¡Descarga Transport iònic i fenomens elèctrics y más Apuntes en PDF de Histología solo en Docsity!
Tema 1: Transport d’ions a través de la membrana cel·lular
Estructura de la membrana cel·lular
La membrana cel·lular actua com a filtre selectiu (aquesta és la seva funció principal). Permet establir diferents concentracions de soluts a banda i banda de la MP.
El lípid majoritari són els fosfolípids, unes molècules amfipàtiques. No hi ha cap enllaç que els uneixi covalentment entre ells, cosa que dóna flexibilitat a la MP. Els colesterols s’insereixen a la membrana per a donar-li més consistència (evita la lisi). Formen les estructures de Peach, que es veuran més endavant.
Pel que fa a les proteïnes en tenim de dos tipus: Integrals (travessen la membrana) i perifèriques (només en una cara, normalment la interna). Les proteïnes es poden moure per la membrana (necessari per a la senyalització. Les proteïnes també tenen un caràcter amfipàtic (aa polars a l’exterior i aa apolars per dins la membrana).
Els glúcids normalment els trobem ancorats a les proteïnes, serveixen com a identificadors (exemple sistema sanguini ABO).
Els ions més importants són el Na+, K+, Ca2+ i Cl-. El clor i el sodi tenen una concentració molt més elevada a l’exterior que a l’interior. En el cas del Potassi és unes 35 vegades superior a l’interior. La glucosa es troba molt més concentrada a l’exterior (per fer que hi hagi difusió simple). A l’interior la concentració de glucosa és 0 ja que automàticament es fosforila i per tant passa a ser un altre compost. ÉS IMPORTANT SABER LA CONENTRACIÓ DELS IONS ENCERCLATS.
En el líquid extracel·lular el sodi i el clor són els majoritaris, però ens hem de fixar que la concentració d’elements són molt semblants a l’aigua del mar. Això és així per motius evolutius (hem adaptat la concentració de les nostres cèl·lules amb les que tenien les cèl·lules que vivien al mar).
Factors que determinen la difusió
La difusió de les molècules depèn de la temperatura i de la mida (l’aigua es mou molt més ràpidament que la glucosa). Els àtoms van xocant amb els seus contigus i per això van canviant de direcció (moviment aleatori) i per tant no es mouen a llargues distàncies, sinó que sempre es mouen amb distàncies molt curtes. Així, les molècules es distribuiran de forma quasi homogènia. La velocitat de difusió també depèn de la concentració. Considerem que hi ha un flux net quan s’equilibren les concentracions (però continuen movent-se d’un lloc a l’altre). Quan major sigui l’àrea de difusió, més ràpida serà la difusió. Les substàncies que difonen no es mouen a distàncies llargues, per exemple, la glucosa tardaria 11 anys a difondre 10 cm (per això les cèl·lules tenen una mida tant petita).
Kp: Constant de permeabilitat. Depèn de:
- Temperatura: a major Tº major difusió
- Molècula: tamany i característiques fisico-químiques
- Medi: líquid, gas A: Area de superfície
Ce: Concentració extracel·lular Ci: Concentració intracel·lular
Ex: Difusió d’ oxigen en una cèl·lula de 20μm diàmetre trigarà 15 ms en arribar a l’equilibri, però 265 dies en cas de tenir una mida de pilota de bàsquet.
Difusió a través de la membrana
Difusió de substàncies liposolubles:
- Per dissolució en la bicapa lipídica
- Oxigen, nitrogen, urea, alcohols...
- La permeabilitat depèn de la solubilitat en lípids (coeficient de partició/permeabilitat) i del pes molecular.
Difusió de substàncies hidrosolubles:
- Les molècules petites (PM<200) poden difondre a través de la membrana de forma limitada per la seva baixa liposolubilitat.
- Mecanismes: o Porus o canals a la membrana (aquaporines per l’aigua) o Pas entre les molècules de fosfolípids
L’aigua no pot difondre a través de la membrana ja que és polar. Tot i així poden treavesssar la membrana gràcies a les aquaporines.
