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Carrera de Enfermería. Universidad Nacional del Nordeste

Cátedra de Fisiología HumanaCAPÍTULO I

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CAPITULO IVCélulas Excitables

Cátedra de Fisiología Humana. Carrera de Enfermería. UNNE

Células ExcitablesCAPÍTULO VI

CAPITULO 4

Ud. sabía como se producen los fenómenos eléctricos en nuestro organismo?

Alguna vez pensó como percibe Ud. los cambios de temperatura, el dolor, la conciencia de estar sentado, o parado, de acelerar los latidos cardíacos?

Este sistema está constituído por células especiales, las células excita-bles. Significa que pueden transmitir un Potencial de acción o corriente eléctrica, mediante el cual se produce el acortamiento muscular ( o con-tracción muscular), así como desencadenar otras funciones.

Células Excitables

3.1 Aspectos estructurales:Elementos Células Comunes: Ud. debe conocer después de estudiar los otros ca-pítulos, que una célula común del organismo, posee una composición química diferente de uno y otro lado de la membrana.

Esa diferente concentración de solutos, está mantenida por las caracte-rísticas de la membrana plasmática. Todas las células poseen entonces una carga eléctrica que se denomi-na:

Potencial de Membrana

Se lo define como el voltaje que se genera a un lado y otro de la mem-brana celular por la movilización de iones. Los epitelios son células que poseen un potencial de reposo, pero no transmiten un potencial de acción.

Límites

Las células son sistemas en sí. Cuando se reúnen para desarrollar una determinada función se transforman en órganos. Por lo tanto los lími-tes de estas estructuras está dado por la organización en órganos: por ejemplo, hígado, corazón, tubo digestivo, sistema nervioso central, etc.

Reservorios

Los reservorios de células están en la capacidad de regeneración de cé-lulas que cumplan la misma función.

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En el caso del Sistema nervioso no se ha logrado aún que se regeneren. La muerte celular programada se denomina Apoptosis. La sustitución de células normales a una función se hace por tejido fi-broso (las cicatrices que Ud. observa en la piel), acontecen en todos los órganos y tejidos. Como Ud. habrá observado, aunque exista la cirugía estética, la función es reemplazada, pero nunca equivalente al tejido original.

Redes de Comunicación

Las células se comunican entre ellas por moléculas que actúan como pa-labras de un lenguaje. En inglés se denomina “ cross talk intracelular”.También lo hacen entre ellas, o “cross talk intercelular”.La comunicación entre todos los órganos se realiza a través del sistema endocrino, y sistema nervioso central, los cuales son los grandes “regu-ladores” o controladores de las funciones del organismo.

3-2 Aspectos funcionales

a) Flujo, compuertas. Los diferentes solutos especialmente los iones se mueven a través de la membrana celular. Ese flujo de cationes y de aniones genera potenciales. Lo denominare-mos Mecanismos de transporte.

Se clasifican de la siguiente manera:

1-Transporte Activo: Requiere gasto de energía, consume ATP.Ejemplo:Bomba de Na/K: Continuamente saca 3 Na de la célula e introduce dos K. Se denomina bomba electrogénica pues actúa contra un gradiente eléctrico, pues deja menor cargas positivas dentro de la célula (electro-negativo el interior).Crea la condición para que haya diferencias de concentración a un lado y otro de la membrana.

Ud. ya observó en esa tabla compleja, donde se mostraban las familias genéticas a las que pertencía cada uno de los transportadores… vuelva al capítulo 2…. Es decir que no son los únicos transportadores que existen…

2- Transporte pasivo: No gasta energía... Es un proceso denominado de difusión de sustancias a través de la membrana. Se produce siempre a favor del gradiente, es decir, de donde hay más hacia el medio donde hay menos. Este trasporte puede darse por: * Difusión simple. Es el paso de pequeñas moléculas a favor del gra-diente;

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1. Difusión simple a través de la membrana celular. Algunas de las sus-tancias que pasan de esta manera son: el oxígeno y el nitrógeno atmos-férico, el CO2, el etanol (el alcohol). La difusión del agua recibe el nom-bre de ósmosis.

2. Difusión simple a través de canales (2).Se realiza mediante las deno-minadas proteínas canal. Así entran iones como el Na+, K+, Ca2+, Cl-. Las proteínas de canal son proteínas con un orificio o canal interno, cuya apertura está regulada, por ejemplo por ligando, como ocurre con neu-rotransmisores u hormonas, que se unen a una determinada región, el receptor de la proteína de canal, que sufre una transformación estructu-ral que induce la apertura del canal.

