Bases fisico-qu

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Bases fisico-químicas y modelado del tejido
excitable.
núcleo de ingeniería biomédica facultades
de ingeniería y medicina universidad de la
república
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Introducción
Entre las células excitables se pueden distinguir
principalmente las nerviosas (o neuronas) y las
células musculares.

• NEURONAS - transmiten a otras y a células
  musculares, el impulso excitatorio.
  Característica fundamental para la formación del
  sistema nervioso.
• CÉLULAS MUSCULARES Son las responsables de la
  contracción y distensión del tejido muscular.

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Introducción

• SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO Proyecciones del
  tejido nervioso desde los órganos centrales
  (cerebro, cerebelo, médula, etc) hasta los
  órganos periféricos.
• SISTEMA NERVIOSO CENTRAL Constituido por
  encéfalo superior, encéfalo inferior y médula.

• Encéfalo inferior Encargado de las funciones
  que no requieren atención consciente dirigida
  (sistema vestibular, respiración, etc.)?
• Encéfalo superior Funciones conscientes,
  memoria.
• Médula Vía de conducción de señales desde la
  periferia hasta el encéfalo.

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Funciones del sistema nervioso

• Funciones sensoriales Los estímulos recibidos
  por neuronas especializadas llegan a través del
  SNP al SNC.
• Funciones motoras Control y regulación de
  actividades corporales. Se regulan músculos
  esqueléticos y lisos, glándulas, etc.
• Funciones superiores Elaboración de planes o
  ideas de actuación propios, utilizando la memoria.

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Histología de la neurona

• Soma - contiene el núcleo celular y ocurre la
  síntesis proteica.
• Dendritas - mayor parte de la estimulación de la
  célula.
• Axón - extensión fina, semejante a un cable miles
  de veces el tamaño del soma. Transmite el impulso
  nervioso al exterior de la neurona.

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Histología de la neurona

• La mayoría de las neuronas de vertebrados reciben
  el estímulo electroquímico en el soma o dendritas
  y lo transmiten a través del axón.
• Dicha transmisión se llama Transmisión sináptica.

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Membrana celular

• En el interior y exterior de la célula existen
  iones en distintas concentraciones.
• La membrana celular es semipermeable para estos
  iones.
• La semipermeabilidad permite el movimiento pasivo
  de iones.
• El reposo se alcanza cuando existe equilibrio
  electroquímico.

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Membrana celular
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Membrana celular

• Equilibrio electroquímico
• Las concentraciones iónicas y la diferencia de
  potencial eléctrico generado, se cancelan
  logrando un movimiento neto nulo de iones.
• La distribución iónica no es simétrica a ambos
  lados de la membrana celular.

gradientes de concentración potencial eléctrico
de reposo
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Difusión a través de la membrana celular

• DOS TIPOS
• PASIVA O FACILITADA.
• Difusión por canales iónicos específicos. Regulan
  el pasaje de iones específicos. Sus
  características pueden cambiar con estímulos
  externos.
• La difusión se da en favor de los gradientes de
  concentración.
• ACTIVA.
• Bombas transportan en contra de gradientes,
  consumen ATP (energía).

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Equilibrio electroquímico
Ecuación de Nernst-Planck
R Constante de los gases (8,31 J/K.mol)? Z
Valencia iónica T Temperatura F Constante de
Faraday Pej -90mV para el K
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Equilibrio electroquímico
Ecuación de Nernst-Planck
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Equilibrio electroquímico
POTENCIAL DE REPOSO
Ecuación de Goldman-Hodgkin y Katz
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Modelado de la membrana celular
MEMBRANA CELULAR
Comportamiento eléctrico característico,
Circuito equivalente de una célula esférica. Vm
es el potencial de reposo, rm y Cm las
resistencia y capacidad de la célula.
Cm tiene un valor aproximado de 1 uF/cm²
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Modelado de la membrana celular
MEMBRANA CELULAR
Componentes de las conduc-tancias de Na y K con
sus respectivos potenciales de equilibrio.
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Canales iónicos

• Los canales iónicos son canales dependientes de
  voltaje
• La variación de voltaje transmembrana modifica la
  permeabilidad de los canales, generando corriente
  iónica en favor de los gradientes
  electroquímicos.

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Fenómenos eléctricos

• Potencial transmembrana puede modificarse por
  estímulos mecánicos, eléctricos, térmicos o
  químicos.
• Estímulos
• Baja intensidad Potencial local
• Alta intensidad Potencial de acción

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Potencial local

• El exceso de cargas eléctricas introducidas en la
  célula nerviosa, por estimulación eléctrica,
  causa una variación del potencial transmembrana.
• Esto induce un flujo neto de iones
  (principalmente K). No ocurren cambios
  sustanciales en las permeabilidades de los
  canales iónicos.
• Dura de 10 a 15 ms. Tras lo cual se recupera las
  concentraciones iónicas y el potencial de reposo.

