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Biología Sensorial Animal
Teórica #4
Contenido de la teórica #4
• Introducción a la transducción de señales.
• Bases celulares y propiedades de las células excitables. Potencial de acción y de membrana en reposo. Potencial electroquímico. Ecuación de Nerst. Ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz. Respuestas eléctricas pasivas y activas. Bases y canales iónicos involucrados en el Potencial de acción. Período refractario. Propagación y transmisión de señales eléctricas. Sinapsis eléctricas y químicas: características, significado fisiológico.
Potencial de reposo
•1 mV= 0,001 V
• Negativa por dentro
(-80 to -60 mV)
• Debido a una
permeabilidad
diferencial de la
membrana
a distintos iones se
produce una
distribución
asimétrica de estos
a uno y otro lado de la
misma.
• La membrana separa en compartimento intra- y extracelular
Eion = RT / zF * ln ([ion]out / [ion]In)
donde:
R es la constante del gas (8,314 X 107 dyne-cm/mole grado)
T es la temperatura absoluta en ° Kelvin (273,16 + t (°C))
z es la carga del ion
F es la constante de Faraday (cantidad de electricidad
necesaria para modificar químicamente un gramo de peso
equivalente de material reactivo = 9,648 x 104 coulombs/mol).
La ecuación de Nerst describe el potencial de
equilibrio de un ion
(a 37 °C)
Eion = 61 / z * log ([ion]out / [ion]In)
Una versión simplificada de la ecuación de Nerst
Calculando el potencial de membrana para una
célula que es solo permeable al K+
[K+]out = 5 mM
[K+]in = 150 mM
Eion=61/ z*log([ion]out/[ion]In)
EK+=61/1*log([5]/[150])
EK+=61*(-1.5)=-92mV
Potencial de equilibrio del Sodio
ENa =
ENa = 61 * 1 = +61 mV
61
1
[150]
[15] log
¿Cómo se mantiene la asimetría iónica?
Concentraciones ionicas y permeabilidades relativas durante el
potencial de reposo:
Permeabilidad diferencial
Eion solo cuando la permeabilidad es distinta de 0
10
140
0.001
4
140
120
4
2
120
0
[Na+]
[K+]
[Ca+]
[Cl-]
[A-] x
Eion
+ 62 mV
- 90 mV
+190 mV
-85 mV
Potencial de reposo
• Hodgkin y Katz mostraron que el potencial de
reposo interior es negativo porque:
– La membrana de la neurona en reposo es más
permeable al K+ por canales abiertos
– Hay más K+ en el interior de las neuronas
mantenido por transportadores de membrana
Vm = 61 log PK [K+]out + PNa [Na+]out + PCl [Cl-]in
PK [K+]in + PNa [Na+]in + PCl [Cl-]out
Prediciendo el potencial de membrana (Vm)
Ecuacion de Goldman
En el potencial de reposo:
a. K+ esta muy cerca de su potencial de equilibrio.
b. Na+ esta muy lejos de su potencial de equilibrio.
c. PK >> PNa
• El potencial de membrana puede ser descripto por la relación
entre las permeabilidades y concentraciones de los iones
Evidencia experimental potencial de
reposo determinado por K+
Eión = 61 / z * log ([ión]out / [ión]in)
La ecuación de Goldman es de uso limitado. Por ejemplo no puede ser
usada para determinar cuan rápido cambia el potencial de membrana
en respuesta a cambios en la permeabilidad
Problema!
Solución!
Un modelo matemático llamado circuito equivalente
e r
Modelo de circuito equivalente
Ley de Ohm
I = V
R
R= 1
G
I = V * G
Circuito RC
INa = gNa * (Vm – ENa)
IK = gK * (Vm – EK)
ICl = gCl * (Vm – ECl)
¿Qué sucede si un ion (x) no esta en su
potencial de equilibrio (Ex)?
Ix = Gx (Vm – Ex)
Vm
EK
-90 mV
-75 mV
50 mV ENa
ECl
La corriente a través de los canales iónicos
conduce cambios en el potencial de membrana
Ley de Ohm: V = I * R
V = voltaje, I = corriente (Amp), R = resistencia (Ohms)
I = V/R ó I = V * G
G = conductancia (Siemens)
Para que la corriente fluya debe haber una fuerza motriz
(Vm - Eión) ≠ 0, por lo tanto I = (Vm - Eión) * G
Si la corriente fluye a través de una resistencia
(la membrana celular actúa como tal)
hay un cambio de voltaje (potencial de membrana).
Resumen de las bases del
potencial de membrana
• Gradientes de concentración por bombas
• Permeabilidad selectiva
– La estructura química de la membrana produce una permeabilidad selectiva a substancias liposolubles o pequeñas moléculas e iones, pero impermeable a moléculas polares y macromoléculas.
