CÁTEDRA DE BIOFÍSICA

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SALTA

FAC. DE CS AGRARIAS Y VETERINARIAS

2008

Farm. Pablo F. Corregidor 1

BIOFÌSICA DE LA CONDUCCIÒN NERVIOSA

TEMARIO

1. Forma de actuación del Sistema Nervioso.

2. Elementos de Anatomía neuronal.

3. Sinapsis: elementos. Sinapsis Química y Eléctrica.

4. Bases Físicas del Potencial de Membrana.

5. Potencial de acción. Mecanismo Físico del Potencial de Acción. Mecanismo Molecular del Potencial de Acción.

6. Propagación del Potencial de Acción: fibras mielínicas y amielínicas.

7. Propiedades del Potencial de Acción: umbral de excitación, Ley del Todo o Nada, periodo refractario, velocidad de propagación.

8. Modelo eléctrico de la membrana neuronal.

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Definiciones previas

• IRRITABILIDAD: “capacidad de reaccionar frente a los cambios del medio externo o interno, debida a la facultad de los organismos para recibir y transmitir información.”

• ESTÍMULO: “ todo aquello capaz de provocar un cambio”

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FORMA DE ACTUACIÓN DEL SISTEMA NERVIOSO

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RECEPTOR

Célula nerviosa o NEURONA

ESTÍMULO

Órgano EFECTOR

Célula sensorial o RECEPTORA

• NEURONA: unidad básica del sistema nervioso, encargada de:– Recibir y Analizar

estímulos provenientes del medio.

– Elaborar y Transmitir respuestas a tales estímulos.

Formadas por:

Soma

Dendritas: Fibras aferentes

Axón

Telodendrón: Fibras eferentes

Elementos de Anatomía neuronal.

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SINAPSISLas dendritas y el soma están especializados

para la recepción de información.

El axón se encarga de transmitir la información.

Para transmitir la información de una neurona a otra, el axón de la neurona 1 establece contacto con las

dendritas de la neurona 2.La unión entre dos neuronas se llama Sinapsis.

SINAPSIS: Es la unión de dos neuronas para transmitir información de una a otra.

QUÍMICA

ELÉCTRICA

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SINAPSIS QUÍMICA

•Son la mas abundantes.•El axón de la neurona actúa como emisora de información, libera los neurotransmisores de las vesículas sinápticas a la hendidura, donde se ponen en contacto con la membrana postsináptica provocando:

•Excitación.•Inhibición.

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SINAPSIS ELÉCTRICA

•Son las menos frecuentes.•Existe un contacto directo entre la membrana del axón emisor y la membrana de la neurona receptora de la información.•El impulso nervioso se transmite directamente de una célula a otra.

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BASES FÍSICAS DEL POTENCIAL DE MEMBRANA

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• ECUACIÓN DE NERNST:

V=RT. ln C2

n.F C1

• R=8,31 J/mol.K

• T=310 K

• F=96500 cb/mol

CUIDADOLa ecuación de Nernst no es aplicable a las células ya que las membranas son permeables a mas de un ión (excepto cél. Gliales: permeables solo a K+)

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La Ecuación de Nernst

in

outX X

X

zF

RTE

][

][ln

valenciadel ion X

potencial eléctrico del ion X

concentración extracelular

concentración intracelular

i

oX X

X

zE

][

][log

058.0A 18° C, Em (en voltios) es:

RT/F es constante ( 0.058 a 18° C y 0.061 a 38° C)

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Potencial de Equilibrio de Nernst para el K+

Calcular el potencial de equilibrio de Nernst para K+:

1. Asumir que [K+]i es 10 veces mayor que [K+]o

2. [K+]o/[K+]i =

)1.0log(058.0KE -58 mV

0.1

+1

i

oK K

K

zE

][

][log

058.0

3. Valencia =

)1(058.0KE -0.058Vi

oK K

KE

][

][log058.0

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Potencial de Equilibrio de Nernst para el Na+

