Electrofisiología. El potencial de membrana.

Desde los experimentos de Luigi Galvani a finales de los años 1700, se identificó una estrecha relación entre la física y la fisiología, gracias a la demostración de las respuestas contráctiles musculares que aparecían, producto de la estimulación eléctrica, en las extremidades inferiores de una rana, dando origen a los conceptos de bioelectricidad y electrofisiología. Actualmente sabemos que muchas de las funciones y procesos fisiológicos básicos dependen de eventos eléctricos en las células y tejidos, regulados por las características y la composición de los compartimientos líquidos del organismo y la membrana plasmática.

Así como en conductor metálico discurre corriente eléctrica gracias al flujo de electrones libres a lo largo de sus átomos constituyentes, a través de la membrana plasmática también encontramos un flujo de corriente, sin embargo, esta es transportada mediante el flujo de átomos cargados eléctricamente (iones), desde el compartimiento extracelular al intracelular, o viceversa.

La membrana celular es una bicapa lipídica, con permeabilidad selectiva, que solo permite el libre paso de moléculas muy pequeñas y sin carga (gases plasmáticos). Como es prácticamente impermeable a los iones, esta se comporta como un medio aislante en soluciones llenas de ellos, el líquido intracelular, rico en K+ y A- (PO4--- y Prot-), y el líquido extracelular, con Na+ y Cl-. Esta diferente distribución iónica es consecuencia del equilibrio de Gibbs-Donnan y el efecto de la bomba

Na+/K+ ATPasa. El acumulo de diferentes cargas eléctricas (iones) a ambos lados de la membrnaa celular genera un potencial eléctrico en cada compartimiento, entendiéndose éste como el simple acumulo de energía potencial eléctrica en cada lado de la membrana.

Esta separación de cargas se mantiene porque la membrana es un mal conductor eléctrico impidiendo la libre difusión de los iones, regulando su paso a través de proteínas integrales de membrana, denominadas canales iónicos. Esta separación da origen a una diferencia de potencial

eléctrico, o voltaje, a través de la membrana (es decir, debido a la diferente distribución de cargas y potenciales eléctricos a ambos lados de la membrana se genera una diferencia de potencial), denominado POTENCIAL DE MEMBRANA (Vm).

El potencial de membrana se define como: El potencial eléctrico en la parte interna de la célula menos el potencial en la parte externa. Es decir, Vm = Vic - Vec

Sin embargo, por convención, el potencial fuera de la célula se establece en 0. Por lo cual el potencial de membrana va a ser igual al potencial en la parte interna de la célula, Vm = Vic.

Consideremos el siguiente ejemplo, (Ver figura 1):

Colocamos 155 mEq de KCl en un compartimiento A, y 4 mEq de KCl en un compartimiento B, que se encuentran separados por una membrana rígida, impermeable a la difusión de dichos solutos. En este caso, ¿Cuál sería el potencial de membrana, o diferencia de potencial? Recordemos que este valor depende de la diferente distribución de cargas eléctricas a ambos lados de la membrana. En este caso, en cada compartimiento, producto de la disociación del KCl, tenemos la misma cantidad de cargas positivas y negativas, a pesar de la diferencia de concentración química (155 vs 4 mEq), es decir, en cada compartimiento no existe una carga neta, generando un potencial eléctrico nulo, de 0 mV. Si el Vic = Vec = 0, podemos concluir que no existe una diferencia de potencial a través de la membrana. (Ver figura 1)

Figura 1. Influencia de la permeabilidad sobre el potencial de membrana.

Si consideramos este mismo ejemplo, pero hacemos permeable la membrana interna al K+, mediante la incorporación de canales iónicos selectivos para este ión, podemos predecir el siguiente cambio,

Figura 2. Efecto de los canales iónicos sobre el potencial de membrana.

A B

A B

Al tener una membrana permeable para el K+, considerando la diferencia de gradiente químico entre ambos compartimientos, el ión difundirá desde el compartimiento A hacia el B, alterando el balance previo de cargas eléctricas. A medida que el K+ difunde hacia el medio B, como el ión Cl- no puede desplazarse, aumenta la proporción de cargas negativas en el compartimiento A, generando un potencial eléctrico negativo. De igual manera, el compartimiento B, al recibir mayor cantidad de K+, pasa a tener un exceso de cargas positivas. Si consideramos que el Vm es igual al Vic, podemos concluir que este adquiere un valor negativo, producto de la mayor proporción de cargas negativas en el medio A en relación al medio B. (Ver figura 2).

Como hemos visto, el potencial de membrana depende de la diferente distribución iónica a través de la membrana plasmática, regulada por el tráfico o movimiento de iones a través de la misma.

El movimiento de los iones esta mediado por canales iónicos, una clase de proteínas integrales de membrana que se encuentra en todas las células del organismo, y que permiten el pasaje de ciertos iones a través de la membrana. Como todos sabemos la membrana celular es una bicapa lipidica selectivamente permeable, por lo cual no todas las moléculas pueden atravesarla libremente, de hecho, la membrana es impermeable a los iones (ya que son moléculas con carga eléctrica), por lo cual para el tránsito de iones en la célula es necesario la presencia de estos canales iónicos. Los canales iónicos son altamente selectivos y permiten solamente el paso de iones con características específicas. Esta selectividad se basa tanto en el tamaño del ion como en la carga del mismo. Por ejemplo, canales que presenten carga negativa en su interior (debido a la presencia de residuos de aminoácidos con carga negativa, dentro de la estructura del canal) suelen permitir el paso de cationes (iones con carga positiva), pero excluyen el paso de aniones (iones con carga negativa), y viceversa. Igualmente, un canal que permita el paso de cationes podría permitir el paso solo de Na+ y excluir el paso de K+, a pesar de que sean ambos iones positivos, debido a que el Na+ es en la practica un ion de mayor tamaño que el K+ y no podría atravesar el canal.

Los canales iónicos constituyen un mecanismo de transporte pasivo, al no requerir un gasto extra de energía metabólica para permitir la movilización del ión, de tal manera, que este se desplaza en base a su gradiente electroquímico. Este mecanismo es subclasificado como difusión facilitada, al estar este transporte mediado por un canal proteico. Los canales iónicos poseen 3 propiedades importantes:

a) Conducen iones a velocidades extremadamente altas b) Reconocen y seleccionan iones específicos c) Presentan una cinética lineal, no saturable

Se pueden distinguir 2 tipos de canales iónicos por sus diferentes funciones en la señalización neuronal y su diferente mecánica de activación:

- En reposo: Son canales iónicos que se encuentran activos (abiertos) cuando la célula está en estado de reposo, es decir, en ausencia de estimulación o excitación. Estos canales contribuyen al potencial de membrana en reposo de la célula.

- Regulados: Los cuales se abren y cierran en respuesta a diferentes estímulos. Existen canales voltaje-dependientes (o regulados por voltaje), los cuales responden a la variación del potencial de membrana; canales ligando-dependientes los cuales responden a

mensajeros químicos (hormonas, neurotransmisores, segundos mensajeros), y los regulados

mecánicamente los cuales son sensibles a la presión o estiramiento de la membrana. El movimiento de los iones a través de la membrana, como todo proceso de difusión, se encuentra regulado por dos variables: el gradiente y la permeabilidad. El primero es la fuerza impulsora del desplazamiento del ion, y contempla tanto un gradiente eléctrico, dado por la diferencia de cargas entre los compartimientos, y un gradiente químico, generado por la diferencia de concentración. El segundo, depende de la cantidad de canales iónicos, selectivos para el ion, que se encuentren abiertos en la membrana. Si consideramos el desplazamiento de iones (cargas eléctricas) a través de la membrana, en relación con la unidad de tiempo, podemos establecer un flujo de corriente, denominado intensidad

de la corriente (I), el cual, de acuerdo a lo descrito anteriormente, dependerá del gradiente impulsor y la permeabilidad de la membrana. La ley de Ohm, enuncia que dicha intensidad, es igual a: I = ∆V /R, por lo que el flujo de corriente es directamente proporcional a la diferencia de potencial a través de la membrana, e inversamente proporcional a la resistencia que ofrece la membrana al paso del ión. Como vimos, la permeabilidad de la membrana puede interpretarse en función de la cantidad de canales iónicos abiertos para el ión, mientras mayor sea dicho número, más fácilmente difundirá el átomo a través de la membrana, denominando esta variable como conductancia (g), siendo inversamente proporcional a la resistencia del medio. Por lo que mientras más canales iónicos estén abiertos, mayor será la conductancia de la membrana a dicho ión, y menor será la resistencia que ofrece, por lo que existirá un mayor flujo de corriente ante una misma diferencia de potencial, según lo enunciado, R = 1 / g, por lo que, I = ∆V x g

Si incorporamos el concepto físico de diferencia de potencial (∆V), este enuncia que es el trabajo necesario para desplazar una carga eléctrica desde un punto a otro, por lo que al aplicar ley de Ohm (I = ∆V /R), vemos a la diferencia de potencial, como el trabajo necesario para desplazar un flujo de corriente (I), en contra de la resistencia que ofrece el medio (R), expresado como: ∆V = I x R.

Los Tejidos Excitables. El potencial de membrana en reposo.

Las células nerviosas y musculares tienen la capacidad de responder activamente a estímulos externos alterando su potencial de membrana, gracias a la modificación del tráfico de iones a través de su membrana, esta propiedad celular característica recibe el nombre de excitabilidad celular.

Las células excitables presentan 2 estados alternos, el estado de reposo y el estado excitable, el primero se manifiesta en ausencia de estimulación externa, manteniendo un potencial de membrana en equilibrio dinámico; el segundo, aparece ante la estimulación, e implica un cambio en el tráfico de iones, desplazando el potencial de membrana de su valor en reposo, siendo ésta la base de la señalización celular.

El potencial de membrana de una célula en reposo recibe el nombre de potencial de membrana en

reposo, y suele ser de alrededor de -60 a -70 mV, debido al gran acumulo de cargas eléctricas negativas en el interior celular.

Para lograr entender como la diferencia de distribución de los iones genera este potencial de reposo, comenzaremos con un ejemplo de permeabilidad exclusiva de membrana, como es el caso de las células gliales, las cuales son exclusivamente permeables a un tipo de ion en reposo (K+).

Al igual que el resto de las células, la célula glial tiene una elevada concentración de K+ y A- en el interior celular y una gran concentración de Na+ y Cl- en la externa. Sin embargo, en condición de reposo, solo posee canales iónicos abiertos para el K+, por lo que es exclusivamente permeable a este ión. Producto de la diferencia de concentraciones, el K+ está sometido a un gradiente químico que impulsa su difusión hacia el LEC, dejando al medio intracelular con un exceso de cargas negativas, generadas por los A- que no pueden difundir por la membrana. A medida que continúa el proceso de difusión, y el medio intracelular se hace más negativo, se acentúa un gradiente eléctrico,

opuesto al químico, que tiende a atraer nuevamente el K+ al medio intracelular, producto de la atracción electrostática generada por la negatividad intracelular. Llega un punto en el cual el potencial de membrana adquiere un valor tan negativo, que la fuerza eléctrica que arrastra K+ al interior de la célula está en perfecto equilibrio con la fuerza química que arrastra al K+ fuera de la célula, haciendo nula la difusión neta del ión. El potencial de membrana al cual no hay flujo neto del ión, ya que los gradientes eléctrico y químico son iguales y opuestos, se denomina potencial de

equilibrio del ión. (Ver figura 3).

En el potencial de equilibrio se alcanza un equilibrio electroquímico en donde las fuerzas químicas y eléctricas que actúan sobre un ion son iguales y opuestas y no ocurre difusión neta del mismo.

Figura 3. En la primera situación, observamos una célula exclusivamente permeable al K+, en donde, en base a la

diferencia de gradiente de concentración, entre el interior y el exterior celular, este va a difundir hacia el líquido

extracelular, dejando atrás, las cargas iónicas negativas generadas por el acumulo de proteínas intracelulares. A

medida que sigue saliendo el K+, el potencial intracelular va haciéndose cada vez más negativo, lo que implica

que se establece un gradiente eléctrico al interior celular (al ser el K+ un ión positivo), que tiende a contrarrestar

el gradiente de concentración químico que impulsa la salida de K+. El potencial de membrana (potencial

intracelular), la tendencia de arrastre al medio intracelular por el gradiente eléctrico, contrarresta e iguala al

gradiente de concentración químico que tiende la salida del ión, se denomina potencial de equilibrio.

Si conocemos la carga eléctrica del ión y su diferencia de concentración a través de la membrana, podemos predecir si el potencial de equilibrio tiene un valor negativo o positivo. Consideremos una célula que sea exclusivamente permeable al ión Na+, su gradiente químico lo impulsa a entrar al LIC, haciendo más positivo el medio intracelular, hasta que llegue un punto en el cual este sea tan positivo, que establezca un gradiente eléctrico para repelerlo hacia el líquido extracelular. Cuando el potencial de membrana es tan positivo que el gradiente químico que facilita la entrada del ión se iguala con el gradiente eléctrico que lo desplaza al exterior, encontramos el potencial de equilibrio del Na+. (Ver figura 4).

Figura 4. Difusión del Na+ a través de una membrana exclusivamente permeable al mismo, que demuestra que la

difusión del mismo hacia el medio intracelular, por su gradiente químico, se mantendrá hasta que las cargas

positivas en el medio intracelular y las negativas en el exterior, generen un gradiente eléctrico que impulse su

salida en la misma proporción, y se establezca el potencial de equilibrio.

El potencial de equilibrio para cualquier ion puede calcularse mediante una ecuación ideada por el fisicoquímico alemán Walter Nernst, denominada ecuación de Nernst.

Ex = RT/ZF x ln Cec/Cic, donde:

R: Constante universal de los gases T: temperatura del medio (K) Z: Valencia del ión

F: Constante de Faraday Cec: Concentración del ión en el medio extracelular

Cic: Concentración del ión en el medio intracelular

Resolviendo la primera parte de la ecuación, incorporando el valor de temperatura corporal (37 C), y considerando el valor de e, para transformarla a una ecuación logarítmica natural (log base 10), encontramos el siguiente resultado:

Ex = 61.54 x log Cec/Cic

Si consideramos las concentraciones fisiológicas de K+ en el medio intra y extracelular del tejido muscular, obtenemos el siguiente valor:

EK+ = 61.54 x log 4.5/155; EK+ = - 94 mV

Dicho valor apoya nuestra inferencia acerca de la magnitud de la negatividad del potencial de membrana necesario para generar un balance entre el gradiente químico, que tiende a expulsar al K+ al LEC, y el gradiente eléctrico, que impulsaría su retorno al medio intracelular.

Si consideramos las concentraciones de Na+ en el tejido muscular, su potencial de equilibrio viene determinado por:

ENa+ = 61.54 x log 145/12; ENa+ = + 67 mV

Como podemos ver, en la ecuación de Nerst no se considera la permeabilidad o conductancia general de la membrana, por lo tanto, el único factor que determina el potencial de equilibrio de un ion son sus concentraciones en el medio intra y extracelular, ya que consideramos que la permeabilidad celular a dicho ión es máxima y exclusiva (solo es permeable a dicha molécula). La concentración iónica de K+, Na+ y Cl- difiere en los diferentes tejidos del organismo, y por lo tanto, también lo hace el potencial de equilibrio. A continuación se presenta una tabla que refleja los cálculos obtenidos por la Ecuación de Nerst a las concentraciones iónicas fisiológicas del tejido neuronal.

Figura 5. Potencial de Equilibrio del K+, Na+, Ca++ y Cl- en el tejido nervioso. Se evidencia que aunque los

valores absolutos son diferentes a los descritos para el tejido muscular, la tendencia negativa o positiva del Ex

se mantiene.

Una vez descrito como los gradientes iónicos generan el potencial de reposo glial, y como este es igual al potencial de equilibrio del potasio (por tener una permeabilidad exclusiva al mismo), analizaremos el caso de las neuronas y el resto de las células, en donde la permeabilidad varía, siendo la membrana permeable a 3 tipos de iones en reposo, el Na+, el K+ y el Cl-.

