaturales, las neuronas pueden ser despolarizadas inyectando una corriente elec-trica a traves de un microelectrodo, un me to do utilizado habitualmente por losneurocientificos para estudiar los potenciales de accion en diferentes celulas.La genera cion de un potencial de accion despolarizando una neurona es algo

parecido a sacar una fotograffa apretando el boron del obturador de una carnara.La aplicacion de mas presion en el boron no tiene efecto hasta que aquella cru-za un valor umbral y entonces click: se abre el obturador y parte de la pelicu-la queda expuesta. La aplicacion de una despolarizacion creciente a una neuronano tiene efecto hasta que cruza un urnbral. y entonces POP, se crea un poten-cial de accion. Por esta razon. se dice que los potenciales de accion son un feno-meno de todo 0 nada.

Generaci6n de multiples potenciales de acci6nEn el ejemplo anterior hemos comparado la genera cion de un potencial de ac-

cion por la despolarizacion con sacar una Iorografia presionando el baton del ob-

FIGURA 4-1Un potencial de acci6n.a) Un potencial de accion tal y como10muestra un osciloscopio. b) Las partesde un potencial de accion,

l


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78 CAPITULO 4 EL POTENCIAL DE ACCION

Metodos de registro de potenciales de accionLos rnetodos utilizados para estudiar los impulsos nerviososse pueden dividir en general en dos tipos: intracelular y ex-tracelular (fig.A). EIregistro intracelular requiere insertar unmicroelectrodo en la neurona 0el axon. EIpequefio tarnafiode la mayorfa de las neuronas hace que esta sea una tareacomplicada, 10 que explica por que la mayorfa de los prime-ros estudios sobre potenciales de accion se realizaron enneuronas de invertebrados, que lIegan a ser 50-100 vecesmayores que las neuronas de los mamfferos. Afortunada-mente, los avances tecnicos recientes han hecho que inclusola mas pequefia de las neuronas de un vertebrado sea acce-sible a los metodos de registro intracelular, y estos estudioshan confirmado que mucho de 10 que se aprendio en los in-vertebrados es aplicable a los seres humanos.Lafinalidad del registro intracelular es sen cilia:medir la di-

ferencia de potencial entre el extrema del electrodo intra-celular y otro electrodo colocado en la disolucion que bafiala neurona (continua con el suelo y denominada, por tanto,tierra). EI electrodo intracelular esta Ilene de una solucionsalina concentrada (habitualmente KCI) que posee una granconductividad electrica, EI electrodo esta conectado a unamplificador que compara la diferencia depotencial entre este electrodo y el elec-trodo tierra. Esta diferencia de potencialse puede mostrar mediante un oscilosco-pio. EIosciloscopio envfa un haz de elec-trones de izquierda a derecha a traves deuna pantalla de fosforo, Las deflexionesverticales de este haz se leen como cam-bios de voltaje. EIosciloscopio no es sinoun sofisticado voltfmetro que puede re-gistrar cambios rapidos de voltaje (comopor ejemplo un potencial de accion).

Como se expone en este capltulo, elpotencial de accion .se caracteriza por unasecuencia de movimientos ionicos a tra-yes de la membrana neuronal. Estas co-rrientes electricas se pueden detectar sinpenetrar en la neurona, colocando unelectrodo junto a la membrana. Este es el

principio del reg is tro ex trace/u /a r . De nuevo medimos la dife-rencia de potencial entre el extrema del electrodo de regis-tro y el electrodo tierra. EIelectrodo puede ser un fino ca-pilar de cristal relleno de una solucion salina, pero a menudoes sencillamente un fino cable rnetalico aislado. Por 10 nor-mal, en ausencia de actividad neuronal, la diferencia de po-tencial entre el registro extracelular y el tierra es cero. Sinembargo, cuando el potencial de accion lIegaa la posicion deregistro, las cargas positivas huyen del electrodo de registrohacia la neurona. Posteriormente, cuando el potencial de ac-cion ha pasado, las cargas positivas salen a traves de la mem-brana hacia el electrodo de registro. Asl, el potencial de ac-cion extracelular se caracteriza por una diferencia de voltajealternante, breve, entre el electrodo de registro y el tierra.Notese la diferente escala de los cambios de voltaje produ-cidos por un potencial de accion en el registro intracelular yen el extracelular. Estos cambios de voltaje se observan uti-lizando un osciloscopio, pero tarnbien se pueden oi r conec-tando la salida del amplificador a un altavoz. Cada impulsoproduce un sonido pop caracterfstico. De hecho, el regis-tro de la actividad de un nervio sensitive en accion suenaigual que el estallido de una palomita de mafz.

Pantalla del osciloscopio40mV20mVo m V

-20mV-40 mV

o

extracelularFIGURA A

turador de una carnara. Pero. (que ocurrina si la camara fuera uno de esos modelos motorizados que utilizan los Iotografos del deporte y de la moda? En escaso una presion continua sobre el boron del obturador mas alia del umbral hari a que la camara disparase una y otra vez. Lo mismo ocurre en las neuronas. Spor ejemplo, pasamos una corriente de despolarizacion continua a una neuronaa traves de un microelectrodo, generaremos no uno, sino muchos potenciales daccion en sucesion (fig. 4-2).


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A ' j ' J t '' - - - ~ - - - ~ ~ ~ ~ s j " 'bJ~~~------------Am--PIi-fic-a-do-r--'Corrient ~. t v T / . _inyectada ~J:l,).1 .o 'J? '>; i/ /\ , f . -od ; ' t v ; d~ bt;?~

f f\

a

>.s'"c'"QEO JEO J-0r o -40'0cO J(5n,

T PROPIEDADES DEL POTENCIAL DEACCION 79

o40

o

-65-80

b

El ritmo de generaci6n de potenciales de acci6n depende de la magnitud de lacorriente continua de despolarizaci6n. Si pasamos a traves de un microelectrodola suficiente corriente para despolarizar justa hasta el urnbral. pero no mas alia,podria ocurrir que la celula generase potenciales de acci6n a un ritmo de alrede-dar de uno par segundo, a 1 Hz. Sin embargo, si forzamos la corriente un pocomas, observaremos que el ritmo de generaci6n de potenciales de acci6n se incre-menta, par ejernplo. a 50 impulsos par segundo (50 Hz). Asi pues. la frecuenciade disparo de potenciales de acci6n refleja la magnitud de la corriente de despo-larizaci6n. Esta es una de las maneras en que el sistema nervioso codifica la in-tensidad de estimulo (fig. 4- 3).Aunque la frecuencia de disparo aumenta can la cantidad de corriente de des-

polarizaci6n, existe un limite en la frecuencia a la que una neurona puede gene-rar potenciales de acci6n. La frecuencia de disparomaxima es unos 1.000 Hz. Una

2. L'"E U8 .~0- U L J L

o - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

-65 mVTiempo

Si la corriente inyectadano despolariza lamembrana hasta elumbral, no se qeneraraninqun potencial deacci6n.

