PROPIEDADES ELECTRICAS DE UNA NEURONA
UNIDAD: EL SISTEMA NERVIOSO CURSO: TERCERO MEDIO PLAN COMUN
PROPIEDADES ELECTRICAS DE UNA CELULA La membrana celular es permeable a algunos gases y a algunas pequeñas moléculas polares no cargadas, es ligeramente permeable al agua y esencialmente impermeable a la mayoría de moléculas solubles en agua. Por tanto, se requiere la presencia de ciertas proteínas para transportar moléculas polares e iones a través de las membranas celulares. Dichas proteínas permiten a estas moléculas cruzar la membrana sin interaccionar directamente con su interior hidrofóbico
Tipos fundamentales de proteínas transportadoras de membrana 1.- Bombas de ATP
2.- Transportadores 3.- Canales iónicos Estos últimos transportan agua y tipos específicos de iones a favor de su gradiente de concentración. Forman un paso de proteína a través de la membrana por el cual se pueden mover simultáneamente un múltiple número de moléculas a gran velocidad. Estos canales juegan un papel fundamental en el funcionamiento de células nerviosas y en la transmisión de impulsos nerviosos.
GRADIENTE IÓNICO Y POTENCIAL ELÉCTRICO DE MEMBRANA: CÉLULAS EXCITABLES La membrana celular es el orgánulo que hace posible mantener una composición iónica del medio intracelular completamente distinta a la del extracelular. Esta diferencia en concentración se mantiene por la presencia de bombas, transportadores y canales iónicos. La composición iónica del citosol (citoplasma) difiere ampliamente de aquella del fluido extracelular.
Así, en casi todas las células, a pH 7, la concentración citosólica de K+ es mucho mas alta que la de Na+y Ca2+. Por ejemplo, [K+] < 20-40 veces en sangre que en las células. Por otro lado, la [Ca2+] es mucho menor en el interior celular que en el medio extracelular. Las bombas iónicas, fundamentalmente la bomba de Na+/K+, son las que generan y mantienen este gradiente de concentración iónica consumiendo ATP. La membrana plasmática contiene canales proteicos que permiten a los principales iones celulares (Na+, K+, Ca2+ y Cl-) cruzar la membrana a favor de su gradiente de concentración a distintas velocidades.
Los gradientes de concentración de iones y el movimiento de iones a través de la membrana crean una diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior de la membrana celular. A esta diferencia de potencial eléctrico se la denomina Potencial de Membrana (DY). En la mayor parte de las células el valor de dicho potencial suele ser de unos -60 o -70 mV (el signo negativo indica que el interior de la célula presenta carga negativa respecto al exterior) y se debe únicamente a un ligero exceso de cationes, de tan solo ppm, en el exterior celular.
Teniendo en cuenta este valor de potencial de membrana, 70 mV, y que la membrana plasmática tiene un grosor de 3.5 nm. El gradiente de voltaje que se genera en esta membrana resulta de 0.07 V por 3.5x10-7 cm = 200000 V/cm. Por tanto, la membrana plasmática, como todas las membranas biológicas, se comporta como un artilugio eléctrico que recibe el nombre de condensador (fina hoja de material no-conductor (interior hidrofóbico) rodeado a ambos lados de material eléctricamente conductor (cabezas polares e iones del medio acuoso).
De esta forma la membrana es un almacén de carga eléctrica.
Esta diferencia de gradientes y el potencial eléctrico a través de la membrana dirigen muchos procesos biológicos. Así, por ejemplo, la apertura y cierre de canales de Na+, K+, Ca2+ y Cl-, es esencial para la conducción de impulsos nerviosos a través de los axones de células nerviosas y, el aumento en la concentración de Ca2+, importante señal reguladora (contracción muscular, secreción de hormonas).
BASES IÓNICAS DE LA EXCITACIÓN Y DE LA CONDUCCIÓN
Cuando se aplica un estímulo a una célula excitable, éste causa cambios estructurales en la membrana celular. La membrana aumenta notablemente su permeabilidad al sodio (Na), causando una entrada rápida de éste, y el potencial interno cambia de negativo a positivo (el potencial de acción). A continuación, durante la fase de repolarización, hay una disminución en la entrada del sodio, mientras que el potasio (K) acelera su salida hacia el exterior, lo cual origina que el potencial de membrana restituya su valor negativo.
