Generación y conducción de potenciales de acción
Fabiola Garrido, Yancarla Maldonado. Medicina USACH.
Un potencial de acción es un cambio rápido rápido en el potencial de membrana membrana (Em) que se propaga a lo largo de toda la longitud de una célula. Tiene Tiene diferentes formas según el tipo de tejido donde se se genere, dependiendo de la población de canales iónicos dependientes de voltaje presentes en cada tipo celular. El potencial de membrana se puede medir con un microelectrodo, insertando la punta menor de él en el citoplasma, la cual detecta detecta una diferencia diferencia de potencial de 1 90mV respecto al electrodo en el extracelular, lo que es conocido como potencial de membrana en reposo. Existen estímulos despolarizantes o hiperpolarizantes. Los hiperpolarizantes aumentan la diferencia de potencial de membrana, arrojando valores menores a -90mV, en cambio, los despolarizantes disminuyen éste potencial. De ésta manera, un Potencial de acción en distintos tipos igual o estímulo umbral determina una despolarización celulares superior a -70mV, cumpliendo la ley del todo o nada, en la cual se plantea que el potencial de acción revierte la polaridad de membrana (el interior se hace positivo respecto al exterior), exterior), y la amplitud y forma del impulso no cambian cambian mientras recorre la célula, propagándose sin decremento a lo largo de la fibra nerviosa nerviosa o muscular. Si el estímulo es es subumbral (no alcanza los -70mV), se produce un potencial electrotónico (respuesta local),el que provoca cambios de potencial en una región limitada de la célula cerca del lugar de aplicación de la corriente, y disminuye potencialmente su voltaje en el tiempo (se conducen con decremento).
En la despolarización, el potencial de reposo se modifica hasta alcanzar valores valores positivos. positivos. El valor valor máximo del potencial de acción alcanza unos +50mV, a continuación, vuelve a su potencial de reposo casi tan rápido como se despolarizó. Después de la repolarizacion se produce una hiperpolarizacion transitoria llamada postpotencial de hiperpolarizacion, que dura unos 4mseg, determinando el periodo refractario, en el cual los canales de sodio se están cerrando, para luego abrirse y generar un nuevo potencial de acción.
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En la célula muscular. El voltaje del potencial de reposo varía en distintos tipos celulares. En neuronas es de -70mV.
El potencial de acción se debe a aumentos sucesivos de la conductancia al sodio y el potasio. La apertura de los canales de sodio determina que la membrana de despolarice, pues el sodio tiende a alcanzar su potencial de equilibrio (+65mV), pero llega aproximadamente solo hasta +50mV porque la conductancia de sodio (gNa+) recupera rápidamente sus niveles de reposo, mientras Se observan los cambios de conductancia de Na+ y K+ en el la conductancia de potasio (gK+) aumenta gráfico de la derecha. hasta ocasionar una tendencia opuesta a la despolarización. El en postpotencial de hiperpolarización, la gNa+ ya ha regresado a sus niveles basales, mientras gK+ permanece elevado por encima de los valores de reposo. Por lo tanto, el Em se acerca más al potencial de equilibrio para el K+ (-100mV) mientras gK+ permanezca elevado. El canal de Na+ es una proteína integral de membrana que posee seis subunidades hélices α. Posee una compuerta de y una activación, compuerta de inactivación, que explican los cambios de gNa+ durante el potencial de acción. Para entrar a la parte más estrecha del canal, es decir, el filtro de selectividad, se piensa que el Na+ y el K+ naturalmente solvatados, deben deshacerse de su coordinación con el agua, lo que sugiere que los aminoácidos negativos que recubren el poro del canal deben tener una geometría exacta para cada molécula. Éste mecanismo se supone que confiere especificidad a los canales de Na+ y K+. La tetrodoxina (TTX), uno de los tóxicos más potentes que se conocen, bloquea específicamente los canales de Na+, mientras el tetraetilamonio (TEA+) bloquea los canales de K+.
