domingo, 29 de noviembre de 2009

Potencial de Acción

Normalmente un pulso de corriente produce un cambio del voltaje que es proporcional a la intensidad de la corriente (I). La primera parte del cambio en la corriente siempre tiene que ver con el tamaño del condensador. Existen dos tipos de células excitables capaces de generar potenciales de acción: las musculares y las neuronas.

Si se aplica un pulso depolarizante pequeño se observa algo parecido (pero inverso) a lo que ocurre si se da un pulso hiperpolarizante. Pero si este pulso tiene cierta magnitud la respuesta no es la “clásica” respuesta de una célula a una corriente según sus propiedades pasivas, sino que se observa lo siguiente

  • Cambio en el potencial, enorme, llegando a 40 mV
  • En un período de tiempo muy corto.
  • Al intentar volver al Vm, hay una hiperpolarización.
Hay factores fisiológicos que pueden variar en tiempo real, como lo son las conductancias. Para entender el comportamiento de esta variable fisiológica se debe comprender como varian las permeabilidades, que es a través de los canales iónicos. Por lo que se veran 3 canales:
  • Canal de K+ Voltaje Independiente, siempre esta abierto, y es lo que ocasiona que la Permeabilidad del K+ en reposo sea más alta.
  • Canal de Na+ Voltaje Dependiente.
  • Canal de K+ Voltaje Dependiente.
Fase ascendente: Al cambiar el Vm, cambia la probabilidad de apertura de los canales dependientes de voltaje. (Na+ y K+) El segmento permeable del canal, posee carga negativa por lo que esta constantemente cerrado. Si el Vm cambia, haciendo positivo el interior de la célula, este segmento del canal se moverá por atracción electroestática y se abrirá, permitiendo la conducción.

¿Qué pasaría si se variara Vm y el numero de canales Vdep. de Na+ y K+ abiertos fuera el mismo? El potencial de membrana se mantiene ya que saldría el mismo número de K+ comparado al Na+ que entra, equilibrando el flujo de cargas.

Pero el canal de Na+ Vdep se abre antes que el de K+, ya que el segmento de su poro es más sensible.
Esto quiere decir que frente a un mismo cambio de Vm la probabilidad de apertura de un canal de Na+ Vdep es mayor que la de un canal de K+ Vdep. El efecto neto de esto es que la corriente de Na+ es mayor que la de K+, haciendo que el Vm se despolarice abriendo aún más canales de Na+ Vdep aumentando la corriente entrante de este ión. Este ciclo se repite, disparando el Vm hacia valores positivos. Asi la permeabilidad del Na+ va aumentando, y el Vm se va acercando hacia el E del ión mas permeable.

Fase descendente:
La curva luego de alcanzar el peak comienza a descender, debido a que los canales de K+
Vdep empiezan a abrirse con la variación de Vm. A medida que pasa el tiempo la conductancia del K empieza a aumentar, lo que ocasiona la disminución del Vm. Sin embargo existe una segunda razón de porque el Vm baja. Esta es la presencia de otro segmento dentro de la estructura del canal de Na+ Vdep que lo inactiva rápidamente, acotando el periodo de apertura a una pequeña fracción de segundos

Cuando el interior celular se hace positivo la compuerta inferior cargada "-" se mueve hacia las cargas opuestas internas, abriendo el canal. Durante un breve lapso la compuerta superior no se desplaza (esta cargada "-" también) dejando libre el paso a la conducción de Na+. Esto es exclusivo del canal de Na+ (no ocurre con el de K+, ellos no se inactivan, sólo se abren o se cierran). Ambas compuertas tienen la misma dependencia del potencial. Sin embargo, si estos dos segmentos se movieran a la misma velocidad el sistema no serviría de nada. Por ello la compuerta superior se mueve ligeramente más lento que la inferior. Lo que explica la gran rapidez de apertura pero también el por qué dejan de conducir tan rápido: cada vez que se abre cae en la inactivación rápidamente.

Entonces frente a una inactivación de los canales de K+ Vdep el descenso desde el peak se hace, pero de una manera más gradual ya que los canales de K+ IndepV están siempre abiertos y terminan por disminuir el Vm hacia el Ek+.

Ahora bien, la fase descendente no es gradual porque además de la inactivación de los canales de Na+ se están abriendo los canales de K+ Vdep

En el peak de la curva la corriente es cero, ya que Vm no esta variando. Como la corriente es cero entonces el flujo de entrada de Na = flujo de salida de K. Esto quiere decir que los canales de K+ Vdep “alcanzaron” a los de Na+, e inician el flujo de carga inverso, contrarrestando la entrada de cargas positivas. En la medida que el tiempo avanza el flujo neto de iones favorece al K (cada vez se abren más canales de K+ Vdep y se inactivan más canales de Na+ Vdep), lo cual lleva a una disminución del Vm.

