2º Parcial, Parte II

Los canales iónicos son canales de paso debido a que los iones no atraviesan la membrana celular. Son proteínas integrales de la membrana que la atraviesan formadas por subunidades alargadas como un mazo.

La garganta es la parte estrecha. Su diámetro es del diámetro de un ión. Estos iones no están aislados, van acompañados de una corte de moléculas de agua, una cualidad que los canales utilizan para ser selectivos. [En la naturaleza todos los átomos se están moviendo y chocan entre ellos] No todos los canales son iguales. Existen diferentes tipos de canales con distintas propiedades.

Los canales son selectivos: No dejan pasar a las tres especies iónicas con la misma facilidad. No es una selectividad total, pero si fuerte. [Un canal de K deja pasar 100 veces mejor el K que el Na. El canal del Na permite pasar 20 veces mejor el Na que el K]. Como no tienen el mismo diámetro, un canal pequeño no deja pasar un ión grande, pero un canal grande tampoco deja pasar a uno pequeño.
Las moléculas de agua aunque son neutras, son polares, y por lo tanto se sitúan entre las especies iónicas de forma específica. Los iones con carga neta están acompañados de cierto número de moléculas de agua. Esta unión no es permanente ni es fuerte. Se van reemplazando.

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Canal de potasio (K+): Dentro del canal se encuentran aminoácidos mostrando al canal cierta carga eléctrica. La molécula de agua duda entre acompañar al ión o quedarse en la entrada del canal. Se aproxima a otra carga como la de la pared del canal de este mismo aminoácido y el ión atraviesa el canal sin acompañante.
El sodio (Na+) es más pequeño y va acompañado por más moléculas de agua. La segunda molécula de agua no abandona el ión y entonces no penetra. El ión es rechazado.

Canal de sodio (Na+): En el canal de sodio la distribución en la garganta es distinta. Cuando un ión de potasio se aproxima abandona el agua pero no penetra debido a su diámetro (superior al diámetro de la garganta del canal). El Na al contrario puede perder la molécula y formar otra.

Lo importante no es el diámetro si no la interacción del canal con los iones y el agua que los acompaña.

Los canales están constantemente abriéndose y cerrándose. Aperturas del canal.

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Esta es una gráfica con u registro real de la corriente que pasa por un canal. [Un trozo de célula se une al extremo de una micro pipeta del grosor de una micra en el fondo de un pocillo de cultivo lleno de una disolución conductora como el cloruro sódico. Con un micro manipulador se forma el sello y se tira. La neurona se rompe y muere. Con suerte hay un trozo de membrana con un solo canal. Se imprime una diferencia de potencial con un generador y se registra la corriente entre el interior de la pipeta y el exterior del canal].
Cada uno de los saltos en la gráfica es la apertura del canal. Son pasos de corriente. El intervalo es de dos segundos.
Las aperturas de los canales son aleatorias, tienen distinto tamaño según el diferente voltaje aplicado. La corriente es muy pequeña, del orden de uno o dos pico amperios (10-9).
[Le entregaron el premio nobel a los investigadores de los años 80 por lo notable de descartar las interferencias residuales (la radio…) sobre valores potenciales bajos].

• En la gráfica está representada la corriente aplicada frente al potencial medido. Cuando un canal muestra esa recta se dice que es un canal ohmico (que cumple la ley de Ohm).
i = ΔV / R
La pendiente de esa recta es la pendiente del canal.

• Hay un tipo de canales que son distintos llamados canales rectificadores. La gráfica esta formada por una curva con la línea quebrada en el origen.
Cuando se aplica la diferencia de potencial se registra una corriente pero cuando se aplica la diferencia de potencial contraria, la corriente de resultado es menor. Dejan pasar mejor en un sentido que en el otro.

Los canales más habituales son los ohmicos.

