TEJIDOS EXITABLES
TEJIDOS EXCITABLES – Clases Teóricas TEJIDOS EXITABLES: NEUROMUSCULAR 1ERA CLASE TEÓRICA Profa. Miriam Rivas Tema 2.
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- Andreina Acevedo
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TEJIDOS EXCITABLES – Clases Teóricas
TEJIDOS EXITABLES: NEUROMUSCULAR 1ERA CLASE TEÓRICA Profa. Miriam Rivas Tema 2. Objetivos 1 al 4. Contenidos Programáticos 1 y 2. Vamos a hablar de esto, más o menos lo que he mencionado, un estimulo, propagación y transmisión de esa excitación. En la clase de hoy vamos a cubrir estos contenidos, en clases adicionales también vamos a volver un poco sobre estos objetivos y algunos de estos contenidos, tenemos siete clases de excitabilidad. Fíjense: la fisiología de células excitables, está acá expuesta, como un proceso de excitabilidad, cambia un ser vivo su estado de reposo frente a una alteración energética del medio ambiente, eso es, por definición, una célula capaz de ser excitada, otra cosa importante que esta acá es que el estímulo es una inyección de energía que se da al sistema, la generación del estímulo mismo, también es energía; esa inyección de energía que se da al sistema, va a traer en consecuencia cambio energéticos, a su vez asociados, con la respuesta; y la respuesta, lo que ya indicamos, un cambio de ese estado de reposo, de equilibrio, quizás dinámico, pero de equilibrio al fin, producido por esa inyección de energía. ¿Qué características tiene el estímulo? Un estímulo tendrá una cierta intensidad, una duración y una frecuencia. La intensidad, es el nivel o la cantidad de energía que se aplique, el tiempo de duración, bien establecido por cuánto tiempo se deja operar ese estímulo y, finalmente, la frecuencia, es el número de pulsos que se genera por unidad de tiempo. Es decir, yo tengo un estímulo que tiene una cierta intensidad en milivoltios y que tiene una duración en milisegundos y aplico, con esas características, cinco pulsos (todos de la misma intensidad y duración) en un periodo de tiempo; eso es, o constituye, un conjunto del tren de estimulación que recibimos, ahora, eso puede ser artificial, generado, o puede ser también, simplemente un patrón de estimulación que está disparando una neurona con una cierta proporción constante. Esto que tenemos acá es un ser vivo, y aquí su entorno… ¿Cómo funciona el ser vivo con el entorno? Mediante un conjunto de procesos físico-químicos, de los cuales, ustedes conocen algunos, ya los han estudiado previamente en su bioquímica, estudiaron también un poco, acá, líquidos del organismo, pero que en resumen, ese conjunto de procesos físico-químicos traen a cabo la ejecución de procesos nutricionales para la célula o quizás que nos permitan la locomoción o que nos permitan reaccionar ante estímulos dolorosos, visuales… Para que esto funcione adecuadamente debe existir una regulación coordinada con el sistema nervioso para integrar esos procesos y que la respuesta sea efectiva, ¿efectiva en cuanto a qué? efectiva en cuanto a garantizar la preservación de la especie, la preservación de la vida, entonces la excitabilidad nos permite eso. El funcionamiento está asociado entonces a dónde y cuándo ocurren los procesos vitales del individuos, hay relaciones estructurales y todo esto está sujeto a mecanismos de control; cuando hablamos de mecanismos de control, ustedes deben acostumbrase a ¿quién controla? generalmente el sistema nervioso, ¿cuál? ¿el SNC? ¿el SNA?, y si es el SNA, ¿es simpático? ¿parasimpático?
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La excitabilidad en la vida… Esta persona tiene un conjunto de músculos, el hueso se mueve porque afortunadamente tiene los tendones que lo unen al músculo, por el que pasa una corriente eléctrica a través de un conjunto de células nerviosas, y permite así el movimiento, en este caso hablamos de musculatura esquelética, que es la que está relacionada al movimiento óseo, pero podríamos también mencionar la musculatura lisa, entonces hablaríamos de cómo la vejiga se dilata para almacenar, o se contrae para expulsar la orina. Bien, esto significa de alguna manera que la locomoción puede darse gracias a los procesos de excitabilidad. Entonces se habla del estudio de la generación y mantenimiento del potencial de acción. ¿Qué tejidos son excitables? Los retejidos excitables: células musculares, células secretoras, neuronas, son básicamente estos tres tipos de células, todos ellos son excitables porque son capaces de reaccionar generando una respuesta, generalmente eléctrica frente a esos cambios de energía que mencioné al principio. Las neuronas, recuerden un poquito su histología, tienen un soma (cuerpo celular), cuando reciben una estimulación, esa energía se distribuye de alguna manera por todo el soma neuronal y luego baja con el axón hasta los terminales, pero ¿qué hay en el axón? botones sinápticos, en ese terminal, quizá esa neurona inerva un músculo o hace sinapsis con otra neurona, lo cierto es que la comunicación se hace posible de esa manera. ¿A ustedes se les ha dormido el pie alguna vez? ¿cuál es la sensación que se siente? un hormigueo, ¿por qué se duerme un pie?, a veces es un proceso progresivo ¿dura mucho tiempo? ¿qué hacemos nosotros? nos paramos, movemos el pie, cambiamos de posición, a veces nos duele.las fibras nerviosas tienen diferente grosor y también diferentes velocidades de conducción, pero yo no me voy a detener ahora en la velocidad de conducción como tal, sino mas bien a la capacidad que tiene el reajuste, de que algunas fibras recobren su condición normal más rápidamente, entonces, las fibras sensitivas que son más delgadas, conducen el dolor y se acomodan más rápidamente y nosotros podemos, cuando tenemos el pie dormido, recuperar un poco la postura adecuada que incidirá más rápidamente sobre la recuperación de esa fibra sensitiva, sentimos dolor pero todavía no sentimos tacto; al cabo de cierto tiempo, las táctiles que son un poco más gruesas, se recuperaran posterior. Vamos a observar lo que le pasa a este niñito (video), la excitación viaja por los ganglios espinales, ahí está la sinapsis, una vez que llega a la sinapsis y el impulso está pasando para otro centro, es ahí donde se siente el dolor, porque la información llega al centro de integración, y luego, de vuelta, se elabora una respuesta, que también es eléctrica en este caso. ¿Qué fue lo que pasó que hizo que el niño sintiera y reaccionara? Bueno, tuvo el pie golpeado, la respuesta retirar el pie, es un estimulo que es registrado por un receptor (nociceptor: el receptor del dolor), hay una señal que va al centro procesador (a través de un nervio sensitivo que llega a la médula), y hay una respuesta que viaja por una motoneurona y que es ejecutada por un efector (conjunto muscular que lo hacen retirar el pie). La señal es simplemente corriente eléctrica, un cambio energético, ahora, ¿qué nombre le ponemos?, por ejemplo, la señal elaborada por el receptor que va al centro procesador a través de todos esos axones, es un potencial de acción, en el centro procesador nos encontramos con potenciales de acción postsinápticos, el potencial de acción es la señal que está siendo elaborada y que va ahora
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hacia el efector, y en el efector también puede ocurrir lo mismo, PPM: potencial de placa motriz, es la sinapsis que hace el nervio con el músculo y luego de eso se genera un nuevo potencial de acción en el músculo que ocasionara la contracción muscular, y lo que es la retirada. Un impulso nervioso es una onda de electronegatividad que recorre la neurona, en el estado de reposo, la concentración extracelular de Na+ es mayor que la intracelular, entonces cuando se abre un canal dependiente de voltaje, este va a ingresar a la célula a favor de su gradiente de concentración, ¿qué pasa con la carga de la célula internamente? Se hace menos negativa, y en la medida en que se vuelva menos negativa, podrá llegar a cero e incluso podrá haber una inversión de cargas, y eso, es corriente eléctrica que va a generar un potencial de acción, vamos a ver más de esto, fíjense, eso que está allí, es el potencial de acción, noten ustedes que tiene un nivel básico, que es el nivel de estado de reposo, luego un cambio acá, especificado por lo que estábamos discutiendo y luego una repolarización, es decir, vuelve a su nivel de reposo. Ahora, cuando esto se abrió (los canales de sodio) ¿qué ocurrió? Un cambio en la permeabilidad, pero yo les hable que no era un cambio como los que se dan en el potencial de reposo, esto es más bien un cambio que depende de la abertura de canales sensibles a voltaje, luego, vamos a ir construyendo, en las membranas en estado de reposo, hay una cierta permeabilidad relativa a iones importantes como sodio, potasio, cloruro, calcio, pero cuando se produce un estado activo en las células excitables, hay canales voltaje-dependientes que van hacer que el flujo iónico cambie, que la permeabilidad relativa de la membrana cambie y con ello la conductancia. La excitabilidad celular, entonces, depende del transporte activo a través de las membrana biológicas, de eso ustedes conocen bastantes, la bomba sodio/potasio electrogénica va a mantener un gradiente de concentración diferencial, va a mantener esa concentración grandísima de sodio a nivel extracelular y eso va hacer que pueden operar convenientemente, la concentración de iones es distintas en ambos lados de la membrana, y se manifiesta como el flujo de partículas cargadas a ambos lados de la membrana, eso no es más que una corriente eléctrica; y como tenemos que hablar de corriente eléctrica, yo quise recordarles, simplemente de su física, porque ustedes deben buscar un poco lo que es conductancia, capacitancia, condensador, ese tipo de cosas que van a ir leyendo en la literatura. Entonces, la electricidad es una carga eléctrica en movimiento y siempre que se mueven cargas eléctricas del mismo signo se establece una corriente eléctrica, ahora ¿qué empuja la corriente?, una diferencia de potencial basada en la diferencia o desigualdad en la separación de las cargas, bien, esto lo que indica es, simplemente que si tenemos una carga eléctrica y un sistema conductor, hay una sección transversal de esa carga eléctrica que recibirá una cierta cantidad de carga por unidad de tiempo, y eso es corriente eléctrica, repito: cantidad de carga en una sección transversal de una área por unidad de tiempo.
