Seminario 2 Potencial ElectroquÍmico PDF

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SEMINARIO 2: POTENCIAL ELECTROQUIMICO

1. POTENCIAL ELECTROQUÍMICO - DEFINICIÓN DE POTENCIAL ELECTROQUÍMICO - EXPLIQUE CADA UNO DE SUS COMPONENTES 2. TRANSPORTE CANALES IÓNICOS -DESCRIBA LA ESTRUCTURA DE LOS CANALES IÓNICOS ACTIVADOS POR VOLTAJE -DESCRIBA EL FUNCIONAMIENTO DE LOS CANALES IÓNICOS ACTIVADOS POR VOLTAJE 3. POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO -DEFINICIÓN - DESCRIBA EL MECANISMO DE GENERACIÓN DEL POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO 4. POTENCIAL DE ACCIÓN - DEFICINICIÓN -DESCRIBA LOS MECANISMOS DE SU GENERACIÓN Y PROPAGACIÓN

1. POTENCIAL ELECTROQUÍMICO -

DEFINICIÓN DEL POTENCIAL ELECTROQUÍMICO: El gradiente electroquímico, o diferencia de potencial electroquímica, es una medida de la energía disponible para realizar el trabajo de transporte de moléculas a través de la membrana plasmática de las células, y se emplea para medir la fuerza que actúa sobre la molécula para conseguir que atraviese la membrana. El gradiente electroquímico de una molécula concreta, se calcula mediante la siguiente fórmula:

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EXPLIQUE CADA UNO DE SUS COMPONENTES Como se puede apreciar, este concepto consta de dos componentes: -> Uno de ellos representa la energía en el gradiente de concentración de x molécula a través de la membrana, y se llama diferencia de potencial químico: -> El otro corresponde a la energía asociada al movimiento de las moléculas cargadas, es decir lo iones, a través de la membrana cuando existe un potencial de membrana, es decir, hay una diferencia de voltaje entre el interior y el exterior de la célula, y esto se llama diferencia de potencial eléctrico. Por ejemplo, para determinar el desplazamiento de la glucosa (y todas las moléculas sin carga) a través de la membrana, solo hace falta tener en cuenta la concentración de moléculas de glucosa dentro y fuera de la célula. En cambio, para determinar el desplazamiento de k+, es decir un ión, se debe considerar su concentración dentro y fuera de la célula, y además, el potencial de la membrana. La ecuación de Nernst permite calcular la situación de equilibrio de una molécula a ambos lados de la membrana, tomando en cuenta todos estos elementos, a lo que se denomina potencial de equilibrio de Nernst:

2. POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO -DEFINICIÓN: Para el óptimo funcionamiento de la célula, se necesita un estrecho control de la composición del líquido intracelular, ya que, por ejemplo, la actividad de las enzimas, está determinada por los valores de Ph, que deben mantenerse regulados dentro de un estrecho margen. Para que esto sea posible, es necesario mantener un determinado potencial de membrana, el cual es una propiedad especialmente importante en las células excitables, como lo son las musculares, los miocardiocitos y las neuronas. El potencial de membrana en reposo (Vm), se define como el voltaje con el cual no se produce ningún flujo de entrada o salida neto de iones en la célula, y por convención, se expresa como el potencial intracelular, menos el potencial extracelular, de forma que, la mayoría de las células de los mamíferos, tiene un potencial de membrana en reposo de aprox. -70 mV, el cual se mantiene estable en esa magnitud si no existe ninguna perturbación. La composición iónica intracelular varía de un tipo de célula a otra, por ejemplo, entre neuronas, células musculares y células sanguíneas, sin embargo, se pueden establecer patrones similares recogidos en la siguiente tabla: [] ic en mEq/l []ec en mEq/l Na+ 12 145 66.6 K+ 120 4 -90,8 Cl- 30 105 -33.5