Para entender la relación entre estos iones, pensemos rápidamente en nuestro ejemplo de las células gliales, imagínense que a estas células (exclusivamente permeables al potasio en reposo), con un potencial de membrana igual al EK+ y un valor absoluto de -90mV, le ponemos ahora una pequeña cantidad de canales iónicos, abiertos en reposo, para el Na+, ¿qué va a pasar?.... Podemos inferir que el Na+ va a entrar al medio intracelular, siguiendo su gradiente electroquímico, (eléctrico por la negatividad en el interior de la célula, derivada de la salida de potasio en reposo, y el acumulo de las proteínas intracelulares con carga negativa, y químico por la mínima concentración del mismo en el medio intracelular).

Este influjo de cargas positivas (Na+) desplaza el potencial de membrana (Vm = Vic) hacia un valor de -70 mV, ligeramente más positivo que el potencial de equilibrio del K+, reduciendo la magnitud del gradiente eléctrico que arrastraba al K+ al medio intracelular. Recordemos que en el estado de equilibrio no existía un gradiente neto de desplazamiento iónico por el balance entre los gradientes químicos y eléctricos. Sin embargo, al disminuir la negatividad intracelular (producto de la entrada de

Na+), cae la magnitud del gradiente eléctrico de atracción electrostática que contrarrestaba la difusión de K+ al medio extracelular, estableciendo una difusión neta del ión hacia el medio extracelular, impulsado por el gradiente químico.

En estas condiciones, se establece un equilibrio entre la magnitud de la corriente iónica neta de entrada de Na+ (INa+) y la corriente iónica neta de salida del K+ (IK+), manteniendo el potencial de membrana estable, en un valor de -65 a -70 mV, en el tejido neuronal, denominado potencial de

membrana en reposo (Vmr).

Para comprender este estado de equilibrio, (INa+ = - IK+), recordemos que la magnitud del flujo iónico a través de la membrana celular, es el producto de su fuerza de arrastre electroquímica, por la conductancia o permeabilidad de la membrana al ion. Lo cual se expresa de la siguiente manera,

Ix = (Vm – Ex) x g

Dónde:

Ix = Corriente o flujo iónico

(Vm – Ex): Fuerza electromotriz o gradiente neto que impulsa el desplazamiento del ión

g: Conductancia o permeabilidad de la membrana al ión.

El potencial de equilibrio de un ión (Ex) implica un estado en el cual los gradientes químicos y eléctricos son iguales y opuestos, por lo que no hay una difusión o flujo neto de corriente iónica a través de la membrana. En este sentido, mientras más diferencia exista entre el potencial de membrana (Vm) y el potencial de equilibrio del ión (Ex), más gradiente neto existe, es decir, mayor fuerza de arrastre electroquímica se ejerce sobre el ión, generando mayor flujo iónico. Desde un punto de vista teórico, cuando esta diferencia (Vm-Ex), es de magnitud positiva, implica una corriente iónica de salida al medio extracelular, y cuando es negativa, demuestra una corriente iónica neta de entrada al interior de la célula.

El gradiente o fuerza electromotriz (Vm-Ex) de los principales iones del medio intra y extracelular, se puede evidenciar en la siguiente gráfica:

Figura 6. Se ilustra la fuerza electromotriz (Vm-Ex), que impulsa el desplazamiento de los principales iones del

medio intracelular y extracelular, en una célula muscular.

Considerando el Vmr en -80 mV, en una célula muscular, podemos comparar la fuerza electromotriz (Vm-Ex) que impulsa el desplazamiento del Na+ y del K+. En el primer caso, existe un importante gradiente que impulsa la corriente de entrada de sodio al medio intracelular, (Vm-ENa = -147 mV). Por el contrario, en el caso del K+, la fuerza neta de la corriente de salida al medio extracelular es mucho menor (Vm-EK = +15 mV).

Como vemos, existe una diferencia importante en la magnitud del gradiente neto electroquímico que promueve el desplazamiento de los iones a través de la membrana, entonces, ¿cómo se puede mantener un equilibrio entre las corrientes iónicas de Na+ y K+ (INa+ = -IK+) en el estado de reposo celular?

Recordemos que el flujo de corriente depende tanto de la fuerza electromotriz (gradiente) como de la conductancia o permeabilidad de la membrana al ión. Una célula excitable, en estado de reposo, posee pocos canales abiertos para el Na+, de forma que, la conductancia es muy baja. Por lo que, pese a las grandes fuerzas químicas y eléctricas que arrastran al Na+ al interior de la célula, la entrada de este es escasa. En contraste con ello, el número de canales iónicos abiertos para el K+ es 40 veces mayor, implican una mayor conductancia del ión. Como resultado de ello, a pesar de tener una pequeña fuerza neta que impulse su difusión, la elevada conductancia le permite producir un flujo neto de K+, hacia el exterior celular, de igual magnitud que el flujo neto de Na+ al medio intracelular.

La figura 7 nos resume, el papel del K+ y el Na+ en la generación del potencial de membrana en reposo.

Como hemos considerado, el potencial de membrana en reposo depende del gradiente electroquímico y la conductancia de la membrana para el Na+ y el K+. Sin embargo, podemos inferir que, producto del proceso de difusión constante a través de la membrana, estos gradientes no se mantienen de manera indefinida. La salida constante de potasio estaría limitada al agotarse el potasio intracelular, alcanzando unas concentraciones similares a las del medio extracelular, terminando la difusión, y viceversa para el sodio. Esta disipación de los gradientes iónicos,

Figura 7. Influencia de los canales iónicos de K+

y Na+ sobre el potencial de membrana en

reposo. A. Cuando la célula es exclusivamente permeable al K+, el ión difunde al medio extracelular por su gradiente químico (flecha de color azul), dejando el interior celular cargado negativamente, sin embargo, llega un punto en que el gradiente eléctrico (flecha roja), impulsa al ión a regresar al medio intracelular, por la atracción electrostática del medio negativo. Cuando el gradiente químico y eléctrico son iguales y opuestos, no existe un flujo neto del ión a través de la membrana, y se alcanza el potencial de equilibrio (EK+ = -90 mV).

B. Las células excitables en reposo, no son exclusivamente permeables al K+, sino que también poseen canales de Na+, aunque tienen una conductancia 40 veces mayor al K+. La presencia de canales iónicos de Na+ permite la entrada del ión al medio intracelular, impulsado por sus gradientes químicos (diferencia de concentración), y eléctrico (atracción por el medio negativo). A medida que entra Na+, el LIC se hace menos negativo.

C. Producto de la entrada de Na+, como la membrana es menos negativa, disminuye el gradiente eléctrico (flecha roja), que impulsa el reingreso de K+ al interior celular, estableciendo una difusión neta de K+ al LEC, impulsado por su gradiente químico (flecha azul). A pesar que la conductancia de la membrana al K+ es mucho mayor que al Na+, producto de la diferencia de fuerza electromotriz, o gradiente neto, que actúa sobre el ión, el flujo de K+ al LEC es igual y opuesto al flujo neto de Na+ al LIC, manteniendo el Vm en un estado estacionario, menos negativo que el EK+, con un valor alrededor de -65 a -70 mV.

D. En la situación A y B, el potencial de membrana es igual al EK+. En la situación C, producto de la entrada de Na+, el Vm se desplaza a valores más positivos.

neutralizaría la excitabilidad celular, y provocaría el acumulo de Na+ en el medio intracelular, incrementando la osmolaridad de dicho compartimiento líquido, generando un gradiente osmolar que desplazaría H2O al mismo, hinchando la célula.

Con la finalidad de mantener los gradientes iónicos, la bomba Na+/K+ ATPasa, transporta 3 Na+ y 2K+, en contra de sus gradientes electroquímicos, extrayendo el Na+ al medio extracelular y permitiendo la entrada de K+ al medio intracelular, lo cual permite mantener estable la composición de dichos compartimientos, y por lo tanto, el gradiente que impulsa su movimiento por la membrana. Es de destacar, que la bomba también tiene una discreta contribución electrogénica, ya que al remover 3 cargas positivas de Na+, introduciendo solamente 2 cargas positivas de K+, lo que contribuye a generar un grado adicional de negatividad (alrededor de -4 mV), más allá del que se puede explicar por la mera difusión iónica. La Na+/K+ ATPasa es inhibida por los digitalicos o glucósidos cardiacos, un efecto importante que influye en el incremento de la contractilidad cardiaca como parte del tratamiento de la insuficiencia cardiaca.

Llama la atención, que mencionamos un tercer ión capaz de influir sobre el potencial de membrana en reposo, el Cl-, sin embargo, su papel es despreciable en condición fisiológica de reposo, ya que el potencial de equilibrio del Cl- (ECl) es de igual magnitud que el Vmr, por lo que no hay un flujo neto del ión que pueda influir sobre dicho valor. Sin embargo, cuando se altera la permeabilidad basal de la membrana al Cl-, en caso de que un ligando permita la apertura o cierre de canales de Cl-, este puede afectar dicho potencial.

Aunque hemos descrito que el flujo iónico de K+, Na+ y Cl- determinan el valor del potencial de membrana en reposo, este no es igual a los potenciales de equilibrio de dichos iones (EK+, ENa+, ECl-), sino que se encuentra en un valor intermedio, ya que la membrana no es exclusivamente permeable a uno de dichos iones, sino a todos, en diferente medida. Como regla general, cuando el Vm es determinado por dos o más especies de iones, la contribución de cada ion no solo depende de las concentraciones en el medio intra y extracelular (como enunciaba la ecuación de Nerst), sino también la facilidad con la que el ión atraviesa la membrana (Conductancia o permeabilidad). La relación entre el valor de Vmr ante las diferentes concentraciones y permeabilidades iónicas está determinada por la ecuación de Goldman:

Donde, P = permeabilidad o conductancia al ión, siendo las demás variables similares a las descritas en la ecuación de Nerst.

Podemos evidenciar que mientras mayor sea la concentración y la permeabilidad de un ión, mayor será su contribución al potencial de membrana en reposo, y tendera a desplazar dicho valor hacia su potencial de equilibrio iónico. De hecho, si retomamos el ejemplo de la célula glial, que tiene permeabilidad exclusiva al K+, podemos ver que la ecuación de Goldman se convierte en la ecuación de Nerst para dicho ión (eliminando el producto del Na+ y el Cl-, por tener permeabilidad igual a cero).

Si aplicamos dicha ecuación a una célula excitable en reposo, a una temperatura de 37 C, en donde la permeabilidad al K+ es 40 veces mayor a la del Na+, debido al mayor número de canales iónicos abiertos para el primero, y despreciamos el papel del Cl-, obtenemos el siguiente valor:

De tal manera que el potencial de membrana en reposo de la neurona, se encuentra influenciado por la mayor permeabilidad al K+ (40 veces mayor a la del Na+), ejerciendo éste ión un mayor efecto sobre el Vmr, acercándolo a su potencial de equilibrio (EK+ = -90 mV).

El papel del gradiente iónico de K+ sobre el potencial de membrana en reposo, puede evidenciarse en la siguiente gráfica:

Figura 8. Se evidencia el papel de las concentraciones de K+ en el LEC sobre el potencial de membrana en

reposo (Vmr).

Se evidencia que a las concentraciones de K+ fisiológicas en el LEC (3.5 – 5 mM), el potencial de membrana (Vm) en reposo oscila entre -90 a -70 mV, un rango normal de acuerdo al tipo de célula excitable (musculo vs. neurona). Sin embargo, en un estado de hiperpotasemia, cuando los valores de K+ superan los 5mM, el Vmr se desplaza hacia valores positivos, dado por la disminución del gradiente químico que lleva a la extrusión del K+ del medio intracelular al exterior. Al aumentar las concentraciones de K+ extracelulares, existe un menor gradiente para impulsar la salida del ión del medio intracelular (a pesar de tener una elevada conductancia), acumulándose progresivamente, aumentando las cargas positivas en el interior de la célula y por lo tanto desplazando el Vm hacia valores positivos.

Por el contrario, ante una hipopotasemia, con una concentración extracelular de K+ menor a 3.5 mM, la célula desplaza su Vmr hacia valores más negativos, como consecuencia del incremento del

gradiente químico que facilita la salida del ión al medio extracelular, removiendo mayor cantidad de cargas positivas y acumulando las cargas negativas no difusibles del medio intracelular.

En el estado de reposo, no existe una corriente iónica neta a través de la membrana, ya que el flujo de Na+ al medio intracelular, tiene un flujo igual y opuesto de K+ al LEC, manteniendo el Vmr en un estado estacionario. Cuando la célula recibe un estímulo externo, se altera el tráfico iónico en la membrana, provocando un flujo neto de cationes o aniones, cambiando el potencial eléctrico de la membrana.

El desplazamiento del Vmr hacia valores positivos, producto del incremento de las cargas positivas en el medio intracelular recibe el nombre de despolarización, y puede ocurrir como consecuencia de:

a) La apertura de canales iónicos para el Na+, que permita una mayor entrada de cargas positivas al medio intracelular, siguiendo su gradiente electroquímico.

b) El cierre de canales iónicos de K+, lo cual disminuye la salida de K+ al medio extracelular, en condición de reposo, acumulándose las cargas positivas en el medio intracelular

c) El incremento de la concentración de K+ en el medio extracelular, disminuyendo el gradiente de salida de K+, aumentando la carga neta positiva del LIC

Cuando el potencial de membrana se desplaza a valores más negativos que su potencial de reposo, se denomina hiperpolarización, y puede ocurrir como consecuencia de:

a) La apertura de canales iónicos de Cl-, que permita la entrada de un ión negativo al medio intracelular

b) La apertura de canales iónicos para el K+, incrementando la difusión del ión al medio extracelular, removiendo mayor cantidad de cargas positivas del líquido intracelular.

c) La disminución de la concentración de K+ en el medio extracelular, incrementado el gradiente de salida de K+, acumulando mayor cantidad de cargas negativas en el LIC.

Toda respuesta eléctrica de una célula excitable a un estímulo, involucra un cambio en el flujo iónico en la membrana, provocando una despolarización o hiperpolarización, sentando las bases de la señalización celular.

La respuesta a los estímulos. El potencial de acción.

La transmisión de información a lo largo de las células excitables ocurre mediante señales eléctricas y químicas. Las señales eléctricas se producen, todas ellas, por cambios temporales del flujo de corriente a través de la membrana, regulado por la apertura y cierre de canales iónicos, arrastrando el potencial de membrana y alejándolo de su valor en reposo. Estas señales, interpretadas como variaciones del potencial de membrana, permiten el transporte de la información concerniente al estímulo, de una forma rápida y segura a larga distancia. La máxima respuesta de señalización celular ante un estímulo, se denomina potencial de acción, y representa una señal eléctrica autoregenerativa, cuya amplitud no disminuye a medida que se propaga por la célula, y que surge a raíz del cambio de la conductancia y flujo iónico en la membrana celular, generando una inversión transitoria de la polaridad celular.

Cuando una célula excitable recibe un estímulo proveniente de una sinapsis celular (mediada por neurotransmisores), una distensión mecánica, o algún estimulo externo (ambiental), ocurre un cambio en la proporción de canales iónicos abiertos en la membrana plasmática (conductancia). En la mayoría de los casos, se abren canales iónicos de Na+ regulados por ligando o efecto mecánico, incrementando el flujo del ión al medio intracelular, provocando una despolarización leve y transitoria, que se propaga pasivamente a lo largo de la célula, disminuyendo su amplitud progresivamente. En el caso de una sinapsis química, esta respuesta local de la membrana se denomina potencial post-sináptico, y puede ser de carácter excitatorio o inhibitorio, de acuerdo al efecto sobre las corrientes iónicas, y si genera una despolarización o hiperpolarización, respectivamente.