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Aquí tienen la fórmula, “I” es una intensidad de corriente, Δq con respecto a Δt, es lo que he dicho de la cantidad de carga en esa sección transversal, ¿en qué unidades viene eso? deben buscarlo ustedes (I A (C/s), Δq C, Δt s). Observen esto, ¿qué está ocurriendo?, ahí lo que está ocurriendo, es que se tiene un sistema conductor y en ese sistema conductor hay una cierta resistencia al paso de iones, una resistencia significa un oposición a la carga, entonces, dependiendo de cual resistencia sea la más pequeña, será el trayecto que seguirá el flujo iónico; entonces ¿qué va a ocurrir? Si la resistencia N (que es la de la membrana) es mayor, ¿por dónde fluye la corriente preferencialmente?, por el interior, que no es más que el axoplasma, en condiciones normales ¿cómo es la resistencia al paso de iones de una membrana biológica?, es alta, debido a que es una bicapa lipídica, y los iones no son solubles, entonces la corriente fluye por el interior preferencialmente, a menos que ocurra un cambio en esa membrana y se habrá un canal, que no es más que un espacio por donde los iones van a salir preferencialmente, pero son canales altamente específicos que dependerán del voltaje del sistema. Esto lo expresa la ley de Ohm de una forma más organizada,
“G” es la conductancia, “I” la
corriente, y “V” es la diferencia de potencial, en este caso sería la diferencia de potencial de la membrana y se expresa de esta manera , ahora, la resistencia eléctrica es una propiedad del medio por donde fluye la corriente, y, a menor resistencia, mayor conductancia, es decir, son inversas, entonces esto puede generar una nueva fórmula
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Hablábamos que la excitabilidad trae consigo una excitación también de un cierto sistema, y hemos concluido que son simplemente corrientes iónicas que fluyen en el tejido, entonces son cambios en el potencial eléctrico transmembrana, es decir, cambios en el voltaje de un medio en relación al otro. ¿Cómo se registra?, allí, tienen un sistema de registro muy sencillo, actualmente hay maravillas para registrar las corrientes en los sistemas biológicos, nosotros, le vamos a presentar en la práctica de neuromuscular, un sistema muy antiguo, es un polígrafo, un cierto sistema en el cual hay un registrador de la señal, una amplificación de esa señal, y un sistema que presenta el registro de la señal. Este es otro sistema muy sencillo, tenemos un electrodo que está colocado en el exterior y el otro en el interior, de modo que está midiendo una diferencia de potencial. Eso es una cabeza con cinco electrodos encima, ahí están registrando un conjunto de señales, se está realizando un electroencefalograma y se están registrando señales eléctricas con respecto a un sistema externo que se calibra a cero, también pasa por un amplificador porque las señales son débiles. ¿Para qué sirven esos registros en un sistema biológico?, podemos saber si las señales eléctricas en el organismo están alteradas o no, de modo que tiene una importancia fundamental en el área terapéutica y en el diagnóstico. El potencial de membrana… el potencial de membrana resulta de la separación de cargas a través de la membrana celular; ahí tenemos la diferencia de potencial y en reposo, la célula está en estado estacionario, y ese potencial de membrana es constante. En reposo, tenemos que hay interacciones entre los diferentes gradientes del sodio, potasio y cloruro, ¿es cierto que en la membrana existen
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más canales de potasio que de sodio?, depende de la célula, habría que evaluar qué es eso de más canales, porque si yo estoy hablando de canales abiertos en reposo, que no son dependientes de voltaje, entonces es cierto que es una célula nerviosa, sin embargo, habrá un conjunto de canales que si son dependientes del voltaje y que en condiciones de reposo están cerrados y en condiciones de excitación, cuando reciben un estímulo, se abren dependiendo del nivel de voltaje que se esté imprimiendo, es decir, dependiendo de la cantidad de energía que se esté suministrando. Entonces, hay una diferencia importante entre los canales abiertos en estado de reposo y los canales que están cerrados porque son voltaje dependiente, tanto para los de sodio, potasio, cloruro, dependiendo del tipo de célula, eso es fundamental para poder entender cómo cambia la polaridad del sistema bajo un estado de excitación, y eso también altera la conductancia a los iones, es decir, que en estado de reposo, la conductancia al potasio es mayor que a sodio, y por eso, el potencial de reposo tiende más hacia el potencial de equilibrio del potasio en la mayoría de las células excitables, porque es el ion difusible, o principalmente difusible. Existe el flujo neto de potasio hacia el exterior que tiende a contrarrestar desde el punto de vista eléctrico al flujo de sodio, y el flujo pasivo de sodio y potasio se equilibra gracias al bombeo activo de iones ejecutando por la bomba sodio/potasio, en este caso es más adecuado calcular el potencial con la ecuación de Goldman. Desde ese punto de vista, se altera la polarización, si yo estoy hablando de polarización es que tengo por lo menos dos polos, entonces es una polaridad diferencial que existe, y en estado de reposo el interior es negativo y el exterior es positivo, ahora, esto que tenemos acá (figura), representa el potencial de membrana descrito en milivoltios, con respecto al tiempo en milisegundos, esta célula tiene un potencial de reposo de -70 mv (neurona), se produce un estímulo y se despolariza (A) porque se vuelve menos negativa internamente, se abren los canales y aumenta la permeabilidad, luego, esta fase (B), es la fase de repolarización donde ella regresa a su potencial de reposo, ¿qué pasa acá (C)? ¿qué entendemos por esa hiperpolarización?, se vuelve más negativo, entonces existe mayor cantidad de carga en el interior, y puede ser provocado porque salen muchas cargas positivas, es decir, cuando se abre un canal activo de potasio la repolarización no llega al nivel básico de reposo, sino que quizá llega más abajo y luego debe restablecerse hasta llegar al estado de reposo (D). Esto es lo que ocurre en reposo, el potencial de reposo y la selectividad al paso iónico, tendrá que ver entonces, un poco con el tipo de célula y sobre todo si está en reposo, los canales de potasio que no son dependientes del voltaje estarán preferencialmente abiertos. Volvemos a las señales eléctricas como respuestas del sistema nervioso, la señales eléctricas pueden darnos una respuesta local o un potencial de acción, ¿a qué llamamos una respuesta local?, fíjense si la excitación, la cantidad de energía no es suficiente como para disparar un potencial de acción
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entonces sucederá una respuesta local que se le llama electrotónica que se disipara en el tiempo sin más cambios. Las señales eléctricas, en conclusión, son mecanismos rápidos de transporte de información en largas distancias, se producen por cambios transitorios del flujo de corriente que alejan el potencial eléctrico de la membrana celular a su potencial de reposo, y pueden ser potenciales de acción, potenciales de receptor, potenciales sinápticos… fíjense, ahí está una señal, son cargas internas que salen, es decir, se produce una inversión en la polaridad, y eso es transmitido por todo el sistema, ahí está la sinapsis, vesículas que se están moviendo con un neurotransmisor, en este caso podría ser una sinapsis hacia la musculatura o quizás en otro sistema, lo importante es, que esas vesículas liberan un neurotransmisor que cambie la permeabilidad de la otra estructura, ¿de qué depende la comunicación?, en un cable, es rápida y efectiva, pero se degrada a lo largo del recorrido, en las membranas biológicas en menos efectiva pero tiene una gran ventaja, que si es un potencial de acción es una respuesta “todo o nada” que no se degrada en el recorrido, mantiene su amplitud, intensidad y se mantiene en el tiempo, es autoregenerativa y eso garantiza que viaje grandes distancias, a una cierta velocidad pero sin perder información. Una célula en reposo presenta esto, el potencial de reposo es muy cercano el potencial de equilibrio del potasio, mientras que es más lejano al potencial de equilibrio del sodio (calculados con la ecuación de Nernst), por lo tanto, ¿a cuál de estos iones es más permeable la membrana?, al potasio, y ¿cómo es la conductancia?, mayor para potasio que para sodio. Hay una despolarización que supera el nivel de disparo que no es más que el potencial a nivel umbral, este disparo tiende al potencial de equilibrio del sodio (+60 mv), pero no logra alcanzarlo, entonces, ¿cuál es el ión que más se mueve?, el sodio, y ¿por qué el sodio es el ión que más se mueve ahora en estado activo?, por los canales de sodio, canales voltaje-dependiente y cambia la conductancia al sodio, pero luego cae debido al cierre de los canales, lo que quiere decir que esos canales no se abren permanentemente, tiene un periodo de duración pequeño, se cierran y se repolariza la membrana, igualmente ocurre una hiperpolarización debida a que salen más iones de potasio, que se abren mas tardíamente y queden abiertos cuando los canales de sodio ya están cerrados, luego que estos se cierran se llega, nuevamente, al estado de reposo. Un estímulo puede ser subumbral, no genera un potencial de acción; umbral, está en el tope; o supraumbral. Los que están por encima del umbral son los generadores de potenciales de acción. Cuando el potasio sanguíneo se encuentra en el intervalo normal, normopotasemia, un estímulo con intensidad subumbral no dispara potencial, mientras que un estímulo umbral, si lo hará. Si hay una hiperpotasemia, un estímulo con intensidad subumbral, si dispara potencial de acción, pero se eleva el estado de reposo debido al alto contenido de potasio. La hipopotasemia ocasiona un estado de hiperpolarización, que tiene como consecuencia que el estímulo dado anteriormente supraumbral, ahora no tenga respuesta. Los potenciales de acción de distintas células excitables, tienen distintas formas, magnitud y duración.
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2DA CLASE TEÓRICA Profa. Miriam Rivas Tema 2. Objetivos 3,4 y 5. Contenido 2. Aquí tenemos una representación, una figura, de lo que es el axón gigante del calamar, ustedes, cuando empiecen a leer el tema, aquellos que no lo han hecho aún, encontraran muchas reseñas acerca del axón gigante de calamar, la propiedades de ese axón son diferentes las de los mamíferos, no obstante, muchos estudios se han llevado a cabo en base a este, tiene un milímetro de diámetro y es lo que hace que se use ampliamente en las investigaciones. Nosotros habíamos visto esto, un potencial de acción que es una respuesta “todo o nada” que se propaga sensible a su magnitud, eso, nosotros en la clase pasada no lo caracterizamos, hoy lo vamos a estudiar. En la parte de abajo se está representando un estímulo, que como dijimos en la clase pasada tiene ciertas características, ¿cuáles son?, intensidad, frecuencia y una duración, entonces fíjense ustedes, acá, la intensidad del estímulo está representada por esta línea vertical, la duración en este lado, y se está aplicando un solo pulso, es decir, no se habla de frecuencia, ahora, en esta curva (ésta es una gráfica igual a la que salió en el primer parcial del año pasado), el número uno está representando el estímulo más pequeño que se está dando, el número dos es un poquito más grande en cuanto a la intensidad, es decir, se está incrementando la magnitud del estímulo y se está representando en la gráfica superior la respuesta que se obtiene a ese nivel. Cuando se coloca el número uno, el primer estímulo, la respuesta que se obtiene es este cambio, ¿qué estoy cambiando yo acá?, el potencial de membrana, bien, entonces acá, hay una pequeña despolarización producto de esa estimulación que se está dando, es una respuesta subumbral, luego que se incrementa genera una respuesta umbral, la probabilidad de que se dé una respuesta “todo o nada” es extremadamente alta, pero también puede ocurrir que se disipe y no habrá un recorrido del potencial de acción por la membrana. Ahora, vamos a estudiar esto, el periodo refractario, yo les mencionaba entonces que la célula cuando recibe ese potencial de acción queda incapacitada para despolarizarse nuevamente durante una fracción de tiempo muy pequeña, ¿qué es lo que ocurre?, aquí tenemos el resultado de un estímulo, el potencial de membrana, en base al tiempo, están documentados quince segundos, y ahí donde dice periodo refractario absoluto, lo que está indicando es que si yo voy con un estímulo, en cualquier parte de este período, lo que va a ocurrir es que no va a ver potencial de acción, esta célula esta incapacitada para responder, cuando pasamos al otro periodo, entonces si puede dar respuesta, esa onda despolarizante todavía está viajando por esa célula, sin embargo si puede responder, ¿de qué dependerá?, de la intensidad del estímulo, porque su nivel umbral se desplaza, se incrementa, se hace menos sensible y requiere un estímulo de mayor amplitud para que se pueda obtener respuesta, a esa fase se le llama entonces
