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RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. CÉLULAS Y TEJIDOS EXCITABLES: 1. NEURONA 2. FIBRAS MUSCULARES 3. CÉLULAS GLANDULARES Los organismos multicelulares precisan de la comunicación entre sus células, lo que sucede mediante mecanismos rápidos y lentos. Los biopotenciales son mecanismos rápidos de la comunicación celular. FUNCIONES GENERALES DEL SIST NERVIOSO Sistema Integrador más importante relaciona todos los sistemas regulando su funcionamiento coordinado. Relación con el medio externo permitiendo adaptaciones funcionales rápidas y apropiadas a los cambios del medio. Mantiene la homeostasia. PROPIEDADES DE LAS NEURONAS: Irritabilidad: propiedad de responder con una modificación energética ante un estímulo (equivalente eléctrico PMR). Excitabilidad y conductibilidad: Propiedad de responder con una “onda de excitación” y conducirla a distancia (manifestación eléctrica PA). La existencia de biopotenciales es una característica de la materia viva. BIOPOTENCIALES: Son cambios de voltaje que se generan en las células de los organismos vivos. TIPOS DE BIOPOTENCIALES: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO (P.M.R) PROPAGADOS: POTENCIAL DE ACCIÓN (P.A) En todas las células vivas existe una diferencia de potencial entre el interior y el exterior de la membrana, o sea existe un potencial de membrana. Si estamos registrando la actividad de una célula viva y esta diferencia de potencial desaparece es muy probable que la célula haya muerto. Si lo que estamos analizando es una célula cerebral en un paciente, se puede diagnosticar muerte cerebral. En el tejido nervioso y muscular, ocurren variaciones en que puede incrementarse el valor del potencial o puede disminuir. Los biopotenciales pueden ser: Locales o no propagadas como en los receptores sensoriales que recepcionan y transducen los estímulos del medio interno y externo, además en las sinapsis Las neuronas son células especializadas en la excitabilidad, y en la conductibilidad. RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. nerviosas y musculares que permiten la transmisión de impulsos de una célula nerviosa a otra célula nerviosa o muscular o glandular. También pueden ser propagadas como sucede con el potencial de acción que constituye el símbolo del lenguaje utilizado por los tejidos excitables en su comunicación a distancia con los demás sistemas del organismo. IMPORTANCIA DE LOS BIOPOTENCIALES: 1. Procesos fisiológicos como el aprendizaje, la memoria, el pensamiento y los actos reflejos. 2. Control del sistema nervioso sobre otros sistemas del organismo como el cardiovascular, respiratorio y digestivo. 3. En medios diagnósticos como el EEG, EKG y EMG, y otros. 4. Enfermedades del sistema nervioso: Epilepsia, Parkinson, Alzheimer, Enfermedades desmielinizantes, Autismo, Esquizofrenia. En los seres pluricelulares las señales eléctricas locales y propagados informan de sucesos relevantes imprescindibles en la adaptación a un medio tan dinámico en el que subsistimos. Procesos fisiológicos como la memoria y el aprendizaje, los actos reflejos, el pensamiento, el lenguaje y la visión no serían factibles sin estas señales eléctricas locales y propagadas. El control que ejerce el sistema nervioso sobre el aparato cardiocirculatorio, respiratorio y digestivo, requiere de señales eléctricas locales originadas en receptores sensoriales, de corrientes de acción propagadas todo o nada y de señales locales excitatorias e inhibitorias en las múltiples sinapsis que conforman los arcos reflejos de estas vías reguladoras. El PMR siempre es negativo. Cada tipo de célula tiene un PMR particular oscilando entre los -20 y -100 mV Si se coloca un micro electrodo en la superficie de una célula en reposo y otro micro electrodo en su interior y conectamos los electrodos a un instrumento (osciloscopio) adecuado para el registro de potenciales de poca intensidad, se puede observar que en el momento de la penetración se registra una diferencia de voltaje entre el interior y el exterior de