Fisiología de la contracción muscular y la conducción nerviosa

Fisiología de la contracción muscular y la conducción nerviosa

Sep 14, 2021 | Unidad temática I

Resultado de aprendizaje

  • Describir las características del acoplamiento excitación-contracción en el músculo esquelético.
  • Demostrar el concepto de umbral al estimular nervios motores periféricos
  • Integrar la fisiología nerviosa y muscular en los estudios de velocidad de conducción nerviosa y electromiografía.

Indicador de evaluación

El estudiante:

  • Explica los mecanismos que participan en la transmisión neuromuscular y en la contracción muscular a través de los resultados de la práctica de laboratorio.

 

    1. Introducción

    Los estudios electrofisiológicos de electromiografía (EMG) y velocidad de conducción nerviosa (VCN), son técnicas diagnósticas de utilidad en la exploración del sistema nervioso periférico y del aparato musculoesquelético y la relación que existe entre ambas.

     

    1.1 Velocidad de Conducción Nerviosa

    Los estudios de conducción nerviosa son técnicas electrofisiológicas que permiten estudiar la propagación del impulso nervioso en cualquier nervio periférico que puede ser sensitivo, motor o mixto.

    Son especialmente útiles para el diagnóstico de la enfermedad de nervios periféricos (neuropatía), o como seguimiento de la recuperación tras una lesión. La valoración de la velocidad de conducción nerviosa (VCN) permite comparar los nervios de las extremidades o de regiones proximales de manera bilateral.

    El sistema nervioso periférico se compone de dos grandes grupos de fibras nerviosas: mielinizadas y no mielinizadas. La velocidad de conducción de una neurona depende del diámetro del axón y de la presencia de mielina que lo recubre. Cuanto mayor es el diámetro del axón, mayor es la velocidad de conducción de los potenciales de acción (clasificación de Erlanger y Gasser, tabla 1). En los humanos es posible medir la velocidad de conducción de grandes nervios, mediante el registro de los potenciales de acción, medidos extracelularmente sobre la superficie de la piel que cubre al nervio o mediante la activación del músculo que inervan. Los potenciales sensitivos se registran directamente sobre las fibras sensitivas del nervio con electrodos de superficie dispuestos sobre el trayecto del nervio.

    Tabla 1. Se describen los tipos de fibras nerviosas, si tienen mielina, la velocidad de conducción, el diámetro y el tipo de información que transmiten.

    El potencial motor compuesto registra la actividad eléctrica generada por la contracción muscular resultante de la estimulación de un nervio con fibras motoras y se registra con electrodos de superficie sobre el músculo específico. Para el registro, normalmente se utilizan 2 electrodos de superficie, donde un electrodo es activo y el otro es referencial. Se ponen en contacto con el músculo o sobre el nervio sensitivo.

    El electrodo activo tiene una localización proximal y el referencial se localiza distalmente. Estos 2 electrodos reciben el estímulo que provocamos en el nervio correspondiente. Para la estimulación, usualmente se usa un electrodo bipolar, donde un pulso de corriente se genera entre el cátodo, y el ánodo; este pulso de corriente despolariza al nervio adyacente y genera un potencial que se propaga a través de este. 

    Dicho estímulo debe realizarse de forma creciente hasta asegurar un estímulo máximo, es decir, un 20% superior al que evoca un potencial de amplitud máxima. En cada paciente varía la intensidad del estímulo dependiendo de varios factores, tales como, el grado de relajación del músculo, las condiciones de la piel, la presencia de edema, la cantidad de tejido adiposo, etc.

    Los parámetros por estudiar son los siguientes: 

    – Latencia inicial: Es el tiempo transcurrido entre la estimulación y la aparición de la respuesta en un sitio de registro. Se mide en milisegundos (ms). 

    – Velocidad de conducción: se expresa en metros por segundo (m/s) y refleja la velocidad con la que se propaga el estímulo a través del nervio, desde la estimulación distal hasta la proximal en la conducción motora (VCM). Se expresa como resultante de la diferencia entre las latencias iniciales del potencial registrado en un sitio proximal y uno distal entre la distancia medida en milímetros (mm) que hay entre ambos estímulos. 

    – Características del potencial: Se evalúa la forma, amplitud, duración y área bajo la curva. Las fibras nerviosas de mayor diámetro de los nervios periféricos conducen la corriente eléctrica por encima de 45 m/s transmitiendo el impulso de forma saltatoria entre los nódulos de Ranvier hasta llegar al músculo. 

     

    1.2 Electromiografía

    Se utiliza el término electromiografía (EMG) para referirse a las técnicas utilizadas en el estudio funcional del sistema neuromuscular tanto en reposo como durante una contracción. Su fundamento eléctrico se basa en el registro de potenciales bioeléctricos. Los equipos de EMG para el registro y análisis de los potenciales de acción del músculo están compuestos por electrodos de superficie o aguja que captan la señal y, una vez amplificados y filtrados, son convertidos en una señal digital. Además de la señal digital visual, los aparatos de EMG tienen altavoces para la captación acústica de la señal analógica.

    Patrón de descarga de la unidad motora. La unidad motora está formada o constituida por una sola neurona motora inferior (incluyendo el cuerpo celular y sus prolongaciones) y todas las fibras musculares inervadas por las ramificaciones de su axón.

    El músculo de un sujeto sano en reposo no muestra actividad eléctrica alguna en el EMG. Una contracción voluntaria media causa descargas de bajas frecuencias (1 o 2 impulsos por segundo), de una o pocas unidades motoras.  El esfuerzo incrementa la fuerza muscular y se asocia con dos cambios relacionados pero separados en el patrón de descarga de la unidad motora: a) reclutamiento de las unidades previamente inactivas, y b) mayor rapidez en el disparo de las unidades ya activadas. 

    Un sujeto sano puede ser capaz de activar una o dos unidades motoras inicialmente. Las unidades motoras activadas son pequeñas y probablemente representan las fibras musculares de tipo I. Aquellas que son reclutadas más tarde son considerablemente más grandes y reflejan la participación de las unidades de tipo II, a esto se le conoce como “principio de tamaño” o “ley de Henneman” (figura 1). Normalmente la frecuencia de disparo es de 10 a 12 Hz.

    Figura 1. La Ley de Henneman o el “principio del tamaño») establece que, dado que el tamaño de las motoneuronas determina su umbral de excitación, durante la aplicación de una fuerza muscular las unidades motoras de menor tamaño serán las primeras en reclutarse, y en la medida en que el esfuerzo lo requiera, se irán reclutando más unidades motoras en un patrón estereotipado según su progresivo tamaño (Parodi, 2017).

     

    Patrón de reclutamiento o interferencia. Cuando se incrementa la fuerza de contracción, se van sumando un mayor número de unidades motoras activas que empiezan a disparar rápidamente. La activación simultánea de muchas unidades motoras es un fenómeno llamado reclutamiento y no permite el reconocimiento de potenciales de unidades motoras individuales. Esta respuesta sumatoria usualmente se refiere como patrón de interferencia. Este patrón es una medida de la densidad o número de espigas que se generan y el promedio de amplitud de todos los potenciales de la unidad motora. La configuración y la frecuencia de disparo de cada potencial de la unidad motora, depende del número de neuronas motoras capaces de estar descargando. Al analizar el patrón de interferencia, es importante determinar no sólo cómo descargan las unidades motoras, sino también el número de unidades disparando proporcionalmente para alcanzar la fuerza muscular ejercida. El músculo a máximo esfuerzo es el resultado de la contracción de todas las unidades motoras funcionantes en el músculo en cuestión. Durante el esfuerzo máximo, las unidades motoras aisladas descargan a frecuencias en el rango de 25 a 50 impulsos por segundo. En el músculo normal aparece un trazado muy rico o interferencial que borra la línea base como consecuencia de que las unidades motoras aumentan de frecuencia de contracción y a su vez hay un mayor reclutamiento de unidades motoras.

    1. Actividad

     

    2.1 Preguntas

    Lee las siguientes preguntas y responde:

    a) ¿Es la fuerza de tu brazo derecho diferente a la de tu brazo izquierdo?

    b) Cuándo se sostiene un objeto de manera constante, ¿el número de unidades motoras permanece igual? ¿Son usadas las mismas unidades motoras durante todo el tiempo que se sostiene el objeto?

    c) Con la fatiga, la fuerza muscular disminuye, ¿qué proceso fisiológico explica la declinación en la fuerza?

    d) Define unidad motora.

    e) Define reclutamiento de unidades motoras.

    f) Define fatiga.

    g) Define EMG.

    f) Define dinamometría.