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período refractario relativo, mientras que el otro es absoluto porque no hay respuesta, independientemente de la intensidad del estímulo. Observen acá como se ha incrementado el estímulo y se obtiene una respuesta, en este caso, ¿qué ha pasado con ese potencial de membrana?, ha aumentado, entonces un célula en periodo refractario, como lo dije antes, tendrá un punto de umbral mayor y será estimulada o sensibilizada, solamente cuando la amplitud del estímulo también sea mayor. ¿Qué otra cosa caracteriza a los potenciales de acción? Los potenciales de acción tienen diferentes formas, diferente magnitud, diferente duración y tienen diferente velocidad de conducción dependiendo del tipo de célula. Ojo con esto, un potencial de acción de una célula nerviosa registrado en un axón de una célula de mamífero siempre va a ser igual, la misma forma, la misma magnitud, la misma duración y la misma velocidad de conducción, ahora, si yo pongo otro tipo de célula, lo más probable es, si tomo una fibra de músculo esquelético, que entonces ahí también mida la misma forma, la misma magnitud, pero no la misma duración, entonces son muy característicos para cada tejido, yo podría simplemente, viendo la configuración del potencial, saber si eso corresponde a tejido cardiaco, músculo liso, una neurona… y eso es lo que ustedes tienen que conocer. Fíjense que está señalado acá, este potencial de acción tiene una duración de 2ms, el potencial de reposo de esta célula (motoneurona) es -70mV, mientras que en este otro caso es de -90mV para músculo esquelético con una duración del potencial de acción de 5ms y en este caso, el de músculo cardíaco que presenta una meseta que ustedes estudiaran posteriormente en su fisiología de sistema cardiovascular. Ahora, ¿dónde se originan los potenciales de acción?, generalmente en el cono axónico, cuando se trata de células mielinizada, esas características que dan origen al potencial de acción se pueden encontrar a nivel del primer nódulo de Ranvier, entonces a ese nivel se dispara o se origina ese potencial de acción, ¿cómo es eso?, recuerden lo que vimos en la clase anterior, si una dendrita está haciendo sinapsis con el soma de una neurona, por ejemplo, la despolarización se distribuye en el soma y luego recorre todo axón, ahora antes de recorrer el axón se debe producir ese punto de inicio en el nódulo de Ranvier o al principio del axón; se origina ahí porque el umbral es menor que en otras zonas porque existe mayor cantidad de canales de sodio voltaje-dependientes y porque los canales de sodio se activan con variaciones de voltaje. El perfil del potencial de acción lo vamos a estudiar en función de los diferentes tipos de canales que existen en las células, pero también según lo que he estado indicando acá, existen más proporción de ciertos canales en determinadas zonas de las células. ¿Qué vamos a estudiar?, tenemos acá una membrana plasmática, ¿cómo es la resistencia eléctrica de esta bicapa lipídica al paso de iones?, alta, entonces sí es muy alta significa que las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en
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condiciones normales, sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora. Aquí tenemos como se clasifican, y esto también es de sus clases de bioquímica, las proteínas de membrana, estoy hablando de proteínas integrales o de proteínas que pueden formar canales, entonces aquí la tienen desde el punto de vista estructural y funcional, quiero que presten atención sobre esta parte, los canales, los canales proteicos que pueden estar abiertos en estado de reposo, tal y como hablamos en la clase anterior, o los canales de tipo compuerta, hay compuertas mecánicas y compuertas químicas, todos estos son de interés para nosotros, ¿por qué? Porque justamente determinan que la excitabilidad de una célula pueda expresarse a través de apertura o cierre de esos canales para facilitar el pasaje de iones, ¿de qué depende la apertura y cierre de esos canales?, de los receptores de membrana, por ejemplo, que pueden desencadenar cascadas que culminan con la activación o desactivación de los canales. Este es un modelo de la proteína para el canal de sodio dependiente de voltaje, formado por cuatro dominios, el cambio de voltaje va a provocar la apertura del canal y a eso se llama activación de canales de sodio, una activación lograda gracias a la sensibilidad del canal; hay una puerta de inactivación, recuerden que dijimos que ese canal estaba abierto transitoriamente un período muy corto. Ahora, este canal voltaje-dependiente, y supongamos que es un canal de sodio, tiene esta cierta palanca, hay que estudiarla y entenderla, inicialmente podemos observar cómo está cerrado el canal, fíjense acá, si este es el interior de la célula y este el exterior, entonces esta partícula se une a la compuerta y mantiene cerrado el canal, de alguna manera esta inactivado, cuando se abre el canal por una despolarización que viene en consecuencia de un potencial de acción que se formo en algún momento, noten ustedes que la partícula aun está unida, hay paso iónico, si suponemos que ese ión que está entrando es sodio, entonces después que pase el sodio, y por un período corto, como habíamos hablado antes, la compuerta cierra el canal, impide el pasaje de sodio aunque la proteína no ha cambiado, en ese momento el canal ya está inactivado y no habrá un cambio en la concentración de sodio intracelular. Este sodio ¿quién lo saca?, la bomba sodio potasio, y eso hará que se restablezca el potencial de membrana. Vamos a verlo aquí, entonces tenemos para el canal de sodio una puerta de activación y una puerta de inactivación, cuando esto se abre tenemos el pasaje de sodio, en el estado activado del canal, y noten como va variando el potencial, hasta llegar a +35mV, se cierra la puerta, se inactiva el canal, ¿qué ocurre con el canal de potasio?, se abre la compuerta más o menos en este nivel de potencial en la célula nerviosa, y se produce una activación lenta de ese canal que va a permitir entonces la salida de potasio, cuyo potencial de equilibrio es de 100mV, ese es el mecanismo del canal. ¿Saben que es esto? “Es el pez globo tigre, Takifugu rubripes, es una delicadeza culinaria en Japón, donde se consume desde hace muchos siglos, aunque estuvo prohibido en determinadas épocas y zonas, por su toxicidad, que puede producir la muerte. La toxina del pez globo recibe el nombre de
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tetrodotoxina, se encuentra sobre todo en el hígado y en los órganos sexuales, y en menor concentración en el intestino y en la piel, la tetrodotoxina bloquea los canales de sodio de las células, produciendo insensibilidad nerviosa y parálisis muscular, ocasionando la muerte en un número elevado de caos, alrededor del 50%, en un plazo entre 20 minutos y ocho horas. Para ello, la zona del grupo guanidinio, con carga +, con un tamaño semejante al de un ion Na+ hidratado, se une a una zona con carga negativa del canal, con un glutamato, y fuerza un cambio en la configuración de la proteína constituyente“ 1 Aquí, les voy hablar un poco de cómo se conduce una onda despolarizante, supongan ustedes que estamos dando un estímulo subumbral a esta neurona, no se dispara un potencial de acción pero ¿de qué manera se puede conducir?, si el estímulo lo damos en este punto, entonces hay una forma ortodrómica, que se da una conducción desde el soma hasta los terminales del axón, o antidrómica, desde los terminales al soma, les recuerdo que si se da un estímulo subumbral la corriente es electrotónica, es decir, decae con el tiempo y no llega a producir un potencial de acción a menos que se sume con otra corriente. Con respecto a la conductancia ya hemos hablado, solo voy a puntualizar, durante el potencial de acción ¿cómo están los canales?, durante el potencial de reposo ¿cómo están los canales? En el potencial de acción: la fase de despolarización del potencial de acción se inicia cuando los canales de sodio voltaje-dependientes se abren, cada vez más, por un mecanismo que mencionamos la clase pasada, haciendo que la permeabilidad del sodio supere ampliamente a la del potasio. Tras un tiempo, los canales de potasio dependiente de voltaje (retardado) se abren, mientras que los canales de sodio se inactivan. Como consecuencia, el potencial de membrana vuelve al estado de reposo, repolarización. Debido a que hay más canales de potasio abiertos que canales de sodio (canales de potasio de membrana y canales de potasio dependientes de voltaje), la permeabilidad al potasio es ahora mucho mayor que antes de la despolarización, cuando sólo los canales de potasio de membrana estaban abiertos. El canal de potasio retardado dependiente de voltaje se cierra debido a la hiperpolarización, y la célula regresa a su potencial de reposo. En el estado de reposo los canales de sodio y potasio de membrana están abiertos, pero en menor proporción. Aquí tenemos que el potencial de membrana mientras permanezca en -90mV es el potencial de reposo, ¿cómo está la conductancia? En cero para ambos iones, sin embargo, vemos acá, que de alguna manera se ha registrado un incremento en la conductancia del ión sodio, y esto está asociado a un potencial de membrana que ahora se está registrando de 10mV, ese flujo de cargas positivas despolariza la célula; otra cosa que vemos ahí es la repolarización de la membrana que depende del flujo de iones de potasio.
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Agregado de la página web http://milksci.unizar.es/bioquimica/temas/toxico/fugu.html para ampliar la información.
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¿Qué estamos representando acá? En la parte superior estamos representando, dependiendo del potencial de membrana expresado en mV, un cociente entre la conductancia del sodio y la del potasio, es importantísimo darse cuenta que cuando la proporción de sodio, la conductancia al ión sodio es mayor, entonces este cociente da positivo, mayor, y cuando va disminuyendo, este cociente también disminuye, fíjense que se mueve paralela al potencial de acción. Y esto que esta acá abajo, está representando la conductancia, en sí misma para cada uno de los iones, toda la gráfica se está moviendo en el tiempo. Entonces allí hay un punto importante, a partir del cual ha estado girando toda la clase y es el hecho de que esta conductancia para el ión potasio será mayor cuando reduce la conductancia al ión sodio y viceversa. Esto es un modelo de membrana, y se los traje simplemente porque en la literatura, ustedes van a encontrar mucho de esto, lo que está representando es una resistencia eléctrica y un condensador, los modelos se llaman RC, ahí hay una resistencia, y ya todos sabemos que si es más pequeña será una vía preferencial para el paso para moléculas, lo que quiero que noten es que aunque se da una cierta resistencia para el pasaje de cualquier ión, esta medida es conocida, y que dependerá de cuales canales estén abiertos, y, asociada a un conjunto de formulación se pueden hacer diversos cálculos ¿Cómo cesa el potencial de acción?, primero, tiene que ver una inactivación de los canales de sodio, en segundo lugar, hay una apertura lenta de canales de potasio, trae una disminución de la entrada de sodio, y también ambos hacen que haya un flujo de cargas positivas hacia el exterior. Esto trae en consecuencia la repolarización hasta el potencial de reposo, es sencillo, sólo integrar lo que ya hemos hablado. Acá se está inyectando corriente a esta neurona y se mide acá como cambie su potencial de membrana, ahora se pone un electrodo en este punto y se observa que hay una disminución del potencial de membrana, son inversamente proporcional, es importante eso, porque dependiendo donde se coloque el electrodo, nosotros vamos a registrar una mayor o menor magnitud y también es fundamental el hecho de que si es una corriente electrotónica que estamos midiendo o si es autoregenerativa. ¿Cómo se propaga el potencial de acción?, la velocidad de propagación depende del tipo y del tamaño de la célula, a mayor tamaño, mayor distancia. Ahí está la membrana, se señala un punto despolarizado que se reconoce por el cambio en el sentido de las cargas (inversión), se despolariza la
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membrana, se introducen cargas positivas de sodio, el exterior queda cargado negativamente. ¿Por qué se desplaza hacia a un lado, y no hacia el otro?
3RA CLASE TEÓRICA (continuación de la 2da) Profa. Miriam Rivas Recuerdo la pregunta que habíamos hecho, ¿por qué la onda despolarizante, que en este caso no es electrotónica, es un potencial de acción, sigue una vía y no la otra? La propagación del potencial de acción ocurre en una dirección, porque el área de la membrana recientemente despolarizada se encuentra en un periodo refractario absoluto y no puede generar un potencial de acción. Ahora, esa conducción que ustedes vieron, es conducción continua y aquí, simplemente le traigo el detalle de lo que ya vimos, comienza el potencial de acción en el axón y este es el movimiento de las cargas (inversión) o cómo queda cuando se desplaza, fíjense ustedes que la polaridad de la membrana y simplemente sigue avanzando por un movimiento de cargas que ocurre por atracción de las cargas adyacentes. También tenemos la conducción saltatoria, que se da en células mielinizadas, a esas células del sistema nervioso que contienen mielina, esta conducción es más rápida porque en cada nódulo de Ranvier el potencial recrece, porque no se dispersa y además la mielina forma una barrera aislante del flujo de iones, si eso es así, la resistencia a nivel de la barrera de mielina y el axolema es mayor, por lo que el flujo iónico tomara la vía de menor resistencia que es el axoplasma, entonces viajara más rápidamente de un nódulo de Ranvier a otro porque solamente en la zona donde no haya mielina es donde baja un poco la resistencia y en el siguiente nódulo de Ranvier se vuelve a disparar ese potencial, de manera que hay un ahorro energético involucrado desde el punto de vista del trabajo de la bomba sodio-potasio y hay una mayor velocidad de conducción. Las células que poseen cubierta de mielina, la onda de electronegatividad se propaga saltando de nódulo en nódulo. Esto es una imagen de una enfermedad, que es autoinmune, es la esclerosis múltiple, ¿qué pasa en estos casos?, el propio sistema inmunitario ataca la mielina, entonces ¿qué pasa? Disminuye la velocidad del estímulo, se hace más lenta la respuesta, es decir, las neuronas pierden parcial o totalmente su capacidad de transmisión, causando adormecimiento, cosquilleo, espasmos, parálisis, fatiga y alteraciones en la vista.
SINAPSIS Ya hemos hablado de cómo la señal biológica se puede conducir a través de las células, y hemos dilucidado también la importancia que tiene que esa conducción se produzca a tiempo con una velocidad adecuada, conveniente, para que el estimulo pueda ser recibido, la respuesta elaborada y el individuo reaccionar, entonces estamos dentro de lo que es el lenguaje del sistema nervioso, para que eso ocurra tiene que haber comunicación entre una célula y otra, dijimos que ese tipo de comunicación que se establece se le llama sinapsis.
