Potencial de Acción: propiedades eléctricas y canales iónicos en neuronas

Propiedades Eléctricas Pasivas de las Neuronas

POTENCIAL DE ACCION¿Cuáles son las propiedades eléctricas pasivas que son importantes para la transmisión de señales eléctricas en las dendritas y axón de una neurona?

1. La resistencia de la membrana en reposo
2. La capacitancia de la membrana
3. La resistencia axial intracelular a lo largo de los axones y dendritas

También son los que determinan el tiempo y la amplitud del cambio de potencial sinóptico generado por la corriente sináptica y también influyen en la velocidad con la que se conduce un PA La resistencia a la entrada de corriente determina la magnitud de los cambios pasivos del potencial de membrana

A, A2 mV -45 - +2 -50 Hacia fuera + +1+ -55 ++ V. (mV) 1 -80 -70 -50 -40 -1 + -70 + ·Hacia dentro -2 - -75 - +Hiperpolarización Despolarización-+ Tiempo

Si se inyecta carga negativa a través de un electrodo aumenta la separación de cargas a través de la membrana, lo que determina que el potencial de membrana se vuelva mas negativo o hiperpolarizado Cuando se inyecta una carga' positiva en la celula se produce una despolarizacion , la neurona se comporta como una resistencia , pero solo para unos valores de voltaje limitados

+Hiperpolarización Despolarización -+ B InA) Hacia fuera Corriente 0- -60 -65 + -Hacia dentro 0.5 nA Tiempo Potencial de membrana

Propiedades Eléctricas Pasivas de las Membranas Celulares

-PROPIEDADES ELECTRICAS PASIVAS DE LAS MEMBRANAS CELULARES (A) (B) +2 1 2 3 4 ? Corriente (nA) 0 Estímulo Microelectrodo para administrar corriente -2 Registro Neurona Microelectrodo para medir el potencial de membrana Potenciales de acción Insertar microelectrodo 0 Despolarización - Respuestas Jarivas -50 Umbral -65 Potencial de reposo Hiperpolarizació -100 Tierhp - - Cuando la neurona supera el umbral ya no sigue comportandose como una simple resistencia debida a las propiedades de los canales voltaje dependientes

Potencial de membrana (mV) +40 La capacitancia de la membrana prolonga la duración temporal de las señales electricas A, Hacia fuera Corriente 0- A Despolarización -- mV - -45- -50 - de membrana -55 -60- La magnitud del cambio del voltaje en estado de equilibrio, frente a una corriente recuerda el comportamiento de una resistencia Pero la duración temporal no es la que se tendría si se comportara la célula solo como una resistencia V I Tiempo La propiedad de la membrana que permite que la respuesta del voltaje aumente y disminuya mas lentamente que el cambio gradual de la corriente se debe a su capacitancia

Condensador de Placas Paralelas y Membrana Lipídica

Funcionamiento del Condensador

C CONDENSADOR DE PLACAS PARALELAS MEMBRANA LIPÍDICA EXTERIOR EXTERIOR Carga, Q Área, A V = 0 +Q ++ Distancia, a V = Vm INTERIOR INTERIOR Constante dieléctrica del medio, Er Un capacitor o condensador es un dispositivo capaz de almacenar cargas separadas.

Capacitancia y Respuesta del Voltaje

¿Cómo la capacitancia reduce la respuesta del voltaje? (1) V = Q/C El voltaje a través de un condensador es proporcional a la carga almacenada por este Q= culombios C = faradios Para alterar el voltaje debe añadirse o quitarse carga del condensador (2) ΔV = ΔΩΙΣ y el cambio de carga es el resultado del flujo de corriente a traves del condensador (Ic) Como la corriente es el flujo de carga por unidad de tiempo (3) Ic = AQ/ At (4) AV = Ic x At/C La magnitud del cambio del voltaje a Podemos calcular el cambio de voltaje a traves de un condensador en respuesta a traves de un condensador como una un pulso de corriente depende de la funcion de la corriente y del tiempo duracion de la corriente, ya que precisa durante el cual fluye la corriente (At de tiempo para que se deposite y se elimina las cargas del condensador