la membrana. El registro obtenido es el de una diferencia de potencial de membrana entre interior y exterior que se conoce como POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO. Este potencial en reposo muestra que la membrana es negativa en su parte interior y positiva en el exterior (polaridad de la membrana en reposo) y es estable pero puede variar si se modifican las condiciones del medio celular. El potencial de membrana en reposo es el equivalente eléctrico de esta propiedad que se conoce como irritabilidad. En todas las células animales existe una diferencia entre las superficies interna y externa de la membrana, o sea, existe un potencial de membrana en reposo. La magnitud de esta diferencia de voltaje transmembrana depende de la célula que se trate, por ejemplo, eritrocito –25 mv, neurona –70mv, fibra nerviosa y muscular -90mv, etc, pero lo común a todas es que el interior de la membrana es negativo con relación a su exterior. El signo negativo es expresado en los valores del voltaje, RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. es el resultado del acuerdo internacional de los investigadores de referir la carga del interior en relación con el exterior de la membrana celular, se utiliza para indicar el valor relativo del interior respecto al exterior y que por tanto hay mayor diferencia a –90mv que a –80mv. FACTORES QUE GENERAN Y MANTIENEN EL PMR. 1. Diferencia de permeabilidad iónica al sodio y al potasio de la membrana en reposo. Fuga de K+. 2. Presencia de aniones no difusibles en el interior celular. 3. Bomba metabólica sodio/potasio. RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. Las membranas celulares son permeables a unas sustancias y a otras no, lo que depende de las características físico-químicas de las sustancias y de las características estructurales, propiedades fisicoquímicas y biológicas de cada membrana. La permeabilidad de las membranas celulares es selectiva, una sustancia atravesará o no la membrana según la correspondencia entre las propiedades fisicoquímicas y biológicas de las sustancias y de las membranas. Algunas de estas formas de permeabilidad dependen exclusivamente de fuerzas físicas (difusión, gradientes eléctricos); otras requieren la acción de sistemas transportadores (moléculas transportadoras, sistemas enzimáticos) y el acoplamiento de estos sistemas a fuentes de energía potencial química; y otras dependen de movimientos y cambios en la propia membrana. Hay proteínas en la membrana que trabajan contra gradiente de concentración utilizando energía, mecanismo de transporte activo, Así se bombea iones sodio hacia el exterior a través de la membrana celular y al mismo tiempo se bombea iones potasio desde el exterior hacia el interior. El resultado de la actividad de la bomba es salida de 3 iones Na+ y entrada de 2 iones de K+. Esta bomba está presente en todas las células del organismo y favorece mantener las diferencias de concentración de sodio y potasio a través de la membrana celular, así como favorecer un potencial eléctrico negativo en el interior de las células. La importancia de este mecanismo se interpreta fácilmente de no existir la bomba de Na+ y K+, la vida celular sería imposible. La bomba utiliza en su actividad de bombeo el 95% de la energía del organismo humano. El potencial de membrana de las células surge como resultado de la fuga de los iones de potasio hacia el exterior celular que a su vez provoca una tendencia al movimiento de los iones del interior celular. Pero precisamente los aniones más abundantes del interior de las células son los aniones no difusibles que se “pegan” a la membrana en su cara interna generando una densidad de carga negativa en ese ladoy atraen cargas positivas que se “pegan” al lado externo de la membrana. Así, se va creando un campo eléctrico positivo fuera y negativo dentro de la membrana. La difusión de cationes K+ se mantendrá hasta que la atracción de las cargas negativas del interior y la repulsión de las positivas del exterior sea equivalente a la fuerza del gradiente de concentración