Download 6. Teorica Pot Acción y Sinapsis 2014

SEÑALES ELECTRICAS:
POTENCIAL DE ACCION
1
¿Cómo transmitir velozmente una señal uniforme a largas distancias?
Axon
gigante de
calamar
Circuito
reflejo de
la rodilla
2
1
POTENCIAL DE ACCION
3
Siglo XVIII
- Luis Galvani
- Alessandro Volta
Siglo XIX
- Carlo Matteucci
- Emil de Bois-Reymond
- Hermann von Helmholtz
Siglo XX:
1902-1912: Julius Berstein.
4
Potencial de Injuria
5
Teoría de Bernstein
Na+
Na+
K+
Ke
V  Vi  Ve  60 mV  log
Ki
Cl-
K+
V = 0
Cl-
6
Pese a que se habla de despolarización, lo que realmente
ocurre es una reversión del potencial de membrana.
7
¿Cómo puede medirse un
potencial de acción?
8
Electrodos extracelulares
+ +- - - - - - + + +
--+++++--
+ + +- - - - - - - + + + + +
---+++++-------
9
Electrodos intracelulares y Patch Clamp
muscle cell
micropipete
10
Los PA de diferentes células responden a un patrón
general común. Sin embargo las duraciones y formas
pueden ser muy diferentes.
11
FASES DEL POTENCIAL DE ACCION
ENa
Ek
12
¿De que procesos depende la generación de un potencial de acción?
Axón gigante del Calamar
13
POTENCIAL DE ACCION
La amplitud del potencial de acción es una función de [Na+]o.
14
Potencial
Modificando gradualmente las concentraciones de Na+ y K+:
Varía con [Na+]e
Varía con [K+]e
tiempo
15
15
Se pensó que la subida del potencial dependía de una
corriente de Na+ y que la bajada de una corriente de K+.
¿Como se podían medir dichas corrientes?
Problemas a considerar:
-El voltaje durante el potencial de acción varía en el tiempo.
-Las corrientes necesariamente deben ser afectadas por los
cambios de potencial de manera no omhica (cambios no
lineales).
-Las corrientes deben variar con el tiempo.
Solución: medir las corrientes a voltaje constante y entonces
separar las dos variables.
16
Tecnica: fijación de voltaje (voltage clamp)
Medición de las corrientes generadas por cambios en el
potencial de membrana, dejando la variable potencial fija.
Kenneth Cole
17
Tecnica: fijación de voltaje (voltage clamp)
Convención:
+
corriente positiva
18
Voltage Clamp
análisis de las corrientes fijando el voltaje
0 mV
Voltaje comando
-60 mV
Corriente saliente
(tardía)
I (nA)
Corriente entrante
(temprana)
0
Tiempo (ms)
4
19
Las corrientes dependen del Vm
Voltage Clamp
cambios en la corriente en función
del potencial al que se fija el
potencial de membrana.
cambios en la corriente en función
del potencial al que se fija el
potencial de membrana, en
ausencia de Na+.
20
80 mV
-60 mV
I (nA)
La corriente tardía se crece en
todo el rango
La corriente temprana se revierte
entre +40 y +80 mV
+40 mV
-60 mV
I (nA)
0 mV
-60 mV
I (nA)
21
POTENCIAL DE ACCION
(medida en 0 [Na]o)
Restando las corriente
tardía a la total se puede
despejar la dinámica de la
corriente temprana.
22
Se pueden utilizar
bloqueantes para
aislar las corrientes
de Na y K
23
Midiendo las corrientes de Na+ y K+ y teniendo en
cuenta que el voltaje aplicado es constante…
se puede calcular la curva de conductancia a cada
potencial.
Ii = (Vm-Vi) . gi => gi = I / (Vm-Vi)
Vi: potencial de equilibrio del ión “i”
gi: conductancia para “i”
24
Pico del PA
gNa posee rápida
activación y lenta
inactivación
gk posee solamente
una lenta activación
Vemos como las dos conductancias aumentan con el voltaje
25
entonces podría estar ocurriendo algo así ……….
Aumento en
Conductancia al Na
(gNa)
retroalimentación
Despolarización
positiva
Corriente
Entrante de Na
¿Pero como frenamos este proceso?
INACTIVACION
26
Aumento en
Conductancia al K
(gK)
Corriente
Saliente de K
Despolarización
(-)
Repolarización
27
El potencial de acción resulta de un
aumento en la conductancia a Na+
dependiente de voltaje, seguida de
un aumento en la conductancia a K+
dependiente de voltaje.
28
¿Cómo imaginaron Hodgkin y Huxley que ocurría todo esto?
