Guía de seminario 3 Excitabilidad, Potencial de acción y Sinapsis.

1.- ¿Qué es el potencial electroquímico? ¿Qué tipo de fuerzas están implicadas en el establecimiento del potencial electroquímico? Analice Analice la expresión matemática que describe el potencial electroquímico identificando sus componentes y respectivos significados. Es la diferencia de iones que encontramos a cada lado de la membrana, en la que a ctúa un componente químico que es energía acumulada en el gr adiente de concentración y un componente eléctrico que energía asociada al movimiento de iones a través de la membrana.

2.- Enuncie la ecuación Nerst a partir del análisis expuesto en la pregunta N°1. ¿Qué permite predecir esta ecuación? Diferencia de potencial = RT ln [X]i/[X]e + zF (Va-Vb) 0= - RT/zF ln [X]e/[X]i Esta ecuación nos permite identificar a que potenc ial de membrana las concentraciones extra e intra celular se igualan, quedando en equilibrio. 3.- Explique qué es el potencial de r eposo y en qué células es posible encontrarlo. Al re specto, ¿Qué característica permite diferenciar una cé lula exitable de una no exitable?

Mientras una neurona no esté enviando una señal, se dice que está en "reposo". Al estar en reposo, su interior es negativo con re lación al exterior. Aunque las concentraciones de los diferentes iones tratan de balancearse a ambos lados de la membrana, no lo logran debido a que la membrana celular sólo deja pasar algunos iones a través de sus canales (canales iónicos). En el estado de reposo, los iones de potasio (K+) pueden atravesar fácilmente la membrana, mientras que para los iones de cloro (Cl-) y de sodio (Na+) es más difícil pasar. Las moléculas proteicas, cargadas negativamente (A-), en el interior de la neurona no pueden atravesar la membrana. Además de estos canales selectivos, existe una bomba que utiliza energía para sacar 3 iones de sodio por cada 2 iones de potasio que bombea al interior de la neurona. Finalmente, cuando estas fuerzas se balancean, y se mide la diferencia entre el voltaje del interior y el del exterior de la

célula, se obtiene el potencial de reposo. El potencial de la membrana en reposo de una neurona es de aproximadamente -70 mV (mV=milivoltio), es decir que e l interior de la neurona tiene 70 mV menos que el exterior. En el e stado de reposo hay relativamente más iones de sodio en el exterior de la neurona, y más iones de potasio en su interior.

4.- En la tabla siguiente se muestra la composición iónica y el potencial de membrana medido con microelectrodos del axón de la neurona gigante de calamar (considere T=17°C; R=8.31[J/molxK]; F=96500 [C/mol]).

a) Calcule el potencial de equilibrio para el potasio y el sodio.

VmNa = Vmk =

  







 Ln

  







 Ln

 = 0.055 = 55 mVolt

 = -0.074 = -74 mVolt

b) Compare el potencial de equilibrio del potasio con el potencial de membrana medido. Discuta. El que el potencial de equilibrio del potasio sea de un valor semejante al de la membrana nos indica que la permeabilidad para este ion es más alta que para la del sodio, además nos señala que el potencial de la membrana celular depende del paso de iones potasio a través de esta

c) Considerando la misma tabla, ¿qué valor tomaría el potencial de membrana registrado con microelectrodos, si la membrana es permeable sólo al sodio? El valor de equilibrio de la membrana seria más positivo, producto de que el sodio tiende a entrar tanto por carga como por concentración lo que haría que el sodio al entrar con sus cargas positivas progresivamente el potencial cambiara de negativo a positivo.

5.- Suponga dos compartimentos, A y B, separados por una membrana permeable al agua y con permeabilidad restringida a los iones. El compartimento A contiene una solución con 100mM de NaCl y 10mM de KCl, mientras que el compartimento B contiene 10mM de NaCl y 100mM de KCl. En cada una de las siguientes situaciones responda si el potencial eléc trico de B con respecto a A es positivo o negativo, y señale si e s posible calcularlo (sí o no).