Si la corriente inyectadadespolariza la membranamas alia del umbral, seqensraran potencialesde acci6n.

La frecuencia de disparode potenciales de acci6naumenta a medida que10hace la corrientedespolarizadora.

Corrienteinyectada

TiempoFIGURA 4-2Efecto de inyectar una carga positivaen una neurona. a) Dos electrodoscolocados en el eono ax6nico, uno registrael potencial de membrana en relaci6n conla tierra y el otro estimula la neuronacon una comente e.ectrica. b) Cuando seinyeeta una eomente electrica a la neurona( tr oz od o s up er io r) , la membrana sedespolariza 10sufrciente para drspararpoteneiales de acci6n ( tr oz od o i nf er io r) .

FIGURA 4-3 JOependencia de la frecuercia dedisparo del potencial de accion delgrado de despolarizacion,


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80 CAPITULO 4 EL POTENCIAL DE ACCION

vez iniciado un potencial de accion, es imposible iniciar otro durante alrededode 1 ms. Este periodo de tiempo se conoce como periodo refractario absolutAdemas. puede ser relativamente dificil iniciar otro potencial de accion durantvarios milisegundos despues del periodo refractario absoluto. Durante este pdodo refractario relativo la cantidad de corriente que se requiere para desplarizar la neurona hasta el umbral del potencial de accion se eleva por encima1 0 normal.Analizaremos ahora el modo en que el movimiento de iones a traves demembrana utilizando canales especializados produce una serial neuronal contas propiedades .

... EL POTENCIAL DE ACCION, EN TEORIAEl potencial de accion es una redistribucion espectacular de cargas electricas

traves de la membrana. La despo larizac ion de la celu la duran te el po tencial de acci6nproduce por la en trada de iones sod io a traves de la membrana, y la repo larizaci6n se pduce por la salida de iones po tasio . Apliquemos algunos de los conceptos del capitlo 3 para comprender como se dirigen los iones a traves de la membrana y comestos movimientos ionicos afectan al potencial de membrana.Corrientes de membrana y conductanciasConsidere una neurona imaginaria como la de la figura 4-4. La membrana

esta celula tiene tres tipos de moleculas proteicas: bombas de sodio-potasio.nales de potasio y canales de sodio. Las bombas trabajan juntas para establecermantener gradientes de concentracion. Como en todos los ejemplos previos, asmiremos que el K + esta concentrado veinte veces en el interior de la celula y qel Na" esta concentrado diez veces en el exterior. Segun la ecuacion de Nernst,37 DC , EK = -80 mV y ENa = 62 mv. Utilicemos esta celula para analizar los facres que gobiernan el movimiento de iones a traves de la membrana.Empezamos asumiendo que tanjo los canales de potasio como los de sodiotan cerrados, y que el potencial de membrana, Vrn, es igual a 0 mV (fig. 4-4

Abramos ahora solo los canales de potasio (fig. 4-4 b). Tal y como aprendimoen el capitulo 3, los iones K+ fluiran hacia el exterior de la celula. a favor degradiente de concentracion. hasta que el interior se cargue negativamente,Vm = Ej( (fig. 4-4 c). Enfoquemos ahora nuestra atencion en el movimiento deque llevo el potencial de membrana desde 0 mV hasta -80 rnV, Consideremostos tres puntos:1. El movimiento neto de iones K+ a traves de la membrana es una corrienelectrica. Podemos representar esta corriente utilizando el simbolo IK.

2. El mirnero de canales de potasio abiertos es proporcional a una conductanciaelectrica. Podemos representar esta conductancia por el simbolo gK.3. La corriente de potasio de membrana, IK' fluira solo mientras que Vm *- Er 109Q) deja a los iones del electrodo un\

Pipeta / \I

Neuronaa

Sellogigaohm

b

-65 mV

solo camino, pasar a traves de los canales de la membrana. Siel electrodo se retira posteriormente de la celula, se puedeseparar la porci6n de membrana (parte c) y medir las co-rrientes i6nicas al tiempo que se aplican voltajes constantesa traves de la membrana (parte d). Con un poco de suerte,es posible registrar corrientes que fluyen a traves de canalesunicos, Si la porci6n de membrana contiene un canal de so-dio dependiente de voltaje, al cambiar el potencial de mem-brana de -65 mY a -40 mY se producira la apertura del ca-nal y la corriente (I)fluira a traves de el (parte e). Laamplitudde la corriente registrada a un voltaje de membrana constan-te refleja la conductancia del canal, y la duraci6n de la co-rriente refleja el tiempo que el canal permanece abierto.Los registros del patch-clamp muestran que la mayorfa de

los canales alternan dos estados de conductancia que sepueden interpretar como abierto 0cerrado. EItiempo quepermanecen abiertos puede variar, pero el valor de la con-ductancia de canal unico permanece constante y se dice, portanto, que es unitaria. Los iones pueden pasar a traves de ununico canal a velocidades deslumbrantes, mas de un mill6nde iones por segundo.

c

Canal de sodio(abierto)

d

f-------.l ------------------------------

Exterior

Cambio de voltaje a traves de una porcionde membrana

Canal cerrado \

FIG UR A A e

I


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T ELPOTENCIAL DEACCION. EN REALIDAD 89