Poros voltaje dependientes
Para K
g
una compuerta
varias compuertas
Para Na
tiempo
Inacti
Inacti29
29
Luego de aproximadamente 2 décadas ….
CANALES IONICOS
ICa2+ (nA)
Tiempo (ms)
30
CANALES IONICOS
registros de canal único
QuickTime™ and a
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Sakmann &
Neher’s
Premio Nobel 1991
31
Patch
Clamp
Soluciones simétricas
cell attached
inside out
32
RECORDEMOS
- Los iones se mueven pasivamente a traves de un poro acuoso a favor de su
gradiente electroquímico.
- Los canales poseen un filtro que selecciona el tipo de catión.
- Tienen una “compuerta” que se abre y se cierra y un sensor de voltaje que la
“activa”.
33
Activación
Closed (C)
20 pA
Open (O)
time
C
O
34
O
- 50 mV
C
O
-20 mV
C
35
Si medimos el tiempo en que el canal permanece abierto durante
un período y lo dividimos por el período de tiempo total tomado,
podemos calcular la Probabilidad de Apertura del Canal.
O
C
a
b
c
d
Tiempo total
Tiempo abierto (en el período medido) = a + b + c + d
Por lo tanto… Po = tiempo abierto / tiempo total
Por lo tanto el comportamiento de un canal se puede
estudiar en términos probabilísticos.
36
¿Cómo podemos relacionar las corrientes macroscópicas de la
membrana plasmática con la actividad de los canales?
I = G . (Vm-Veq)
G = conductancia macroscópica
n = número de canales
 = conductancia del poro
Po = probabilidad de apertura
G =  . n . Po .
nact
Pero... ¿cuál es la variable que se modifica con
los cambios de votaje?
i
i =  . (Vm-Veq)
Vi
37
Inactivación
O
C
C
O
MODELO DE LA BOLA Y LA CADENA
Armstrong CM, Bezanilla F (April 1973).
I
38
CANALES IONICOS
Canales dependientes del voltaje y del tiempo
corriente macroscópica
200 pA
inactivación
corriente microscópica
39
Propiedades del Potencial de Acción
 Todo o nada
 Umbral
 Período refractario
 Es regenerativo (no se atenúa)
40
Cambios en el potencial de membrana debido a
pulsos de corriente entrante o saliente.
 Umbral
Todo o Nada
41
 Período refractario relativo (RRP) y
absoluto (ARP)
42
Umbral y supraumbral
43
(I2 / I1)
Visualización de los períodos refractarios
44
44
¿Que significado tienen los períodos
refractarios?
?
La respuesta surge de todo lo que discutimos
previamente (Discutir)
45
PROPAGACION DE POTENCIALES
 El P.A. es regenerativo (no se atenúa)
46
Propagación electrotónica: un potencial graduado se atenúa
en el espacio y no puede recorrer grandes distancias.
47
En cambio un potencial de acción es regenerativo, no se atenúa y
puede llegar a largas distancias dentro del organismo.
48
Todo lo que vimos acerca de la generación de un potencial de acción
ocurre en un pedacito de membrana. ¿Cómo sería el mecanismo de
propagación del potencial de acción de un punto de la membrana a
otro?
Canales de Na+ dependientes
de voltage se abren y el Na + entra
Un potencial graduado
supra umbral llega a la
zona de disparo
49
+
+
Cargas positivas se propagan a
regiones adyacentes del axón, y se
despolariza la membrana río abajo
lo que abrirá nuenos canales
50
Circuitos locales de corriente
+++++++ --------+++++
--------- +++++++ --------
La zona río arriba está en período
refractario. Se abrieron los canales de K
y se inactivaron los de Na. La corriente
saliente de K repolariza la membrana
+
+
Flujos locales de corriente de
la región activa despolarizan
regiones río abajo.
Se alcanza umbral, se
activa INa y se
regenera pot. acción
51
52
La velocidad de propagación de un
potencial de acción va a depender de cuan
eficiente sea la propagación pasiva.
53
Dado que la propagación pasiva es muy veloz,
La velocidad de propagación de un potencial de acción:
• Aumentará con el incremento de la constante espacial 
-
 disminuirá con la resistencia específica del axoplasma
(por lo tanto  aumentará con el radio del axón)
-
 aumentará con la resistencia de membrana
rm: resistencia de la membrana
rm
(por unidad de longitud)
ri
ri: resistencia del axoplasma
(por unidad de longitud)
54
Si necesitamos una conducción rápida…
¿cómo hacer para lograr una menor atenuación espacial?
