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Estructura y propiedades de los canales de iones

Estructura y propiedades de los canales de iones. Jueves 17 de abril: 14.30-16.00. ftp://einstein.ciencias.uchile.cl/ CursoTroncal 2008. Canales de iones de las membranas excitables. Axón de jibia. Electrodo que inyecta corriente. V x (t). Electrodos para medir el potencial.

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Estructura y propiedades de los canales de iones

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  1. Estructura y propiedades de los canales de iones Jueves 17 de abril: 14.30-16.00 ftp://einstein.ciencias.uchile.cl/CursoTroncal 2008

  2. Canales de iones de las membranas excitables

  3. Axón de jibia Electrodo que inyecta corriente Vx(t) Electrodos para medir el potencial Con este sistema podemos observar la propagación del impulso nervioso a lo largo del axón.

  4. 0.00 ms Estímulo en de 25 microamperes en x = 0. Dura 0,5 milisegundos y empieza a t = 0 milisegundo. Registro del potencial eléctrico intracelular a lo largo del nervio.

  5. 0.04 ms 0.12 ms 0.52 ms 1.24 ms 1.88 ms 2.28 ms 2.92 ms 3.72 ms 4.60 ms 5.48 ms 6.44 ms 8.04 ms 8.84 ms 9.80 ms 10.76 ms 15.12 ms

  6. Voltage clamp Arreglo experimental para controlar el potencial eléctrico de la membrana. (Voltage Clamp) Vm 1x 105x Vcomando El potencial de la membrana es igual al potencial de comando en todos los puntos a lo largo del axón. El amplificador se encarga de pasar tanta corriente como sea necesario para mantener esta igualdad.

  7. Voltage clamp Arreglo experimental para controlar el potencial eléctrico de la membrana. (Voltage Clamp) Vm 1x 105x Vcomando A El potencial de la membrana es igual al comando. El ampérmetro A mide la corriente que pasa por la membrana contenida en 1 cm lineal de axón.

  8. Voltage clamp de un axón de jibia Hodgkin y Huxley 1952 J. Physiol (London) 117:500-544Latorre et al Biofísica y Fisiología Celular. Sevilla,1996

  9. Voltage clamp de un axón de jibia en presencia de TTX, bloqueador de los canales de Na. La corriente que queda es la llevada por los canales de potasio

  10. La corriente de llevada por los canales de sodio es la diferencia de la corriente control – corriente con TTX.

  11. IK INa Im Vm IL IC Con voltage clamp:

  12. IK INa Im=0 Vm IL IC Sin voltage clamp: En reposo Vm = Vr y dV/dt = 0:

  13. Potencial de acción de membrana. VNa Im, (mAcm-2) Vm, (mV) VL VK Tiempo, (ms)

  14. Potencial de acción de membrana. VNa Im, (mAcm-2) Vm, (mV) VL VK Tiempo, (ms)

  15. Potencial de acción de membrana. VNa Im, (mAcm-2) Vm, (mV) VL VK Tiempo, (ms)

  16. Para saber más sobre impulso nervioso consulte el libro de texto del Dr. Francisco Bezanilla: The Nerve Impulse. This is a brief Textbook that covers the basics of the initiation and propagation of the nerve impulse using equivalent circuits with reference to ionic conductances. Voltage dependent conductances are explained on the basis of single channel properties. The text contains links to the simulation programs. http://nerve.bsd.uchicago.edu/med98a.htm

  17. Los canales responsables del potencial de acción en el axón gigante de jibia tienen dos atributos importantes. • Selectividad. Conducen Na o K en forma excluyente. • Excitabilidad. Capacidad de cambiar su capacidad de conducir iones en función del voltaje.

  18. Electrostática: Una carga eléctrica, q, genera un campo eléctrico a su alrededor. Este campo se manifiesta por el potencial eléctrico en la vecindad de la carga. El potencial eléctrico,  de un punto en el espacio se define como el trabajo (joule) necesario para traer una carga unitaria (1coulomb) desde el infinito a ese punto del espacio. Se mide en Volts (joules/coulomb) El potencial eléctrico depende de distancia entre el punto y la carga que crea el campo. El gradiente de potencial eléctrico se llama intensidad de campoE. Se mide en volt/metro es una magnitud vectorial y su magnitud y tiene unidades de newton coulomb-1. E El flujo eléctrico  que emana de una superficie cerrada es la integral de la intensidad de campo eléctrico sobre el toda el área de la superficie cerrada. dA es un elemento,minfinitesimal de área, normal a E

  19. La ley de gauss: El flujo eléctrico  que emana de una superficie cerrada es la integral del campo eléctrico potencial eléctrico sobre el toda el área de la superficie cerrada. dA es un elemento,infinitesimal de área, normal a E La ley de Gauss dice que el flujo proporcional a la carga q encerrada en la superficie cerrada. El factor de proporcionalidad es 1/e0, y e0 es la permitividad eléctrica. Para una esfera de radio r con una carga puntual Q al medio, la integral es fácil porque la intensidad de campo E es igual en toda la superficie.