Como los canales de K+ Vdep no son los únicos abiertos, sino que los independientes de V también lo están, la conductancia del K es mayor que en el comienzo, y por lo mismo Vm se acerca más al Ek, haciendo el Vm más negativo que el de reposo, hiperpolarizando la membrana. Esta hiperpolarizacion cierra los canales de K+ Vdep, disminuyendo la conductancia del potasio y elevando el Vm hacia el de reposo. A medida que el Vm desciende los canales de sodio pasan por una serie de pasos antes de estar cerrados y disponibles nuevamente a la apertura. En ese punto no es posible gatillar un potencial de acción, debiendo transcurrir un tiempo determinado para que los canales estén listos --> Periodo refractario: periodo que se debe esperar para que suficientes canales de sodio estén disponibles para que se puedan abrir frente a una corriente y pueda generar un potencial de acción, se divide en dos:

  • Periodo Refractario Absoluto es aquel en el que los Canales de Na sensibles a voltaje se encuentran "inactivados", por lo que se deja el transporte de Sodio.
  • Periodo Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de Repolarización, en donde los Canales de Na paulatinamente comienzan a cerrarse para así comenzar a abrirse y transportar nuevamente Sodio, por lo que 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. Termina después de la fase de Hiperpolarizaciónen donde todos los Canales de Na sensibles a Voltaje están cerrados y disponibles para un nuevo estímulo.

El Periodo Refractario varía de célula a célula, y es una de las características que permiten decir si una célula es más o menos excitable que otra. En otros casos como el músculo cardiaco, su amplio Periodo Refractario le permite la increíble capacidad de no tetanizarse.

Entonces resumiendo paso a paso:

  • Un estimulo llega a umbral, cambiando el Vm.
  • Los canales de Na+ Vdep. se abren al igual que los de K+, pero los de Na+ son más rápidos.
  • Entra una corriente de Na+, variando aún más el Vm ya abriendo más canales de Na+.
  • El Vm se eleva hacia el ENa+. En esta etapa la permeabilidad del Na+ se eleva estrepitosamente para luego bajar de la misma forma.
  • La rápida inactivación de los canales de Na+ baja la G de ese ion.
  • La G del K+ aumenta por la apertura de los canales sensibles a voltaje.
  • El Vm disminuye hacia el ión más permeable que ahora es el K+.
  • Se alcanza el periodo refractario, donde la permeabilidad al K +es mayor que en el punto de inicio.
  • Los canales de K+ Vdep empiezan a cerrarse por la hiperpolarizacion, disminuyendo la G del K+ y elevando Vm a un valor más positivo, igual al que tenia antes del estimulo (en reposo).

Una manera de estudio de las conductancias de los iones es la utilización de bloqueadores de canales. Una gran proporción de las drogas farmacológicas utilizadas son bloqueadoras. Por ejemplo, el canal de GABA se inactiva con el alcohol, ansiolíticos, antisicóticos, etc.

El TTX (tetrotoxina del pez globo) bloquea los canales de Na+ completamente, impidiendo la generación de acción.

El tetraetilamonio es un bloqueador de los canales de Na+Vdep. Un estimulo generaría un potencial de acción, pero la fase descendente demoraría mucho más suponiendo que los canales de K+ independientes de voltaje están indemnes. Para comprobar eso se podría medir la corriente por medio de una técnica llamada Voltage Clamp.

Existe una relación entre la intensidad de un pulso aplicado y la rapidez con que se alcanza el peak en un potencial de acción. Con un pulso grande se alcanza el potencial de acción rápidamente, por el contrario, con un pequeño pulso el potencial de acción se demora más en alcanzar. ¿Por qué? Por probabilidades. Con un estímulo que apenas alcanza el umbral se abrirá el mínimo de canales de Na necesarios para gatillar el potencial de acción. Este hecho se ve como una curva aplanada que se eleva lentamente hasta llegar al peak. Si la corriente es más grande el Vm varia más, si Vm varia más es mayor el número de canales de Na+Vdep abiertos y por lo tanto el potencial de acción ocurre más rápido. El voltaje alcanzado por ambas corrientes es el mismo peak siendo la Latencia (el tiempo que demora en alcanzar el peak en la curva, tiempo que demora en alcanzar el máximo del potencial de acción) distinta.

Puede ser que el peak alcanzado en realidad no sea exactamente el mismo. Esta pequeña diferencia también se explica en la intensidad de la corriente. Si ésta alcanza apenas el umbral se abren los canales de sodio mínimos para gatillar, pero como la curva era más aplanada y la latencia mayor entonces existe más tiempo para que los canales de Na se empiecen a inactivar. Con esto la G máxima del Na+ va a ser un poco más baja que en una corriente más grande que abre masivamente los canales de Na+Vdep y que reduce la latencia al mínimo.