Si consideramos una neurona, la cual puede recibir miles de estímulos a través de su árbol dendrítico, cada una de estas respuestas post-sinápticas, algunas excitatorias y otras inhibitorias, deben cotejarse, con la finalidad de integrar la información y permitir su transmisión a lo largo de su axón, mediante una señal eléctrica única, de amplitud constante, y de propagación autoregenerativa, representada por el potencial de acción. Dicho proceso de integración y generación de la señal ocurre en el segmento inicial del axón, denominado cono axónico, y depende de la apertura de canales iónicos de Na+ voltaje-dependientes. La apertura de estos canales ocurre por el cambio del potencial de membrana celular, dado por la despolarización originada por la llegada y confluencia de los diferentes estímulos celulares y sus potenciales post-sinápticos. El nivel de despolarización necesario para permitir la apertura masiva de estos canales voltaje dependiente y mantener un circuito de retroalimentación positiva de despolarización se denomina potencial umbral (-50 mV). Cuando la despolarización inicial alcanza el nivel umbral, la conductancia de la membrana al Na+ se incrementa 500 veces en relación a su valor de reposo, permitiendo la entrada masiva del ión al medio intracelular, desplazando el potencial de membrana hacia valores positivos, generando así, el potencial de acción.

En la mayoría de las neuronas, la cantidad de neurotransmisor liberado en una sola sinápsis es baja, permitiendo la apertura de un pequeño número de canales iónicos ligando-dependientes, generando potenciales post-sinápticos excitatorios de escasa magnitud, los cuales, por lo general, no alcanzan el nivel umbral necesario para la apertura de los canales iónicos de Na+ voltaje dependientes, no se produce la inversión de la polaridad de la membrana, y por lo tanto no se genera el potencial de acción. Sin embargo, en respuesta a dicho estímulo, se produce un cambio del potencial de membrana, denominado potencial subumbral, electrotónico o graduado, representando una respuesta despolarizante transitoria de la membrana, la cual se va a propagar localmente,

disminuyendo su amplitud, sin poder transmitir eficazmente la información a lo largo del cuerpo y el axón neuronal

Los potenciales electrotónicos pueden tener diferente amplitud, de acuerdo a la magnitud del estímulo aplicado, y por lo tanto del número de canales iónicos abiertos. Como estos potenciales pueden tomar diferentes valores dentro del espectro subumbral, se consideran señales analógicas. Si se incrementa la intensidad del estímulo o se produce la integración de múltiples señales (en el cono axónico), y la respuesta despolarizante es lo suficientemente grande para alcanzar el nivel umbral, se produce la apertura de los canales de Na+ voltaje dependiente y se genera el potencial de acción. (Ver figura 9). Por lo tanto, podemos concluir que los potenciales electrotónicos o subumbrales son respuestas locales, pasivas, de la membrana plasmática, cuya magnitud depende

de la intensidad del estímulo, estas, per se no suelen alcanzar el nivel umbral, sin embargo, pueden ser sumadas o integradas en el cono axónico, aumentando la probabilidad de generar el potencial de acción.

Figura 9. Potenciales subumbrales y el Potencial de Acción. Ante estímulos de intensidad creciente, se producen potenciales subumbrales de mayor magnitud, hasta alcanzar el potencial umbral, y permitir la apertura de los canales de Na+ voltaje dependientes, desencadenando el potencial de acción.

Fases del potencial de acción

Al obtener un registro eléctrico de los potenciales de acción generados en una neurona, podemos identificar 3 grandes fases, cada una relacionada con un evento iónico en particular:

1) Despolarización: Como consideramos antes, la clave en la generación del potencial de acción es la apertura de los canales de Na+ voltaje dependientes, una vez alcanzado el nivel umbral, lo que provoca la entrada masiva del ión al interior de la célula, impulsado por su gradiente electro químico. A medida que aumenta la corriente de entrada de Na+, se abren más canales iónicos voltaje dependiente, generando a su vez mayor despolarización, estableciendo así un circuito de retroalimentación positiva, lo cual explica la naturaleza explosiva de esta primera fase. Producto del incremento masivo de la conductancia al Na+, el potencial de membrana se desplaza hacia valores positivos, cercanos al potencial de equilibrio del ión (ENa+). La amplitud de esta fase dependerá de la concentración de Na+ en el medio extracelular.

2) Repolarización: Al finalizar la fase ascendente del potencial de acción neuronal, evidenciamos que el potencial de membrana regresa paulatinamente a sus valores de reposo, es decir, se repolariza la membrana. Esta fase descendente es consecuencia de dos procesos, una disminución de la conductancia al Na+ (gNa+) y un incremento de la conductancia al K+ (gK+).

En respuesta a la despolarización de la membrana se produce, en primer lugar, un aumento de la conductancia al Na+, y luego, al poco tiempo, una disminución de la misma. Este

fenómeno es consecuencia de la cinética particular del canal iónico de Na+ voltaje dependiente. Estos canales poseen 3 estados estructurales: reposo, activación o inactivación, de acuerdo con diferentes cambios conformacionales. A su vez estos estados se expresan como dos patrones de actividad funcional: canal abierto o cerrado. Cuando la célula está en estado de reposo, el canal también se encuentra en reposo, funcionalmente cerrado, sin permitir el paso del Na+ al medio intracelular. Una vez que llega una despolarización inicial que alcanza el nivel umbral, el canal pasa al estado de activación, y se abre, permitiendo la entrada de Na+ al interior celular, disparando el potencial de acción. Sin embargo, si la despolarización se mantiene por un tiempo prolongado, el canal pasa al estado de inactivación, bloqueando la corriente de entrada del ión. En este estado el canal no puede volver al estado activo (abierto) por una nueva despolarización. La inactivación solo puede ser revertida mediante la repolarización de la membrana a su potencial de reposo original, llevando el canal al estado de reposo nuevamente. Este cambio requiere de tiempo, ya que los canales abandonan el estado inactivo de una forma relativamente lenta.

Los efectos temporales de la despolarización sobre la gNa+ dependen de la cinética de dos mecanismos de compuertas en el canal de Na+. Cada canal posee una compuerta de activación, la cual se mantiene cerrada cuando la membrana está en reposo y se abre en respuesta a la despolarización umbral; y una compuerta de inactivación, la cual está abierta en estado de reposo, pero se cierra después que el canal pasó al estado activo, en respuesta a la despolarización. El canal solo permite el tráfico del ión durante el estado activo, cuando ambas compuertas están abiertas. La repolarización revierte ambos procesos, cerrando la compuerta de activación, y abriendo la de inactivación. Hay que destacar que cuando el canal de Na+ entra en estado de inactivación, no puede volver a ser estimulado, hasta que se cumpla un periodo de tiempo, y vuelva al estado de reposo. (Ver figura 10).

Figura 10. Cinética y conformación

estructural del canal de sodio. En el estado de reposo, la compuerta de activación está cerrada, mientras que la compuerta de inactivación está abierta. En respuesta a la despolarización, la compuerta de activación se abre, permitiendo el desplazamiento del Na+ al medio intracelular. Ante la despolarización prolongada, la compuerta de inactivación se cierra, bloqueando el canal, impidiendo su reactivación hasta que vuelva al estado de reposo, al finalizar la repolarización de la membrana.

En segundo lugar, producto de la despolarización, se induce la apertura de un grupo de canales iónicos de K+ voltaje-dependiente (canales rectificadores tardíos), incrementando así la conductancia al ión y, por tanto, la corriente de salida al medio extracelular, facilitando el regreso del potencial de membrana a sus valores negativos de reposo. Estos canales sólo tienen una compuerta que se abre con la despolarización, por lo que no tienen estado inactivo.

La duración y forma de la fase de repolarización varía a lo largo de los diferentes tejidos excitables. Al finalizar esta fase podemos volver al potencial de membrana en reposo (Vmr) o, en el caso del tejido nervioso, terminar en valores más negativos que el Vmr.

3) Hiperpolarización: En la mayoría de células nerviosas, el potencial de acción es seguido de una fase hiperpolarizante, en la cual el potencial de membrana de desplaza hacia valores más negativos que los del potencial de reposo. Esta se origina porque los canales de K+ voltaje dependientes, que se activaron durante la fase de repolarización, no se cierran en forma inmediata al retornar el potencial de membrana a su valor de reposo, por el contrario, permanecen abiertos por algunos milisegundos más, por lo que la conductancia de la membrana al K+ es mayor al final del potencial de acción de lo que era justo antes de comenzar, permitiendo una mayor salida del ión y acercando el Vm hacia el EK+. Una vez que se cierran estos canales, el potencial de membrana vuelve a sus valores de reposo originales.

En la figura 11 podemos evidenciar el registro típico del potencial de acción neuronal, identificando sus fases y los cambios de conductancia iónica en cada una de ellas.

Figura 11. Potencial de acción neuronal. Se evidencia la fase 1 (despolarización), dada por un incremento de la conductancia al Na+ producto de la apertura de los canales de Na+ voltaje dependiente. La fase 2 (repolarización), como consecuencia del cierre e inactivación de los canales de Na+, y la apertura de canales de K+ voltaje dependientes, incrementando la conductancia a este ión, los cuales se cierran paulatinamente, después que la célula retorno a su potencial de membrana en reposo, por lo que generan una tercera fase, la hiperpolarización.

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Características del Potencial de Acción

1) Todo o nada: La regla del todo o nada establece que solo cuando la despolarización inicial alcanza una magnitud umbral, permite la generación y conducción del potencial de acción, con una misma forma, amplitud y duración dentro de una mismo tipo de célula excitable (todos los potenciales neuronales son similares, sin embargo, son diferentes a los potenciales musculares), independientemente de la intensidad total del estímulo (Ver figura 12); cualquier estimulo que no alcance el nivel umbral, aunque sea por una fracción de milivoltio, no producirá esta respuesta autopropagada, y constituirá una despolarización pasiva, local de la membrana, que se propagara disminuyendo su amplitud, formando un potencial electrotónico

o subumbral. Como hemos descrito, diferentes estímulos mecánicos, químicos o eléctricos, pueden provocar la apertura de canales de Na+, permitiendo su entrada al medio intracelular, generando una despolarización inicial, que lleva a la apertura de canales de Na+ voltaje dependientes, concentrados a nivel del cono axónico, permitiendo una mayor entrada de sodio, mayor despolarización y nueva apertura de canales voltaje dependiente, estableciendo un círculo vicioso de retroalimentación positiva que continúa hasta que todos los canales de sodio han sido activados por el voltaje. Esto implica que la conductancia al Na+ aumenta de una forma estrictamente graduada con la despolarización, donde cada incremento de la misma aumenta el número de canales de Na+ voltaje dependientes que pasan del estado cerrado al abierto, y aumentan gradualmente el influjo del ión, por lo que podemos preguntarnos, ¿Por qué hay un umbral brusco para generar un potencial de acción?

Aunque una pequeña despolarización subumbral incrementa el flujo de Na+ (INa+) al medio intracelular, también aumenta las corrientes de salida de K+ (IK+) y Cl- (ICl-), al incrementar la fuerza electroquímica de arrastre sobre estos iones, por un incremento en la negatividad extracelular. Además, la despolarización aumenta la conductancia al K+ (gK+), al abrir gradualmente canales de K+ voltaje dependiente. Según aumentan IK+ y ICl- con la despolarización, tienden a resistir la acción despolarizante del flujo de Na+ al medio intracelular. Sin embargo, cuando un estímulo es de gran intensidad, generando una despolarización inicial de alta magnitud, dada la mayor sensibilidad al voltaje y la rápida cinética de activación de los canales de Na+ voltaje dependiente, la apertura masiva de estos provoca que la despolarización alcance finalmente un punto en que el incremento de la INa+ supera la IK+ y ICl- hacia el exterior celular. El valor especifico del Vm con el cual la corriente iónica neta (INa + IK + ICl-) cambia precisamente de ir hacia afuera a hacerlo hacia el medio intracelular, depositando cargas positivas netas en el lado interno de la membrana, es el potencial umbral.

La forma del potencial de acción en una célula excitable refleja las propiedades especializadas de dicha célula. Por ejemplo, los potenciales de acción nerviosos son rápidos y breves, lo que permite una transmisión eficiente de la información, mientras que los potenciales de acción del músculo cardiaco o liso, son prolongados, para permitir una contracción muscular coordinada y eficaz. (Ver figura 12).

Figura 12. Relación entre potenciales de acción entre células nerviosas y musculares. Se evidencia la diferente

morfología entre los potenciales de distintas células excitables.

Hasta ahora hemos considerado la importancia de la magnitud (intensidad) de un estímulo despolarizante inicial, para disparar un potencial de acción. Sin embargo, la duración de dicho estímulo también es importante. Podemos establecer una relación entre la intensidad y duración del estímulo, donde la despolarización mínima necesaria para llegar al nivel umbral y desencadenar el potencial de acción, puede venir de un estímulo breve, de alta intensidad, o bien de un estímulo prolongado, de baja intensidad. Por lo tanto, como podemos ver en la Figura 13, la efectividad de un estímulo para generar un potencial de acción depende del producto de su intensidad y duración. Sin embargo, independientemente de la intensidad del estímulo siempre se requiere que tenga una duración mínima, y viceversa.

Figura 13. Relación entre la intensidad y duración de un estímulo. Si el estímulo es breve, requiere de una alta intensidad para alcanzar una corriente despolarizante que llegue al nivel umbral y desencadene el potencial de acción, sin embargo, un estímulo prolongado, aunque sea de menor intensidad, también puede provocarlo. Las líneas punteadas indican la intensidad y duración mínima necesarias para generar el potencial de acción.

2) Origina un periodo de perdida de excitabilidad:

Todo potencial de acción lleva a un breve periodo de menor excitabilidad celular, o periodo

refractario, el cual puede dividirse en 2 fases. El periodo refractario absoluto, se produce inmediatamente tras el disparo del potencial de acción; durante este periodo es imposible excitar la celular por más grande que sea la corriente de estimulación que se le aplique, ya que la totalidad de los canales de Na+ voltaje-dependiente que generaron la fase de despolarización del potencial de acción se encuentran en estado inactivo y por lo tanto no pueden ser excitados nuevamente hasta que vuelvan a su estado de reposo. Para las fibras nerviosas grandes mielinizadas, este periodo es de aproximadamente 1/2500 segundos. Por tanto, se puede inferir que una fibra de este tipo, puede generar un máximo de 2500 potenciales por segundo. Esta fase va seguida del periodo refractario

relativo, durante la cual es posible desencadenar un potencial de acción, pero solo aplicando estímulos mayores que los requeridos normalmente para alcanzar el umbral, ya que la membrana esta hiperpolarizada. (Ver figura 13).

3) Se propaga de forma autoregenerativa:

La neurona, en respuesta a la llegada de un estímulo excitatorio, altera el tráfico de iones a través de la membrana, facilitando la entrada de Na+ al interior celular, desplazando el potencial de membrana hacia valores positivos (despolarización). Este cambio transitorio del Vm se propaga a lo largo de la célula, hasta llegar al cono axónico, donde se decidirá la generación del potencial de acción. Para comprender la propagación del potencial de acción, describiremos en primer lugar, la propagación de las respuestas graduadas subumbrales en la membrana.

Como ya hemos considerado, los estímulos de intensidad subumbral generan potenciales graduados, de diferente amplitud, que se propagan pasivamente, de manera electrotónica, disminuyendo su amplitud. Para entender esta atenuación en la amplitud de las respuestas subumbrales a medida que se propagan, debemos aplicar los principios físicos de la teoría de cables o conductores a la fibra nerviosa. Si utilizamos un electrodo para inyectar corriente de intensidad subumbral al medio intracelular en un punto determinado, y medimos el cambio del potencial de membrana mediante un electrodo de registro, evidenciamos que cuanto más cerca está el electrodo

Figura 13. Periodos refractarios relativo y absoluto en el potencial de acción. Durante el periodo refractario absoluto la célula no puede responder a ningún estímulo, independientemente de su intensidad, ocurre por la inactivación de los canales de Na+ voltaje dependiente. En el periodo refractario relativo, la célula puede generar un potencial de acción pero requiere de un estímulo de mayor intensidad, ya que la membrana esta hiperpolarizada, mas lejos del potencial umbral.

del lugar de entrada de la corriente, más amplio y abrupto es este cambio, mientras que disminuye de manera exponencial mientras más lejos se encuentre del punto de entrada.

La variación del potencial de membrana con la distancia depende de dos factores: la resistencia de

la membrana, y la resistencia del axoplasma. Debemos recordad que el flujo de corriente, de acuerdo a la ley de Ohm, será mayor mientras menor sea la resistencia del medio, en otras palabras, la corriente tiende a seguir la vía de menor resistencia.

Si aplicamos la teoría de cables, podemos establecer un modelo de circuito para describir la propagación de las señales eléctricas, como el que se evidencia en la figura 14.

