Excitabilidad celular

Fisiología Excitabilidad Celular

Gabriel Hornedo Guillén UPAEP Puebla, Puebla

Resumen de esta sesión

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-Las células excitables producen potenciales de acción, que son variaciones del potencial de membrana que están implicados en procesos fisiológicos tan importantes como el pulso cardíaco o el impulso nervioso.

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-El potencial de acción se transmite a lo largo del axón por la generación de circuitos locales de corriente (circuitos locales de Hodgkin o Hermann)

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-La transmisión del potencial de acción es aún más rápida gracias a la mielinización de los axones. Fallos en esta mielinización dan lugar a enfermedad.

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-El fallo en la función de los canales iónicos da lugar a una serie de condiciones patológicas que se engloban dentro del nombre genérico de CANALOPATÍAS.

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-En un principio las canalopatías se consideraron exclusivamente producidas por mutaciones en los genes que codificaban los canales concretos (canalopatías hereditarias). Actualmente se le han unido un nuevo grupo producidas por la generación de autoanticuerpos (canalopatías autoinmunes)

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-En esta sesión hablaremos de las canalopatías autoinmunes

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-Introducción al transporte transepitelial.

Texto

Todas las CĂŠlulas presentan un potencial elĂŠctrico

Membrana como bipolo elĂŠctrico

Membrana como bipolo elĂŠctrico

Distribuci贸n de Iones a trav茅s de la MP

Distribuci贸n de los iones a trav茅s de la membrana

Distribuci贸n de los iones a trav茅s de la membrana

Distribuci贸n de los iones a trav茅s de la membrana

Distribuci贸n de los iones a trav茅s de la membrana

Distribuci贸n de los iones a trav茅s de la membrana

Ecuaci贸n de Nernst

Potencial de Equilibrio Membrana semipermeable

Soluciones de KCl: la membrana es permeable al K+ y no al Cl-

Potencial de Equilibrio

→ La diferencia de concentración de K+ actúa como una pila: el flujo de una cantidad infinitesimal de K+ crea un potencial de membrana de -60 mV → la tendencia de cualquier ión es fluir hasta que se establezca su potencial de equilibrio → En los tejidos, Na+ y K+ no están en equilibrio electroquímico porque son transportados activamente (bombas Na+/K +, cotransportadores…)

Potencial de Membrana en Reposo • Potenciales de equilibrio (E) calculados con la ec. de Nerst para las conc. iónicas fisiológicas. Existen pequeñas diferencias entre tejidos…

Potenciales de equilibrio para las concentraciones de Na+ y K+ en las neuronas

• El K+ tiende a salir porque su potencial de equilibrio es más negativo que el de reposo.

• El Na+ está muy alejado del equilibrio • El potencial de membrana en reposo y el potencial de equilibrio del Cl- es similar: el Cl- está casi en equilibrio electro-químico • Cuanto mayor sea la diferencia entre el potencial real y el de equilibrio para un ión, mayor será la fuerza neta que tienda a desplazarlo

EK+=

ENa+= Ereposo = -70 mV

En fibras musculares

Potencial de Membrana en Reposo ¿Se puede estimar el potencial de membrana en reposo teniendo en cuenta todos los potenciales de equilibrio (Na+, K+ y Cl-) a la vez?

• A mayor permeabilidad de la MP al ión, mayor conductancia • A mayor conductancia de un ión en particular, mayor capacidad de ese ión para llevar el potencial de membrana hacia su potencial de equilibrio • La conductancia del K+ en reposo es mayor que la del Na+, y por lo tanto la influencia del K+ ejerce una mayor influencia

Potencial de Membrana en Reposo • La conductancia (permeabilidad) de la MP depende del nº de canales y de si están abiertos o cerrados • La apertura de los canales puede estar regulada por cambios de voltaje o por unión de un ligando • Cuando los canales se abren, los iones se mueven buscando su potencial de equilibrio…

• Provocando un potencial de acción: Cambio rápido del potencial de membrana que se propaga a lo largo y ancho de la célula → La capacidad de generar estos potenciales de acción depende en última instancia, de los canales

Excitabilidad Celular Células excitables: aquellas capaces de producir un potencial de acción

Texto

Provoca

la contracción

Conducción

impulso nervioso:

transmisión señales

•

Al recibir un estímulo, las células excitables “disparan” un potencial de acción

•

Tipos de estímulo: eléctrico, químico, mecánico, fotónico (luz)

Excitabilidad Celular: Potencial de Acción

Potencial de acción: cambio rápido en el potencial de membrana en respuesta a un estímulo, seguido de un retorno al potencial de reposo