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Potencial local
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Potencial local

• No es autopropagable.
• Se extiende pocos mm.
• Pueden tener signo positivo o negativo.
• Entrada de cargas positivas depolarizante.
• Entrada de cargas negativas hiperpolarizante.
• Son potenciales sumables.

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Potencial de acción

• Si un estímulo o la suma de varios supera los 20
  mV de depolarización, (sube de -70 mV a -50 mV),
  se producen variaciones en las permeabilidades de
  los canales iónicos, provocando cambios bruscos
  de flujos iónicos y potencial transmembrana. Esto
  se llama Potencial de Acción.
• Se llama Potencial de Umbral, al cambio mínimo
  necesario para producir un Potencial de Acción.

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Potencial de acción

• Fases del potencial de acción
• Depolarización 0,2 a 0,5 ms. Se alcanza un
  voltaje de hasta 30 mV.
• Repolarización 0,5 ms. El voltaje vuelve al
  valor de potencial de reposo.
• Post-potencial hiperpolarizante El voltaje
  desciende por debajo del potencial de reposo.

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Potencial de acción

• Ley del Todo o nada.
• Amplitud variable, depende de del equilibrio
  iónico y permeabilidades de la neurona.
• Implica la apertura de canales iónicos
  dependientes de voltaje.
• Corta duración (1 a 2 ms).
• Depolarizante.
• No es sumable.
• Autopropagable por toda la membrana neuronal.

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Potencial de acción
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Potencial de acción
Gráfica de corrientes (flujo iónico) frente a
voltaje (potencial de membrana), ilustrando el
umbral (flecha roja) del potencial de acción de
una célula ideal.
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Potencial de acción

• Al final existe un desequilibrio ionico que es
  constantemente restaurado con la Bomba Na/K. Se
  consume ATP, se introducen iones K y se extraen
  iones Na, en contra de los gradientes
  electroquímicos, buscando el equilibrio
  electroquímico.

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Potencial de acción

• Existe el llamado Período Refractario.
• Debido a que la permeabilidad de los canales de
  Na queda inactivada durante un breve lapso
  posterior al Pontencial de Acción. Esto da la
  direccionalidad en la propagacion del impulso.
• El Período Refractario Absoluto, es el lapso en
  el cual no se produce ningún potencial de acción,
  cualquiera sea la intensidad del estímulo
  (duración entre 1 y 2 ms).
• El Período Refractario Relativo, es el lapso en
  que puede producirse un Potencial de Acción, pero
  con un estímulo superior al normal.

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Propagación del potencial de acción
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Propagación del potencial de acción

• Existen axones mielínicos y amielínicos.
• Amielínicos Conducción continua.
• Mielínicos Conducción saltatoria.
• A lo largo del axón mielínico existen espacios
  sin mielina llamados Nodos de Ranvier. En estos
  nodos se genera el potencial de acción.
• La propagación saltatoria consume menos cantidad
  de energía al tener que mover menos iones la
  Bomba Na/K.

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Propagación del potencial de acción entre neuronas

• La terminación del axón se llama cono axónico.
• Tiene mayor densidad de canales iónicos, lo que
  la hace más fácilmente excitable.
• Los terminales axónicos son zonas especializadas
  en liberar neurotransmisores que son los
  responsables de mediar en la sinapsis.
• Las dendritas se ubican en la postsinapsis,
  obteniendo un estímulo químico que genera un
  Potencial de Acción.

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Conexión neurona-neurona
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Sistema muscular
núcleo de ingeniería biomédica facultades
de ingeniería y medicina universidad de la
república
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Juntura neuromuscular

• De la espina dorsal a músculos esqueléticos
  llegan fibras motoras eferentes.
• Cada fibra controla un grupo específico de
  músculos.
• Para músculos grandes cada fibra nerviosa
  controla entre 100 y 200 fibras musculares. Para
  la motricidad fina, cada fibra nerviosa controla
  hasta 6 fibras musculares.
• Estimular una fibra nerviosa produce la
  contracción de todos los músculos asociados a la
  fibra.