     

    Material para la práctica:

    • Electromiógrafo Cadwell y Computadora (figura 2).
    • Programa de captura y registro
    • Juego de electrodos de superficie con cables
    • Gel conductor
    • Algodón – Alcohol
    • Voluntarios para registros
    • Cinta métrica 

    Figura 2. Equipo Cadwell, con equipo de cómputo y estimulador

     

    • Práctica de VCN 

     

    Colocación de los electrodos 

     

    Para la realización de esta práctica, siga las instrucciones del docente.

    1) En la sección de ayuda del programa (ver manual operativo, o en la sección “help” del programa) se señalan claramente los puntos de estimulación y registro para la exploración de diferentes nervios. Pueden seleccionar distintos nervios, sin embargo, recomendamos el nervio mediano.

     Figura 3. Ejemplo de técnica adecuada de estimulación, proximal 2A y distal 2B de nervio mediano.

    2) Obtenga los registros de la actividad nerviosa a diferentes distancias de la ubicación de los electrodos de estimulación. Debe haber medido dichas distancias para poder calcular.

    3) Obtenga registros de velocidad de conducción de fibras motoras y mida las velocidades de conducción.

    4) Si es posible, se puede sumergir el brazo en agua fría o tibia y comparar lo obtenido con el brazo a temperatura ambiente, para que se evidencien los cambios de VNC con los cambios de temperatura.

    5) Mediante el programa del equipo puede usted medir para ambos tipos de potenciales la latencia inicial, la latencia terminal, amplitud base y amplitud pico. Y en base a ellos obtener duración del potencial, área de este y al ingresar la distancia entre estímulos proximal y distal obtener también la velocidad de conducción.

    6) Midan diferentes nervios y compare de manera bilateral los resultados.

    7) Midan a diferentes compañeros de la clase.

    8) Tabulen sus resultados y compare los registros obtenidos para los diferentes estímulos utilizados y para vías motoras y sensitivas.

    9) Comparen los resultados de todos los alumnos medidos. 

    10) Evalúen si los valores de latencia, velocidad y amplitud se encuentran dentro de los valores de referencia (el programa muestra los valores de referencia, ver el manual operativo). 

    11) ¿Qué diferencias son evidentes en la morfología, amplitud, duración y latencias de los potenciales motores contra los sensoriales? 

    12) ¿Encuentra alguna diferencia entre los registros de un voluntario masculino y un femenino?

     

    2.3 Desarrollo de la práctica de EMG 

    Obtención de un electromiograma de superficie (EMG) estándar: 

    1) En un voluntario, seleccione el músculo del que se obtendrá el registro, bíceps braquial, por ejemplo. La superficie deberá estar descubierta, la región deberá estar libre de ropa, pulseras, relojes, etc. 

    2) Limpie con algodón y alcohol la región en donde se colocarán los electrodos de superficie. 

    3) Coloque un electrodo cerca de la inserción proximal del músculo en estudio y otro cerca de la inserción distal, de manera que queden paralelos a las fibras del músculo (esta ubicación se puede variar dependiendo de la longitud del músculo a explorar). Para la colocación adecuada de los electrodos, puede en la ventana del programa “ayuda”, seleccione el “EMG”, se abrirá una lista de los músculos que puede explorar y donde debería colocar los electrodos (figura 4).

    4) Coloque un tercer electrodo en cualquier otra parte del cuerpo, alejado del sitio donde se encuentren los electrodos de registro. 

    5) Una vez activado el sistema de registro se puede obtener un registro inicial como el que se muestra a continuación:

     Figura 4. Manual de referencias para la colocación de los electrodos.

     

    Obtención del EMG en diversas condiciones

     

    En un voluntario, comience el registro de la actividad muscular (figura 5) y realicen las siguientes maniobras:

    1) Contracción isotónica: Coloque los electrodos en los extremos del bíceps braquial y pida al paciente que levante un peso de valor conocido, registre el EMG de dicho movimiento. 

     2) Contracción isométrica: Coloque los electrodos en los extremos del bíceps braquial y pida al paciente que mantenga levantado el peso, manteniendo un ángulo de 45° entre el brazo y el antebrazo, registre el EMG de este fenómeno.

     3) Reclutamiento de unidades motoras: Con la misma preparación se pedirá al paciente que levante un peso cuyo valor se irá incrementando paulatinamente. Registre el EMG durante toda la operación. 

    4) Fatiga de contracción: Con la misma preparación pida al voluntario que realice flexiones y extensiones del antebrazo sobre el brazo hasta que la amplitud y duración del fenómeno eléctrico que registra se reduzca en al menos un 50%.

    Figura 5. Electromiograma típico, en las abscisas se encuentra el tiempo (ms), en las ordenadas el voltaje (mV)

    Resultados Práctica EMG

    El registro que usted obtuvo se puede analizar de varias maneras. La más sencilla es medir la duración y la amplitud (voltaje) de la descarga eléctrica que se produce cuando se contrae el músculo contra una carga cero o en el reposo. Es decir, cuando no se le aplica ninguna resistencia, y se compara con la magnitud y duración de esta descarga cuando se aplican resistencias sucesivas. Estos valores, de voltaje y duración de cada contracción, se pueden representar en una gráfica que relacione el peso levantado respecto a las características eléctricas de la contracción. 

    Para finalizar, respondan:

    1) ¿Puede usted medir la intensidad de la contracción en los registros obtenidos?

    2) De ser así, ¿de qué magnitud es? Si la respuesta es negativa ¿cuál es la razón? ¿Qué otro tipo de análisis se puede hacer? 

    3) ¿Cómo se modifica el EMG al aumentar la carga?

    4) ¿Qué cambios ocurren cuando se fatiga el músculo? 

    5) ¿El EMG cambia según el músculo? 

    6) ¿Si cambia la posición de los electrodos también lo hace la forma del EMG?

     

    1. Bibliografía

     

    • Berne & Levy. Fisiología. 7ª Edición. Madrid: Elsevier. 2018. 
    • Fisiología Humana. Editorial Panamericana, 2018.
    • Fernández, J. M., Acevedo, R. C., y Tabernig, C. B. (2007). Influencia de la fatiga muscular en la señal electromiográfica de músculos estimulados eléctricamente. Revista EIA, (7), 111-119. ¿Recuperado de http://www.scielo.org.co/ scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1794-12372007000100010
    • Hall, J.E. (2016). Guyton y Hall. Tratado de fisiología médica. Barcelona, España: Elsevier.
    • Massó, N., Rey, F., Romero, D., Gual, G., Costa, L., & Germán, A. (2010). Aplicaciones de la electromiografía de superficie en el deporte. Apunts Sports Medicine, 45(166), 127-136. Disponible en: https://raco.cat/index.php/Apunts/article/view/196617/298837
    • Moreno Quinchanegua, J. E. (2018). LA FATIGA, TIPOS CAUSAS Y EFECTOS. Revista Digital: Actividad Física Y deporte, 3(2). https://doi.org/10.31910/rdafd.v3.n2.2017.376
    • Parodi Feye, A. S. (2017). Análisis crí­tico de la Ley de Henneman. Educación Física Y Ciencia, 19(2), e032. https://doi.org/10.24215/23142561e032
    • Robergs, R. A., Ghiasvand, F., y Parker, D. (2004). Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis. American journal of physiology. Regulatory, integrative and comparative physiology, 287(3), R502–R516. doi: 10.1152 / ajpregu.00114.2004

      

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      Biofísica de la membrana celular. Potencial de membrana en reposo y potencial de acción

      Biofísica de la membrana celular. Potencial de membrana en reposo y potencial de acción

      Sep 9, 2021 | Unidad temática I

      Objetivos de aprendizaje

      • Discutir como los cambios de concentración y permeabilidad iónica afectan el potencial de membrana en reposo mediante el uso de un simulador.
      • Coordinar el análisis y la resolución de viñetas clínicas relacionadas con el potencial de membrana y el potencial de acción a través de la discusión grupal.