Otro ejemplo, son los canales de fuga de Na y K.Son más permeables los de K, que los de Na. Por lo tanto el K tiende a salir, generando un déficit de cationes por den-tro de la membrana. La fuerza que permite la salida es la diferencia de concentración. Recuerde que la concentración es 140 mEq/l, por dentro y su concentración en el Líquido Extracelular es de 10 mEq/l.

El potencial generado por la difusión de iones se puede calcular por la Ecuación de Nerst:EMF (milivoltios)= ± 61 log Concentración por dentro de la membrana Concentración por fuera de la membrana

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En el caso del K, EMF (milivoltios)= ± 61 log 140 4

EMF (milivoltios)= ± 61 log 10EMF (milivoltios)= ± 61 *1EMF (milivoltios)= -61 MV

Por lo tanto la difusión de K, genera un potencial negativo de 61 mV.

En el caso de las neuronas, el Potencial de reposo es de -90mV. La dife-rencia entre -60 y -90mV, está dada por la suma de potenciales creados por otros iones (Cationes y aniones), y la Bomba de Na y K.

Si Ud. quiere medir cómo se mueven esos iones, usa un voltímetro. Mediante un electrodo explorador, y un electrodo indiferente que se colocan de uno u otro lado de la membrana, permiten medir la diferen-

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cia de potencial eléctrico.

Si se colocan ambos por fuera de la membrana no registra diferencias.Si en cambio coloca el explorador por dentro se registra un potencial negativo de -94 mV, en el caso de una neurona.Si ahora se colocan ambos adentro de la célula no se registran diferen-cias.

Se grafica en un sistema de coordenadas donde en la ordenada se tra-duce la intensidad en Milivoltios, y en la abscisa la duración en milise-gundos.

El potencial de Membrana, se explica entonces por:a) Gradiente de Concentración de iones de un lado y otro de la membrana plasmática.b) Membrana selectiva al paso de determinados iones.c) Mecanismos de transporte

Censores:

Las proteínas canal actúan como censores. Cuando se modifica la con-centración de un determinado soluto o cuando se adhieren a ellas de-terminadas hormonas modifican la función, pues cambian la forma y la estructura química.

Asas de Retroalimentación.

Los cambios dinámicos de estructura, llevan a cambios de función.Por ejemplo, cuando se modifica el potencial de reposo por el ingreso de Na, se cierran los canales. Es un asa de retroalimentación negativa.

Veamos ahora, como se producen los mecanismos que definen a las cé-lulas excitables.

3.2 Estímulos que generan un potencial de acción.

Deben ser estímulos denominados umbral. Si se produce una descarga muy baja, la membrana no se despolariza. Si son muchos estímulos su-bumbrales, lo pueden hacer, por sumación espacial, (en varios lugares de la membrana), o temporales, uno después de otro.

Por lo tanto un estímulo debe ser umbral para desencadenar un poten-cial de acción. Se denomina Reobase, a la intensidad umbral para un estímulo de duración muy larga y cronaxia es la duración de un estímulo umbral de intensidad doble que la reobase.

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Los impulsos pueden ser transmitidos por estímulos: químicos, eléctri-cos y físicos

Químicos: son más de 40 transmisores. Funcionan uniéndose a un re-ceptor y desencadenando un potencial de acción.

Eléctricos: hay canales que se abren y despolarizan la neurona.

Un estimulo, ya sea químico, eléctrico o físico, es capaz de inducir en la célula una “respuesta”, y esa “respuesta” en la modificación del poten-cial de membrana en reposo (-90 mV habitualmente) y su transforma-ción en lo que se conoce como POTENCIAL DE ACCION.

Todo potencial de acción tiene una fase inicial que llamamos DESPO-LARIZACION, que se debe a la entrada de Na en la célula; una fase de REPOLARIZACION que corresponde a la salida de K desde el interior celular, y una fase de REPOSO; en esta fase, la bomba Na y K ATPasa reacomoda nuevamente las concentraciones normales de los cationes a ambos lados de la membrana.