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El perfil del potencial de acción difiere en función del tipo de canales voltaje-dependientes de cada célula excitable

Introducción Axón gigante de calamar: modelo experimental donde se sentaron las bases de la teoría iónica del impulso nervioso (años 50)

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Experimentos similares se han desarrollado en neuronas y fibras musculares de mamífero

Hodgkin, Huxley y el axón gigante del calamar

Loligo pelaei

Alan L. Hodgkin

Andrew F. Huxley

0.8 mm

a) Hodgkin, A. L. & Huxley, A. F. Nature 144, 710−712 (1939). b) Hodgkin, A. L. & Huxley, A. F. J. Physiol. (Lond.) 117, 500−544 (1952).

Excitabilidad Celular La aplicación de un estímulo eléctrico artificial provoca la apertura de canales de Na+ voltaje dependientes y la inversión del potencial de membrana: despolarización La variación del potencial se propaga de forma limitada: a mayor distancia desde el punto de estimulación, menor variación del potencial

Excitabilidad Celular Si el est铆mulo es de suficiente intensidad puede sobrepasar un umbral de despolarizaci贸n que dispara el potencial de acci贸n

Potencial de Acci贸n

Potencial de Acción: Etapas a. El estímulo induce la apertura de canales El estímulo la apertura de canales Na+a. . Su difusión induce al citoplasma + Na . Su difusión al citoplasma despolariza la membrana celular. despolariza la membrana celular.

b. Al alcanzarse el potencial umbral se se b. Al alcanzarse el potencial umbral abrenabren más canales Na+.Na El+.aumento enen la la más canales El aumento + despolariza entrada de Nade aúnaún más la la entrada Na+ despolariza más membrana. membrana. c. Cuando el potencial alcanza su máximo c. Cuando el potencial alcanza su máximo (valores positivos) se cierran canales (valores positivos) se cierran los los canales + Na+. Na .

La apertura decanales los canales K permite d. La d. apertura de los K+ permite la la del catión y la repolarización de la salidasalida del catión y la repolarización de la membrana membrana +

e. Tras un breve periodo de

e. Tras un breve periodo la debomba Na+/K+ hiperpolarización, +/K+ hiperpolarización, la bombadeNa restablece el potencial reposo. restablece el potencial de reposo.

Las fases del potencial de acción

Despolarización Repolarización

Pico

Umbral

Estímulo Post-hiperpolarización

Latencia

Tiempo Estimulador

Axón

Microelectrodo en el interior del axón

Las fases del potencial de acción

Las características que definen un potencial de acción (umbral, pico, curso temporal, duración) dependen de:

Pico

Umbral

Estímulo Post-hiperpolarización

Latencia

Tiempo

1. La apertura y cierre, y la permeabilidad, de tipos específicos de canales iónicos. Esto a su vez depende de Vm y del tiempo.

2. Las concentraciones intra- y extracelulares de iones que pasan a través de estos canales (Na+, K+, Ca2+ y Cl-).

•

Otras propiedades de la membrana: capacidad, resistencia, geometría de la célula.

Ejemplos de potenciales de acci贸n

W.F. Boron and E.L. Boulpaep. Medical Physiology. A Cellular and Molecular Approach. Saunders, 2003.

Características generales del potencial de acción: excitabilidad celular La excitabilidad depende de: -

Magnitud y duración del estímulo: determina si Vm traspasa o no el valor umbral. Se puede alcanzar un potencial de acción mediante un estímulo corto y potente, pero también mediante un estímulo largo y débil. Por tanto, es el producto magnitud x duración el que determina la excitabilidad. A pesar de todo, cada uno de estos valores por separado tiene un valor umbral.

-

Potencial umbral y potencial de reposo de la membrana.

-

Periodo refractario: los potenciales de acción no son sumatorios (al contrario que las respuestas graduadas). Tras el disparo de un potencial de acción, debe transcurrir un periodo de tiempo determinado antes de que pueda producirse otro (periodo refractario).

Tipos de Potenciales de Acción Potenciales en espiga: son típicos del sistema nervioso. Su duración es aproximadamente de 0.4mseg y lo denominamos impulso nervioso.

Potenciales en meseta: la membrana no se repolariza inmediatamente tras la despolarización. Es típico de las células cardíacas, donde la meseta llega a durar entre 3 y 4 décimas de segundo, produciendo la contracción del corazón durante todo este periodo.

Potenciales rítmicos: descargas repetitivas de potencial de acción sin necesidad de estímulo que generan el latido cardíaco, los movimientos peristálticos o el ritmo respiratorio.

