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NOMBRE: EDGAR OSCAR MACHA ESCOBAR CURSO: FÍSICA MÉDICA PROFESORA: LIZETH JAVE ESCALANTE CICLO II / 2019 TEMA: BIOELECTRICIDAD

SEMINARIO 12: BIOELECTRICIDAD: Conceptos empleados, relacionando a la medicina y la neurona.

Introducción:

Para poder desarrollar el tema de bioelectricidad en la física médica, primero debemos aprender ciertos conceptos importantes, los cuales nos ayudaran en el proceso de comprensión de este tema, se destaca de este la gran importancia, pues esta disciplina nos ayudará a estudiar aquellos procesos “eléctricos” producidos en el organismo de los seres humanos, como, por ejemplo: impulsos nerviosos, actividad neuronal, entre otros. En este trabajo incluiremos un estudio profundo sobre estos eventos, y sobre todo resaltaremos a la neurona como unidad responsable de todos estos, además también un poco sobre el periodo refractario (momento o actividad nula importante a conocer).

1. ELECTRICIDAD: La electricidad se define como una forma de energía que se manifiesta con el movimiento de los electrones de la capa externa de los átomos que hay en la superficie de un material el cual es un conductor. La electricidad es un fenómeno íntimamente ligado en la materia y a la vida. Todo lo que vemos en nuestro alrededor y también lo que no vemos está integrado por medio de los electrones, partículas que giran en torno a los núcleos atómicos.

Dato: El movimiento de las cargas eléctricas a través de un medio conductor se conoce como corriente eléctrica y se origina en el poner contacto dos elementos entre los cuales hay una diferencia de potencial. La corriente eléctrica genera también calor. Cuando las cargas eléctricas fluyen a través de un material conductor, chocan con sus átomos, los electrones ceden una parte de la energía que contienen y los átomos ganan velocidad, la cual se manifiesta a través del calor. La transformación de la energía eléctrica en calor se llama efecto joule

2. CONCEPTO DE BIOELECTRICIDAD (BIOELECTROMAGNETISMO): Bioelectromagnetismo es una rama de las ciencias biológicas que estudia el fenómeno consistente en la producción de campos magnéticos o eléctricos producidos por seres vivos; estos dos conceptos van fuertemente unidos, ya que toda corriente eléctrica produce un campo magnético. "El Bioelectromagnetismo es la ciencia emergente que estudia la forma en que los organismos vivos interactúan con los campos electromagnéticos. Los fenómenos eléctricos se hallan en todos los organismos vivientes. Más aún, existen corrientes eléctricas en el cuerpo que producen campos magnéticos que se extienden fuera del cuerpo. En consecuencia, los organismos pueden verse influidos también por campos magnéticos y electromagnéticos externos. Cambios en los campos naturales del cuerpo pueden producir cambios físicos y de conducta."

3. POTENCIAL ELECTROQUIMICO: El potencial electroquímico es un fenómeno y una propiedad fisicoquímica que se presenta en la doble capa electroquímicamente la fase sólida y la fase liquida como

resultado o como causa para la presencia de la reacción electroquímica de oxidación o reducción. - Una explicación para el desarrollo de la pila galvánica de Daniel (J. F. Daniel, 1780-1845), es la existencia de potencial electroquímico de los elementos y substancias químicas.

4. ¿CUANDO, DONDE Y COMO SE PRESENTA EL POTENCIAL ELECTROQUIMICO?:

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¿CUANDO?:

Cuando entra en contacto una fase sólida y una fase liquida en las cuales se encuentran elementos químicos de la misma especie. 

¿DONDE?:

En la doble capa electroquímica, la zona límite entre la fase sólida y la fase liquida. 

¿COMO?:

La doble capa de cargas eléctricas, representan una diferencia de potencial electrochoque tienen un valor numérico, un signo eléctrico (+ -) y es característico para cada elemento o sustancia química en su proceso de oxidación o reducción y se denomina potencial electroquímico. La cantidad de iones que se muevan se basará en la cantidad de canales disponibles y también de la fuerza neta.

