K - Web del Profesor

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE CIENCIAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
MERIDA – EDO. MERIDA
BIOFÍSICA Y BIOQUÍMICA DE LA SINAPSIS COLINERGICAS NICOTINICAS
EN LAS TRANSMISIONES NERVIOSAS.
BACHILLER:
PAREDES JOSE LEONARDO.
C.I: 16638801
MERIDA, 06- 01- 04.
OBJETIVOS.
GENERAL: Profundizar en el conocimiento de los fundamentos físicos,
químicos y biológicos en los procesos de transmisiones nerviosas
ocasionadas por la sinapsis neural.
ESPECIFICOS:
ƒ Conocimiento anatómico de las sinapsis colinergicas nicotinicas como
unidades del sistema nervioso.
ƒ
Conocimiento de la importancia funcional del sistema nervioso, así como
de los aspectos químicos y biológicos que la definen.
ƒ
Estudio de las características y funciones de las membranas biológicas
en la propagación de impulsos nerviosos como proceso de movimiento
iónico.
ƒ
Conocimiento de los eventos eléctricos que se llevan a cabo en las
membranas neurales.
ƒ
Formulación de la ecuación de Nernst- Huxley para el cálculo del
potencial eléctrico en membranas biológicas.
DESARROLLO.
Las sinapsis colinérgicas nicotínicas son unidades morfológico- funcionales que
permiten la comunicación interneural, se caracteriza por ser de tipo exitatorio y
provocar respuestas rápidas. Estas sinapsis están presentes tanto en el
sistema nervioso central como en el periférico, y están relacionadas con los
procesos de regulación de las secreciones hormonales y el control voluntario
de los movimientos musculares.
Los elementos constituyentes de una sinapsis colinérgica nicotínica son: un
terminal pre- sináptico, la hendidura sináptica y un terminal post- sináptico.
Dentro del terminal pre- sináptico se encuentran las vesículas que contienen el
neurotransmisor (acetilcolina), un conjunto de canales iónicos y otras proteínas
que permiten el acoplamiento funcional necesario para la liberación del
transmisor cuando este terminal es estimulado. La hendidura sináptica consiste
en el pequeño espacio que separa las membranas pre y post- sinápticas; allí es
liberado el neurotransmisor (aceticolina) para que difunda e interactúe con su
receptor especifico.
En el terminal post- sináptico es donde se ubican los receptores para el
neurotransmisor; su estimulación provoca la apertura de un canal que permite
la entrada abrupta de iones sodio, lo que causa la despolarización de la
membrana neural y genera el potencial de acción (impulso nervioso) que se
propagará por toda la célula y será capaz de inducir la transmisión nerviosa a
otra neurona vecinal.
Luego del cese de la interacción acetilcolina- receptor, el transmisor es
degradado (inactivado) y sus catabolitos (productos de degradación) son
recaptados por el terminal pre- sináptico para la síntesis de nuevas moléculas
de aceticolina .
IMPORTANCIA DEL SISTEMA NERVIOSO.
El sistema nervioso es el ente regulador más importante en los metazoarios
(animales multicelulares) y en los cordados (animales con notocordio), presenta
una clara división en un componente central y periférico que se diferencian
tanto morfológica como funcionalmente. Las células más comúnmente
encontradas en el sistema nervioso son las neuronas, que como fue
mencionado anteriormente son las encargadas de la generación, propagación y
transmisión del impulso nervioso.
La morfología típica de estas células consisten en un cuerpo o soma donde se
encuentra el núcleo y la mayoría de los organelos celulares; numerosas
prolongaciones pequeñas (las dendritas) y una única prolongación no
ramificada denominada axón. Este está envuelto por una vaina lipídica
(mielina) que actúa como un aislante eléctrico haciendo más efectiva y rápida
la conducción del impulso nervioso.
Desde el punto de vista funcional uno de los aspectos mas importantes del
sistema nervioso es la comunicación interneural, la cual se lleva a cabo a
través de la sinápsis. En éstas ocurren numerosos procesos bioquímicos y
biofísicos, muchos de los cuales son comunes a todas, pero siempre existen
particularidades que permiten distinguir una sinápsis de la otra.
