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Bases fisico-químicas y modelado
del tejido excitable.
núcleo de ingeniería biomédica
facultades de ingeniería y medicina
universidad de la república
Introducción
Entre las células excitables se pueden distinguir
principalmente las nerviosas (o neuronas) y las células
musculares.
NEURONAS - transmiten a otras y a células musculares,
el impulso excitatorio. Característica fundamental para la
formación del sistema nervioso.

CÉLULAS MUSCULARES – Son las responsables de la
contracción y distensión del tejido muscular.

Introducción
SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO – Proyecciones del
tejido nervioso desde los órganos centrales (cerebro,
cerebelo, médula, etc) hasta los órganos periféricos.

SISTEMA NERVIOSO CENTRAL – Constituido por
encéfalo superior, encéfalo inferior y médula.

Encéfalo inferior: Encargado de las funciones que no
requieren atención consciente dirigida (sistema vestibular,
respiración, etc.)
Encéfalo superior: Funciones conscientes, memoria.
Médula: Vía de conducción de señales desde la periferia
hasta el encéfalo.

Funciones del sistema nervioso



Funciones
sensoriales:
Los
estímulos
recibidos por neuronas especializadas llegan a
través del SNP al SNC.
Funciones motoras: Control y regulación de
actividades corporales. Se regulan músculos
esqueléticos y lisos, glándulas, etc.
Funciones superiores: Elaboración de planes
o ideas de actuación propios, utilizando la
memoria.
Histología de la neurona



Soma - contiene el núcleo celular y ocurre la
síntesis proteica.
Dendritas - mayor parte de la estimulación de
la célula.
Axón - extensión fina, semejante a un cable
miles de veces el tamaño del soma. Transmite
el impulso nervioso al exterior de la neurona.
Histología de la neurona


La mayoría de las neuronas de vertebrados
reciben el estímulo electroquímico en el
soma o dendritas y lo transmiten a través del
axón.
Dicha transmisión
sináptica.
se
llama
Transmisión
Membrana celular
En el interior y exterior de la célula existen iones
en distintas concentraciones.
La membrana celular es semipermeable para
estos iones.
La
semipermeabilidad permite el movimiento
pasivo de iones.
El reposo se alcanza cuando existe equilibrio
electroquímico.

Membrana celular
Membrana celular

Equilibrio electroquímico

Las concentraciones iónicas y la diferencia de
potencial eléctrico generado, se cancelan logrando
un movimiento neto nulo de iones.

La distribución iónica no es simétrica a ambos
lados de la membrana celular.
gradientes de concentración
potencial eléctrico de reposo
Difusión a través de la membrana
celular
DOS TIPOS:


PASIVA O FACILITADA.
- Difusión por canales iónicos específicos. Regulan el pasaje de
iones específicos. Sus características pueden cambiar con
estímulos externos.
- La difusión se da en favor de los gradientes de concentración.
ACTIVA.
- Bombas: transportan en contra de gradientes, consumen ATP
(energía).
Equilibrio electroquímico
Ecuación de Nernst-Planck
R : Constante de los gases (8,31 J/K.mol)
Z : Valencia iónica
T : Temperatura
F : Constante de Faraday
Pej: -90mV para el K
Equilibrio electroquímico
Ecuación de Nernst-Planck
Equilibrio electroquímico
POTENCIAL DE REPOSO
Ecuación de Goldman-Hodgkin y Katz
Modelado de la membrana celular
MEMBRANA CELULAR
Comportamiento eléctrico característico,
Circuito equivalente de una
célula esférica. Vm es el
potencial de reposo, rm y Cm
las resistencia y capacidad de la
célula.
Cm tiene un valor aproximado de 1 uF/cm²
Modelado de la membrana celular
MEMBRANA CELULAR
Componentes de las conductancias de Na+ y K+ con sus
respectivos
potenciales
de
equilibrio.
Canales iónicos

Los
canales
iónicos
dependientes de voltaje:

son
canales
La variación de voltaje transmembrana modifica
la permeabilidad de los canales, generando
corriente iónica en favor de los gradientes
electroquímicos.
Fenómenos eléctricos


Potencial transmembrana puede modificarse
por
estímulos
mecánicos,
eléctricos,
térmicos o químicos.
Estímulos:


Baja intensidad: Potencial local
Alta intensidad: Potencial de acción
Potencial local