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¿Cómo se transmite la señal eléctrica entre las células? Aquí tenemos una definición de la comunicación funcional entre las dos células y podemos observar acá un conjunto vesicular, ya yo les presente en un video cómo las vesículas se aproximan al borde de una de las células una vez que son exocitadas, en este caso cuando se habla de sinapsis, en este tipo de sinapsis, tenemos que hacer alusión a una célula presináptica y una célula postsináptica, la señal eléctrica viendo recorriendo una zona que es presináptica, se produce una serie de eventos que van a ser transmitidos hasta la otra célula y van a provocar una respuesta con eventos también que van a ser efectuados o ejecutados en ese terminal postsináptico, esa respuesta puede ser otro potencial de acción que vaya a un órgano o músculo. Entonces fíjense, aquí está señala la célula presináptica, que es una célula excitable, la célula postsináptica que en este caso también es excitable, puede ser otra neurona, una glándula y las señales pueden ser eléctricas o químicas; a esta zona se le llama hendidura sináptica y puede estar muy cercana o estar a una gran distancia, en todo caso, la velocidad de la conducción va a depender de cuán distante es una célula de la otra. Observemos bien, la sinapsis eléctrica, son las primeras que vamos a discutir, entonces veamos, si esto que está aquí, corresponde a la membrana presináptica de una célula, y esta a la membrana postsináptica, entonces estamos viendo que están muy cercanas, esto facilita la velocidad de conducción. También podemos ver estos conexones, conexiones entre los citoplasmas de las células, vamos a estudiar la estructura de estas uniones, son uniones gap, uniones estrechas. Esto que esta acá es una proteína que se llama conexina, el conjunto de proteínas conexinas van a formar el conexón, hay diferentes expresiones de esa proteína que cobran importancia en la investigación de diferentes zonas del sistema nervioso central relacionados con el oído, la visión, el corazón… ahora, ¿qué es lo que nos interesa a nosotros? esa estructura, que posiblemente conozcan, del conexón, formado por 6 moléculas de conexina, esto es un hemicanal y dos hemicanales, entonces forman el canal que tiene 6 conexinas por un lado y 6 conexinas por el otro, y por el que pasa la corriente eléctrica y otras moléculas, de esta forma, este tipo de unión es bidireccional; en los invertebrados se descubierto un tipo distinto de conexina, llamadas inexinas o panexinas. Estudiemos algo más de la sinapsis eléctrica, fíjense, este es el terminal presináptico, el potencial de acción viaja desde una célula presináptica, luego los canales de este axón que son dependientes de voltaje se abren comunicando las células por el axoplasma, es decir cuando la señal eléctrica llega acá las proteínas cambian su conformación, se abre el canal y pasa el flujo eléctrico, que es registrado casi inmediatamente en la célula postsináptica; la señal eléctrica es transmitida de la célula presináptica a la célula postsináptica, y lo que ya les comentaba que la unión es bidireccional. ¿Dónde se encuentran?, principalmente en la célula de la glía, ¿Qué funciones tienen?, se habla de funciones universales en la transmisión, son especializadas para movimientos finos. En la sinapsis química, una característica que me permite identificar el terminal presináptico, es la presencia de vesículas, que es la base de la transmisión con neurotransmisores que es la información que va a incidir sobre el terminal postsináptico para la respuesta, vemos como es exocitado en el terminal a través de vesículas, y en el terminal postsinápticos encontramos los receptores altamente específicos para los neurotransmisores; en cuanto a la dirección de la señal, aparentemente la dirección de la señal es en un solo sentido, y digo aparentemente, porque estudios recientes parecen
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indicar que puede haber una transmisión en el sentido contrario, eso no está muy estudiado, así que en principio es unidireccional, desde el terminal presináptico hacia los receptores del terminal postsinápticos. ¿Cómo será la hendidura sináptica en este caso?, es más distante, por lo que la velocidad de conducción es más lenta, ¿de qué dependerá la velocidad de conducción?, el número de neurotransmisores liberados, cantidad de receptores, movimiento de las vesículas hasta el terminal presináptico (el movimiento de las vesículas es estimulado por la liberación de calcio) y fusión con la membrana, y separación de los terminales, entonces eso hace que el proceso de la transmisión sea más lento,; el neurotransmisor se une al receptor (es un ligando) y provoca en éste, un cambio conformacional que afecta a la permeabilidad de la membrana. ¿En esta imagen podemos observar la placa motora?, la placa motora es la sinapsis química entre una célula nerviosa y una fibra muscular, si la podemos observar; aquí está la célula nerviosa, que en este caso es una motoneurona, mielinizada, vemos las vesículas, ¿cuál es el neurotransmisor en este caso?, la acetilcolina, específico para la unión neuromuscular, observemos ahora el terminal postsinápticos, es el sarcolema, tenemos los receptores, que para esta sinapsis son nicotínicos o colinérgicos; el potencial de acción viaja por el axón de la neurona motora, hay una activación de canales calcio que son dependientes de voltaje, este calcio estimula la liberación y movimiento de las vesículas hacia la membrana, una vez que se libere el neurotransmisor que está en las vesículas, es identificado por los receptores postsinápticos que traerá como consecuencia la apertura de los canales de sodio y potasio ocasionando un cambio en polaridad de la célula postsináptica. ¿Qué pasa después con la acetilcolina?, existe una enzima llamada acetilcolinesterasa que degrada la acetilcolina, ¿qué pasaría si no existiera esta encima?, la célula quedaría en un estado permanente de excitabilidad, entonces el neurotransmisor es degradado y cuando es degradado por completo cesa la trasmisión del impulso. Potenciales de placa terminal, como el nombre indica es un potencial que se genera en el terminal postsináptico, en este caso en la unión neuromuscular, estos son potenciales pequeños, son potenciales que no son potenciales de acción, entonces son corrientes electrotónicas, dependiendo de la cantidad de los quantum de acetilcolina que se liberen ellos van a cobrar más fuerza, y van a lograr modificar el potencial de reposo hasta que se dispare un potencial de acción, normalmente en una célula que no está recibiendo una señal, se están liberando una cierta proporción de quantum de acetilcolina, en algunos casos esas cantidades de acetilcolina ayudan a mantener el tono muscular, mantienen un cierto dinamismo nutricional o funcionalmente una actividad basal para cuando se produzca un potencial de acción, o simplemente son liberaciones esporádicas, donde o se generan corrientes electrotónicas que no logran hacer que la célula postsináptica alcance el nivel umbral o simplemente son degradas por la acetilcolinesterasa en la membrana postsináptica, lo cierto es que esto potenciales pueden generar potenciales miniatura, pequeños, que no conducen a una señal. Ustedes deberán saber las diferencias entre los potenciales excitatorios postsinápticos y un potencial de acción, y si hay un potencial excitatorio deberá haber uno inhibitorio; los potenciales de placa terminal pueden ser excitatorios o inhibitorios, los despolarizantes son excitatorios porque están generando un potencial de acción que trae consigo la inversión del potencial de membrana del cual hemos venido hablando.
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En resumen: si este es el terminal presináptico y la hendidura sináptica, entonces, se abren los canales de calcio dependientes de voltaje en respuesta a la señal eléctrica, hay un incremento en la concentración de calcio intracelular que estimula la liberación por exocitosis de la acetilcolina, unión de la acetilcolina al receptor en la membrana postsináptica, alteración de la permeabilidad de la membrana, generación del potencial de placa terminal, degradación de la acetilcolina por acción de la acetilcolinesterasa y reciclaje de las vesículas y de los precursores de acetilcolina. Un neurotransmisor debe estar presente en el interior de la célula presináptica, debe ser liberado por despolarización, deben unirse a receptores en el terminal postsinápticos; algunos neurotransmisores son: acetilcolina, adrenalina, neuropeptido Y… Ahora estudiemos el ciclo de la acetilcolina, en el terminal presináptico ocurre la síntesis de acetilcolina, por la combinación de acetil-coA con colina en presencia de una transferasa, la acetilcolintransferasa, esta se deposita en vesículas que luego se liberan, y, posteriormente, ocurre la eliminación o reciclaje, la acetilcolina es atacada por la acetilcolinesterasa que la transforma en acetato y colina, esto ocurre en el terminal postsináptico o en el espacio sináptico, hay abundantes acetilcolinesterasas ancladas en la membrana del terminal postsináptico, pero también existe libre en la hendidura sináptica, ese producto será utilizado para la nueva síntesis de acetilcolina por lo tanto debe ser incorporado al terminal presináptico, el transporte de la colina dependerá del sodio, si es sodio-dependiente entonces esta siendo un transporte secundario y está dependiendo del gradiente de sodio y esto finalmente está siendo generado o mantenido por la bomba sodio-potasio; existe una proteína, la proteína clatrina, que recubre las vesículas y participa en el reciclaje de la membrana presináptica para la formación de las nuevas vesículas. Hay diversos tipos de receptores, ya hablamos de los nicotínicos, hay iontrópicos, que producen una respuesta rápida al abrir o cerrar canales iónicos, que producen despolarizaciones, generando potenciales de acción, respuestas excitatorias, o producen hiperpolarizaciones, respuestas inhibitorias, hay también los metabotrópicos, asociados a proteínas G, liberan mensajeros intracelulares, como AMP cíclico, calcio, y fosfolípidos por el mecanismo de transducción de señales.
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4TA CLASE TEÓRICA Profa. Miriam Rivas Tema 2. Objetivos 8, 9,10, y 11. Contenido 4. ¿Alguien sabe qué es eso?, se llama curare, en la práctica, nosotros estudiaremos los efectos que tiene el curare sobre el fenómeno de la contracción, el curare, de alguna forma, impide la conducción neuromuscular a nivel de la placa motora (terminal postsináptico) inhibiendo la acción de la acetilcolina: el curare se une a los receptores nicotínicos, bloquea la despolarización postsináptica, se pierde al acoplamiento y no hay excitación de la membrana postsináptica, puede paralizar toda la musculatura, incluyendo la respiratoria y cardiaca, causando la muerte por asfixia. Bien, nosotros vamos a estudiar hoy el acoplamiento neuromuscular, pero antes debemos saber dónde y cómo ocurre, fíjense, nosotros hemos venido estudiando un corriente de excitación que viaja por un nervio, si es provocada por una estimulación supraumbral se excita la membrana del nervio, del axón y entonces llega hasta los terminales presinápticos, esa excitación que llega a los terminales presinápticos, produce por un mecanismo ya conocido, la liberación de un neurotransmisor, nosotros tenemos que saber que corrientes iónicas están asociadas a ese mecanismo, lo cierto es que en esa zona hay los botones presinápticos que, digamos, participaran desde el punto de vista de la liberación del neurotransmisor y ese acetilcolina de la cual estábamos hablando antes, si se trata de la placa motora, que es la clase de hoy, provocara nuevos cambios en el terminal postsinápticos, entonces les estoy hablando del acoplamiento neuromuscular. ¿Qué ocurre si la acetilcolina es reconocida por los receptores nicotínicos en el terminal postsináptico? Se abren canales para sodio y potasio, hablábamos de un receptor nicotínico que permite el intercambio de sodio-potasio, lo cierto es, que en este caso, la membrana postsináptica es el músculo, es decir, es el sarcolema, en ese musculo esquelético cuando se abren los canales sodio-potasio, ¿qué se va a originar?, una despolarización de la membrana que va a traer en consecuencia un potencial de acción que va a recorrer la membrana del músculo, pero esto ocurre si la estimulación es supraumbral, ahora, si son corrientes pequeñas, corrientes electrotónicas, hablaremos de un potencial de placa terminal. Después que ocurre el paso de la señal biológica a la membrana del músculo esquelético cuando se produce esa otra señal que propaga de la misma forma como se propaga un potencial de acción, esa señal es la que va a tener una interacción con el sistema contráctil del músculo, que es lo que nos va hablar de excitación-contracción. El mecanismo de excitación-contracción ocurre entonces en el músculo y se referirá a la transducción de un evento eléctrico en un evento mecánico, les estoy hablando del deslizamiento de las fibras para producir el acortamiento o contracción del músculo. El proceso de excitación es un mecanismo eléctrico, el potencial de acción viajando por la membrana postsináptica, mientras que el proceso mecánico es la contracción del músculo; nosotros en la práctica, registraremos los eventos mecánicos, las sacudidas, no los mecanismos eléctricos. ¿Cuánto tiempo dura el potencial de acción en el músculo? 5 ms, mientras que la contracción muscular puede durar mucho más, en este caso se genero esa contracción muscular aplicando un solo pulso con estímulo supraumbral, se produjo una sacudida simple, una sola contracción muscular.