Un conjunto de neuronal que utilizan el mismo neurotransmisor en sus sinápsis
se considera como un sistema. Uno de los sistemas neurales más estudiados
es el colinérgico nicotínico (el cual usa acetilcolina como neurotransmisor)
Las sinapsis pueden clasificarse mediante criterios morfológicos o fisiológicos.
En la sinapsis eléctrica la comunicación interneural se realiza mediante el flujo
de iones (Na+ y Ca+ principalmente) desde el terminal pre-sináptico al postsináptico. Este flujo se efectúa a través de canales que comunican los
terminales nerviosos, Las sinapsis eléctricas son siempre de tipo exitatorio. Se
dice que una sinapsis es exitatoria cuando su estimulación provoca la
despolarización de la membrana post- sináptica, y es inhibidora cuando su
estimulación induce la hiperpolarización del terminal post- sináptico. Mas
adelante se explicará qué es el potencial de membrana en reposo y los
fenómenos de despolarización e hiperpolarización, por ahora, basta con
entender que una respuesta exitatoria promueve la propagación del impulso
nervioso mientras que las inhibitorias la previenen o atenúan. Estos efectos son
ocasionados por la liberación en el terminal pre de un neurotransmisor,
compuesto químico que entra en interacción con receptores específicos
(proteínas de membrana) ubicada en ella.
Los receptores para neurotransmisores pueden ser metabotrópicos, si su
estimulación induce cambios en las concentraciones de ciertos metabolitos o
ionotrópicos, si su estimulación promueve cambios en las concentraciones de
ciertos iones (como es el caso que se trata). Todos los receptores
metabotrópicos que se conocen están acoplados a proteínas G (transductores
biológicos), mientras que los ionotrópicos son canales iónicos con compuertas
de ligando (canales que se abren cuando se une el transmisor).
Como quiere que sea la comunicación interneural y la propagación de los
impulsos nerviosos, son procesos asociados a membranas biológicas.
LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS.
Son estructuras laminares constituidas por una doble capa lipídica (fosfolípidos
principalmente) a la cuál está asociadas numerosas proteínas, algunas de ellas
están embebidas en la matriz lipídica, otras en cambio, se ubican en la periferia
da la bicapa y se unen de manera laxa a la membrana. Tanto por su naturaleza
química como por su organización topológica, las membranas constituyen
barreras semipermeables en torno a los cuales se pueden distribuir
asimétricamente determinados solutos (sobre todo iones y compuestos
polares) de hecho, los movimientos iónicos que ocurren en ellas, se producen
principalmente a través de proteínas específicas llamadas transportadoras.
Los iones más importantes en el funcionamiento neural son Na+, K+, Ca+, y Cl-,
las concentraciones intra y extracelulares de cada uno de ellos son
considerablemente diferentes.
[Intracelular] (mM) [Extracelular] (mM)
14
145
Na
+
140
4
K
0.0002
2
Ca+
7
110
Cl+
Una de las propiedades fundamentales de las células nerviosas es la
capacidad de generar potenciales de acción. Estos consisten en un cambio
rápido y transitorio del potencial de membrana, el cual se propaga por toda la
célula con la misma forma y tamaño. Los conocimientos actuales sobre los
mecanismos de generación y propagación del potencial de acción, se deben en
gran medida a los trabajos realizados desde 1989 hasta 1999 por el bioquímico
Nernst Bernstein y Huxley Katz, este ultimo físico egresado de la Universidad
de Rockefeller de New York, quienes en 1999 plantearon la ecuación que
define dicho fenómeno.
Como se señaló, la mayoría de las células animales mantienen una diferencia
de potencial a través de sus membranas entre el compartimiento intra y
extracelular, que se conoce como POTENCIAL DE MEMBRANA.