      Resultado de aprendizaje

      • Integra el concepto de potencial de equilibrio, potencial de membrana en reposo y potencial de acción mediante un software de ecuaciones Nernst/Goldman.
      • Analiza como los cambios en la concentración y la permeabilidad iónica afectan el potencial de equilibrio, el potencial de membrana y el potencial de acción en situaciones clínicas.

      Glosario de términos

      Conductancia (G): Propiedad de la membrana celular que representa la facilidad con la que los iones pasan o atraviesan un segmento de la membrana celular.

      Constante de longitud: Indica que distancia tendremos que alejarnos del sitio de máximo voltaje para encontrar que la señal decae hasta el 37% de su valor (figura 1 glosario).

      Constante de tiempo: Indica el tiempo que una célula tarda en descargarse hasta el 37% del valor máximo que se alcanza cuando aplicamos un pulso de corriente (figura 1 glosario).

      Figura 1 glosario. Se muestra la carga o despolarización de la membrana celular (izquierda) así como el decaimiento de esta desde el 100%, al 37 % y luego al 1%. Cuando la señal decae al 37% en función del tiempo, es constante de tiempo y cuando lo hace en función de la distancia, es constante de longitud.

      Despolarización: Es el proceso mediante el cual una célula excitable cambia su potencial eléctrico, de negativo a positivo mediante el intercambio de iones y puede llegar a generar un potencial de acción.

      Ecuación de Nernst: Ecuación utilizada para calcular el potencial de equilibrio de un ion que se encuentre en ambos lados de una membrana permeable para él

      Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz: Ecuación utilizada para calcular el potencial de membrana al interior de una célula permeable a Na+, K+ y Cl-.

      Equilibrio de Gibbs-Donnan: Se designa así al equilibrio que se produce entre los iones que pueden atravesar la membrana y los que no son capaces de hacerlo.

      Ley de Ohm: Es la forma de calcular la relación entre voltaje, corriente y resistencia en un circuito eléctrico. La fórmula es: V = I x R, donde: V = voltaje, I = corriente, R = resistencia.

      mM: Milimolar, es una medida de concentración de un soluto en una disolución (10-3 molar).

      mV: milivoltios, es la unidad de medida de la tensión eléctrica equivalente a la milésima parte de un voltio.

      nM: NanoMolar, es una medida de concentración de un soluto en una disolución (10-9 molar).

      Período refractario absoluto: Intervalo de tiempo que ocurre después de que la membrana alcanza su nivel umbral y se lleva a cabo el potencial de acción, en este periodo es imposible excitar a la célula independientemente de la corriente de estimulación que se le aplique.

      Período refractario relativo: Intervalo de tiempo que ocurre posterior al periodo refractario absoluto, en la cual es posible desencadenar el potencial de acción, pero se necesita de la aplicación de estímulos más grandes que los requeridos normalmente para alcanzar el umbral.

      Potencial de acción: Impulso eléctrico transitorio y regenerativo en el cual el potencial de membrana aumenta rápidamente volviéndolo más positivo comparado con su estado de reposo.

      Potencial de equilibrio para un ion: Diferencia del potencial eléctrico a través de la membrana celular que equilibra exactamente el gradiente de concentración de un ion.

      Potencial de membrana en reposo: Diferencia de voltaje a través de la membrana, generado por la permeabilidad y la diferencia de concentraciones de ciertos iones en una célula que no se encuentra activa.

      Umbral: Punto crítico o limite en el que un estímulo alcanza una magnitud suficiente para desencadenar una respuesta.

      Voltaje: Magnitud que establece la diferencia del potencial eléctrico entre dos puntos.

      1. Introducción

       Potencial de equilibrio

      Toda célula está delimitada por una membrana plasmática formada por una bicapa de lípidos, lo que le confiere un carácter hidrofóbico. No obstante, la membrana es semipermeable a una amplia variedad de moléculas, lo que resulta en una diferencia en la composición del citoplasma y el medio extracelular. De entre todas las moléculas, los iones resultan ser de vital importancia para múltiples funciones celulares. Los más abundantes son el Na+, K+, Ca2+ y Cl–, cuyos valores fisiológicos en el humano se indican en la tabla 1.

      Ion Concentración intracelular Concentración extracelular
      Na+ 12 mM 145 mM
      K+ 140 mM 4 mM
      Ca++ 100 nM 1.5 mM
      Cl– 4.2 mM 123 mM

      Tabla 1. Concentraciones típicas de los principales iones en el medio intracelular y extracelular en humanos.

       

      Esta diferencia en las concentraciones iónicas condiciona una diferencia entre las cargas a ambos lados de la membrana, las mismas que tratarán de igualarse (equilibrio de Gibbs-Donnan). Bajo ciertas condiciones, la membrana permite el paso de algunos iones, lo que genera un flujo de cargas que depende de la permeabilidad relativa de la membrana a cada ion. Al pasar los iones a favor de su gradiente de concentración (de donde hay más a donde hay menos) se genera una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana, llamado potencial de membrana (medida en milivoltios o mV). Es de crucial importancia comprender que dicho potencial de membrana será determinado solo por las concentraciones iónicas a cada lado de la membrana y por la permeabilidad de la misma membrana a cada ion.  

      Antes de entender cómo se genera el potencial de la membrana, debemos comprender lo que es el potencial de equilibrio. En la figura 1 vemos dos momentos: 1) estado de inicio y 2) en equilibrio. En el estadio inicial, tenemos dos compartimentos, adentro y afuera de la célula, y podemos ver que afuera de la célula hay mucho Na+ y Cl–, en este caso, la membrana es IMPERMEABLE al Cl– pero PERMEABLE al Na+, porque existen canales de Na+ que permitirán que éste difunda hacia adentro de la célula (a favor del gradiente de concentración). Y así el Na+, comenzará a difundir hacia adentro de la célula, pero llegará el momento en donde se detendrá su difusión porque las cargas del Cl– se encuentran atrayendo al Na+ para que regrese al medio extracelular, en este momento el Na+ ha llegado a su POTENCIAL DE EQUILIBRIO.

      Figura 1. Se esquematiza el potencial de equilibrio para el Na+, logrado a través de la difusión de este por canales iónicos específicos y la fuerza quimioatrayente del Cl–.

      Este equilibrio está descrito por la ecuación de Nernst, y se aplica para cada ion difusible a través de la membrana celular:

      Dónde:

      Ei= Es el potencial de equilibrio del ion X [V]

      R= constante de los gases (8.314 J/mol K)

      T = temperatura absoluta [K]; y ya que K = 273.15 + °C, a T corporal K=310.15 K

      z = valencia del ion (-1) para aniones y (+1) para cationes monovalentes

      F = constante de Faraday (96485 C/mol)

      [ion]e = concentración extracelular del ion

      [ion]i = concentración intracelular del ion

       

      Potencial de membrana en reposo.

      Considerando que la membrana plasmática es principalmente permeable al K+, debido a la presencia de canales de fuga de K+ que permiten que éste salga de la célula cuando se encuentra en reposo, se puede simplificar el potencial de membrana en reposo como el potencial de equilibrio de K+. Usando la ecuación de Nernst, usando los valores que hemos visto en esta práctica, tenemos:

      El potencial de equilibrio para el K+ es -93 mV y a este voltaje se acercará el potencial de membrana en reposo. Sin embargo, el potencial de membrana en reposo de las células es diferente, ya que también las células también son permeable as a otros iones como el Na+ y Cl–. Por esto usamos la ecuación de Goldman–Hodgkin–Katz:

      Donde Em es el potencial de membrana en reposo y P equivale a la permeabilidad relativa de la membrana a cada ion. Nótese que dado que el Cl– tiene carga negativa, los valores de concentración intra- y extracelular cambian de lugar para poder usar el mismo valor de RT/zF. Considerando que la permeabilidad relativa respecto a K+ del Na+ es de 0.04 y de Cl– es de 0.45, a temperatura corporal y las concentraciones indicadas en la tabla 1, el potencial de membrana en reposo es aproximadamente -70 mV. La permeabilidad de la membrana a los diferentes iones está dada por la existencia de proteínas transmembranales llamadas canales iónicos. Al abrirse, los canales iónicos permiten el paso selectivo de iones a favor de su gradiente electroquímico.