Mecanismes de transport a través de la membrana No hi ha cap tipus d’estructura que agafi aigua i la transporti. Sempre es fa a través de canals gràcies a l’osmosi. La pressió osmòtica no depèn de la mida de la molècula sinó del nombre d’aquestes. La majoria de processos que tenen a veure amb l’osmosi tenen a veure amb el NaCl. Quan està en dissolució es divideix en Na i en Cl i per tant dobla la pressió osmòtica.
Aquaporines
La van descobrir primer teòricament (amb fórmules de difusió) i després la van trobar a la pràctica. És una proteïna que té 6 motius transmembrana (travessa 6 cops la MP). Formen tetràmers on cada monòmer és un canal. L’arginina dóna una selectivitat a l’entrada d’aigua. Com que
2.- Diferència de concentració de l’ió entre els dos costats de la membrana.
3.- Diferència de potencial elèctric, que determina atracció o repulsió de l’ió segons el signe de la càrrega. A l’interior sol tenir una càrrega negativa, i per tant fa que el sodi entri per atracció.
4.- Diferència de pressió. El fet que hi hagi més pressió en una banda que en l’altra afavoreix l’entrada dels nutrients de la sang als líquids extracel·lulars.
Activació de canals iònics
Segons el tipus d’activació els classifiquem en:
- Depenent de voltatge: s’obren quan s’arriba a cert llindar de canvi de potencial
- Depenent de lligand: necessiten la unió d’una molècula que normalment vé d’una cèl·lula veïna que provoca un canvi de conformació i fa que s’obri. (ex: neurotransmissors)
- Mecanosensitius: s’obren davant de deformacions mecàniques de la membrana. No els estudiarem, però juguen un paper important en les funcions tàctils.
Funcionament del canal dependent de voltatge per Na+: Hi ha dues comportes que regulen el pas de molècules. La comporta d’activació normalment queda encarada al medi extracel·lular, en repòs esta tancada. La comporta d’inactivació en repòs està oberta, però quan hi ha un canvi en el potencial elèctric, aquesta s’obra i per tant el canal està activat i obert (només durant un o dos milisegons) llavors es torna a tancar de manera que queda inactivable i tancat.
Quan es reestableix el potencial elèctric, el canal torna a estar en repòs i tancat.
Funcionament del canal dependent de voltatge per K+ Només té una comporta, quan hi ha un canvi de voltatge la porta s’obre de manera que queda activat. Es restablirà la conformació inicial quan es restableixi el voltatge normal. Aquest canal té una cinètica més lenta. S’obre en 1ms i es tanca en 5 ms. Com que és més lent, hi haurà més flux de potassi que de sodi.
Estudi del comportament de canals iònics
Per a estudiar-los s’utilitza la tècnica de patch clamping. Amb una agulla molt petita (de micròmetres de diàmetre) s’extirpa un tros de MP. Si tens sort i has agafat un canal en el fragment de MP extirpat, hi ha una despolarització de la membrana i ho pots detectar.
Difusió facilitada Els ions i biomolècules poden travessar la membrana cel·lular a través de proteïnes transportadores transmembranals, en forma de canal. A diferència dels canals iònics:
- La proteïna transportadora ha de realitzar canvi conformacional
- El transport es realitza més lentament que a concentració elevada.
Transport actiu Les molècules i ions no poden difondre a través de la membrana cel·lular contra gradient electro-químic, El transport actiu permet el pas de substàncies en contra de gradient electró-químic, amb despesa d’energia utilitzant directa o indirectament ATP. El duen a terme per transportadors específics anomenats bombes iòniques.
Estructura de la bomba de Na+-K+
Està formada per dues subunitats:
- Alfa: subunitat catalítica, té 10 dominis transmembrana. Actua tant de sensor de Na i K, com d’ATPasa i duu a terme la fosforilació.
- Beta: més petita, es creu que ajuda a ancorar la estructura alfa a la MP, però només és una hipòtesi.