POTENCIAL DE REPOSO Las células presentan una diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior, siendo el exterior positivo respecto del interior, es el llamado potencial de reposo, se dice entonces que la membrana está polarizada. El mecanismo que produce la polarización de la membrana está en relación con la desigual distribución de iones en el interior y exterior debido a que ésta presenta una permeabilidad selectiva para los mismos. El ión K atraviesa libremente la membrana en ambos sentidos, mientras que el ión Na lo hace con más dificultad, además, una vez en el interior está sometido a la llamada bomba de sodio
Se sabe que existen canales proteicos de dos tipos: • Canales siempre abiertos para el Na y K. Existe una mayor cantidad de canales siempre abiertos para el Na que par el K •Canales siempre cerrados para el Na y K que pueden ser abiertos por un estímulo externo o interno
POTENCIAL DE ACCION (SEGUNDO)
Cuando se conectan dos electrodos sobre la superficie de un axón en reposo no se registra una diferencia de potencial. Si uno de los electrodos se inserta en el interior de la célula, se observa una diferencia de potencial constante que, mientras la célula está en reposo, será negativa en el interior con relación al exterior. En este caso, el potencial de membrana en las neuronas es de aproximadamente –70 mV (Figura 2.2) y de –90 mV para las células musculares.
POTENCIAL DE ACCIÓN
El potencial de acción comienza con una despolarización inicial lenta de la membrana, hasta aproximadamente -15 mV. Luego, se produce un cambio brusco de velocidad de despolarización conocido como nivel de disparo o umbral. El potencial aumenta rápidamente y se hace positivo, llegando a un valor de +35 mV . Luego, el movimiento se invierte y el potencial cae con rapidez hacia el nivel de reposo.
Cuando la repolarización alcanza aproximadamente el 70%, la velocidad de repolarización disminuye hasta llegar nuevamente al potencial de reposo. Sin embargo, el potencial baja un poco más, dando lugar a una hiperpolarización de magnitud pequeña (positiva o negativa) pero prolongada.
Aunque hay una rápida repolarización de la región excitada, la señal no se debilita. Más bien, la parte contigua al axón se despolariza. Esta secuencia de despolarización-repolarización se repite y conduce el impulso a través del axón. Veamos el siguiente ejemplo: Observe el encendido de un cigarrillo sin filtro. Mantenga el fósforo lejos de su extremo, el cigarrillo no prenderá. Sin embargo, una vez el calor es suficiente, el cigarrillo comienza a arder. Ahora, suponga que una persona coloca el cigarrillo en un cenicero y lo deja allí olvidado, mientras éste continúa ardiendo. Finalmente, el cigarrillo arderá por completo.
La señal nerviosa actúa de forma similar. No activa la fibra a menos que el estímulo sea lo suficientemente fuerte, pero una vez que la señal ha comenzado a activarla, viaja a través de toda la fibra. El axón tiene una ventaja, la cual no tiene el cigarrillo: cuando ha completado la tarea, se puede repolarizar y activar de nuevo, mientras que el cigarrillo se convierte en ceniza y no se puede reconstruir.
LEY DEL “TODO O NADA” Una vez que se alcanza la intensidad umbral se produce un potencial de acción completo. Si alcanzo nuevamente el potencial de reposo y se incrementa la intensidad del estímulo por encima del estímulo umbral, el potencial de acción es idéntico al anterior, siempre que las condiciones experimentales permanezcan constantes. Si el estímulo es de magnitud inferior al umbral no se produce un potencial de acción (pero sí un potencial electrónico). El potencial de acción, por lo tanto, obedece a la ley del “todo o nada”.
Si el potencial gradiente es suficiente para activar una neurona, la señal siempre viajará a lo largo de toda la célula. No es posible que una señal pueda deteriorarse y "morir" en el camino. De modo que la excitación celular se describe por el llamado principio "todo- o- nada". Cada neurona se activa con una intensidad fija: esto es, la intensidad es la misma para cada activación celular.
