Simulacion por computadora del potencial de accion

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
FISIOLOGÍA HUMANA
Laboratorio 
Informe Práctica No.4 “Simulación por computadora del potencial de acción” 
Grupo:5QM2
Equipo: 5 
Carbajal Cambray Víctor Antonio
 Contreras Trejo Diana Laura
Ortega Reyes Felipe
Morales González José Antonio
Quiroz Baleón Paul Brandon
Rivera Martínez Arisbe Danahe
Varela Pereyra José Guadalupe
INTRODUCCIÓN
Excitabilidad
La excitabilidad es la capacidad de las células de responder con un cambio interior a una variación energética del ambiente (estímulo); está particularmente desarrollada en algunas células como las nerviosas y musculares. Esta propiedad se debe a que la membrana tiene permeabilidad selectiva . 983
Todas las variaciones de energía mecánica, acústica, luminosa, eléctrica, química, etc., pueden actuar como estímulo; sin embargo, para que una fuerza determinada actúe como estímulo de una célula dada, la forma de energía debe ser adecuada a la célula receptora. 
Para realizar pruebas experimentales la forma de energía más utilizada es la eléctrica, pues es de fácil manejo, no produce alteraciones irreversibles cuando se emplea de forma adecuada y se puede medir con gran exactitud. 
Los parámetros de los estímulos que producen la respuesta de las células excitables son:
1. Intensidad del estímulo: Cuando el estímulo tiene justo la magnitud suficiente para provocar una respuesta se le denomina umbral; si es menor, el estímulo es subumbral; al que produce el mayor efecto posible se le llama máximo, submáximo si el efecto obtenido es menor y supramáximo cuando la magnitud excede la necesaria para provocar la respuesta máxima. 
Cada fibra nerviosa responde al umbral en forma máxima (una aumento en la fuerza del estímulo no produce un aumento en la respuesta).
2. Tiempo de variación: Las variaciones bruscas en el tiempo son más eficaces que las establecidas gradualmente. Si la velocidad es muy pequeña, por grande que sea la intensidad no hay excitación.
3. Duración del estímulo: Para que un estímulo sea eficaz debe permanecer durante un tiempo en el nivel o por encima del nivel de la intensidad umbral.
La relación entre la intensidad y el tiempo que debe durar el estímulo (cronaxia) es característica para cada tejido excitable y puede servir para definir su excitabilidad. Las curvas de los gráficos que la representan son iguales para tejidos muy diferentes, pero varía la escala de tiempo. Se ha hallado la misma relación en los nervios y músculos lisos y estriados de los vertebrados.
El voltaje mínimo necesario para que sea eficaz una corriente de duración indefinidamente larga se denomina reobase. Al tiempo mínimo que debe durar una corriente para excitar con el voltaje de la reobase se le llama tiempo útil. Si se disminuye el tiempo por debajo del tiempo útil será necesario aumentar el voltaje para obtener respuesta. 
Para cada voltaje hay una duración útil por debajo de la cual no se produce excitación y más allá de la cual es inútil prolongar la corriente. 
La cronaxia es el tiempo de pasaje de una corriente, necesario para obtener la respuesta mínima con una intensidad doble de la reobase. Los tejidos de reacción lenta tienen reobases más altas y cronaxias más largas que los tejidos rápidos. 
Potencial de acción
El potencial de membrana constante presente en la célula cuando se encuentra en reposo eléctrico se conoce como potencial de membrana en reposo. 
Los potenciales graduados son cambios locales en el potencial de membrana que ocurren en grados variantes de magnitud o fuerza. Mientras más fuerte sea el evento desencadenante, mayor es el potencial graduado resultante, el cual se propaga por un flujo pasivo de corriente y desaparece a corta distancia. 
Los potenciales de acción son breves y rápidos cambios del potencial de membrana, durante los cuales el potencial se revierte. Se producen debido a cambios marcados en la permeabilidad de la membrana y el movimiento de iones.
