FISIOLOGIA Y ELECTROFISIOLOGÍA
POTENCIALES DE MEMBRANA
      |  Actividad eléctrica de las células cardíacasLas células cardíacas, como las otros tejidos excitables de los mamíferos, tienen una composición iónica intracelular que difiere de la extracelular. La concentración de iones potasio K+ en el interior de la célula es unas 30 veces mayor que concentración extracelular, mientras que el sodio Na+ es unas 30 veces menor. Como la membrana de las células cardíacas es más permeable al potasio que al sodio, en condiciones de reposo, los iones de potasio pueden salir de la célula con más facilidad que pueden entrar los iones de sodio y, en consecuencia existe una diferencia de potencial entre el interior y el exterior de la célula. Se dice que la membrana de la célula está polarizada, siendo la diferencia de potencial de - 90 mV (esto quiere decir que hay más cargas negativas en el interior que el exterior) Cuando un estímulo llega a una de estas células, se alteran las propiedades fisicoquímicas de la membrana, aumentando su permeabilidad al sodio. Como el sodio está mucho más concentrado en el exterior de la célula (se dice que existe un gradiente de concentración), al aumentar la permeabilidad de la membrana, el sodio entra de forma masiva en el interior de la célula. Esta afluencia del cargas positivas invierte el potencial de membrana. Si se registra en un osciloscopio la secuencia de acontecimientos que tienen lugar cuando se estimula una célula cardiaca, en condiciones basales, el aparato registra un voltage de - 90 mV que se mantiene estable en tanto que el estímulo no llega a la célula. El cambio súbito de permeabilidad de la membrana cuando llega el estímulo, con la entrada masiva de iones sodio en la célula, se refleja en aumento muy rápido del voltaje a +20 mV (fase 0 o fase de excitación). Después del período de excitación, hay un período de duración variable durante el cual el potencial es prácticamente 0 (meseta del potencial o fase 2). Seguidamente, se produce un nuevo cambio de la permeabilidad de la membrana que, en este momento se hace más permeable al potasio, que sale rápidamente de la célula, restaurándose el potencial a los niveles anteriores a la llegada del estímulo (fase de repolarización o fase 3). Sigue un período estable de reposo, hasta la llegada de un nuevo estímulo (fase 4). Los cambios registrados en el osciloscopio desde la llegada del estímulo hasta la vuelta al estado de reposo reciben el nombre de potencial de acción (*) No todas las células cardiacas tienen los mismos potenciales de acción: Nodo sinusal: este es un pequeño nódulo (también llamado marcapasos), situado en la aurícula derecha, bajo la desembocadura de la vena cava (*). El registro osciloscópico de los potenciales de las células de este nódulo muestras dos importantes características:
Nodo auriculo-ventricular: los potenciales de acción registrados en las fibras del nodo A-V son muy parecidas a las que se presentan en el nodo sinusal (*) Sistema de His-Purkinje: los potenciales de acción de las fibras de esta parte del sistema de conducción tienen tres propiedades importantes:
Existe un cierto decalaje temporal entre el estímulo eléctrico y la respuesta contráctil de las fibras musculares (*). La tensión muscular máxima tiene lugar al final de la repolarización, siguiendo rapidamente la relajación |
  | Potenciales rápidos y potenciales lentos (*) La despolarización de la membrana de las células cardíacas depende de la naturaleza de las células. En el nodo sinusal y en el nodo auriculoventricular, esta fase del potencial de acción es lenta mientras que en las células del sistema His-Purkinje es muy rápida. Esto se debe a la diferente permeabilidad de las membranas a los iones, permeabilidad condicionada, a su vez, por la presencia de loscanales iónicos. Los canales iónicos están constituidos por unas proteínas transmembrana que tienen la propiedad de abrirse o cerrarse para dejar pasar o no, determinados iones. En las células cardíacas existen cuatro tipos de canales selectivos para sodio, potasio, calcio y cloro. A efectos del comportamiento de los potenciales de acción, los más importantes son los tres primeros. Los potenciales rápidos se encuentran en las células ventriculares y en las del sistema His-Purkinje. Se caracterizan por:
Estas características contribuyen a una conducción más lenta de estos potenciales y a un periodo refractario mayor en los tejidos que muestran unas respuestas lentas. |