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Hay muchos tipos de canales en las células del SN. Hasta ahora se han descubierto 12 diferentes.
1. Canales casi siempre abiertos: Activos en reposo. Con escasos cierres. En las dendritas y el soma fundamentalmente. Son los responsables de las respuestas electrotónicas y potencial transmembrana en reposo (-60 mV).
2. Canales siempre cerrados pero activables: Pueden sufrir aperturas en determinadas circunstancias.
a. Producen dos fenómenos al abrirse:
i. Cambios en el potencial transmembrana.
ii. Disminución de la resistencia transmenbrana.
b. Circunstancias para la apertura:
i. Canales activables por ligandos químicos {a} extracelulares o {b} intracelulares. (por ejemplo neurotransmisores en dendrita o soma).
ii. Canales activables por cambios en el potencial transmembrana. (Acoplamiento entre causa y efecto. Importante en los potenciales de acción en las neuronas). Voltaje dependientes.
iii. Canales activables por deformaciones mecánicas en la superficie de la dendrita. Generan el potencial del receptor.
Dejan pasar el calcio (ión divalente de mayor concentración fuera de la célula). Desencadenan acciones intracelulares.
1. Activación de canales desde dentro.
2. Cambios en el metabolismo intracelular.
3. Liberación del neurotransmisor en el terminal presináptico
4. Contracción de las fibras musculares

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Regulación: Canales activables o regulables:
• Por un ligando químico que se une a un lugar específico en la cara exterior del canal. Unión de milisegundos (entra y sale).
• Por un ligando intracelular (en este caso un grupo fosfato). La configuración de la proteína cambia y se abre el canal. La fosforilación mediada por dos enemas: {a} Uno fosforila y {b} otro desfosforila. Mayor tiempo.
• Voltaje dependientes: Por un cambio en la polaridad abren el canal.
• Canales anclados que se abren con deformaciones en la célula.

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Estados: Solo en algunos canales importantes.
1. Cerrado
2. Abierto
3. Refractario: Cerrado pero no responde al estímulo que le indica. No se deja abrir.

Dos mecanismos para alcanzar el tercer estado:
• Por tiempo: El canal mantiene determinado tiempo el flujo cerrado (En los canales voltaje dependientes, sobretodo el sodio). Del orden de un milisegundo. Es una secuencia temporal, una vez el ciclo se termina queda listo para abrirse de nuevo.
• Por unión a un ligando intracelular que actúa sobre ellos de forma que no responde:
o El calcio
o Intracelularmente:
 Fosforilado (Cerrado pero puede abrirse).
 Desfosforilado (Refractario)
Los canales presentan dos gargantas, los cierres refractarios son por mecanismos distintos. Se pueden cerrar los canales por dos sitios simultáneamente.

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Unión a ligandos: Solo afectan a los ligando dependientes. (Relación como la llave y la cerradura). Configuración específica. Algunas veces no es absoluta y se puede engañar con una sustancia que produce el mismo efecto o el antagónico.
• Un agonista endógeno hace lo mismo.
• Un antagonista hace lo contrario.
o Antagonista reversible o competitivo: es una sustancia química que se pone en el lugar del agonista e impide que el agonista actúe. (Fármacos y curae, usado para cazar grandes animales en Suramérica).

1. Proceso reversible: La unión al cabo de un tiempo desaparece (el animal si no es recogido por el cazador se recupera)
2. Procesos irreversibles: (como poner silicona o un palillo en la cerradura) Inutiliza el canal de forma irreversible. (En casos de depredadores en la naturaleza, parálisis).
Algunos ligandos cooperan y otros actúan de forma negativa.

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Modelos formales: Permiten hacer predicciones. No siempre es posible, pero sí es muy útil.
En el esquema, un modelo de una neurona en un medio extracelular. Tanto fuera como dentro solamente va a haber cloruro potásico. Un electrolito que se disocia en disolución (iones).
La membrana tiene que ser muy especial porque es solamente permeable al potasio. Los iones de cloro o el agua no pueden atravesarla.
La concentración del electrolito es mayor dentro que fuera. El cloro no puede atravesar la membrana (simbolizado con la flecha).
• Equilibrio en física se refiere a que el flujo en un sentido es igual al flujo en el sentido contrario. En consecuencia el flujo neto es cero.
• Potencial electroestático: Se medirá entre dentro y fuera. [Φ] Es la magnitud que nos permite evaluar el trabajo de mover una carga eléctrica unitaria de un punto a otro del espacio. [mV].

El K+ se mueve sin direcciones preferentes pero va a haber un flujo neto hacia fuera. Como tiene carga, el flujo neto de carga positiva será de dentro hacia fuera. En consecuencia el medio extracelular se va a volver positivo respecto el interior. Si el exterior se vuelve positivo, como las cargas se repelen, se va a producir una dificultad en el flujo hasta detenerse alcanzando un equilibrio para el potasio.
El voltímetro medirá una diferencia de potencial dado que in medio es positivo respecto al otro. Equilibrio y polaridad es permanente (indefinido).

