Explorando el mundo intracelular
Autor colaborador: Dr. Steve Andre (Fisiólogo muscular)
Todas las células vivas mantienen una diferencia en la carga eléctrica entre las soluciones que están dentro y fuera de las membranas celulares. La diferencia de voltaje a través de la membrana celular suele estar en un nivel estable conocido como potencial de membrana en reposo. El potencial de membrana en reposo se produce por la distribución diferencial de iones a ambos lados de la membrana. En las fibras musculares, la concentración de potasio dentro de la célula es más de 50 veces mayor que la concentración del ion en el líquido extracelular. Por otro lado, la concentración de sodio es 10 veces mayor fuera de la membrana que dentro. El gradiente de concentración de potasio es mayor y en dirección opuesta al gradiente de concentración de sodio. Las concentraciones de iones están gobernadas por tres factores:
- Bomba de sodio-potasio
- Velocidades relativas de difusión de estos iones a lo largo de los gradientes de concentración
- Atracción y repulsión de cargas opuestas y similares
Bomba de Sodio/Potasio
La bomba de sodio-potasio mueve activamente sodio fuera de la célula y potasio dentro de la célula. Naturalmente, la célula tiene más K+ dentro y Na+ fuera de la célula. La bomba establece y mantiene los gradientes de concentración de estos dos iones a través de la membrana celular. Los gradientes de concentración forman una batería iónica a través de la membrana, y la bomba de sodio-potasio mantiene esa batería cargada. Para ver una animación de este proceso, consulte:
El potencial de membrana en reposo, que varía entre -50 y -90 mV en la mayoría de las células, resulta de la difusión del potasio. Debido a su gran gradiente de concentración, el potasio difunde más rápido a través de la membrana que cualquier otro ion. Cuando el potasio difunde fuera de una célula:
- Se producen cargas negativas en exceso dentro de la célula
- Los iones de potasio extracelulares atraen iones negativos para que los sigan
- Los iones de potasio extracelulares empujan los iones positivos del exterior de nuevo hacia la célula.
Dado que estos otros iones tienen permeabilidades relativamente bajas, no se mueven tan rápidamente como los iones de potasio. Por lo tanto, estos otros iones tienen solo un pequeño efecto en la neutralización del potencial negativo dentro de la célula. El movimiento neto del potasio también está limitado por la diferencia de potencial que se genera entre el interior y el exterior de la célula. La negatividad dentro de la célula retiene a los iones positivos de potasio. En equilibrio, un ion potasio es empujado fuera de la célula a través de un canal por una fuerza química (gradiente de concentración) que tiene la misma magnitud que la fuerza eléctrica (potencial negativo) que atrae al ion de vuelta a la célula. El potencial de membrana depende de las concentraciones de los diferentes iones a través de la membrana y de la permeabilidad relativa de la membrana a estos iones.
Microelectrodos de vidrio
Los potenciales de membrana en reposo, de acción, receptores lentos y sinápticos se miden con un electrómetro intracelular como el Duo773 de WPI, usando micropipetas de vidrio llenas de fluido con punta fina conocidas como microelectrodos.
Amplificador para microelectrodos
Es fundamental que la impedancia de la célula, el microelectrodo y el amplificador estén correctamente emparejados. De lo contrario, la señal puede perderse. Para preservar la amplitud de la señal, se utiliza un amplificador de corriente continua (DC) de alta impedancia, conocido como electrómetro intracelular o amplificador para microelectrodos, como el Duo773 de WPI, en el circuito entre el microelectrodo y la unidad de registro.
Este tipo de amplificador iguala la impedancia del microelectrodo con la impedancia de entrada de la unidad de registro mediante un circuito conocido como seguidor de voltaje. Los electrómetros suelen tener impedancias de entrada iguales o mayores a 1010Ω. Como regla, la impedancia de entrada de un electrómetro debe ser al menos 100 veces mayor que la impedancia del microelectrodo utilizado para la grabación. La pequeña área transversal de la punta del microelectrodo reduce considerablemente el flujo de corriente a través del electrodo. Por eso se dice que este tipo de electrodo tiene alta impedancia. Esto significa que medir potenciales de células más pequeñas usando microelectrodos con puntas más pequeñas y mayores impedancias requiere el uso de electrómetros con impedancias de entrada más altas.
Además de tener altas impedancias de entrada, los electrómetros tienen bajas impedancias de salida que se ajustan mejor a las bajas impedancias de entrada de las unidades de registro. Esto significa que las amplitudes reales de los potenciales de membrana registrados con electrómetros son las amplitudes que muestran los registradores. Dado que estas señales requieren poca o ninguna amplificación, los electrómetros solo necesitan ganancias de salida de X1 o X10.
Para potenciales de acción en reposo normales (–50 a –90 mV), use una ganancia X1. Para potenciales sinápticos, que usualmente están en el rango de 5-10 mV, use una ganancia X10.
NOTA: Los electrómetros no captan ruido de radiación eléctrica tan fácilmente como otros tipos de amplificadores.
Un electrómetro intracelular de buena calidad tiene algunas características, como un circuito de compensación de capacitor y un "tickler".
Compensador de capacitor
El circuito de compensación de capacitor, también conocido como puente, neutraliza el efecto de la membrana celular, que usualmente actúa como un capacitor al mantener una carga. Cuando se inyecta un pulso eléctrico en una célula, las ondas cuadradas inyectadas tienen esquinas redondeadas porque la membrana celular amortigua la corriente inyectada. Usar un circuito de compensación de capacitor afina las esquinas de la onda cuadrada inyectada al despolarizar la membrana celular. El resultado final de usar un circuito de compensación de capacitor es un pulso inyectado más efectivo. Los potenciales de acción inyectados resultan en un tiempo de respuesta más rápido y una onda registrada que es fiel a la inyectada. El circuito de compensación de capacitor elimina el efecto de la membrana celular sobre el potencial inyectado.
Tickler
El tickler envía un pulso rápido y agudo de corriente a través del microelectrodo. También conocido como ringer, el tickler tiene dos propósitos. Si el microelectrodo está fuera de una célula, el tickler puede usarse para limpiar la punta del electrodo. Cuando el microelectrodo se presiona contra la célula formando una pequeña hendidura en ella, activar el tickler ayuda al microelectrodo a penetrar la membrana celular.