Te llocs d’unió per al sodi i per al potassi, es tracta d’un cicle entre dues conformacions, E1 i E2. En repòs, la proteïna esta encarada cap a dins la cèl·lula i permet la unió de 3 sodis. Quan se li transmet el grup fosfat es manté activada i els sodi se’n va, permetent la unió del potassi. Quan se’n va el grup fosfat, se’n va l’energia i la proteïna torna a la conformació inicial. Resum: se’n van 3 sodis i entren 2 potassis. Aproximadament el 60- 70% de la nostra energia la gastem en aquestes bombes.
Serveixen entre d’altres coses per a que la cèl·lula no lisi. Com que a l’interior hi ha càrrega negativa, el sodi tendeix a entrar, cosa que fa augmentar la pressió osmòtica interna i fa que entri molta aigua, fins a provocar la lisi cel·lular, per això aquestes bombes, com que treuen sodis ho evitem. A més, com que treu a l’exterior 3 càrregues positives i n’entra només 2, fa que es disminueixi la electropositivitat (dóna càrrega negativa a l’interior).
Ara suposem que en una cèl·lula hi ha NaCl a l’exterior i KCl a l’interior i que no hi ha canals iònics. En aquest cas, no hi haurà diferència en el potencial elèctric. Però anem a veure què passaria en diferents casos.
Si hi ha canals de potassi: el potassi sortirà cap a fora per acció
de la força química (diferent concentració), de manera que a l’interior serà més negatiu i a l’exterior més positiu. Ara hi haurà una altra força, la elèctrica, que voldrà fer entrar el potassi.
Quan les dues forces s’igualin el flux és net. El potencial assolit ara és el potencial d’equilibri o de Nerst, que es calcula així:
[𝐾+] 𝑒𝑥𝑡
[𝐾+] 𝑖𝑛𝑡
On 21-25 és una constant que varia segons altres factors:
- R gas constant [8314.9 J/(kg mol K)]
- T absolute temperature (temperature measured on the Kelvin scale: degrees centigrade 273)
- F Faraday (the quantity of electricity contained in 1 mol of electrons: 96,484.6 C/mol of charge)
El resultat -90 mV vol dir que el potassi sortirà fins que a l’interior de la cèl·lula arribi a -90mV.
Si hi ha canals de sodi: la tendència serà la contrària. En situacions normals, si s’obren els canals de Na+,
aquest entrarà, però ara és diferent ja que tant la força química com l’elèctrica l’empenyen cap a dins. El potencial d’equilibri per al Na és +60mV ( entrarà a la cèl·lula fins que assoleixi els +60mV).
Si hi ha canals de Clor: Com que la concentració de clor és molt alta a l’exterior però la cèl·lula esta
carregada negativament al seu interior, químicament tendirà a entrar mentre que elèctricament a sortir. Ara la fórmula de Nernst s’ha invertit (concentració interior al numerador i exterior al denominador) perquè té càrrega negativa:
[𝐾+] 𝑖𝑛𝑡
[𝐾+] 𝑒𝑥𝑡
Si s’obren els canals, el clor entrarà fins a assolir els -80mV
A la pràctica la cosa es complica perquè cada ió té el seu canal i tots estan oberts alhora.
Càlcul del potencial d’equilibri
Potencial de repòs transmembrana Totes les cèl·lules presenten una diferència de potencial elèctric transmembrana. El PRT és negatiu a la majoria de les cèl·lules i té una magnitud variable segons el tipus cel·lular:
- Neurona -55 a -100 mV
- F. muscular esquelètica -55 a -100 mV
- F. muscular llisa -30 a -55 mV
- Eritròcit -25 mV
La diferència de potencial transmembrana és deguda a la desigula distribució de càrregues elèctriques, determinada per:
- Diferència de concentració d’ions intra i extracel·lular
- Diferència de mida efectiva dels ions
- Diferència de permeabilitat de la membrana per a cada ió.
En repòs la permeabilitat de membrana depèn dels canals iònics passius. La membrana de la neurona té:
- abundants canales passius per al K+
- menys (1/2) per al Cl-
- pocs (1/15) per al Na+
Els macroanions (A-) no poden travessar la membrana.