       

      Potencial de acción

      Algunos tipos de células tienen la capacidad de cambiar el potencial de membrana en reposo que es negativo, y generar potenciales positivos y transientes que conocemos como potenciales de acción. Los potenciales de acción son cambios estereotípicos, abruptos y transitorios en el potencial de membrana que ocurren en células excitables, llamadas así porque pueden responder ante la estimulación directa con una corriente eléctrica (por ejemplo, neuronas, células musculares y células endocrinas). Los potenciales de acción desempeñan un papel central en la comunicación de celular, siendo la base de la propagación de señales en neuronas y activando diversos procesos intracelulares como la contracción muscular y la liberación de insulina en las células beta del páncreas. Numerosos y brillantes científicos aportaron ideas novedosas que fueron consolidando la disciplina que hoy en día conocemos como electrofisiología. En la página ​http://www.facmed.unam.mx/historia/ se puede consultar un interesante recorrido por las ideas y descubrimientos que llevaron a nuestro entendimiento actual de la fisiología de las células excitables.

      El potencial de acción se debe a que existe un estímulo específico que abre canales de Na+ dependientes de voltaje, hasta que son tantos que el Na+ comienza a difundir desde afuera de la célula al interior, haciendo el citosol más positivo, es por ello por lo que el potencial de acción se acerca al potencial de equilibrio del Na+, porque con la apertura de estos canales, se aumenta su permeabilidad y el Na+ busca llegar a su equilibrio. El potencial de acción pasa por distintas fases dependiendo del tipo de célula excitable (Figura 2). En cada fase, la membrana celular cambia su permeabilidad abriendo y cerrando canales iónicos para que éstos fluyan, regresando al potencial de membrana en reposo al terminar estos cambios.

      Figura 2. Potencial de acción típico de una neurona. El potencial de acción en una neurona tiene tres fases, 1. Despolarización, 2. Repolarización, 3. Hiperpolarización. La fase de despolarización consta de un incremento rápido y homogéneo del potencial de membrana en reposo (-65 mV) hasta un valor positivo máximo (entre +10 a +40 mV), el fenómeno responsable de esta fase es el aumento en la conductancia de la membrana celular al Na. La fase de repolarización consta de un descenso desde el punto máximo de la despolarización y hasta el regreso al potencial de membrana en reposo. La fase de hiperpolarización puede dar lugar a un voltaje más negativo que el potencial de membrana en reposo. El fenómeno responsable de las fases de repolarización e hiperpolarización es el aumento en la conductancia de la membrana celular al potasio.

      Para iniciar el potencial de acción, se tiene que generar un estímulo que alcance el umbral y en ese momento se genere la fase de despolarización (canales de Na+ abiertos), llegando al sobretiro que es la parte más elevada del potencial (canales de Na+ inactivos), continuando la repolarización (canales de K+ abiertos), regresando al estado de reposo. El intervalo posterior al inicio de un potencial de acción en el que es imposible o resulta más difícil producir una segunda espiga se denomina período refractario.  El periodo refractario consta de dos fases, el periodo refractario absoluto y el relativo. El primero (absoluto) abarca desde el inicio del potencial de acción hasta casi el final de la repolarización, en esta fase es imposible desencadenar un segundo potencial de acción, independientemente de la intensidad o duración del estímulo aplicado. El periodo refractario relativo abarca el final de la repolarización y la hiperpolarización, en este, el estímulo necesario para que se lleve a cabo un nuevo potencial de acción deberá ser de mayor intensidad y duración que el estímulo que provoco el primer potencial de acción.

      1. Actividades en la sesión

      Actividad 1. Predicción de cambios en el potencial de membrana

      Materiales: Requieres una computadora por equipo de 3 personas con el programa ya descargado para la clase. Formula hipótesis en función de los cambios de concentraciones iónicas, temperatura y compruébalas en el software.

      Indicaciones para descargar el Software

      1) Descarga en tu computadora el programa Simulador de ecuaciones Nernst/Goldman, desarrollado por la Universidad de Arizona y disponible para Windows o Mac en el siguiente enlace (te recomendamos dar click en “Download Standlone Flash Version”):

      https://www.azps.life/home/2016/4/28/teaching-spotlight-nernstgoldman-simulator

      O puedes entrar a descargarlo desde el drive del departamento en:

      https://drive.google.com/file/d/1SRHf796wcYYI4cTveEK-BuCvYBl2_Y2s/view?usp=drive_link

      Recuerda que este paso debes hacerlo con anticipación porque te pediremos acceso para registrarte. Se descargará un archivo con terminación .zip/.exe.

      2) Se abrirá una pantalla inicial de la Universidad de Arizona y solo debes dar clic en el centro para ingresar al Software.

      En esta pantalla se pueden observar varios controles:

      Del lado izquierdo:

      a) Barras deslizables (rojas, azules y verdes) que permiten controlar las permeabilidades (Px, visibles cuando se selecciona la ecuación Goldman) y las concentraciones intra y extracelulares ([x]i y [x]0, respectivamente) de los iones potasio, sodio y cloro. b) Barra deslizable (amarilla) que permite controlar la temperatura.

      Del lado derecho:

      a) Pestañas superiores: permiten seleccionar si el simulador funciona con la ecuación de Nernst o la ecuación de Goldman, y si se da la opción a variar la temperatura o se toma un valor fijo de temperatura a 37 °C. b) Ecuación que se usa para correr la simulación con la pestaña seleccionada. c) Panel de en medio: gráfica que muestra el potencial de membrana en función del tiempo, con los parámetros estipulados. Nótese que se puede tener control de la escala en los ejes X y Y (con unidades en segundos y mV, respectivamente). También puede pausarse para observar con detenimiento los cambios. d) Panel inferior izquierdo: animación que ejemplifica la concentración de iones dentro y fuera de las células (no intenta demostrar el movimiento relativo de las partículas). e) Panel inferior derecho: muestra los valores calculados del potencial de equilibrio con las concentraciones y temperatura elegidos. f) Lista desplegable inferior: permite cambiar los valores predeterminados por los correspondientes a cuatro preparaciones experimentales típicas (célula genérica, músculo esquelético, axón de calamar y eritrocito).

       

      Desarrollo de la práctica:

      Formen equipos para resolver los siguientes problemas. Cada equipo con base en el conocimiento previo de la ecuación de Nernst y la generación del potencial de membrana hará una hipótesis de cómo se modificará el potencial de membrana en las siguientes condiciones:

      • Cuando la célula sólo es permeable al potasio, ¿qué pasará con el potencial si…?

      A) Duplicas las concentraciones de Na+ extracelular.

      B) Igualas la concentración intracelular y extracelular de K+.

      D) Disminuyendo la concentración de potasio extracelular.

      E) Disminuyendo la concentración de potasio intracelular.

      C) Aumentas la temperatura.

       

      • Cuando la célula es permeable al potasio, sodio y cloro, ¿qué pasará con el potencial si…?

       

      A) Aumentas las concentraciones de sodio extracelular al doble.

      B) Aumentas la permeabilidad al sodio.

      C) Aumentas la permeabilidad al potasio.

      D) Aumentas la permeabilidad al cloro.

      E) Aumentas la permeabilidad al sodio y al cloro simultáneamente.

        • Después de hacer una hipótesis para cada una de las preguntas previas, utilizarán el simulador en la modalidad Goldman para realizar experimentos en los que sistemáticamente se obtenga y grafique el valor de potencial de membrana en función de modificar:

        A) La concentración extracelular de cada uno de los iones.

        B) La concentración intracelular de cada uno de los iones.

        C) La temperatura.

        D) Las permeabilidades de los iones.

        Con los datos y gráficas obtenidas, contrasten los resultados obtenidos con sus hipótesis previas y hagan un reporte de práctica (se recomienda hacer un diagrama metodológico).

        Actividad 2. Viñetas clínicas

        Instrucciones: Antes de comenzar a resolver las preguntas, lee cuidadosamente cada viñeta e investiga las palabras que desconozcas. Posteriormente, vuelve a leer las viñetas y responde en equipo las preguntas que aparecen en cada una.