El potencial de acción tiene un periodo en el cual la llegada de un nue-vo estimulo no va a desencadenar en la célula ninguna respuesta; este corresponde a la despolarización e inicio de la repolarización y se llama PERIODO REFRACTARIO ABSOLUTO (graf. 1- c). Pero, transcurrido el inicio de la repolarización y durante esta fase, la aplicación de un nuevo estimulo puede llegar a producir, sin necesidad de llegar al reposo, un nuevo potencial de acción; para esto, dicho estimulo deberá tener una intensidad mayor que la del estimulo inicial en esa misma célula, este periodo se llama PERIODO REFRACTARIO RELATIVO (graf. 1- b).Nuestra célula, en estado de reposo, siempre mantiene sus cargas posi

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tivas (+) por fuera y las negativas (-) por dentro, a nivel de la membrana (graf. 2- a); cuando llega un estimulo, se produce la entrada abrupta de Na a la célula y se invierten las cargas en ese sitio ( + por dentro y – por fuera) (graf. 2-b), ósea se produce el potencial de acción en un punto de la membrana, y si las condiciones fisiológicas de esas células o fibras son normales, ese potencial de acción se va a transmitir en todas direcciones y sentidos, pasándose a llamar entonces POTENCIAL DE ACCION PRO-PAGADO (graf. 2-c).

El potencial de acción propagado es el mismo, tiene la misma intensi-dad que el potencial de acción inicial, porque todo potencial de acción responde a la LEY DEL TODO O NADA que dice: “Un potencial de acción se produce o no, ante la llegada de un estimulo, pero cuando se produ-ce lo hace siempre al máximo”; es decir que un potencial de acción, al propagarse, va a ser siempre igual al inicial, porque va a ser siempre al máximo.Por otra parte, el potencial de acción propagado se va a comportar de

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manera distinta de acuerdo a la fibra nerviosa por la que se conduzca.

Veámoslo ahora un gráfico, de las fases del potencial de acción en un tipo de célula excitable: el músculo cardíaco.Repasamos:La fase dónde se invierte el potencial negativo de la membrana, se de-nomina despolarización.La fase dónde se restituye el potencial negativo, se denomina, repola-rización.Si observas con detenimiento, en la ordenada se grafican los milivoltios. En ésta célula miocárdica, es de -90mV.

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Figura 1. La despolarización se produce por el cambio brusco de la permeabi-lidad celular al Na. Como se observa, el potencial supera el cero. Hay fibras nerviosas u otros tipos de músculo donde no alcanza el cero.

La repolarización, se produce en apenas 10 milisegundos, los canales de Na se cierran y los de K, se comienzan a abrir, ingresando K a la célula, y devolviendo su potencial negativo.

Los canales de Na y K, se llaman Compuertas activadas por voltaje.El cambio de voltaje, lleva a la transformación de dicho canal. Cuando se hace un experimento, se observa que este canal no se vuelve a abrir hasta que no se restituye el potencial negativo de la membranaSi observa el gráfico, notará que toma tres formas diferentes: Una en el reposoDos en la despolarizaciónTres en la repolarización

Los canales de compuertas activados por voltaje de K, son semejantes, pero sumamente lentos.

Hay células excitables donde se observa que al período de repolariza-ción, le sigue un potencial mal denominado “potencial ulterior positi-vo”, dónde la membrana tiene un potencial de reposo mas negativo que al inicio. Se debe a que los canales de K, continúan abiertos por algunos milisegundos más.

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Se explica por el proceso de despolarización a lo largo de la membrana. Un estímulo que actúa en un lugar despolariza unos milímetros. Como vimos, una vez que se desencadena cambia el potencial y se activan nuevos canales de Na, y así se propaga.

Lo hace en todas direcciones.

Las condiciones de reposo deben estar normales para que se produzca el potencial de acción. Es decir responde a la Ley del todo o nada.

Las fibras nerviosas mielínicas, se hace de un nódulo de Ranvier a otro. Por lo tanto, la conducción es 100 veces más rápida que en las fibras amielínicas.

4-6 Diferentes formas de Potenciales de acción.

En espiga: las membranas no permiten la entrada de Ca. No tienen la meseta. El ejemplo lo constituyen las células del músculo estriado, y las de las neuronas. El primero dura 5 veces mas que el segundo y su velo-cidad es 1/13 veces menor.

En meseta: el que analizamos, del músculo liso cardíaco. En la figura se observa una forma de meseta. Esta meseta está sostenida por la activa-ción de canales de Ca, lentos, que permiten la entrada de Ca a la célula.