 | Periodos refractarios Se denominan períodos refractarios los tiempos del ciclo de excitación de una célula cardíaca durante los cuales un nuevo estimulo no produce ninguna respuesta por no haberse completado los ciclos de apertura/cierre de las puertas de los canales. Esto ocurre durante las fases 0, 1, 2 y parte de la 3 (*) y explica porque no puede haber una contracción hasta que la membrana celular no se ha recuperado del estímulo anterior. Por la misma razón, las fibras cardíacas no pueden tetanizarse. Además del período refractario absoluto, existe el período refractario relativo, al final de la fase de repolarizacíón, durante el cual si es posible despolarizar nuevamente la célula siempre y cuando el estímulo sea lo suficientemente intenso. Como es lógico, la duración de los períodos refractarios está directamente relacionada con la duración del ciclo de excitación. Esta relación permite explicar el fenómeno de Ashman: la súbita prolongación de la duración de un ciclo prolonga el perìodo refractario para el siguiente impulso que, si llega demasiado pronto, se encuentra con un tejido refractario, produciendo un ralentizamiento de la conducción en esta área. Los periodos refractarios sin embargo, no son solo afectados por la frecuencia de la estimulación sino también por factores que influyen sobre el medio iónico, fármacos y estados patológicos como la isquemia o la hipoxia |
POTENCIAL DE MEMBRANA
Es la diferencia de cargas eléctricas que existe uno y otro lado de las membranas de las células excitables en estado de inactividad (reposo). Las células excitables son de 4 tipos:
- Neuronas
- Células cardiacas
- Células musculares lisas
- Células muscular esqueléticas
En todas ellas en estado de reposo existe un exceso de cargas positivas en la superficie exterior y un exceso de cargas negativas en la superficie interior de la membrana. Por tanto el interior es negativo con respecto al exterior. Debe tomarse en cuenta que los experimentos de electrofisiología se realizan con microelectrodos localizados en el interior de la célula, esto da lugar a que todas las células excitables marquen negativo en el interior y positivo en el exterior. Pero cada tipo de célula excitable tiene un valor diferente de electronegatividad interior.
Las grandes motoneuronas y las células musculares ventriculares cardiacas tienen la más alta negatividad interior: -90mV
EL VOLTÍMETRO
Es un equipo diseñado para medir las diferencias de cargas eléctricas entre un sitio y otro. En fisiología se introduce el electrodo explorador a través de la membrana de la células excitables y se conecta a un dial donde el cero se encuentra en el centro (línea isoeléctrica), la positividad son valores a la derecha del 0 y la negatividad hacia la izquierda del 0. Al conectar el voltímetro en la célula viva la pluma se moverá hacia la izquierda (negatividad) las Moto neuronas y células ventriculares presentan una negatividad interior de – 90 milivoltios.
EL DIPOLO
Es una estructura de amplia superficie pero de muy poco espesor que es capaz de acumular en cada lado cargas eléctricas de signo contrario.
Los automotores tienen en el interior de sus baterías unas placas de amplia superficie y muy delgadas, de un material especial que acumula las cargas positivas de un lado y negativas del otro. En fisiología la membrana celular actúa como dipolo.
CAUSAS DE POTENCIAL DE MEMBRANA
El mantenimiento de esta diferencia de cargas entre un lado y otro solo es posible mientras las células este viva y tenga la capacidad de producir ATP. Si no hay disponibilidad de ATP, la célula es incapaz de mantener el desequilibrio normal de cargas.
Son 4 las causas principales del mantenimiento del potencial de membrana:
- La fácil salida de iones de potasio positivos que son pequeños, a través de los conductos especiales, lo cual produce perdida de cargas positivas del interior que se acumulan en el exterior, siguiendo su gradiente de concentración.
- La no fácil entrada de iones de SODIO que por ser hidratado tiene gran tamaño además que el ion calcio por tener la misma carga positiva situado en la superficie exterior de los conductos impide su entrada, esto contribuye al aumento de la positividad exterior y de la negatividad interior.
- La presencia de la bomba de sodio y potasio que con cada movimiento extrae 3 iones positivos de sodio e introduce 2 iones positivos de potasio. El resultado neto es la perdida de una carga positiva del interior con lo que contribuye a la negatividad.
- La presencia en el interior de la membrana de radicales proteicos que tienen carga negativa. Estos 4 factores determinan que la membrana celular actúe como un verdadero dipolo. Y el dipolo es el terreno propicio para que un estímulo físico químico o mecánico desencadene un potencial de acción y un impulso nervioso.