Figura 1. Gráfica de voltaje contra tiempo en un punto del axón cuando se ha hecho una estimulación supraumbral. Primero se observa una despolarización hasta alcanzar los 50 mV debido a un aumento en la permeabilidad de sodio. Posteriormente la permeabilidad de sodio regresa a la normalidad y la permeabilidad de potasio aumenta, lo cual resulta en una corriente entrante de potasio que hace el potencial de membrana más negativo que el reposo, posteriormente la permeabilidad de potasio regresa a su valor de reposo y se establece el potencial de equilibrio denominado potencial de reposo.
El periodo refractario es un intervalo de tiempo durante el cual un nuevo potencial de acción no puede ser iniciado por eventos normales en una región que acaba de sobrellevar un potencial de acción. El periodo de tiempo en que un segmento de la membrana recientemente activado es por completo refractario a más estimulación es el periodo refractario absoluto. Durante el periodo refractario relativo un segundo potencial de acción puede ser producido solo por un evento desencadenante considerablemente más fuerte de lo normal. 
Axón gigante de calamar
El sistema nervioso de los calamares contiene una neurona que recorre el manto y está involucrada en la contracción de la musculatura del mismo. Esta neurona tiene un axón de un tamaño por mucho mayor que el de las demás neuronas del animal y se le denomina axón gigante. El tamaño del axón permite la inserción de un electrodo que registra el potencial de membrana. 
Tabla 1. Concentraciones dentro y fuera de axones aislados de calamar.
 Para el desarrollo de esta práctica utilizamos el programa HHsim Hodgkin – Huxley Simulator que utiliza un modelo de axón gigante de calamar. El programa utiliza las ecuaciones de Hodgkin-huxley con el fin de predecir los resultados de la simulación. Puede modificar varios parámetros de la simulación, incluyendo el estímulo y la concentración de iones.
Toxinas utilizadas en la simulación
Pronasa: Bloquea la inactivación de los canales de sodio dependientes de voltaje.
Tetradotoxina: Veneno producido por organismos que pertenecen al orden Teradontidae. Inhibe los canales de sodio.
Tetraetilamonio: Inhibidores de los canales de potasio.
 OBJETIVOS
· Manipular algunos parámetros como la intensidad y la frecuencia de estimulación para observar su efecto sobre el potencial de accion.
· Observar el efecto que provocan algunas sustancias bloqueadoras de los canales dependientes de voltaje sobre la naturaleza todo o nada del potencial de acción.
· Observar el efecto que provoca el cambio de la concentración de los iones involucrados en el potencial de acción
DESARROLLO EXPERIMENTAL 
A) Potencial Umbral
 B) Suma temporal de estímulos subumbrales.
C) Periodo refractario.
D) Concentraciones iónicas
E) Canales dependientes de Voltaje
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Experimento 1: Estimulo umbral
Figura 1 Estimulo umbral
Podemos observar que conforme aumenta la intensidad va disminuyendo la duración del estímulo ya que se abren más rápido los canales de sodio voltaje dependientes provocando la despolarización y así generando el potencial de acción.
Experimento 2: Suma temporal de estímulos subumbrales.
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Figura 2 Suma temporal de estímulos subumbrales.
Como observamos en la figura 2 cuando el segundo estimulo se encuentra lejos no se produce un potencial de acción ya que cada estimulo por si solo no es capaz de llegar al umbral para poder generar un potencial de acción. Pero al ir acercando el segundo estimulo podemos observar en la gráfica en la parte inferior que va aumentando el flujo de iones sodio y potasio por los canales voltaje dependientes y llega un punto en el cual los estímulos están lo suficientemente cerca que pueden llegar al umbral y producir el potencial de acción.
Experimento 3: Periodo refractario
Figura 3 Periodo refractario.
Periodo refractario absoluto: de 0 a 1.81 ms.
Periodo refractario relativo: de 1.82 a 3.06 ms
En la figura 3 observamos como al principio se producen los dos potenciales deacción a una distancia separada pero conforme se va disminuyendo el tiempo de inicio del segundo estimulo que es 3 ms podemos observar que solo se produjo un potencial de acción ya que se encontró el periodo refractario absoluto que es donde la membrana no responde y por lo tanto no se puede producir un segundo potencial de acción incluso si se aplicara un estímulo con mayor intensidad.