Potencial Ei de Nernst en mV

Esta regulación se consigue gracias a la actividad de una serie de transportadores ubicados en la membrana plasmática de las células. - DESCRIBA EL MECANISMO DE GENERACIÓN DEL POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Para comprender qué factores determinan la magnitud del potencial de membrana de la célula, es importante saber que cualquier transportador que transfiere una carga a través de la membrana puede influir sobre el potencial de esta, y a estos transportadores, se les denomina electrogénicos. Como cabe esperar, la contribución de los distintos transportadores electrogénicos al potencial de membrana, varía de una célula a otra. El tipo (selectividad), número y actividad (apertura) de estos canales determina la magnitud del potencial de membrana (Vm). Los cambios rápidos en la actividad de los canales iónicos son la base del potencial de acción en las células excitables. Conforme los iones atraviesan la membrana a través de un canal, generan una corriente que es medible, generada por los por los iones que se desplazan a través de los canales, o dicho de otra forma, la corriente ES los iones en movimiento, y depende de: -> la fuerza impulsora que los mueve, que está determinada por el gradiente de concentración de ese ión a través de la membrana. -> la conductancia del propio canal, que está condicionada por el número de canales iónicos en la membrana y por el tiempo durante el cual cada uno se encuentra abierto. Por lo tanto, según la ley de Ohm, la corriente de iones a través de un canal, se determinará de la siguiente forma:

Por convención, se dice que la corriente generada por el desplazamiento de cationes al interior celular o por la salida de iones de la célula se define como una corriente negativa, mientras que la salida de cationes o la entrada de aniones se define como una corriente positiva. También por convención, se define que la magnitud de Vm se expresa en relación con el exterior de la célula, por lo tanto, cuando se dice que la célula tiene un Vm de -70 Mv, el interior de la célula será negativo a nivel eléctrico en relación con el exterior. Cuando se compara con el LEC, el LIC por una concentración de sodio baja, y una concentración de potasio alta. Esto se debe a: -> la actividad de la bomba sodio potasio atpasa (ATPasa Na+-k+), que se encarga de sacar 3 iones Na+ de la célula, y de introducir dos iones k+ por cada molécula de atp hidrolizada. * es importante recordar que esta enzima es importante para para establecer los gradientes de Na+ y K+ celular, pero también influye de forma indirecta en la determinación de los gradientes celulares de otros muchos iones y moléculas. Dado que la atpasa Na+-K+ saca tres cationes de la célula e introduce dos a cambio, es un transportador electrogénico y contribuirá al establecimiento del potencial de membrana. Sin embargo, esta atpasa solo contribuye con unos pocos mvoltios. Los gradientes iónico y eléctrico generados por la sodio potasio atpasa, se emplean para dirigir el transporte de otros iones y moléculas hacia dentro o hacia afuera de las células. Por ejemplo, hay una serie de transportadores de solutos que acoplan el transporte de Na+ con el otros iones o moléculas, como los cotransportadores de Na+-glucosa y Na+-aminoácidos, que utilizan la energía del gradiente electroquímico del Na+, orientado a introducir más Na+ a la célula, para conseguir de forma activa secundaria, la captación de glucosa y aminoácidos por la célula. Del mismo modo, el gradiente de Na+ dirigido hacia el interior de la célula, permite la salida activa secundaria de H+, contribuyendo de este modo a mantener el Ph celular. El transportador de sentido inverso, 3Na+-1Ca++ y la atpasaCa++ de la membrana, hace salir calcio de la célula, contribuyendo a mantener bajas las concentraciones intracelulares de calcio. Por último, el voltaje de la membrana permite la salida de Cl- de la célula a través de unos canales selectivos para este elemento, lo que reduce su concentración intracelular por debajo de la que existe en el LEC. ->Más importante que el anterior, son los canales selectivos para K+, que permiten su fuga desde el interior de la célula, de modo pasivo y regulada por su gradiente de concentración. Es finalmente el movimiento de K+ lo el principal factor determinante del potencial de membrana. Debido a que este compuesto difunde casi libremente a través de la membrana, se puede deducir que será su valor obtenido en la ecuación de Nernst es el que mejor defina el valor del potencial de membrana. También existen canales de K+ regulados por voltaje, que son muy relevantes para el potencial de acción. *--> aplicación clínica: los cambios en la concentración de K+ extracelular pueden tener importantes efectos sobre las células excitables, sobre todo en el corazón. La reducción de la concentración de potasio extracelular (hipopotasemia) hiperpolariza el Vm de los miocitos cardíacos y, al hacerlo dificulta la aparición de un potencial de acción, porque sería precisa una corriente de despolarización más intensa para llegar al umbral. Si es grave, la hipopotasemia puede provocar arritmias cardíacas y al final, el corazón deja de contraerse (asistolía). Por el contrario, la hiperpotasemia puede resultar igualmente negativa para la función cardíaca. En este caso, la membrana se despolariza, lo que facilita la aparición de un potencial de acción. Sin embargo, al progresar la despolarización de la membrana, la canales de Na+ se inactivan, y si la membrana no puede repolarizarse, continúan inactivados, por lo que también se generan arritmias.