5. CONDUCTANCIA DE MEMBRANA: Término que indica el paso de corrientes iónicas a través de la membrana y que representa la facilidad con la que los iones pueden atravesarla. Depende, entre otros factores, de la apertura o cierre de los canales iónicos. Su unidad de medida es el siemens y es la inversa de la resistencia eléctrica (1/R). Un ejemplo sobre la conductancia pueden ser la bomba de sodio y potasio pues, la conductancia del Sodio, es proporcional al número de canales abiertos que permitan al sodio pasar a través de la membrana. No indica que habrá una difusión neta de iones a través de los canales. Destacamos también que existen 3 tipos de canales en conductancia. Los cuales son:

1. Canales sin compuerta: La forma más frecuente de canal sin compuerta es el canal de fuga K+, que permite el paso de K+ y es de importancia enorme para la creación de una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre los dos lados de la membrana celular. Como este canal no tiene compuerta, el tránsito de iones K+ no se encuentran bajo el control de la célula; más bien la dirección del movimiento de los iones refleja su concentración en ambos lados de la membrana. Como no tienen puertas, siempre están abiertos. Por ejemplo, todas las células poseen canales sin compuertas de potasio. Esto quiere decir, que siempre habrá un fluido neto de potasio a través de estos canales, a menos que el potasio se encuentre en equilibrio.

2. Canales dependientes de voltaje: Tipo de canal iónico cuya apertura o cierre depende del potencial eléctrico o voltaje que presenta la membrana celular, como los canales de Na+ y de K+ dependientes de voltaje, que se abren en respuesta a despolarizaciones del potencial de membrana. Entonces estos canales se abren o cierran e respuesta a cambios en el voltaje de la membrana. Por ejemplo, muchas células excitables poseen este tipo de canales, los cuales suelen estar cerrados en condiciones de reposo y se abren cuando la membrana se despolariza.

3. Canales activados por ligando: Los canales iónicos activados por ligando son canales de iones que abren en respuesta a la unión de un ligando. Para formar un canal, este tipo de receptores de superficie celular tiene una región que atraviesa la membrana con un canal hidrofílico (que ama el agua) en medio. El canal permite que los iones crucen la membrana sin tener que tocar el centro hidrofóbico de la bicapa de fosfolípidos. Es decir que incluye un receptor que se abrirá solo con una sustancia especifica

6. LA FUERZA NETA: La fuerza neta se define como la suma de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto.

Por ejemplo, en mecánica al patear un balón de fútbol, la pelota despega y se mueve por el aire. En ese momento, hay una fuerza neta que actúa sobre la pelota. Cuando la pelota comienza a regresar al suelo y finalmente se detiene, hay una fuerza neta que actúa sobre la pelota también. Para

a) La Fuerza de Concentración: Esta fuerza está determinada por la diferencia de concentraciones que se tienen en la membrana. Podemos decir que se define como “a mayor diferencia de concentración, mayor será la fuerza de concentración. b) La Fuerza eléctrica: Es aquella fuerza que se refiere a la diferencia eléctrica que se observa a través de membrana. se basada en el hecho de que las cargas iguales se repelen y las opuestas se atraen. Por convención, el potencial a través de la membrana se describe por la carga que se encuentra en el lado intracelular de la membrana. La fuerza eléctrica que sería necesaria para evitar la difusión de un ion según su gradiente de concentración puede medirse mediante la ecuación de NERNST y representa el potencial de equilibrio del ion. Los iones siempre van a difundir en la dirección que lleve el potencial de membrana hacia su potencial de equilibrio.

7. POTENCIAL DE REPOSO: El potencial de reposo de la membrana celular (también llamado PRMC) es la diferencia de potencial que existe entre el interior y el exterior de una célula. Se debe a que la membrana celular se comporta como una barrera semipermeable selectiva, es decir, permite el tránsito a través de ella de determinadas moléculas e impide

el de otras. Este paso de sustancias es libre, no supone aporte energético adicional para que se pueda llevar a cabo. En las células eléctricamente excitables (neuronas), el potencial de reposo es aquel que se registra por la distribución asimétrica de los iones (principalmente sodio y potasio) cuando la célula está en reposo fisiológico, es decir, no está excitada. Este potencial es generalmente negativo, y puede calcularse conociendo la concentración de los distintos iones dentro y fuera de la célula. La distribución asimétrica de los iones se debe a los gradientes de los potenciales electroquímicos de los mismos. El potencial electroquímico está compuesto por el potencial químico, directamente relacionado con la concentración de las especies, y con la carga de los distintos (iones) Entonces se puede decir que cuando la célula no está estimulada por corrientes depolarizantes supraumbrales, se dice que se encuentra en un potencial de membrana en reposo. El potencial de membrana en reposo es -90Mv. Se mantiene negativo debido a que el K+ está saliendo constantemente, también la acción de la Bomba Na/k y canales de Fuga de Na Definiciones.