El exceso de cargas eléctricas introducidas
en la célula nerviosa, por estimulación eléctrica,
causa
una
variación
del
potencial
transmembrana.
Esto induce un flujo neto de iones
(principalmente K+). No ocurren cambios
sustanciales en las permeabilidades de los
canales iónicos.
Dura de 10 a 15 ms. Tras lo cual se recupera
las concentraciones iónicas y el potencial de
reposo.
Potencial local
Potencial local






No es autopropagable.
Se extiende pocos mm.
Pueden tener signo positivo o negativo.
Entrada de cargas positivas: depolarizante.
Entrada de cargas negativas: hiperpolarizante.
Son potenciales sumables.
Potencial de acción


Si un estímulo o la suma de varios supera los
20 mV de depolarización, (sube de -70 mV a 50 mV), se producen variaciones en las
permeabilidades de los canales iónicos,
provocando cambios bruscos de flujos
iónicos y potencial transmembrana. Esto se
llama Potencial de Acción.
Se llama Potencial de Umbral, al cambio
mínimo necesario para producir un Potencial
de Acción.
Potencial de acción
Fases del potencial de acción:



Depolarización: 0,2 a 0,5 ms. Se alcanza un voltaje
de hasta +30 mV.
Repolarización: 0,5 ms. El voltaje vuelve al valor de
potencial de reposo.
Post-potencial
hiperpolarizante:
El
voltaje
desciende por debajo del potencial de reposo.
Potencial de acción







Ley del “Todo o nada”.
Amplitud variable, depende de del equilibrio
iónico y permeabilidades de la neurona.
Implica la apertura de canales iónicos
dependientes de voltaje.
Corta duración (1 a 2 ms).
Depolarizante.
No es sumable.
Autopropagable por toda la membrana
neuronal.
Potencial de acción
Potencial de acción
Gráfica de corrientes (flujo iónico)
frente a voltaje (potencial de
membrana), ilustrando el umbral
(flecha roja) del potencial de
acción de una célula ideal.
Potencial de acción

Al final existe un desequilibrio ionico que es
constantemente restaurado con la Bomba
Na/K. Se consume ATP, se introducen iones K+
y se extraen iones Na+, en contra de los
gradientes electroquímicos, buscando el
equilibrio electroquímico.
Potencial de acción

Existe el llamado Período Refractario.



Debido a que la permeabilidad de los canales de
Na+ queda inactivada durante un breve lapso
posterior al Pontencial de Acción. Esto da la
direccionalidad en la propagacion del impulso.
El Período Refractario Absoluto, es el lapso en el
cual no se produce ningún potencial de acción,
cualquiera sea la intensidad del estímulo (duración
entre 1 y 2 ms).
El Período Refractario Relativo, es el lapso en que
puede producirse un Potencial de Acción, pero con
un estímulo superior al normal.
Propagación del potencial de acción
Propagación del potencial de acción





Existen axones mielínicos y amielínicos.
Amielínicos: Conducción continua.
Mielínicos: Conducción saltatoria.
A lo largo del axón mielínico existen espacios
sin mielina llamados Nodos de Ranvier. En
estos nodos se genera el potencial de acción.
La propagación saltatoria consume menos
cantidad de energía al tener que mover menos
iones la Bomba Na/K.
Propagación del potencial de acción
entre neuronas