tiles pero importantes variaciones en las propiedades del potencial de accion. Re-cientemente se ha sabido que mutaciones de un unico aminoacido de las regio-nes extracelulares de un canal de sodio causan una enfermedad hereditaria habi-tual en nifios conocida como epilepsia generalizada con convulsiones febriles. Lascrisis epilepticas se producen por una actividad electrica explosiva, sincronica enel cerebro. La epilepsia se estudia con detalle en el capitulo 19. En esta enferme-dad las crisis ocurren en respuesta a la fiebre. Se limitan habitualmente a la pri-mera infancia, entre los 3 meses y los 5 afios de edad. Aunque no esta del todoclaro como se desencadenan las crisis por un incremento de la temperatura cere-bral, entre otros efectos las mutaciones enlentecen la inactivacion del canal de so-dio, prolongando el potencial de accion. La epilepsia generalizada con convulsio-nes febriles es una canalopatia, una enfermedad genetics humana causada poralteraciones de la estructura y la Iuncion de los canales ionicos.Efectos de las toxinas sobre el canal de sodio. Toshio Narahashi. traba-jando en Ia Duke University a principios de los afios 1960, realize el descubri-miento original de que una toxin a aislada de los ovarios del pez globo podia blo-quear de forma selectiva el canal de sodio (cuadro 4- 3). La tetradotoxina (TTX)bloquea el poro permeable al Na" uniendose firmemente a un Iugar especifico enel exterior del canal. La TTX bloquea todos los potenciales de accion dependien-tes del sodio y, por tanto, es letal si se ingiere. Sin embargo, los peces globo se con-sideran una delicia culinaria en Japan. Los cocineros especializados en sushi seentrenan durante afios y son licenciados por el gobierno para preparar el pez glo-bo de forma que al comerlo se sienta un adormecimiento alrededor de la boca.[Eso sf que es una gastronomia atrevida!La TTX es una de las toxinas que interfieren con el funcionamiento normal del

canal de sodio dependiente de voltaje. Otra toxina bloqueadora de canal es la sa -xi toxina, producida por dinoflagelados del genero Gonyau lax . La saxitoxina se con-centra en almejas, mejillones y otros mariscos que se alimentan de estos proto-zoos marinos. Ocasionalmente, los dinoflagelados florecen. produciendo 1 0 quese conoce como rnarea roja. EI ingerir marisco en esas ocasiones puede resul-tar fatal debido a la alta concentracion de la toxina. Adernas de las toxinas que bloquean los canales de sodio. algunos compuestos

alteran la funcion del sistema nervioso provo cando la apertura inadecuada de ca-nales. A esta categoria pertenece la batraco toxina, aislada de la piel de una especiede rana colombiana. La batracotoxina produce la apertura de los canales a un po-tencial mas negativo y que permanezcan abiertos mucho mas tiempo de 1 0 habi-tual, alterando la informacion codificada por los potenciales de accion. Toxinasproducidas por los Iirios (veratridina) y por los ranunculos (aconitina) tienen me-canismos de accion similares. La inactivacion de los canales de sodio tarnbien esalterada por toxinas de escorpiones y anernonas marinas.(Que podemos aprender de estas toxinas? En primer lugar, las diferentes toxi-nas alteran la funcion de los canales uniendose a diferentes lugares de la protei-

na. La informacion sobre la union de las toxinas y sus consecuencias han ayuda-do a los investigadores a deducir la estructura tridimensional del canal de sodio.Segundo, pueden utiJizarse las toxinas como herramientas experimentales paraestudiar las consecuencias de bloquear los potenciales de accion. Por ejemplo,como veremos en capitulos posteriores. la TTX se utiliza habitualmente en expe-rimentos en los que hay que bloquear los impulsos de un nervio 0 un rmisculo.(La tercera y mas importante leccion derivada del estudio de las toxinas? jCuida-do con 1 0 que se mete en la boca!

Canales de potasio dependientes de voltajeLos experimentos de Hodgkin y Huxley indica ron que la fase descendente del

potencial de accion se explicaba solo parcialmente por la inactivacion de la gNa' !


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90 CAP iT U L 0 4 EL POTENCIAL DE ACCION

La tetradotoxina y el am anecer dela farm acologia d e los can ales ion icosEIpez globo se considera el pescado mas delicioso de Jap6n(fig.A). Sin embargo, la tetradotoxina (TTX) que contienehace muy peligroso comerlo y se requiere una licencia es-pecial para servirlo en un restaurante en Jap6n. A algunosamantes del pescado les encanta la sensaci6n de adormeci-miento ~n los labios que se produce al ingerir una pequefiapieza de ovario 0 higado que contiene TTX. Esto ocasiona aveces una muerte accidental, causada por la paralisis del dia-fragma debido al bloqueo neuromuscular. LaTTX ha resul-tado ser tambien una excelente arma para la neurofisiolo-gia. Poco despues de comenzar mi carrera cientifica en laUniversidad deTokio,encontre unos articulos fascinantes deHodgkin, Huxley y Katz en los que se utilizaba la tecnica depinzamiento de voltaje ( vol tage c lamp) originalmente inven-tada por Cole. Era el amanecer de la teoria de los canalesi6nicos en la excitaci6n nerviosa. Desde aquel momento heperseguido el suefio de explicar el mecanisme de acci6n dediferentes sustancias en relaci6n con los cambios de la fun-ci6n de los canales i6nicos. Sin embargo, el c lamp de voltajeercl una tecnlca extremadamente dificil en aquel momento.En 1959 descubri una acci6n muy especifica y potencial-mente importante de la toxina TTX del pez globo. Utilizan-

FIGURA AEIpez globo se hincha cuando esta irritado. (Porcortesfadel D r. T . Narahashi.)

par Toshio Narahashido el registro intracelular de potenciales de acci6n median-te un microelectrodo colocado en el rnusculo esqueleticode la rana, encontramos que laTTX bloqueaba los poten-ciales de acci6n a traves de la inhibici6n selectiva de canalesde sodio sin producir cambios en los canales de potasio. Sinembargo, la respuesta final precisaba la utilizaci6n del pinza-miento de voltaje.Cornunique el estudio con TTX en la reuni6n de laAso-

ciaci6n Japonesa de Farmacologia en Tokio en 1960. Entre laaudiencia habia s610 dos j6venes farrnacologos que cono-dan los canales i6nicos, y hubo intensas discusiones. Losdoctores Masanori Otsuka y Makoto Endo han sido desdeentonces buenos amigos mios.EIdla en que me fui a Estados Unidos, en 1961,el Dr. No-

rimoto Urakawa, un colaborador en el estudio de laTTX,meti6 un pequefio vial de TTX en mi bolsillo. Esperabarnosque algun dia fueramos capaces de probar la validez denuestra hip6tesis de la acci6n de laTTX mediante la tecni-ca de c lamp de voltaje.La oportunidad me lIeg6 finalmente a finales de 1962 en

