UNIVERSIDAD SAN PEDRO DOCENTE: MIGUEL ANGEL FALCON POVIS FACULTAD DE MEDICINA HUMANA ESCUELA PROFESIONAL DE MEDICINA CHIMBOTE FÍSICA BÁSICA DE LOS POTENCIALES DE MEMBRANA ACTIVIDADES ELÉCTRICAS DE LAS MEMBRANAS: TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS
ELEMENTOS ELECTRICOS ELECTRICOS DE LA CELULA NERVIOSA Una célula nerviosa tiene la forma y partes que se muestran en la figura. La información que se trasmite en el cuerpo humano se hace mediante pulsos eléctricos en las fibras nerviosas denominadas axones. Los axones tienen diámetros comprendidos entre 1 y 20 micrómetros y pueden ser bastante largos. La vaina v aina de mielina que rodea a algunos axones reduce la capacidad eléctrica de la membrana, membrana, al tiempo que aumenta aumenta su resistencia eléctrica. eléctrica. Cada vaina de mielina formada por células células de Schwann, tiene aproximadamente aproximadamente 1 mm de longitud, pero la distancia entre vaina de mielina sucesivas es 1 = 10-6 m. en estos espacios celulares, denominados denominados nodos de Ranvier, Ranvier, el axón está en contacto directo con el líquido extracelular extracelular (o intersticial). Precisamente en estos nodos se lleva a cabo la amplificación de los pulsos nerviosos en un nervio revestido con mielina.
RESISTENCIA ELECTRICA DE UN AXON: Suponiendo que el axón consiste de una membrana cilíndrica que tiene un líquido conductor conductor (el axoplasma), la corriente puede viajar a lo largo del axón en este fluido y también puede escapar a través de la membrana.
= , = ′ = = √
R: resistencia. R: resistencia. : Resistividad del axoplasma. A: Área A: Área de su sección transversal. Rm: Resistencia Rm: Resistencia de la unidad de área de la membrana la corriente perdida. A’: Área de resistencia perdida L = : distancia (indica que distancia recorre una corriente corriente antes que la mayor parte de ella se pierda a través de la membrana),
para lo cual las
resistencias resistenci as R y R’ son iguales se llaman
parámetros espacial.
CAPACIDAD ELÉCTRICA DE UN AXÓN: La membrana celular es muy fina, por lo cual una pequeña sección parece casi plana y a ambos lados de ella se acumulan cargas eléctricas de signos opuestos. La carga por unidad de Superficie dividida por la diferencia de potencial resultante es la capacidad eléctrica por unidad de área.
=() = ∆
Cm: Capacidad Cm: Capacidad eléctrica por unidad de Área de membrana. Qm: carga Qm: carga por unidad de Superficie. Diferencia de potencial C: Capacidad. r: radio. r: radio. L: longitud L: longitud de un trozo del axón. A:
∆:
2
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()
Las resistencias (Rm), capacidades (Cm) y resistividad del axón con o sin mielina se muestran en la siguiente cuadro, debes tenerlo en cuenta para resolver los ejercicios de aplicación: MAGNITUD Resistividad del axoplasma Capacidad por unidad de área de membrana (Cm) Resistencia por unidad de área de membrana (Rm) Radio (r)
AXON CON MIELINA
()
2 Ωm
5 x 10 -5 F/m2 40 Ω
AXON SIN MIELINA 2 Ωm
10-2 F/m2
m2
0,20 Ω m2
5 x 10-6 m
5 x 10 -6 m
RESPUESTA DEL AXÓN A ESTIMULOS DÉBILES: Cuando un estímulo inferior al umbral actúa sobre un axón sin mielina, se produce un pulso que recorre el axón y se atenúa después de pocos milímetros. En el lugar del estímulo, x = 0, el potencial Vi (potencial de reposo) cambia lentamente de -90mV a -60mV, para otros valores de x los potenciales cambian más lentamente alcanzando un potencial final entre estos extremos. Si la diferencia entre el potencial de reposo y el potencial final en x = 0 es Vd, entonces la diferencia a una distancia x es:
−⁄ ()= : .
x: distancia entre el estímulo y el punto de consideración. Por el contrario, cuando un estímulo superior al umbral actúa sobre un axón se produce un pulso que recorre la longitud del axón sin atenuación. IMPULSO NERVIOSO: Es un potencial de acción que se propaga a lo largo del axón de una célula nerviosa.