Figura 14. Modelo de circuito equivalente de la membrana plasmática. Se evidencia la disposición en paralelo de las múltiples unidades de resistencia de membrana (Rm) a lo largo del axón, así como la disposición en serie de la resistencia del axoplasma (Ri).

Las fibras nerviosas presentan muchas de las características de un cable o conductor eléctrico. En un conductor perfecto, el aislamiento que rodea al conductor central impide las pérdidas de corriente hacia el entorno, de forma que la señal se transmite por el cable sin perder potencia. Si comparamos una fibra nerviosa amielínica con un cable eléctrico, la membrana plasmática equivale al aislamiento, y el citoplasma al conductor central. Sin embargo, la membrana no es un aislante perfecto, cada segmento de membrana neuronal ofrece una resistencia intrínseca elevada, pero se encuentran conectadas en paralelo a lo largo de la célula, por lo que la resistencia total de la membrana a lo largo del axón es baja, aparte posee canales iónicos que permiten la difusión (goteo) de las cargas a través de la misma. Si consideramos la resistencia del axoplasma, esta es menor que la resistencia de la membrana, sin embargo, se encuentran conectadas en un modelo en serie, por lo que la resistencia total del circuito es mayor dentro del axoplasma que en la membrana. Esto implica que si aplicamos una corriente en un punto determinado, esta se va a propagar a lo largo de la célula, escapándose a través de la membrana (como agua que se escapa a través de una manguera con huecos), por ser esta la vía de menor resistencia. (Ver figura 15). La caída de la diferencia de potencial con la distancia es exponencial y puede ser expresada por la siguiente función:

∆V (x) = ∆V0 e-x/λ,

donde x es la distancia desde el sitio de entrada de la corriente, ∆V0 el cambio de potencial de membrana producido en el sitio de inyección de corriente (x = 0), y λ la constante de longitud. La constante de longitud o constante espacial es la distancia a la cual el cambio de potencial de membrana ha caído a 37% de su valor inicial. (Ver figura 15). Es una medida de la eficiencia de la

conducción electrotónica a lo largo de la neurona, y está determinada por la resistencia de la membrana y del axoplasma,

λ= √Rm/Ri

donde, Rm es la resistencia de la membrana, y Ri, la resistencia del axoplasma. El valor promedio de λ es de 0.1 – 1.0 mm.

Por lo tanto, a mayor aislamiento de la membrana (aumenta Rm), y mientras mejor sean las propiedades de conducción del citoplasma (menor Ri), mayor será la constante de longitud, y más lejos podrá llegar la diferencia de potencial antes de disminuir su amplitud (mejor conducción electrotónica).

Figura 15. Conducción Electrotónica. A. Al aplicar una corriente despolarizante en un punto de la neurona, las cargas se disipan a medida que se desplazan del punto inicial, escapando a través de la vía de menor resistencia, la membrana plasmática. A mayor distancia, menor amplitud del cambio de potencial. B. La relación entre la distancia y la disminución del cambio de potencial de membrana es exponencial y determina la constante de longitud (λ), definida como la distancia a la cual la diferencia de potencial cae a un 37% del valor inicial.

Tanto la propagación electrotónica, como la conducción del potencial de acción dentro de la célula ocurren por el flujo de corrientes locales. Imaginemos que el axón se encuentra dividido en diferentes segmentos, e inyectamos una corriente despolarizante en uno de ellos, que llamaremos “segmento activo”. El citosol de esta región activa, invirtió su polaridad, y posee mayor cantidad de cargas positivas intracelulares que sus segmentos adyacentes “inactivos”, los cuales mantienen la negatividad del Vmr. Esta diferencia de cargas entre el segmento activo (donde se generó la respuesta), y los segmentos adyacentes, provoca el flujo de iones positivos a lo largo del axoplasma, atraídos por los iones negativos del segmento inactivo. Sin embargo, finalmente, las cargas seguirían

la vía de menor resistencia, a través de la membrana plasmática, y regresarían al medio extracelular, cerrando el circuito. (Ver figura 16)

Figura 16. Propagación por corrientes locales. En respuesta a la llegada del estímulo, un segmento de la membrana se despolariza, acumulando cargas positivas en su interior, las cuales son atraídas, de forma electrostática, por la negatividad de los segmentos adyacentes, aún en estado de reposo, este desplazamiento provoca la despolarización de estos nuevos segmentos, favoreciendo la transmisión de la señal. Finalmente, las cargas positivas salen a través de la membrana plasmática, de nuevo al medio extracelular, disminuyendo la señal y cerrando el circuito de transmisión.

La conducción del potencial de acción, a pesar de seguir el flujo de corrientes locales, se diferencia de la conducción electrotónica, en su capacidad de propagarse de manera autoregenerativa, sin disminuir su amplitud. La conducción con decremento no conseguiría que la señal llegara de un extremo del axón al otro, salvo en axones muy cortos, como las neuronas retinianas. Los axones de otras regiones pueden tener una longitud de un metro o más, por ejemplo, un axón de una motoneurona, de tal manera que son varias veces más largos que sus constantes de longitud. Para que un impulso eléctrico pueda circular por toda la extensión de la célula, sin disminuir su amplitud,

el potencial de acción se tiene que autoregenerar durante su conducción por la fibra. Por lo que el potencial de acción se propaga, además de conducirse.

La propagación implica la generación de potenciales de acción nuevos, conforme se van transmitiendo a lo largo de la célula. Como describimos anteriormente, la conducción del potencial de acción sigue la teoría del flujo de corrientes locales, en donde la corriente inicial despolarizante en la región activa, es atraída por las cargas negativas de los segmentos inactivos adyacentes. Si consideramos que el estímulo inicial genera un potencial de acción en el segmento activo, en vez de una respuesta subumbral, la corriente despolarizante que se conduce a los segmentos adyacentes, debería ser de intensidad suficiente para que estos alcancen su valor umbral y generen un nuevo potencial de acción. Estos segmentos pasan ahora a ser regiones activas, creando más flujo de corrientes locales, y permitiendo que áreas más alejadas todavía alcancen el umbral y puedan generar, a su vez, potenciales de acción.

En resumen, la propagación se produce por ciclos repetidos de despolarización que generan un flujo de corriente local suficiente para que una región adyacente de la membrana celular cree un potencial de acción. Por tanto, el potencial de acción se conduce por el axón mediante la generación de nuevos potenciales de acción a lo largo de su longitud. De este modo, el potencial se propaga a

larga distancia conservando la misma forma y tamaño.

El potencial de acción se genera en el segmento inicial del axón (cono axónico), y se propaga al extremo terminal, por lo que podemos considerar la propagación como un frente de onda, que va despolarizando segmentos de membrana adyacentes y generando nuevos potenciales de acción. Debemos considerar que cuando las cargas se propagan a los segmentos inactivos, la región activa original entra en fase de repolarización, y periodo refractario absoluto, por tanto, si alguna carga positiva del frente de onda se regresa, atraída por esta negatividad, no generara respuesta alguna, manteniendo la propagación del potencial de acción en un sentido unidireccional, ortodrómico, desde el soma al terminal axónico.

La propagación rápida del potencial de acción es funcionalmente importante, para lo cual el sistema nervioso animal ha desarrollado dos estrategias básicas para mejorar las propiedades de conducción

de la fibra nerviosa, y aumentar la velocidad de propagación: incrementar el diámetro del axón, lo que disminuye la resistencia del axoplasma; y la mielinización, aumentando la resistencia de la membrana plasmática.

El diámetro de la fibra, es un importante factor que influye sobre el valor de la constante de longitud, de acuerdo a la siguiente relación,

λ= √aRm/2Ri,

podemos concluir que, mientras mayor sea el diámetro del axón, mayor constante de longitud, y mejor será la propagación electrotónica de las señales eléctricas. (Ver figura 17)

Figura 17. Relación entre el diámetro del axón y la constante de longitud. Podemos observar que mientras mayor sea el diámetro del axón, menor es la resistencia axoplasmica, y por lo tanto mayor es la constante de longitud, favoreciendo la propagación de la señal de forma más rápida y eficiente.

Un segundo mecanismo para aumentar la velocidad de conducción es la mielinización del axón, es decir, el envoltorio de este con membranas de células gliales, de forma concéntrica. El grosor de la vaina de mielina puede alcanzar hasta 300 capas de membrana y representar hasta un 40% del diámetro total de la fibra nerviosa. Las células gliales productoras de mielina, son las células de Schwann en el sistema nervioso periférico (SNP), o los oligodendrocitos, dentro del sistema nervioso central (SNC). (Ver figura 18).

La vaina de mielina, tanto en el SNC como en el SNP, está constituida por un alto porcentaje de lípidos (70-85%), y un bajo porcentaje de proteínas (15-30%), dispuestos bajo un modelo de bicapa lipídica, con proteínas integrales y extrínsecas, y disposición asimétrica de ambas hojas.

Como elementos lipídicos posee colesterol, fosfolípidos (lecitin fosfatidilcolina, esfingomielina), y de forma característica, cerebrosidos (galactosil ceramida), en una relación 4:3:2. Otros lípidos incluyen polifosfoinositoles, esteres de ácidos grasos de galactocerebrosidos, y gangliósidos, como el GM1 en el SNC. Esta composición lípidica es muy similar en todas las especies, con algunas variaciones regionales, entre el SNC y el SNP.

Una gran variedad de proteínas han sido identificadas dentro de la vaina de mielina, con algunas diferencias en su expresión entre el SNC y el SNP. Dentro del SNC, las proteínas más abundantes son la proteína proteolipídica (PLP) y la proteína básica de la mielina (MBP), representando un 60 al 80% del total; mientras que en el SNP, encontramos la glicoproteína P0, representando más del 50% del total, la proteína P2, la proteína periférica de la mielina 22, así como la MBP, entre otras. Se postula que juegan un papel importante en la estabilización de la vaina, así como en la interacción con el axón. En los últimos años, nuevas proteínas han sido identificadas, incluso receptores hormonales, quedando por dilucidar la función de todas estas.

Las numerosas envolturas de la membrana que rodea al axón aumentan la resistencia de la membrana, incrementando el cociente Rm/Ri, y por lo tanto la constante de longitud. Este incremento de la resistencia de la membrana, minimiza la perdida de corriente a través de la misma, ya que las cargas son forzadas a viajar por el medio axoplásmico, de menor resistencia, disminuyendo la caída de la amplitud de la señal con la distancia.

En una neurona con un axón mielinizado, el potencial de acción se desencadena en el segmento no mielinizado de la membrana, situado en el cono axónico, propagándose a lo largo del axón a partir de este. La vaina de mielina forma una verdadera capa aislante a lo largo de la fibra, evitando el escape de las cargas transportadas por el axoplasma, favoreciendo su rápida y eficaz transmisión, sin embargo, en axones de gran longitud, estas cargas pueden ser incapaces de descargar la capacitancia de la membrana a lo largo de todo el axón, y así poder mantener la amplitud constante a través de la fibra, y si aparte consideramos que el interior de la fibra mielinica estaría completamente aislado del exterior, esto evitaría que nuevas cargas positivas puedan entrar al medio intracelular y contribuir al reforzamiento de la señal, provocando una disminución eventual de la amplitud de la misma.

Para evitar que el potencial de acción se agote, la vaina de mielina esta interrumpida a intervalos regulares, cada 1 a 2 mm, por zonas de membrana axonal desnudas, de 2 mcm de longitud, denominadas nódulos de Ranvier. (Ver figura 18).

Figura 18. Corte transversal y longitudinal de una fibra mielinica. Se evidencia como el axón se encuentra envuelto en múltiples capas de membrana rica en mielina, producidas por la célula de Schwann, ubicada en la periferia del axón. En la gráfica de la derecha se evidencia como el único segmento desnudo del axolema es el nodo de Ranvier.

Los canales de Na+ voltaje dependientes que generan el potencial de acción se encuentran densamente concentrados en la membrana del nodo de Ranvier, mientras que no existen en los segmentos internodales, lo que implica que los nodos pueden generar una intensa corriente de Na+ hacia el interior celular, en respuesta a la llegada de la despolarización, transmitida de forma pasiva a lo largo del resto del axón, por lo que el potencial de acción solo se regenera en dichos nódulos, en lugar de regenerarse forma continua a lo largo de la fibra, como sucede en los axones amielínicos. La resistencia al flujo de iones a través de la vaina de mielina de los segmentos internodales es tan elevada, que no existen corrientes transmembrana y las cargas intracelulares se propagan rápidamente hasta llegar al siguiente nodo de Ranvier, donde al encontrar un segmento de membrana desnuda, podemos desplazarla al umbral, y regenerar el potencial de acción. Estas nuevas cargas que se introducen al medio intracelular, se propagaran rápidamente como corrientes locales hasta llegar al siguiente nodo. Por ello, parece que el potencial de acción en las fibras

mielinicas, salta de un nodo de Ranvier a otro, denominándose este proceso, conducción saltatoria. A diferencia de las fibras Amielinicas, las cuales, como deben regenerar su potencial de acción de forma continua a lo largo del axón, poseen una conducción continua. (Ver figura 19 y 20).

Figura 19. Propagación del potencial de acción a través de una fibra mielinica. Podemos observar como el potencial se propaga rápidamente a lo largo de los segmentos internodales, demostrado por el poco tiempo en que la señal recorre distancias largas (baja pendiente tiempo/distancia), mientras que al llegar a los nodos de Ranvier disminuye la velocidad (aumenta la pendiente de relación tiempo/distancia), con la finalidad de redisparar el potencial, y transportarlo mediante corrientes locales rápidas hasta el siguiente nodo.

Figura 20. Conducción continua y saltatoria. A. En las fibras amielinicas la conducción del potencial de acción se realiza mediante la despolarización de todos los segmentos de la fibra nerviosa, adyacentes a la región donde se generó la señal, proceso denominado conducción continua. B. En las fibras mielinicas, el potencial se genera en el cono axónico, a partir del cual se propaga por corrientes locales hasta el siguiente nodo de Ranvier, donde la membrana plasmática pierde la vaina de mielina, se activan canales de Na+ voltaje dependientes y se redispara el potencial, transportando dichas cargas por corrientes locales rápidas hasta el siguiente nodo, proceso denominado conducción saltatoria.

La velocidad de propagación del potencial de acción en una fibra mielinica, es mucho mayor que en las fibras Amielinicas, a pesar que estas últimas tengan un diámetro superior. Por ejemplo, los axones del calamar gigante tienen 500 micras de diámetro, con lo que alcanzan velocidades de conducción aproximadas de 20 m/s, mientras que una fibra mielinica de 10 micras de diámetro, puede alcanzar velocidades de 50 m/s, más del doble del registrado en el axón del calamar, a pesar de tener un diámetro 50 veces menor. (Ver figura 21). Si nuestros nervios no estuviesen mielinizados, para poder mantener la misma velocidad de conducción, la medula espinal tendría que ser tan grande como el tronco de un árbol.

Figura 21. Velocidad de conducción en fibras

mielinicas y Amielinicas de acuerdo a su

diámetro. Podemos evidenciar como la velocidad de conducción de los axones mielinicos es superior a la de los amielínicos, a pesar de tener estos un diámetro 100 veces superior.

Por último, la conducción saltatoria de las fibras mielinicas también es favorable desde un punto de

vista metabólico, sobre la conducción continua. Como las corrientes iónicas solo se establecen en los nodos de Ranvier, en la fibra mielinica, menos cantidad de sodio atraviesa una unidad de longitud de membrana en la fibra, necesitando una menor actividad de la Na+/K+ ATPasa para restablecer y mantener los gradientes iónicos, disminuyendo el gasto de ATP celular.

Se postula que la mielina no solo cumple funciones pasivas, relacionadas con la resistencia y capacitancia de la membrana, sino que juega un papel activo afectando la estructura del axón al cual envuelve, optimizando sus propiedades para la transmisión de potenciales de acción de forma saltatoria. La mielina puede regular la organización polarizada de la membrana axonal, favoreciendo el ensamblaje y expresión de los canales de Na+ solo a nivel del nodo de Ranvier, entre otras proteínas. Al mismo tiempo, mediante mecanismos de señalización desde la mielina, al interior del axón, puede incrementar el diámetro axonal induciendo cambios bioquímicos en los componentes del citoesqueleto axonal, como los neurofilamentos.