Características generales del potencial de acción

Diferencias entre respuesta gradual y potencial de acción: 1.

Relación con el estímulo;

2.

Propiedades de sumación;

3.

Propiedades de transmisión.

W.F. Boron and E.L. Boulpaep. Medical Physiology. A Cellular and Molecular Approach. Saunders, 2003.

Características generales del potencial de acción: SUMACIÓN

W.F. Boron and E.L. Boulpaep. Medical Physiology. A Cellular and Molecular Approach. Saunders, 2003.

Caracter铆sticas generales del potencial de acci贸n: TRANSMISION

W.F. Boron and E.L. Boulpaep. Medical Physiology. A Cellular and Molecular Approach. Saunders, 2003.

Bases i贸nicas del potencial de acci贸n

El potencial de acci贸n se basa en cambios temporales en las conductancias de Na+ y K+ de la membrana plasm谩tica

R. A. Rhoades & G. A. Tanner, Eds. Medical Physiology, 2d Ed. Lippincott Williams & Wilkins, 2007

Bases Iónicas del potencial de acción

Características de las conductancias iónicas implicadas en el potencial de acción: 1. Las corrientes de Na+ y K+ son dependientes de voltaje.

2. Las rutas de permeabilidad (canales) de Na+ y K+ son independientes entre sí.

2. Las corrientes de Na+ y K+ son dependientes de tiempo: inactivación.

4. Las corrientes macroscópicas son el resultado de la apertura y cierre de canales únicos.

5. La probabilidad de apertura de los canales es dependiente de voltaje.

Intensidad (mA)

Curva intensidad/tiempo EstĂ­mulos supraumbrales

EstĂ­mulos subumbrales

Reobase

Cronaxia

Tiempo (ms)

Bases i贸nicas del potencial de acci贸n

A. Despopoulos & S. Silbernagl. Color Atlas of Physiology, 5th edition. Georg Thieme Verlag, 2003.

Propagaci贸n de los potenciales de acci贸n

A. Despopoulos & S. Silbernagl. Color Atlas of Physiology, 5th edition. Georg Thieme Verlag, 2003.

Propagaci贸n de los potenciales de acci贸n

Vaina de mielina y conducci贸n saltatoria: SNP

S.I. Fox. Human Physiology, 8th Ed. McGraw-Hill, 2003.

D.U. Silverthorn. Human Physiology, an integrated approach, 2d Ed. Prentice Hall, 2000.

Vaina de mielina y conducci贸n saltatoria: SNC

S.I. Fox. Human Physiology, 8th Ed. McGraw-Hill, 2003.

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2015685/ und_1/swf/contenido2.swf

Vaina de mielina y conducci贸n saltatoria

W.F. Boron and E.L. Boulpaep. Medical Physiology. A Cellular and Molecular Approach. Saunders, 2003.

Vaina de mielina y conducci贸n saltatoria

W.F. Boron and E.L. Boulpaep. Medical Physiology. A Cellular and Molecular Approach. Saunders, 2003.

Alteraciones de la mielina

W.F. Boron and E.L. Boulpaep. Medical Physiology. A Cellular and Molecular Approach. Saunders, 2003.

Alteraciones de la mielina

Enfermedades desmielinizantes - Esclerosis múltiple: la más común en el SNC. Enfermedad autoinmune dirigida contra la mielina o los oligodendrocitos. Origen desconocido.

- Leucoencefalopatía progresiva multifocal: común en pacientes con inmunodeficiencia, producida por una infección oportunista de la oligodendroglía por parte de papovavirus.

- Síndrome de Landry-Guillain-Barré: la más común en el SNP, producida por infiltración linfocítica de la vaina de mielina producida por células de Schwann. El SNP tiene capacidad regenerativa, por lo que este síndrome es reversible.

Alteraciones de la mielina

W.F. Boron and E.L. Boulpaep. Medical Physiology. A Cellular and Molecular Approach. Saunders, 2003.

Canalopatías

- Existen diversas enfermedades humanas hereditarias cuyo origen se encuentra en un defecto en canales iónicos dependientes de voltaje del músculo esquelético y cardiaco.

- Las mutaciones se traducen en cambios en las propiedades de excitabilidad celular.

- Ejemplos (canales de sodio y potasio, sesiones 6 y 7): - parálisis hiperpotasémica periódica - paramiotonía congénita - síndrome del QT largo

CanalopatĂ­as autoinmunes

Canalopatías autoinmunes -A lo largo de los últimos años se han descrito un gran número de canalopatías en las que el fallo en la función del canal iónico se produce por la existencia de autoanticuerpos contra el mismo.