Técnica de patch clamp
Los canales iónicos oscilan espontáneamente, entre un estado abierto (los iones pasan a través del canal) y otro cerrado. Esto se puede estudiar aislando porciones de la membrana plasmática incorporándola entre dos compartimientos acuosos donde se utilizan electrodos para generar cambios de potencial, o empleando los denominados electrodos de parche ( patch clamp), técnica en la cual se coloca un microelectrodo sobre la superficie celular, y se aplica una succión al electrodo para retener una pequeña
porción de la membrana donde puede haber uno o más canales iónicos funcionales. El estudio con ésta técnica ha permitido determinar que el comportamiento de los canales individuales de Na+ es aleatorio. La corriente macroscópica de Na+ es la corriente promedio generada a partir de miles de éstos canales, de ésta manera, el “canal promedio” se abre como respuesta a la despolarización, y luego de un breve periodo se cierra, aun cuando se mantenga aplicada la despolarización. La conducción de un potencial de acción a lo largo de un axón se basa en el flujo de corriente local. Para que un impulso eléctrico pueda circular por toda la longitud de un axón sin sufrir una reducción de intensidad, el potencial de acción se debe regenerar a sí mismo durante su conducción por la fibra, por lo tanto el potencial no solo de conduce sino que también se propaga. La propagación implica la generación de potenciales de acción “nuevos” conforme se va transmitiendo por la longitud de la célula. En resumen, la propagación se produce por ciclos repetidos de despolarización que generan un flujo de corriente local suficiente para que una región adyacente de la membrana celular cree un potencial de acción. Así, el potencial de acción se propaga a larga distancia conservando la misma forma y tamaño. En el SN el potencial de acción se genera primero en el segmento inicial del axón y se conduce al extremo terminal porque éste está rodeado de una elevada densidad de canales de Na+ regulados por voltaje, lo que permite que sea el punto de menos umbral en la célula. Cualquier potencial de acción que se propague por el tercio medio del axón podrá generar otro en la dirección hacia el soma porque las zonas precedentes son refractarias. Un solo axón no puede transmitir la información codificada de forma adecuada sobre sucesos que acontecen con mayor frecuencia que su capacidad de conducir potenciales de acción. Para eso pueden ser necesarias varias neuronas combinadas. Efecto del Diámetro de la fibra sobre la velocidad de conducción: En las fibras amielínicas, la velocidad de conducción es proporcional a la raíz cuadrada del diámetro. Este efecto se relaciona con la resistencia longitudinal. Por lo tanto, el potencial de acción se conduce con mayor rapidez por las fibras de mayor diámetro. Sin embargo, la necesidad de mantener una mayor capacitancia tiende a retrasar la velocidad de conducción y a mitigar el aumento de la velocidad de conducción conseguido mediante el incremento del diámetro. Mielinización
La mielina corresponde a las membranas plasmáticas de las células de Schwann o de la oligodendroglia que rodean y aíslan la fibra nerviosa. En la vaina de mielina se producen hendiduras cada 1-2 mm (Nódulos de Ranvier) y miden una micra de anchura.
Un axón mielinizado conduce a una velocidad muy superior a uno amielinizado del mismo calibre, porque la vaina de mielina aumenta la constante de longitud, reduce la capacitancia y limita la generación de potenciales de acción a los nódulos de Ranvier. La menor c apacitancia de los axones mielinizados implica una despolarización más rápida. Los canales de Na+ que generan el potencial de acción están densamente concentrados en los nódulos por eso el potencial solo se regenera en los propios nódulos. La resistencia al flujo de iones a través de la vaina es tan elevada que las corrientes transmembrana quedan limitadas a cortos trayectos de membrana plasmática desnuda (en los nódulos); por eso el potencial de acción se regenera en cada nódulo sucesivo. Pareciera que el potencial saltara de un nódulo a otro, lo que se conoce como conducción saltatoria.
Consecuencias funcionales de la mielinización
La elevada velocidad de conducción permite reflejos rápidos y también es responsable de que el procesamiento mental sea complejo y eficiente. También tienen una mayor eficacia metabólica que los amielínicos porque las corrientes iónicas se limitan a los nódulos, por lo tanto muchos menos iones atraviesan una unidad de longitud de membrana de fibra y se necesita mucha menos acción de bombeo y por lo tanto menos gasto energético para mantener la gradiente.