Fundamente. a) La membrana es impermeable a todos los iones en solución b) La membrana posee canales que permiten sólo el paso del ión cloruro

c)

La membrana posee canales que permiten sólo el paso del ión potasio

d) La membrana posee canales que permiten e l paso de todos los iones en solución

6.- Un sistema experimental de dos electrodos permite inyectar corriente en una neurona y registrar al mismo tiempo el cambio en el potencial eléctrico que provoca la inyección de corriente. Grafique y explique cómo serían estos cambios en el potencial cuando: a) Se inyecta corriente hiperpolarizante (3 pulsos de intensidad creciente) La corriente produce el potencial mas negativo, no se observara nada en particular . El potencial solamente cambia en proporción con la magnitud de corriente aplicada. Estas respuestas no necesitan una propiedad singular de las neuronas y por lo tanto se denominan respuestas eléctricas pasivas.

b) Se inyecta corriente despolarizante (3 pulsos de intensidad creciente: uno subumbral, otro umbral y otro supraumbral)

Fenomeno mucho mas interesante al aplicar corr iente de polaridad opuesta, de modo que el potencial de membrana de la celula nerviosa se torna mas positivo que el de reposo (despolarización). Potencial umbral, se desarrolla un potencial de acción. Es importante destacar que la amplitud del potencial de acción es independiente de la magnitud de la corriente aplicada. La intensidad del estimulo esta traducida en la frecuencia de los potenciales y no en su amplitud

7.- Calcule el potencial de equilibrio del ión sodio en condiciones experimentales en que se ha removido todo el sodio extracelular en una preparación de axón de calamar ¿Por qué la remoción del sodio extracelular causa que el potencial de equilibrio de este ión se haga negativo? ¿Tiene la remoción del sodio extracelular efectos considerables en la corriente de potasio? Explique.

Una manera firme de evaluar si el Na+ transmite la corriente temprana hacia el interior, es examinar el comportamiento de esta corriente después de eliminar el Na+ externo. La eliminación del Na+ en el exterior del axón torna negativo el ENa+, si en estas condiciones se aumenta la permeabilidad al Na+, la corriente debe fluir hacia afuera a medida que el Na+ abandona la neurona, esto debido a que la gradiente electroquímica se invirtió, el resultado que se obtuvo se muestra en el gráfico a continuación. La eliminación del Na+ exterior hizo que la corriente temprana hacia el interior invirtiera su polaridad y se convirtiera en una corriente hacia el exterior con un potencial de membrana que dio origen a una corriente hacia el interior cuando había Na+ en el e xterior. Este resultado demuestra que la corriente temprana hacia el interior, medida cuando está presente el Na+ en el medio externo, debe ser consecuencia del ingreso de Na+ hacia una neurona. Se observó que la eliminación de Na+ en el exterior del experimento tiene poco efecto sobre la corriente hacia el exterior. Una vez que la neurona se mantuvo en un voltaje de membrana despolarizado. Este resultado nuevo muestra que la corriente hacia el exterior tardía se debe al flujo de unión distinta al Na+. Se demostró que esta corriente tardía hacia el exterior ex causada por el K+ que sale de la neurona. La demostración más firme de la participación de este ion es que la cantidad de eflujo desde la neurona, medida por la carga de la neurona con K+ radioactiva, se correlaciona íntimamente con la magnitud de la corriente tardía hacia el exterior.

8.- Represente gráficamente: a) La secuencia de eventos temporales que suceden en el desarrollo del potencial de acción.

1. Fase de despolarización. 2. Fase de repolarización. 3. Fase de hiperpolarización. 4. Fase de reposo.

b) Los cambios en la permeabilidad de la membrana plasmática a los iones sodio y potasio en el curso temporal del potencial de acción.

9.- Explique por qué la generación del potencial de acción representa un ciclo retroalimentación positiva. El potencial de acción comienza con un incremento rápido de la conductancia al Na+. Este aumento de la conductancia al Na+ es reflejo de la apertura de miles de canales para el Na+ como respuesta a la despolarización (por tanto, se asume que los canales del Na+ tienen una compuerta que se abre como respuesta a la despolarización). Los canales abiertos permiten la entrada de iones Na+ y el efecto de esta corriente es una mayor despolarización de la membrana . Por lo tanto podemos observar que se trata de un circuito de retroalimentación positiva, que explica la naturaleza explosiva del potencial de acción: la corriente de Na+ despolariza la membrana, y esto condiciona la apertura de más canales del Na+, lo c ual, a su vez, incrementa la corriente de Na+. En resumen, la apertura dependiente del voltaje de los canales del Na+ y la acción despolarizante de la corriente de Na+ justifican la fase ascendente del potencial de acción.

10.- Grafique lo que ocurre con un potencial de acción en las siguientes circunstancias: a) En presencia del anestésico lidocaína que bloquea los canales de sodio dependientes de potencial del axón.

**** La tetrodotoxina (TTX), también es un veneno que bloquea los canales de Na+ en forma específica, es uno de los venenos más potentes c onocidos. La TTX se liga a la vertiente ext racelular del canal del sodio.

b) En presencia de TEA (tetraetilamonio), que bloquea los canales de potasio dependientes de potencial

.El tetraetilamonio (TEA+) es un veneno que bloquea los canales del K+. TEA+ entra en el canal del K+ desde su vertiente citoplasmática, y bloquea el canal porque TEA no es capaz de atravesarlo.