que tiende a llevarlo a difundir hacia fuera, alcanzando entonces el equilibrio electroquímico. Es necesario tener en cuenta otro factor en la génesis y el mantenimiento del PMR, la bomba de sodio/potasio. De no existir el transporte activo de estos iones, que mantienen las concentraciones estables en el tiempo, con gasto de energía celular, el potencial de membrana iría despolarizándose paulatinamente, es decir, perdiendo polaridad, porque aumentaría progresivamente la concentración intracelular de sodio y disminuiría la de potasio. Además la entrada de iones de sodio a la célula arrastraría cloruro, lo cual induciría un equilibrio osmótico con desplazamiento de agua hacia el interior celular y el sistema “rodaría” a un estado de equilibrio que sólo se alcanzaría con la lisis celular y la mezcla de los líquidos intra y extracelular. Es por ello que el transporte activo de iones de sodio y potasio, además de mantener estable el PMR, también garantiza el equilibrio osmótico celular. RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. En tal caso la bomba no sólo contribuye con el mantenimiento de las concentraciones de estos iones de forma estable en el tiempo, sino que genera una corriente positiva netamente hacia el exterior celular. A este tipo de bomba se la conoce como “bomba electrogénica”, porque genera, al menos parcialmente, el PMR. CARACTERÍSTICAS DEL P.M.R: 1. La polaridad de la membrana es negativa en el interior y positiva en el exterior. 2. Es estable, no varía en el tiempo (con medio estable). 3. Su base iónica está determinada por la fuga de K+ al exterior, la presencia de aniones no difusibles en el interior y la actividad de la bomba sodio/potasio. MODIFICACIONES DEL P.M.R *La despolarización se produce por la entrada de Na+ al interior de la célula por aumento del Na extracelular *La hiperpolarización se produce por salida del K+ al exterior celular POTENCIAL DE ACCIÓN: Es una variación del PMR. En condiciones fisiológicas los PA se generan a partir de Potenciales locales (PR, PPS, PPM). RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. La célula permanece en reposo mientras no sea estimulada. Se entiende como estímulo cualquier cambio energético que actúe sobre la misma. Los estímulos pueden ser de distinta naturaleza: mecánicos, químicos, electromagnéticos, eléctricos. Como las mayores posibilidades de modular las características del estímulo se dan con el eléctrico y su naturaleza es la misma de los potenciales bioeléctricos, se usarán siempre en las descripciones estímulos de este tipo. Al valor del potencial de membrana al cual se desencadena el PA se le denomina valor umbral, umbral de excitabilidad o potencial umbral. A los estímulos que despolarizan la membrana hasta valores del potencial inferiores al umbral, se les denomina estímulos subumbrales; los que la despolarizan justamente hasta el valor umbral, estímulos umbrales y los que tienen intensidades mayores que los umbrales, estímulos supraumbrales aunque la respuesta ante este tipo de estímulo será la misma que ante el umbral, es decir el PA . Si aplicamos un estímulo umbral a la membrana de un axón se van a producir cambios en la permeabilidad a los iones, lo que se va a manifestar como una disminución progresiva del PMR que una vez alcanzado el valor umbral de excitabilidad de la membrana, continuará disminuyendo aunque se suprima la acción del estímulo, y llegará a hacerse positivo y regresar en un tiempo muy breve al valor del potencial de reposo. Este fenómeno de inversión del potencial de RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. membrana y regresión rápida y espontánea al valor de reposo, es lo que constituye un potencial de acción. Las fases sucesivas del PA observadas son las siguientes: Fase de despolarización: En esta fase la membrana se vuelve súbitamente permeable a los iones sodio, lo que permite el flujo hacia el interior de la membrana de enormes cantidades de sodio cargados positivamente. Se pierde el estado polarizado (-90mv) normal de la membrana y el potencial disminuye