• Movimiento a favor del gradiente de concentración
• Movimiento por un gradiente de carga eléctrica
– Relación basada en ley de Ohm
La unidad estructural y funcional del
sistema nervioso es …..
la neurona
Neuronas o células nerviosas Células de la Glia
terminal * Astrocitos
* Oligodendrocitos
* Microglía
* Células Ependimarias
CELULAS DEL SISTEMA NERVIOSO
Existen diferentes formas y tamaños de neuronas en
mamíferos
Categorías anatómicas y funcionales de
neuronas
Las neuronas pueden ser clasificadas de acuerdo a su función
y/o estructura en:
Función
Neuronas sensoriales
Interneuronas del SNC
Neuronas eferentes o motoras
Estructura
Anaxonica
Multipolar
Bipolar
Pseudounipolar
Categorías anatómicas y funcionales de neuronas
Categorías anatómicas y funcionales de neuronas
Neurona modelo
Las dendritas reciben las
señales entrantes; los
axones llevan la
información saliente
La estructura de la mayoría
de las neuronas es asimétrica.
Registro de las señales eléctricas activas
y pasivas en una célula nerviosa
• Las neuronas son la unidad funcional del sistema nervioso (con diferentes formas y tamaños).
• Para que una corriente fluya debe haber: una fuerza motriz y una conductancia distinta de cero
• Los canales iónicos permiten el pasaje de iones a través de la membrana de la célula (conductancia).
• El potencial de reposo está dado fundamentalmente por una distribución asimétrica y permeabilidades diferenciales de los iones.
• Ecuación de Nerst describe el pot. de equilibrio de un ion.
• La ecuación de Goldman toma en cuenta todos los iones.
• K+ esta muy cerca y el Na+ muy lejos de sus potenciales de equilibrio (permeabilidad K+ >> permeabilidad Na+).
Resumen
La transmisión de una señal a través del sistema
nervioso depende de
los movimientos de iones, los cuales producen una
señal eléctrica.
Algo (por ej., un ion) se mueve solo si:
1) Existe una fuerza motriz (driving force)
2) Existe un camino (pathway)
1) A través de canales. Los iones se mueven gracias a una fuerza
motriz (movimiento pasivo).
2) Transportado por proteínas (puede ser activo o pasivo)
i) Activo: gasto de energía (en general hidrólisis de ATP)
ii) Pasivo: a favor de un gradiente electroquímico
(el ión debe estar pegado a una proteína transportadora)
¿Cómo se mueven sustancias a través de la membrana?
Modelo de mosaico fluido
S.J. Singer & G. Nicolson
La transmisión de una señal a través del sistema nervioso depende de
los movimientos de iones, los cuales producen una señal eléctrica.
Los potenciales de reposo y de acción
implican permeabilidades a diferentes iones
Potencial de acción
Un aumento en la permeabilidad al Na+ es responsable de la
generación del potencial de acción (PA).
Se observa que el PA se inicia solo cuando el potencial de membrana
se hace mas positivo y supera cierto umbral.
Sugiere que el mecanismo responsable del aumento de
permeabilidad del Na+ es sensible al potencial de membrana!
¿Esto qué sugiere?
Kenneth Stewart Cole
(1900 – 1984)
Técnica de “voltage clamp”
Problema práctico:
No se podía cambiar en forma sistemática el
potencial de membrana para estudiar cambios
en la permeabilidad en forma controlada.
Solución!!
Técnica de “voltage clamp”
Las notables neuronas gigantes del calamar
Andrew Fielding Huxley Alan Lloyd Hodgkin Sir John Carew Eccles
Premio Nobel de Fisiologia o Medicina 1963
"for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and
inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane"
Our understanding of the ionic events during an action potential are
based on a model proposed in the early 1950’s by Hodking ans Huxley.
Suposiciones del modelo de
Hodking y Huxley
• Las membranas poseen conductacias (o canales)
separados e independientes para los iones de Na+ y K+.
• La magnitud de la conductancia para el Na+ y el K+
depende del potencial de membrana y el tiempo.
• Los iones se mueven solo si hay una fuerza motriz y
una conductancia distinta de 0 (ley de Ohm).
Experimentos para poner a
prueba el modelo
• Usando fármacos que boquean conductancias específicas
– Tetrodotoxina (TTX) bloquea canales de Na+.
– Tetra-etil amonio (TEA) bloquea canales de K+.
• Modificando la carga eléctrica y/o concentración de los componentes de la fuerza motriz.
– Cambiando el potencial de membrana y midiendo las corrientes
– Variando las concentraciones iónicas y observando los efectos en las corrientes
Flujo de corriente en experimento
de “voltage clamp”
Corriente producida a distintas
depolarizaciones de membrana
Relación entre amplitud
de corriente y potencial
de membrana
Corriente temprana (inwards)
dependiente de Na+
Corrientes Na+ y K+
Cambios de conductancias dependientes
de tiempo y voltaje
Conductancias calculadas a partir de las corrientes
Modelo matemático
del potencial
de acción
Figure 8-9, step 1
Canal de Na+ voltaje dependiente
Los canales de Na+ tienen dos puertas:
de activación e inactivación.