i) Despolarización: La despolarización es una disminución del valor absoluto del potencial de membrana, canales para el potasio y bombas para Cl⁻. Como resultado, el exterior celular es más rico en Na⁺ y Cl⁻ que el interior, mientras que los iones K⁺ se acumulan en el interior respecto al exterior. ii) Hiperpolarización: La hiperpolarización es cualquier cambio en el potencial de membrana de la célula, que hace que esté más polarizada. Es decir, la hiperpolarización es un incremento en el valor absoluto del potencial de membrana de la célula. El potencial negativo intracelular se hace más negativo 8. EL POTENCIAL DE ACCIÓN: Podemos definir que el potencial de acción o también llamado impulso eléctrico, es un tipo de onda de descarga eléctrica que viaja a lo largo de la membrana de la célula. Los potenciales de acción se utilizan en el cuerpo para llevar información entre unos tejidos y otros, lo que hace que sean una característica microscópica esencial para la vida de los animales. Pueden generarse por diversos tipos de células corporales, pero las más activas en su uso son las células del sistema nervioso para enviar mensajes entre células nerviosas o desde células nerviosas a otros tejidos corporales, como el músculo o las glándulas.

Dato: La principal diferencia entre los potenciales de acción de animales y plantas es que las plantas utilizan flujos de potasio y calcio mientras que los animales utilizan potasio y sodio. 

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Son vía fundamental de transmisión de códigos neurales. Sus propiedades pueden frenar el tamaño de cuerpos en desarrollo y permitir el control y coordinación centralizados de órganos y tejidos. Tiene una diferencia constante de potencial o potencial de membrana entre la parte interna y externa de la célula (por lo general de -90 mV). La carga de una célula inactiva se mantiene en valores negativos (el interior respecto al exterior) y varía dentro de unos estrechos márgenes. Cuando el potencial de membrana de una célula excitable se despolariza más allá de un cierto umbral (de 65mV a 55mV app) la célula genera (o dispara) un potencial de acción.

En conclusión, el potencial de acción es un cambio muy rápido en la polaridad de la membrana de negativo a positivo y vuelta a negativo, en un ciclo que dura unos milisegundos. Cada ciclo comprende una fase ascendente, una fase descendente y por último una fase hiperpolarizada (ver fases del potencial de acción). En las células especializadas del corazón, como las células del marcapasos coronario, la fase meseta de voltaje intermedio puede aparecer antes de la fase descendente. El potencial de acción no se mantiene en un punto de la membrana plasmática, sino que viaja a lo largo de la membrana. Puede desplazarse a lo largo de un axón a mucha distancia, como transportando señales desde el cerebro hasta el extremo de la médula espinal. En animales grandes como las jirafas o las ballenas la distancia puede ser de varios metros.

9. FASES DEL POTENCIAL DE ACCIÓN Ahora hablaremos sobre los cambios o variaciones del potencial anteriormente descrito, se tiene en conocimiento que durante el potencial de acción son resultado de cambios en la permeabilidad de la membrana celular a iones específicos (en concreto, sodio y potasio) y por consiguiente cambios en las concentraciones iónicas en los compartimientos intracelular y extracelular. La ecuación mostrada en la imagen es aquella que define las relaciones.

Tenemos entendido que aquellos cambios en la permeabilidad de la membrana y en el establecimiento y el cese de corrientes iónicas durante el potencial de acción refleja la apertura y cierre de los canales iónicos que forman zonas de paso a través de membrana para los iones. Las proteínas que regulan el paso de iones a través de la membrana responden a los cambios de potencial de membrana. Además destacamos que cuando la célula se despolariza hasta llegar al conocido “umbral”, se va a desencadenar un P.A . Usualmente se requiere un aumento súbito en la potencial membranal (15 a 30 Mv). El potencial de acción se inicia cuando el canal de sodio dependiente de potencial se abre, haciendo que la permeabilidad del sodio supere ampliamente a la del potasio Los potenciales subumbral, se conocen como potenciales electrónicos.

1) La Fase de Despolarización: Debemos decir que la despolarización inicial es el estímulo que causa que los canales de sodio. El mismo estímulo también hace que esos canales se cierren tardíamente. Por ejemplo: Cuando una neurona recibe un estímulo, se abren los canales de sodio presentes en la membrana, y por tanto el Na+ entra en la célula a favor del gradiente de concentración, de manera que el potencial de membrana cambia a positivo mediante el intercambio de iones, produciéndose una despolarización.