La terminación del axón se llama “cono
axónico”.
Tiene mayor densidad de canales iónicos, lo
que la hace más fácilmente excitable.
Los
terminales
axónicos
son
zonas
especializadas en liberar neurotransmisores
que son los responsables de mediar en la
sinapsis.
Las dendritas se ubican en la postsinapsis,
obteniendo un estímulo químico que genera un
Potencial de Acción.
Conexión neurona-neurona
Sistema muscular
núcleo de ingeniería biomédica
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universidad de la república
Juntura neuromuscular
•De la espina dorsal a
músculos
esqueléticos
llegan
fibras
motoras
eferentes.
•Cada fibra controla
grupo
específico
músculos.
un
de
•Para músculos grandes cada
fibra nerviosa controla entre
100 y 200 fibras musculares.
Para la motricidad fina, cada
fibra nerviosa controla hasta
6 fibras musculares.
•Estimular
una
fibra
nerviosa
produce
la
contracción de todos los
músculos asociados a la
fibra.
Tejido muscular
• Tres tipos de músculos:
–
De contracción voluntaria:
•
–
De contracción involuntaria inervada:
•
–
Músculo esquelético: mayor volumen, 40% de la
masa corporal.
Muslo liso: tracto digestivo, vasos sanguíneos
(no se tratara en este curso)
De contracción involuntaria no inervada:
•
Músculo cardíaco: miocardio (próxima clase)
Músculo esquelético
• Estructura:
– Haz de fibras.
– Fibra muscular: es la célula
muscular, miocito, 10 a
100um de diámetro.
– Miofibrilla: unidad básica,
dan el aspecto estriado.
– Miofilamentos: miosina
(gruesos) y actina
(delgados).
Músculo esquelético
Miofibrilla:
Bandas:
–
–
–
–
Banda A: bandas oscuras, miosina y actina.
Banda I: bandas claras, actina.
Banda H: bandas pálidas, miosina.
Sarcómero: unidad funcional comprendida entre
líneas Z por una banda A y dos medias bandas I.
Longitud dependiente de la contracción.
Músculo esquelético
• Miofilamentos:
– Grueso:
• Unas 300 moléculas de miosina.
• Tienen 1.5 micras de longitud y 100-400 A de diámetro.
– Delgado:
• Están compuestos por 3 proteínas: actina fundamentalmente,
tropomiosina y troponina, en relación 7:1:1.
Fisiología Muscular
• Dinámica de la contracción muscular:
– El potencial de acción viaja por la fibra eferente motora hacia la
juntura neuromuscular (centro de fibra muscular).
– Cada axón eferente, se divide en varios cientos de ramas que activaran
cada una de las fibras musculares.
– Se produce la apertura de canales de Na+ (ingresa a la célula
muscular).
– Vm >= -50mv → Pot. de Acción Muscular. Una serie de túbulos
(llamados T), se encargan de difundir dicho potencial a toda la fibra
muscular.
– Esto provoca apertura de canales de Ca++ que ingresa y baña a cada
una de las miofibrillas. El ion Ca++ es clave en el acoplamiento que
produce la contracción.
– Luego la bomba de Ca++ regresa dicho ion a sus valores normales
para la distensión.
Fisiología Muscular
• Contracción:
– Resulta del acortamiento del sarcómero,
desplazamiento de miofilamentos delgados
sobre gruesos.
– El Ca que llegó se une a la troponina generando
un cambio en su posición, dejando al
descubierto la zona de contacto de la actina con
la miosina. Dado esto, las cabezas de miosina
se unen con dichos puntos de contacto.
Mediante hidrólisis de de ATP, la cabeza de
miosina gira 45 grados produciéndose un
desplazamiento del miofilamento delgado hacia
el centro del sarcómero de unos 5nm.
– Luego la cabeza se desengancha y vuelve a
quedar en posición vertical para volver a
acoplarse y repetir el proceso como si fuera una
especie de remo.
– La relajación muscular sucede cuando los iones
de Ca vuelven a sus concentraciones de reposo.
Célula muscular cardíaca (miocito
cardíaco)
•
En el miocito la activación
eléctrica ocurre igual que en las
neuronas:
–
Ingreso de iones Na+
•
La amplitud del PA es de 100
mV (también similar)
•
La duración es cerca de 100
veces mayor que en neuronas y
miocitos esqueléticos (300 ms).
•
La
repolarización
es
consecuencia del egreso de
iones K+
•
Una importante diferencia entre
el miocito cardíaco y el miocito
esquelético o liso, es que el
cardíaco propaga el estímulo
de una célula a la otra en
cualquier dirección.
Conceptos Importantes
•
•
•
•
•
Estructura de la neurona, transmisión
sináptica.
Canales iónicos, equilibrio iónico (Ley de
Nernst) y modelo Hodgkin-Huxley
Potencial de acción: causas, flujo iónico y
recuperación de concentraciones, forma de
onda, valores y sus causas
Diferencias entre potencial local y potencial de
acción. Ley de “todo o nada”. Período
refractario.
Propagación del PA en el axón. Nodos de
Ranvier.
Conceptos Importantes
•
•
•
•
Juntura neuromuscular: qué es, control
consciente de la musculatura
Tipos de tejido muscular
Dinámica de la contracción muscular
Miocito cardíaco: diferencia con miocito
esquelético, características del PA,
propagación a otras células
Referencias
•
Simini, F - "Ingeniería Biomédica: perspectivas desde el Uruguay", Depto.
Publicaciones UR, 2007
•
Webster, J - "Medical Instrumentation. Application and design", 3ra ed,
JW&S, 1998
•
Malmivuo, J y Plonsey, R - "Bioelectromagnetism. Principles and
applications of bioelectric and biomagnetic fields", Oxford University
Press, 1995 (http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/index.htm)