Capacitancia y Tamaño Celular

C CONDENSADOR DE PLACAS PARALELAS EXTERIOR Carga, Q Área, A V= 0 +Q Distancia, a -Q V = Vm . INTERIOR Constante dieléctrica del medio, Er MEMBRANA LIPÍDICA EXTERIOR INTERIOR C ~ A d Cuanto mayor es el area de un condensador mas carga almacenara aquel para una diferencia de potencial dada. Tambien depende del medio de aislamiento y de la distancia entre las dos capas (ancho de membrana) 1uF/cm2 Como la capacitancia aumenta con el tamaño de la célula, se precisa mas carga y por lo tanto mas corriente para producir el mismo cambio de potencial de membrana en una neurona mas grande que en una mas pequeña

Circuito Equivalente de la Membrana

Circuito equivalente Lado extracelular Generador de corriente R 1 = Monitor de potencial de membrana 4 Lado citoplásmico La corriente que atraviesa la membrana puede fluir tanto a traves de los canales ionicos de la membrana (R) como del Condensador (Cm) Ii = corriente que fluye por los canales ionicos Ic= corriente transportada por los iones que cambian la carga neta almacenada en la membrana La corriente total que cruza la membrana It o Im= Ii + Ic

Capacitancia y Potencial de Membrana

La capacitancia de la membrana reduce la velocidad de cambio del potencial de membrana 1 1-0 1 1 1 a 1 r - ! 1 m 63% AV 1 1 Fuera 11 0 1 c - Dentro Tiempo Vt: valor del potencial de membrana transcurrido un tiempo después de pasar corriente por la membrana La fase de ascenso del cambio en el potencial de membrana puede describirse en la siguiente ecuación V = Vo(1-e-t/T) T = I'm Cm Tau: corresponde al tiempo que tarda el potencial de membrana en elevarse a cerca del 63% de su valor inicial estable 1

Respuestas al Estímulo y Constante de Tiempo

Corriente estimuladora Respuesta I V m Estímulo hiperpolarizante La amplitud de los potenciales electrotónicos son proporcionales al estímulo. B PROGRESIÓN DEL VOLTAJE EN EL TIEMPO Vo El interruptor está cerrado. V = Voe(+/Rc) El voltaje disminuye hasta el 37% del valor inicial después del tiempo = RC. Vo = 0,37 Vo e T = RC Tiempo CAMBIOS EN VM DEPENDEN DE LA INTENSIDAD DEL ESTIMULO A CIRCUITO EQUIVALENTE EXTERIOR + Rm Cm V INTERIOR Tau: el tiempo que tarda el voltaje en aumentar o disminuir exponencialmente cerca del 63% de la diferencia de sus valores inicial y final

Propagación de Potenciales Electrotónicos

Los potenciales electrotonicos no se propagan (A) Estimulo Electrodo de inyección de corriente Axón -1 mm Electrodos de registro de potencial Potencial de@ membrana Registro Registro Registro RegiMra Registro -59 (mV) 62 -65 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 Tiempo (ms) -50 Umbral -55 Potencial de membrana (mV) -65 Potencial de reposo -0,5 0 05 1,0 1.5 2.0 2,5

Modelo de Circuito Equivalente y Decaimiento del Voltaje

Modelo de Circuito Equivalente

A MODELO DE CIRCUITO EQUIVALENTE ro o W W W Membrana Im Cm M M M M M M Ti ri 1 Axoplasma Líquido extracelular 1. Cuanto mayor sea la resistencia de la membrana (mejor aislamiento) y el radio del cable mayor será la constante de espacio y menor la pérdida de la señal. C DECAIMIENTO DEL VOLTAJE Vo El decaimiento es exponencial. Vo = 0,37 Vo V = Ve-Xl e 2 0 2. Cuanto mayor sea la resistencia del conductor interno (Ri o ra resistencia axial) menor será la constante de espacio y mayor será la pérdida de la señal. X V 1

Constante de Longitud y Diámetro del Axón

COMPARACION DE LA CONSTANTE DE LONGITUD A EN RELACION CON EL DIAMETRO DEL AXON 2 = distancia a lo largo de la cual decae la respuesta a 1/e o un 37% menos del tamaño original (V.) Vo Vole Vole 2 2 1. λ=3 mm ra es baja Axón de gran diámetro Rm: resistencia de la membrana Ra: resistencia axial del citoplasma al axon >rm/ra= mayor distancia menos corriente se pierde por unidad de longitud Conduce mejor las cargas 2= aR m V 2R. 1 Vo Vor o/e Vole 2 2 2. λ = 1 mm A W r_ es alta Axón de pequeño diámetro 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 mm Ri: Resistencia especifica de la membrana (por unidad de area de la membrana) Rm: Resistencia especifica interna (por unidad de area de seccion transversal del axoplasma)