Los físicos descubrieron que hay una magnitud física capaz de medir el punto de equilibrio denominada potencial electroquímico.
Nos interesa el del K+ porque es el único que se puede mover. El valor de ese potencial en las dos fases (dentro y fuera) es lo que determina el flujo neto ({a} Entrada, {b} cero y {c} salida).
• Cuando el potencial electroquímico es igual dentro que fuera, el flujo es cero.
• Cuando el potencial dentro es diferente que fuera, existe flujo.

La diferencia de potencial entre el interior y el exterior lo llamaremos potencial transmembrana [Vm]

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Para saber de qué depende el potencial electroquímico analizaremos los tres sumandos de la ecuación.
1. Potencial de referencia (en la temperatura se toma 0ºC como referencia, en un mapa de redes de carreteras es el Km 0). Se obtiene experimentalmente.
2. R -- es la constante universal de los gases
T -- es la temperatura
ln [ K+ ] -- es el logaritmo neperiano de la concentración de potasio. La cantidad de potasio en el medio. ( 2,7a = b; a = ln (b) ).
3. Z -- es la valencia del ión. (El número de cargas elementales en K es ¡ positivo). Es una característica del ión, no cambia.
F -- Constante de Faraday
Φ -- Potencial electroestático: Trabajo que cuesta llevar una carga de un punto a otro.

A la derecha tenemos la lista de variables que van a influir. Los factores que determinan el valor del potencial electroquímico.

Podemos usar la fórmula en el equilibrio electroquímico para obtener la fórmula del valor del potencial cuando el flujo se detiene, viendo que depende de la temperatura y del logaritmo del cociente de concentraciones iniciales. Ecuación de Nerst.
Podemos aplicarlo a una neurona resultando el potencial de equilibrio del K+ -97mV.
Si este valor y el valor del potencial transmembrana no coinciden, podemos concluir que el potasio no está en equilibrio, entra y sale de forma continua.
Además debemos de tener en cuenta que esta ecuación no es exacta, es un modelo que nos ofrece un resultado del mismo orden de magnitud pero sin más firmeza. Veremos posteriormente el porqué.
Calculamos una relación entre el potencial transmembrana y las concentraciones. Mientras:
• El potencial transmembrana es mayor que el potencial de equilibrio, la especie iónica sale.
• El potencial transmembrana es menor que el potencial de equilibrio, la especie iónica entra.
La marca en el eje indica la frontera del potencial para que el K+ salga o entre (por los canales siempre abiertos).
Para un ión negativo, encontraremos una condición simétrica.

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En la barra están los valores típicos (no son constantes pero sí aproximados en todas las neuronas). En el modelo de neurona se representa el caso del potencial transmembrana de -60mV, con los canales y el flujo iónico. Son flujos permanentes. Si este flujo es constante, las neuronas tienen que gastar energía (ATP) en mantener estas concentraciones. (Bomba de sodio-potasio…) Gasto energético muy importante.

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La ecuación de Goldman (1940) Es un modelo estacionario porque predice el valor del potencial transmembrana cuando la neurona está en reposo. No coincide con el de equilibrio. Potencial transmembrana estacionario. (“estacionario” significa que no hay cambios, a diferencia de “equilibrio” que significa permanente).
Utiliza la magnitud permeabilidad referida a cada una de las tres especies iónicas. ES una magnitud que cuantifica la facilidad con que una sustancia atraviesa una membrana.
Hay más canales de potasio y oponen menos resistencia que de cloro, el potencial también depende de 10 variables.
Las ecuaciones sirven para predecir. Tenemos el modelo completo. (Hay que tener en cuenta que la concentración del cloro es externa).
¿Si aumenta la permeabilidad? Determinada por el número de canales abierto, puede aumentar hasta 1000 veces dentro de la actividad normal de las neuronas. Entonces uno de los sumandos de hace mucho mayor y llegando a ser lo suficientemente grande como para despreciar los otros dos. Entonces, se parece a la ecuación de Nernst.
Cuando una especie de canales se abren el potencial transmembrana se a al potencial de equilibrio de esa especie. No llega a coincidir pero se aproxima mucho. (En el caso del Na+ hasta -40mV.) El potencial de acción de los canales determina el valor del potencial transmembrana.