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-Como enfermedades autoinmnes, en general pueden ser diagnosticadas por métodos sencillos en el laboratorio clínico y tienen generalmente un tratamiento "sencillo" con inmunoterapias que disminuyan la cantidad de autoanticuerpos en el paciente.

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-Para muchas de ellas existe un equivalente congénito que obviamente no responderá al tratamiento por inmunoterapia.

El cuerpo genera anticuerpos contra sus propios canales -El sistema inmune consta fundamentalmente de organos linfoides primarios (timo, médula ósea), secundarios (ganglios linfáticos, bazo), y linfocitos y células presentadoras de antígeno.

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-Las células presentadoras de antígeno, macrófagos, células dendríticas y otras portan cortas secuencias peptídicas (epítopos) derivadas de proteínas "extrañas", unidos al HLA (human leukocyte antigen) y las presentan a las células T, que inician entonces la respuesta inmune contra las células "extrañas" que portan el antígeno y comienza la formación de anticuerpos contra otros antígenos (inmunoglobulinas, primero IgM y luego IgG).

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-En algunos casos la respuesta inmune puede reaccionar de manera cruzada con proteínas del propio individuo, dando lugar a una situación en la que el cuerpo reacciona "contra sí mismo".

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-En el caso de las canalopatías inmunes, la detección de anticuerpos no es siempre sencilla ya que es necesario que el antígeno esté intacto en los sistemas de detección. Se está invirtiendo un gran esfuerzo en el desarrollo de métodos específicos que permitan la identificación de la enfermedad con seguridad.

Potenciales post-sinรกpticos excitatorios (PPSE)

S.I. Fox. Human Physiology, 8th Ed. McGraw-Hill, 2003.

D.U. Silverthorn. Human Physiology, an integrated approach, 2d Ed. Prentice Hall, 2000.

Estructura de la unión neuromuscular

Unión neuromuscular: sinapsis entre el axón de una motoneurona y una fibra de músculo esquelético

Neurotransmisi贸n en la uni贸n neuromuscular

D.U. Silverthorn. Human Physiology, an integrated approach, 2d Ed. Prentice Hall, 2000.

Miastenia Gravis -Generalmente se presenta despues de la pubertad, y también se están identificando cada vez más pacientes > 50.

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-Enfermedad crónica

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-Debilidad muscular y fatiga que suele afectar inicialmente al musculo ocular con diplopia (visión doble) y ptosis (caida de párpados). Distintos pacientes pueden presentar muy distintos patrones sintomáticos y diversos grados de severidad.

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-La debilidad muscular puede extenderse a los músculos facial, respiratorio o incluso las piernas (MG generalizada)

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-La debilidad se agrava con la actividad y mejora con reposo.

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-Tiene un tratamiento muy efectivo con inhibidores de acetilcolinesterasa

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- Aprox. un 10% de los pacientes tienen pequeños tumores en el timo asociados a la producción de IgG contra el AChR. (se tratan eliminando quirúrgicamente el timo)

La MG es una enfermedad autoinmune: evidencia experimental

Mecanismos moleculares de la MG? -Las personas sanas no presentan anticuerpos contra el AChR. Todos los pacientes de MG, sí.

-Se cree que estos anticuerpos son directamente patogénicos pero aún no está claro cómo.

-En los distintos pacientes se han identificado anticuerpos contra distintas regiones del AchR y podrían existir diferentes mecanismos de acción -Primera hipótesis: bloqueo directo del canal (experimento mostrado anteriormente) -Segunda hipótesis: el anticuerpo reduce la expresión de AchR en la membrana postsináptica de la conexión neuromuscular -Tercera hipótesis: lisis de la membrana postsináptica por activación del complemento por IgG1 e IgG3

Síndrome miasténico de Lambert-Eaton -También cursa con debilidad muscular pero a diferencia de la MG la debilidad es en el tronco y extremidades y rara vez facial, y puede mejorar con actividad en lugar de empeorar. Muchos de los pacientes tienen pequeños tumores pulmonares.

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-Experimentos en los años 70 demostraron que el fallo era presináptico y debido a una entrada reducida de calcio en la terminal (y por tanto menor liberación de Ach)

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-Las evidencias de que es una enfermedad autoinmune son similares a las de MG (transferencia de la enfermedad por transfusión de suero, los pacientes responden a terapias inmunomodulatorias)

Canales de Calcio operados por voltaje (VOCC) + +

+ +

! !

Ext.

-Varios tipos: L, T, N (P, Q, R)

Int.