  20. Para una esfera de radio r con una carga puntual Q al medio, la integral es fácil porque la intensidad de campo E es igual en toda la superficie. Ésta es el la fuerza que siente una carga unitaria puesta a una distancia r de la carga q. Ahora podemos calcular el trabajo necesario, para traer una carga unitaria desde el infinito a un distancia r de la carga q. Potencial eléctrico en la superficie de una esfera cargada.

  21. Potencial eléctrico en la superficie de una esfera cargada. El trabajo para aumentar la carga de la esfera en un dq es dq. La energía necesaria para cargar la esfera es la integral desde carga 0 hasta carga = q. La energía necesaria para cargar la esfera es siempre positiva es laauto energía, self energy, o energía de Born . Max Born Born: 11 Dec 1882 in Breslau, Germany (now Wroclaw, Poland)Died: 5 Jan 1970 in Göttingen, Germany

  22. Si un átomo tiene una carga zi, y la carga del electrón es eo la energía para un mol es su auto-energía molar: Calcular la auto energía para un átomo con z = 1 y un radio de 1 Å.

  23. Recordar: Esto es en el vacío para un ion de r = 1 A. En un medio material la auto energía es menor: cambia por un factor 1/ en que  es la constante dieléctrica del medio. Para el agua w= 80 y para la bicapa de lípidos b= 2 .

  24. Estructura

  25. Topología de los canales de Ca2+, Na+ y K+ sugerida de sus perfiles de hidrofobicidad x4 x4 x2 x2

  26. Los canales pueden formarse a partir de una sola molécula de proteína, pueden ser tetrámeros o dímeros

  27. En los canales de K+ dependientes de potencial el segmento S4 y el poro (P) están muy conservados

  28. Tema de seminario martes 22 KCsA deStreptomyces lividans Doyle et al 1998 Science 280:69-77

  29. KCsA deStreptomyces lividans Doyle et al 1998 Science 280:69-77

  30. KCsA deStreptomyces lividans Doyle et al 1998 Science 280:69-77

  31. Doyle et al 1998 Science 280:69-77

  32. KCsA deStreptomyces lividans Zhou et al 2001 Nature 414:43-48

  33. + + - El ion + es atraído por la carga negativa. - El ion + es atrapado por la carga negativa.

  34. + + + + - El ion + se acerca a un par con carga neta cero - El ion + se aleja de un par con carga neta cero.

  35. Ion K+Molécula de H2O Morais-Cabral et al 2001 Nature 413:37-42

  36. Potenciales de flujo Corrientes de flujo Un canal en que el agua y los iones se mueven en fila india Pongo igual concentración de potasio a ambos lados del canal Pongo igual potencial eléctrico a ambos lados del canal Que flujo neto de K se espera? Agrego un no electrolito a un lado del la membrana con el canal Que flujo neto de K se espera? Esta es la corriente de flujo. A que potencial el flujo se hace cero? Este es el potencial de flujo.

  37. Corriente de K a través de un canal de potasio en presencia de un gradiente osmótico. Las concentraciones de K a ambos lados de la membrana son iguales por lo que el potencial de Nernst para el K es 0 mV.. El gradiente osmótico lleva el potencial de inversión de la corriente a 4 mV. El flujo de agua por los canales arrastra potasio. Hay entre 2 y 4 moléculas de agua en el canal. Su longitud es de 6 a 12 Ångström. Alcayaga et al 1989 Biophysical J. 55:367-371

  38. 12Å 6 a 12 AAlcayaga et al 1989 Doyle et al 1998 Science 280:69-77

  39. 2-4 aguas/canalAlcayaga et al 1989 Morais-Cabral et al 2001 Nature 413:37-42

  40. Origen de VK y VNa

  41. Potencial eléctrico intracelular, axón de jibia Medio intracelular -60 mV 0 mV Medio extracelular

  42. Análisis cuantitativo de Na y K en axones gigantes de jibia. Medio intracelular [K] 440mM[Na] 50mM [K] 10mM [Na] 440mM Medio extracelular

  43. Potencial químico del sodio -60 mV [Na] 50mM 0 mV [Na] 440mM

  44. Potencial químico del sodio -60 mV [Na] 50mM R = 8.3 J mol-1 K-1T = 293 Kz = 1F = 95600 C mol-1 [Na] 440mM

  45. Potencial químico del potasio -60 mV [K] 440mM [K] 10mM

  46. ? Condición de equilibrio -60 mV [Na] 50mM [Na] 440mM ¿Qué pasará si abro una vía de paso para los iones Na+? Debe existir un potencial eléctrico al cual el sodio esté en equilibrio.

  47. Ecuación de Nernst JC-1 Unidades?

  48. Ecuación de Nernst Ecuación de Nernst

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