Transducción y Codificación Sensitiva
Para que el SN reciba información, debe estimularse mediante la aplicación de energía que debe transducirse en un acontecimiento neural (potencial de acción). La estimulación es la acción de una energía ambiental mediante la activación de uno o más receptores sensitivos. Un estímulo es el acontecimiento ambiental (mecánico, térmico, químico, etc.) que excita los receptores sensitivos, aportando la información posteriormente acerca del estímulo al SNC.
La respuesta frente al estímulo es el efecto que éste ejerce sobre el organismo y puede producirse a nivel de: •
Potenciales receptores en los receptores sensitivos
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Transmisión de potenciales de acción a lo largo de los axones en las vía sensitivas.
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Acontecimientos sinápticos en las redes neuronales centrales.
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Actividad motora desencadenada por la estimulación sensitiva y que determina el comportamiento.
El proceso que permite al receptor sensitivo responder de forma útil ante un estímulo es la Transducción Sensitiva.
En los quimiorreceptores, la unión de una sustancia química estimuladora a la molécula receptora abre un canal iónico que permite la entrada de una corriente iónica que despolariza la célula receptora sensitiva. En el mecanorreceptor es una fuerza mecánica la que abre el canal. La Transducción Sensitiva suele producir un Potencial Receptor en la neurona aferente primaria, que suele ser un acontecimiento despolarizante, que se debe a una corriente de entrada que consigue que el potencial de membrana del receptor sensitivo se aproxime al umbral para generar un potencial de acción. Un estímulo umbral es el estímulo más débil que se puede detectar de un modo fiable. Los estímulos de intensidad más débil puede generar potenciales de receptor subumbral, que no excita las células sensitivas centrales (no son detectados). La Adaptación, un cambio en la forma de respuesta del receptor ante una estimulación prolongada o secuencial, es una propiedad característica de los receptores sensitivos, que condiciona que se adapten mejor para la transmisión de unos tipos particulares de información sensitiva. Es preciso mencionar que los receptores de dolor no son adaptativos. Las distintas características temporales de un estímulo se pueden transmitir por los receptores mediante diversas velocidades de adaptación. El campo receptor de una neurona sensitiva (campo receptor excitador) es la región que condiciona el comportamiento de la misma cuando se estimula. El campo receptor de una neurona del SNC es la suma de los campos de los receptores sensitivos que influyen sobre ella. La localización del campo receptor está determinada por la localización del aparato de transducción sensitiva responsable de transmitir la información acerca del estímulo a la neurona sensitiva. En general los campos son excitadores pero una neurona sensitiva central puede tener un campo excitador o inhibidor o uno complejo (incluye ambas áreas).
Codificación Sensitiva
Las neuronas sensitivas codifican estímulos. Durante el proceso de transducción sensitiva se debe producir la codificación de uno o más aspectos (modalidad de la sensación, localización espacial, umbral, intensidad, frecuencia y duración) del estímulo para que el SNC lo pueda interpretar. La información codificada es una abstracción basada en: • • •
Qué receptores sensitivos se activan. Las respuestas de estos receptores sensitivos frente al estímulo. El procesamiento de la información en la vía sensitiva.
La modalidad sensitiva es fácil de distinguir y su codificación se realiza mediante canales marcados en la mayor parte de los sistemas sensitivos y se origina en los receptores específicos donde comienza. La localización espacial de un estímulo se indica mediante la activación de una población determinada de neuronas sensitivas, cuyos campos receptores se afectan por el estímulo. La intensidad del estímulo puede codificarse de varias formas. Dados que los potenciales de acción tienen una magnitud uniforme, algunas neuronas sensitivas codifican la intensidad a través de la frecuencia de descarga, o con el número de receptores sensitivos que se activan. Las neuronas sensitivas centrales que reciben los estímulos de una clase concreta de receptor sensitivo se activan de forma más potente cuantas más neuronas aferentes primarias descarguen. Los estímulos de distinta intensidad pueden activar distintos conjuntos de receptores sensitivos. La frecuencia del estímulo se codifica en ocasiones por potenciales de acción. Una frecuencia de descarga no permite indicar de forma inequívoca la frecuencia y la intensidad en el mismo sistema. La duración de estímulo puede codificarse en las neuronas sensitivas de adaptación lenta mediante la duración de disparos potenciados. El principio y el final de un estímulo se pueden codificar por descargas transitorias de los receptores sensitivos de adaptación rápida.