2) La Fase de Repolarización: En un plazo de algunas diez milésimas de segundo después de que la membrana se haya hecho muy permeable a los iones de sodio, los canales de sodio comienzan a cerrarse y los canales de potasio se abren más de lo normal. Entonces, presenciamos que, durante la repolarización temprana, los canales de sodio dependientes de potasio empiezan a cerrarse, lo que elimina el flujo de sodio a través de la membrana. Luego los canales de voltaje dependiente de voltaje se abren, aumentando la conductancia de la membrana al potasio.

3) La Hiperpolarización: La fase de hiperpolarización se da cuando el potencial de membrana se vuelve más negativo en un punto particular en la membrana de la neurona, mientras que la despolarización es cuando el potencial de membrana se vuelve menos negativo (más positivo). Es decir, as gradientes originales se restablecerán a través de la bomba sodio potasio

10. PROPAGACIÓN: Aquí hablaremos acerca de la propagación de los potenciales de acción en los axones amielínicos, tenemos entendido por conocimientos previos que los potenciales de acción se propagan como una interacción pasiva entre la despolarización que se desplaza por la membrana y los canales de sodio regulados por voltaje. Entonces, cuando una parte de la membrana celular se despolariza lo suficiente como para que se abran los canales de sodio dependientes de voltaje, los iones de sodio entran

en la célula por difusión facilitada. Una vez dentro, los iones positivos de sodio impulsan los iones próximos a lo largo del axón por repulsión electrostática, y atraen los iones negativos desde la membrana adyacente. En el resultado tenemos , una corriente positiva se desplaza a lo largo del axón, sin que ningún ion se esté desplazando muy rápido. Una vez que la membrana adyacente está despolarizada, sus canales de Na dependientes de voltaje se abren, realimentando el ciclo.

I. La velocidad de propagación: Tengamos en cuenta que todos los potenciales de acción se propagan más rápido en axones que posean un mayor diámetro. La principal razón para que ocurra es que la resistencia axial de la luz del axón es menor cuanto mayor sea el diámetro, debido a la mayor relación entre superficie total y superficie de membrana en un corte transversal. Al ser la membrana usperficial un obstáculo principal para la propagación del potencial en axones amielínicos, el incremento de esta tasa es una forma especialmente efectiva de incrementar la velocidad de la transmisión. Cabe destacar que tenemos diversos factores que determinan la velocidad del potencial de acción, ellos pueden ser los siguientes: El potencial de acción // El diámetro // La mielinización

II. La conducción saltatoria: la conducción saltatoria es el proceso por el que los potenciales de acción parecen saltar a lo largo del axón, siendo regenerados solo en unos anillos no aislados (los nodos de Ranvier). Es comprensible que en los axones mielínicos, la conducción saltatoria es el proceso por el que los potenciales de acción parecen saltar a lo largo del axón, siendo regenerados sólo en unos anillos no aislados (los nodos de Ranvier). La conducción saltatoria incrementa la velocidad de conducción nerviosa sin tener que incrementar significativamente el diámetro del axón. Ha desempeñado un papel importante en la evolución de organismos más complejos cuyos sistemas nerviosos necesitan transmitir rápidamente potenciales de acción a largas distancias. Sin conducción saltatoria, la velocidad de conducción requeriría incrementos drásticos en el diámetro del axón, a tal punto que podrían resultar en la formación de sistemas nerviosos excesivamente grandes para los cuerpos que deben alojarlos.

III. Detallando el mecanismo: Este apartado consta de hablar sobre el obstáculo para la velocidad de transmisión en axones amielínicos, el cual es la capacitancia de la membrana. Sabemos que La capacidad de un condensador puede disminuirse bajando el área de sus placas, o incrementando la distancia. El aislamiento resultante resulta en conducción de gran rapidez de los iones a través de las secciones mielinizadas del axón, sin embargo, impide la generación de potenciales de acción en estos segmentos. Los potenciales de acción sólo se vuelven a producir en los nodos de Ranvier desmielinizados, que se sitúan entre los segmentos mielinizados. En estos anillos hay un gran número de canales de sodio dependientes de voltaje (hasta cuatro órdenes de magnitud superior a la densidad de axones amielínicos), que permiten que los potenciales de acción se regeneren de forma eficaz en ellos. En resultado a la mielinizacion se observa que los segmentos aislados del axón actúan como un cable pasivo: los cuales conducen los potenciales de acción rápido, porque la capacitancia de la membrana es muy baja, y minimizan la degradación de los potenciales de acción porque la resistencia de la membrana es alta. Cuando esta señal que se propaga de forma pasiva alcanza un nodo de Ranvier, inicia un potencial de acción que viaja de nuevo de forma pasiva hasta que alcanza el siguiente nodo, repitiendo.