A mayor corriente, la latencia es menor.

Si se disminuye la duración del pulso el grafico muestra un “cachito” en la zona subumbral. Esto corresponde al condensador de mb. Como el pulso duró menos el condensador empieza a descargarse. Sin embargo, la corriente ya había superado el umbral al momento que se detuvo, gatillando de todas maneras un potencial de acción

El concepto de umbral hace referencia al momento en que el cambio de potencial es tal que ya no se puede evitar el desencadenamiento de un potencial de acción. Hay corrientes que no generan potencial de acción, pero si abren canales de Na+ pero no despolarizan la membrana. Esto porque no se alcanzo el umbral. Cuando el umbral es alcanzado la corriente de Na+ abierta es mayor que la de K+ .Entonces una mejor definición para umbral es potencial de membrana al cual la corriente de Na+ excede a la de K+ (corriente de entrada es mayor que la de salida).El umbral siempre debe explicarse en términos de la cantidad de canales de Na+ Vdep que se tienen disponibles para contrarrestar la corriente de K+.

Si en una mb. cualquiera aumenta la Permeabilidad del K+, el umbral aumenta porque la corriente de K+ que se debe igualar es mayor, se necesitan más canales de Na+ disponibles. Ahora si se cierran canales de K+, el umbral disminuye porque la corriente de K+ a contrarrestar es menor. La neurona en este caso se haría un poco más excitable

El umbral del potencial de acción puede variarse cambiando el equilibrio entre las corrientes de sodio y potasio. Por ejemplo, en las zonas descendente de la curva de potencial de acción si algunos de los canales de sodio están inactivos, determinado nivel de despolarización abrirá menos canales de sodio sin desencadenar un potencial de acción, y aumenta así el umbral de despolarización necesario para iniciar el potencial de acción. Esta es el principio del funcionamiento del periodo refractario. Los PA son muy dependientes de los equilibrios entre iones sodio y potasio (aunque hay otros iones que contribuyen minoritariamente a los potenciales, como calcio y cloro), y por ello los modelos se hacen utilizando sólo dos canales iónicos transmembrana: un canal de sodio dependiente de voltaje y un canal de potasio pasivo. El origen del umbral del potencial de acción puede visualizarse en la curva I / V que representa las corrientes iónicas a través de los canales frente al potencial de membrana.

La curva I/V representada en la imagen es una relación instantánea entre corrientes. Se muestra el pico de corrientes a determinado voltaje, registrado antes de que ocurra ninguna inactivación (1 ms tras alcanzar ese voltaje para el sodio). También es importante apuntar que la mayoría de voltajes positivos del gráfico sólo pueden conseguirse por medios artificiales, mediante la aplicación de electrodos a las membranas.

Destacan cuatro puntos en la curva I/V indicados por las flechas de la figura:

  1. La flecha verde indica el potencial de reposo de la célula y el valor del Ek. Debido a que el canal K+ es el único abierto con esos valores de voltaje negativos, la célula se mantendrá en Ek. Aparecerá un potencial de reposo estable con cualquier voltaje en que el sumatorio I/V (línea verde) cruce el punto de corriente nula (eje x) con una pendiente positiva, como hace en la flecha verde. Esto es debido a que cualquier perturbación del potencial de membrana hacia valores negativos significará corrientes netas de entrada que despolarizarán la célula más allá del punto de cruce, mientras que cualquier perturbación hacia valores positivos significará corrientes netas de salida que hiperpolarizarán la célula. Así, cualquier cambio del potencial de membrana de pendiente positiva tiende a devolver a la célula al valor de cruce con el eje.
  2. La flecha amarilla indica el equilibrio del potencial Na+ (ENa). En este sistema de dos iones, el ENa es el límite natural del potencial de membrana del que la célula no puede pasar. Los valores de corrientes en el gráfico que exceden este límite se han medido de forma artificial obligando a la célula a sobrepasarlo. Aún así, el ENa sólo podría alcanzarse si la corriente de potasio no existiese.
  3. La flecha azul indica el voltaje máximo que puede alcanzar el pico del potencial de acción. Es el potencial de membrana máximo que la célula en estado natural puede alcanzar, y no puede llegar al ENa debido a la acción contraria de los flujos de potasio.
  4. La flecha roja indica el umbral del potencial de acción. Es el punto donde el Isum se cambia a un flujo neto hacia el interior. Destaca que en este punto se atraviesa el punto de flujo neto cero, pero con pendiente negativa. Cualquier “punto de corte con pendiente negativa” del nivel de flujo cero en el gráfico I/V es un punto inestable. Si el voltaje en este punto es negativo, el flujo va hacia el exterior y la célula tiende a volver al potencial de reposo. Si el voltaje es positivo, el flujo va hacia el interior y tiende a despolarizar la célula. Esta despolarización implica mayor flujo hacia el interior, haciendo que los flujos de sodio se realimenten. El punto en el que la línea verde alcanza el valor más negativo es cuando todos los canales de sodio están abiertos. La despolarización más allá de este punto baja las corrientes de sodio ya que la fuerza eléctrica disminuye a medida que el potencial de membrana se acerca a ENa.