         

        Viñeta 1. Acude a usted un paciente masculino de 2 años y 10 meses, sano desde el nacimiento quien en los últimos 3 meses ha presentado 2 cuadros de dolor abdominal, debilidad, cansancio, dolor en las extremidades inferiores, hipotonía y debilidad generalizada que imposibilita la marcha y la sedestación. Como único antecedente, el paciente ingirió una alta cantidad de carbohidratos (pastel y helado) el día anterior a los síntomas. Se le tomaron muestras, obteniendo como único valor alterado el potasio sérico: 1.9 mmol/L (valores normales entre 3.5 – 5.0 mmol/L).

        Puedes ayudarte del simulador para razonar de una mejor manera la viñeta clínica.

        1. Los resultados de laboratorio mencionados en el caso, ¿representan al líquido intra o extracelular?
        2. ¿Consideras que los valores de potasio sérico tienen relación con el cuadro clínico del paciente?
        3. ¿Cómo contribuye el potasio al potencial de equilibrio de la membrana celular?
        4. ¿Qué síntomas esperarías encontrar en un paciente con los niveles elevados o disminuidos de potasio?

        Comentario: Para que exista un potencial eléctrico en la membrana celular es fundamental el paso de iones del espacio intracelular al extracelular y viceversa, a través de canales transportadores de iones. Esto es necesario para que la célula pueda recibir y transmitir impulsos hacia otras células vecinas y así compartir información. Cuando uno de dichos canales se ve alterado, se producen enfermedades denominadas canalopatías. Al dispararse un potencial de acción, ingresan numerosas cantidades de Na+ al espacio intracelular, por lo que para regresar a los valores de potencial de membrana a sus valores negativos en reposo es necesario que los canales de potasio dependientes de voltaje se activen para permitir el paso de K+ al espacio extracelular y así disminuir el voltaje de la membrana celular hacia los valores de iniciales de reposo. El paciente en cuestión padece una canalopatía llamada parálisis periódica hipocalémica familiar, en la cual los canales de salida de potasio dependientes de voltaje se ven alterados.

        1.      ¿Qué esperas que suceda en el potencial de membrana en reposo en pacientes con esta enfermedad?
        2. ¿Qué cambios se esperarían en el umbral para desencadenar un potencial de acción?

         

        Si deseas conocer más a detalle el caso clínico de la actividad, puedes consultar el artículo completo en las referencias (5)

        Viñeta 2. Llega a urgencias un paciente masculino de 48 años con deshidratación y dolor abdominal. Después de realizar el interrogatorio y la exploración física, se solicitan laboratorios de acuerdo con la sospecha diagnóstica. Los resultados de los laboratorios (glucosa 268 mg/dl, bicarbonato 12 meq/L, pH 7.2 y una cetonemia moderada) confirman el diagnóstico de cetoacidosis diabética, una complicación aguda de la diabetes mellitus tipo 2, por lo que se inicia tratamiento con insulina y soluciones intravenosas (para corregir la deshidratación). Después de algunas horas, mejora la hiperglucemia y la acidosis, pero el paciente empieza a presentar debilidad muscular e hiporreflexia. Adicionalmente, el electrocardiograma presenta anomalías y se detecta distensión abdominal con disminución de ruidos peristálticos. Entonces, uno de los residentes explica que la insulina es una hormona que, además de permitir la entrada de glucosa a las células, favorece el movimiento de potasio del líquido extracelular al intracelular. Se miden los electrolitos séricos y se encuentra hipopotasemia grave, por lo que se inicia tratamiento con cloruro de potasio (KCl) intravenoso.

        Con ayuda del simulador, responde las siguientes preguntas. Selecciona la ecuación de Goldman a 37 °C y los valores de célula genérica.

        1. ¿Qué cambio genera en el potencial de membrana una disminución del potasio extracelular? ¿Se vuelve más negativo (hiperpolarización), menos negativo (despolarización) o no se modifica? Justifica tu respuesta. (Al utilizar el simulador, puedes disminuir la [K+]0 a 1 mM.)
        2. La insulina administrada no solo cambió la concentración extracelular de potasio, sino que aumentó la permeabilidad al potasio de la membrana celular. ¿Qué efecto tiene en el potencial de membrana el incremento de la permeabilidad al potasio? ¿Lo hace más o menos negativo? ¿Lo aleja o acerca al EK? Justifica tu respuesta. (En el simulador, puedes incrementar por tres la permeabilidad para observar el cambio.)
        3. Ahora prueba disminuir la concentración de potasio extracelular a 1 mM y aumentar su permeabilidad por tres de manera simultánea, lo cual es una aproximación de lo que ocurrió con el paciente de la viñeta. ¿Cuánto cambió el potencial de membrana con respecto al basal? ¿La magnitud del cambio fue mayor que antes? ¿Por qué?

        Comentario: la hipopotasemia hiperpolariza a las células. Esto se debe a que el incremento en el gradiente de concentración de potasio vuelve más negativo su potencial de equilibrio (EK), como se deduce de la ecuación de Nernst. A su vez, el EK es el que tiene más influencia sobre el potencial de membrana en reposo, como se infiere a partir de la ecuación de Goldman. Si se incrementa la permeabilidad al potasio, esta influencia aumenta todavía más. La combinación de estos factores afecta a las células excitables, disminuyendo su excitabilidad. Las consecuencias son principalmente cardíacas (arritmias), musculares (debilidad, hiporreflexia) e intestinales (íleo paralítico). Por ello, antes de dar grandes cantidades de insulina a un paciente, se debe corroborar la concentración de potasio sérico, calcular la magnitud esperada de su descenso y, si está indicado, administrar KCl de manera oportuna.

        Viñeta 3. Se presenta al servicio, un paciente masculino de 39 años, que presenta imposibilidad para caminar y mover los brazos, fuerza muscular 0/5 en escala de Daniels, arreflexia osteotendinosa en miembros inferiores e hiporreflexia en miembros superiores, hipotonía muscular generalizada, sensibilidad normal, hallazgos de laboratorio típicos de un síndrome de Guillain-Barré. El paciente refiere enfermedad gastrointestinal de una semana de evolución.

        1) ¿Qué esperarías encontrar en la conducción nerviosa de los miembros inferiores de este paciente?

        2) ¿Por qué piensas que los miembros inferiores están más afectados que los superiores?

        Comentario: El Síndrome de Guillain Barré es una serie heterogénea de neuropatías periféricas mediadas inmunológicamente. El hallazgo común es la polirradiculopatía de evolución rápida, que se manifiesta posteriormente a un suceso disparador, que con frecuencia es un proceso infeccioso. Se manifiesta generalmente con una parálisis motora simétrica con o sin afectación sensorial y autonómica. Su diagnóstico se basa en el examen electrodiagnóstico, análisis de LCR y evolución clínica. El trastorno suele aparecer unos días o semanas después de que la persona haya tenido síntomas de infección viral respiratoria o intestinal, en algunas ocasiones, el embarazo, cirugías o las vacunas pueden desencadenar el síndrome.

         

        Viñeta 4.  Paciente mujer de 42 años con antecedentes de poliartralgias y tendinitis con anticuerpos antinucleares positivos, tratada durante un año con AINE con posterior mejoría del cuadro y negativización de los anticuerpos. Había presentado varios episodios de visión borrosa autolimitados, atribuidos a desprendimiento posterior de vítreo y varios cuadros vertiginosos de corta duración, habiendo sido estudiada por Neurología sin encontrar causa aparente. Acude al Servicio de Urgencias con un cuadro clínico de disartria y afasia de expresión sin otra sintomatología, que inicia de forma brusca mientras se encontraba trabajando. La paciente refiere, además, astenia y adinamia de cuatro meses de evolución. Al examen físico se evidencia dificultad para la expresión y dificultad para articular palabras.

        1) ¿Cuál es tu primera impresión diagnóstica?

        2) Investiga ¿qué son los anticuerpos antinucleares? Y ¿en qué enfermedades se presentan?

         

        Después de diversos estudios incluidos una resonancia magnética en la cual se evidencia lesión de sustancia blanca en centro semioval izquierdo de posible origen inflamatorio-desmielinizante, se integra el diagnóstico de esclerosis múltiple.

        1. Investiga ¿qué es la esclerosis múltiple?
        2. ¿Cómo explicas el cuadro clínico que presentó la paciente?
        3. ¿Se encontrarán alterados el potencial de membrana y/o de acción en las neuronas de esta paciente?
        4. Discute tus respuestas en el grupo.