IV. La minimización de los daños: Para estudiar esto debemos comprender que la longitud de los segmentos mielinizados de un axón es de suma importancia en la conducción saltatoria. Por esta razón deben ser para así optimizar la distancia de la conducción pasiva, pero no como para que la disminución en la intensidad de la señal sea tanta que no alcance el umbral de sensibilidad en el siguiente nodo de Ranvier. Es decir, los segmentos mielinizados son lo suficientemente largos para que la señal que se propaga pasivamente recorra al menos dos segmentos manteniendo una amplitud de

señal suficiente como para iniciar un potencial de acción en el segundo o tercer nodo. Entonces así se eleva el factor de seguridad de la conducción saltatoria, permitiendo que la transmisión traspase nodos en caso de que estén dañados.

11. PERIODO REFRACTARIO: El periodo refractario se conoce como aquel momento en el que la célula no responde ante ningún estímulo y por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Acción.

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Este periodo se divide en dos: -Periodo Refractario Absoluto (o Efectivo) -Periodo Refractario Relativo.

• El Periodo Refractario Absoluto: Se define periodo refractario como el momento en el que la célula excitable no responde ante un estímulo y por lo tanto no genera un nuevo potencial de acción. Se divide en dos: periodo refractario absoluto (o efectivo) y periodo refractario relativo. No importa que tan fuerte sea el estímulo, no generará un segundo potencial de acción. Es debido a una inactivación de voltaje de los canales de sodio. Su duración determina la frecuencia de los potenciales de acción.

• Periodo Refractario Relativo: El periodo refractario relativo es el período al final de la fase descendente del potencial de acción en el que puede dispararse un nuevo potencial de acción, aunque se necesita una despolarización inicial mayor para alcanzar el umbral de excitación. Se debe a que el potencial de membrana está hiperpolarizado. El período refractario relativo comprende los escasos milisegundos que siguen al absoluto, es decir, el tiempo durante el cual la membrana se repolariza y restablece el potencial de membrana en reposo. Durante el período refractario relativo, la membrana sólo responderá a estímulos muy fuertes. Dado que únicamente estímulos muy fuertes pueden producir un potencial de acción durante el período refractario negativo, una serie de potenciales de acción densamente espaciados sólo puede ocurrir cuando el estímulo es de gran magnitud. Cuanto mayor sea la magnitud del estímulo, antes se producirá un nuevo potencial de acción y mayor será la frecuencia de los potenciales de acción. Ello significa que, aunque la magnitud del estímulo no afecte la magnitud del potencial de acción, que es una respuesta todo o nada, se producirá un incremento proporcional de la frecuencia de impulsos. Así, el sistema nervioso utiliza la frecuencia de impulsos nerviosos para codificar la fuerza de un estímulo, no los cambios de magnitud del potencial de acción. Este varía de célula a célula, y es una de las características que permiten decir si una célula es más o menos excitable que otra. En otros casos como el músculo cardiaco, su amplio Periodo Refractario le permite la increíble capacidad de no tetanizarse. El correcto funcionamiento del cuerpo necesita que las señales lleguen de un extremo a otro del axón sin pérdidas en el camino. Un potencial de acción no sólo se propaga a lo largo del axón, sino que se regenera por el potencial de membrana y corrientes iónicas en cada estrechamiento de la membrana en su camino. En otras palabras, la membrana nerviosa regenera el potencial de membrana en toda su amplitud a medida que la señal recorre el axón, superando los límites que impone la teoría de líneas de transmisión.

FUENTES DE INFORMACIÓN: 1) 2) 3) 4) 5) 6)

http://www.sld.cu/galerias/pdf/sitios/rehabilitacion-fis/biomagnetismo http://fcm.uccuyosl.edu.ar/images/pdf/3-LA-NEURONA-1.pdf http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid http://icaen.gencat.cat/es/energia/formes/electricitat/que_es/ http://www7.uc.cl/sw_educ/neurociencias/html/053.html http://www.facmed.unam.mx/Libro-NeuroFisio/04NeuroFisioCelular/Membrana/MembranaUnid.html 7) http://www.scielo.org.co/pdf/sun/v27n2/v27n2a07.pdf 8) https://es.khanacademy.org/science/biology/human-biology/neuron-nervous-system/a/themembrane-potential 9) https://es.khanacademy.org/science/biology/cell-signaling/mechanisms-of-cellsignaling/a/signal-perception