el centro medico de la Duke University. EIdoctor John W.Moore, un e;perto en el c lamp de voltaje y yo pensamosque podlarnos terminar los experimentos con TTX antes demi vuelta a Jap6n para obtener un visado de inmigrante.Realizamos los experimentos utilizando axones gigantes delangosta literalmente durante el dia y la noche en Navida-des, con la ayuda de William Scott (entonces estudiante demedicina). La tecnica era extremadamente dificil,pero con-seguimos unos resultados suficientes para ser publicados.Lleve las recien sacadas peliculas de 35 mm a Jap6n (no ha-bla ordenadores entonces) para analizarlas.Tras enviar el ar-ticulo, recibi la primera petici6n de una muestra de TTX jus-to tras la firma de uno de los revisores.Este articulo de 1964, que demostraba claramente la ca-pacidad de laTTX para bloquear de forma selectiva y poten-te los canales de sodio, marc6 el comienzo de una nueva era.A comienzos de 1960 era impensable que se pudiera utilizarproductos qulrnicos y toxinas como herramientas para estu-diar la funci6n de los canales i6nicos. LaTTX se ha utilizadodesde entonces como una herramienta quimica popular paracaracterizar los canales de sodio y otros canales, debido a suacci6n altamente espedfica. EIestudio con TTX abri6 de he-cho un nuevo concepto de estudiar el mecanisme ~e acci6nde diferentes farmacos, toxinas y productos qui~icos so-bre receptores neuronales y canales i6nicos, un campo de laneurociencia que esta ahora floreciendo en la ciencia bio-medica.


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T ELPOTENCIAL DEACCION, EN REALIDAD

Descubrieron que existia tarnbien un incremento transitorio de la gK que acele-raba la restauracion de un potencial de membrana negativo tras una punta. Pro-pusieron la existencia de puertas de potasio en la membrana que, al igual que lasde sodio, se abrian en respuesta a la despolarizacion de la membrana. Sin embar-go, a diferencia de las puertas de sodio, las de potasio no se abren inmediatamentedespues de la despolarizacion, Tardan alrededor de 1ms en abrirse. Debido a esteretraso. y porque la conductancia del potasio sirve para rectificar, 0 recuperar, elpotencial de membrana, esta conductancia se denomino rect if ic ador d i fer ido .Sabemos ahora que hay muchos diferentes tipos de canales de potasio de-

pendientes de voltaje. La mayoria de ellos se abren cuando la membrana se des-polariza y funcionan para disminuir una despolarizacion posterior al proporcionara los iones K+ un camino para dejar la celula a traves de la membrana. Los cana-les de potasio dependientes de voltaje que conocemos tienen una estructura simi-lar. Las proteinas de canal consisten en cuatro subunidades polipeptidicas separa-das que se unen formando un poro entre ellas. Como en el caso del canal de sodio,estas proteinas son sensibles a los cambios del campo electrico a traves de la mem-brana. Cuando se despolariza la membrana, se cree que las subunidades giranadoptando una forma que permite el paso de iones K+ a traves del poro.

Conjunci6n de las piezasPodemos ahora utilizar 1 0 que hemos aprendido sobre iones y canales para ex-

plicar las propiedades clave del potencial de accion (fig. 4-10). Umbral. EI umbral es el potencial de membrana al que se abren los suficientescanales de sodio dependientes de voltaje de modo que la permeabilidad ioni-ca relativa de la membrana favorece al sodio sobre el potasio.

F ase a sc en de nte . Cuando el interior de la membrana tiene un potencial electri-co negativo, hay una gran fuerza que dirige los iones Na". Por tanto, los ionesNa" entran a la celula a traves de los canales de sodio abiertos, haciend'o quela membrana se despolarice rapidamente.

S ob re ex ci ta ci 6n . Como la permeabilidad relativa de la membrana favorece deforma importante al sodio. el potencial de membrana llega a un valor cercanoa ENa, que es superior a 0 mY.

F as e d es ce nd en te . EI comportamiento de dos tipos de canal contribuye a la fase des-cendente. En primer lugar, los canales de sodio dependientes de voltaje se inac-tivan. En segundo lugar, los canales de potasio dependientes de voltaje final-mente se abren (estimulados a hacerlo 1 ms antes por la despolarizacion de lamembrana). Hay una gran fuerza que dirige los iones K+ cuando la membranaesta muy despolarizada. Por tanto, los iones K+ salen de la celula a traves de loscanales abiertos, haciendo que el potencial de membrana sea de nuevo negativo.

F as e r efra cta ria . Los canales de potasio dependientes de voltaje abiertos se ana-den a la permeabilidad al potasio de la membrana en reposo. Como existe unabaja permeabilidad al sodio, el potencial de membrana se acerca a EK, produ-ciendo una hiperpolarizacion relativa al potencial de membrana de reposohasta que los canales de potasio dependientes de voltaje se cierran de nuevo.

P erio d re fra cta rio a bso lu to . Los canales de sodio se inactivan cuando la mem-brana esta muy despolarizada. No pueden ser activados de nuevo y no es po-sible generar un nuevo potencial de accion hasta que el potencial de membra-na se haga 1 0 suficientemente negativo como para reactivar los canales.

P er io do r ef ra cta rio r el ati vo . El potencial de membrana permanece hiperpolariza-do hasta que los canales de potasio dependientes de voltaje se cierran. Por tan-to, se requiere mas corriente despolarizadora para llevar el potencial de mem-brana al umbra!.

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92 CAPiTULO 4 El POTENCIAL DE ACCION

FIGURA 4-10Bases moleculares del potencial de acci6n. a) Cam bios delpotencial de membrana a 10largo del potencial de acci6n. La faseascendente del potencial de acci6n esta causada por la entrada deiones sodio a traves de cientos de canales de sodio dependientes devoltaje. b) Corrientes hacia el interior a traves de tres canales de sodiodependientes de vol taje representativos. Cada canal se abre con unpequef io retraso cuando la membrana se despolar iza hasta el umbra!.Los canales permanecen abiertos no mas de I ms y posteriormenteson inactivados. c) La corriente de Na" total que pasa a traves de loscanales de sodio. d) Las corrientes hacia el exterior a traves detres canales de potasio dependientes de voltaje representativos.Los canales de potasio dependientes de voltaje se abren alrededor deI ms despues de que la membrana sea despolarizada hasta el umbral ypermanecen abiertos mientras la membrana esta despolarizada. La altapermeabilidad al potasio causa que la membrana se hiperpolaricebrevemente. Cuando los canales de potasio dependientes de voltaje secierran, el potencial de membrana se relaja de nuevo al valor dereposo, alrededor de -65 mY. e) Suma de las corrientes de K+ a travesde todos los canales de potasio. f) Corriente transmembrana netadurante el potencial de acci6n (suma de las partes c y e).

a" '

Corrientes a ~.''''''d"o'~:Tc .I d ' ornecan a es e , -, ' Tsodio " : entrandependientes ': : Tde voltaje : , :b" ',Sum a de lascorrientes deNa" a travesde todos loscanales C