55
Estrategias de los invertebrados y de los vertebrados
Axon Gigante de Calamar
0.8 mm
Nervio con Axones Mielinizados
de Mamífero
56
rm: resistencia de la membrana
rm
(por unidad de longitud)
ri: resistencia del axoplasma
ri
(por unidad de longitud)
λ varía con (rm/ri)1/2
ri: inversamente prop. a diam. axón
Para el caso del axón gigante de calamar: > radio → < ri → > λ
Para un axón de vertebrado: vainas de mielina → > rm → > λ
(en internodos)
57
58
59
COMUNICACION ENTRE NEURONAS
60
¿como se tramiten las
señales en neuronas?
Señal eléctrica
Señal Química
61
A lo largo de la cadena de neuronas las señales eléctricas alternan entre:
potenciales de acción
potenciales graduados
(propagacion pasiva)
62
¿Cómo se originan los potenciales
graduados en las neuronas?
 artificialmente
 por medio de un estímulo fisiológico
63
Inducido por inyección de corriente por microelectrodo
64
Efectos de un agente químico (neurotransmisor acetilcolina)
sobre una neurona parasimpática.
Cuerpo neuronal
Potencial graduado
65
En una neurona mecanorreceptora (de estiramiento)
(Membrana receptiva)
66
Potencial de Membrana (mV)
Los potenciales de acción se originan
cerca del inicio del axón, donde se
integran los potenciales graduados.
Sólo se disparan si se alcanza el umbral.
67
Características y propagación de los potenciales
graduados:
 Atenuación
 Sumación temporal
 Sumación espacial
68
 Atenuación
No hay disparo del PA
69
 Atenuación
Hay disparo del PA
70
Una neurona o célula efectora puede ser inervada por muchas
terminales
71
 Sumación espacial
1 - se disparan tres neuronas
excitatorias simultáneamente.
Sus potenciales graduados
individuales están por debajo
del umbral.
2 - Estos potenciales graduados
alcanzan la zona de disparo juntos
y se suman creando un potencial
supra-umbral.
3 - Un potencial de acción es
disparado.
72
 Sumación temporal
73
Si los estímulos están muy
distanciados no hay
sumación temporal
74
SINAPSIS
75
CONFIGURACIONES SINAPTICAS
Sinapsis
axosomática
Sinapsis
axodendrítica
Sinapsis
axoaxónica
76
Las neuronas se comunican entre si por dos vías:
Sinapsis química
Sinapsis eléctrica
77
78
formados 6 conexinas
79
SINAPSIS
ELECTRICA
Rio abajo
-Simétrica
-Latencia casi Nula (0.1 ms)
-Atenuación (fuerza de acople)
Rio arriba
80
Las sinápsis eléctricas respecto de las químicas son:
- Mas confiables: las fallas son menos probables.
- Más rápidas: muy importante para un comportamiento de
escape.
- Permiten sincronizar grupo de neuronas.
- Permiten intercambio de moleculas como Ca2+, ATP, cAMP,
etc.
- Las dos últimas se podrían resumir en un acople eléctrico y
metabólico.
- Ventajas de las químicas: mayor plasticidad, posibilidad de
transmitir tanto señales excitatorias como inhibitorias, variedad
de procesos modulatorios .
81
SINAPSIS QUIMICA
La sinapsis química implica una
especialización entre una región
presináptica y otra postsináptica:
(IMPORTANTE ASIMETRIA)
-síntesis y
almacenamiento del
neurotransmisor en
vesículas
-liberación del
neurotransmisor
20 nm
-Difusión
-receptores específicos
del neurotransmisor
82
PA + Liberación NT + difusión en cleft + activación de receptores posináticos + respuesta: latencia > 1 ms
SINAPSIS QUIMICA
Sinapsis neuromuscular,
paradigma de sinapsis química
Bernard Katz
John Eccles
Stephen Kuffler
Las velocidad de transmisión en la sinapsis
química requiere de un arreglo espacial
compacto de todas las moléculas
intervinientes.
83
SINAPSIS QUIMICA
Sinapsis neuromuscular,
paradigma de sinapsis química
50 mV
presinapsis
5 mV
postsinapsis
EPP
Latencia (PPT)
2-5 ms
84
Potencial postsináptico en: Neurona Motora – Célula Muscular:
EPP
“End Plate Potential”
Potencial Postsináptico Excitatorio en: Neurona – Neurona : EPSP
“Excitatory Postsynaptic Potential”
Potencial postsináptico Inhibitorio en: Neurona – Neurona : IPSP
“Inhibitory Postsynaptic Potential”
85
PLACA NEUROMUSCULAR
¿Cuál es el NT? :La aplicación iontoforética de ACh sobre la placa neuromuscular
imita al efecto de estimular el nervio motor.