PERIODO REFRACTARIO
Después de un potencial de acción, mientras la membrana regresa a su estado de reposo, la fibra nerviosa no responde a un nuevo estímulo. El intervalo de falta de respuesta completa se llama periodo refractario absoluto. El periodo refractario absoluto se continúa con un periodo refractario relativo, durante el cual el nervio puede ser estimulado, pero menos fácilmente que en reposo.
La fase refractaria es el período de tiempo que se requiere para la repolarización de la célula. Aunque el periodo de tiempo sea corto ( menos de un milésimo de segundo el algunos casos), la señal no puede atravesar la célula durante la primera parte de la fase refractaria, a la cual se le llama "período refractario absoluto".
El resto de la fase se le llama "período refractario relativo", y es el tiempo durante el cual la célula puede activarse de nuevo, pero solamente si la excitación es más fuerte que la normal. Veamos el siguiente ejemplo:
Usted ha estado haciendo un trabajo o estudio para un examen, le ha dedicado gran cantidad de tiempo y esfuerzo. Puede ser que usted se sienta cansado o agotado de hacer el trabajo o de estudiar para un examen, necesita un periodo de tiempo para descansar o hacer un receso a la actividad y sienta una necesidad de recuperación. Si no tiene preparado otro trabajo u examen inmediatamente, es posible que usted pueda tener un largo tiempo para descansar y recuperar fuerzas de nuevo. Sin embargo, la proximidad de otro trabajo o examen importante, puede significar que su motivación sea tan alta, que usted podría tomar sólo una corta pausa de descanso (periodo refractario absoluto) y entonces comenzará a estudiar otra vez, aunque no se sienta aún totalmente recuperado (período refractario relativo).
PERIODO DE LATENCIA
Es el tiempo transcurrido entre el momento de aplicar un estimulo y la respuesta de la célula a dicho estimulo. Si el estimulo es supraumbral, se inicia el potencial de acción.
INTENSIDAD, DURACION, FRECUENCIA Y DIAMETRO DE LA FIBRA NERVIOSA La capacidad del estímulo para producir una respuesta depende de la intensidad del estímulo y de su duración. Es decir, se puede obtener la misma respuesta al aplicar un estímulo de corriente (o voltaje) alta y de corta duración ó un estímulo de corriente (o voltaje) débil por un largo tiempo. Si se hacen mediciones con estímulos de diferentes duraciones e intensidades y se grafícan los resultados se obtiene una curva como la que se muestra en la Figura siguiente.
El potencial de acción es siempre de la misma intensidad para cada activación de una neurona. La fuerza de la señal, depende entonces de otros factores distintos a la cantidad del potencial. Tres variables parecen contribuir en ella: frecuencia, con la cual una neurona se activa o excita; cantidad total de neuronas excitadas por la señal y la dirección particular en que las neuronas se activan. En general, una mayor frecuencia de activación y unan mayor cantidad de neuronas excitadas, indican mayor intensidad de la señal. La dirección de la señal determina el tipo de estímulo que se registrará como resultado de la misma.
PARA REFLEXIONAR..... La mínima intensidad de un estímulo de duración infinita que genera una respuesta se denomina reobase. En cambio, la duración del estímulo requerida a una intensidad de estímulo igual al doble del voltaje de reobase se define como cronaxia. La cronaxia es una medida de la excitabilidad del nervio, es decir, mientras menor es el valor de la cronaxia más excitable es el nervio. La relación entre la intensidad del estímulo y la duración del mismo depende de la resistencia y la reactancia capacitiva de la membrana (geometría celular) y de los fluidos extracelulares que retardan los cambios de la membrana cuando hay un estímulo.
BIBLIOGRAFIA: Tomado y adaptado de: ALTON BIGGS, KAPICKA C & LUNDGREEN L. (1998) BIOLOGY: THE DYNAMICS OF LIFE. Edit Glencoe/McGraw-Hill. USA.
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INFORMACIÓN OBTENIDA DE PAGINAS WEB (INTERNET)