Experimento 4: Modificación de la concentración de iones extracelulares.
En este experimento se realizaron varios ensayos.
Primero se modificó la concentración de sodio extracelular aumentando la concentración y en otro disminuyéndola. 
Figura 4. Disminución en la [Na+1] Figura 4.1 Aumento en la [Na+1] 
Al disminuir la concentración extracelular del ion sodio, el gradiente de concentración para este ion disminuye y el potencial de membrana en reposo también disminuye. Debido a la disminución del gradiente de sodio, este ion contribuye menos a la despolarización de la membrana, por lo tanto la amplitud de los potenciales de acción también disminuyen.
Para el aumento de la concentración extracelular de ion sodio se observa el efecto contrario. El gradiente de concentración del ion aumenta y también el potencial de membrana en reposo. Entonces el ion puede despolarizar la membrana en mayor grado y se observan aumentos de la amplitud de los potenciales de acción conforme aumenta la concentración extracelular de sodio. 
En el segundo ensayo se modificó la concentración de potasio extracelular aumentándola y en otro ensayo disminuyéndola.
 
Figura 5. Disminución en la [K+1] Figura 5.1 Aumento en la [K+1] 
La disminución de la concentración extracelular de ion potasio aumenta su gradiente de concentración, entonces el potencial de membrana en reposo disminuye gradualmente. En este caso la hiperpolarización provocada por este ion es más negativa debido a que el aumento en el gradiente provoca mayor salida de iones potasio.
En el caso del aumento de la concentración extracelular de potasio se disminuye su gradiente de concentración, el potencial de membrana en reposo aumenta, y cuando éste alcanza el umbral, se producen potenciales de acción espontáneos. La hiperpolarización se hace más positiva porque la disminución del gradiente causa que haya menor salida de los iones potasio. 
Experimento 5: Canales dependientes de voltaje.
Figura 5 Efecto de la tetrodotoxina sobre el potencial de acción.
La tetrodotoxina bloquea los canales de sodio voltaje dependiente por tal motivo al aumentar la concentración de esta llegara un punto en el que no se produzca potencial de acción ya que no podrá llevarse a cabo la despolarización de la membrana.
Figura 5.1 Efecto del tetraetilamonio sobre el potencial de acción
El tetraetilamonio o TEA actúa inhibiendo los canales de potasio por lo tanto no habrá repolarizacion en la membrana así que siempre se mantendrá despolarizada por acción del ion sodio y gracias a esto se producirá un efecto marcapaso.
Figura 5.2 Efecto de la pronasa sobre el potencial de acción.
La pronasa es una enzima que bloquea la inactivación de los canales de Na+ dependientes de voltaje, evita la recuperación del potencial de reposo.
Por lo tanto se observa la meseta en la figura 5.2 ya que esta enzima actúa específicamente sobre la compuerta de inactivación.
CONCLUSIONES
· Al aumentar la intensidad del estímulo disminuirá el tiempo de duración de este ya que se alcanza el estímulo umbral más rápido para producir el potencial de acción.
· Se observó la suma de estímulos subumbrales generando en conjunto un potencial de acción.
· Se observó el periodo refractario donde la membrana no responde.
· Al aumentar la concentración de sodio y potasio individualmente se produce efecto marcapasos y que al disminuir su concentración de estos llega un punto en el que no se produce potencial de acción.
· La tetradotoxina bloquea los canales de sodio voltaje dependiente por lo que no se genera un potencial de acción. 
· El tetraetilamonio produce un efecto marcapaso.
· La pronasa inhibe a los canales de sodio voltaje dependientes y evita la repolarización de la membrana neuronal.
· El potencial de acción es un evento cuantal y varios factores pueden modificarlo.
BIBLIOGRAFÍA
· Arthur C. Guyton. (2011). Fisiología Medica. 12ª Edición. Editorial Elsevier. Barcelona España. Pp 57,59,62-65,68.
· Linda S. Costanzo (2014). Fisiología. 5ª Edición. Editorial Elseiver. Barcelona España. Pp 18-24
· www.es.softwaresea.com/download-HHSim-Hadgkin-Huxley-Simulador-10573122.html