rápidamente hasta el nivel de potencial nulo (cero) y a continuación se hace positivo (potencial de espiga). Inmediatamente la fase de despolarización termina bruscamente y se inicia la fase siguiente. Fase de repolarización: Unas diezmilésimas de segundo después de que la membrana se haga muy permeable a los iones sodio, los canales de sodio se cierran y los canales de potasio se abren más de lo habitual. Entonces una rápida difusión de iones de potasio hacia el exterior restablece el potencial de reposo negativo normal de la membrana. El factor imprescindible para la despolarización y repolarización de la membrana del nervio y el músculo durante el PA son los canales con puerta de voltaje o voltaje-dependientes para los iones de sodio y potasio observados en la figura. Las bases iónicas que explican la generación del PA pueden resumirse como: una vez alcanzado el nivel umbral, se abren súbitamente canales rápidos de sodio dependientes de voltaje a través de los cuales penetran rápidamente cationes Na+ siguiendo su gradiente electroquímico hasta alcanzar la despolarización y químico después, tendiendo a alcanzar el equilibrio electroquímico, con lo cual se invierte el potencial de membrana. Una vez invertido el potencial, los canales rápidos de Na+ se cierran tan rápido como se abrieron y se abren canales de potasio voltaje dependientes a través de los cuales salen rápidamente cationes K+ siguiendo primero el gradiente electroquímico y luego químico, con lo que se repolariza la membrana. Cuando se ha iniciado un PA, éste se transmitirá rápidamente a lo largo de todo el axón. ¿Cómo ocurre?. En reposo el PMR es de alrededor de -70 mv, mientras que en la espiga del PA, es positivo, alrededor de +50 mv. Por consiguiente cuando un PA empieza a propagarse a lo largo de un axón, la zona activa y la membrana en reposo tendrán potenciales diferentes y una pequeña corriente eléctrica fluirá entre ambas. Esto crea un circuito local que conecta la zona activa con la membrana en reposo vecina, que acto seguido, se despolariza. Esto provoca la apertura de canales de sodio y cuando está abierto un número suficiente de canales el PA invade esta parte de la membrana. Esto a su vez propaga la información a lo largo del axón, donde se repite el proceso hasta que el PA ha recorrido todo el axón. En el sistema nervioso intacto, un PA se propaga desde su punto de origen en una sola dirección a lo largo del axón. ¿Cuál es la razón de que ocurra esto? ¿Qué impide la propagación retrógrada del PA? Cuando un PA ha invadido una parte de la membrana y se ha desplazado por ella, deja los canales de sodio en un estado inactivado, de manera que no pueden ser activados hasta que han alcanzado su RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. estado cerrado, cuando la membrana ha alcanzado su estado de reposo. El tiempo requerido para esta transición es el período refractario absoluto, durante el cual la membrana no pude tolerar otro PA. En el momento en que los canales de sodio se encuentran en estado cerrado, la despolarización máxima ha atravesado todo el axón y ya no es capaz de despolarizar las regiones a través de las que ha pasado. El mecanismo preciso por el cual se propaga un PA a lo largo del axón depende de si la fibra es mielínicao amielínica. En las fibras amielínicas, la membrana se encuentra en contacto eléctrico directo en toda su longitud con el LEC. Dado que cada región de la membrana es despolarizada por el PA, la corriente se propaga hasta la zona inmediatamente adyacente y la despolariza. Esto garantiza que el PA se propague a lo largo del axón en una onda continua. En las fibras mielínicas la membrana está aislada del LEC por capas de mielina, excepto en los nodos de Ranvier, donde la membrana axónica está en contacto con el LEC. En este caso, un PA en un nodo de Ranvier, completa su circuito local a través del siguiente nodo. Esto permite que un PA salte de un nodo al siguiente, un proceso llamado conducción saltatoria. Esta adaptación permite aumentar la velocidad a la que se propaga el PA, de modo que , independientemente del tamaño, los nervios mielínicos se caracterizan por presentar una velocidad de conducción, mucho mayor que en las fibras amielínicas. LEY DEL TODO O NADA (EL P.A CUMPLE ESTA LEY) Un PA se produce (estímulo umbral o supraumbral) o no se produce (subumbral) y si ocurre, será siempre con las mismas características independientemente del estímulo aplicado y se propaga a lo largo de la fibra, sin modificarse en su propagación. CARACTERÍSTICAS DEL P.A: 1. Cumple con la “ley del todo o nada”. 