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Tejido muscular

• Tres tipos de músculos
• De contracción voluntaria
• Músculo esquelético mayor volumen, 40 de la
  masa corporal.
• De contracción involuntaria inervada
• Muslo liso tracto digestivo, vasos sanguíneos
  (no se tratara en este curso)
• De contracción involuntaria no inervada
• Músculo cardíaco miocardio (próxima clase)

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Músculo esquelético

• Estructura
• Haz de fibras.
• Fibra muscular es la célula muscular, miocito,
  10 a 100um de diámetro.
• Miofibrilla unidad básica, dan el aspecto
  estriado.
• Miofilamentos miosina (gruesos) y actina
  (delgados).

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Músculo esquelético

• Miofibrilla
• Bandas
• Banda A bandas oscuras, miosina y actina.
• Banda I bandas claras, actina.
• Banda H bandas pálidas, miosina.
• Sarcómero unidad funcional comprendida entre
  líneas Z por una banda A y dos medias bandas I.
  Longitud dependiente de la contracción.

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Músculo esquelético

• Miofilamentos
• Grueso
• Unas 300 moléculas de miosina.
• Tienen 1.5 micras de longitud y 100-400 A de
  diámetro.
• Delgado
• Están compuestos por 3 proteínas actina
  fundamentalmente, tropomiosina y troponina, en
  relación 711.

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Fisiología Muscular

• Dinámica de la contracción muscular
• El potencial de acción viaja por la fibra
  eferente motora hacia la juntura neuromuscular
  (centro de fibra muscular).
• Cada axón eferente, se divide en varios cientos
  de ramas que activaran cada una de las fibras
  musculares.
• Se produce la apertura de canales de Na (ingresa
  a la célula muscular).
• Vm gt -50mv ? Pot. de Acción Muscular. Una serie
  de túbulos (llamados T), se encargan de difundir
  dicho potencial a toda la fibra muscular.
• Esto provoca apertura de canales de Ca que
  ingresa y baña a cada una de las miofibrillas. El
  ion Ca es clave en el acoplamiento que produce
  la contracción.
• Luego la bomba de Ca regresa dicho ion a sus
  valores normales para la distensión.

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Fisiología Muscular

• Contracción
• Resulta del acortamiento del sarcómero,
  desplazamiento de miofilamentos delgados sobre
  gruesos.
• El Ca que llegó se une a la troponina generando
  un cambio en su posición, dejando al descubierto
  la zona de contacto de la actina con la miosina.
  Dado esto, las cabezas de miosina se unen con
  dichos puntos de contacto. Mediante hidrólisis de
  de ATP, la cabeza de miosina gira 45 grados
  produciéndose un desplazamiento del miofilamento
  delgado hacia el centro del sarcómero de unos
  5nm.
• Luego la cabeza se desengancha y vuelve a quedar
  en posición vertical para volver a acoplarse y
  repetir el proceso como si fuera una especie de
  remo.
• La relajación muscular sucede cuando los iones de
  Ca vuelven a sus concentraciones de reposo.

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Célula muscular cardíaca (miocito cardíaco)

• En el miocito la activación eléctrica ocurre
  igual que en las neuronas
• Ingreso de iones Na
• La amplitud del PA es de 100 mV (también similar)
• La duración es cerca de 100 veces mayor que en
  neuronas y miocitos esqueléticos (300 ms).
• La repolarización es consecuencia del egreso de
  iones K
• Una importante diferencia entre el miocito
  cardíaco y el miocito esquelético o liso, es que
  el cardíaco propaga el estímulo de una célula a
  la otra en cualquier dirección.

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Conceptos Importantes

• Estructura de la neurona, transmisión sináptica.
• Canales iónicos, equilibrio iónico (Ley de
  Nernst) y modelo Hodgkin-Huxley
• Potencial de acción causas, flujo iónico y
  recuperación de concentraciones, forma de onda,
  valores y sus causas
• Diferencias entre potencial local y potencial de
  acción. Ley de todo o nada. Período
  refractario.
• Propagación del PA en el axón. Nodos de Ranvier.

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Conceptos Importantes

• Juntura neuromuscular qué es, control consciente
  de la musculatura
• Tipos de tejido muscular
• Dinámica de la contracción muscular
• Miocito cardíaco diferencia con miocito
  esquelético, características del PA, propagación
  a otras células

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Referencias

• Simini, F - "Ingeniería Biomédica perspectivas
  desde el Uruguay", Depto. Publicaciones UR, 2007
• Webster, J - "Medical Instrumentation.
  Application and design", 3ra ed, JWS, 1998
• Malmivuo, J y Plonsey, R - "Bioelectromagnetism.
  Principles and applications of bioelectric and
  biomagnetic fields", Oxford University Press,
  1995 (http//butler.cc.tut.fi/malmivuo/bem/bemboo
  k/index.htm)