1.1.1.- Difusión y Osmosis.
1.1.2.- Gradientes.
1.1.3.- Factores que Gobiernan la Difusión.
1.1.4.- Osmosis y Presión Osmótica.
1.1.5.- Aplicación de la Osmosis en Jarabes y Conservas.
DIFUSION:
Es el movimiento al azar de partículas y moléculas siguiendo leyes físicas, que incluyen:
· Temperatura.
· Peso molecular.
· Distancia.
· Área de Sección transversal.
· Gradientes.
1. Temperatura: la temperatura aumenta el movimiento de moléculas de tal manera que a mayor temperatura mayor difusión. Lo contrario también, a menor temperatura menor difusión, de tal forma que cuando llegamos a nivel de cero absoluto – 273 º c, temperatura que aún no ha sido alcanzada en práctica y solo es un dato teórico, nos indicaría el momento en que no existe movimiento molecular. En realidad existe una controversia que es primero, el calor aumenta el movimiento de moléculas o es el movimiento de moléculas que genera calor.
2. Peso molecular: el movimiento de las moléculas está en relación inversa al peso molecular. Moléculas de gran tamaño debido a la inercia tienen una menor velocidad que las moléculas pequeñas que pueden desarrollar movimientos más rápidos. Por tanto a mayor peso menor difusión y a menor peso mayor difusión.
3. Distancia: la difusión esta en relación inversa a la distancia que debe recorrerse, un ejemplo de esto es el trastorno que sufre la piel cuando el espacio intersticial y la capa más profunda de la piel se ve aumentada por la presencia de liquido de edema, lo cual produce una menor oxigenación y en caso extremo la necrosis y ulceración de la piel.
4. Área de sección trasversal: entre más amplia el área donde se realizan los movimientos al azar de las moléculas hay menos probabilidad de colisión dentro ellas. Si existen muchos choques de moléculas, esto da lugar a un retardo del proceso de difusión. Los lugares estrechos por tanto, retardan la difusión por mayor número de colisiones entre las moléculas.
5. Gradientes: el término es un poco difícil de explicar; podríamos decir que significa que en un sitio hay una mayor magnitud que en otro. Los físicos clasifican en varias las magnitudes (alrededor de 8) pero en fisiología solo mencionaremos:
¤ Cargas Eléctricas.
¤ Presión.
¤ Concentración.
De esta manera clasificamos en tres estos gradientes:
1) Gradiente eléctrico: Cuando en un sitio existe mayor cantidad de cargas positivas o negativas que en otro.
2) Gradiente de presión: Cuando en un lugar existe mayor presión ( mmHg ) que en otro. Algunos autores llaman también a la unidad de presión como torr en honor al físico Italiano Alexander Torresani que fue quien ideo los milímetros de mercurio como medida de presión.
3) Gradiente de concentración: Se refiere a que en un sitio existe mayor número de moléculas que en otro. Ese es el gradiente más conocido pero no es el único tipo de gradiente.
OSMOSIS:
El termino osmosis se refiere a un tipo específico de difusión. Es el paso de agua a través de una membrana semipermeable permeable al agua pero impermeable a solutos siguiendo su gradiente de concentración. El agua pasara del sitio donde exista mayor cantidad de moléculas de H20 al sitio donde exista menor cantidad de ellas.
Gráfico de Ósmosis
Presión Osmótica
El desplazamiento de agua de un sitio a otro crea un mayor volumen en el segundo compartimiento y una disminución en el primero. Pero podemos detener este desplazamiento aplicando presión en el segundo compartimiento. La fuerza necesaria para detener la osmosis se conoce con el nombre de presión osmótica.
Aplicación de la Osmosis en Jarabes y Conservas
Si una bacteria cae en una solución híper concentrada de cloruro de sodio, se produce osmosis desde el interior de la bacteria a la solución híper concentrada de ClNa. Esto es debido a que la bacteria como toda célula tiene un 60 % de agua y 40% de solutos, en cambio si la solución híper concentrada contiene 90% de CLNa Y 10 % de H20 se producirá osmosis desde la mayor concentración de agua, ( interior de la bacteria) al lugar de menor concentración. La bacteria pierde agua se deshidrata y muere.
Esto ha sido utilizado para la preservación de los alimentos en forma de conservas y jarabes. La diferencia es que las conservan utilizan solución concentrada de ClNa y los jarabes utilizan hiperconcentracion de glucosa.