Gracias a la vaina de mielina, podemos mantener una alta velocidad de conducción neural, necesaria para un procesamiento mental complejo y eficiente, conservando al mismo tiempo espacio y energía.

La transmisión sináptica.

Previamente, consideramos los mecanismos que subyacen al fenómeno de excitabilidad celular, la capacidad que tienen las células excitables de responder a un estímulo externo alterando el tráfico de iones a través de su membrana, generando un potencial de acción y conduciéndolo a través de toda su extensión. Para continuar nuestro viaje por el mundo neuromuscular, nos enfocaremos en la descripción de los mecanismos celulares que permiten la transmisión de la señal eléctrica entre dos células excitables, bien sea una neurona – neurona, neurona – músculo, o músculo – músculo, proceso denominado transmisión sináptica.

Dentro del sistema nervioso la transmisión sináptica se concibe generalmente como la interacción que ocurre entre dos neuronas, en una región especializada denominada sinapsis, termino acuñado por Charles Sherrington, al inicio del siglo XX. Cada neurona es capaz de formar y recibir alrededor de 1.000 a 10.000 conexiones sinápticas (inclusive las células de Purkinje cerebelares pueden recibir hasta 100.000), y, si consideramos que nuestro cerebro posee aproximadamente 1011 neuronas, esto quiere decir que poseemos de 1014 a 1015 sinapsis, 1000 veces más que el total de estrellas en nuestra galaxia, afortunadamente todas estas conexiones siguen una estructura y características funcionales básicas, que estudiaremos a continuación.

Con algunas excepciones, toda sinapsis está constituida por tres componentes: a) el terminal

presinaptico, b) la hendidura sináptica, y c) la zona postsinaptica, de acuerdo a la organización morfofuncional de estos elementos podemos describir 2 grandes tipos de sinapsis: químicas y

eléctricas.

Desde la aparición del concepto de bioelectricidad, el análisis y explicación del proceso de transmisión de las señales eléctricas entre células adyacentes significó un reto importante para los fisiólogos del momento. Sir Bernard Katz (1911-2003), calculó que la transmisión pasiva del potencial de acción, desde un terminal presinaptico hasta la zona postsinaptica, implicaría una atenuación de 10000 veces en la amplitud de la señal, de tal manera, que un potencial de acción transmitido por

una motoneurona (con una amplitud de 100 mV aproximadamente), al llegar a la célula muscular, solo provocaría una despolarización de 1 microvoltio, impidiendo cualquier respuesta celular. Con la finalidad de permitir la comunicación eficaz y eficiente entre las células excitables, la evolución nos ha dotado de mecanismos sinápticos especializados que permiten la comunicación intercelular.

Para explicar el proceso de transmisión sináptica, dos hipótesis surgieron, derivadas de diferentes escuelas experimentales. Una de ellas, proponía que las células se encontraban unidas por puentes celulares microscópicos, que permitían el flujo de la señal eléctrica de una a otra directamente; mientras que la otra, se basó en observaciones experimentales farmacológicas, para proponer que la transmisión sináptica era mediada por sustancias químicas o neurotransmisores. Para la década de 1960, los hallazgos experimentales acumulados nos permiten confirmar que las células utilizan tanto mecanismos químicos como eléctricos para la transmisión sináptica.

La evidencia directa para la confirmación de la existencia de mecanismos químicos de transmisión sináptica precedió a la identificación de los mecanismos de sinapsis eléctrica. Desde los estudios de Loewi en 1921, se identificó a la Ach como el mensajero químico responsable de la transmisión autonómica parasimpática en el corazón, estudios confirmados por Dale, algunos años después, en la placa motora, postulando que el potencial de acción neuronal, al llegar al terminal sináptico, permitía la liberación de mensajeros químicos, los cuales eran los responsables de la transmisión de la señal a la célula postsinaptica, sentando así las bases experimentales de la sinapsis química.

Por el contrario, la primera evidencia experimental que confirmo la existencia de mecanismos de sinapsis eléctrica, no llega sino hasta el año 1959, cuando mejoran las técnicas experimentales, y se logra identificar la rápida, casi inmediata, transmisión de una señal eléctrica entre dos células, conectadas entre sí mediante canales iónicos especializados, conformando una unión tipo nexo (gap junction), que permite la libre transmisión de iones y pequeñas moléculas entre ambas células.

Sinapsis Eléctrica

Una sinapsis eléctrica es una verdadera conexión estructural entre dos células excitables, dada por la presencia de una unión tipo nexo (gap junction), conformada por canales iónicos que permiten el libre paso de iones entre la célula pre y postsinaptica. En vista de esta conexión directa, la hendidura

sináptica entre las células es muy pequeña, de 3 nm aproximadamente.

Aunque su existencia en el SNC de los mamíferos se conoce desde hace mucho tiempo, se pensaba que las sinapsis eléctricas entre neuronas tenían relativamente poca importancia en el funcionamiento del SNC. Sin embargo, recientemente se ha hecho evidente que estas uniones son bastante comunes, y que en ellas pueden subyacer funciones neuronales importantes. Están presentes en el SNC animal desde los invertebrados hasta los mamíferos, y aparecen entre células gliales, así como entre neuronas. Su presencia se ha demostrado en la mayoría de las regiones encefálicas, incluyendo la oliva inferior, el cerebelo, la neocorteza, el tálamo, el hipotálamo la retina, el estriado y la médula espinal.

La unión tipo nexo en la sinapsis eléctrica está constituida por una serie de canales iónicos especializados, que forman una vía de baja resistencia entre ambas células, permitiendo la transmisión de la corriente de forma rápida, sin retraso, y con poca atenuación. En respuesta a un potencial de acción en la célula presináptica, se produce un potencial postsináptico despolarizante

en la célula postsinaptica, con un retraso mínimo, casi inexistente, que usualmente sobrepasa el nivel umbral y desencadena otro potencial de acción. (Ver figura 22).

Figura 22. Potencial presináptico y postsináptico en una sinapsis eléctrica. Se evidencia la ausencia de retardo sináptico entre la respuesta de la célula presinaptica y la aparición de una respuesta postsinaptica, en vista del libre paso de las cargas despolarizantes a través de la gap junction.

Esta es una diferencia importante con la sinapsis química, la cual presenta un retardo sináptico entre la respuesta de la célula presinaptica y postsinaptica, asociado con los eventos celulares necesarios para la exocitosis del neurotransmisor desde el terminal presinaptico.

El cambio de potencial de la célula postsinaptica está relacionado con la amplitud y forma del potencial presinaptico. Inclusive, cuando la respuesta presinaptica es de baja amplitud, subumbral, parte de esta corriente despolarizante pasa por la gap junction y provoca cierta despolarización en la célula postsinaptica, aunque no alcance el umbral para la generación de un potencial de acción, por lo que también se denomina transmisión electrotónica. (Ver figura 23). Por el contrario, dentro de las sinapsis químicas, la respuesta presinaptica debe implicar obligatoriamente la presencia de un potencial de acción, que permita la activación de canales de Ca++ en el terminal presinaptico y la puesta en marcha de la maquinaria exocítica de los mensajeros químicos, para poder generar una respuesta postsinaptica.

Figura 23. Transmisión electrotónica en la sinapsis eléctrica. Aun cuando la despolarización presinaptica sea subumbral, parte de esta corriente despolarizante pasara a través de la gap junction, produciendo una respuesta pasiva, subumbral en la célula postsinaptica.

Cada canal de la gap junction está formado por un par de hemicanales, denominados conexones, ubicados tanto en la membrana presinaptica, como postsinaptica. Ambos hemicanales forman un puente de comunicación entre las dos células, con un diámetro aproximado entre 1 a 2nm, que permite el paso de iones y moléculas pequeñas (1kDa) entre ambos citoplasmas. Cada conexón está formado por seis subunidades idénticas, denominadas conexinas, codificadas por una familia de más de 21 genes diferentes, dentro de las cuales la conexina 36 (de acuerdo a su peso molecular en kDa) es la principal dentro del SNC adulto. (Ver figura 24)

Figura 24. Estructura de una gap junction. Ambas células se encuentran acopladas electromecánicamente por la presencia de múltiples canales iónicos, cada uno de ellos formados por dos hemicanales o conexones. Cada conexón está constituido por seis subunidades de proteína conexina. El espacio sináptico es muy estrecho, de tan solo 3 nm.

La mayoría de las sinapsis eléctricas son bidireccionales, permitiendo el paso de la corriente eléctrica con la misma eficiencia en ambas direcciones, la célula que responda al estímulo externo será considerada la célula presinaptica, despolarizándose y conduciendo dicha señal a la célula contigua (postsinaptica).

La presencia de sinapsis eléctricas en el SNC es importante para la respuesta rápida y sincrónica de grupos neuronales. Por ejemplo, los reflejos de huida y escape de algunos animales, son mediados por sinapsis eléctricas, que permiten la respuesta inmediata a un estímulo sensorial periférico, permitiendo una respuesta motora estereotipada, involuntaria, asociada a la huida de dicho estimulo nocivo. Igualmente, facilita el acoplamiento eléctrico de grupos neuronales específicos, en donde muchas células pequeñas, al permitir el paso de la corriente despolarizante libremente a través de ellas, pueden actuar en conjunto como una gran célula, potenciando la respuesta postsinaptica.

Por último, aunque las sinapsis eléctricas se muestran generalmente como relativamente simples y estáticas en comparación con las sinapsis químicas, en realidad son entidades bastante dinámicas. Por ejemplo, la actividad de diferentes isoformas de conexinas está regulada por factores como la diferencia de voltaje, el pH y la concentración de calcio intracelular. Estos factores pueden alterar el

acoplamiento entre células a través de variaciones en la conductancia de canales aislados, la formación de nuevas uniones gap o la eliminación de las existentes.

Sinapsis Química

A diferencia de las sinapsis eléctricas, en las sinapsis químicas no hay una continuidad estructural entre las neuronas pre y post-sinápticas. En lugar de esto, las membranas celulares están separas por una hendidura sináptica de alrededor de 20-40 nm, interactuando entre sí mediante la liberación de mensajeros químicos, conocidos como neurotransmisores.

Las sinapsis químicas son unidireccionales, polarizadas, permitiendo la propagación de la señal en una sola dirección, desde la célula presinaptica, que libera el neurotransmisor, hasta la célula postsinaptica, que contiene los receptores específicos que reconocen y fijan dicho ligando. Los neurotransmisores suelen estar incluidos en vesículas sinápticas, agrupadas en los terminales presinapticos del axón, alrededor de regiones especializadas de la membrana, denominadas zonas

activas, desde donde serán liberados al espacio sináptico.

La transmisión sináptica en una sinápsis química puede resumirse de la siguiente manera:

- Se genera un potencial de acción en la célula presináptica

- Dicho potencial se propaga a lo largo del axón hasta el terminal presinaptico, donde permite la apertura de canales de Ca++ voltaje dependiente, permitiendo la entrada del ión al medio intracelular, siguiendo su gradiente electroquímico.

- El incremento de las concentraciones de Ca++ activa una maquinaria exocítica, que permite la fusión de las vesículas sinápticas con la membrana presinaptica y la liberación de su contenido a la hendidura sináptica.

- El neurotransmisor difunde a través de la hendidura sináptica e interactúa con receptores específicos ubicados en la célula postsinaptica.

- La unión del transmisor a los receptores provoca la alteración del tráfico iónico en la célula postsinaptica, provocando un cambio transitorio del potencial de membrana local (potencial postsináptico), que puede implicar una despolarización (Potencial postsináptico excitatorio) o una hiperpolarización (Potencial postsináptico inhibitorio).

- Finaliza la señal química, mediante la degradación enzimática del neurotransmisor, su recaptura al terminal presinaptico o su difusión a regiones adyacentes.

La exocitosis de las vesículas sinápticas implica la actividad de una serie de proteínas intracelulares, que permiten el traslado de las mismas hacia las zonas activas, y su fusión con la membrana presinaptica. En respuesta al incremento de las concentraciones de Ca++ intracelulares, se activan proteínas quinasas dependientes de Ca++ y calmodulina, las cuales fosforilan a las proteínas sinapsinas, movilizando las vesículas sinápticas desde su pool de reserva, lejos de la zona activa, hasta esta. La fusión de las vesículas con la membrana presinaptica implica la actividad de las proteínas SNARE, de las cuales existen 2 tipos: las v-SNARE, presentes en la membrana de la vesícula; y las t-SNARE, presentes en la membrana plasmática presinaptica. Cada vesícula posee un solo tipo de v-SNARE, la sinaptobrevina, mientras que la zona activa presinaptica posee 2 tipos

de t-SNARE, la sintaxina y la SNAP-25. Considerando que la fusión de las vesículas con la membrana plasmática debe ocurrir en una fracción de milisegundo, se postula que las proteínas SNARE se encuentran formando un complejo de unión ternario, facilitado por la acción de proteínas SM, como la Munc-18, antes de la entrada del Ca++ al medio intracelular. Una vez que llega la señal eléctrica al terminal presinaptico, y se abren los canales de Ca++ voltaje dependiente, el incremento del ión en el interior celular, activa a una proteína sensora de calcio, en la membrana vesicular, denominada sinaptotagmina, la cual permite la fusión definitiva de las membranas, la formación del poro sinaptico y la exocitosis del contenido de la vesícula. Es de destacar que las proteínas SNARE son bloqueadas por acción de la toxina botulínica, disminuyendo la liberación de neurotransmisores como la acetilcolina, en la placa motora y los ganglios autonómicos. (Ver figura 25)

Figura 25. Formación y disociación del complejo SNARE. Podemos evidenciar el ciclo SNARE. Inicialmente la sinaptobrevina interactúa con las dos proteínas t-SNARE, la sintaxina y la SNAP-25, formando un complejo ternario que acerca la vesícula y la membrana presinaptica, este complejo es estabilizado gracias a la proteína Munc-18. La entrada de Ca++ al interior de la célula, permite la activación de la sinaptotagmina, favoreciendo la fusión de las membranas y la formación del poro sináptico, con la subsiguiente liberación del contenido vesicular. Finalmente, las proteínas NSF y SNAP, se unen al complejo SNARE permitiendo su disociación, en una reacción dependiente de ATP, reciclando así la membrana de la vesícula.

Considerando los pasos necesarios para la liberación del neurotransmisor y la respuesta postsinaptica, en respuesta a la llegada del potencial de acción al terminal presinaptico, las sinapsis químicas son más lentas que sus contrapartes eléctricas, presentando un retardo sináptico característico, definido como el tiempo que transcurre entre la estimulación presinaptica y la respuesta postsinaptica. Sin embargo, a pesar de esto, las sinapsis químicas tienen una importante propiedad de amplificación de la señal, ya que inclusive la liberación de una sola vesícula sináptica, permite la interacción de miles de moléculas de neurotransmisor con sus receptores postsinápticos, actuando sobre una gran cantidad de canales iónicos y alterando el trafico iónico de la célula diana, por lo que una pequeña corriente despolarizante presinaptica, puede generar una importante despolarización en la postsinapsis. (Ver figura 26)

Figura 26. Transmisión sináptica en la sinapsis química. Como podemos evidenciar en los registros eléctricos a la izquierda, existe un retardo sináptico (indicado por la flecha), entre la estimulación presinaptica, y la respuesta postsinaptica, relacionada con los eventos bioquímicos que implican la liberación del neurotransmisor desde las vesículas sinápticas y su interacción con los receptores postsinápticos, eventos descritos en las figuras de la derecha. El potencial de acción presinaptico permite la apertura de los canales de Ca++ voltaje dependientes, el aumento de la concentración del ión en el medio intracelular permite la exocitosis del neurotransmisor, el cual interactúa con los receptores postsinápticos generando el potencial postsináptico, excitatorio en este caso.

