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resumen general de los tejidos excitables...

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CONCEPTOS BASICOS DE FISIOLOGIA DE LOS TEJIDOS EXCITABLES MVZ. Maricela Ortega Villalobos MVZ. Miguel Ángel Martínez Castillo MVZ. Rocío Godoy Martínez MVZ. Sara Caballero Chacón Excitabilidad Dentro del universo existe una porción de la materia que comparte una característica: la vida. La materia viva, a diferencia de la inerte, responde al ser estimulada. La irritabilidad es la capacidad que tiene la materia viva para responder en forma activa ante las variaciones ambientales que la circundan. Todo agente inductor de irritación o excitación se denomina estímulo; la fracción de la materia especialmente destinada a recibir estímulos se denomina receptor. La reacción biológica ante un estímulo implica: la captación del estímulo, la traducción del mensaje, el procesamiento de la información y la generación de una respuesta. Por lo tanto, en el proceso existen tres elementos clave: estímulo, receptor, efector. En un organismo pluricelular todas y cada una de las células son irritables, es decir pueden responder a variaciones del medio, sin embargo, existen tejidos que se han especializado en captar estímulos y originar una respuesta específica, éstos han sido llamados “tejidos excitables” y se caracterizan por generar cambios electroquímicos (potenciales de acción) que se propagan (impulsos), tal es el caso de los tejidos nervioso y muscular. Estímulo Es todo agente del ambiente externo o interno capaz de provocar cambios en el funcionamiento del organismo. Todo estímulo posee al menos dos características: intensidad y duración. La intensidad es la magnitud con la cual se manifiesta el estímulo; la duración es el tiempo que permanece actuando el agente. Ahora bien, cuando un estímulo se manifiesta en forma repetitiva, adquiere otra característica: la frecuencia, la cual corresponde al número de veces que el estímulo se presenta dentro de un intervalo de tiempo. Ejemplos a) Exposición de un microorganismo a una fuente de calor: Intensidad - Temperatura en grados centígrados dada por la fuente de calor. Duración - Tiempo de exposición al calor. Frecuencia - Número de veces que el microorganismo entra en contacto con la fuente de calor por unidad de tiempo (segundo, minuto, hora, etc.). b) Exposición experimental de un músculo a un circuito eléctrico: Intensidad - Magnitud en mV con que se aplica la descarga eléctrica. Duración - Tiempo en milisegundos de exposición a esa descarga. Frecuencia - Número de veces en que se aplica la descarga eléctrica por unidad de tiempo (10 estímulos/minuto, por ejemplo). Tipos de estímulos y las respuestas que inducen en tejidos excitables Los estímulos pueden ser clasificados desde diferentes puntos de vista. De acuerdo con su naturaleza son mecánicos, térmicos, luminosos, químicos, etc. Según su intensidad, pueden ser umbrales, subumbrales y supraumbrales. Un estímulo umbral (o liminal), es aquel cuya intensidad es justamente suficiente para provocar una respuesta llamada potencial de acción. Un estímulo subumbral (o subliminal) tiene una intensidad menor que la d el umbral y sólo es capaz de provocar cambios parciales o locales; el estímulo supraumbral es todo aquel que supera la intensidad del umbral y desde luego provoca un potencial de acción. 1 Potencial de reposo Tanto el líquido que baña a las células (líquido extracelular: LEC) como aquel que está en su interior (líquido intracelular: LIC) son de naturaleza electrolítica pues contienen aproximadamente 150 mEq/litro de aniones y otro tanto de cationes.

Tanto el LIC como el LEC contienen iones (Na +, K+, el LIC, se obtiene una diferencia de voltaje que, dependiendo Cl-, Ca++, Mg++, etc.), sin embargo, sus concentracionesdel tipo celular del que se trate, podrá tener valores entre -9 y difieren entre los dos (Ver cuadro 1). -100 milivoltios (mV). A este voltaje se le ha llamado potencial de reposo de la membrana o potencial de membrana en Existe una diferencia de potencial (voltaje) entre el reposo (Ver figura 1). Cuadro 1. Concentraciones (mmol/L) de varias sustancias en los líquido intra y extracelular, es decir, si se coloca un líquidos intracelular, extracelular y plasma microelectrodo en el LEC; inmediatamente por fuera de la membrana y otro inmediatamente por dentro de la misma en