La velocidad de propagación del impulso de una fibra mielínica es:
V=
, donde X: es la distancia entre dos nodos sucesivos y Tiempo necesario para reducir la carga de la membrana y aumentar por encima del umbral el potencial en e l segundo nodo:
: = ⇒ : = ⇒ = Aquí, X = 10 -3 m, r el radio del axón y los valores
se da en el cuadro.
V = d/t
EL POTENCIAL DE EQUILIBRIO (V) DE NERNST PARA UN IÓN: se calcula mediante la siguiente fórmula:
V 2 ,3
kT
e
log
C 1 C 2
23 Donde V tiene como unidad al volt (V); ± según la carga del ión; k es la constante de Boltzman y es igual a 1,38×10 J/K; T es la 19 temperatura en kelvin; e es la carga de un electrón y su valor es igual a 1,60×10 C. Reemplazando los valores anteriores:
V
61 ,4 mV log
C in C e
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BIOELECTRICIDAD EJERCICIOS DE APLICACIÓN: 1. Una membrana plana y delgada separa una capa de iones positivos en el exterior de una célula de una capa de iones negativos en el interior de dich a célula. Si el campo eléctrico debido a estas cargas es 109 N/C. Hallar la carga por unidad de área Q/A en las capas de cada lado de la membrana. EXPLICA: E=109 N/C Q=Eo x E E=F Q=? A Q A Q/A= 8,85x10-12 X 109 Eo=8,85x10-12
Q/A=8,85x10-3 c/m2 Que entiendes por campo eléctrico: Es un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor q sufre los efectos de una fuerza eléctrica F dad por la siguiente ecuación. La célula de acuerdo al caso planteado se encuentra en potencial de acción. Fundamenta tu respuesta. Un potencial de acción, también llamado impulso eléctrico, es una onda de descarga eléctrica que viaja a lo largo de la membrana celular modificando su distribución de carga eléctrica. Los potenciales de acción se utilizan en el cuerpo para llevar información entre unos tejidos y otros.
2. Una fibra nerviosa (axón) se puede considerar como un largo cilindro. Si su diámetro es 10-7 m y su resistividad es 2 ohm.m ¿Cuál es la resistencia de una fibra de 0,4 m de longitud? EXPLICA: R=Pa x L A´ R=2 x 0,4/(5x10-8)2 R=8x10x1014 R=2 x 0,4 5 5x10-16 R=16x1014 Ωm -1 16 R=2x4x10 x10 5 R=2x4x1015 5 Que entiendes por resistencia: Oposición que presenta un conductor al paso de la corriente eléctrica. De acuerdo al grosor del axón como se presenta la resistencia. Se da mientras más grueso sea el axón, este será o presentará menos resistencia.
D=10-7m -> r=5x10-8 Pa=2Ω L=0,4m
∆)
3. Una membrana tiene una diferencia de potencial ( cuadrado hay a cada lado? Si: a). Si posee mielina. Qm=5x10-5 -5 2 Cm=5x10 F/m 90 =90mV Qm=5x10-6
∆
b). No posee mielina Cm=10-2F/m2 =90mV
∆
9 Qm=0,55x10-6
Qm=10-2 90 Qm=10-3 9 Qm=0,11x9-6
de 90mV entre sus lados. ¿Qué carga por metro
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Explique: ¿Qué entiendes por diferencia de potencial? Es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico, esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico. Si la energía (E) que el generador cede al circuito durante su funcionamiento es directamente proporcional a su dpp (V) y a la carga, q (C), que pone en movimiento.