Cero Absoluto
Es la temperatura, desde el punto de vista teórico más baja que se puede alcanzar, se cree que a este nivel no hay movimiento por parte de las partículas, según la mecánica clásica. En cambio de acuerdo a la mecánica cuántica, el cero absoluto podría tener aún un rezago de energía.
Según los cálculos de los físicos corresponde a menos 273 grados centígrados o a menos 459 grados Fahrenheit.
Para la escala de temperatura de Kelvin sirven de punto de partida o sea de 0 grados kelvin. Las cámaras frigoríficas más potentes de la actualidad no han podido alcanzar esta temperatura.
Electrofisiología (del griego ἥλεκτρον, ēlektron, "ámbar"; φύσις, physis, "naturaleza, origen"; y -λογία, -logía) es el estudio de las propiedades eléctricas de células y tejidos biológicos. Incluye medidas de cambio de voltaje o corriente eléctrica en una variedad amplia de escalas, desde el simple canal iónico de proteínas hasta órganos completos como el corazón. En neurociencias, se incluyen las medidas de la actividad eléctrica de neuronas, y particularmente actividad de potencial de acción. Registros a gran escala de señales eléctricas del sistema nervioso como Electroencefalografía, también se pueden clasificar como registros electrofisiológicos.
La electrofisiología es la ciencia y rama de la fisiología que pertenece al flujo de iones en tejidos biológicos y, en particular, a las técnicas de registro eléctrico que permiten las mediciones de este flujo. Las técnicas de electrofisiología implican colocar electrodos en varias preparaciones de tejido biológico. Los principales tipos de electrodos son: 1) Conductores sólidos simples, como discos y agujas (individuales o arreglos, usualmente aislados exceptuando la punta), 2) trazos en un tablero con circuitos impresos, también aislados, y 3) tubos huecos llenos con un electrolito, como pipetas de vidrio llenas de solución de cloruro de potasio u otra solución electrolítica. Las preparaciones principales incluyen 1) organismos vivos, 2) tejidos extirpados, 3) células disociadas de tejido extirpado, 4) tejidos y células desarrollados artificialmente, o 5) híbridos de los anteriores.
Si un electrodo es lo suficientemente pequeño (micrómetros) en diámetro, entonces el eletro-fisiologo puede insertar la punta en una sola célula. Esta configuración permite la observación directa y registro de la actividad eléctrica intracelular de una sola célula. Sin embargo, al mismo tiempo este procedimiento tan invasivo reduce la vida de la célula, y causa una fuga de sustancias a través de la membrana celular. La actividad intracelular también puede ser observada usando una pipeta de vidrio formada especialmente (hueca) que contenga un electrolito. En esta técnica, la punta de la pipeta es presionada contra la membrana celular, a la que se adhiere bien por la interacción entre el vidrio y los lípidos de la membrana. El electrolito dentro de la pipeta puede quedar en continuidad con el fluido del citoplasmaenviando un pulso de presión al electrolito con el fin de romper el pequeño parche de la membrana rodeado por el borde de la pipeta. Alternativamente, se puede establecer continuidad iónica por perforar el parche al permitir un agente exógeno “formador de poros” en el electrolito para insertarse en el parche de membrana. Finalmente, el parche se puede dejar intacto.
El electrofisiólogo puede escoger no insertar la punta dentro de una célula. En cambio, la punta del electrodo puede ser dejada en continuidad con el espacio extracelular. Si la puntilla es lo suficientemente pequeña, esta configuración puede permitir observación indirecta y registro de potenciales de acción de una sola célula, y es denominado registro de unidad-celular. Dependiendo de la preparación y ubicación precisa, una configuración extracelular puede recoger la actividad de varias células cercanas simultáneamente, y se denomina registro de multi-unidad
A medida que el tamaño del electrodo aumenta, el poder de resolución disminuye. Electrodos más grandes son solamente sensibles a la actividad neta de muchas células, denominado Potencial de Campo Local. Aun electrodos grandes, como las agujas sin aislamiento y electrodos de superficie son usados por cirujanos y neurofisiologos clínicos, estos electrodos son sensibles solamente a ciertos tipos de actividad sincrónica dentro de las poblaciones de células, enumeradas en millones. Otras técnicas clásicas de electrofisiología incluyenRegistro de canal individual y Amperometría.
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