3- TRANSPORTE CANALES IÓNICOS Las primeras investigaciones acerca del tema proponían que las corrientes iónicas atraviesan unos canales distintos para el Na+ y para el K+, cada uno con sus características definidas y así se ha demostrado. Hoy en día, se conocen con detalle las características estructurales y funcionales de estos. Las corrientes transportadas por los canales pueden ser medidas. Puede medirse la corriente macroscópica, que se refiere a la suma de las corrientes que atraviesan todos los canales iónicos activos, y que sirve para medir la relevancia funcional de la misma. Para aislar la corriente macroscópica de un tipo de canal, se puede aislar farmacológica y funcionalmente mediante un sustrato que inhiba los otros canales. Por ejemplo, se usa la ttx presente en el pez globo para inhibir los canales para el sodio, de modo que se puede observar únicamente la corriente de potasio al estimular eléctricamente una célula. También se puede medir la corriente microscópica, que hace referencia el flujo de iones por un solo canal, que puede revelar claramente los distintos estados de funcionalidad de un tipo específico de canal. -

DESCRIBA LA ESTRUCTURA DE LOS CANALES IÓNICOS ACTIVADOS POR VOLTAJE Formados por al menos una proteína integral, con un poro acuoso que atraviesa la membrana plasmática (tetrámeros, pentámeros, etc.,) El tamaño del poro y la densidad de cargas en su interior determinan su selectividad. Responden a estímulos específicos (potencial de membrana, ligandos, luz, estiramiento, etc), los cuales modifican la probabilidad de apertura del canal. La capacidad de transporte de los canales iónicos es muy superior a la de los transportadores: -Na+: la estructura de un canal de Na+ dependiente de voltaje, comprende una sola subunidad alfa asociada a una subunidad beta1 y una subunidad beta2. La subunidad alfa tiene cuatro motivos repetidos de seis hélices de transmembrana que rodean a un canal o poro iónico central, cuyas paredes están formadas por las hélices número seis de cada motivo. -K+: la mayor parte de los canales de K+ regulados por voltaje, están constituidos solo por un motivo en hélice, pero se necesitan cuatro de estas subunidades para formar un canal funcional. Las sub unidades de una clase de canales de K+ regulados por voltaje, contienen exclusivamente las hélices 5 y 6 y el asa del poro interpuesta.