Corrientes atraves de loscanales depotasiodepejidientesde voltaje

Suma de lacorriente deK+ a travesde todoslos canales

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e

Salida t Corriesalien~

Corrientetransrnembrana __ .;.__--I--:---------" .....-.;neta Corrie

entranl~flUjO de Na+

Hemos vista que los canales y el movimiento de iones a traves de ellos puedeexplicar las propiedades del potencial de acci6n. Pero es importante ecordar qla bomba de sodio-potasio tarnbien trabaja calladarnente en el Iondo. Imaginque la entrada de Na" durante cada potencial de acci6n es como una ola que pa


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T CONDUCCION DE LOS POTENCIALES DEACCION 93

sobre la proa de un barco que navega por mares revueltos. Al igual que la accioncontinua de Ia bomba de achique del barco, la bomba de sodio-potasio trabajacontinuamente para transportar el Na" de vuelta a traves de la membrana. Labomba mantiene los gradientes de concentracion ionica que dirigen el Na " y elK+a traves de sus canales durante el potencial de accion .

... CONDUCCION DE LOS POTENCIALES DE ACCIONPara transferir la informacion de un punto a otro del sistema nervioso. es ne-

cesario que el potencial de accion, una vez generado, sea conducido a traves delaxon. Este proceso es como quemar una mecha. Imagine que sujeta un petardocon una cerilla bajo la mecha. La mecha se enciende cuando se calienta 1 0 sufi-ciente (por encima de un umbral). El extremo encendido de la mecha calienta elsegmento de mecha inmediatamente anterior a ella hasta que este se enciende.De esta manera, la llama camina con un ritmo fijo a 1 0 largo de la mecha. Noteseque la mecha solo puede quemarse en una direccion: la llama no puede volverarras porque el material combustible en ese lugar se ha agotado.La propagacion del potencial de accion a 1 0 largo del axon es similar a la pro-

pagacion de la llama a 1 0 largo de la mecha. Cuando se despolariza el axon 1 0 su-ficiente como para alcanzar el umbral. los canales de sodio dependientes de vol-taje se abren y se inicia el potencial de accion. La entrada de carga positivadespolariza el segmento de membrana inmediatamente anterior hasta que llegaa un umbral y genera su propio potencial de accion (fig. 4-11). De esta manera,el potencial de accion se abre camino por el axon hasta alcanzar la terminal axo-nica, iniciando as! la transrnision sinaptica (el tema del cap. 5).Un potencial de accion iniciado en un extremo del axon se propaga solo en una

direccion: no retrocede. Esto ocurre porque la membrana que deja an-as esta enfase refractaria debido ala inactivacion de los canales de sodio. Pero. al igual queuna mecha, un potencial de accion se puede generar despolarizando cualquierade los extremos del axon y as! puede propagarse en cualquier direccion, (Nor-malmente, los potenciales de accion son conducidos solo en una direccion, Iq quese conoce como conduccion ortodr6mica . La conduccion hacia atras, obtenida al-gunas veces experimentalmente, se llama conduccion ant idromica . i.0 - (

Instante 0

e(= : =~ . J~~~o-=====" , (1 ms despues2 ms despues

3 ms despues IIG UR A 4 -1 1Conducci6n del potencial de acci6n. La entrada de carga positiva durante el potencial deaccion hace que la membrana inmediatamente anterior sea despolarizada hasta el umbra!


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Como la membrana axonica es excitable (capaz de generar potenciales de accionen toda su longitud, el impulso se propagara sin decremento. La mecha trabajala misma forma, porque su material es combustible en toda su longitud. PeIO, a dferencia de la mecha. el axon puede regenerar su capacidad para encenderse.Las velocidades de conduccion del potencial de accion varian, si bien 10 mls

una velocidad tipica. Debemos recordar que desde el inicio hasta el finalla duracion del potencial de accion es de W10S 2 ms. A partir de este dato, podemos calclar la longitud de la membrana que esta implicada en el potencial de accion en cuaquier momento:

10mls X 2 X 10-3 S = 2 X 10-2 m.Asi pues. un potencial de accion que se desplaza a 10 mls abarca 2 cm del axon

Factores que influyen en la velocidad de conducci6nRecuerde que la corriente entrante de Na" durante el potencial de accion de

polariza la porcion de membrana inmediatamente anterior. Si esta porcion acanza el umbra I, disparara un potencial de accion y este se desplazara a travesla membrana. La velocidad con la que se propaga el potencial de accion a 10 lago del axon depende de la distancia a la que se extienda la despolarizacion pdelante del potencial de accion. 10 que a su vez depende de determinadas carateristicas fisicas del axon.Imagine que la entrada de carga positiva al axon durante el potencial de accio

es como abrir el agua en una manguera con fugas. Hay dos caminos que puedtomar el agua: uno, a traves del interior de la manguera; el otro, a traves defugas. La cantidad de agua que tome cada camino depende de su resistencia reltiva. La mayoria del agua ira por el camino de menor resistencia. Si la mangueraes estrecha y las fugas son numerosas y grandes. la mayorfa del agua fluira a tryes de las fugas. Si la manguera es ancha y las fugas son pocas y pequefias. la myorfa del agua fluira a traves del interior de la manguera. Los mismos principioson aplicables al avance de la corriente positiva a traves del axon por delanteun potencial de accion.Hay dos caminos que Ia carga positiva puede tomar: uno, a traves del interio

del axon. El otro. a traves de la membrana axonica. Si el axon es estrecho y hmuchos poros de membrana abiertos, la mayoria de la corriente fluira hacia el eterior a traves de la membrana. Si el axon es amplio y hay pocos poros de membrana abiertos. la mayoria de la corriente fluira por el interior del axon. Cuantmas lejos vaya la corriente por el axon, mas lejos llegara la despolarizacion pdelante del potencial de accion, y mas rapido se propagara el potencial de accioAs! pues, como regIa general, la velocidad de conduccion del potencial de accioes mayor cuanto mayor es el diametro axonico.Como consecuencia de esta relacion entre el diarnetro del axon y la velocida

de conduccion. las vias nerviosas que son especialmente importantes para la spervivencia han desarrollado axones especialmente grandes. El axon gigante dcalamar es un buen ejemplo. Es parte de una via que media el reflejo de huidarespuesta a una estimulacion sensorial intensa. El axon gigante del calamar pude tener 1 mm de diarnetro. tan grande que originalmente se pensaba que contituia parte del sistema circulatorio del animal. La neurociencia tiene una deudcon el zoologo britanico J. Z. Young, quien en 1939 llarno la atencion sobreaxon gigante del calamar como una preparacion experimental para el estudiola biofisica de la membrana neuronal. Hodgkin y Huxley utilizaron esta preparacion para dilucidar la base ionica del potencial de accion, y el axon gigante se cotinua utilizando hoy en dia para un gran abanico de estudios neu biologicoEI tarnafio del axon y el mirnero de canales dependientes de vol aje tarnbie

afectan a la excitabilidad axonica. Los axones mas pequeiios requieren una depolarizacion mayor para alcanzar el umbral del potencial de accion y son msensibles al bloqueo por anestesicos locales (cuadro 4-4).