2. La polaridad de la membrana es positiva en el interior y negativa en el exterior. 3. No es estable, varía en el tiempo con dos fases: despolarización y repolarización. 4. Se propaga a lo largo de toda la fibra a partir del punto donde se origina. 5. No se suman, ni espacial ni temporalmente, porque deja períodos refractarios. RECEPTORES SENSORIALES: Una terminación nerviosa (PG) o células especializadas (PR) capaces de transformar la energía específica de los estímulos en Biopotenciales (Transducción). Una vez que el estímulo actúa sobre el receptor provoca, de diferentes maneras, cambios en la permeabilidad de la membrana que dan lugar a variaciones de flujo iónico y cambios en el potencial de membrana (Potencial Generador o de Receptor). Generalmente estos cambios son una despolarización. RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. Si la despolarización alcanza el umbral de descarga de PA, entonces se genera un PA que se propagará a lo largo de la vía. Receptores = Transductores Sistemas capaces de transformar un tipo de energía en otra por cambios de flujo electrolítico, en especial del Na+ y K+ y Cl- (electroquímica). Potencial Receptor (PR) y Potencial Generador (PG). CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS RECEPTORES POTENCIAL GENERADOR Y POTENCIAL RECEPTOR Son cambios del PMR por la acción de un estímulo en el receptor que produce aumento de la permeabilidad de la membrana a todos los iones (Na+,Cl-,K+), se genera el PR pudiendo llegar al PA. Su magnitud depende de la intensidad del estímulo. Características del PR. 1. Son graduados, se suman espacial y temporalmente, no tienen período refractario, NO cumplen la ¨ley del todo o nada¨. 2. Durante su generación no se invierte la polaridad de la membrana. 3. Su base iónica es el aumento de la permeabilidad de membrana para (Na+, K+ y Cl-). SECUENCIA DE EVENTOS EN LOS RECEPTORES PRIMARIOS (CORPÚSCULO DE PACCINI) 1- Deformación mecánica de la membrana receptora (zona de descarga). 2- Alteración en la conformación de la proteína de membrana con apertura de canal inespecífico. RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. 3- Aumento indiscriminado de la conductancia a los iones (Na+, K+ y Cl-). 4- Corrientes iónicas del Na+ y Cl- hacia adentro y del K+ hacia fuera. 5- Generación de potencial receptor (PR), sumación y generación de PA PROPIEDADES DE LOS RECEPTORES: 1- La propiedad de Filtro viene dada en que aunque sobre un mismo receptor actúen varios tipos de estímulos (formas de energías), el responde mejor solo a uno de ellos (el estímulo adecuado). A eso se llama especificidad del receptor. RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. 2- La transductora se debe a la capacidad de transformar ese tipo específico de energía en energía electroquímica (biopotencial local de receptor). 3- La Codificadora, al hecho de que el receptor es capaz de generar un determinado patrón de respuesta (descarga de Potencial de acción) en dependencia de la intensidad, duración y características del estímulo. CODIFICACIÓN: Son los fenómenos que permiten ser diferenciados en espacio y tiempo brindando información diferencial al SNC. TIPOS DE CODIFICACIÓN Discriminación Espacial: Permite localizar el estímulo. Discriminación de Intensidad: Sumación espacial y temporal. Discriminación de Frecuencia: Adaptación de los receptores BASES FISIOLÓGICAS DEL PROCESO DE TRANSDUCCIÓN SENSORIAL Espacial: Campo receptivo y Código de líneas marcadas para cada punto de la piel tocado, existe un punto cortical que descarga