El potencial de reposo implica una diferente distribución de iones por dentro y por fuera de la membrana celular. Dentro de la célula existen proteínas que tienden a cargarse negativamente, y que junto con otras partículas orgánicas constituyen los principales aniones. La membrana celular es prácticamente impermeable a tales aniones proteicos y su presencia dentro de la célula genera fuerzas de repulsión y de atracción (fuerza eléctrica) para otros aniones y cationes, respectivamente, que se encuentran tanto en el interior como en el exterior celular (gradiente eléctrico). Por otro lado, la propia diferencia de concentración de un determinado ion entre el interior y exterior celular (gradiente químico), origina una fuerza que determina un flujo o difusión a través de la membrana plasmática tendiente a equilibrar su concentración en ambos compartimientos (fuerza química). La combinación de las dos fuerzas generadas por los gradientes químico y eléctrico es el llamado gradiente electroquímico. El gradiente electroquímico puede favorecer la entrada o Figura 1. Medición del potencial de membrana de una fibra nerviosa mediante un microelectrodo

salida de un determinado ion y dar origen a una cierta

distribución de este, dentro y fuera de la célula que tienda a establecer un estado de equilibrio electroquímico.

El que la difusión de los iones dependa tanto a la fuerza química como eléctrica determina que ellos puedan alcanzar el equilibrio electroquímico aun teniendo una concentración intra y extracelular desigual. Este es el caso del Cl -, el cual, cuando la célula se encuentra en reposo, tiene una distribución desigual intra y extracelular y, sin embargo, está en equilibrio electroquímico. Papel de la bomba de sodio-potasio Los iones de Na+no se encuentran en equilibrio porque a pesar de la tendencia electroquímica que favorece su entrada a la célula, la continua actividad de la llamada “bomba de sodio-potasio” en contra del gradiente electroquímico, elimina Na+hacia el exterior celular y mantiene el desequilibrio entre sus concentraciones a ambos lados de la membrana celular (ver figura 2). En forma similar, el K + podría alcanzar el equilibrio electroquímico si se acumulara en mayor cantidad en el espacio extracelular, p e ro la “bomba de sodio potasio” incorpora K +en contra del gradiente electroquímico y permite una acumulación de ese ion en el interior celular, que lo mantiene fuera del equilibrio electroquímico. 2 Como la acción de la bomba de Na+/K+requiere un aporte de energía (ATP), el mantenimiento del estado de desequilibrio señalado implica un gasto energético considerable a pesar de que la célula esté en reposo. Convencionalmente se considera al potencial de membrana como la diferencia de potencial o voltaje del lado interno con respecto al externo de la membrana, por lo cual, en el reposo tiene un valor negativo.

Ejemplos de potenciales de reposo de la membrana: Motoneurona de gato -70 mV Miocardio de perro -90 mV Axón gigante de calamar -61 mV Potencial de acción Cuando las células de los tejidos “excitables” (tales como el nervioso y el muscular) reciben estímulos umbrales, experimentan cambios de permeabilidad en sus membranas plasmáticas, lo cual da origen a desplazamientos iónicos que traen como consecuencia la transformación del potencial de reposo en un potencial de acción. Es decir, la aplicación de un estímulo (umbral o mayor) modifica la estructura de las proteínas “canales” que son específicas para cada tipo de ion, permitiendo que aumente la permeabilidad para ese ión en particular. Tomando en cuenta que durante el reposo el ión sodio se encuentra en gran desequilibrio electroquímico, será fácil comprender que la presencia de un estímulo que aumente significativamente la permeabilidad de la membrana para este ión dará como r e s u l t a d o una s i g n i f i c a t i v a difusión de Na+ hacia el interior, lo que

Figura 2. Establecimiento de un potencial de membrana de -90 milivoltios en la fibra nerviosa normal en reposo; desarrollo d e gradientes de concentración de sodio y de potasio entre los dos lados de la membrana. Las flechas de líneas punteadas representan la difusión de los iones, las flechas gruesas simbolizan su transporte activo (bomba).

suficientemente un punto de la membrana para que se genere una onda de despolarización que recorre toda la célula. Un estímulo subumbral no ocasiona cambios suficientes para invertir el potencial ni siquiera en el punto donde fue aplicado. Este hecho se conoce como la “Ley del todo o nada”.

provocará la inversión del potencial de membrana, es decir, hará que el interior de la membrana (que era negativo durante el reposo) adquiera ahora una carga positiva.