Rítmicos: algunas células como las del Sistema Marcapasos del corazón, (comienzan o dan la señal para que se produzca un latido cardíaco), las del tejido muscular liso del tubo digestivo, (peristalsis), y muchas células del sistema nervioso central.

El potencial de reposo en estos casos es de 60 mV, facilitando la despo-larización celular. Además la conductancia de la membrana al K, hace que se mantengan cerrados durante la repolarización, prolongando el potencial ulterior negativo.

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4-5 Transmisión de impulsos de nervios al músculo: Unión Neuromus-cular

Las neuronas motoras tienen su cuerpo en las astas anteriores de la Mé-dula espinal.Las fibras mielíncas dan ramas que pueden inervar cientos de fibras musculares. Cuando el movimiento es muy fino, una neurona inerva solo una fibra muscular. El potencial de acción debe transcurrir para es-timularlas.

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Contamos cuál es el proceso por el cual se transmite el estímulo desde la neurona al músculo:

a) En el botón presináptico se forma acetilcolina que es acumulado en vesículas.b) Cuando llega el potencial de acción se abren canales de Ca que atraen la acetilcolina.c) La acetilcolina es eliminada por exocitosis.d) En la membrana del músculo se encuentran receptores de acetilco-lina.e) El complejo Receptor acetilcolina abre canales para que ingrese Na, K y ca, que desencadenan el potencial de acción en las fibras musculares. f) La acetilcolina es rápidamente metabolizada en el espacio sináptico por la aceticolinesterasa.

El potencial de acción generado en la Placa Motora se denomina, Po-tencial local o de placa motora.

Si este circuito local consigue bajar el potencial de estas zonas en 15mV, se provoca en ellas un potencial de acción y a continuación su propaga-ción. Si no se alcanza aquel valor, el potencial no se transmite.

El músculo estriado se contrae de forma voluntaria. La musculatura lisa es la propia de las vísceras, vasos sanguíneos, etc. El miocardio es una forma especial de músculo estriadoEstá formado por numerosas fibras, que varían de 10 a 80 micras de diá-metro. A su vez, cada una de estas fibras esta integrada por centenares o millares de miofibrillas, que contienen cada una 1500 filamentos de miosina y 3000 filamentos de actina. La estriación del músculo esque-lético viene determinada por la alternancia de las bandas de miosina (bandas A) y las de actina (bandas I). Los filamentos de actina están uni-dos a las líneas Z.

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La porción entre dos líneas Z se denomina sarcómero. Cuando ocurre la contracción muscular, los filamentos de actina se aproximan por sus extremos hasta llegar a superponerse ambos. Las membranas z se aproximan unas a otras, disminuyendo así la longitud del sarcómero. El estimulo nervioso viaja hasta llegar a la membrana de la fibra muscu-lar, provocando la liberación de grandes cantidades de iones calcio ha-cia el sarcoplasma que libera las miofibrillas. El calcio activa las fuerzas de cohesión molecular puenteando las cadenas de actina y miosina de esta manera: La miosina presenta “puentes” (constituido por cadenas polipeptídicas).En condiciones de “reposo”, presenta cargas negativas en las extremi-dades; Cuando se produce el potencial de acción se libera Ca y se unen los puentes de miosina a la actina, acortando la miofibrilla.Una enzima especial presente en la miosina, la adenisintrifosfatasa (ATPasa), separa el ATP en ADP y fosfato; el ion calcio se separa, mien-tras la actina y la miosina se alejan entre ellas. El mecanismo de la con-tracción seguirá ocurriendo mientras haya iones calcio. E músculo se contrae muy rápidamente cuando lo hace sin carga. Cuando se aplican cargas la velocidad disminuye tanto más cuando mayores son aquellas. Al llegar la carga a igualar la fuerza máxima que puede ejercer el músculo, la velocidad de contracción se reduce a cero,

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esto es así porque la carga actúa como una fuerza inversa, opuesta a la fuerza contráctil. La fatiga muscular es un fenómeno que ocurre cuando no se produce contracción muscular por la falta de ATP.

La energía proviene especialmente de la glucosa que es acarreada por la sangre. Además requiere O2. La actividad muscular prolongada produce ácido láctico, por lo tanto deben actuar los buffers durante el ejercicio.

Pensó alguna vez por que cuando corre aumenta la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria?