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Recordando un poco la estructura del músculo esquelético: “El músculo está recubierto por una membrana llamada epimisio y está formado por fascículos. Los fascículos a su vez, están recubiertos por una membrana llamada perimisio y están formados por fibras musculares. La fibra muscular está recubierta por una membrana llamada endomisio y está compuesto por miofibrillas, tienen los núcleos en la periferia y son células especializadas para la función de contracción. La fibra muscular es una célula con varios núcleos y tiene la estructura similar a la de cualquier otra: el sarcolema es la membrana externa de plasma que rodea cada fibra; el sarcoplasma representa la parte líquida (gelatinosa) de las fibras musculares, llena los espacios existentes entre las miofibrillas; los túbulos T, son extensiones del sarcolema que pasan lateralmente a través de la fibra muscular, se encuentran interconectados (entre miofibrillas), sirven de vía para la transmisión nerviosa (recibido por el sarcolema) hacia las miofibrillas, permiten que la onda de despolarización pase con rapidez a la fibra o célula muscular; el retículo sarcoplasmático: son una compleja red longitudinal de túbulos o canales membranosos, corren paralelos a las miofibrillas (y sus miofilamentos) y dan vueltas alrededor de ellas, esta red tubular comúnmente se extienden a través de toda la longitud de la sarcomera y están cerrados en cada uno de sus extremos, sirve como depósito para el calcio, el cual es esencial para la contracción muscular; las triadas se forman por la unión de un túbulo T y dos cisternas del retículo sarcoplasmático”2 El potencial de acción recorre el sarcolema y si penetra por las invaginaciones que son los túbulos T, entonces alcanzaran la excitación las fibrillas que estén más internas en esa estructura muscular, las miofibrillas constituirán el aparato contráctil, y la profundidad a la cual llegue la excitación dependerá de la conductividad del túbulo T.
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Información extra.
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La unidad funcional más pequeña está en las miofibrillas, son las sarcómeras, estructuras que se forman entre dos líneas “z” consecutivas. La sarcómera contiene los filamentos de actina y miosina. La actina es el filamento fino y la miosina el grueso. Cada filamento de miosina está rodeado de 6 miofilamentos finos. El filamento delgado está compuesto por actina, que es de forma globular y se agrupo formando dos cadenas; la tropomiosina, que es en forma de tubo y se enrolla sobre las cadenas de actina y la troponina, que se une a la cadena de actina y tropomiosina a intervalos regulares. El filamento grueso está formado por 200 moléculas de miosina, cuya forma tiene dos partes, dos colas de proteínas enrolladas y en sus extremos las cabezas de miosina que realizarán los puentes cruzados. Ya ustedes habían visto los eventos que ocurren en la unión neuromuscular, aquí nos fuimos un poco más atrás para tener una secuencia de lo que estaba ocurriendo, la estructura que estaban adyacentes a la cisterna terminal son los receptores DHP (Dihidropiridina), ¿cómo funciona este receptor?, el receptor dihidropiridina actúa de manera importante en lo que corresponde a la contracción muscular, en donde, tras ser activado por un potencial de acción, y sufrir un cambio conformacional, produce lo que se conoce como acoplamiento mecánico, es decir, produciendo un cambio conformacional en otro tipo de canal ubicado en el espesor de la membrana del retículo sarcoplasmático de la fibra muscular, los canales de ryanodina, los cuales producen la salida de calcio del retículo hacia el sarcoplasma de la fibra lo que producirá finalmente la contracción muscular. Entonces tenemos un canal de calcio voltaje-dependiente y un canal de liberación de calcio del RS, el voltaje-dependiente son los receptores de dihidropiridina, mientras que los liberadores de calcio son los de ryanodina. Fíjense, por ahí viene bajando la excitabilidad en forma de potencial de acción y ahí está interactuando con el RS, dentro de las cisternas terminales hay abundante calcio, a nosotros nos interés conocer bien ese mecanismo de liberación de calcio puesto que es súper importante para la contracción muscular, si no hay calcio, no hay contracción; cuando la sensación de voltaje viene bajando por acá, se estimula este canal acoplado y se abre el paso al ión, también están los canales desacoplados, que son calcio-dependientes, es decir, que cuando aumenta la concentración de calcio se activan, y esto es calcio activado por calcio, es la teoría de la liberación de calcio activada por calcio en los canales desacoplados del retículo sarcoplasmático, simplemente lo que ocurre es eso, se incrementa la concentración de calcio en el medio intracelular, y cuando eso ocurre, estos canales que están desacoplados se activan a su vez y liberan mas calcio; de esta manera ya estamos ubicados en donde ocurre el acoplamiento y como la excitación es transducida a la contracción.
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Aquí tenemos otro elemento, es la calcecuestrina, que como su nombre lo indica, tendrá un efecto importante que es el secuestro de calcio dentro del retículo, en las cisternas, la calcecuestrina tiene como una propiedad de asociar moléculas de calcio y eso haría que esas moléculas de calcio que están asociadas parecería que no están dentro de la cisterna para facilitar el ingreso de más moléculas de calcio, de alguna cuando hay estado de reposo, la calcecuestrina están bien asociadas al calcio dentro de las cisternas. Por acá están un conjunto de bombas de calcio que pertenecen a esa membrana del retículo sarcoplasmático, ellas tienen la función de incorporar calcio del medio citosólico, si ese calcio no es incorporado desde ese medio, el músculo permanece en una contracción constante, no hay suficiente ATP y el músculo se fatiga; cuando cesa la señal eléctricas, estas bombas trabajan activamente para regular los niveles de calcio intracitoplasmático. De no ser recapturado el calcio, el músculo puede llegar al tétanos perfecto, ¿a qué puede deberse esto, en condiciones normales, no patológicas?, puede deberse, como en este caso, a la aplicación de otro estímulo, vemos que acá se está aplicando un conjunto de pulsos, eso es un tren tetánico que se le aplicó al músculo, ¿qué se hizo?, se incremento la frecuencia de estimulación y no hay tiempo de que el calcio sea recapturado porque llega la próxima señal eléctrica, vemos entonces que el calcio es fundamental en los procesos de contracción y relajación. Vamos a citar un papel del retículo sarcoplásmico en el acoplamiento excitación-contracción, tenemos en principio la liberación de calcio, a nivel de la cisterna terminal, hay el almacenamiento de calcio, y también liberación y recaptura de ese calcio, son tres papeles importantes, porque si no hay recapturación de calcio, el músculo queda tetanizado. Un papel del sarcolema en el acoplamiento excitación-contracción podría ser la conducción de la despolarización, además de la importancia que ya mencionamos del túbulo T, que como ya sabemos forma parte del sarcolema. ¿Cómo disminuye la concentración de calcio? Puede ocurrir que no siga entrando mas calcio, de hecho es uno de los principales, puede ocurrir que el calcio sea intercambiado por otras moléculas de las cisternas del retículo o que sea sacado al exterior celular a través de la membrana, también debemos señalar la actividad de la bomba de calcio/ATPasa de la cisterna, que como ya dijimos es la enzima fundamental en la regulación de la concentración citoplasmática de calcio, se debe recalcar también la acción del intercambiador sodio-calcio del sarcolema, el intercambiador transporta calcio contra su gradiente electroquímico transmembranal, haciendo uso del gradiente electroquímico para el sodio, intercambio 1 calcio por 3 sodio. En general vamos a pasar ahora al estudio de la excitabilidad, contractibilidad y elasticidad del músculo, esto será lo que veremos la clase que viene…
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5TA CLASE TEÓRICA Profa. Miriam Rivas Tema 2. Objetivos 9, 10 y 11. Contenido 4. Ahí tenemos los tipos de músculos, entonces tenemos la musculatura estriada y la musculatura lisa. Con respecto a la musculatura, nosotros vamos a estudiar con un cierto detalle la musculatura esquelética, la musculatura cardíaca no porque ustedes lo van a estudiar en fisiología cardiovascular, y de la musculatura lisa también vamos a dar algunos tips generales porque también lo van a estudiar en la fisiología del sistema respiratorio, digestivo… es decir en cada uno de los casos particulares. Ahora, que cosas debemos conocer nosotros de músculo esquelético, fíjense, eso que tienen ahí representa una unidad motora, ¿es correcto decir que es una placa motora?, no, porque la placa motora es la sinapsis que hace el nervio con el músculo, es decir, es la fracción del sarcolema donde llega el axón, en este caso tenemos una unidad motora, que está formada por el nervio y un conjunto de fibras musculares que están inervadas por él. Entonces, una placa motora, es una fibra nerviosa inervando a una fibra muscular, y la función que tendrá esa fibra muscular está asociada al desplazamiento o movimiento. Las células musculares estriadas, son generalmente células cilíndricas alargadas, polinucleadas, esos núcleos siempre están en la periferia, presentan estriaciones a la vista con microscopía electrónica dada por las sarcómeras, y están bajo control voluntario. Ahora, ¿qué es lo que vamos a estudiar?, la función del músculo esquelético, cómo ocurre el movimiento y cómo se desarrolla la tención muscular, la fuerza. Miren lo que esta acá, un músculo y en ese músculo tenemos fascículos, cada uno de estos fascículos van a estar formados por varias fibras, que son las células, ahí vemos los núcleos en la periferia, en esas fibras tenemos las sarcómeras que como dije en la clase pasada van de línea Z a línea Z, lo van a desglosar un poco y encontramos los filamentos grueso y los filamentos finos; y noten ahora el deslizamiento, no hay, en ningún momento, acortamiento de fibras, eso es fundamental lo que ocurre es un deslizamiento que trae en consecuencia un acortamiento del músculo, un acortamiento del sarcolema, mas no de las fibras, de hecho las fibras gruesas permanecen en su posición, las que se deslizan sobre ellas son los filamentos finos. Eso es un micrografía electrónica, y ahí vemos clarito las sarcómeras, las bandas I y A, la línea Z y M, la banda A está constituía tanto por filamentos finos como por filamentos gruesos, en cambio, la banda I está constituida exclusivamente por filamentos delgados, aquí vemos lo que les decía, la banda A permanece en su posición, y lo que ocurre es un acercamiento de las líneas Z. Vamos a verlo de esta otra manera, aquí se ven como los filamentos finos se deslizan, y vemos también un poco de la estructura de los filamentos gruesos, con las cabezas de miosina orientadas hacia la periferia, son filamentos con cadenas dobles helicoidales, las cabezas tienen una actividad de ATPasa, esa distribución de las cabezas les permite interactuar con los filamentos finos, estos filamentos gruesos son simétricos, vean ahí que en la zona central no tienen las cabezas globulares,
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eso significa que en esa zona no habrá actividad ATPasa, y eso es muy importante para entender el fenómeno de la contracción muscular; ahora pasamos a los filamentos finos, esto que esta acá es actina globular, un conjunto de actina globular, forma la actina E, que es el filamento alargado que vemos, que también es helicoidal, esta es la principal proteína constituyente del filamento fino y lo que está ahí, es un conjunto de troponinas con tropomiosinas, revisen eso también, la molécula de tropomiosina se encuentra a aproximadamente cada siete unidades de actina G, y el conjunto está formado por una molécula de tropomiosina en actividad con tres tipos de troponina. Fíjense lo que dice acá, hay un conjunto proteico que forma el aparato contráctil, las proteínas constituyentes del aparato contráctil del músculo esquelético son principalmente la actina y la miosina, una proteína reguladora sería la troponina C, y una proteína estructural podría ser la titina. Entonces aquí está el filamento grueso: la cadena polipeptídica, las cabezas con actividad ATPasa ahí la literatura describe una zona de bisagra y más acá otra zona de bisagra, aparentemente la molécula tiene dos regiones de bisagras, y eso simplemente permite facilitar el movimiento en esas dos regiones, ahora, ¿quién los activas?, eso depende altamente del estado del calcio que genera que ciertos elementos que están bloqueados se activen, pero básicamente esa activación se expresa en términos de energía, directamente la acción del ATP, y por eso esa proteína tiene actividad ATPasa; según lo que vemos ahí, son seis cadenas polipeptídicas, dos pesadas y cuatro livianas, normalmente, cuando esta proteína interactúa con los filamentos finos, solamente una de las cabezas realiza la interacción para la contracción muscular. Ahora, el filamento fino, que está formado acá por los monómeros de actina G, esta proteína existe siempre asociada a este complejo que es la troponina, las diferentes troponinas (I, C, T), si hay asociación del calcio con la troponina C se produce un cambio conformacional que provocara el deslizamiento de ese conjunto proteico, cuando eso se deslice, ciertos sitios activos permanecerán expuestos y se podrá asociar el filamento fino con el grueso. Vamos a ver acá, cuando el músculo está en estado de relajación, aquí tenemos lo que estábamos conversando antes y esto simula la conformación del complejo troponina – tropomiosina, entonces fíjense aquí está la troponina T, hasta ahora sólo se le dan propiedades estructurales y de anclaje o de asociación de protofilamentos; en este caso esta sería la troponina C, tiene una cierta conformación en estado de reposo, esta proteína puede unir cuatro iones; en este caso esta es la troponina I, una proteína con actividad inhibitoria, que de cierta manera produce que este obstaculizada la asociación actina-miosina, eso significa que hay unos sitios libres en los glomérulos de actina, unos sitios que son para la asociación o para el reconocimiento de la miosina, en estado de reposo están tapados, tapados por ese conjunto molecular, cuando se asocia el calcio se produce el cambio conformacional que traen en consecuencia el deslizamiento de los filamentos; aquí está el estado activo, vemos que ahí está el calcio y ahí está la unión de las cabezas de miosina a los sitios de la actina; fíjense la diferencia entre el estado de reposo y el estado activo de la troponina C (unida o no a calcio). Veamos esto un momentico, ahí se produjo un flujo de calcio (este video es continuación de uno que les mostré la clase pasada), obviamente ese flujo de calcio es producto de un potencial de acción, ¿cómo continúa esto ahora?, la miosina se activa, si la miosina esta activada por la presencia de ATP, el calcio produce un cambio conformacional que origina que aparezcan en la actina, sitios de