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DESCRIBA EL FUNCIONAMIENTO DE LOS CANALES IÓNICOS ACTIVADOS POR VOLTAJE En el caso de los canales responsables del potencial de acción de las células nerviosas, el mecanismo de compuerta se basa en el voltaje de la membrana, es decir son canales regulados por el voltaje, que constan de un mecanismo de compuerta. Las compuertas perciben el potencial a través de la membrana y actúan para abrir y cerrar el canal según sea el potencial. Las compuertas están formadas por residuos de aminoácidos cargados. Existe una parte de la proteína que constituye el canal de activación por voltaje, que es responsable de censar el ambiente para saber si existe el voltaje propicio para la activación. Este fragmento de transmembrana, específicamente S4, está formado de aminoácidos con carga positiva, específicamente lisina y arginina, el cual se ve atraído por el ambiente cargado negativamente del interior de la célula, adoptando una posición específica en la cual el poro de la proteína, por donde pasan los iones, se encuentra cerrado. Cuando llega la membrana de despolariza, y el interior de la célula se vuelve menos negativo, el segmento s4 ya no siente tanta atracción hacia él, y se aleja un poco, lo que a su vez mueve por arrastre al segmento s5, que era el que tapaba el poro de la proteína, dejándolo descubierto y permitiendo que entren los iones. Entonces, los canales tienen una sección censora de voltaje, y otra sección distinta que es por donde pasan los iones. Esto pudo comprobar mediante la creación de canales quimeras, es decir la hibridación de canales formados con partes de canales diferentes.

Sin embargo, el estado conformacional más estable para el canal, en situación de despolarización de la membrana, no es en estado abierto, si no que en estado inactivo. Se tienen entonces tres estados distintos para la proteína canal voltaje dependiente: Cerrado, abierto e inactivo. En realidad, el estado abierto es solo una transición momentánea entre estado cerrado (en membrana polarizada) y estado inactivo (membrana despolarizada). El estado inactivo sucede porque hay un loop de la proteína cargado positivamente el cual se siente muy cómodo flotando en el ambiente intracelular negativo, pero cuando la membrana se despolariza y el ambiente intracelular se vuelve menos negativo, este loop se siente más cómodo instalándose justo al medio del poro del canal, bloqueando así el paso de los iones. Solo cuando la membrana vuelve a polarizarse y el medio intracelular está nuevamente negativo, este loop puede volver a flotar ahí. En la práctica, el período de inactivación del canal es mucho más relevante que el de activación, ya que el tiempo que el canal pasa en este estado, determina muchos aspectos de la respuesta, como la duración del período refractario, que a su vez determina el tiempo en que no puede ocurrir un nuevo potencial de acción. Debe tenerse en cuenta que el proceso de activación de la compuerta, también conlleva un movimiento de cargas, por lo que se trata de una corriente, llamada corriente de compuerta, y puede observarse justo antes de la corriente iónica a través del poro. Claramente es pequeñísima comparada con el flujo de iones que atraviesa el poro de la proteína, pero es registrable con equipos sensibles. Los canales iónicos oscilan de forma espontánea entre los distintos estados de conductancia: abierto o cerrado, y cuando se trata de canales regulados por voltaje, el tiempo que se pasa en un estado concreto es una función probabilística del potencial de membrana, ya que al encontrarse la célula permanentemente expuesta a estímulos eléctricos, ya que luego de abrirse, el canal pasa un tiempo considerable en estado de inactivación, el cual no puede volver a reaccionar ante el estímulo, permanentemente se encuentran cerrado aprox. el 30% de los canales de un área cualquiera de la membrana. 4. POTENCIAL DE ACCIÓN - DEFICINICIÓN El potencial de acción es una adaptación desarrollada por las células para disponer de mucha energía de forma muy rápida, que el impulso eléctrico es muchísimo más veloz que, por ejemplo, sacar energía de la hidrolización del fosfato del atp. Un potencial de acción es la consecuencia de cambios sucesivos, rápidos y transitorios de la conductancia de la membrana plasmática a los iones de sodio y potasio, e igual como sucede con el potencial de membrana en reposo, el potencial de acción depende de las tendencias contrapuesta del sodio y el potasio:  Fase ascendente: El potencial de acción comienza con un determinado voltaje que activa simultáneamente a los canales de sodio y de potasio, sin embargo, el canal de potasio es muchísimo más lento que el de sodio, por lo que primero se observa un incremento rápido de conductancia al Na+, que es reflejo de la apertura de miles de canales de Na+ voltaje dependientes, activados por la despolarización de la membrana. Los canales abiertos permiten la entrada de iones de Na+ y el efecto de esta corriente es una mayor despolarización de la membrana. Se trata de un circuito de retroalimentación positiva que explica la naturaleza explosiva del potencial de acción: la corriente de Na+ despolariza la membrana, esto condiciona la apertura de más canales de Na+, lo cual a su vez, incremente la corriente de Na+, y esto se relaciona con la conducción del potencial de acción.  Fase descendente: es consecuencia de dos procesos: -Reducción de la conductancia del sodio (gNa+) producto de la disminución de la fuerza impulsora, porque ya no hay tanto gradiente electroquímico, y debido a la inactivación de estos mismos canales. - Aumento de gK+, para los canales de potasio regulados por voltaje, que ante la despolarización de la membrana facilitan la salida de potasio de la célula, lo que produce la repolarización de la membrana y un desplazamiento

