Potencial de membrana y canales iónicos en el equilibrio celular

Potencial de Membrana y Canales Iónicos

SPIRITUS USI VULT SPIRAT UNIVERSIDAD PERUANA CAYETANO HEREDIA

Na+ O ECF + 0 O + K + C mV Canal de escape de K+ Canal de escape de CI - 2 + 3 Na+ 30 Proteína Na+/K+ Membrana celular Bomba I + ATP ADP3 O + 2 + 2 + + + - I + Citoplasma - + Potencial de membrana Canales iónicosNeuronas: Especialistas en usar canales iónicos para recibir, conducir y transmitir señales

Voltímetro Membrana plasmática -70mV Microelectrodo fuera de la célula ++ + + + + Microelectrodo dentro de la célula - - - - - + + + Ramas terminales del axón Axón 1 1 1 1 Botones terminales Cuerpo celular Dendritas Exterior 1L . Citosol Cerrado Abierto ATP ADP + P/ Bomba activada por ATP (10º -103 iones/s) Canal iónico (107 - 108( iones/s) Siempre en favor del gradiente Transportador (tipo carrier) (102 -10 4 moléculas /s)

Tipos de Canales Iónicos y Estímulos

1Hay diferentes tipos de canales iónicos que se abren ante diferentes tipos de estímulo controlado por voltaje controlado por ligando extracelular controlado por ligando intracelular controlado mecanicamente + + + + + + CERRADO 1 1 + + ABIERTO CITOSOLLa combinación de dos fuerzas: la fuerza química y la fuerza eléctrica, en conjunto llamadas gradiente electroquímica, dirigen la difusión facilitada de iones a través de una membrana.

Gradiente Electroquímico

Fuerzas que Dirigen la Difusión de Iones

A) B) + + 1 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + O - - 1 1 1 1 1 - - 1 1 1 - - - - - + + Lado negativo Fuerza química Fuerza eléctrica Gradiente electroquímico + - 1 Fuerza química: el gradiente de concentración del ión Fuerza eléctrica: el efecto del potencial de membrana o campo eléctrico en el movimiento del ion iones 1 - + + + + Lado positivo + + + + 1A B C + + + + + + + + + + + + + + + + + + EXTERIOR + + + + + INTERIOR I + + + + + + + + gradiente electroquímico gradiente electroquímico gradiente electroquímico sin potencial de membrana con potencial eléctrico de con potencial eléctrico de membrana negativo en el membrana positivo en el interior interior Figure 11-4b Molecular Biology of the Cell (@ Garland Science 2008)

Diferencia de Voltaje en la Membrana

Medición del Potencial en el Axón del Calamar

+ + + ++ + + + + +Potencial de membrana es la diferencia de voltaje a través de una membrana. Se produce cuando hay una diferencia de cargas eléctricas a los dos lados de la membrana. 0 +40 -40 Potenciómetro +80 -80 En el axón gigante del calamar ... Microelectrodo llenado con solución salina conductora Electrodo de referencia en contacto con la solución externa Solución externa + + + + + + + + + + + + + + + + + + Citosol Membrana plasmática Figure 11-18 Molecular Cell Biology, Sixth Edition O 2008 W.H. Freeman and CompanyFluido extracelular

Potencial de Acción y Polaridad

Cambios Momentáneos en la Membrana

+ + ++ C + - + + + + - - - - +++++ A B + + + + + +++++ ++ Voltaje (mV) 0 Potencial de reposo (-70mV) Tiempo (mseg) A B ++ ++ ++ Voltaje (mV) Potencial de acción: cambio momentáneo de polaridad 0 F Tiempo (mseg) Potencial de acción: inversión momentánea de la polaridad Microelectrodos + + + ++++++++ + Voltaje (mV) 0 No se registra potencial Tiempo (mseg) + (b) + + + + O O - - + + + + 0 1 Citoplasma Copyright@motfollo.com (c) + + + + ++ + +++ ++ ++ 0 (a)El potencial de membrana en las células vegetales, hongos y bacterias se produce por el transporte de H+ hacia el exterior.

Generación del Potencial en Células Vegetales y Bacterias

Bomba de Protones y Cadena Respiratoria

Bomba de protones + FLUIDO EXTRACELULAR ATP + H* H+ BOMBA DE PROTONES H+ - + H+ H+ 1 + CITOPLASMA +H + Copyright O 2005 Pearson Education, Ine. Publishing as Pearson Benjamin Cummings. All rights reserved. Células vegetales, hongos y algunas bacterias Cadena respiratoria H Fo ATP ADP + Pi O2 H2O NADH NAD+ membrana plasmática H+ Mayoría de bacterias H+ F1El potencial de membrana de las células animales se genera principalmente por el transporte pasivo de iones K+. La Bomba de Na+ y K+ mantiene el gradiente de iones.