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... CONDUCCION DE LOS POTENCIALES DE ACCION 95

Anestesia localAunque ha intentado aguantarlo, ya no puede mas. Final-mente se rinde al dolor de muelas y va al dentista. Afortu-nadamente, la peor parte de un empaste es el dolor del pin-chazo de la aguja en la encia. Despues de la inyeccion, suboca queda dorm ida y queda en un ensuefio mientas eldentista repara el diente. iQue se Ie inyecto y como fun-ciona?EI primer anestesico local introducido en la practica de

la medicina fue la cocaina. Este producto fue aislado prime-ro en 1 8 1 > 0 por el medico aleman Albert Niemann a partirde las hojas de la planta de coca. De acuerdo con las cos-tumbres de los farrnacologos de entonces, Niemann sabo-reo el nuevo compuesto y descubrio que Ie adormecia lalengua. Se descubrio pronto que la cocaina tiene propieda-des toxicas y adictivas. (Los efectos mentales de la cocainalos estudio otro conocido medico de la epoca, SigmundFreud. La cocaina altera el estado de animo por un meca-nismo diferente del de su accion anestesica local, como ve-remos en el cap. 15).La busqueda de un anestesico apropiado para sustituir a

la cocaina llevo al desarrollo de la lidocaina, que es el anes-tesico local mas utilizado en la actualidad. La lidocaina sepuede disolver en una gelatina y ser aplicada asi a la muco-sa de la boca 0a otras mucosas para adormecer las termi-nales nerviosas (anestesia t6pica). Tambien se inyecta direc-tamente en un tejido ( an este sia p ar in filtra ci6 n) 0en unnervio ( bl oq u eo n e rv io so ). Es posible incluso perfundirla en elliquido cefalorraquideo que envuelve la rnedula espinal( ane s te s ia e s pi nal ) donde adormece extensas porciones delcuerpo.La lidocaina y otros anestesicos locales evitan los poten-

ciales de accion uniendose a los canales de sodio depen-dientes de voltaje. EI lugar de union de la lidocaina se haidentificado como la helice a S6 del dominio IV de la pro-teina (fig.A). La lidocaina no puede lIegar a este lugar desdeel exterior. EI anestesico debe primero cruzar la membranaaxonica y luego pasar a traves de la compuerta abierta delcanal para lIegar a su lugar de union en el interior del poro.Esto explica por que los nervios se bloquean con mas rapi-dez (los canales de sodio estan abiertos mas frecuentemen-te). La union de la lidocaina altera el flujo de Na" que se pro-duce de forma normal al despolarizar el canal.Los axones mas pequefios son afectados por los aneste-

sicos locales antes que los axones grandes, porque sus po-tenciales de accion tienen un menor margen de seguridad.Deben funcionar una mayor proporcion de canales de sodiodependientes de voltaje para asegurar que el potencial deaccion no se apague a medida que es conducido a 10 largo

del axon. Esta mayor sensibilidad de los axones pequefios alos anestesicos locales es utll en la practica clinica. Comodescubriremos en el capitulo 1 2, son las fibras pequefias lasque conducen la informacion de los estimulos dolorosos,como un dolor de muelas.

Helice a 86

Lugares deuni6n de lalidocaina

FIGURA AMecanismo de acci6n de la lidocafna. (A daptado deH ardm a n et a l., 1 996, fig. 1 5-3.) I


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Mielina y conducci6n saltatoriaLo bueno de los axones gruesos es que conducen los potenciales de accion ma

rapidamente: 10 malo es que ocupan mucho espacio. Si todos los axones del crebro tuvieran el diarnetro del axon gigante de calamar, nuestra cabeza seria tagrande que no pasaria a traves de la puerta de un garaje. Afortunadamente, lovertebrados desarrollaron otra solucion para incrementar la velocidad de conduccion del potencial de accion: envolver el axon con un aislante denominadomielina (v. cap. 2). La vaina de mielina esta compuesta por rnuchas capas dmembrana provenientes de celulas gliales de apoyo, las celulas de Schwann ensistema nervioso perilerlco (Iuera del cerebro y de la rnedula espinal) y la oligodendroglia en el sistema nervioso central. De igual forma que envolver con uncinta una manguera con fugas facilita que el agua fluya por dentro de la manguera, la mielina facilita el flujo de corriente por el interior del axon, incrernen-tando la velocidad de conduccion del potencial de accion (cuadro 4- 5).La vaina de mielina no se extiende de forma continua a 10 largo de todo el axon

En esta capa aislante existen interrupciones donde los iones cruzan la membranapara generar potenciales de accion, Como se expuso en el capitulo 2, estas interrupciones en la vaina de mielina son los nodules de Ranvier (fig. 4-12). Los canales de sodio dependientes de voltaje se concentran en la membrana de los nodulesLa distancia entre nodules es habitualmente de 0,2 a 2 mm. dependiendo del tmafio del axon (axones mas gruesos tienen distancias internodales mayores).Imagine que el potencial de accion que viaja a 10 largo de la membrana axo

nica es como una persona que camina por la acera. La conduccion de potencialesde accion sin mielina es como caminar por la acera a pequefios pasos, apoyando

Lagran importancia de la mielina para el transporte normalde la informacion en el sistema nervioso humano la revelauna enfermedad neurologica conocida como e sc le ro s is mu lt i-pl e (EM).Los pacientes con EMsuelen referir debilidad, faltade coordinaclon y deterioro de la vision y del habla. La en-fermedad es caprichosa, habitualmente cursa con remisionesy recurrencias a 1 0 largo de muchos afios. Aunque la causaexacta de la EMtodavfa no se conoce bien, la de las altera-ciones sensitivas y motoras esta bastante clara. La EMatacalas vainas de mielina de los haces de axones en el cerebro, larnedula espinal y los nervios opticos. La palabra esclerosisprocede del griego y significaendurecimiento, 1 0 que des-cribe las lesiones que se desarrollan alrededor de los hacesde axones. La esclerosis es multiple porque la enfermedadataca muchos lugares del sistema nervioso al mismo tiempo.Las lesiones cerebrales se pueden ver ahora de forma no

invasivacon nuevos rnetodos como la resonancia magnetica(RM).Sin embargo, los neurologos han sido capaces de diag-nosticar la EMdurante muchos afios por el hecho de que lamielina sirve en el sistema nervioso para incrementar la ve-loc;idad de la conduccion axonica. Una tecnica sencilla con-