La naturaleza molecular de las sinapsis químicas le otorga una gran diversidad y especialización funcional, encontrando neurotransmisores con efecto inhibitorio (GABA) o excitatorio (Glutamato), o una misma molécula que puede desarrollar respuestas postsinapticas tanto excitatorias como inhibitorias. La acción del neurotransmisor dependerá de las propiedades del receptor postsináptico que fija dicho ligando, no de las propiedades químicas de la sustancia. Por ejemplo, la acetilcolina (Ach) puede excitar algunas células postsinapticas (musculo liso gastrointestinal) e inhibir otras (miocardio), e incluso en otras células puede producir tanto excitación como inhibición (neuronas postganglionares autonómicas). Es el receptor postsináptico el que determina la acción final de la Ach, determinando si la sinapsis colinérgica será excitatoria o inhibitoria.

La liberación de neurotransmisores puede ser considerada como múltiples paquetes individuales que vierten su contenido al espacio extracelular, cada uno de ellos representa una vesícula sináptica, cuyo contenido individual es la mínima cantidad de neurotransmisor que puede ser liberado en una

sinapsis, esta cantidad fija se denomina cuanto. Cada cuanto de NT produce un potencial postsináptico de amplitud fija, gracias a la interacción con un número determinado de receptores postsinápticos, denominado potencial postsináptico cuántico. El potencial postsináptico total viene representado por la sumatoria de múltiples potenciales cuánticos, ya que durante una sinapsis química estándar se produce la liberación de miles de cuantos, produciendo cada uno de ellos, un potencial cuántico individual, los cuales se superponen para generar el potencial postsináptico.

Existen dos grandes categorías de receptores postsinápticos para los neurotransmisores, los receptores ionotrópicos, los cuales constituyen canales iónicos ligando dependientes, la activación del canal puede provocar una despolarización o hiperpolarización de la membrana, dependiendo de la selectividad iónica del mismo; y los receptores metabotrópicos, receptores acoplados a proteínas

G (receptores con siete dominios transmembrana), en respuesta a su activación, las subunidades alfa y beta-gamma de la proteína G activan una serie de respuestas celulares mediante la interacción directa con otros canales iónicos o segundos mensajeros. Por su propia naturaleza, los receptores

iónotropicos median respuestas sinápticas rápidas, que ocurren en la escala de los milisegundos, mientras que los receptores metabotropicos median respuestas lentas, de segundos a minutos de duración.

En la siguiente tabla podemos comparar las principales características morfofuncionales de la sinapsis eléctrica y química.

Sinápsis Eléctrica Sinápsis Química

La hendidura sináptica es muy estrecha Presenta una hendidura sináptica amplia

Las células se encuentran acopladas electromecánicamente entre si, gracias a las gap junctions

Las células se encuentran separadas una de otra, sin contacto físico

La despolarización de la célula post- sináptica, es inducida por la corriente iónica de la célula presinaptica

La despolarización o hiperpolarización post-sináptica es mediada por la liberación de neurotransmisores desde el terminal presinaptico

Es bidireccional, siempre excitatoria Es unidireccional, puede ser excitatoria o inhibitoria dependiendo de la naturaleza del receptor postsináptico.

No existe retardo sináptico. Es rápida. Hay retardo sináptico. Es más lenta.

Tabla 1. Comparación de las propiedades funcionales de las sinapsis eléctricas y químicas.

La sinapsis neuromuscular.

La sinapsis química entre las terminaciones nerviosas periféricas y las fibras musculares esqueléticas es la conexión sináptica más estudiada dentro del sistema nervioso, en vista de su relativa simplicidad, y su facilidad de acceso para experimentación. Las neuronas motoras del asta anterior de la médula espinal (motoneuronas), dan origen a axones periféricos, que discurren a

través de los nervios espinales hasta llegar al músculo efector, cada axón se ramifica intensamente a medida que se acerca a la célula diana, dando origen a una gran cantidad de terminaciones sinápticas, que interactuaran con diferentes células musculares. Esta región especializada de comunicación entre la motoneurona y la célula muscular, recibe el nombre de unión neuromuscular. Esta sinapsis está constituida por el botón presinaptico de la motoneurona y su zona activa, y una región especializada de la célula muscular, denominada placa terminal o placa motora, donde la membrana muscular posee una gran cantidad de invaginaciones, que le permiten incrementar el área total que participa dentro de la sinapsis, estas poseen una gran cantidad de receptores postsinápticos y canales de Na+ voltaje dependiente. La hendidura sináptica tiene un espesor de 50 nm, aproximadamente, y contiene una gran cantidad de proteínas y proteoglicanos, que forman parte de la matriz extracelular. Es de destacar, la presencia de la enzima acetilcolinesterasa, asociada a la membrana basal de las invaginaciones postsinapticas.

Las vesículas presinapticas contienen acetilcolina (Ach), siendo este el neurotransmisor clave de la unión neuromuscular. Cada vesícula posee alrededor de 6000 a 10000 moléculas del neurotransmisor, el cual es sintetizado en el soma celular, gracias a la enzima colina

acetiltransferasa, para posteriormente ingresar a la vesícula por la acción de un intercambiador Ach-H+. (Ver figura 27)

Figura 27. La unión neuromuscular. Las motoneuronas alfa nacen en la sustancia gris del asta anterior de la médula espinal, desde donde salen a través de los nervios espinales hacia los músculos efectores periféricos. Cada axón se ramifica en múltiples terminales axonales, que inervan a diferentes células musculares. Cada terminal a su vez, da origen a una serie de botones sinápticos, los cuales entran en contacto estrecho con una región de la célula muscular denominada placa motora, la cual posee una gran cantidad de invaginaciones, llenas de receptores nicotínicos musculares y de la enzima acetilcolinesterasa. Cada botón posee una gran cantidad de vesículas sinápticas, agrupadas en la zona activa de la membrana presinaptica. El neurotransmisor presente en las vesículas es la acetilcolina, sintetizada en el soma neuronal, a partir de la colina y acetilCoA, gracias a la enzima, colina acetiltransferasa, dicho neurotransmisor ingresa a la vesícula por un antiporte con H+. En respuesta al potencial de acción neuronal, se abren canales de Ca++ voltaje dependiente, aumenta la concentración de Ca++ intracelular, y se activa la maquinaria de exocitosis de las vesículas sinápticas, liberando la Ach a la hendidura sináptica, interactuando con los receptores nicotínicos musculares, generando un potencial excitatorio postsináptico en la placa motora. Finalmente, la Ach es degradada a Acetato y colina por la enzima acetilcolinesterasa, finalizando la señal.

En relación con los receptores postsinápticos, existen 2 grandes tipos de receptores colinérgicos: los receptores nicotínicos, de carácter ionotrópico, los cuales constituyen un canal iónico con alta permeabilidad para el Na+, cuya apertura depende de la presencia de la interacción de 2 moléculas de acetilcolina con su sitio activo, dichos receptores se ubican a nivel de la placa motora de la unión neuromuscular, y en la neurona postganglionar, dentro de las sinapsis ganglionares autonómicas; y los receptores muscarínicos, de carácter metabotrópico, los cuales se encuentran acoplados a proteínas G, que permiten la activación de proteínas efectoras y la generación de segundos mensajeros, estos receptores se encuentran dentro de las sinapsis postganglionares parasimpáticas. (Ver figura 28)

Figura 28. Receptores nicotínicos y

muscarínicos. A. Los receptores nicotínicos son receptores ionotrópicos, es decir, son canales iónicos ligando dependientes. En respuesta a la unión de dos moléculas de acetilcolina el canal se abre, permitiendo la entrada de Na+ al medio intracelular, generando una rápida despolarización de la membrana y un potencial postsináptico excitatorio. Se encuentran ubicados en la placa motora y las neuronas postganglionares autonómicas. B. Los receptores muscarínicos son receptores de tipo metabotrópico, acoplados a un sistema de segundos mensajeros. Pueden mediar respuestas excitatorias o inhibitorias. Se encuentran ubicados en las sinapsis postganglionares parasimpáticas. Por ejemplo, a nivel cardiaco, la acetilcolina al interactuar con los receptores M2 activa a una proteína G inhibitoria, que induce la activación de corrientes de salida de K+, hiperpolarizando las células del sistema de conducción y disminuyendo la frecuencia cardiaca.

En la unión neuromuscular, una vez que el potencial de acción se propaga hasta el terminal presinaptico de la motoneurona, se inicia una cascada de eventos que concluye con la liberación de acetilcolina hacia la hendidura sináptica, la cual interactúa con receptores nicotínicos musculares de la placa motora, generando un potencial excitatorio postsináptico, conocido como potencial de placa

motora (PPM). Los receptores nicotínicos musculares son canales catiónicos no selectivos, que requieren de la unión de dos moléculas de acetilcolina para pasar al estado activo, y permitir el paso tanto al Na+ como al K+, sin embargo, como el gradiente electroquímico que impulsa al Na+ es superior, podemos generalizar afirmando que, producto de la llegada del ligando a la placa motora, aumenta la conductancia al Na+ en la membrana plasmática, generando una despolarización local, transitoria, que constituye el potencial de placa motora, y que suele posee la amplitud necesaria para alcanzar el umbral de la célula muscular (Vm = -50 mV), activar canales de Na+ voltaje dependiente y desencadenar el potencial de acción muscular. Sin embargo, es de destacar que, per se, el potencial de placa motora es un potencial graduado, cuya amplitud dependerá del número de receptores colinérgicos activos, por ejemplo, en condiciones fisiológicas la cantidad de cuantos de acetilcolina liberados producen la activación de un número tal de receptores nicotínicos que permite la generación de un potencial de placa motora de amplitud suficiente para llegar al potencial de acción muscular, pero si utilizamos curare, un antagonista competitivo de los receptores nicotínicos, la amplitud del PPM disminuirá y no se producirá el potencial de acción muscular. (Ver figura 29).

Figura 29. El potencial de placa motora. A. El potencial de placa motora representa el potencial excitatorio postsináptico de la unión neuromuscular, se origina por la activación de múltiples receptores nicotínicos por la liberación de las vesículas presinapticas con acetilcolina. En condiciones fisiológicas, su amplitud es suficiente como para alcanzar el umbral de la célula, abrir canales de Na+ voltaje dependiente, y desencadenar el potencial de acción muscular. B. Si utilizamos curare, un antagonista de los receptores nicotínicos, la amplitud del potencial disminuye, producto de la menor entrada de Na+ al medio intracelular, por lo cual, puede no alcanzar el umbral, no generar potenciales de acción y por lo tanto, no se evidencia contracción muscular.

En condiciones fisiológicas, un potencial de acción en la motoneurona produce un potencial de placa motora con una amplitud aproximada de 40 mV, suficiente para alcanzar el umbral y desencadenar el potencial de acción muscular. Esta señal de gran amplitud ocurre como consecuencia de la liberación de aproximadamente 200 vesículas sinápticas, cada una conteniendo de 6000 a 10000 moleculas de acetilcolina. Sin embargo, estudios de registros electrofisiológicos de la placa motora, realizados por Fatt y Katz en 1950, identificaron que células musculares no sometidas a estimulación nerviosa presentaban pequeñas despolarizaciones de alrededor de 0.4 mV de amplitud, las cuales aparecían a intervalos aleatorios. Estas respuestas eran abolidas mediante el uso de curare, un antagonista de los receptores nicotínicos, pero se incrementaban con la aplicación de neostigmina, un inhibidor de la acetilcolinesterasa. Considerando que estas fluctuaciones espontaneas del Vm exhibían un curso temporal similar al del potencial de placa motora, fueron denominadas potenciales

de placa motora en miniatura. Estas observaciones sugieren que aun en ausencia de estimulación nerviosa, hay una pequeña probabilidad de liberación de neurotransmisores en la terminal presinaptica, que provoca la apertura de un pequeño número de receptores nicotínicos en la membrana postsinaptica. De hecho, los potenciales de placa motora en miniatura se presentan como múltiplos discretos de una amplitud unitaria, hecho que confirma la naturaleza cuántica de la liberación de los neurotransmisores. Bajo este sentido, la liberación espontanea de un cuanto (vesícula) de acetilcolina produciría un PPM en miniatura de 0.4 mV de amplitud, la liberación de dos cuantos, implicaría una amplitud de 0.8 mV, y así sucesivamente. De hecho, el potencial de placa motora se origina producto de la sumatoria de múltiples potenciales miniatura, generados por la liberación de hasta 200 cuantos de neurotransmisor simultáneamente.

Figura 30. Potenciales de placa motora en miniatura. El potencial de placa motora en miniatura ocurre por la liberación espontanea de cuantos aislados de acetilcolina desde la motoneurona. Su amplitud es unitaria, y está alrededor de 0.4 mV. Si generamos pequeños estímulos presinapticos, y aumentamos la liberación de cuantos de neurotransmisor, podemos ver que las respuestas postsinapticas son múltiplos de 0.4 mV, la respuesta mínima originada por el neurotransmisor.

FISIOLOGÍA MUSCULAR.

El movimiento en los seres vivos es ejecutado por órganos llamados músculos. Existen 2 tipos de músculos: El músculo estriado y el músculo liso. El músculo estriado a su vez puede dividirse en músculo esquelético y músculo cardiaco.

- El músculo esquelético es el que forma la musculatura somática, tiene estriaciones transversales evidentes, no es capaz de contraerse sin una estimulación nerviosa, y sus fibras se comportan como unidades anatómicas y funcionales independientes.

- El músculo cardiaco tiene igualmente estriaciones transversales, pero sus fibras se comportan como un sincitio, por la presencia de sinapsis eléctricas entre sus células, y gracias a la presencia de células marcapasos en el miocardio, se contrae de forma rítmica sin estimulación nerviosa.

- El músculo liso carece de estriaciones transversales. El musculo liso unitario que forma las vísceras huecas se comporta como un sincicio y contiene marcapasos para contracciones rítmicas.

Al igual que las células nerviosas, las células musculares pueden excitarse en respuesta a estímulos químicos, eléctricos o mecánicos, y generar un potencial de acción que se propague a lo largo de la fibra muscular. La diferencia básica entre ambas células radica en que el potencial de acción en la

fibra muscular desencadena un mecanismo contráctil, el cual esta mediado por la interacción de proteínas contráctiles, como lo son la actina y la miosina.

La musculatura esquelética.

El músculo esquelético es un órgano que puede equipararse con un motor flexible y elástico que se une a palancas rígidas (los huesos), y que al contraerse imprime un giro sobre esta palanca a través de las articulaciones, que actúan como puntos de apoyo.

Este conjunto de elementos, los músculos, los huesos y las articulaciones forman el aparato locomotor del organismo, que está bajo control de los sistemas nervioso y endocrino.

El músculo esquelético está formado por un conjunto de fibras musculares, cada una de estas fibras se corresponde con una célula muscular, cilíndrica, alargada y rodeada de una membrana celular (el sarcolema), este sarcolema se invagina de trecho en trecho en la célula para formar los túbulos T.

El citoplasma de las células musculares contiene una gran cantidad de enzimas, lípidos, partículas de glucogeno, mitocondrias y miofibrillas. Las miofibrillas constituyen el mecanismo contráctil del músculo, están formadas por un conjunto de filamentos, que pueden separarse en: Filamentos delgados, Filamentos gruesos y Filamentos conectores.

Las estriaciones características del músculo esquelético se deben a los diferentes índices de refracción que presentan las diferentes partes de la fibra muscular. En la miofibrilla, se evidencia una banda I (isotrópica) que se corresponde con la presencia de los filamentos finos, las bandas I se acoplan entre sí en la denominada línea Z; se evidencia también una banda A (anisotropica) oscura, que se corresponde con la presencia de filamentos gruesos, en la banda A se encuentra una región central denominada zona H, donde se encuentran exclusivamente los filamentos gruesos, en el

medio de esta zona H se encuentra la línea M, que sirve de anclaje a los filamentos de miosina. El área entre 2 líneas Z se denomina Sarcómera, y es la unidad funcional del músculo estriado, es aquí donde se interdigitan e interaccionan los filamentos finos y gruesos que permiten el mecanismo de contracción muscular. (Ver figura 31).

Figura 31. Sarcómero muscular

Los filamentos gruesos están constituidos por moléculas de Miosina II, la cual posee por 2 cabezas globulares, con alfa afinidad por la actina y actividad ATPasa, conformada por cadenas ligeras y cadenas pesadas, y una cola, constituida solamente por las cadenas pesadas.

Figura 32. Filamentos gruesos.