Potencial de Membrana en Células Animales

Transporte Pasivo de Iones K+ y Bomba Na+/K+

Membrana plasmática K+ >> K* Canal K+ K+ K+ 140 mM K+ K+ 4 mM K+ Principalmente canales de K+ abiertos K+ D K+ K+ "Canales de reposo" I - + 12 mM Na+ Nat Na+ 150 mM Na+ Canal de sodio Pocos canales de Na+ o Cl- abiertos 4 mM CI" CI CI 120 mM cl Canal de cloro 148 mM A 34 mM A citosol axonal Fluido extracelularMembranas artificiales permeables solo al potasio tienen un potencial de membrana semejante a las membranas celulares

Membranas Artificiales y Potencial de Membrana

Permeabilidad Selectiva a Iones

A + 1 + + + + 1 + I + + + 1 + + + Unos pocos iones positivos (rojo) cruzan la membrana de derecha a izquierda dejando atrás sus contraiones negativos (rojo); esto produce un potencial de membrana diferente a cero (positivo) Membrana impermeable a Na+, K+ y Cl- 0 Potenciómetro + 60 Potencial eléctrico . -60 membrana =0 +60 -60 Cara citosólica de la membrana positiva con respecto a la cara externa + -Na+ -Na+ Na+ Canal de Na* Cara citosólica 15 mM K*CI" Cara externa ---- Separación de carga a través de la membrana C + I + + 1 + + + + Unos pocos iones positivos (rojo) cruzan la membrana de izquierda a derecha dejando atrás sus contraiones negativos (rojo); esto produce un potencial de membrana diferente a cero (negativo) Membrana permeable solo a K+ 0 -60 +60 E E Canal de K+ Separación de carga a través de la membrana Potencial eléctrico de membrana = - 59mV Cara citosólica de la membrana negativa con respecto a la cara externa citosol medio extra- celular 150 mM Na*CI* 15 mM Na*CI* 150 mM K*CI" + Balance exacto de cargas a ambos lados de la membrana; potencial de membrana = 0 B + + + + + + Membrana permeable solo a Na+ O Potencial eléctrico de membrana = +59 mV +La ecuación de Nernst es:

Ecuación de Nernst

Cálculo del Potencial de Equilibrio

RT V -- In zF Go Ci donde V = potencial de equilibrio en voltios (potencial interno menos potencial externo) Co y Ci = Concentraciones de ion afuera y adentro, respectivamente R = La constante de los gases (2 cal mol -1 -1 K ) T = La temperatura absoluta (K) -1 -1 F = Constante de Faraday (2.3x104cal V mol ) z = la valencia (carga) del ion In = logaritmo de base eEn estado de reposo la cara citosólica es negativa

Estado de Reposo de la Membrana

Canales Iónicos en Reposo

Exterior 150 mM 4 mM K+ + + + + + + + + + + + + + + Na+ K+ 12 mM 140 mM Citosol Canales de K+ no sensibles a despolarización (siempre abiertos) "de reposo" Canales de Na+ (cerrados) Canales de K+ sensibles a despolarización (cerrados)Impulso nervioso o Potencial de acción: Excitación eléctrica, rápida y transitoria que se autopropaga a lo largo de la membrana plasmática de células excitables como las células nerviosas o musculares.

Impulso Nervioso y Potencial de Acción

Excitación Eléctrica en Células Excitables

+ + + 0 MakeAGIF.comEn estado despolarizado la cara citosólica es positiva

Estado Despolarizado de la Membrana

Canales Iónicos en Despolarización

Exterior 150 mM 4 mM K+ K+ + Na+ K+ + + + + + + + + + + + + + + + + 12 mM 140 mM Citosol Canales de K+ no sensibles a despolarización (siempre abiertos) "de reposo" Na+ Na+ Na+ Canales de Na+ (abiertos) Canales de K+ sensibles a despolarización (abiertos)En estado de reposo la cara citosólica es negativa