4. Hallar la velocidad de propagación de un potencial de acción y el tiempo necesario para recorra 3m en un nervio con mielina, x=distancia entre nodos sucesivos es 1 mm = 10-3 m, t el tiempo necesario para reducir la carga de la membrana y aumentar por encima del umbral el potencial en el segundo nodo: a) de radio 1 um. V= r .. V=? Pa.Cm.X V= 1 .. t=? V= 1um . 10-5 d=3m 2Ωm.5x10-3F/m2.10-3m V=105 -3 x=1mm=10 m V= 1um . 101.10-3.10-3 b) de radio 10 um. V=? t=? d=3m x=1mm=10-3m
V=
r .. Pa.Cm.X V= 10um . -3 2 -3 2Ωm.5x10 F/m .10 m V= 10um . 1 -3 -3 10 .10 .10
V=
10 10-5
..
V=106
EXPLICA:
La diferencia entre potencial de reposo, umbral y potencial de acción.
Potencial de reposo Diferencia de potencial entre el medio intracelular y el extracelular.
Potencial de umbral
El valor de potencial transmembrana a partir del cual se genera un potencial de acción. Diferencia entre potencial de acción en espiga y de meseta.
Potencial de acción Variaciones del potencial transmembrana en función del tiempo.
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5. Un impulso nervioso puede recorrer un axón de 0,6m de longitud en 0,05s, hallar la velocidad de propagación del impulso nervioso. ¿Cuál es su radio? X= distancia entre nodos sucesivos. V = d/t L=0,6m V=L T=0,05s t V=? V=6x101 V= 0,6 5 0,05 V=12m/s V=6x10-1 5x10-2
6. ¿Cuál es la fuerza sobre un ion de sodio en la membrana debido al campo eléctrico cuyo valor es 1,0 x 10 7 V/m E=1,0x107V/m F=? Ion Na+=? q+=1,602x10-19
E=F q
F=E x q F=1,0x107.1,602x10-19 F=107.1,602x10-19
F=1,602x10-12N
7. La concentración de K+ en el interior de un axón es 165 mmol/m3 y en el exterior es de 8 mmol/m3. Calcular: a) ¿Cuál es el potencial de equilibrio a 37 °C? Concentración de K +=165mmol/m3 (interior) V=-61,4mV.log (165mmol) Concentración de K +=8mmol/m3 (exterior) 8mmol V=-61,4 x log 20,625 V=-61,4(1,31)
Explique:
V=-80,7mV
En qué sentido van los flujos de K+ debido a la difusión. Van de adentro hacia afuera, por difusión se mueve de un lugar de mayor concentración a menos concentración. ¿Qué tipo de potencial se encuentra? ¿por qué? Se encuentra en potencial de reposo porque cuando cambia el voltaje a positivo, este será el responsable de la generación del potencial. ¿Qué describe la ecuación de Nernst? La ecuación de Nernst es útil para hallar el potencial de reducción en los electrodos en condiciones diferentes a los estándares.