Propiedades pasivas de la membrana
• Resistencia de membrana en reposo (Rm)
– Cambio del potencial de membrana en respuesta a
la inyección de corriente (input resistance)
• Capacitancia de membrana (Cm)
– Cuanto tiempo le lleva el cambio de potencial
• Resistencia intracelular axial a lo largo de
axones y dendritas (Ra)
– Resistencia que ofrece el citoplasma del axón al
flujo longitudinal de corriente como resultado de
coliciones entre iones y partículas citoplasmáticas.
Propiedades pasivas de la membrana
Injección corriente Cambio voltaje
Input resistance
Gráfico I-V
Propiedades pasivas de la membrana
ʎ = (rm / ra)
rm = specific membrane resistance
(R por unidad de sup.)
ra = axial resistance
Flujo pasivo
de corriente
en un axón
Constante espacial (ʎ)
• Es una medida de la eficiencia de propagación de
cambios de potencial de membrana a lo largo de la
neurona (conducción electrotónica)
• Efectos en función neuronal
– Influencia la sumación espacial
– Influencia la velocidad de propagación de los
potenciales de acción
Propagación de un potencial de acción
¿Por qué un PA no viaja para el otro lado?
Señales eléctricas: Periodo refractario
Propagación del PA
1 mm
El tamaño del axón importa…
La mielina “aisla” los axones
Conducción saltatoria de un potencial de
acción
La mielinización aumenta la velocidad de
conducción
CANALES IONICOS
Sakmann & Neher’s Nobel Prize 1991
Registros de canal único de Na+
Técnica de
“patch clamp”
Sakmann &
Neher’s Nobel Prize 1991
Mediciones de corrientes
de Na+ y K+ con
“patch clamp”
Estados de canales de Na+ y K+
Sinápsis eléctricas y químicas
Estructura y función en uniones
de sinápsis eléctricas
Otto Loewi
(1873-1961)
¿Sinápsis eléctricas o químicas?
Experimento de Loewi
Propiedades de las sinapsis
electricas y quimicas
Type of
synapse
Distance
between pre-
and
postsynaptic
cell membranes
Cytoplasmic
continuity
between pre-
and
postsynaptic
cells
Ultraestructural
components
Agents of
transmissio
n
Synapti
c delay
Direction of
the
transmission
Electric
al
3.5 nm
Yes
Gap-junctions channels
Ion current
Virtuall
y absent
Usually
bidirectional
Chemic
al
20-40 nm
No
Presynaptic vesicles and
active zones; postsynaptic
receptors
Chemical
transmitter
Chemic
al
transmit
ter
Unidirectional
Cell-to-Cell: Calcium
Voltage-gated
Ca2+ channel
Postsynaptic
cell
Ca2+
Ca2+
Docking
protein
Synaptic
vesicle
Action
potential
Axon
terminal
Receptor
An action potential depolarizes
the axon terminal.
The depolarization opens voltage-
gated Ca2+ channels and Ca2+
enters the cell.
Calcium entry triggers exocytosis
of synaptic vesicle contents.
Neurotransmitter diffuses across
the synaptic cleft and binds with
receptors on the postsynaptic cell.
Cell
response
Neurotransmitter binding initiates
a response in the postsynaptic
cell.
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
¿Cómo se detiene la activación post-sináptica?
Cell-to-Cell: Inactivation of
Neurotransmitters
Resumen de sucesos en el terminal pre-
sináptico
1) Potenciales de acción abren canales de Ca2+
2) Vesículas conteniendo el neurotransmisor
se fusionan con la membrana plasmática
3) El transmisor es liberado y difunde por la
hendidura sináptica
Unión neuromuscular
Stimulate axon
Record synaptic response
(endplate potential=EPP)
(excitatory postsynaptic
potential=EPSP)
Neurotransmitter is
acetylcholine (Ach)
Liberación de transmisores de las
vesículas sinápticas
• Distribucion de cuantos de las amplitudes de los potenciales placa terminal (PPT)
• Solucion con bajo Ca++
• Multiplos enteros de la amplitud media de PPTM
• Curva roja prediccion modelo estadistico
Liberación estocástica de transmisores
Amplitud (mV)
AP-evoked EPSP amplitude = npq
n=# of available vesicles, p=probability of release (from 0 to 1), q= quantal amplitude
Distribución
Binomial
Microscopia de criofractura: fusión de vesículas
sinápticas en terminaciones presinápticas
A) Izq.: no
estimulada
Der: estimulada
por un PA
Resumen
• Potenciales eléctricos a través de la membrana
– Potencial de reposo
– Potencial receptor
– Potencial sináptico
– Potencial de acción
• Fuerzas que generan potencial de membrana (Ecuación de Nerst)
• Equilibrio electroquímico con más de un ion permeable (Ecuacion de Goldman)
• Neuronas gigantes de calamar
• Base iónica del potencial de reposo y de acción
Resumen
• Técnica de “voltage clamp”
– Corrientes y conductancias dependientes del voltaje
• Potencial de acción (PA)
– Propagación del PA
– Velocidad de conducción
– Propiedades pasivas de la membrana
– Mielinización
– Período refractario
– Propagación saltatoria
• Transmisión sináptica
– Eléctrica
– Química