Calcular el potencial de equilibrio de Nernst para Na+:

1. Asumir que [Na+]o es 10 veces mayor que [Na+]i

2. [Na+]o/[Na+]i =

)10log(058.0NaE 58 mV

10+1

i

oNa Na

Na

zE

][

][log

058.0

3. Valencia =

)1(058.0NaE 0.058Vi

oNa Na

NaE

][

][log058.0

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Potencial de Equilibrio de Nernst para el Cl-

Calcular el potencial de equilibrio de Nernst para Cl-:

1. Asumir que [Cl-]o es 10 veces mayor que [Cl-]i

2. [Cl-]o/[Cl-]i =

)10log(058.0ClE -58 mV

10

-1

i

oCl Cl

Cl

zE

][

][log

058.0

3. Valencia =

1058.0ClE -0.058Vi

oCl Cl

ClE

][

][log058.0

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EQUILIBRIO DONNANINTRACELULAR

mEq/LEXTRACELULAR

meq/L

Na+ 10 142

K+ 140 5

Cl- 7 103

X- Muy elevada

[Na+]2 = [K+]2 = [Cl-]1

[Na+]1 = [K+]1 = [Cl-]2

[Na+] 10

[K+] 140 [Cl-] 7

[P-] 165 mM

[Na+] 142

[Cl-] 103

[K+] 5

En el EQUILIBRIO, la relación entre iones de ambos lados de la membrana es un valor constante.

La célula NO ES UN SISTEMA EN EQUILIBRIO.

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ECUACIÓN DE GOLDMAN-HODGKIN-KATZ

• Si la célula fuera un sistema en equilibrio no debería haber flujo neto transmembrana (se usaría la Ec. de Nernst)

• La célula es un sistema en ESTADO ESTACIONARIO en donde hay un flujo neto que siempre se mantiene constante por determinados mecanismos Homeostásicos (se usa la ecuación de Goldman)

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Ecuación de Goldman ó de Goldman-Hodgkin-Katz

• Calcula el potencial de equilibrio cuando mas de un ion es permeable.

• Incorpora los coeficientes de permeabilidad de cada ion (especifico de cada membrana)

oCliNaiK

iCloNaoKions

ClPNaPKP

ClPNaPKP

F

RTE

][][][

][][][ln

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PMR de una neurona

• Adentro de las neuronas hay mas ANIONES que CATIONES (en el exterior ocurre al revés)

• Hay mayor cantidad de cargas negativas adentro.

• Se crea una diferencia de potencial a lo largo de la membrana llamado POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO.(PMR= -70 mV)

INTRACELULAR mEq/L

EXTRACELULAR meq/L

Na+ 10 142

K+ 140 5

Cl- 7 103

Ca+2 0,001 5

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PMR

• En reposo, las permeabilidades (relativas al K+) de los iones mas importantes son: PNa= 0,03

PCa= 0,001

PCl= PK= 1

V= -0,058 V . Log 140 + (0,03)10 + (0,001)0,001 + 103 = -0,058 V.log 275,4 = 5 + (0,03)142 + (0,001)7 + 5 14,3

V = -0,071 V = - 71 mV

INTRACELULAR mEq/L

EXTRACELULAR meq/L

Na+ 10 142

K+ 140 5

Cl- 7 103

Ca+2 0,001 5

oCliNaiK

iCloNaoKions

ClPNaPKP

ClPNaPKP

F

RTE

][][][

][][][ln

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POTENCIAL DE ACCIÓN

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• La existencia de un PMR es la base de la exitabilidad de las células (responder a ciertos estímulos)

• Cuando una neurona sufre un estímulo, su membrana sufre una serie de cambios que modifican el PMR.

• Dichos cambios se conocen como POTENCIAL DE ACCIÓN.

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22

MECANISMO FÍSICO DEL P.A.

• “El potencial de acción es consecuencia de los cambios de permeabilidad a ciertos iones (no a la entrada o salida de estos)”

• ETAPAS– Despolarización.– Repolarización.– Hiperpolarización.