8. La membrana es considerada como un capacitor ya que almacena carga eléctrica o energía eléctrica. La
=:
capacidad de la membrana se puede determinar por:
K: constante eléctrica = 9,00 x 10 9 N.m2/C2 Constante dieléctrica de la membrana = 3 d: espesor del aislante del condensador = 100 A° A: área de la membrana = 5,00 x 10 -6 cm2 Use estos valores y determine la capacidad de la membrana en Faraday (F). Use los valores con unidades del SI. C= 3.5x10-10m2 ....... 9 2 2 4.3,14.9x10 N.m /c .100 A° C= 15x10-10 ....... 113,04x1011 C=0,133x10-21F
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9. LEE DETENIDAMENTE Y COMPLETA LOS ESPACIOS EN BLANCO: Cuando una neurona es estimulada con cierta intensidad (umbral de excitación), los canales de sodio se abren. Debido a que existe una mayor concentración de iones sodio en el espacio extracelular , éstos se difunden masiva y bruscamente hacia el espacio i ntracelular . El ingreso de iones sodio positivos disminuye la diferencia de cargas a ambos lados de la membrana plasmática, momento conocido como despolarización. El ingreso de Na+ causa una variación en el potencial de membrana, que llega hasta los 40mV-13mV (dependiendo del tipo de neurona). A esta subida brusca del potencial en sentido positivo se le conoce como potencial de reposo. Una vez que se ha alcanzado ese valor, los canales de Na+ se cierran y se abren los canales de K+, lo que causa la salida de iones potasio y la repolarización . La salida excesiva de K+ causa una pequeña hiperpolarización que junto con la inactivación de los canales de Na+ constituyen el peri odo refractari o. En este período no se puede generar un nuevo potencial de acción.
CÉLULA 1. Defina homeostasis: Es una propiedad de los organismos que consiste en su capacidad de mantener una condición interna estable compensando los cambios en su entorno mediante el intercambio regulado de materia y energía con el exterior. 2. Realice un esquema de una membrana celular identificando sus componentes. Detalle las propiedades y funciones de la membrana.
Propiedades: Semipermeabilidad. Asimetría. Fluidez. Reparación.
Funciones: Funciona como barrera semipermeable. Protección. Regula el transporte desde y hacia la célula. Permitir el reconocimiento celular.
UNIVERSIDAD SAN PEDRO DOCENTE: MIGUEL ANGEL FALCON POVIS FACULTAD DE MEDICINA HUMANA ESCUELA PROFESIONAL DE MEDICINA CHIMBOTE 3. Describa los Mecanismos de transporte a través de las membran as, clasificándolo según el gasto de energía. NO MEDIADO:
Ocurre por difusión simple (sin proteína acarreadora o transportadora). MEDIADO:
1. Transporte pasivo: 1.1Difusión facilitada. Transportador de glucosa, Intercambiador Cl – HCO3 1.2Ionóforos (valinomicina, monensina y gramicidina) y porinas (mitocondria). 1.3Canales iónicos (receptor de acetilcolina).
2. Transporte activo: 2.1 Primario. H+ ATPasa (membrana plasmática, plantas). NaK ATPasa (membrana plasmáticas, animales), ATPasa de Ca2+ y ATPasa de H+ -K+ 2.2 Secundario. Gradiente de iones, AA y azúcares (impulsado por sodio en intestino); lactosa (impulsado por H+, bacterias) (permeasa de lactosa). 4. ¿Qué diferencia existe entre una compuerta de voltaje y una de ligando?
COMPUERTA DE VOLTAJE
COMPUERTA DE LIGANDO
Pasan desde la posición cerrada hasta la Estos se conservan abiertas hasta que el abierta, y permiten el paso de iones desde un ligando se disocia de la compuerta. Esta posee lado de la membrana hacia el otro. las cualidades de una molécula receptora. 5. En un cuadro tabule la distribución de los iones en los compartimentos intracelular y extracelular.
6. Defina potencial de membrana o potencial de reposo. ¿Qué lo determina? ¿Qué iones intervienen? ¿Cuáles son sus concentraciones en los espacios intracelular y extracelular? Es la diferencia de potencial que existe entre el interior y el exterior de un célula. Iones que intervienen son: el sodio (Na+) es el catión predominante y alcanza una concentración media de 136-145 mEq/L (en el líquido extracelular) y 8-10mEq/L (en el líquido intracelular). El K+ tiene una concentración media de 3,5-5,0 mEq/L (en el líquido extracelular) y 140-150mEq/L (en el líquido intracelular).
TEJIDO EXICITABLE: NERVIO. 1. Dibuje una neurona y determine sus componentes.