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reconocimiento de la miosina, la afinidad de la miosina por la actina se incrementa en presencia de ATP, un filamento de miosina puede interactuar con seis filamentos de actina, eso sí, solo un filamento de actina por cada cabeza de miosina. Volvemos a esto, otras proteínas del sarcómera, en la literatura ustedes van a encontrar numerosas proteínas cada una con funciones distintas, por ejemplo, tenemos la titina, una proteína que va desde la línea Z hasta la línea M, es importante en músculo esquelético y en músculo cardíaco, esta proteína tiene aparentemente funciones de soporte o de anclaje, en la banda A tiene una cierta rigidez y en la banda I es más elástica, esto aparentemente facilita el deslizamiento y ayuda a que la sarcomera vuelva a su posición inicial luego de la contracción. También tenemos la nebulina, la proteína M… ¿Cómo ocurre la contracción? Esto es más de lo mismo, tenemos los filamentos gruesos y la estructura de bisagra y aquí están los sitios activos de la actina a los que se unirá la miosina durante la contracción, y esto que esta descrito acá, llamado golpe de fuerza, hagan ustedes la analogía de cuando están en un bote remando para que este se desplace hacia adelante, se produce entonces una cierta acción que va a impulsar el bote hacia adelante , la literatura puede llamar a esto golpe de fuerza o golpe de activación y está asociado a la liberación por el organismo de fosfato inorgánico, aparentemente, según teorías, cuando se libera ese fosfato inorgánico se produce esa energía que va a impulsar a las cabezas de miosina. Fíjense, esto que está acá indicaría una posición de 90°, cuando la molécula de ADP ha sido hidrolizada pero el Pi permanece en la pared celular, causa una conformación inestable de alta energía que mantiene esa posición de 90° entre la actina y la miosina, el complejo se llama actomiosina y esa posición de alta energía va a permanecer así hasta que se libere el Pi. ¿Qué ocurre luego?, aparentemente esa liberación de Pi hace que se adopte una conformación energéticamente más estable, 45°, hay un movimiento y entonces eso tiene que ver con el impulso de estiramiento, de esta manera se ha producido ese golpe de fuerza del que estábamos hablando. Ahora, se supone que esto dura aproximadamente 2 milisegundos. De modo que la interacción actina-miosina a través de las cabezas es de una manera dinámica, los contactos forman puentes que se unen y se disocian constantemente, es decir, es miosina, actina, actomiosina, miosina, actina, actomiosina… dependiendo de la presencia de ATP. Aquí estamos planteando la teoría o el ciclo de los puentes cruzados, está representado acá una cisterna del retículo con calcio y esto que esta acá, es una concentración de calcio en el músculo esquelético en condiciones de reposo, la concentración de calcio aumenta debido al impulso nervioso.
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Vamos a empezar por acá (en verde), ahí tenemos la línea Z, el filamento grueso y los filamentos finos, vemos que están separados la actina y la miosina, entonces el primer punto seria el punto de unión (1), fíjense en lo que ocurre, actomiosina donde tenemos el ADP y el Pi, es decir, ya la molécula de ATP fue convertida en ADP y Pi (hidrolizada), se habla de que el ADP entre en una especie de bolsa de hendidura que abre aun más el canal y permite la entrada completa del ATP, cuando el ATP entra ahí la afinida de esta molécula por la actina aumenta muchísimo, se produce luego la hidrólisis y las moléculas permanecen de esa manera, con una orientación de 90°. En esta otra fase (2) se produce la liberación del Pi, entonces cae en un estado que es termodinámicamente más estable, se da el movimiento y todavía se observa una asociación actina-miosina, ahora con una orientación de 45°; aquí dice que el ciclo de detiene aquí en ausencia de ATP y se produce una rigidez cadavérica, ¿qué es lo que pasa?, quedan asociados ya que sin una cantidad de energía metabólica no habrá relajación, es decir que permanecerán asociados y a eso se le llama rígor mortis. Si el individuo está vivo se promoverá la conformación de una nueva molécula de ATP (3) que producirá la energía necesaria para que se pierda la afinidad y se separen estas moléculas; suele preguntarse en los exámenes ¿el ATP sirve exclusivamente para que se produzca la asociación actina-miosina en la contracción muscular?, entonces exclusivamente no, sirve para eso pero también es necesario para ocurra la relajación muscular. Luego baja la afinidad por la actina, vuelve haber una asociación de ADP, el ATP queda así como tal, no ha sido hidrolizado, los filamentos se separan y el complejo actomiosina queda como actina y miosina (separados), esto va a parar en una hidrólisis parcial (4) de nuevo, aumenta la afinidad por la actina y esto va a parar aquí debido a la acción de mecanismos reguladores. La definición de este ciclo sería que trae en consecuencia la contracción-relajación muscular. Ahí está la miosina activada, el calcio se une a la troponina C, hay un cambio conformacional en la molécula de troponina y la troponina I se separa exponiendo los sitios de unión de la actina para las cabezas de miosina, la cabeza de miosina con actividad ATPasa es activada, el complejo miosina-ATPmagnesio se une al sitio expuesto de la actina y se produce la hidrólisis del ATP en ADP y Pi, el Pi sale de la cabeza de miosina provocando un cambio conformacional que le hace volver a su posición inicial provocando el desplazamiento de los filamentos finos y el desarrollo de fuerza, el ADP deja la cabeza de miosina y la unión de una nueva molécula de ATP produce la separación de la miosina y la actina.
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Entonces, hay una estimulación por una motoneurona, se propaga el impulso, aumentan los niveles de calcio y se produce la conversión de la señal eléctrica en una contracción, acoplamiento excitación –contracción. Para que investiguen: ¿Qué factores garantizan la relajación?
6TA CLASE TEÓRICA Profa. Miriam Rivas Tema 2. Objetivos 12,13 y 14. Contenido 5. Hoy hablaremos del patrón mecánico de la contracción muscular… Ahí tenemos una contracción isométrica, la palabra isométrica hace alusión a la misma medida, es decir, no hay cambio en la longitud del músculo, se desarrolla una tensión muscular pero no hay cambio en la longitud del músculo, no hay acortamiento de fibras, y no se debe confundir la contracción con el acortamiento de fibras. En este otro caso si hay acortamiento pero no hay cambio en la tensión ya que se está levantando una pesa cuyo valor no cambia, tiene un peso constante, pero el músculo si se acorta, entonces en esta contracción isotónica se mantiene la contracción, se genera la tensión y hay acortamiento muscular, en la otro no hay acortamiento muscular. Ahora, realmente debo aclarar que en ciertas condiciones experimentales se logra hacer este de modelo para estudiar los tipos de contracción, pero en un individuo que hace un movimiento terminal, o en condiciones normales las contracciones podrían empezar de una manera y terminar de otra dependiendo de cuando arranca la caminata, por ejemplo, o cuando arranca el levantamiento de un peso determinado, entonces las contracciones podrían ser más bien de un tipo auxotónica, es decir, donde hay liberación de tensión, una tensión que va siendo modificada y también hay acortamiento. Ahí tenemos en la parte superior la longitud del músculo aunque es más apropiado llamarle acortamiento del músculo que es lo que vamos a estudiar realmente, después tenemos la tensión necesaria para levantar la carga y por último tenemos como se modifica la tensión muscular; entonces fíjense ustedes, se le coloca la carga al individuo, hay un cierto tiempo para la activación muscular y se da esto que esta acá, que es la tensión generada mientras se levanta esa carga, quizás aquí se detuvo el experimento o se empezó a disminuir la tensión por un exceso de carga . Ahí vemos el modelo experimental, el músculo está atado a una cargar por debajo y a un transductor de tensión por arriba que va a llevar esa señal hacia un sistema de registro que nos va a producir la señal que está ahí: no se ha liberado la tensión suficiente para levantar la carga y si no se ha levantado la carga tampoco ha habido acortamiento
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muscular, es una contracción isométrica porque el músculo está trabajando pero no puede levantar esa carga entonces no se acorta. Vamos a ver este modelo ahora, igualmente tenemos el músculo atado a un peso por debajo y a un transductor de tensión por arriba, entonces miren ustedes que en este caso si se está levantando la carga, hay un período necesario para levantar la carga y a medida que se levanta la carga la tensión va incrementando, es decir que la porción de actomiosina que se va formando va aumentando, va incrementando la asociación de puentes cruzados activados y por lo tanto se incrementa la generación de tensión, llega un momento en que la tensión será suficiente para levantar la carga, ¿qué está pasando con el músculo?, se acorta, así vemos que a pesar de que hay acortamiento muscular, la tensión se mantiene igual, es decir, es una contracción isotónica. Componentes del músculo: Tenemos el componente contráctil que es la sarcomera y yendo más allá podemos nombrar la actina y la miosina. Vamos ahora con el componente elástico, cuando uno trata de estirar un músculo hay ciertos elementos que se deslizan en el aparato contráctil y hay otros que oponen cierta resistencia al estiramiento como el retículo, todos esos organelos que están presentes constituyen el componente elástico que puede estar en paralelo con la estructura contráctil o en serie. ¿Qué componente constituyen los tendondes?, un componente elástico, ¿está en serie o en paralelo?, en serie. Para levantar una pesa se necesita generarse la tensión suficiente para vencer la propia resistencia del músculo y luego generar tensión para poder levantar la pesa o efectuar el movimiento que se vaya hacer; esto puede ocurrir y terminar el músculo con una sacudida simple, o, si se dan estímulos repetidos se puede generar una tensión máxima que mantiene muy tenso el elemento elástico, pudiéndose desarrollar un tétanos perfecto o un tétanos imperfecto. ¿Cómo se discrimina el tipo de tensión generada en el músculo esquelético?, acá en este experimento lo que se hizo fue que se aisló un músculo con el nervio motor que lo inerva, el músculo está sostenido por ambos extremos de modo que no se podrá mover, es decir, la contracción será isométrica. En el caso A, el transductor de fuerza marca cero a ese nivel de estiramiento se puede decir que el músculo esta in
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situs que es la longitud original que tiene el músculo en el animal en reposo, ahora, cuando se da una estimulación eléctrica en el nervio (B), aumenta la tensión y se produce la contracción, ahí dice fuerza activa y es porque está siendo generada únicamente por el aparato contráctil puesto que no ha habido desplazamiento de mas nada. En el caso C, lo que se hizo fue aumentar la longitud del músculo y ahí comenzaron a participar los elementos elásticos, vemos que en este caso hay una fuerza generada sin que allá estimulación, esta fuerza es generada por todos los componentes elásticos de ese músculo tanto en serie como en paralelo esa fuerza es un componente pasivo de la tensión. Y por último tenemos la tensión total (D) que es la suma de la tensión activa y pasiva. Ahí se está elaborando una curva longitudtensión que se está desarrollando en un experimento con condiciones isométricas, somos nosotros los que vamos modificando la longitud A del músculo mientras observamos la variación de los componentes de la tensión. Comencemos B por la curva de tensión activa, vemos que en el punto B se desarrolla una tensión activa mayor C que en el punto A, esto se debe a que en la primera sarcomera existe una sobreposición de D los filamentos que impide el desarrollo de la máxima tensión, mientras que en el punto B hay mayor oportunidad de interacción entre los filamentos de actina y miosina y es por eso que se genera más tensión, con oportunidad de interacción me refiero a que el numero de puentes cruzados asociados que se forman en B es mayor que los que se forman en A, es decir, son directamente proporcionales a la tensión generada; en el caso C se reduce la fricción por lo que se empieza a perder la oportunidad de interacción, se pasa por un ascenso pequeño, quizás provocado por nivel de estiramiento menor y luego regresa. ¿Qué pasó en el caso D?, la curva cayo a cerquita de cero, esto se debe a que la tensión activa se genera en unas condiciones máximas u óptimas dependiendo de la longitud a la cual el músculo este funcionando, no es casual entonces que en esa zona donde la tensión generada es más alta sea la longitud in situ del músculo. Ahora vamos con tensión pasiva, vemos que se inicia en un punto cerca de cero y aumenta a medida que se incrementa la longitud de la sarcomera, ya sabemos que esta tensión se debe a los componentes elásticos del músculo, y puede incrementar hasta que el músculo se rompa, ustedes verán en sus próximas clases que hay mecanismos que impiden que se rompa el músculo, hay ciertas fibras en el músculo esquelético que van a estar detectando el estado de estiramiento de modo que un suelta un carga antes de que el músculo se rompa o se dispara una relajación por otras vías antes del músculo se rompa. Por último tenemos la tensión total que como ya vimos es la suma de la tensión pasiva y de la tensión activa, en cierta longitud es más cercana a la tensión activa y otros casos (longitudes) es más cercana a la tensión pasiva; es importante que sepamos diferenciar cuándo nos referimos a la tensión activa, pasiva o total y cuáles son los componentes de cada uno.