         

        REFERENCIAS

         

        1. Boron & Boulpaep. Fisiología Médica. 3ª Edición. Madrid: Elsevier. 2017.
        2. Guyton & Hall. Tratado de Fisiología Médica. 13 ª Edición. España: Elsevier. 2016.
        3. Hille, Bertil. (1992) Ionic Channels of Excitable Membranes. Second Edition. Sinauer Associates, Massachusetts, USA.
        4. Kandel, E; Schwartz, J y Jessell, T. (2000). Principios de Neurociencia. Cuarta edición. Editorial McGraw Hill Interamericana. Madrid. España. 2000.
        5. Vélez MM, Carrizosa J, Cornejo W. (junio 2002). Parálisis periódica hipocalémica familiar (PPHF): Reporte de un caso y revisión del tema. IATERIA, 15, 114-120.
        6. Goldman L. (1961). The effect of stretch on the conduction velocity of single nerve fibers in Aplysia. Journal of cellular and comparative physiology, 57, 185–191. https://doi.org/10.1002/jcp.1030570306
        7. Moreno Gómez, M. del M., & García Romanos, F. (2021). Clinical case: atypical presentation of multiple sclerosis in a 42-year-old patient. Atencion Primaria Practica, 3(1), 100082. https://doi.org/10.1016/j.appr.2021.100082

         

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        Mecanismos de transporte a través de la membrana celular

        Mecanismos de transporte a través de la membrana celular

        Sep 9, 2021 | Unidad temática I

        Objetivo de aprendizaje

        Explicar el movimiento de iones y agua a través de la membrana celular como un concepto fundamental de la fisiología.

        Resultado de aprendizaje 

        Explica los términos de difusión y ósmosis a través de la experimentación.

        Discute las características estructurales de la membrana celular y los mecanismos de transporte a través de ella.

        Glosario de términos

        Difusión: Es el fenómeno en el que las moléculas en disolución se desplazan a favor de un gradiente de concentración, no requiere una membrana.

        Difusión simple: Es el fenómeno en el que las moléculas o iones pasan directamente a través de la membrana, a favor del gradiente de concentración.

        Difusión facilitada: Es el fenómeno en el que se requieren proteínas transmembranales para que algunas moléculas puedan difundir a favor de un gradiente de concentración, no requiere energía.

        Ósmosis: Se define como el paso de agua desde una solución de baja concentración de soluto hacia una solución de alta concentración de soluto, separadas ambas soluciones por una membrana semipermeable.

        Ion: Son átomos o grupos de átomos que tienen una carga eléctrica. Los iones con una carga positiva se denominan cationes y los que tienen carga negativa se denominan aniones.

        Osmolaridad: Es la medida usada para expresar la concentración total de sustancias en disoluciones (osmoles/litro). En un organismo normal la concentración está alrededor de 290 miliosmoles.

        Osmolalidad: Es la concentración molar del conjunto de moléculas osmóticamente activas en un kilogramo de solvente.

        Ecuación de Van´t Hoff: Se utiliza para medir la presión osmótica.

        π = nCRT

        Donde: n= número de partículas disociales por molécula, C = concentración total de solutos, R = constante de los gases, T = temperatura en grados Kelvin.

          1. Introducción

          Debido a sus características fisicoquímicas, el agua se considera como el disolvente universal. En los sistemas biológicos, esta premisa es importante ya que el agua corresponde al principal componente. En el varón adulto promedio, el agua constituye del 50 al 70 % de la masa o peso corporal total (PCT). Dicho porcentaje se puede dividir en líquido intracelular (LIC = 40% del PCT) y líquido extracelular (LEC = 20 % del PCT), subdividida a su vez en agua plasmática (5% del PCT) y agua intersticial (15% de PCT), esto se puede observar en la figura 1.

          Figura 1. Distribución de agua en los compartimientos corporales. Los hombres tienen aproximadamente 60% de agua en el organismo, mientras que las mujeres tienen un mayor porcentaje rondando el 55%. De esta cantidad de agua, 2/3 corresponderán a LIC y 1/3 a LEC, del cual el 80% se encontrará en el líquido intersticial y 20% en el plasma.

           

          El contenido de agua y solutos en estos compartimentos no es estático, cambian debido a su movimiento por los procesos de difusión (solutos) y ósmosis (solvente).

          El transporte de solutos se clasifica en pasivo si no requiere energía metabólica o activo si requiere la hidrólisis de ATP. La difusión simple y facilitada son ejemplos de transporte pasivo; mientras que, el transporte activo se divide en primario o secundario (figura 2).

          La difusión simple es el proceso por el cual un gas o un soluto disuelto se expande como consecuencia del movimiento aleatorio (energía cinética) de sus moléculas hasta llenar todo el espacio disponible, por lo cual no requiere atravesar una membrana.

          La difusión facilitada ocurre cuando un soluto difunde a través de una membrana semipermeable gracias a proteínas transportadoras a favor de su gradiente de concentración, de lo contrario, sólo será posible su traslado por medio de transporte activo.

          Por otro lado, el movimiento neto de agua a través de la membrana semipermeable se conoce como ósmosis. Este movimiento requiere un gradiente de concentración de solutos, de tal manera, que el paso de agua irá del lugar donde hay menos solutos a donde hay más.

          Figura 2. Diagrama que esquematiza los diferentes tipos de transporte. El transporte de partículas se puede clasificar en pasivo si no requiere energía metabólica y activo si utilizará energía. Dentro del transporte pasivo podemos describir a la difusión simple y facilitada. El transporte activo se puede clasificar como primario o secundario.

          El movimiento de agua a través de la membrana plasmática determina el volumen celular. La regulación de dicho volumen es muy importante, ya que las células animales no pueden soportar la entrada de grandes cantidades de agua, debido a que entran en un estado de turgencia (es decir, se hinchan), e inclusive, pueden llegar a lisarse (explotar). Si una célula es colocada en un medio con una concentración de solutos mayores (hipertónico) que aquellos que hay en el espacio intracelular y la membrana es poco permeable a dicho soluto, el agua intracelular saldrá de la célula. En cambio, si es colocada en una solución con menor concentración de solutos (hipotónico) en comparación con los que están presentes en el interior celular, el agua de la solución entrará en la célula (figura 3). El movimiento del agua en estas condiciones se denomina ósmosis, la presión necesaria para evitar dicho movimiento se denomina presión osmótica (ecuación de Van´t Hoff, encontrada en el glosario).

           Figura 3. Ejemplo de ósmosis en los eritrocitos en diferentes medios con distinta tonicidad. La tonicidad es la osmolaridad de una solución comparada con la osmolaridad del plasma.

          Los solutos que promueven el movimiento de agua de un lado al otro de la célula son denominados osmóticamente activos. Es importante aclarar que la cantidad de partículas osmóticamente activas no siempre es igual a la concentración de dicho soluto. Por ejemplo, la sal común (cuya fórmula química es NaCl) tiene por cada molécula de sal dos partículas osmóticamente activas, los iones sodio y cloruro. La cantidad de partículas osmóticamente activas por litro de agua se denomina osmolaridad. Recordemos que el agua es una molécula anfipática, lo que quiere decir que tiene una carga negativa (O–) y positiva (H+) por lo que puede ser atraída por cargas tanto positivas como negativas.

          Los iones que se mueven a través de la membrana celular además poseen carga eléctrica, el Na+ por ejemplo tiene carga positiva, mientras que el Cl– está cargado negativamente. Los iones presentes al interior y exterior celular se encuentran por lo tanto en diferente concentración química y con diferentes cargas eléctricas. La diferencia de concentración química en ambos lados de la membrana promueve el movimiento de los iones, generando así cambios rápidos en las cargas acumuladas a ambos lados de la membrana (polarización de la membrana), dichos cambios provocan una diferencia de voltaje que se conoce como potencial de membrana. Así, el movimiento de los iones provoca un potencial de membrana generado por difusión.

          1. Actividades en la sesión

          Se recomienda dividir al grupo en equipos para que cada equipo realice un experimento, o en su caso seleccionar alguno de los experimentos para trabajar de forma grupal y favorecer el desarrollo del resultado de aprendizaje.