Relación entre Diámetro, Resistencia y Capacitancia

A1 Lrm Cm ra A2 0 Cm = rm ra 2= 1 r 111 i T = I'm Cm rm A1> rm A2 ra A2 < < < ra A1 Cm A1 < Cm A2 WWA1 0 W -Www- A2 www - 2 = r 111 1. i T = Im Cm rm A1 < rm A2 ra A2 = ra A1 Cm A1 > Cm A2 En el caso de diámetros externos mayores de 1 um, el incremento de resistencia de la membrana y la menor capacitancia debida a la mielinización condicionan una velocidad de conducción mucho más rápida.

Potencial Electrotónico vs. Potencial de Acción

ELECTROTONICO O LOCAL: -Habitualmente de baja intensidad -No necesariamente modifica la permeabilidad de la membrana -Exhibe un decaimiento caracteristico -No se propaga -Depende de la intensidad del estimulo POTENCIAL DE ACCION: -Se desencadena habitualmente con estimulos de mediana o alta intensidad -Modifica temporalmente la permeabilidad de la membrana -No decae -Se propaga - Tiene periodos refractarios

Axón Gigante de Calamar

AXON GIGANTE DE CALAMAR Giant axon Brain Presynaptic (2nd order) Stellate nerve 1st-order neuron Smaller axons 2nd-order neuron Stellate ganglion Stellate nerve with giant axon 3rd-order neuron in mantle Postsynaptic (3rd order) Cross section 1 mm 1 mm (1) (2) (3) K Squid giant axon = 800 um diameter - - Mammalian axon = 2 um diameter

Técnica Patch Clamp (Neher-Sakman)

PATCH CLAMP ( NEHER-SAKMAN) 1 Suction Patch pipette Cell Suction Configuración de célula completa La pipeta tiene acceso al citoplasma Detachment by pulling Low-resistance seal Se crea un contacto hermetico entre la pipeta y la membrana plasmática Configuración interior-afuera La membrana se independiza de la célula y deja acceso a la cara citoplasmática

Canales Iónicos

Canal de Na+ VD

CANALES IONICOS Resting state 'closed' Ejemplo: Canal de Na+ VD No ion flow Trans-membrane protein subunit Na+ V Selectivity filter el umbral es el nivel de des- polarización al cual el efecto despolarizante de los canales de Na+ abiertos se vuelve lo suficientemente autorreforzado como para vencer las influencias que se le oponen Lipid bilayer Voltage sensor 1 Activation gate Inactivation gate or particle Proteínas que permiten el paso rápido de iones a favor de gradiente de potencial electroquímico

Estados del Canal de Na+ VD y K+ VD

ESTADO DE LOS CANALES IONICOS Canal de Na+ VD Resting state 'closed' Activated state 'open' Inactivated state 'closed' Trans-membrane protein subunit No ion flow Na+ Ion flow (Na+ influx) Na+ No ion flow Na+ V Selectivity filter Lipid bilayer O Voltage sensor 1 Activation gate Inactivation gate or particle -90 mV -90 mV a +35mV +35 mV a -90mV Canal de K+ VD K+ Resting (-90 mV) K+ Slow activation (+35 to -90 mV) 10 milisemas de segundo despues

Canales Iónicos Dependientes de Voltaje

CANALES IONICOS DEPENDIENTES DE VOLTAJE A CANAL DE Na+ B2 N- 1 3 5 6 1 2 3 5 6 1 2 3 5 6 1 23 5 6 P C Dominio I II III IV .C P NY P P P Lugar de la fosforilación proteica dependiente del AMPc Espacio extracelular Probable lugar de N-glucosilación ฿ 1 B2 Citoplasma C CANAL DE K+ 4 subunidades o 2 6 1 2 5 6 1 2 3 5 6 1 23 5 6 P P P N C N C N 4 subunidades o 4 subunidades ฿ 4 2 P P P C P P 4 13 5 P 4