Los filamentos delgados están constituidos por 3 proteínas: la actina F, la tropomiosina y la troponina. El filamento está formado por una doble hélice de moléculas de Actina F (filamentosa), en el surco que queda entre ambas cadenas discurre la tropomiosina, la cual oculta los sitios activos de interacción de la actina para con la miosina; y, finalmente, cada 7 residuos de actina se encuentra la Troponina, constituida por 3 subunidades, la Troponina T (se une a la tropomiosina), la Troponina I (inhibe la interacción actina-miosina), la Troponina C (fija al Ca++ y comienza la contracción muscular).

Figura 33. Filamentos delgados. Estructura del filamento delgado, evidenciando la actina F, la tropomiosina, deslizandose entre las 2 cadenas de la actina, y cada 7 residuos de actina, el complejo troponina (I, C y T)

Como filamentos conectores encontramos a los filamentos de titina, que permiten el anclaje de la línea Z con la línea M, con características elásticas, proporcionándole elasticidad al músculo, constituyendo el andamiaje de la sarcomera. Igualmente encontramos a la nebulina que une ambos extremos de los filamentos finos regulando su longitud durante el ensablaje del filamento fino, y la Alfa actinina que ancla los filamentos delgados a la linea Z.

Como se había mencionado, el sarcolema de la fibra muscular se invagina de trecho en trecho (en la unión de la banda A con la banda I), para formar los túbulos T, estos permiten la rápida propagación del potencial de acción a lo largo de la fibra muscular, estos túbulos T interactúan, a cada lado, con cisternas terminales del retículo sarcoplásmico (que interviene en el almacenamiento de Ca++), formando así la estructura denomina tríada, y regulando la liberación de Ca++ para comenzar el mecanismo contráctil cuando se propaga un potencial de acción a lo largo de la fibra. (Ver figura 34).

Figura 34. Triada del musculo esquelético. Se denota la invaginación del sarcolema, constituyendo los túbulos T, asociados a ambos lados con las cisternas del retículo sarcoplásmico, sitio este, en donde se desarrolla el acoplamiento excitación-contracción.

Todo el proceso de la contracción muscular suele desarrollarse en respuesta a la excitación nerviosa de la placa motora, y la generación del potencial de acción muscular.

El proceso por el cual la despolarización del músculo inicia la contracción se llama acoplamiento

excitación-contracción.

El potencial de acción se transmite a lo largo de toda la fibra por el sistema T; se inicia la liberación de Ca++ de las cisternas terminales, este se une con la troponina C y comienza el proceso de contracción, por lo que este acoplamiento implica una interacción entre las triadas (túbulo T y cisternas del retículo sarcoplásmico) y los miofilamentos, mediado en parte, por la acción de los receptores de dihidropiridina y rianodina.

La despolarización de la membrana del túbulo T activa al retículo sarcoplásmico mediante los receptores para dihidropiridina, estos actúan como canales iónicos de Ca++ voltaje dependientes en el músculo cardiaco, mientras que en el músculo esquelético, actúan como sensores de voltaje. Cuando se propaga el potencial de acción a lo largo de la fibra, se activan estos receptores y este actúa como un “disparador” para la liberación de Ca++ desde el retículo. Este receptor cuando se activa, induce a la activación de los receptores de Rianodina, (ya que esta acoplado electromecánicamente con estos receptores), canales de Ca++ ubicados en la membrana del

retículo, y así se permite la liberación de Ca++ hacia el citosol celular. El aumento de las concentraciones de calcio intracelular es el desencadenante de la contracción muscular, permitiendo la interacción acto miosina. (Ver figura 35).

Figura 35. Acoplamiento excitación-contracción. El receptor de dihidropiridina se encuentra ubicado en la membrana del tubulo T, y se encuentra acoplado electromecánicamente al receptor de rianodina, presente en la membrana de la cisterna. El receptor de dihidropiridina actúa, en el músculo esquelético, como un sensor de voltaje, activándose en respuesta a la llegada del potencial de acción muscular, permitiendo la apertura del receptor de rianodina, el cual permite la salida de Ca++ desde el interior de la cisterna hacia el citoplasma, iniciando los mecanismos contráctiles.

La contracción consiste en el acortamiento de la longitud del músculo, esto se debe a una disminución en la longitud sarcomerica, con la finalidad de explicar este fenómeno se ha postulado la teoría de los filamentos deslizantes o mecanismo de los puentes cruzados.

Durante la contracción o el estiramiento muscular la banda A del sarcomero no modifica su longitud, a diferencia de la banda I que aumenta su longitud (en el estiramiento) o la disminuye (en la contracción), este fenómeno se explica mediante movimientos deslizantes de los filamentos delgados sobre los filamentos gruesos.

Figura 36. Acortamiento de las bandas I durante la contracción muscular. Se evidencia que la banda A permanece constante, mientras lo que se evidencia es un acortamiento de las bandas I (constituidas por filamentos finos), siendo este una evidencia de que en la contracción muscular lo que realmente hay es un deslizamiento del filamento fino sobre el filamento grueso.

Una vez establecido este movimiento deslizante, es importante establecer cual es el mecanismo que impulsa este movimiento, el cual depende de la interacción de los puentes cruzados que se proyectan desde el filamento grueso hacia el filamento delgado.

La teoría de los puentes cruzados implica la unión intermitente de la actina de los filamentos delgados con los puentes cruzados de miosina de los filamentos gruesos.

En condiciones estructurales normales del Sarcómero, la interacción actina-miosina se encuentra inhibida por la presencia de la troponina I, al liberarse Ca++ al medio intracelular este se une a la troponina C, lo cual trae como consecuencia un cambio conformacional que inactiva a la troponina I y la tropomiosina se desplaza lateralmente, permitiendo la exposición de los sitios activos de la actina para con la miosina.

Inicialmente el filamento de miosina se encuentra unido a la actina, la cabeza de la miosina se encuentra en una orientación de 45 grados (después del ultimo ciclo de puentes cruzados), se une el ATP lo que causa una disminución de la afinidad de la actina por la miosina y permite la disociación de los filamentos así como la reorientación de la cabeza de miosina a su estado de reposo en 90 grados. Luego el ATP es hidrolizado rápidamente gracias a la actividad ATPasa de las cabezas de miosina para formar el complejo Miosina-ADP-Pi, este complejo se caracteriza por tener una elevada energía libre y una alta afinidad para con la actina, después de la unión con la actina, se libera el ADP y Pi, esto trae como consecuencia un cambio conformacional en la cabeza de miosina, la cual rota para pasar de una orientación de 90 grados a una de 45 grados con respecto al filamento delgado, este cambio conformacional origina una fuerza que impulsa al filamento delgado hacia el

filamento grueso, esta fuerza se transmite al citoesqueleto de la célula gracias a la proteina distrofina y produce el acortamiento general de la misma; Luego a este complejo actina-miosina se le une una molécula de ATP, el complejo resultante (miosina-ATP) tiene una baja afinidad por la actina y esto trae como consecuencia la disociación del complejo, posteriormente este ATP es hidrolizado nuevamente y comienza el ciclo. Ver figura 37.

Figura 37. Ciclo de puentes cruzados.

Este ciclo continua realizándose hasta que se acabe el ATP o los mecanismos reguladores entren en acción, disminuyendo las concentraciones de Ca++ intracelular, lo cual retrae a los sitios activos de la actina para con la miosina y finaliza la contracción muscular.

Una vez, termina la señal nerviosa, la concentración de calcio en el citoplasma disminuye por diversos mecanismos:

1) El retículo sarcoplásmico empieza a reacumularlo mediante un mecanismo de transporte activo, mediado por la proteína SERCA, hacia las porciones longitudinales del retículo, y de aquí difunden hacia las cisternas terminales, donde es capturado por la proteína calsecuestrina y almacenado hasta que es liberado por el siguiente potencial de acción.

2) El calcio es exportado hacia el exterior celular, por una bomba de calcio de la membrana plasmática, llamada Ca++-ATPasa de la membrana o PMCA

3) Puede salir al exterior celular en un intercambio por Na+, gracias a la actividad del antiporter Na+/Ca++ de la membrana.

Figura 38. Mecanismos de relajación muscular. El calcio puede ser recaptado al interior del reticulo sarcoplasmico, por acción de la proteína SERCA, para posteriormente ser fijado por la calsecuestrina o calreticulina. El otro mecanismo implica la exportación del calcio al medio extracelular, por una bomba de Ca++ (PMCA), o un intercambiador Na+/Ca++

Una vez que la concentración de Ca++ fuera del retículo se redujo lo suficiente, cesa la interacción química entre la miosina y la actina, y el músculo se relaja. Nótese que el ATP proporciona la energía tanto para la contracción como para la relajación. El deslizamiento de regreso de los filamentos delgados a su posición de relajación es dependiente de la energía elástica almacenada en las estructuras sarcoméricas y extrasarcoméricas.

Cuando las fibras musculares agotan por completo el ATP y la fosforilcreatina, desarrollan un estado de rigidez llamado rigor. Cuando esto sucede después de la muerte, la situación se denomina rigor

mortis. En el rigor casi todas las cabezas de miosina se unen con la actina, pero de manera anormal, fija y resistente.

Si los mecanismos de recaptación de Ca++ se encuentran inhibidos, o bien se estimula la apertura directa de los receptores de rianodina, en ausencia de estimulación nerviosa (como la producida por la cafeína), se puede producir una contracción sostenida, conocida como contractura.

Podemos concluir que el potencial de acción muscular siempre precede al aumento de la concentración de Ca++ intracelular, el cual precede siempre a la contracción muscular y la generación de tensión, por lo tanto existe un periodo de tiempo entre la generación del potencial de acción y la generación de tensión muscular conocido como periodo de latencia.

Figura 39. Periodo de latencia muscular.

Si tomamos en cuenta el mecanismo de los puentes cruzados, la fuerza total que se genera en la contracción muscular, depende del número de interacciones simultaneas entre los puentes cruzados y los filamentos delgados. Esta interacción va a depender de 3 factores básicos: La longitud muscular en reposo, la frecuencia y la intensidad de estimulación nerviosa.

La longitud muscular influye en la capacidad de generación de tensión, en base a la diferente interacción entre los miofilamentos. La tensión muscular, se puede clasificar en tensión pasiva y tensión activa. La tensión activa es la que depende de la interacción actomiosina, mientras que la pasiva, es la que deriva de la capacidad elástica del musculo, en donde, mientras mayor sea la longitud del mismo, mayor elasticidad (tendencia a regresar a su posición original) va a tener, y mayor tensión pasiva generara. La sumatoria de ambas se denomina tensión total (siendo esta la única posible de registrar con un transductor de tensión). Si se modifica la longitud del músculo, ya sea por estiramiento o acortamiento, este numero de interacciones se ve modificado, si se sobreestira el músculo, la ínter digitación entre los filamentos va a disminuir progresivamente hasta desaparecer por completo (al igual que la tensión activa generada, sin embargo va a aumentar la tensión pasiva generada ya que aumenta la resistencia elástica del musculo que tiende a volverlo a su estado normal), si se acorta la longitud del músculo, los filamentos van a distorsionar la interacción en los puentes cruzados; a medida que modificamos la longitud del musculo y lo correlacionamos con la tensión muscular generada, podemos evidenciar la curva de la figura 40, destacando que todo musculo presenta una longitud optima sarcomerica en la cual las interacciones de los puentes cruzados con los filamentos delgados son optimas y se genera la mayor tensión activa posible.

Figura 40. Curva longitud-tensión musculo esquelético. Se evidencia que al principio, cuando la longitud del Sarcómero es muy corta, la tensión activa que genera el musculo es baja, sin embargo, a medida que se alarga el musculo, esta va aumentando, hasta llegar al punto en el cual se genera la máxima tensión activa posible (longitud optima), luego esta va disminuyendo paulatinamente, y la tensión total aumenta a expensas de la tensión pasiva, derivada del sobreestiramiento del musculo.

La contracción muscular puede expresarse de 2 formas: en términos de acortamiento o en términos de tensión. La contracción muscular se manifiesta, según las condiciones en las que se realiza, de manera estática o dinámica. Es estática cuando el músculo no cambia de longitud debido a que la carga es suficientemente grande como para sobrepasar la capacidad generadora de tensión

del músculo, y aunque hay acortamiento del sarcomero, este no es suficiente para llevar a un acortamiento de la fibra muscular, y la longitud de la misma se mantiene a expensas de una distensión del componente elastico muscular; en este caso no se genera trabajo, y la energía se disipa en forma de calor. Este tipo de contracción se conoce como isometrica.

Figura 41. Contracción isométrica. Se evidencia que la tensión generada por el musculo no alcanza la necesaria para levantar la carga, de tal manera, que no se produce el acortamiento del musculo.

La contracción es dinámica o isotónica cuando el músculo cambia de longitud mientras ocurre el proceso de la contracción, y en la cual hay un mayor acortamiento del sarcomero, siendo este lo suficiente para llevar al acortamiento de la fibra a pesar de la distensión del componente elastico muscular, y puede ser de 2 modalidades: 1) concéntrica, cuando el músculo se acorta al desplazar un objeto de cierto peso una determinada distancia, es decir, realiza trabajo; o bien excéntrica, cuando el músculo se alarga mientras ocurre el proceso de la contracción, debido al gran peso del objeto que se sostiene contra la gravedad o alguna otra fuerza que mueve el objeto en sentido contrario a la dirección del movimiento.

Figura 42. Contracción isotónica. La tensión muscular alcanza el valor necesario para levantar la carga y asi, acortar la longitud muscular.

Es importante destacar, que mientras mayor sea la carga que tiene que vencer el musculo, menor será la velocidad de acortamiento, lo cual se puede evidenciar en la siguiente figura.

Figura 43. Relación entre la carga que soporta el musculo y la velocidad de acortamiento de la fibra

En donde se puede denotar que mientras menor carga tenga el musculo mayor es la velocidad de acortamiento, hasta que la carga se hace tal que el musculo no logra contraerse, y cuando la curva corta el eje de las X, se dice que la contracción es isometrica.

Otros determinantes de la tensión muscular son la frecuencia e intensidad de estimulación nerviosa. La frecuencia de estimulación regula la concentración de Ca++ libre en el sarcoplasma, y por lo tanto la interacción actomiosina. Mientras más repetida sea la estimulación, mayor cantidad de calcio va a haber en el citoplasma, asociado a mayor reclutamiento de miofilamentos y mas tensión activa.

Un solo potencial de acción genera una contracción breve seguida de un periodo de relajación, esta respuesta mecánica se conoce como sacudida simple. La sacudida comienza aproximadamente 2 mseg después del inicio de la despolarización de la membrana.

Un modo de prolongar el estado activo de un músculo es aplicar a la fibra altas frecuencias de estimulación. El estado activo que sigue a cada estímulo se une al siguiente, con lo cual la tensión registrada es mayor que la de una sola sacudida. Al aplicar estímulos repetidos antes que comience el periodo de relajación, se produce una mayor activación de los mecanismos contráctiles y por ende una mayor generación de tensión, esta respuesta mecánica se conoce como suma de ondas. Ver figura 44.

Si la frecuencia de estimulación es lo suficientemente alta, los músculos alcanzan la tensión máxima posible, conocida como tensión tetánica completa, que corresponde al máximo valor del estado activo.

La tensión generada durante el tétanos es mayor a la generada en la sacudida simple, debido a que con la estimulación rápida y repetida de las fibras musculares antes de que aparezca la relajación, se va realizando una suma de ondas sucesiva que permite una activación prologada de todos los mecanismos contráctiles de la fibra, esto debido a un aumento en la concentración de Ca++ intracelular, igualmente debido a esta alta frecuencia en los estímulos no existe un periodo evidente de relajación que permita la disminución de esta concentración (ya sea por receptación del mismo al retículo o difusión hacia el exterior celular), esta elevación prolongada de los niveles de Ca++ intracelular permite una mayor interacción entre los filamentos delgados y los puentes cruzados de miosina), que se evidencia en un aumento en la generación de tensión por parte del músculo.