¿Dónde se localizan los receptores? : cuando la micropipeta con Ach se alejaba unos
micrones de la región de la placa motora se reducían y se enlentecían las respuestas.
Del Castillo y Katz
86
PLACA
NEUROMUSCULAR
Liberación espontánea
minis
Liberación evocada
EPPs
Katz & Miledi
87
PLACA NEUROMUSCULAR
Liberación cuántica
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m = np
cuantos liberados = nro de cuantos liberables x probabilidad de liberación
88
Placa Neuromuscular
Vesiculas presinapticas
El Nro de cuantos liberados correlaciona
con el numero de vesiculas fusionadas
.
De Robertis and Bennett, 1954
Eduardo De Robertis
4-AP: 4-aminopiridina
Heuser y col, 1979.
89
SINAPSIS QUIMICA
La transmición sináptica química se produce en una
secuencia de pasos:
Despolarización del
terminal por propagación
del potencial de acción,
apertura de canales
Aumento citólico de
Ca++, fusión vesicular,
liberación del NT al
cleft sináptico
Unión del neurotransmisor al R, activación
de conductancia
postsináptica
90
Postsinapsis
Presinapsis
Respuesta excitatoria: acerca al Vm al umbral de disparo del potencial de acción.
Respuesta inhibitoria: aleja al Vm del umbral de disparo del potencial de acción (no es una regla).
Lo importante es que tipo de canal está asociado al receptor.
91
SINAPSIS QUIMICA
Los receptores postsinápticos
se ubican en la membrana
postináptica, enfrentados a la
zona activa presináptica.
-Los receptores poseen
dominios que se extienden en
el cleft y se unen a NTs que
son liberados desde la
presinapsis.
- La unión del NT al receptor
abre canales iónicos (directa
o indirectamente). El flujo de
iones generado modificará el
potencial de la células
92
postsináptica.
Que las sinapsis sean excitatorias o inhibitorias
depende del tipo de canal iónico afectado.
Que pasa si por ejemplo:
- Se activa un receptor que aumenta fundamentalmente la INa
- Se activa un receptor que aumenta la IK
Es importante conocer la selectividad de los canales
activados por un receptor
93
PLACA NEUROMUSCULAR
Respuesta postsináptica
¿Qué tipo de corrientes participan de la
corriente de placa?
Potencial de reversión = 0
94
Llevamos el Vm a valores próximos al EK
y alejados del ENa.
Llevamos Vm a 0. Intermedio a EK y ENa.
Llevamos el Vm a valores próximos al
ENa y alejados del EK.
Podemos concluir que en reposo estos canales conducirán
principalmente Na+
95
Que una sinapsis sea excitatoria o inhibitoria depende de:
- que canales se encuentren asociados al receptor
- cual es el potencial de reversión de dicho canal respecto al potencial al cual se
encuentra la neurona (potencial de reposo)
- pero finalmente, lo determinante es si dicho potencial de reversión es mayor o
menor que el umbral de disparo.
ENa
Umbral
Vreposo
EK
96
RECEPTORES
Receptores ionotrópicos
(canales iónicos activados por ligando)
Receptores metabotrópicos
(receptores acoplados a proteína G)
97
SINAPSIS QUIMICA
Neurotransmisores (Otto Loewi, 1926 )
Moleculas Pequeñas
Acetilcolina
Aminoácidos
Glutamato
Aspartato
GABA
Glicina
Purinas
ATP
Aminas
Dopamina
Norepinefrina (noradrenalina)
Epinefrina (adrenalina)
Serotonina
Histamina
Péptidos
Encefalina
Endorfina
Substancia P
Vasopresina
Neuropeptido Y
Oxitocina
Empaquetados en
vesículas densas
grandes
Empaquetados en vesículas claras
pequeñas o densas grandes
98
NEUROTRANSMISORES
Transmición sináptica eficaz requiere:
- síntesis de NT
- empaquetamiento de NT
- Liberación de NT
- degradación o eliminación de NT
99
NEUROTRANSMISORES
Síntesis y empaquetamiento de neurotransmisores pequeños
0.5-5 mm/ día
Síntesis y empaquetamiento de neurotransmisores peptídicos
400 mm/ día
100
NEUROTRANSMISORES
Acetilcolina
CAT: choline acetyl transferase
AChE: acetylcholinesterase
R purinérgico
101
NEUROTRANSMISORES
Glutamato
EAAT:
excitatory aa
transporter
(glutaminasa)
102