Esclerosis multiple, unaenfermedad desmielinizante

siste en estimular el ojo con un patron de tablero de ajedrezy medir despues el tiempo que tarda en producirse una res-puesta electrica en el cuero cabelludo sobre el area cerebralque recibe la inervacion del nervio optico. Los pacientes conEM se caracterizan por un marcado enlentecimiento de lavelocidad de conduccion del nervio optico.Otra enfermedad desmielinizante es el sindrome de Gui-

/lain-Barre, que ataca lamielina de los nervios perifericos queinervan los rnusculos y la plel. Esta enfermedad puede ocu-rrir tras enfermedades infecciosas banales e inoculaciones,y parece ser el resultado de una respuesta inmunitaria anor-mal contra la mielina propia. Los sfntomas se originan direc-tamente del enlentecimiento y/ o falta de conduccion de po-tenciales de accion en los axones que inervan los rnusculos.Este deficit de conduccion se demuestra en la clfnica esti-mulando electricamente los nervios perifericos a traves dela piel y midiendo el tiempo que se tarda en producir unarespuesta (p.ej., la contraccion de un musculoj.Tanto la EMcomo el sfndrome de Guillain-Barre se caracterizan por unimportante enlentecimiento de la latencia de respuesta,porque la conduccion saltatoria se interrumpe. f


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. .. POTENCIALES DEACCION, AXONES Y DENDRITAS 97

Nodulede Ranvier '--- ~~------JVaina de mielina

Instante cera

1 ms despues

del tal6n a los dedos, utilizando cad a centfmetro de la acera para avanzar lenta-mente. La conducci6n con mielina, en cambio. es como ir dando saltos par la ace-ra. En los axones mielinizados los potenciales de acci6n saltan de nodule a no-dulo (fig. 4-13). Esta forma de prapagaci6n de los potenciales de acciori sedenomina conducci6n saltatoria.

~ POTENCIALES DE ACCION, AXONES Y DENDRITASLos potenciales de accion del tipo de los expuestos en este capitulo son carac-

teristicos de los axones. Como regia general, las membranas de las dendritas y delos cuerpos celulares de las neuronas no generan potenciales de accion depen-dientes de sodio parque tienen muy pocos canales de sodio dependientes de vol-taje. S610 la membrana que posea estas moleculas proteicas especializadas es ca-paz de generar potenciales de accion. y este tipo de membrana excitable seencuentra habitualmente 5610en axones. As! pues. la parci6n de la neurona don-de se origina el axon a partir del soma, el cono axonico. se conoce a menu do tam-bien como la zona de inicio de las puntas. En una neurona tipica del cerebraa de la medula espinalla despolarizacion de las dendritas y del soma causada parlas entradas sinapticas de otras neuronas lleva a la generacion de potencialesde accion si la membrana del e on o a xo nic o se despolariza mas alla del umbral(fig.4 -14 a). Sin embargo, en la may aria de las neuronas sensitivas la zona de ini-cia de las puntas se sinia junto a las t erm in ae io n e s n e rv i os a s s ens it iv a s, donde la des-

FIGURA 4-12Vaina de mielina y n6dulo deRanvier. EI aislamiento electrico queaporta la mielina ayuda a acelerar laconducci6n de potenciales de acci6n den6dulo a n6dulo. Los canales de sodiodependientes de voltaje se concentran enla membrana ax6nica en los nodules deRanvler

FIGURA 4-13Conducci6n saltatoria. La mielinapermite a la corriente extenderse mas lejosy mas rapido entre los n6dulos, acelerandoas! la conducci6n de los potenciales deacci6n. Compare esta figura con lafigura 4-1 I.

/


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98 CAP iT U L 0 4 EL POTENCIAL DE ACCION

FIGURA 4-14Zona de inicio de las puntas. Lasproteinas de membrana determinan lafuncion de diferentes partes de la neurona.Se muestra aqut a) una neurona corticalpiramidal y b) una neurona sensit ivaprimaria.A pesar de la diversidad de laestructura neuronal, la membrana axonicase puede identi ficar a nivel molecular porsu alta densidad de canales de sodiodependientes de voltaje. Esta distincionmolecular permite a los axones generar yconducir potenciales de accion. La regionde la membrana donde normal mente segeneran [os potenciales de accion es lazona de inicio de las puntas. Estas indican ladireccion normal de la propagacion depotenciales de accion en estos dos tipos deneuronas.

c::J Membrana con altadensidad de canalesde sodio dependientesde voltaje

Neuronasensitiva

Zona de inicio --na de inicio de puntas: -

terrninacion nerviosa sensitivaa b

polarizacion causada por la estimulacion sensitiva !leva ala genera cion de poteciales de accion que se prapagan por los nervios sensitivos (fig. 4-14 b).En el capitulo 2 aprenclimos que los axones y las dendritas difieren en su m

fologia. Vemos ahora como adernas son funcionalmente diferentes, y que estaferencia de la funcion esta determinada a nivel molecular por el tipo de protefnde la membrana neuronal. Diferencias del tipo y de la densidad de los canalesnicos de membrana pueden explic~r tarnbien las caracterfsticas prapiedades etricas de diferentes tipos de neuronas (cuadra 4-6).

T COMENTARIOS FINALESVolvamos brevemente al ejemplo del capitulo 3, pisar una chincbeta. La ro

ra de la piel por la punta de la chincheta estira las terminaciones nerviosas sentivas del pie. Canales ionicos especiales que son sensibles al estirarniento dmembrana se abren y permiten que iones sodio cargados positivamente entren las terminales nerviosas. Esta entrada de carga positiva despolariza la mebrana de la zona de inicio de las puntas basta el urnbral. y se genera el potencde accion. La carga positiva que entra durante la fase ascendente del potencialaccion se extiende a 10 largo del axon y despolariza la membrana adyacente bta el umbra!' De esta forma, el potencial de accion se regenera continuamentemedida que discurre por el axon sensitivo. Llegamos ahora al punta en el quinformacion se distribuye y se integra a traves de otras neuronas en el sistenervioso central. Esta transferencia de informacion de una neurana a otra sema transmision sindptica, el objetivo de los proximos dos capitulos,No deberia ser una sorpresa que la transmision sinaptica. como el potencial

accion. dependa de proteinas especializadas de la membrana neuronal. Asi,pezamos aver el cerebro como una complicada red de membranas neuronalesinteraccion. Tenga en cuenta que una neurona tfpica con todas sus neuritas tiuna superficie de membrana de unos 250.000 urrr'. La superficie d~ los 100.0millones de neuronas que componen el cerebra bumano es 25.0QO rrr'. el ade cuatra campos de futbol. Esta extension de membrana, con su gran mirneromoleculas prateicas especializadas, constituye la Iabrica de nuestra mente.