Canales de K+ y Na+ en Reposo y Despolarización

Diferencias entre Canales Iónicos

Exterior 150 mM 4 mM K+ + + + + + + + Na+ K+ 12 mM 140 mM Citosol Canales de K+ no sensibles a despolarización (siempre abiertos) "de reposo" Canales de Na+ (cerrados) Canales de K+ sensibles a despolarización (cerrados) Son canales de K + distintos Exterior 150 mM 4 mM K+ K+ Na+ K+ + + + + + + + + + + + + + + 12 mM 140 mM Citosol Na+ Na+ Canales de K+ ho sensibles a despolarización (siempre abiertos) Na+ Canales de Na+ (abiertos) Canales de KT sensibles a despolarización (abiertos) 'de reposo En estado despolarizado la cara citosólica es positiva + + +Canales de sodio activados por despolarización responsables de la propagación del potencial de acción

Canales de Sodio y Propagación del Potencial

Activación por Despolarización

+ + + + -- CITOSOL membrana polarizada H2N NH2 CERRADO - + + + + + + + + H2N NH2 H2N NH2 INACTIVADO ABIERTO membrana despolarizada Figure 11-31 Molecular Biology of the Cell (@ Garland Science 2008)Propagación del potencial de acción a lo largo de un axón vista a t = 0

Propagación del Potencial de Acción

Canales de Na+ en el Axón

propagación canales de Na + cerrado inactivado abierto cerrado + + + + + + + H cerrado abierto inactivado + + + + + + + + + + membrana repolarizado despolarizado reposo vista a t = 1 milisegundo propagación canales de Na + cerrado inactivado abierto cerrado + + + + + + + + + + ++ + I 1 HHHHHHF + + + + + + + + + membrana Figure 11-30b Molecular Biology of the Cell (@ Garland Science 2008) repolarizado despolarizado reposo + + ++ + -a) Despolarización (1) e hiperpolarización (J)

Cinética del Potencial de Membrana

Cambios en la Permeabilidad Iónica

+60 END +40 Potencial de membrana (mV) +20 Potencial de acción 0 -20 1 -40 Potencial de reposo -60 -80 EK -100 1 2 3 4 Tiempo (ms) Permeabilidades iónicas [mmho/(cm2)]. Cambios en la permeabilidad de iones 30 Permeabilidad al Na + 20 10 Permeabilidad al K+ - 0 1 2 3 4 Tiempo (ms) El potencial de membrana cambia según los cambios en la permeabilidad de la membrana a los iones Na+ y K+ Figura 21-12 Cinética de los cambios en el potencial de membrana y permeabilidades a los iones durante un potencial de acción en el axón gigante del calamar. (a) A continuación del estímulo en el tiempo 0, el potencial de membrana rápidamente se hace más positivo, aproximandoe al valor ENa, Y entonces empieza a hacerse más negativo. (b) Un incremento transitorio en la permeabilidad al Na+ como consecuencia de la apertura transitoria de los canales de Na+ gatillados por voltaje, permite que el ingreso de Na+ cause que la membrana se despolarice. Esto precede a la apertura de canales de K+ gatillados por voltaje y como consecuencia la salida de iones K+ , lo que causa que la membrana se hiperpolarice por un periodo breve. [Ver A. L. Hodgkin and A. F. Huxley, 1952,J. Physiol. 117:500.] De: Section 21.2, The Action Potential and Conduction of Electric ImpulsesEl potencial de acción se inicia cuando una señal llega a un receptor tipo canal de sodio que se abre e inicia la despolarización de la membrana.

Inicio del Potencial de Acción

Unión Neuromuscular y Canales Iónicos

UNIÓN NEUROMUSCULAR EN REPOSO UNIÓN NEUROMUSCULAR ACTIVADA terminación nerviosa acetilcolina impulso nervioso Ca2+ CANAL CATIÓNICO ACTIVADO POR ACETILCOLINA Canal de Ca 2+ activado por voltaje 2 4 3 Na 5 Ca 2+ Na+ 1 CANAL DE Na + ACTIVADO POR VOLTAJE retículo membrana Canal de liberación de Ca2+ sarcoplásmico plasmática activado por Ca2+ muscular Figure 11-39 Molecular Biology of the Cell (@ Garland Science 2008)Mielinización de neuronas en vertebrados (a) Neuronas del sistema nervioso central

Mielinización de Neuronas

Estructuras y Células Involucradas

Neuronas Capilar del sistema nervioso central Astrocito (b) Neurona del sistema nervioso periférico ₦~1 mm+1 envoltura de mielina nódulos de Ranvier capas de mielina axón núcleo Célula de Schwann Oligodendro- cito Axon -ARN Ribosoma Axón Astrocito Célula de Schwann (c) Astrocito Oligodendrocito Axon Figure 23-14 Molecular Cell Biology, Sixth Edition 2008 W.H. Freeman and Company