ANEXO Estímulo Umbral: Estímulo que por su intensidad, alcanza el voltaje umbral para que se produzca un potencial de acción. Estímulo Subumbral : Estímulo que no alcanza el voltaje umbral de excitación. Produce un potencial electrotónico. Estímulo Supraumbral : Estímulo que supera el voltaje umbral de una célula excitable. A medida que aumenta su valor, aumenta la intensidad del potencial de acción, hasta llegar a un límite, dado por el estímulo supramáximo. Estímulo Supramáximo: Estímulo muy superior al estímulo umbral, en el cual la intensidad de la respuesta no varía ya que se alcanzó la saturación de los canales iónicos. Potencial electrotónico: Variación de diferencias de potencial que se producen entre el interior y el exterior de la membrana plasmática, determinadas por un estímulo subumbral. Algunas de sus características son: Son locales y no se propagan. • Son pasivos: Esto quiere decir que no cambia la polaridad de la membrana. • Son sumables en el tiempo y en el espacio. • Su amplitud varía, decrece en el tiempo y espacio, a diferencia de un potencial de acción en • una celula nerviosa en el cual la amplitud es constante. Puede ser hiperpolarizante o despolarizante. En caso de ser hiperpolarizante nunca se • llegará a dar un potencial de acción; en caso de ser despolarizante, si la sumatoria espacial y temporal supera el potencial umbral se dará el potencial de acción. •
Sumación Espacial: Se produce cuando dos señales aferentes llegan casi simultáneamente, por lo que los dos potenciales post-sinápticos se suman, de forma que las dos señales aferentes excitadoras simultáneas despolarizarán la célula post-sináptica aproximadamente al doble de lo que sucedería con cada una de ellas por separado Sumación Temporal: Tiene lugar cuando se producen dos o más potenciales de acción en una única neurona pre-sináptica y en una sucesión rápida, de forma que los potenciales post-sinápticos resultantes se superponen en el tiempo. Reclutamiento de unidades motoras: El Sistema Nervioso para controlar el grado de contracción muscular no puede modificar el potencia de acción, puesto que éste obedece a la ley del “todo o nada”, por lo que presenta la misma amplitud y forma. Para ello regula la cantidad de unidades motoras reclutadas según el movimiento que se desea ejecutar. Por ejemplo, para movimientos que requieren de mucho esfuerzo, se recluta una mayor cantidad de unidades motoras, aumentando, por ende, el número de fibras musculares que se contrae. Tetania: Hiperexcitabilidad del sistema nervioso central o periférico. Se manifiesta por contracciones musculares involuntarias a distintos niveles (laringoespasmo, espasmo carpopedeal, convulsiones). La causa fundamental de esta patología radica en desequilibrio de iones calcio (hipocalcemia), hidrógeno o magnesio, para surtir sus efectos a nivel de la placa motora fundamentalmente.
Sacudidas: Son provocadas por las fasciculaciones o sacudidas musculares producto de irritación de los cuerpos neuronales o de sus prolongaciones, detectadas en EM. Pueden aparecer aisladamente sin trascendencia o bien por alteraciones metabólicas, por patologías radiculares, nerviosas y enfermedades neuromusculares. 1/2
Constante de longitud: Se define como [ r m /r int ] donde r m es la resistencia de la membrana plasmática y r int, , es la del citoplasma. Si la relación r m /r int es alta, menor es la corriente que se pierde a lo largo de la membrana, funcionando así la célula “como un cable”, y recorriendo así, una mayor distancia, la señal electrotónica sin una reducción apreciable de conducción y velocidad.