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... COMENTARIOS FINALES 99

EI eclectico comportamiento electricode las neuronasLas neuronas no son todas iguales. Varian en forma, ta-mana y conexiones. Las neuronas son tam bien diferentesen sus propiedades electricas, La figura A muestra algu-nos ejemplos de la diversa conducta de las neuronas.La corteza cerebral tiene dos tipos principales de neu-

ronas, definidas por su morfologfa: celulas espinosasestrelladas y celulas piramidales espinosas. Una celula es-trellada responde tfpicamente a la inyeccion de una co-rriente despblarizante constante en el soma disparandopotenciales de accion a una frecuencia relativamenteconstante durante el estimulo (parte a). Sin embargo, lamayo ria de las celulas piramidales no pueden sostener unritmo de disparo constante. Disparan rapidarnente alprincipio del estfmulo y posteriormente se frenan, aun-que el estimulo siga siendo intense (parte b). Este en len-tecimiento con el tiempo se denomina adaptaci6n y esuna propiedad muy frecuente entre las celulas excitables.Otro patron de disparo es la salva, un rapido conjunto depotenciales de accion seguidos por una breve pausa.Algunas celulas, incluido un subtipo de neurona piramidalgrande de la corteza, pueden incluso responder a un es-tirnulo cconstante con salvas ritrnicas, repetitivas (par-te c). La variabilidad de los patrones de disparo no estaconfinada a la corteza cerebral. Exploraciones de muchasareas del cerebro indican que las neuronas tienen un sur-tido de comportamientos electricos tan amplio como elde morfologfas.iCual es el responsable de la conducta diversa de los

diferentes tipos de neuronas? Finalmente,la fisiologfa decad a neurona esta determinada por las propiedades y elnumero de canales ionicos de su membrana. Existen mu-chos mas canales ionicos que los po cos descritos en estecapitulo y cada uno tiene propiedades diferentes. Porejemplo, algunos canales de potasio son activados de for-ma muy lenta. Una neurona con una alta densidad de es-tos rnostrara adaptacion, porque durante un estfmuloprolongado se abriran cada vez mas canales de potasiolentos y las corrientes salientes que generaran progresi-vamente tenderan a hiperpolarizar la membrana. Cuan-do se es consciente de que una unica neurona puede ex-presar mas de una docena de tipos de canales ionicosdiferentes, el origen de las diferentes conductas electri-cas se hace clara. Son las complejas interacciones de mul-tiples canales ionicos las que crean la eclectica sintonfaelectrica de cad a tipo de neurona.

Vm\~\/VVVVVV'VVVV\JVVV\JVVV\/VVV\'VVV\'VVVV'vvvvvvvvvvv~

'-----

_j"""-lnyeCCi6n de corriente deSPolarizantel-1-2-5-m-s--1a

b

L0 mscFIGURA AEIcomportamiento diverso de las neuron as.(Adaptado de Agmon y Connors, 1992.)

I


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I 00 CAP iT U L 0 4 EL POTENCIAL DE ACCION

PALABRAS CLAVEcanal de potasio dependiente de voltaje(pag. 91)

Propiedades del potencialde accion

fase ascendente (pag.76)sobreexcitaci6n (pag.76)fase descendente (pag.76)fase refractaria (pag. 76)umbral (pag. 77)perfodo refractario absoluto(pag.80)

perfodo refractario relativo (pag, 80)

EI potencial de accion, enrealidad

pinzamiento de voltaje ( vo lt ag e c lam p)(pag.Bf)canal de sodio dependiente de voltaje(pag.84)

fijaci6n de la membrana (patch-clamp)(pag.Be)

canalopatfa (pag, 89)tetradotoxina (TTX) (pag.89)

Conduccion de los potencialesde accion

conducci6n saltatoria (pag.97)Potenciales de accion, axones

y dendritaszona de inicio de las puntas (pag.97)

PREGUNTAS DE REVISIONI.Defina el potencial de membrana (Vm ) y el potencial de equilibrio del sodio (ENa).{Cual de ellos, si es que 10hace alguno,cambia durante el potencial de acci6n?

2. {Que iones estan implicados en la corriente inicial hacia el interior y en la tardia hacia el exterior durante el potencial deacci6n?

3. {Por que se habla del potencial de acci6n como un fen6meno de todo 0 nada!I4. Algunos canales de K+dependientes de voltaje se conocen como rectificadores retardados debido al momento de suapertura durante el potencial de acci6n.{Que ocurrirfa si estos canales tardaran mucho mas de 10normal en abrirse?

5. Imagine que hemos marcado la tetradotoxina (TTX) de forma que se pueda ver utilizando un microscopio. Si aplicamosesta TTX a una neurona, {que partes de la celula esperarfa ver marcadas? {Cual serla la consecuencia de aplicar TTX a laneurona?

6. {C6mo varia la velocidad de conducci6n del potencial de acci6n con el diametro ax6nico? {por que?

00, LECTURAS RECOMENDADASHille B. 1992. I on ic C h an n el s o f E x ci ta bl e M embr an es , 2nd ed.Sunderland, MA:Sinauer.

Hodgkin A. 1976. Chance and design in electro-physiology: an informal account of certain experimentson nerves carried out between 1942 and I952.joumal o fPhYSiology (London) 263: 1-21.

Kullmann D.2002. The neuronal channelopathies. Brain125:1177-1195.

Neher E. 1992. Nobel lecture: ion channels orcommunication between and within cells. Neuron8:605-612.

Neher E,Sakmann B. 1992.The patch clamp technique. Scien-ti fi c Ame ri ca n 2 66 :2 8-3 5.

Nicholls J ,Wallace B,Fuchs P , Martin A. 200 I. F ro m N eu ro n toBrain, 4th ed. Sunderland, MA:Sinauer.

potencial d'acció

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