La equació de Goldman és una suma de les equacions de Nernst per tal de calcular el potencial total, tenint en compte tots els ions.
La permeabilitat de la membrana depèn dels canals iònics. No hi ha el mateix nombre de canals per cada tipus de ió. Els canals que s’inactiven no els tenim en compte per al càlcul del potencial, només els canals de fuga.
En l’equació de Goldman s’introdueix un nou concepte: el coeficient de Permeabilitat. El potassi és el ió més permeable (perquè la cèl·lula té més canals de potassi). El segon és el clor i després ve el sodi. Per tant, el valor de permeabilitat del potassi és 1 i la resta es mostren en relació a aquest (1/15 o ½). Així doncs, el potencial depèn majoritàriament del potassi.
Petits canvis extracel·lulars de potassi tenen un efecte molt gran en el canvi de potencial, mentre que en el sodi, si hi ha una petita variació, l’efecte és mínim. Això és important perquè els canals de sodi (regulats) són els que fan el canvi molt més gran però a partir d’un llindar de mínim canvi de potencial.
El potassi és tòxic en grans quantitats, amb el potassi que ingerim amb el menjar podríem morir, per això s’ha de regular. Si augmentem la concentració de potassi extracel·lular es torna més positiu (per tant tendeix a 0).
En experiments amb calamars, s’induïa una despolarització local i s’observava que en aquell lloc era màxim, però com més m’allunyo disminueix el canvi de potencial. Això és degut a que cada vegada que m’allunyo del canal obert més costarà que hi arribin els ions que han entrat per a despolaritzar.
Una vegada ha entrat el sodi i s’ha tancat el canal, el potencial es recupera en part per les bombes i en part perquè, al allunyar-se de l’equilibri, el flux no serà net fins que recuperi l’equilibri (pels canals de fuga sortirà el potassi, ja que és més permeable).
En una cèl·lula petita, el potencial local pot ser que es doni a tota la membrana.
Existeix un concepte que és la Sumació.
o Sumació espacial: Imaginem que en una neurona hi ha dos punts A i B en els que estimulem un canvi de potencial local. Resulta que si canvio el potencial alhora en dos punts, se sumen. Per a tenir grans canvis de potencial es o Sumació temporal: si quan el canvi de potencial es troba al seu màxim, i just en aquest moment torno a induir un canvi de potencial, aquest se sumarà al d’abans.
Els canvis de potencial són graduables (es pot induir un canvi petit o gran).
Resum característiques:
o Signe variable (despolaritzant o hiperpolaritzant) o Duració llarga (uns 10 ms) o Local (no autopropagable) o Sumable, temporal i especialment o Graduable
No es donen en totes les cèl·lules, només en les excitables. Els canvis són molt grans i tenen 4 fases:
- D espolarització : canals de sodi depenents de voltatge s’obren perquè la cèl·lula arriba a canviar de 20-30mV de potencial. A aquest llindar d’exatibilitat s’hi arriba per una suma de potencials locals.
- Repolarització : com que els canals de potassi tarden més en obrir-se i que tant els canals de NA com els de K han rebut la senyal alhora, en el moment en que s’arriba el màxim de despolarització (el sodi no pot entrar més), el potassi comença a entrar massivament (a favor de gradient electroquímic).
- Hiperpolarització post-potencial: els canals de potassi estan oberts més temps del compte (per cinètica pròpia) i per tant encara que s’hagi recuperat el potencial en repòs, la cèl·lula s’hiperpolaritza.
- Recuperació : quan passa aproximadament 1 ms, el canal de potassi es tanca i el de sodi està inactivat, i com que el potencial no està en equilibri, ara el potassi tendeix a entrar pels canals de fuga fins a restablir l’equilibri. Com que els canals de Na estan inactivats, comença el període refractari (no es podran generar més potencials d’acció).
Característiques:
o Sempre són canvis despolaritzants (locals podien ser tant des com híper) o Són de curta durada o No són graduables (sempre tenen la mateixa intensitat). o No són sumables o Llei de tot o res: quan es dona un potencial d’acció, o bé es dóna o no es dóna, però no hi ha un entremig.