UNIVERSIDAD SAN PEDRO DOCENTE: MIGUEL ANGEL FALCON POVIS FACULTAD DE MEDICINA HUMANA ESCUELA PROFESIONAL DE MEDICINA CHIMBOTE 2. ¿Cuál es la función de las células de Schwann o neurolemocitos? ¿Todas las neuronas recubiertas por células de Schwann poseen las mismas características? ¿Cuáles son las células responsables de proveer de mielina a las neuronas del SNC? Las células de Schwann son células gliales que se encuentran en el sistema nervioso periférico que acompañan a las neuronas durante su crecimiento y desarrollo de su función. Recubren a las prolongaciones (axones) de las neuronas formándoles una vaina aislante de mielina. Las células encargadas de proveer las mielinas a las células del sistema nervioso periférico son las células de Shwann. 3. ¿Cuáles son las concentraciones intracelulares y ex tracelulares de Na+, K+ y Cl- en el tejido nervioso?
4. Defina potencial, potencial umbral, potencial de acción.
Potencial de reposo
Potencial de umbral
Potencial de acción
Diferencia de potencial entre el medio intracelular y el extracelular.
El valor de potencial transmembrana a partir del cual se genera un potencial de acción.
Variaciones del potencial transmembrana en función del tiempo.
5. Confeccione un eje de coordenadas donde relacione el potencial de membrana en función del tiempo y grafique la espiga de un potencial de acción completo.
6. Defina periodo refractario absoluto y periodo refractario relativo. ¿Qué sucede con la excitabilidad en la célula durante estos periodos? Grafíquelo. Se define al periodo refractario como el momento en el que la célula excitable no responde ante un estímulo y por lo tanto no genera un nuevo potencial de acción. Se divide en dos: periodo refractario absoluto (o efectivo) y periodo refractario relativo. El periodo refractario absoluto es aquel en el que los canales de Na+ sensibles a voltaje se encuentran inactivos, por lo que se inhibe el transporte de iones sodio. En cambio, el periodo refractario relativo se da en alguna parte de la fase de repolarización, en donde los canales de Na+ paulatinamente comienzan a reactivarse. De esta manera, al agregar un estímulo excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales (que se encuentran cerrados en ese momento) se abran y generen un nuevo potencial de acción cuya amplitud depende de cuánto se acerque en ese momento el potencial de membrana al potencial de reposo.
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7. Determine las diferencias en la conducción del estímulo en una fibra mielinizada y una no mielinizada.
F ibras mielinizadas: El impulso es conducido con velocidad sin tener que incrementar el diámetro del axón.
F ibras no mielinizadas: El impulso es conducido con más lentitud y se desplaz a como una onda continua de inversión del voltaje a lo largo del axón. 8. Defina conducción saltatoria, conducción ortodrómica y conducción antidrómica.
Conducción saltatoria: Potencial de Acción “salta” de un nodo de Ranvier a otro, por lo cual el proceso es más rápido. Est o produce ya que la vaina de mielina actúa como aislante.
Conducción ortodrómica: Electrodos sobre las terminaciones sensitivas de los nervios periféricos.
Conducción saltatoria: Electrodos sobre el tronco nervioso proximal y registro en el distal. 9. En el potencial de membrana en reposo y en el de acción intervienen los iones N+ y K+. En un potencial de acción propagado de una célula nerviosa ¿Que protagonismo toma el Ca2+? ¿Desde qué espacio lo hace y hacia donde lo hace? La bomba Ca++-ATPasa funciona de una forma muy parecida a la bomba Na+K +-ATPasa: dos iones de Ca++ son transportadores fuera del citosol por cada molécula de ATP hidrolizado. La actividad de esta bomba está regulada de tal forma que si la concentración de Ca++ aumenta, la velocidad de bombeo aumenta hasta que la concentración citosólica se reduce a 0.1 mmolar. Entran 3 de Na+; salen 2 de Ca++.