Existen 2 tipos de tétanos: perfecto e imperfecto, el tétanos perfecto se consigue cuando debido a la alta frecuencia de los estímulos, las respuestas unitarias de contracción se fusionan en una sola contracción, sin que hayan periodos de relajación evidentes, con lo cual la concentración de calcio intracelular es máxima y se encuentran interactuando la mayor cantidad de puentes cruzados generando la máxima tensión activa posible ; en el tétanos imperfecto, hay una ligera disminución en la frecuencia de los estímulos, y por ende existen periodos de relajación incompleta entre los estímulos repetidos, en este tétanos debido a este corto periodo de relajación hay una disminución relativa de los niveles de Ca++ intracelular que traen como consecuencia algunos desacoplamientos entre los puentes cruzados y los filamentos delgados en la fibra muscular, disminuyendo ligeramente la tensión activa generada. Ver figura 44.

Durante la actividad muscular sostenida (tétanos completo), el músculo presenta paulatinamente una disminución temporal en la capacidad máxima para generar fuerza (tensión), esto se conoce como fatiga muscular.

El estado de fatiga de un músculo actúa como un mecanismo protector que inhibe el suicidio de las celulas musculares por extinguir sus reservas de ATP, ante una actividad sostenida.

Con la actividad intermitente repetida, la disminución inicial en la producción de fuerza es debido a efectos sobre el aparato contráctil, y la posterior disminución de fuerza es debido a la disminución en la liberación de Ca++ del RS, ambos causados por los cambios metabólicos dentro del músculo.

Esta disminución de generación de fuerza se ha determinado que puede ocurrir bien por la disminución progresiva de las reservas de glucogeno y síntesis de ATP (necesario para la contracción muscular, y para la recaptación de Ca++ al retículo, por lo que la relajación se retrasa), asi como por un aumento en la concentración de protones intracelular (liberados en la ruta glicolitica), que trae como consecuencia una disminución del pH intracelular; y a una elevación en la concentración de fosfato inorganico (Pi), por el desdoblamiento del ATP por la miosina.

El pH acido y las altas concentraciones de Pi por ejemplo, afectan la producción de fuerza y la recaptura de Ca++ por el retículo.

Después de un tétanos, la amplitud de la sacudida muscular simple es mayor. Este comportamiento ha sido llamado “potenciación post tetánica” y probablemente se debe a una alteración temporal en

la intensidad o duración del estado activo. Tal potenciación se ha atribuido a la fosforilación de las cadenas ligeras de la cabeza de miosina, pero otro mecanismo posible es la elevación del Ca++ en el citosol por un lapso corto, después de terminar el tétanos.

La misma explicación se ha dado al “fenómeno de la escalera” positiva, que consiste en un crecimiento progresivo de las sacudidas isométricas cuando los estímulos son aplicados a bajas frecuencias.

Figura 44. Variaciones en la fuerza de contracción muscular en relacion con la frecuencia de estimulacion de la

fibra. A. Fuerza de contracción del musculo, en base a una sacudida simple, del musculo Gastronecmio y Soleo, B. Fenomeno Escalera, en donde a una misma frecuencia de estimulacion, se evidencia paulatinamente un aumento en la tension generada por el musculo; C. Suma de ondas, donde a frecuencias crecientes de estimulacion, la tension generada por el musculo es mayor, ya que cada estimulacion se da antes que se complete el periodo de relajación de la fibra; D. Tetanos perfecto. Ante frecuencias de estimulacion muy elevadas, no hay periodos de relajación en la fibra, por lo que la tension activa generada es maxima.

La contracción muscular requiere energía y el músculo se compara con “una máquina para convertir energía química en trabajo mecánico”. La fuente inmediata de esta energía es el ATP, y éste se forma por el metabolismo de carbohidratos y lípidos.

El músculo tiene 3 vías para regenerar ATP: degradación de la fosforilcreatina, glicolisis anaeróbica y fosforilación oxidativa.

El ATP se sintetiza de nuevo a partir del ADP por la adición de un grupo fosfato. Parte de la energía para esta reacción endotérmica proviene de la degradación de glucosa hasta CO2 y agua, pero el músculo también cuenta con otro compuesto de fosfato de alta energía que puede aportar esta energía por periodos cortos. Este compuesto es fosforilcreatina, que se hidroliza hasta grupos creatina y fosfato con la liberación de una cantidad considerable de energía. Durante el ejercicio, este compuesto se hidroliza en la unión entre las cabezas de miosina y la actina, con lo que se forma ATP a partir de ADP y esto permite que continúe la contracción, siendo esta la forma mas rápida de obtener ATP por parte del musculo, la que se desarrolla inmediatamente al inicio de la contracción muscular.

Como sabemos, el principal combustible muscular son los carbohidratos, el músculo almacena glucosa en forma de glicógeno, este sirve como una fuente de reserva de glucosa en el músculo. Durante el ejercicio este glucogeno es degradado y la glucosa entra en una vía metabólica conocida como glicólisis, la cual da como resultado final piruvato y 2 ATP, en condiciones aeróbicas este piruvato entra al ciclo de Krebs y se produce ATP en la fosforilación oxidativa. Durante el ejercicio extenuante, cuando la síntesis aeróbica de energía es insuficiente para cubrir la demanda metabólica, este piruvato puede reducirse hasta lactato sin que tenga que entrar en el ciclo de Krebs, este proceso se denomina glicólisis anaeróbica y conlleva la producción neta de mucho menos enlaces fosfato de alta energía, pero no requiere la presencia de O2. El uso de la vía anaeróbica se autolimita porque, a pesar de la rápida difusión del lactato a la corriente sanguínea, se produce una acumulación muscular de lactato tal, que finalmente rebasa la capacidad de los amortiguadores titulares y causa un descenso en el pH que inhibe las enzimas. No obstante, por periodos cortos, la presencia de una vía anaeróbica para la degradación de la glucosa permite un esfuerzo muscular mucho mayor al que sería posible sin ella. Sin embargo, la via de la fosforilación oxidativa, aunque es lenta, es la vía de mayor rendimiento metabólico, al proporcionar 36 moléculas de ATP, por lo que es la ruta metabólica de elección de las fibras musculares lentas.

Las células músculo esqueléticas están especializadas en 2 tipos principales. Esta especialización permite elevadas velocidades de contracción o contracciones de larga duración. Las dos clases de células se diferencias en que unas se expresa el gen para una isoenzima de la miosina lenta y en otras el de la miosina rápida (es decir, tiene una actividad ATPasa alta).

Las fibras lentas (tipo I), caracterizadas por velocidades moderadamente bajas, consumen ATP a ritmos moderados, reciben un buen aporte sanguíneo y suelen llamarte fibras rojas. Se caracterizan por ser oxidativas, al no requerir de una gran cantidad de ATP, este puede ser obtenido a partir de la fosforilación oxidativa. Si el aporte sanguíneo es apropiado, las fibras lentas proporcionan una gran resistencia.

Las fibras rápidas (tipo II), tienen un alto consumo de ATP, que solo puede conseguirse mediante la activación de la ruta glicolitica. Las fibras rápidas se fatigan enseguida con el agotamiento del glucógeno.

Figura 45. Clasificación de las fibras musculares en las unidades motoras, de acuerdo a sus propiedades

fisiológicas

Ya que los axones de las motoneuronas espinales que inervan a los músculos esqueléticos se ramifican para llegar a varias fibras musculares, la cantidad más pequeña de músculo que se puede contraer en respuesta a un estímulo de una sola motoneurona no es una fibra muscular, sino todas las fibras inervadas por esa neurona. Cada motoneurona y las fibras musculares a las que inerva se denominan unidades motoras. Cada motoneurona inerva solo un tipo de fibra muscular, por lo que todas las fibras musculares de una unidad motora son del mismo tipo, también es importante destacar, que mientras menos fibras musculares tenga una unidad motora determinada, mayor fineza y regulación de la contracción va a existir, ejemplo: los músculos oculares presentan solo 13 fibras por cada unidad motora. Con base en el tipo de músculo que inervan y, por tanto, con base en la duración de la sacudida, las unidades motoras se dividen en rápidas y lentas.

Describimos anteriormente que la intensidad de estimulación nerviosa también era capaz de regulación la tensión muscular, elemento que se relaciona con el reclutamiento paulatino de unidades motoras. Dentro de cada nervio motor, cada axón presenta un nivel umbral distinto, por lo que a bajas intensidades de estimulación se activan unos axones y por lo tanto algunas unidades motoras, mientras que progresivamente, a mayor intensidad de estimulación, se reclutan mas axones, y mas unidades motoras, aumentando así, la capacidad de generar tensión muscular. Este reclutamiento paulatino de unidades motoras se hace en base a los requerimientos fisiológicos de generar tensión, por ejemplo, cuando estamos caminando, no es necesario activar múltiples unidades motoras rápidas resistentes a la fatiga, sino mas bien con unidades motoras lentas podemos llevar a cabo esta tarea, y si paulatinamente empezamos a correr, pues reclutaremos gradualmente unidades motoras rápidas y responderemos generando mas tensión, esta capacidad que tiene el organismo de reclutar unidades motoras paulatinamente, en base a los

requerimientos fisiológicos se denomina Respuesta Graduada.

Figura 46. Respuesta graduada muscular. Se evidencia el reclutamiento paulatino de unidades motoras lentas, rápidas fatigables, y rápidas resistentes a la fatiga, en relación con la frecuencia de estimulación nerviosa y las necesidades fisiológicas acordes.

La musculatura lisa.

Los órganos huecos del organismo, excepto el corazón, para cumplir su función requieren ejecutar una contracción lenta y sostenida, proporcionada por el músculo liso de sus paredes.

El músculo liso esta compuesto por células uninucleares, delgadas y fusiformes. Su núcleo y los organelos citoplásmicos se ubican en el centro de la fibra.

Desde el punto de vista anatómico, el músculo liso difiere del músculo esquelético y cardiaco, en que no presenta estriaciones transversales.

Si presenta filamentos de actina y miosina II y estos se deslizan para producir la contracción, pero no están dispuestos de forma regular, por lo cual no se observan las estriaciones.

En vez de discos Z se observan cuerpos densos, los cuales se encuentran anclados al sarcolema y a los filamentos delgados por la alfa actinina.

El músculo liso contiene tropomiosina, pero no se ha evidenciado la troponina. Las isoformas de la actina y la miosina del músculo liso difieren a la del músculo esquelético.

La fibra lisa no contiene un sistema de túbulos T ni de cisternas terminales, pues su retículo sarcoplásmico esta pobremente desarrollado, pero sí contiene numerosas cisternas membranosas o cavéolas. Al no presentar un retículo desarrollado, no contiene altos niveles de calsecuestrina.

En general, el músculo liso contiene pocas mitocondrias, por lo cual depende fundamentalmente de la glicólisis para la generación de energía.

Además de su capacidad contráctil, el musculo tiene la capacidad de sintetizar colágeno tipo III, elastina y proteoglicanos.

Existen varios tipos de estímulos que promueven la contracción; los más importantes son: señales nerviosas, estimulación hormonal y distensión del tejido. La musculatura lisa esta inervada por nervios autónomos de los sistemas simpático y parasimpático, los cuales no entran en contacto directo con ellas, por lo tanto no existen uniones neuromusculares. Los axones terminales tienen múltiples varicosidades muy próximas a la superficie de la célula muscular, las cuales secretan sustancias neurotransmisoras (norepinefrina y acetilcolina principalmente).

Figura 47. Estímulos para la contracción de la musculatura lisa.

El potencial de membrana de las células musculares lisas oscila entre -60 y -70mV y contienen mas canales de calcio que la musculatura esquelética, aunque mas pocos canales de sodio. El flujo de Ca++ es el principal responsable de la generación de los potenciales de acción. Se distinguen 2 tipos de musculatura lisa:

Unitaria o visceral: Las células se encuentran unidas por uniones estrechas (tight junction) y uniones comunicantes (gap junction) que permiten el acoplamiento mecánico y eléctrico entre las células, comportándose como un sincicio.

Debido a la presencia de estas uniones, la estimulación nerviosa es menor, ya que esta se propaga a lo largo de las celulas.

El músculo liso visceral se caracteriza por la inestabilidad de su potencial de membrana, este puede experimentar oscilaciones espontaneas denominadas ondas lentas, las cuales pueden alcanzar un valor umbral y desencadenar potenciales de acción espontaneo; y porque presenta contracciones continuas e irregulares independientes de la inervación, dicho estado mantenido de contracción parcial es conocido como tono.

Figura 48. Contracción tónica. Se evidencia como se mantiene la fuerza tensil generada por el musculo a lo largo del tiempo

Multiunitario: Cada célula muscular se comporta como una unidad individual, se asemeja bastante al músculo esquelético en este sentido. Presentan pocas uniones comunicantes y estrechas por lo cual existe una mayor densidad de estimulación nerviosa. A diferencia del músculo liso visceral, el multiunitario no presenta funcionamiento sincitial y las contracciones se diseminan por todo el músculo. Por ello, las contracciones de este tipo de músculo liso son mas delicadas, diestras y localizadas que las del músculo visceral.

La respuesta contráctil de este músculo suele ser mas intensa e irregular que la del músculo esquelético.

Figura 49. Tipos de musculo liso.

Acoplamiento excitación – contracción en el músculo liso.

El Ca++ participa en el inicio de la contracción del músculo liso, tal como sucede en el músculo esquelético. No obstante, el músculo liso visceral casi siempre tiene un retículo sarcoplásmico poco desarrollado y el aumento en la concentración intracelular de Ca++ , que inicia la contracción, se debe, sobre todo, a la entrada de este ion a partir del liquido extracelular por la apertura de canales de Ca++ voltaje o ligando dependientes.

En presencia de una sustancia agonista (noradrenalina, angiotensina, endotelina) se activan determinados receptores de membranas que comienzan una cascada de transducción de señales mediada por la acción de la fosfolipasa C que lleva a la Protein Kinasa C que va a fosforilar a los canales de calcio tipo L, activándolos. Estos canales de calcio tipo L, también se abren en respuesta a la despolarización de membrana en respuesta al estiramiento de la fibra muscular.

En el músculo liso, la regulación de la contracción esta asociada a la miosina y no a la actina, debido a la ausencia de troponina. Como consecuencia de el aumento en la concentración intracelular de Ca++ este se une a la calmodulina, formando el complejo Ca++- Calmodulina, este complejo promueve: la exposición de los sitios activos de la actina, mediante el desplazamiento lateral de la tropomiosina; y la activación de la cinasa de la cadena ligera de miosina dependiente de

calmodulina, esta proteina fosforila a la molécula de miosina, estimulando su actividad ATPasa necesaria para el inicio de la contracción.

En algunas fibras musculares lisas la fosforilación es mantenida a un bajo nivel en ausencia de un estímulo externo o de una activación mecánica; esto proporciona el tono muscular, cuya intensidad puede ser variable y depende de una interaccion diferente entre la miosina y la actina llamada latch-bridges para diferenciarla de los cross-bridges, estos puentes no se disocian o se disocian lentamente y mantienen el nivel tónico de tensión con minimo gasto de ATP.

Cuando la cabeza de miosina es desfosforilada, los filamentos se desensamblan y la miosina se disocia de la actina; esta desfosforilación es mediada por fosfatasa de la cadena ligera de miosina, permitiendo la relajación del músculo liso.

La relajación ocurre como resultado de la desaparición del estímulo contráctil o por la acción de una sustancia que inhiba el mecanismo contráctil. Cualquiera que sea el causante de la relajación, se requiere una reducción del Ca++ intracelular y un incremento en la actividad de la fosfatasa.

Muchos mecanismos participan en la reducción del Ca++ intracelular e involucran retículo sarcoplásmico y a la membrana celular. Existe una recaptación de Ca++ al retículo gracias a la presencia de la bomba Ca++-Mg++ ATPasa y al exflujo de Ca++ gracias a canales de membrana.

También existe un mecanismo de relajación dependiente de AMPc; generada por agonistas beta-adrenergicos, adenosina.

Figura 50. Acoplamiento excitación-contracción del

Músculo liso. Los aumentos de la concentración de calcio en el interior de la fibra, son secundarios a la entrada de calcio desde el exterior de la celula, los cuales llevan finalmente a la activación de una quinasa de la cadena ligera de miosina, y la fosforilacion del filamento grueso que lleva a la formación del complejo acto-miosina

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LAIM / 2012