11.- Explique lo que entiende por periodo refractario. Señale el momento en que ocurre el periodo refractario en el gráfico realizado en la pregunta 8. Es el periodo del potencial de acción e n el que los canales de Na+ se encuentran inactivos y los canales de K+ están activos por un breve periodo, es imposibilita a la célula a generar un nuevo potencial de acción por un tiempo determinado. Por lo que e l periodo refractario limita la cantidad de potenciales que puede producir la célula por un tiempo especifico. El periodo refractario comenzaría en D, y +55

en la letra E se encuentra el periodo

D PA G Na Gk 

E    

    V    m

refractario absoluto.

    C

0

  B A  F -75 0

1

2

3

4

ms

12.- Describa las principales diferencias entre sinapsis química y eléctrica Mecanismos de trasmicion: En la sinapsis eléctrica, las uniones en brechas entre las membranas presinaptica y postsinaptica , permiten que la corriente fluya pasivamente y de m anera más rápida. Es bidireccional En las sinapsis química, no hay continuidad intercelular y por lo tanto no hay flujo instantáneo. La respuesta se desencadena por la secreción de neurotransmisores, la cual abre o cierra canales ionicos. Lenta. Existe un espacio sináptico . Unidireccional 13.- ¿Porqué se dice que los neurotrasmisores son liberados en forma cuántica? La liberación del neurotransmisor se realiza de forma cuántica, es decir en cuantos (quanta) o paquetes, ya que cada vesícula contiene una cantidad fija de neurotransmisor y la liberación se hace por vesículas y no por moléculas de neurotransmisor. Así si una vesícula da lugar a la liberación de por ejemplo 10.000 moléculas de neurotransmisor, la exocitosis de dos o tres las liberará una cantidad de neurotransmisor doble o triple. Aunque la salida del neurotransmisor puede realizarse a veces de manera espontánea, la mayor parte de las veces se produce sólo cuando un potencial de acción alcanza el te rminal axónico. En la membrana del botón sináptico el número de canales de Ca++ dependientes de voltaje es 10 veces más alto que en otras partes de la membrana neuronal y cuando el potencial de acción despolariza esta membrana, abre estos canales y e l Ca++ difunde masivamente al interior del axon. La

concentración intracelular de Ca++ llega ser de e sta forma 1000 veces mayor en cuestión de unos pocos cientos de microsegundos. Este incremento tan fuerte y tan rápido facilita la sincronización en la liberación del neurotransmisor. La entrada de Ca++ produce la fusión y apertura de las vesículas situadas en la zona activa o compartimento disponible, y la movilización de las vesículas de un segundo compartimento de almacenamiento. A medida que entra más Ca++ en el terminal presináptico, mayor es la cantidad de vesículas sinápticas que llevan a cabo la exocitosis, y por lo tanto la cantidad de neurotransmisor vertido a la hendidura sináptica.

14.- Describa el papel del ión calcio en la liberación de neurotransmisores La liberación del neurotransmisor es calciodependiente y se realiza por exocitosis. Cuando llega un impulso nervioso a la neurona presináptica, ésta abre los canales de calcio, entrando el ion en la neurona con el consiguiente incremento de su concentración en el terminal, en alrededor de 10 nM, lo cual es suficiente para que ac túe como un señal. El blanco sobre el cual actúa esta señal no sólo se encuentra muy cercano al sitio de entrada sino que, además, reacciona muy rápidamente con este calcio. El efecto de este catión es provocar una rápida fusión de la membrana de la vesícula con la del terminal para la liberación del neurotransmisor en el espacio sináptico. El calcio además de iniciar la exocitosis, activa el traslado de las vesículas a los lugares de su liberación con la ayuda de proteínas de membrana plasmática y de la membrana vesicular. Cuando entra el calcio en la neurona, se activa una enzima

llamada calmodulina que es una proteinquinasa,  encargada de fosforilar a la sinapsina I, situada en la membrana de las vesículas y que las une a los filamentos de actina. Cuando la sinapsina I es fosforilada, las vesículas sinápticas se despegan de la actina y se movilizan hacia los sitios donde deban vaciarse.