+ +

+ +

La mayorĂ­a de los anticuerpos funcionales encontrados actĂşan sobre canales P/Q y existen mecanismos compensatorios http://medweb.bham.ac.uk/research/calcium/Homeostasis/VOCC.html

Neuromiotonía adquirida -Caracterizada por calambres, rigidez muscular, relajación retardada del músculo, sudoración excesiva.

- Mayoritariamente afecta a músculos de tronco y piernas.

-Presentan una hiperexcitabilidad que procede de la neurona motora y no del músculo -En experimentos con ratones la condición se suaviza con tratamiento con bloqueantes de canales Kv. -Se han identificado gran variedad de anticuerpos en distintos pacientes contra varias clases de Kv. -El mecanismo de acción es aun desconocido.

Transporte transepitelial

A, Estructura funcional de las células epiteliales B, Transporte vectorial de solutos y fluidos C, Flujos de reabsorción y secreción: papel fisiológico; mecanismos; modelos de transporte en condiciones fisiológicas D, Movimiento de agua E, Regulación del transporte transepitelial de iones F, Alteraciones

Estructura funcional de las cĂŠlulas epiteliales

1.- uniones hermĂŠticas (zonula ocludens, tight junctions)

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2.- uniones de adhesiĂłn (zonula adherens)

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3.- desmosomas (macula adherens)

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4.- tonofilamentos de los desmosomas

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5.- microvellosidad

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6.- citoesqueleto de la microvellosidad

Reabsorci贸n de NaCl y excreci贸n de K+ Espacio intersticial

Lumen

Reabsorci贸n de glucosa

2K+ 3Na+

3Na+ glucosa

2K+ 2K+

3Na+ glucosa

3Cl-

Espacio intersticial

Lumen

2K+

2K+ 3Na+

Espacio intersticial

Lumen

Secreci贸n de NaCl

3Cl-

3Na+ 6Cl-

5K+ 3K+ 3Na+ 6Cl6Na+

Transporte epitelial transcelular y paracelular

Espacio intersticial

Lumen K+ 2K+ Na+

Cl-

3Na+

Reabsorci贸n de Na+ en el t煤bulo proximal Espacio intersticial

Lumen

-

Na+

+

K+

glucosa Na+ H+

2K+ H+

NaCl

HCO3H 2O

3Na+ Na+

H 2O anhidrasa carb贸nica

Na,K-ATPasa

Cotransportador de Na + y glucosa (SGLT2)

Intercambiador Na+ y H+ (NHE-3)

Facilitador de glucosa (GLUT2)

Cotransportador de Na+ y bicarbonato (NBC)

Canal de K+ (K+-ATP )

Transporte de NaCl en la rama ascendente del asa de Henle Espacio intersticial

Lumen

+

K+ Na+ K+ 2ClH+

-

ClK+ 2K+

H+

Na+

HCO3 H 2O

-

3Na+ Cl-

Na+

anhidrasa carb贸nica

Na,K-ATPasa

Cotransportador de Na +, K+ y Cl- (NKCC2)

Intercambiador Na+ y H+ (NHE-3)

Canal de K+ (ROMK2)

Cotransportador de Cl- y bicarbonato (NBC)

Canal de Cl- (CLC-K + Barttin)

Transporte de NaCl en el tĂşbulo contorneado distal Espacio intersticial

Lumen

-

+ Na+ 2Cl-

Cl2K+ 3Na+

Cotransportador de Na + y Cl- (NCC) Canal de Cl- (CLC-Kd)

Na,K-ATPasa

Reabsorción de Na+ en células principales del túbulo distal

Alvarez de la Rosa et al.

J Physiol 551:455-466, 2003.

+

-

Espacio intersticial

Lumen K+

K+ 2K+ Na+

Canal Epitelial de Na+ (ENaC)

Amiloride Cl-

3Na+

Reabsorci贸n de agua: t煤bulo proximal La reabsorci贸n de agua es un proceso pasivo y secundario al transporte de solutos.

En el t煤bulo proximal el movimiento de agua es tanto paracelular como transcelular. Alta densidad de acuaporina-1 en las membranas apical y basolateral.

Espacio intersticial

Lumen Na+

glucosa Na+

H 2O

+

K+

H+ NaCl H2O

2K+ H+ HCO3

H2O

3Na+ Peter Agre

Na+

Transporte de K+ en el túbulo distal

Espacio intersticial

Lumen K+ 2K+ Na+ Amiloride Cl-

Renal outer medulla K+ channel (ROMK): mediador más probable de la secreción de K+

3Na+