Los mecanismos posibles de generación de dicho potencial involucran los
gradientes iónicos y las diferencias de permeabilidad como factores más
importantes. Si se introduce un micro electrodo (diámetro aproximado a 0.5µm
) dejando otro en el medio extracelular, pueden medirse las variaciones de
potencial de membranas en diversas situaciones. Una experiencia frecuente es
la de hacer pasar a través de la membrana un pulso de corriente y observar la
respuesta. En general, para valores pequeños de intensidad de corriente, se
observa en el potencial de membrana el siguiente efecto:
En esta gráfica se observa el curso temporal de membrana durante un pulso de
corriente rectangular (tener en cuenta que Vm = Vint − Vext ). La curva recuerda el
comportamiento de un circuito eléctrico formado por un generador (pila) y una
resistencia en paralelo con un condensador (circuito RC) cuando se le aplica
externamente una corriente constante.
Las causas que determinan la distribución asimétrica de iones a través de las
membranas celulares es la presencia de bombas iónicas (ATPasas de Na+ y
K+) que continuamente expulsan 3Na+ al exterior celular e introducen 2K+.
Además existen muy pocos canales de Na+ y Cl- abiertos bajo condiciones de
reposo, mientras que hay un buen números de K+ en estas condiciones.
Existen también otros canales iónicos en las membranas neurales, los canales
para Na+, K+, Ca+ que son sensibles al voltaje; éstos se abren cuando cambia
el potencial eléctrico a través de la membrana, permitiendo así flujos iónicos
rápidos.
POTENCIALES ELÉCTRICOS DE MEMBRANA.
Es evidente que tanto el ATPasas como la salida de K+ a través de los canales
de fuga (abiertos en condiciones de reposo), son electrogénicos, es decir,
tienden a establecer una diferencia de potencial a través de la membrana. La
ecuación de Nernst – Huxley permita calcular el valor de dicho potencial si se
conocen las concentraciones iónicas en ambos compartimientos (intra y
extracelular) y los valores de permeabilidad relativa de la membrana a cada
ión.
EM =
RT
P [K ] + PNa [Naext ] + PCl [Clint ]
× Ln K ext
ZF
PK [K int ] + PNa [Naint ] + PCl [Clext ]
donde: R = 1987 calorías/ kelvin.mol.
T = temperatura absoluta (ºK).
Z = valencia del ión.
F = constante de Faraday = 23057 calorías/ voltios. mol.
P = permeabilidad de la membrana al ión.
[ ] = concentración del ión.
ENERGÉTICA DEL TRANSPORTE.
Una de las formas de conocer la tendencia de un ión al difundir a través de una
membrana, es determinando su potencial electroquímico bajo las condiciones
en estudio y calculando la variación de la energía libre de Gibbs asociada al
movimiento de dicho ión de un compartimiento al otro.
Los potenciales electroquímicos calculados para el Na+, K+ y Cl- son 60,-90 y –
70 mv respectivamente, y los valores de G asociado a la entrada de cada uno
de estos iones a la célula son: -2.8, +0.7, y +0.2 respectivamente, es decir,
existe una fuerte tendencia a la entrada de Na+ y salida de K+ mientras que el
Cl- tiende a permanecer prácticamente inmóvil.
Estos datos se obtuvieron a partir de la siguientes ecuaciones:
Eion =
[ionext ]
RT
× Ln
[ionint ]
ZF
donde: R = 1987 cal/k.mol.
T = temperatura (ºK).
Z = valencia del ión.
F = constante de Faraday = 23057 cal/v.mol.
Gion = Z × F × E
donde: Z = valencia del ión.
F = constante de Faraday = 23057 cal/v.mol
E = EM – Eion
Hodgkin propuso en 1902 que el potencial de acción es el resultado de un
aumento de la permeabilidad de membrana a todos los iones. Si bien esta
hipótesis explicó satisfactoriamente los resultados de medidas extracelulares
de potencial de acción, una vez que se desarrollaron técnicas que permiten
medir la diferencia de potencial transmembrana se hizo necesaria modificar la
hipótesis de Hodgkin el hecho de que el potencial de membrana llega a valores
negativos (por ejemplo +30 mv), no es explicable en términos de aumento
indiscriminado de la permeabilidad. Nernst y Huxley, propusieron una
explicación basada en la misma idea: como el ión Na (Na+) en condiciones
fisiológicas se encuentran alejado del equilibrio electroquímico, un aumento en
la permeabilidad del Na que en reposo es muy baja, hace tender el potencial de
membrana al valor de potencial de equilibrio, como resultado de la entrada del
ión en la célula. Esto provoca un aumento en la permeabilidad al potasio (K+),
que alejado de su condición de equilibrio experimenta un flujo neto hacia fuera
restableciendo el potencial de reposo.