15.- Describa brevemente el papel de las proteínas SNARE's en la liberación de neurotransmisores. En procesos de exocitosis, la liberación del neurotransmisor implica a proteínas SNARE: v-SNARE (vesicle SNARE) en la membrana de la ve sícula y t-SNARE (target SNARE) en la mem brana plasmática pre sináptica. Interacciones de tipo cremallera entre la sinaptobrevina (una v-SNARE) y la sintaxina y la SNAP-25 (dos t-SNARE) aproximan a la membrana de la vesícula y a la membrana plasmática pre sináptica antes de la fusión. Las proteínas SNARE son dianas para varias toxinas botulínicas, que trastocan la transmisión sináptica, demostrando así su función crucial en este proceso. Sin embargo, no se unen a Ca++, por lo que otra proteína debe ser el sensor de Ca++ que dispare el proceso real de fusión. Aunque varias proteínas en e l terminal se unen a calcio, el se nsor de Ca++ es la sinaptotagmina casi con certeza.

En resumen, SNARE’s participan en la transmisión de vesículas sinápticas en el proceso de exocitosis. Aquí intervienen una multitud de proteínas, entre las cuales podemos encontrar las

proteínas del complejo SNARE y hay una serie de pasos consecutivos que transportan las vesículas hasta un sitio activo.

16.- ¿Cuáles son las principales diferencias entre los potenciales post-sinápticos inhibitorios y excitatorios? Los PPSE aumentan la probabilidad de que se genere un potencial de acción en la célula post sináptica en cambio los PPSI disminuyen la posibilidad. La principal diferencia entre ambas es el potencial de reversión del potencial post sináptico en relación con e l voltaje umbral para generar potencial de acción en las células post sinápticas.

a) En los PPSE los potenciales de reversión son más positivos que el umbral b) En los PPSI el potencial de reversión es más negativo que el umbral c)

Un PPSI puede despolarizar la célula si el valor del potencial de reversión está e ntre el valor del reposo y el umbral

17.- En qué consiste el proceso de “sumación” de potenciales post-sinápticos? Las neuronas pueden tener más de una descarga, ya sean excitatorios o inhibitorios, si estas descargas son a destiempo, ninguno desencadenara un potencial de acción. Mientras que si ambos ocurren al mismo tiempo, sobre el cono axonico estos se sumaran y si sobrepasan el umbral se desatara el potencial de acción. Si o curre al mismo tiempo un potencial inhibitorio y este tiene la magnitud como para disminuir la llegada al umbral el potencial no se desencadenara.

18.- Realice un esquema de clasificación de las distintas clases de neurotransmisores existentes.

19.- Señale la diferencia entre los receptores post sinápticos ionotrópicos y metabotrópicos. Dé un ejemplo de cada uno de ellos. Dos familias amplias de proteínas receptoras abren o cierran de diferentes formas los canales iónicos postsinápticos. Los receptores de una familia, los receptores inotrópicos, están relacionados directamente con los canales iónicos. Estos receptores contienen dos dominios funcionales: un sitio extracelular que fija neurotransmisores, y un dominio de expansión de la membrana que forma un canal iónico. Así, los receptores ionotrópicos combinan tanto funciones de fijación de transmisores y de canal en una única entidad molecular, (por lo tanto también se les denomina canales iónicos con puerta de ligando   para reflejar esta concatenación). Estos

receptores son multímeros formados por lo menos por cuatro o cinco subunidades proteicas individuales, cada una de las cuales contribuye al poro del canal iónico. Ejemplos son los PPT producidos en las sinapsis neuromusculares por la ACh, los PPSE producidos en ciertas sinapsis glutamatérgicas y los PPSI producidas en sinapsis GABAérgicas. La segunda familia de receptores de neurotransmisores son los receptores metabotrópicos, denominados así porque el movimiento eventual de iones a través de un canal depende de uno o más pasos metabólicos. Estos receptores no poseen canales iónicos como parte de su estructura; en cambio, afectan a los canales por la activación de moléculas intermedias llamadas proteínas G, bién receptores acoplados a proteína G . Los receptores metabotrópicos son proteínas con un dominio extracelular que contiene un sitio de fijación del neurotransmisor y un dominio intracelular que se une a las proteínas G. La fijación de los neurotransmisores a los receptores metabotrópicos activa a las proteínas G, las cuales se disocian luego del receptor e interactúan directamente con los canales iónicos o se unen a otras proteínas efectoras, como las enzimas, que forman los mensajeros intracelulares que abren o cierran canales iónicos. Por lo tanto, las proteínas G pueden ser consideradas como transductores que acoplan la fijación del neurotransmisor con la regulación de los canales iónicos postsinápticos. Esta clase de receptores incluye receptores de glutamato, de acetilcolina, receptores de GABAB y de norepinefrina y epinefrina.