El potencial de acción consiste en una inversión temporal del voltaje, la cual se propaga a lo largo de la membrana plasmática de la célula correspondiente. El estado eléctrico en el cual la membrana manifiesta un potencial invertido (predominio de cargas positivas dentro y de negativas fuera), es denominado Despolarización. (Ver Figura 3). A la propagación de la despolarización a lo largo y ancho de la membrana neuronal s e l e h a denominado “impulso nervioso”. Basta con que un estímulo sea capaz de despolarizar

Fi

gura 3. Sucesión de acontecimientos en un potencial de acción. A, potencial normal en reposo; B, súbito desarrollo de un potencial inverso durante la despolarización y C, restablecimiento del potencial normal en reposo durante la repolarización

3 decirse que gracias a la sinapsis el Sistema Nervioso puede funcionar recibiendo información, integrándola y generando Sinapsis es el contacto funcional entre una neurona y otra respuestas adecuadas a ésta. A través del proceso de célula, pudiendo ser ésta última otra neurona, una célula integración, la información puede ser multiplicada, dirigida a muscular o una célula glandular; es el sitio en donde el axón, puntos específicos, atenuada o incluso bloqueada con la o alguna otra porción de la neurona (célula presináptica), se participación de c omplejos circuitos polisinápticos. relaciona con una porción de otra célula (célula postsináptica). El término sinapsis, introducido por el fisiólogo inglés Charles S. Sherrington (Premio Nobel 1931), significa conexión. Puede Tipos de Sinapsis Sinapsis

Las sinapsis pueden clasificarse de acuerdo con diferentes criterios: Según las estructuras histológicas que la integran: o Neuronales. Entre dos neuronas (Ver Figura 4): Axodendrítica. Entre un axón y una dendrita. - Axosomática. Entre un axón y el soma o cuerpo neuronal. - Axoaxonal. Establecida entre dos axones. o Neuromusculares. Entre una neurona y una célula muscular. o Neuroglandulares. Entre una neurona y una célula glandular Las sinapsis neuronales t a m b i é n se clasifican de acuerdo con su localización e n e l Sistema Nervioso: o Centrales. Cuando están localizadas dentro del Sistema Nervioso Central.

Célula postsi lula postsináptica Célula postsináptica

Axoaxonal

Figura 4. Diferentes tipos de sinapsis neuronales

o Periféricas. Todas aquellas establecidas por neuronas fuera del Sistema Nervioso Central. De acuerdo con el tipo de transmisión las sinapsis pueden ser: o Químicas. Cuando en la relación la comunicación se ejerce a través de neurotransmisores o mediadores químicos. o Eléctricas. Cuando la comunicación se realiza únicamente a través de flujos de corriente eléctrica. o Mixtas. Cuando en la relación hay comunicación a través de los dos procesos anteriores (Ver Figura 5). Figura 5. Sinapsis mixtas

4 En los mamíferos existen sinapsis eléctricas, químicas y mixtas, como en el caso de las neuronas del núcleo vestibular. Las Sinapsis de tipo químico son las más comunes, siendo la placa neuromuscular su ejemplo clásico (Ver Figura 6). Sinapsis eléctricas Las sinapsis eléctricas son uniones neuronales en las que las membranas presinápticas y postsinápticas se encuentra en aposición, en ellas el espacio intercelular o hendidura sináptica mide de 2.5 a 3 nm. Uniendo a las membranas presinápticas y postsinápticas, se encuentran unidades proteínicas dispuestas en forma hexagonal Figura 6. Placa Neuromuscular

( unidades concatenadoras o conexones), que forman las uniones tipo hendidura y son puentes de baja resistencia eléctrica. Estas unidades permiten el paso de sustancias (iones, azúcares, aminoácidos y moléculas de peso molecular menor a 1000) de una célula a otra, sin transitar por el líquido extracelular, es decir, los citoplasmas de las dos células se encuentran c o m u n i c a d o s . Este tipo de uniones permite la propagación rápida de los impulsos eléctricos. (Ver Figura 7). En otros tejidos, como el músculo cardiaco y músculo liso unitario también existe este tipo de comunicaciones las cuales son denominadas uniones comunicantes. Figura 7. Modelo de la estructura de los canales de las uniones hendidas