del potencial de membrana hacia el EK+. En algunos casos solo son necesarios los canales de fuga de K+ para la repolarización, pero en otros, los regulados por voltaje generan una corriente que se contrapone a la de Na+.  Posthiperpolarización: Estos canales de potasio, en su lentitud, no se cierran inmediatamente con la repolarización, incluso, la conductancia global para el K+ es mayor al final del potencial de acción, de lo que era antes de que este comenzara, lo que es la base para la posthiperpolarización. El potencial de membrana recupera sus valores originales una vez que se cierran los canales de K+ regulados por voltaje, y esto ocurre porque el voltaje vuelve a ser negativo, no tienen estado de inactivación.

-DESCRIBA LOS MECANISMOS DE SU GENERACIÓN Y PROPAGACIÓN Una vez alcanzado el voltaje suficiente para iniciar un potencial de acción, las cargas de sodio que están en el exterior de la célula, comienzan a moverse hacia el canal abierto para ingresar. Sin embargo, este movimiento es muy lento, debido a la enorme fuerza de atracción que sienten al mismo tiempo por las cargas negativas que están al interior de la membrana. Esto hace que la membrana celular actúe como un condensador de energía. Entonces el efecto que se produce es el de un remolino de agua. Primero hay una corriente de reordenamiento de las cargas en la membrana, y luego la corriente de entrada propiamente tal. La corriente total que se puede medir, es la suma de la corriente del condensador, más la corriente a través de los canales.

Pueden haber varios casos: ->Respuesta pasiva o conducción electrotónica: el estímulo es muy pequeño y no alcanza a generar cambios en la resistencia de la membrana, y se desvanece rápidamente en el axón. -los potenciales electrotónicos son proporcionales al estímulo, mientras que el de acción responde al todo o nada. -no tienen periodo refractario, ya que reclutan muy pocos canales, por lo que todo el resto puede seguir respondiendo a un nuevo estímulo. -dependen del tiempo de duración del estímulo. ->Respuesta subumbral: El estímulo es algo mayor, y esta vez si determina la apertura de un número suficiente de canales de Na+ sensibles al voltaje, que determinan un cambio en la resistencia de la membrana, pero no alcanza a reproducir un potencial de acción contiguo, por lo que se desvanece prontamente. Sin embargo, debido a las características de la membrana celular como condensador de energía, las respuestas de los estímulos sub umbrales se pueden ir sumando hasta generar un potencial de acción, y de hecho, esta es la forma más común en que ocurren estos en nuestro organismo. ->Respuesta supraumbral: el estímulo es lo suficientemente fuerte como para generar el potencial de acción. Este comienza con un determinado voltaje que activa al mismo tiempo a los canales de sodio y potasio. Se diferencia por varias cosas fundamentales de las otras respuestas: -Es una respuesta mucha más intensa, en la cual el voltaje de la membrana celular cambia radicalm...