En casos experimentales, en que se varían las concentraciones de los iones, si la concentración de Na externo fuera la mitad, el potencial de acción seria posible pero su umbral es mayor porque la apertura de una misma cantidad de canales de Na v-dep. genera una corriente de Na menor. La fuerza con que entra el Na depende de la diferencia de potencial electroquímico, el cual depende a su vez de la gradiente de concentración. Como la gradiente aquí es menor, entonces la fuerza electroquímica que mueve la corriente es menor, contrarrestando de manera más ineficiente la corriente de potasio, aumentando el umbral. Para alcanzar este umbral aumentado seria necesario abrir más canales, para generar una mayor corriente y cambiar más el potencial de mb.

Si aumentara el K afuera de la neurona a una concentración igual a la interna, el potencial de acción no seria posible. El Vm cambiaria haciéndose más cercano al 0, un poco más arriba de él por la influencia del Na (porque el ion más permeable sigue siendo el K pero su Ek ahora es cero ya que las concentraciones a ambos lados de la mb. están iguales). A este voltaje los canales de Na v-dep. se abrieron producto de la depolarizacion inicial para luego inactivarse. Con los canales de Na inactivados NO puede haber potencial de acción. El umbral es infinito.

Con esto observamos que el umbral depende del estado de los canales, que a su vez depende del Vm que a su vez depende de las concentraciones (Goldman).

Si el Vm=Ek y se abren masivamente canales de K+, el flujo de K+ es cero. Con esto vemos que no basta con tener conductancia (canales abiertos) también debe haber una diferencia de potencial para que exista corriente. Es pura ley de Ohm:

V=R*I

Si existe una diferencia de potencial, pero todos los canales están cerrados, el flujo de K+ es cero también, no basta con tener una gran diferencia de voltaje. Debe existir conductancia.

Cuando por una membrana pasa un potencial de acción significa que entra corriente y las polaridades se invierten transitoriamente en ese segmento de membrana. A ambos lados de ese segmento la polaridad es la normal, generándose una corriente hacia ambos lados del segmento despolarizado. La nueva corriente generada cambia el Vm del segmento adyacente, se abren canales de Na+ Vdep. y se genera ahora un potencial de acción en ese pedazo de membrana, y luego en el adyacente y en el siguiente y así sucesivamente. Así se propaga un potencial de acción, el original no se mueve a ninguna parte sino que induce la generación de otros en los segmentos adyacentes.

La velocidad de la propagación depende de la facilidad con que cambia el Vm en los segmentos cercanos. La facilidad con que cambia el Vm en ese punto depende del condensador, la resistencia axial y la resistencia de membrana (propiedades pasivas). Mientras menor es la resistencia más fácil pasa la corriente, cambia antes el Vm y por lo tanto el potencial de acción ocurre antes.

Mientras menor es el condensador de membrana más rápido se carga, más cambia el potencial y antes ocurre el potencial de acción.

El cambio de potencial en cada segmento en que ocurre un potencial de acción es el mismo, a diferencia de las propiedades pasivas en que el cambio del Vm es menor a medida que la distancia aumenta respecto del punto de inyección de corriente. En cada segmento de membrana ocurre un evento nuevo.

En el caso de la mielina, la membrana que esta justo por debajo de ella no posee canales de Na+ Vdep. Los canales de Na+ y K+ están agrupados en los nodos de ranvier. Es así que un potencial de acción originado en un nodo genera una corriente que genera un cambio de Vm en el siguiente nodo, produciéndose allí un nuevo potencial de acción y así.

RECORDAR:

Si en un axón se estimula a ambos extremos de él, los potenciales de acción generados al encontrarse al medio se:

  1. Cruzan y siguen
  2. Suman generando un PA del doble del tamaño
  3. El PA desaparece.

El potencial desaparece, debido al periodo refractario. Los canales de sodio que van detrás del potencial de acción se van inactivando y frente a un nuevo potencial que entra no reaccionan. No se pueden sumar, porque para que ello ocurra tendría que pasar de largo el ENa cosa que es imposible.