Por qué piensa Ud. suceden estos fenómenos?

(F) La contracción de un músculo puede ser isotónica o isométrica.

(F) Un músculo puede aumentar la fuerza de contracción reclutando más unidades motoras o sumando contracciones.

(F) Al aumentar la frecuencia de los estímulos en un músculo esquelético se produce una contracción tetánica por sumación de las contraccio-nes.

(F) La fuerza de contracción es máxima para una longitud del músculo determinada, que se denomina longitud óptima.

(F) La fuerza pasiva se debe al estiramiento de los componentes elásti-cos del músculo, y es casi cero a la longitud de contracción óptima.

(F) En una contracción isotónica, la velocidad de acortamiento es inver-samente proporcional a la carga.

(V) La potencia de la contracción es máxima cuando la carga es un tercio

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de la carga máxima.

En la superficie de las células musculares lisas existen numerosas vesí-culas membranosas vecinas a cisternas o túbulos de retículo endoplás-mico liso. Se cree que este sistema membranoso juega un papel en la captura y liberación de calcio, similar al que desempeña el retículo sar-coplásmico en el músculo estriado.Además de su actividad contráctil, las células musculares lisas tienen la capacidad de sintetizar colágeno tipo III, elastina y proteoglicanos.

Diferencias con el músculo estriado:a) Las fibras son de 20 a 500 miliY de diámetro.b) Las fibras son más cortas.

SimilitudesContienen miofilamentos de actina-miosina.

Tipos de Músculo Lisoa) Músculos lisos de Unidades Múltiples: Cada fibra se contrae indepen-diente de las otras, pues están inervadas por una sola terminal neuronal. Ejemplo: músculo ciliar del ojo, músculos piloerectores.b) Músculos lisos de Unidades Unitarias: Es una masa de muchas fibras musculares. Se ordenan en capas, unidas por “gap Junctions”. Es el músculo liso sincitial. Ejemplo: músculo liso visceral.

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TRABAJO PRACTICO

1) Grafique diferentes potenciales de acción: en espiga, rítmicos, de cé-lula muscular miocárdica. 2) Explique las diferentes Fases.

El curare se adhiere a los receptores de acetilcolina ¿Cuál es el efecto que Ud. espera encontrar?

La toxina botulínica, disminuye la liberación de acetilcolina. ¿Cuál es el efecto que Ud. espera encontrar?

Como licenciado en Enfermería Ud. debe conocer que muchos de los medicamentos que Ud. administra afectan estas Uniones: Inhiben la acetilcolinesterasa: neostigmina, fisiostigmina. …. En este caso qué es-pera encontrar?

Preguntas:

Qué entiende por potencial de membrana en reposo, y quiénes la po-seen?a) es una diferencia de cargas eléctricas entre el interior y el exterior de la membrana plasmática, y todas las células del organismo la poseen.b) es un potencial electroquímico capaz de recibir un estímulo y generar una respuesta, y la poseen las células excitablesc) es un impulso capaz de transmitir señales a lo largo de las membranas, y todas las células del organismo la poseen.d) ninguna es correcta

Cuál es la morfología del potencial de acción en las neuronas?a) en ondab) en mesetac) en espigad) ninguna de las anteriores

Cómo se transmite el impulso de los nervios a las fibras musculares?a) En la unión neuromuscular, mediante la liberación de aceticolina, que genera un potencial local.b) En la unión neuromuscular, mediante la liberación de adrenalina, que genera un potencial local.c) En la unión neuromuscular, mediante la liberación de dopamina, que genera un potencial local.

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e) ninguna es correcta

El potencial de acción en una fibra de Purkinje, tiene forma de meseta. Podría señalar cuál de las siguientes respuestas explica el fenómeno?a) Los canales rápidos de Sodio permiten la despolarización celular.b) La apertura de canales lentos de Calcio sostienen la meseta.c) Los canales de Potasio activados por voltaje son más lentos para abrir-se, y restituir el potencial de reposo.d) b y c son correctas.

Cómo se transmite el impulso de los nervios a las fibras musculares?a) En la unión neuromuscular, mediante la liberación de aceticolina, que genera un potencial local.b) En la unión neuromuscular, mediante la liberación de adrenalina, que genera un potencial local.c) En la unión neuromuscular, mediante la liberación de dopamina, que genera un potencial local.e) ninguna es correcta

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