          Experimento 1. Factores que influyen en la difusión de una molécula en solución: Temperatura

          Material: 2 vasos de plástico transparente, agua destilada a temperatura ambiente, agua destilada caliente y colorante líquido.

          En un vaso de precipitados coloca la mitad de su volumen en agua a temperatura ambiente, en otro vaso coloca la misma cantidad de agua a temperatura elevada (se recomienda calentar hasta punto de ebullición y dejar reposar 10 min antes de usarse). Adiciona a cada vaso una gota de colorante y registre el tiempo en que ocurre la difusión del colorante.

          ¿En cuál experimento difundirá más rápido el colorante?, ¿por qué?

          ¿Es posible saber la velocidad de difusión del colorante?, ¿cómo la obtendrías?

          Experimento 2. Ósmosis en una membrana biológica

          Material: 1 huevo (se proporcionan dos por si la membrana se rompe),1 popote transparente, 1 barra de silicón, 1 pistola para silicón, colorante líquido, vaso de precipitados donde quepa el huevo, agua destilada y tijeras.

          1. Tome un huevo y retire cuidadosamente un poco del cascarón sin romper la membrana que separa el cascarón de la clara, de preferencia hacer esto en el extremo más ancho, ya que es más fácil romper el cascarón sin romper la membrana (figura 4A).
          2. Posteriormente, perfora el vértice opuesto de manera que sea posible introducir un popote al interior del huevo, el popote en el huevo debe estar en contacto con la clara, sin romper la yema. Sella herméticamente el espacio entre el popote y el huevo con ayuda de la pistola de silicón y vierte un poco de agua con colorante en el popote hasta ver con claridad un nivel de agua en el popote (figura 4B).
          3. Finalmente, coloca el huevo con la membrana expuesta hacia abajo dentro del vaso previamente llenado con agua destilada a temperatura ambiente. Es importante que la membrana esté sumergida en el agua (Figura 4C).

            • Figura 4. Ósmosis en una membrana biológica

              4. Marca el nivel de agua al inicio y cada 10 minutos por una hora, registre sus datos y construya una gráfica (mm/minutos).

              ¿Qué ocurrió en este experimento? ¿Cómo se puede explicar este fenómeno?

              Experimento 3. Ósmosis en una membrana sintética

              Material: 10 gr de azúcar, 35 ml de agua destilada, 2 bolsas de celofán, plumones, ligas, 2 recipientes de 500 ml, 1 litro de agua de la llave y 1 jeringa de 20 ml.

              1. Vierte los 10 gramos de azúcar en 20 ml de agua destilada. Con ayuda de la jeringa, separa 5 ml de la solución que acabas de preparar y agrega 10 ml de agua destilada. Ahora tenemos 15 ml de solución saturada y 15 ml de una solución diluida.
              2. Toma dos bolsitas de celofán y etiquétalas con la leyenda “saturada” y “no saturada”, a cada una viérteles la solución de 15 ml según corresponda y amárralas con un hilo o liga para evitar derrames.
              3. Coloque las bolsitas en un recipiente con al menos 500 ml de agua de la llave y deja las bolsitas en el recipiente con agua al menos durante 2 h.
              4. Posteriormente, retira las bolsitas del agua y con la jeringa mide el volumen final de cada bolsita.

              ¿Hay alguna diferencia entre los volúmenes inicial y final de cada experimento?

              ¿En cuál de los experimentos encontraste mayor diferencia de volumen?, ¿por qué?

              Experimento 4. Difusión en 2D

              Material: 1 cucharada de café soluble, agua, jeringa de 20 ml, caja de Petri con grenetina, caja de Petri con agua, celular para fotografías, regla para medir el radio, Excel para realizar la gráfica.

              1. Prepara una solución con 1 cucharada de café soluble en 2.5 ml de agua.
              2. Coloca sobre la mesa una caja Petri con grenetina y una con agua a temperatura ambiente y espera a que el agua se estabilice.
              3. Agrega una gota de la solución concentrada de café en el centro de tu recipiente (debes agregarla con mucho cuidado para evitar mover el medio lo menos posible).
              4. Toma fotografías al inicio del experimento y después de cada 15 minutos, debe ser a la misma distancia y en el mismo ángulo, debes tomar al menos 5 fotografías (figura 5).
              5. Mide el radio del colorante en cada fotografía y realiza una gráfica, en el eje “x” coloca el valor del radio al cuadrado y en el eje “y” el tiempo. Determina la ecuación de la recta de tu gráfica y el valor de la pendiente divido entre 4 corresponderá al coeficiente de difusión del café (figura 6).

              Figura 5. Ejemplo del experimento 4. Realiza distintas fotografías del café difundiendo en las cajas de Petri y mide el radio del colorante.

              Figura 6. Gráfica resultante de la difusión del colorante. En el eje X podemos apreciar el tiempo en minutos, y en el eje Y el radio de la difusión del colorante, y se generó una pendiente que permite calcular el coeficiente de difusión del colorante.

               

              Ahora que ya tienes tu grupo control, diseña dos experimentos modificando alguna variable (temperatura del agua, concentración del café, salinidad del medio, viscosidad del medio, etc.).

              Experimento 5. Actividad en línea

              Revisa el contenido del siguiente enlace sobre movimiento browniano: http://prometeo.matem.unam.mx/recursos/Licenciatura/Un100/recursos/_Un_067_MovimientoBrowniano/index.html

               

              1. Referencias
              1. Sharyn A. Endow, Adam P. Russell, Basics: Biophysics-A-step-by-step Introduction to concepts for students. Lesson plan: Diffusion. 2015.
              2. Ganong, Fisiología Médica. Barret, K. E., Barman, S. M., Boitano, S., & Brooks, H. L., 25ª edición. McGraw Hill – Lange, México, 2016.
              3. Hall, John E., Guyton & Hall Tratado de Fisiología Médica, 12ª edición, Elsevier – Saunders, Barcelona, 2011

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            Fisiología como ciencia experimental (método científico y clínico) y homeostasis.

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            Sep 9, 2021 | Unidad temática I

            Objetivos de aprendizaje

            Explicar las etapas del método científico a través de la aplicación de un evento de control homeostático.

            Resultado de aprendizaje

            Estructura las etapas del método científico a través del diseño de un ejemplo de control homeostático de la temperatura.

            Glosario de términos

            Fisiopatología: Disciplina científica que se ocupa de las modificaciones ocurridas en el funcionamiento del organismo cuando sobre él actúan una o más causas de enfermedad.

            Variable dependiente: Es un factor que se está midiendo en una investigación, la cual será afectada por otro factor conocido como variable independiente. En una relación entre variables es el efecto o el resultado.

            Variable independiente: En un contexto experimental es la variable manipulada para conocer los efectos que producirá sobre la variable dependiente. En una relación ente variables es la causa o antecedente.

            Datos cuantitativos: Variables cuyas categorías implican jerarquía, cantidad o magnitud. Son valuadas utilizando valores alineados de menor a mayor (ordinales) o una unidad de medida (intervalos o razón)

            Datos cualitativos: Variable cuyas categorías reflejan atributos o características distintas, pero no cantidad o magnitud. Ninguna categoría se asume que es mayor o menor que cualquiera de las otras categorías. Son variables nominales.

            Hipótesis: Explicaciones tentativas del fenómeno investigado que se enuncian como proposiciones o afirmaciones.

            Hipótesis de investigación: Proposiciones tentativas sobre las posibles relaciones entre dos o más variables.

            Hipótesis nulas: Contradicen a las hipótesis de investigación. Normalmente son proposiciones que niegan o refutan la relación entre variables.

             

            1. Introducción

            El estudio científico de la naturaleza nace de la necesidad del hombre de conocer el por qué de los fenómenos que lo rodean. Las ciencias naturales abren las puertas a poder conocer el funcionamiento de los seres vivos, y especialmente una de sus ramas, la fisiología humana, se centra en el estudio del cuerpo humano. Si bien se pueden aprender datos sobre el funcionamiento del cuerpo humano a través de la lectura de textos, la mejor forma de comprender la fisiología es a través del método experimental. El laboratorio es el lugar ideal para lograr este acercamiento, siendo el lugar donde los científicos pueden probar sus hipótesis a través del método científico. En la práctica clínica, también nos enfrentamos diariamente a interrogantes sobre la naturaleza de diferentes fenómenos fisiológicos y fisiopatológicos, y la resolución de estas interrogantes se denomina “método clínico” y constituye una rica fuente de nuevos conocimientos en medicina.