El fet de que es doni en cèl·lules excitables és perquè aquestes presenten canals iònics depenents de voltatge.
Conducta iònica durant el potencial d’acció
El potencial d’acció s’origina per l’obertura de canals de Na i K activats per voltatge. L’amplitud del pic del potencial d’acció depèn de la ràpida inactivació dels canals de NA i de l’inici de l’obertura dels canals de K.
La repolarització es deu a l’obertura de canals de K. El postpotencial és causat pel manteniment de l’augment de permeabilitat pel K.
La gràfica del registre dels diferents ions és la següent:
La propagació del potencial d’acció és bidireccional, així com la repolarització. El període refractari és important per evitar que el canal que ja s’ha activat, no sigui activat pels seus veïns.
El potassi és tòxic ja que si hi ha un excés, les cèl·lules no es poden repolaritzar (majoritàriament parada cardíaca).
La tetradotoxina bloqueja els canals de sodi impedint que es formi el potencial d’acció. Es troba en peix globus, cuinats al japó. No es pot menjar el fetge d’aquest peix. Hi ha un anàleg, la lidocaïna, que bloqueja temporalment els canals de sodi depenents de voltatge. L’utilitzem com a anestèsia local, ja que impedeix la transmissió de la senyal del dolor. També existeixen toxines que afecten a canals de potassi depenents de voltatge, evitant que la cèl·lula es pugui repolaritzar.
Direcció de propagació a la neurona En la neurona no es transmet bidireccionalment. Això és així perquè no a tot arreu trobem canals de sodi depenents de voltatge, només a l’axó i al con axònic (turó axònic). A les dendrites i al soma no en trobem. A les dendrites, els que es generen són potencials locals, que quan arribin al llindar d’excitabilitat al turó axònic, es generarà el potencial d’acció. Com que cap al soma no hi ha canals, es dona només cap a l’axó (unidireccionals).
Els canals iònics es poden activar o per un impuls elèctrics o bé per estímul mecànic (per exemple un cop).
No totes les cèl·lules propaguen l’impuls elèctric a la mateixa velocitat. Depèn del diàmetre de la cèl·lula: com més gran sigui el diàmetre, més ràpid anirà (menys resistència hi ha).
Amb la mielina, s’aconsegueix disminuir la resistència elèctrica de manera que augmenta la velocitat de la transmissió. Com més mielina, més ràpid anirà. Al SNP la cèl·lula mielinitzant és la cèl·lula de schwann. Al SNC són els oligodendròcits. La pèrdua d’oligodendròcits és més greu que la cèl·lula d’schwan ja que els oligodendròcits mielinitzen més d’un axó alhora, mentre que la Schwann s’enrotlla al voltant d’un sol axó.
La mielina impermeabilitza la membrana, de manera que no poden funcionar els canals de fuga de potassi, així la difusió del sodi pot arribar més lluny. En els nòduls de Ranvier sí que hi ha perill de que entri potassi, per això hi ha canals de sodi depenents de voltatge, que es troben envoltats de canals de potassi (als laterals dels nòdul). La membrana axonal internodal és 1000 vegades a la corrent iònica. La membrana nodal és 500 vegades més excitable.
Si per una malaltia perdem la malaltia, la quantitat de sodi que arribi al nòdul de Ranvier és molt petit, insuficient per a generar un nou impuls. S’ha vist que quan es perd mielina de tal manera que s’hagi de passar per 2 nòduls sense mielina, el potencial s’atura.
A més, el fet de que només generem potencial d’acció als nòduls, fa que necessitem menys sodi, per tant menys bombes de sodi-potassi i en conseqüència permet estalviar molta energia.
Classificació general de les fibres nervioses
Segons si són mielíniques o no, les classifiquem en A, B, C. Les A tenen mielina i les C són amielíniques. Dins de les mielíniques trobem una classificació segons el diàmetre (alfa és el més gran). Cada tipus de fibra fan una funció o modalitat (CAL SABER-LES, POT SORTIR A L’EXAMEN).