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ESTÍMULOCAMBIO EN LA

PERMEABILIDADAL Na+

Ingresa Na+ Disminuye la

Carga (-) adentro.DESPOLARIZACIÓN

Inmediatamente que disminuye la

permeabilidad al Na+, aumenta al K+.

Comienza a salir K+ y se restablece la

carga negativa adentro.

REPOLARIZACIÓN

La permeabilidad al K+ cambia tanto que sigue saliendo K+ haciendo mas negativa de lo

normal.HIPERPOLARIZACIÓN

La bomba de Na+ y K+ regenera el valor de

PMR.

AFUERA

ADENTRO

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MECANISMO MOLECULAR DEL P.A.¿PORQUÉ CAMBIA LA PERMEABILIDAD DE LOS IONES Na+

Y K+ CUANDO SE GENERA EL POTENCIAL DE ACCIÓN?

ESTÍMULO DESPOLARIZACIÓN

Cambia la permeabilidad

al Na+.Se abren

canales de Na+

Cambia la permeabilidad

al Na+.Se cierran

canales de Na+

Cambia la permeabilidad

al K+.Se abren

canales de K+

REPOLARIZACIÓNLos canales de K+ siguen

abiertos

HIPERPOLARIZACIÓN

Bomba de Na+ y K+ PMR

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PROPAGACIÓN DEL POTENCIAL DE ACCIÓN

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++++++++++++++++++++++++++++

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

++++++++++++- -+++++++++++++

-- - - - - - - - - - - ++ - - - - - - - - - - - - -

++++++++ + - - - - - - - - +++++++++

- - - - - - - - - ++++++++ + - - - - - - - - -

A la membrana llega un estímulo.

Provoca la salida de K+ y el ingreso de Na+.

Si el estímulo es de intensidad suficiente, se llega al valor umbral y se produce el Potencial de Acción que se propaga en todas direcciones y no disminuye de Intensidad, es infrenable.

Si el estímulo NO es de intensidad suficiente, las fuerzas regeneradores RESTITUYEN el PMR y no se logra la generación de un PA propagable.

Este tipo de conducción del PA se realiza en las neuronas de tipo AMIELINICAS.

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++++++++++++++++++++++++++++

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - PMR

CONDUCCIÓN SALTATORIA

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Este tipo de conducción del PA se realiza en las neuronas de tipo MIELINICAS (mas veloces).

PROPIEDADES DEL POTENCIAL DE ACCIÓN

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• UMBRAL DE EXCITACIÓN: para que se genere el PA, la intensidad del estímulo ha de ser tal que supere cierto valor de potencial (20 mV para la neurona)

• LEY DEL TODO O NADA: un estímulo supraumbral origina un PA que una vez producido se transmite a lo largo de toda la neurona. Si el estímulo es subumbral, el PA no se produce.

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• PERÍODO REFRACTARIO: después que se ha producido el PA, existe un tiempo en el cual la célula no responde a los estímulos, posteriormente la célula va recuperando su excitabilidad.

• VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN: la velocidad con la que se conduce un impulso nervioso es constante. Depende de:– Diámetro de la fibra.– Presencia o ausencia de mielina.– Propiedades eléctricas de la membrana: resistencia,

capacitancia, etc.

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BIBLIOGRAFÍA

• “Biofísica”; Calvo Bruzos, S.; Sandoval Valdemoro, E.; Summers Gamez, J.; Encuadernación Elva S.A.; Segunda edición, Madrid, España. 1987.

• “Temas de Biofísica”; Parisi, M.; McGraw-Hill Interamericana; Cuarta edición, México. 2003.

•   “Biofísica”; Frumento, A. S.; Mosby/Doyma Libros S.A.; Tercera edición, Madrid, España 1995.

• “Manual de Biofísica”; Muracciole, J. C.; López Libreros Editores S.R.L.; Buenos Aires, Argentina. 1965.

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FIN

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