Los iones de calcio promueven en la fusión de la membrana de la vesícula simpática con la membrana terminal del axón en la neurona. 10. ¿En qué se diferencia el potencial de acción de una célula ventricular con otras células? El potencial de acción de una célula ventricular se diferencia de las o tras células, porque utiliza mecanismo básico para la contracción y relajación del corazón. 11. Defina los canales iónicos. ¿Qué permiten? ¿Cuál es el rol biológico de estos canales? ¿Qué enfermedades están relacionadas con los canales iónicos? Los canales iónicos son proteínas transmembrana que contienen poros acuosos que cuando se abren permiten el paso selectivo de iones específicos a través de las membranas celulares. Así, los canales iónicos son proteínas que controlan el paso de iones, y por tanto el gradiente electroquímico, a través de la membrana de toda célula viva.
UNIVERSIDAD SAN PEDRO DOCENTE: MIGUEL ANGEL FALCON POVIS FACULTAD DE MEDICINA HUMANA ESCUELA PROFESIONAL DE MEDICINA CHIMBOTE La importancia de los canales iónicos en los procesos fisiológicos está clara a p artir de los efectos de mutaciones en proteínas de canales iónicos específicos. Los defectos genéticos en el canal de Na+ de compuerta regulada por voltaje de la membrana plasmática del miocito conducen a enfermedades en las que los músculos periódicamente se paralizan (tal como sucede en la parálisis periódica hipercaliémica) o se vuelven rígidos (como en la paramiotonía congénita). 12. Explica los efectos de la electricidad en el organismo humano. Cuando alguna parte o partes del cuerpo humano entran en contacto con dos puntos u objetos entre los que existe una diferencia de potencial (voltaje), se establece el paso de una corriente eléctrica a través del cuerpo que puede producir efectos muy diversos, desde un leve cosquilleo hasta la muerte, pasando por contracciones musculares, dificultades o paro respiratorio, caídas, quemaduras, fibrilación ventricular y paro cardíaco. Esto se conoce como choque eléctrico. El choque eléctrico puede producirse al tocar eleme ntos sometidos a tensión, como cables o barras metálicas desnudas (contacto directo), u objetos, normalmente inofensivos, cuya tensión se debe a fallos y defectos de aislamiento (contacto indirecto). 13. Explica la transmisión eléctrica de las neuronas a través de una sinapsis. La sinapsis es una aproximación (funcional) intercelular especializada entre neuronas, ya sean entre dos neuronas de asociación, una neurona y una célula receptora o entre una neurona y una célula efectora (casi siempre glandular o muscular). En estos contactos se lleva a cabo la transmisión del impulso nervioso. Este se inicia con una descarga química que origina una corriente eléctrica en la membrana de la célula presináptica (célula emisora); una vez que este impulso nervioso alcanza el extremo del axón (la conexión con la otra célula), la propia neurona segrega un tipo de compuestos químicos (neurotransmisores) que se depositan en la hendidura o espacio sináptico (espacio intermedio entre esta neurona transmisora y la neurona postsináptica o receptora). 14. Relación entre el potencial de acción y el electrocardiograma. El potencial de acción cardíaco es un potencial de acción especializado que tiene lugar en el corazón, que presenta propiedades únicas necesarias para el funcionamiento del sistema de conducción eléctrica del corazón. El potencial de acción (PA) cardíaco difiere de forma significativa en diferentes porciones del corazón. Esta diferenciación de PA genera diferentes características eléctricas de las distintas zonas del corazón. Por ejemplo, el tejido conductivo especializado del corazón tiene la capacidad de despolarizarse sin ninguna influencia externa. Esta propiedad se conoce como el automatismo del músculo cardíaco. La actividad eléctrica de los tejidos especializados de conducción no es aparentes en el electrocardiograma de superficie. Esto se debe a la pequeña masa de estos tejidos en comparación al miocardio. 15. Patch Clamp. Esta técnica es empleada para el registro de las corrientes de los canales iónicos dependientes de voltaje capaces de generar un potencial de acción.