La diferencia en el comportamiento de las permeabilidades al sodio y al
potasio, radica en que la permeabilidad por el sodio experimenta un gran
aumento rápido pero transitorio al ocurrir una despolarización, mientras que la
permeabilidad al potasio experimenta un movimiento lento pero sostenido.
Por medio de la técnica de la fijación del voltaje éstos lograron estudiar el
comportamiento de las corrientes iónicas para diferentes valores de potencial
de membrana.
Es posible expresar el comportamiento de la membrana en el potencial de
acción (impulsos nerviosos), de acuerdo a la terminología de circuitos
eléctricos, si ampliamos el análogo eléctrico, colocamos una fuente y una
resistencia para cada uno de los iones relevantes.
En este caso Vión representa el potencial en equilibrio del ión CM es la
capacidad de la membrana. En el circuito, la conductancia g (1/R) se relaciona
con la permeabilidad dela membrana para cada ión. La flecha sobre cada
resistencia indica su variabilidad.
En condiciones de reposo, la corriente iónica total es nula (porque de lo
contrario se debería cargar o descargar el condensador), y de esa forma
sabemos que:
I Na + I K + I Cl = 0
Utilizando las siguientes relaciones:
I Na = (Vm − ENa )g Na
I K = (Vm − EK )g K
CONCLUSIONES.
ƒ
La mayoría de las células animales mantienes una diferencia de
potencial a través de las membranas plasmáticas entre los
compartimientos extra e intracelular, que se conocen con el nombre de
POTENCIAL DE MEMBRANA, éste potencial puede ser calculado
conociendo las concentraciones iónicas en ambos compartimientos y los
valores de permeabilidad relativa de la membrana a cada ión.
ƒ
Es necesario el estudio de la conductancia de cada ión para comprender
y explicar el potencial de acción (impulsos nerviosos). El paso de iones
en forma pasiva a través de membranas biológicas, se deben a la
presencia de ciertas proteínas canales. La conductancia de un ión
particular depende de la dinámica apertura y cierre de un gran número
de éstas, cuya probabilidad de encontrarse abierta está gobernada por
el voltaje y el tiempo.
ƒ
Una de las propiedades fundamentales de las células nerviosas, es la
capacidad de generar potenciales de acción, éstos consisten en un
cambio rápido y transitorio de potencial de membrana a consecuencia
de un efecto de sinapsis en el cual ocurren numerosos procesos
bioquímicos y biofísicos.
ƒ
La sinapsis colinérgicas nicotínicas participan en el control de
importantes procesos fisiológicos, mediando respuestas de tipo
exitatorio que permite la regulación de secreciones hormonales y el
dominio voluntario de los movimientos musculares.
ƒ
Los elementos constituyentes de una sinapsis colinérgica son un
terminal pre- sináptico y el terminal post- sináptico. Cada uno de ellos
dotados de la maquinaria bioquímica necesaria para el acoplamiento
fisiológico requerido en la transmisión de impulsos biológicos.
ƒ
El receptor para la acetilcolina presente en la sinapsis colinérgicas
nicotínicas es de tipo ionotrópico, permitiendo la entrada abrupta de
iones sodio y potasio luego de su estimulación con el neurotransmisor.
Estos movimientos iónicos son los responsables de la despolarización
(excitación) del terminal pre- sináptico y la generación de un nuevo
potencial de acción.
BIBLIOGRAFÍA.
ƒ ELECTROFISIOLOGÍA.
www.us.es/dfba/programas/practicas/pl-fisiolAnimal.pdf
ƒ UNIVERSIDAD SIMON BOLÍVAR.
www.ugts.usb.ve/biblioteca/biofisica/sinapsis%20colinergica.pdf