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Curva de velocidad - carga (fuerza), aquí pasa algo interesante, fíjense, se está midiendo la velocidad de acortamiento, de que tan rápido uno levanta una carga, por ejemplo, si tratamos de levantar un papel del piso lo podemos hacer bastante rápido a diferencia de si tratamos de levantar cien kilogramos que nos costará más, esa gráfica dice que la velocidad de acortamiento disminuye a medida que aumenta la fuerza. En cuanto a los puntos extremos, tenemos velocidad máxima (Vmax) que sólo se presenta cuando no tenemos carga que se oponga a la contracción, en el otro extremo la velocidad de acortamiento es cero, no hay acortamiento, la contracción es isométrica, hay tensión pero no podemos levantar la carga. Eso que está ahí dibujado es la sacudida simple, en la parte superior esta la representación en milivoltios (mV) y en la parte inferior tensión, el período que va desde cero hasta la línea punteada se llama período de latencia y es el tiempo que transcurre desde que se da el estímulo hasta que se produce una respuesta observable, se produce una contracción, una fase ascendente, cuando llega al punto máximo empieza la relajación. Esta sacudida simple se hace con un estímulo supramáximo para asegurar que se recluten todas las unidades motoras. Lo que estamos registrando ahí es la tensión total. Ahí tenemos lo mismo, se está produciendo por dos estímulos dos sacudidas simples, si estamos registrando esto en un sistema de registro que lleva cierta velocidad, si se disminuye la velocidad del registro se puede ver la curva más cerrada, si aumentamos la velocidad la curva se verá más abierta. Si damos un estímulo y antes de que proceda la relajación damos otro estímulo se incrementa la tensión, a eso lo llamamos suma de ondas, no se permite que la relajación se produzca totalmente y como hay suficiente calcio en el medio seguirá funcionando pero una nueva proporción de calcio bañará ese medio producto de la nueva contracción producto del nuevo potencial, en base a esto podemos decir que el aparato contráctil no tiene período refractario. Si aumentamos la frecuencia de estimulación se produce una suma de ondas múltiples y si aumentamos aún más se generará una contracción tetánica, ahí lo que tenemos es bastante calcio en el ambiente, y esa concentración tan elevada de calcio en el citosol lo que va a generar es que no haya relajación. Veamos este otro caso, cada rayita de esa es una sacudida simple, a eso lo llamamos el fenómeno de la escalera y es como si se tratara de un calentamiento del músculo, llego a un momento en que se da el mismo estímulo pero genera una contración mayor, es como si el sistema ya estuviese preparado y la liberación de calcio y el movimiento de las enzimas fuera más rápido, hay
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una potencialización de la respuesta. Este fenómeno se diferencia de la suma de ondas en que en este caso si hay relajación. ¿Qué ocurre si se incrementa la concentración de potasio?, el incremento de potasio genera un aumento sostenido de la concentración de calcio que tiene como consecuencia una respuesta que se llama contractura. Potenciación post-tetánica, si sometemos un músculo a un tétanos perfecto sin fatigarlo por un período de tiempo corto, e inmediatamente damos un pulso que provoque una sacudida simple, lo mas probable es que la sacudida simple sea potencializada y que sea de una magnitud mayor a la de una sacudida simple que se da a un músculo en reposo que no a sido tetanizado previamente, ahora, si el músculo fue fatigado la respuesta va a ser menor. ¿Para qué necesitaremos ATP en el músculo?, para que ocurra la asociación actina-miosina, para el metabolismo del reposo, para el funcionamiento de las bombas de calcio, por ejemplo, y tambien para el metabolismo, es decir, se requiere de bastante ATP. Esto consiste en la transformación de energía química en energía mecánica, esa energía química proviene de fosforilcreatina, lípidos como ácidos grasos libres, glucosa sanguinea y glucógeno del músculo. En el caso de un atleta que esta en una carrera, el empieza utilizando fosforilcreatina pero termina utilizando toda la vía aeróbica ya que es la que genera mayor proporción de ATP. Les dejo esa imagen para que la analicen, en la tabla de abajo esta la proporción de ATP que se genera por glucosa en cada vía metabólica.
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Vamos con los tipos de fibras, esta es una de las clasificaciones, hay muchas pero básicamente se dividen en fibras de tipo I y fibras de tipo II, las fibras tipo I también son llamadas rojas, oxidativas o de contracción lenta, las de tipo II se conocen también como fibras blancas o de contracción rápida, las hay de tipo IIA que son oxidativas y de tipo IIB que son glucolíticas.
La fatiga muscular, ya hemos hablado de que cuando se generan esos estado de tensión activa tan alta hay un gasto energético elevado y cesa la capacidad de generación de fuerza muscular, esto se debe a contracción fuerte y prolongada del músculo y/o interrupción del flujo sanguíneo (falta de nutrientes y O2), además aumenta con la disminución del glucógeno muscular. Eso que vemos ahí es la fatiga muscular asociada al tipo de fibra: TIPO I Sacudida Simple
Tétanos
Tétanos
TIPO IIA
TIPO IIB
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7MA CLASE TEÓRICA Profa. Miriam Rivas Tema 2. Objetivos 14 y 15. Contenidos 5 y 6. ¿Cómo es la respuesta del músculo esquelético ante la estimulación eléctrica? ¿El músculo esquelético responderá de la misma manera como responde el axón frente a un estímulo supraumbral?, es decir, cuando se da una estimulación supraumbral, ¿cómo es la respuesta del axón?, siempre es constante, un potencial de acción siempre es una respuesta de la misma amplitud y se llama todo o nada, no son las corrientes electrotónicas o potenciales no graduados que se generan cuando la estimulación resulta subumbral, en la motoneurona es todo o nada, ahora veamos cómo es en el músculo, en el músculo cuando se está sometiendo a una estimulación eléctrica produce una respuesta graduada, recordemos lo qué es una unidad motora, los músculos están inervados por una motoneurona, una motoneurona inerva a un conjunto de fibras musculares y todas ellas responden a la misma frecuencia de estimulación debido a que es un solo axón, repito, el axón se ramifica cerca de las fibras musculares e inerva un conjunto de ellas, todas están sometidas al mismo patrón de estimulación así que cuando ese axón es estimulado eléctricamente de una forma supraumbral todas las fibras musculares inervadas por ese axón responden con una contracción muscular, eso es una respuesta todo o nada, quiere decir que la unidad motora está respondiendo todo o nada, si la estimulación es supraumbral todas las fibras responden. Ahora, ¿por qué el músculo responde en forma graduada?, porque el musculo está formado por un conjunto de diferentes unidades motoras y cada unidad motora tendrá su propio nivel umbral, algunas serán más susceptibles a la estimulación que otras y responderán primero, en ese sentido, se van incorporando a la respuesta desde las que responden primero hasta las que van respondiendo mas tardíamente, a esto se le llama reclutamiento de unidades motoras y se estudia la respuesta graduada del músculo esquelético en base al reclutamiento de unidades motoras. Ahí tenemos una representación de una unidad motora grande y una más pequeña, las unidades motoras grandes tienen axones grandes, rápidos y poco excitables (son los últimos que responden, responden a estímulos más intensos porque tienen umbrales de excitación más elevados), en el caso de las pequeñas es lo contrario, axones pequeños, lentos y más excitables, en cuanto a la fibras muscular, las unidades motoras grandes inervan muchas fibras y son rápidas glucolíticas, es decir, funcionan en condiciones más anaeróbicas, por lo que son reclutadas para trabajos que demanden más fuerza, mientras que las unidades motoras pequeñas inervan menos fibras y son rápidas oxidativas, son reclutadas primero. La mecánica de la contracción muscular va a depender de ciertos parámetros: el número de unidades motoras que estén activas, eso está relacionado con la intensidad del estímulo y por eso la respuesta del músculo como un todo es graduada; la descarga repetitiva de las unidades motoras individuales, una vez que es activada, si se da un estímulo mayor esas unidades motoras no dejan de funcionar, continúan funcionando pero con más tensión; y la longitud inicial de la contracción, esto tiene que ver con la diferente oportunidad de interacción entre los filamentos gruesos y delgadas, es importante que sepan que los músculos funcionan a una longitud óptima, funcionan
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preferencialmente desarrollando la tensión máxima en un longitud un poco mayor que su longitud in situ, y esa es la longitud optima, si están muy distendidos no hay oportunidad de interacción atinamiosina, si están muy estirados la tensión activa que se genera es muy pobre, y si están muy contraídas, hay poca superposición para la generación de tensión activa; otra cosa que podemos citar acá es la naturaleza o tipo de fibra inervada, si es de tipo I recuerden que son fibras de contracción lenta por lo que en ese caso las sacudidas son de baja intensidad. Hablando un poquito de fisiología del ejercicio, el ejercicio puede modificar en cierto sentido la fisiología del músculo esquelético o algunos tipos de fibra, se ha observado que si se trata de un ejercicio de resistencia se incrementa el contenido de mioglobina en las fibras, el tamaño y número de mitocondrias, la proporción de energía obtenida de las grasas, el contenido intramuscular de triglicéridos y de la lipoproteína lipasa que ayuda al uso de lípidos sanguíneos, es decir que estamos llevando esto a un nivel más aeróbico, digamos un músculo más oxidativo con los ejercicios; disminuye la producción ácido láctico y la proporción de fibras de tipo IIB (glucolíticas); también mejora la capacidad para obtener ATP por fosforilación oxidativa y la extracción de O 2 sanguíneo. Musculatura Lisa ¿Qué estudiamos nosotros de músculo liso acá?, realmente es muy poco, son solo comparaciones entre lo que es la musculatura esquelética, la respuesta que da y la respuesta que da la musculatura lisa, veremos las generalidades de músculo liso. Ahí tenemos las funciones del músculo liso: revisten o forman parte de las paredes de órganos huecos (Ej: tráquea, estómago, tracto intestinal, vejiga, útero y vasos sanguíneos), es decir, mientras el músculo esquelético estaba siempre asociado a tejido óseo y tenía que ver con el movimiento del cuerpo, el músculo liso es de revestimiento, son fibras susceptibles, quizás, a un cierto volumen que tenga el órgano que está revistiendo; comprimen el contenido de las cavidades (control de diámetro: intervienen en procesos de regulación de la presión arterial, o la digestión); propulsión: en el tubo digestivo, la musculatura circular interna constriñe el tubo; la longitudinal externa lo acorta y tiende a ampliar la luz. Impulsa el contenido, produciendo unas ondas de constricción o movimientos peristálticos; y síntesis y secreción proteica: colágeno, elastina, proteoglicanos. En cuanto al tamaño, es muy variable, dependiendo del órgano que reviste, son fibras más pequeñas y delicadas que las del músculo esquelético, las fibras más pequeñas se encuentran en las arteriolas y las más grandes en el útero grávido. La regulación está a cargo del sistema nervioso autónomo, hormonas circulantes y de la propia distensión del tejido, es decir, hay también regulación intrínseca. En el músculo liso vascular se habla, por ejemplo, de canales de calcio que pueden ser activados por el estiramiento del vaso, estos canales van a traer en consecuencia un cambio en la conductividad para el ión calcio (aumenta la conductividad), un cambio para la conductividad del calcio puede ser simplemente una apertura de los depósitos intracelulares de calcio, o una apertura de los canales de la membrana, en este caso pueden ser sensibles a voltaje o canales sensibles a mediadores químicos y se habla de fármacomecánica de la contracción de la musculatura lisa, hay sustancias vasoconstrictoras (noradrenalina,