a mayor frecuencia, ese punto involucra un número diverso de neuronas corticales según su intensidad, que garantiza gran discriminación de intensidades, conservando un máximo de descarga en el punto de corteza que denota la localización exacta del estímulo. De intensidad: Ley de la correlación de intensidades Capacidad de poder determinar cuan intenso es un estímulo. Esta propiedad se debe al hecho de que al aumentar la intensidad del estímulo, por ser los potenciales de receptores respuestas QUE SE SUMAN, su amplitud aumenta y con ello aumenta también la descarga de PA en la fibra nerviosa, por lo que se interpreta una mayor intensidad de estimulación. La Ley de la Correlación de intensidades hace referencia a esta correspondencia de intensidades estímulo-potencial generador-potencial de acción. A mayor intensidad de un estímulo, mayor es la amplitud del potencial generador y en consecuencia mayor será la frecuencia de descarga de PA. (Sumación temporal) A mayor intensidad de un estímulo, mayor número de receptores responden y por tanto, un mayor número de fibras nerviosas descargan sus PA. (Sumación espacial) De frecuencia: Capacidad adaptativa de los receptores Permite detectar cuan rápido ocurre un estímulo en el tiempo o el tiempo que dura una estimulación. Se debe a las diferentes respuestas que presentan los receptores. En dependencia de esto se describen dos tipos de receptores: los Fásicos que responden solo al inicio del estímulo y se adaptan a este rápidamente, por eso se les llama receptores de Adaptación Rápida; y los Tónicos que responden mientras se mantiene actuando el estímulo. Estos receptores se llaman también de Adaptación Lenta. RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. Los PA se propagan hasta alcanzar el extremo de la fibra nerviosa, donde por transmisión química o eléctrica en la sinapsis (punto de contacto de una célula nerviosa con otra), saltan de una célula a otra. La función del SN no es posible con la actividad aislada de sus células funcionales (neuronas), requiere de la organización e interacción que estas establecen entre ellas y otras (sinapsis). SINAPSIS: Las sinapsis son los puntos de interacción entre dos células excitables (entre neuronas y entre neuronas y efectores). Estas garantizan la continuidad de la información a lo largo del SN, rigen la dirección de la información , regulan y participan en la elaboración de la información (respuesta). CLASIFICACIÓN GENERAL DE LA SINAPSIS: 1. Por el número de células que participan: Mono y polisinápticas. 2. Por la forma en que se produce la transmisión: Eléctrica y química. 3. Según los efectos sobre la excitabilidad: Excitatorias e inhibitorias. 4. Según los elementos de la neurona que participan: Axosomática, axoaxónica y axodendrítica.5. De acuerdo al tipo de célula: Neuroneuronal, nglandular y nmuscular. 4. Según la ubicación: Centrales, ganglionares y periféricas. RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. Los canales de voltaje de Ca en la membrana presináptica con la llegada de un PA se abren y permiten la entrada de Ca al interior de la célula y la ruptura de las vesículas sinápticas y la salida del neurotrasmisor que se unirá a los receptores de los canales con ligando de la membrana postsinaptica y permitirán el paso de iones que modificará el potencial o voltaje de la membrana MECANISMO GENERAL DE LA SINAPSIS QUÍMICA SUMACIÓN DE POTENCIALES POST SINÁPTICOS SUMACIÓN ESPACIAL: Sumación de PPS de diferentes sinapsis. Estas son excitatorias o inhibitorias. Prevalecerá uno de los dos efectos. SUMACIÓN TEMPORAL: Sumación de los PPS dentro de una misma sinapsis RANDY MEJÍAS G. FISIOLOGÍA: BIOPOTENCIALES, RECEPTORES Y SINAPSIS. PAPEL INTEGRADOR DEL CONO AXÓNICO CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSMISIÓN SINAPTICA: 1. Conducción unidireccional. 2. Retraso sináptico. 3. Fatiga sináptica. 4. Se modifica la excitabilidad por: - Acidosis , Alcalosis , Hipoxia - Efecto de fármacos: Cafeína Teofilina Estricnina Anestésicos
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