Sinapsis químicas La conexión física establecida entre dos células es a través de un espacio de 20-30 nm de ancho, que tiene líquido extracelular, el cual separa al elemento presináptico del postsináptico, y al que se le ha llamado hendidura sináptica. (Ver Figura 8). La membrana presináptica es la zona de contacto del botón terminal del axón. El botón terminal posee dos estructuras muy aparentes: vesículas sinápticas y mitocondrias. Las vesículas contienen el neurotransmisor específico, que puede ejercer acciones excitatorias o inhibitorias sobre la membrana del elemento postsináptico. Las mitocondrias proporcionan la energía necesaria para el proceso de transmisión. Figura 8. Anatomía fisiológica de la sinapsis 5 Cuando el potencial de acción que se propaga por el axón llega al botón sináptico se incrementa en este la permeabilidad para el calcio (por la apertura de canales voltaje dependientes), el cual pasa del LEC al interior del botón atravesando la membrana presináptica. Por efecto del ión calcio las membranas de las ve sículas que origin sinápticas se “fusionan” con la membrana presi náptica y mbrana de la an una se libera el neurotransmisor por exocitosis. (Ver Fig El despolarización (potencial postsináptico exc PPSE) o una elemento postsináptico está constituido membrana de la hiperpolarización (potencial postsi inhibitorio: PPSI). célula que recibirá el neurotrans ura 9). por la misor y Características de los neurotransmisores presenta proteínas específicas llamadas recept itatorio: náptico ores, en las cuales se fija esa

-Tienen una distribución desigual en el Sistema Ne substancia. La fijación rvioso. da como resultado alteraciones en la actividad de la me postsináptica y con ello modificaciones permeabilidad para diferentes iones, vesículas que lo protegen del medio citoplásmico. -Se sintetizan en el soma o en las terminales de la membrana presináptica. -Es almacenado en los botones sinápticos, dentro de

Figura 9. Funcionamiento general de una Sinapsis Química acetilcolina. (Ver Figura 10).

Actualmente existen más de 20 sustancias consideradas neurotransmisores, entre ellas: noradrenalina, dopamina, serotonina, histamina, glicina, ácido glutámico, substancias P y ácido gamma-aminobutírico (GABA).

-En la superficie de la membrana postsináptica hay enzimas específicas que catabolizan sus moléculas. - En algunos casos sus moléculas o los productos derivados de ellas pueden ser recaptados por la membrana presináptica Bibliografía para sintetizar nuevamente neurotransmisor. -Actúan sobre receptores postsinápticos. -Si se aplica exógenamente reproduce los efectos observados en la sinapsis. Un ejemplo de un neurotransmisor que cubre todas las características mencionadas anteriormente es la Acetil-colina (Ach). Se sintetiza en el botón sináptico a partir de colina y acetil coenzima-A gracias a la acción de la enzima acetilcolintransferasa. Una vez formada la acetilcolina es guardada en vesículas. Después de que la acetilcolina es liberada a la hendidura sináptica y actúa sobre su receptor postsináptico, es catabolizada por la enzima acetilcolinesterasa (ACE) que se localiza en la superficie de la membrana y al actuar sobre la Ach produce colina y acetato. La colina puede ser recaptada por la membrana presináptica para sintetizar nuevamente

Figura 10. Sinapsis colinérgica

1. Barrett, K.E., Barman, S.M., Boitano, S., Brooks, H.L.: Ganong. Fisiología Médica. 23ª ed., McGraw-Hill Interamericana, México, 2010. 2. Cunningham, J. G.: “Fisiología Veterinaria”. 4ª. ed. Elsevier. España, 2009. 3. Guyton, A.C. y Hall, J.E.: Tratado de Fisiología Médica. 11ª ed., Elsevier, España, 2006. 4. Koeppen, B. M. y Stanton, B. A. Berne Levy. Fisiología 6ª ed. Elsevier, España, 2009 5. Stratton, D.B.: “Neurofisiología”. 1ª. Ed. Limusa. México.1984.

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