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vasopresina, angiotensina II, endotelina) y sustancia vasodilatadoras (óxido nítrico, histamina y adrenalina) que van a afectar el estado contráctil de la musculatura lisa. ¿Cómo es la inervación?, no existen uniones neuromusculares complejas, es decir, no vamos a ver que exista una placa motora o una sinapsis química altamente estructurada, lo que existe es una conexión de nervios sobre el músculo que se acercan mucho y forman vesículas cercanas a las fibras musculares desde las cuales se descargan los neurotransmisores, las fibras del sistema nervioso autónomo se distribuyen en forma difusa sobre una capa de fibras musculares, sin entrar en contacto directo y hay axones terminales con varicosidades, desde donde son secretados los transmisores (acetilcolina, noraderenalina). Eso que está allí, representa un dibujo de la organización estructural del músculo liso, no hay líneas Z, no hay sarcómera, estas fibras musculares presentan esos cuerpos densos que ven ahí, entre cuerpos densos hay anclaje de los filamentos que siguen siendo filamentos finos (principalmente actina) y gruesos (diferentes tipos de miosina), esos cuerpos densos tienen proteínas de anclaje similares a las que hay en las líneas Z, hay uniones estrechas entre una célula y otra, estas uniones pueden ser de diferentes tipos, desmosomas… es importante saber que si esas uniones son tan estrechas, puede pasar que todas las fibras trabajen de una manera sincronizada y simultanea, todo el conjunto celular funciona como uno solo y se basa principalmente en cambios de despolarización, fluidez de iones por esas uniones que hacen que la respuesta sea uniforme. También tenemos los filamentos intermedios, aparentemente tiene carácter estructural y está formado por proteínas como las desmina que es abundante, la vimentina. ¿En qué se parece eso que vemos ahí a lo que habíamos estudiado del filamento grueso en el músculo esquelético?, solo en la presencia de las cabezas de miosina, cuya naturaleza es muy similar aunque acá existen proteínas que le dan mayor afinidad por la actina y eso tiene que ver con la complejidad de la contracción en el músculo liso; recuerden también que en la parte central de la sarcómera en músculo esquelético no había cabezas de miosina, había una cierta simetría que en este caso se pierde. En el músculo liso el aparato contráctil está ubicado en diferentes sentidos, de modo que cuando ocurre el acortamiento la célula puede contraerse en diferentes sentidos.
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Aquí tenemos el músculo liso de unidad única, ahí está la neurona y las varicosidades de las que les había hablado, cercanas a la fibra pero que no hacen una sinapsis directa sobre ella, eso significa que los mediadores son vaciados acá y pueden afectar a las fibras, noten la alta proporción de uniones que hacen que se comporte como una unidad única. Entonces en este tipo de músculo, el conjunto de fibras funciona como una estructura única, similar al músculo cardíaco, el impulso se transmite muy rápidamente de célula a célula por esas uniones comunicantes y se encuentra en el intestino, útero, uréter, conductos biliares, colón, vasos linfáticos, senos cavernosos del pene y clítoris. En el de unidades múltiples se parece más, desde el punto de vista funcional, al músculo esquelético, si bien observamos que la neurona, igualmente, pasa cercana a la célula sin hacer una sinapsis directa, observamos también que el número de uniones comunicantes se ha reducido bastante, de modo que si se recibe una señal eléctrica o si se recibe una señal por un mediador químico se contrae esa célula pero la vecina no, la vecina tendrá que recibir la misma señal para poderse contraer, es decir, cada una de esas fibras se está contrayendo por sí sola. Entonces, cada fibra se comporta como una unidad independiente, similar al esquelético, hay estimulación autónoma (no se contrae espontáneamente) y se encuentra en la piel, ojo, bronquios, esfínteres gastrointestinales, grandes vasos. En la musculatura lisa tenemos la presencia de receptores para las hormonas que circulan por vía sanguínea. La regulación en el músculo liso sigue siendo ejercida por el calcio, ahí tenemos algunos ejemplos, en el músculo liso vascular tiene efecto sobre la resistencia periférica, en el bronquial sobre el tono broncomotor, en el gastrointestinal sobre la motilidad, en genito-urinario sobre la contracción de la vejiga y el uréter y en el uterino sobre la dismenorrea. ¿Cómo es el acoplamiento excitación-contracción?, el calcio puede entrar desde el medio extracelular o ser liberado desde los depósitos locales y ese calcio que entra cambia el estado de la contracción muscular, hay participación de canales que son voltaje-dependiente en la membrana, para el pasaje de calcio, receptores específicos, segundos mensajeros y factores físicos (estado de distención del órgano), se habla de un acoplamiento fármaco-mecánico que tendrá que ver con las fuerzas físicas: presión, estiramiento y con agonistas, moléculas que colaboran con el efecto de la contracción: angiotensina II, catecolaminas y endotelinas; y de un acoplamiento electro-mecánico, susceptible a una corriente eléctrica que altera la apertura o cierre de canales voltaje-dependientes. Tiene que
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haber una disminución de la concentración intracelular de calcio para que ocurra la relajación y también un cambio en la concentración intracelular de potasio, el aumento de la concentración intracelular de calcio induce la fosforilación de las cadenas livianas de miosina y la activación y formación de filamentos gruesos, cuando la cabeza de la miosina se defosforila, los filamentos se desensamblan. La fosforilación es catalizada por una enzima (quinasa de la cadena liviana de la miosina) cuya acción requiere de la presencia del complejo calcio-calmodulina. Recuerden que en el músculo esquelético no se hablaba de fosforilación de esas cadenas livianas para que el músculo funcionara, en este caso mientras más fosforilación hay, más fuerza de contracción se desarrolla y para que venga la relajación tiene que darse una desfosforilación.
MLCK: quinasa de la cadena liviana de miosina. ¿Cómo se activa el ciclo de puentes cruzados?, hay una despolarización que abre los canales de calcio que son sensibles al voltaje, se forma el complejo calciocalmodulina que actúa sobre la quinasa que activa la cadena liviana de miosina fosforilandola y se produce la activación de los puentes cruzados y la contracción, luego viene una fosfatasa de la miosina que cuando esta desfosforilada esta activa y desfosforila las cadenas ligeras de miosina para que se produzca la inactivación de los puentes cruzados y en consecuencia la relajación.
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La estimulación produce un incremento en la corriente de calcio, cuando esto se va recogiendo por efecto de la de la falta de estimulación vemos también que se incrementa la velocidad de fosforilación de los puentes cruzados que también cae porque ha cesado la estimulación, en el caso de la fuerza, mientras estos efectos desisten, se incrementa la fuerza, esta es la contracción fásica del músculo liso que es más frecuente en el músculo unitario; también hay una contracción tónica que se diferencia en que en esta, está permaneciendo el estímulo, mientras permanezca hay un nivel basal de tanto de puentes cruzados fosforilado como de calcio intracelular, esta es más frecuente en el músculo multiunitario. Estos son ejemplos que ustedes verán luego, pero simplemente para que tengan una idea, aquí estamos estudiando la fuerza generada y allí el cambio en el potencial de membrana, hay una serie de potenciales que primero son como locales y luego se dispara un potencial de acción, en las fibras musculares lisas el potencial de reposo suele estar entre -60 y -65, ahí observamos que si se genera un potencial de acción habrá una contracción muscular de las células marcapaso, esto es una actividad intrínseca de ese tejido. En este caso ondas lentas con actividad contráctil pueden presentar potenciales de acción y cambiar el potencial de membrana. Dos ejemplos más, aquí vemos cómo varía el tono muscular sin que se genere un potencial de acción, y en el último caso, vemos que hay agentes y hormonas que producen una contracción muscular sin modificar el potencial de reposo. Esos son solo ejemplos para que vean que distintos tipos de contracción asociados a la musculatura lisa. Por último, tenemos la regeneración del tejido muscular, si es músculo esquelético, se regenera parcialmente a partir de células satélite (se considera que son mioblastos que persisten luego de la diferenciación del músculo), frente a un daño muscular u otros estímulos estas células, relativamente escasas, se activan, proliferan y se fusionan para formar nuevas fibras, es similar en la hipertrofia; en el caso del músculo liso, hay regeneración moderada, algunas células musculares lisas entran en mitosis y reemplazan el tejido dañado, pero si la capacidad de proliferación no es suficiente para reparar el daño, se produce una cicatriz de tejido conjuntivo, aquí se produce hipertrofia e hiperplasia, tenemos la presencia de pericitos que aparentemente le dan información a las nuevas células que se forman.
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Les dejo ese cuadro que tiene las diferencias entre músculo esquelético y músculo liso: Músculo Esquelético Estriada; la actina y la miosina se disponen en sarcómeras Retículo sarcoplásmico y túbulos transversales bien desarrollados Contiene troponina en los filamentos finos No se puede contraer si no existe estimulación nerviosa; la desnervación da lugar a atrofia muscular Las fibras musculares se estimulan de manera independiente; no existen uniones comunicantes
Músculo Liso No estriado; mayor cantidad de actina que de miosina; la actina se inserta en los cuerpos densos y en la membrana celular Desarrollo escaso del retículo sarcoplásmico; ausencia de túbulos transversales Contiene calmodulina, una proteia que cuando se une al calcio activa la enzima quinasa de la cadena ligera de miosina Mantiene el tono en ausencia de estimulación nerviosa; el músculo liso visceral genera potenciales marcapasos; la desnervación da lugar a hipersensibilidad frente a la estimulación Suelen existir uniones comunicantes.
Elaborado por Andreina Acevedo
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