            En Informática Biomédica se abordaron los temas de médico científico y método clínico, ahora utilizaremos estos conceptos y los pasos de cada uno aplicados al modelo general de homeostasis.

            Pero primero, nos gustaría exponer ¿cuál es la importancia del Laboratorio de Fisiología?

            1. El método científico
              1. 1 El método científico                       
                      ¿Puedes recordar los pasos del método científico que viste en IB?

            Este método asume como principal propósito la obtención de nuevos conocimientos a partir de la aplicación de las leyes de la realidad objetiva. Para su aplicación se requiere de un abordaje lógico, práctico y confiable con el propósito de abordar diversos problemas, cuestionamientos y generar nuevo conocimiento.

            El método científico se estructura en etapas sucesivas con la finalidad de obtener un conocimiento válido mediante la utilización de procedimientos, instrumentos y técnicas que resulten fiables y permitan minimizar la influencia de la subjetividad del investigador.

            Se compone de los siguientes pasos:

            i. Observación y pregunta de investigación: Identificación de un fenómeno de interés.

            ii. Planteamiento de la hipótesis: Es una conclusión no probada que intenta explicar un fenómeno. Debe ser: a) verificable, b) específica, c) medible y susceptibles de ser descritas y, d) simples y claras.

            Hipótesis nula: Proposición en la cual se establece la ausencia de relación entre las variables.

            Hipótesis alterna: Proposiciones tentativas sobre la amplia gama de posibilidades o respuestas a la pregunta de investigación.

            iii. Recolección de datos: Estos datos son obtenidos mediante del uso de nuestros sentidos o por medio de distintos instrumentos como cámaras, microscopios, amplificadores, entre otros.

            iv. Análisis de los datos: Dependerá del tipo de datos colectados (cuantitativos o cualitativos).

            v. Conclusiones: En esta sección se ponen en contexto los resultados obtenidos, discutiendo con la literatura relacionada y se resaltan los hallazgos del experimento. También se pueden discutir nuevas ideas para investigaciones futuras (perspectivas).

             

            2. 2 El método clínico

            Hoy en día se concibe al método clínico como “el método científico aplicado al trabajo con los pacientes, con peculiaridades que permiten el estudio de los enfermos”. En este sentido, cabe resaltar que un método no es derivado del otro, y por el contrario a lo largo de la historia el método clínico se ha visto muy enriquecido por el método científico, principalmente a partir del s. XIX con los aportes de Claude Bernard, quien aplicó la experimentación y la investigación científica en la medicina clínica.

            Podemos delimitar al método clínico como el proceso sistemático que implica un análisis lógico y ontológico, con el objetivo de la atención del individuo, por lo que requiere del conocimiento del proceso salud-enfermedad, y que por lo tanto, no solo involucra el conocimiento clínico, sino también el epidemiológico y el social. De forma teórica se han descrito cuatro estrategias en el método clínico:

            • Estrategia de reconocimiento patrón: Descripción aprendida previamente (o patrón) de la enfermedad.
            • Estrategia de arborización: Vías potenciales preestablecidas mediante un método en que la respuesta a cada interrogante diagnóstica determina de manera automática la siguiente pregunta y finalmente lleva al diagnóstico correcto.
            • Estrategia exhaustiva: Investigación concienzuda e invariable de todos los hechos médicos respecto del paciente, seguida de la selección de los datos útiles para el diagnóstico.
            • Estrategia hipotético-deductiva: Es la formulación, a partir de los primeros datos acerca del paciente, de una lista breve de diagnósticos o acciones potenciales, seguido de la realización de aquellas conductas clínicas (historia y examen físico) y paraclínicas (estudios de gabinete o laboratorio) que reducirán mejor la longitud de la lista.

            La delimitación de un problema médico, la posterior formulación de una pregunta clara y precisa que pueda ser respondida por varias hipótesis y después, una vez formulado el camino para contrastar estas hipótesis con la realidad, ayudarse de todas las herramientas que tiene el clínico a la mano para aceptar o rechazar sus hipótesis, será el método que caracterizará a un médico con mente científica y es por eso que para cualquier estudiante de medicina, y profesional de la salud, es de suma importancia conocer y dominar el método científico.

            Tabla 1. ¿Puedes resumir las diferencias entre el método científico y el clínico? Llena el siguiente recuadro:

            Método científico Método clínico

             

             

             

             

             

            Ahora que se ha descrito al método científico y clínico y hemos abordado la razón por la cual la fisiología debe ser abordada desde la experimentación, abordaremos el concepto de homeostasis, fundamental para entender holísticamente a la fisiología y cómo a través del método científico podemos integrar la información para formular preguntas e hipótesis pertinentes a esta materia.

            3. Homeostasis

            En 1870, Claude Bernard describió los principios básicos de la regulación fisiológica, evidenciando la necesidad del cuerpo de mantener un ambiente interno estable, lo que denominó como una «sorprendente constancia» del medio interno del organismo. Afirmó que los organismos complejos pueden mantener su medio interno (líquido extracelular) constante ante los desafíos del mundo externo. Sin embargo, en 1927, Walter Cannon fue el primero en acuñar el término «homeostasis» con la intención de transmitir la idea general propuesta por Bernard, y la definió como «una condición que puede variar, pero permanecer constante». Cannon se enfocó en ampliar la noción de «constancia» de Bernard del “medio interno” de una manera explícita. En 1950, el matemático N. Wiener propuso el esquema de un mecanismo de control con retroalimentación en máquinas que posteriormente se utilizaría como el modelo de homeostasis (Figura 1), cuyo objetivo es mantener el nivel de las variables fisiológicas dentro de un rango compatible con la vida (por ejemplo los niveles en la sangre de la glucosa, oxígeno, hormonas, etc.), este modelo sigue vigente hasta el día de hoy.

            Figura 1. Diagrama de un sistema de regulación homeostático (en este caso de retroalimentación negativa). Si el valor de la variable regulada (X) cambia por un estímulo que perturbe el medio interno, este sistema intentará regresarlo a un punto fijo (Y), por lo tanto, también se conoce a este sistema como un sistema de retroalimentación negativa. En este ejemplo la variable regulada disminuyó (signo menos), el sensor mide esta perturbación, el detector de errores compara dicha medición (X) con el valor que debe tener (Y) y como salida da una señal de error. El controlador manda una señal de control al efector que se encarga de producir un aumento (signo de +) en la variable regulada para acercarla al punto Y.

             

            Homeostasis es un concepto básico y necesario para comprender los mecanismos reguladores de la fisiología, en este sentido la definiremos como mantener un estado estable dentro de un organismo, independientemente de si los mecanismos involucrados son pasivos (por ejemplo, el movimiento del agua entre los capilares y el intersticio, reflejando un “equilibrio” entre las fuerzas hidrostáticas y osmóticas) o activos (por ejemplo, el almacenamiento y la liberación de glucosa intracelular). Este “equilibrio” está garantizado gracias a los procesos fisiológicos que actúan de manera coordinada en el cuerpo y que impiden que los cambios en el entorno interfieran en su funcionamiento. Factores como el pH, la temperatura, la osmolalidad del plasma, la glucosa y el calcio son críticos para el funcionamiento normal de la mayoría de los organismos y, por lo tanto, se controlan dentro de límites estrechos (rango homeostático).

            Para explicar la homeostasis utilizaremos el modelo clásico de sistema de control lineal propuesto por Weiner con la finalidad de comprender el concepto, analizarlo y aplicarlo para el estudio de los procesos fisiológicos.

            Un sistema homeostático funciona de manera que provoca que cualquier cambio en la variable regulada sea contrarrestado por un cambio en la salida del efector para restaurar la variable hacia su valor de punto de ajuste. Los sistemas que se comportan de esta manera se dice que son de retroalimentación negativa.

            La homeostasis es producto de una resistencia natural al cambio de las condiciones óptimas, y el equilibrio es mantenido por muchos mecanismos reguladores. Todos los mecanismos de control homeostático tienen al menos tres componentes interdependientes para la variable que se regula: un receptor, un centro de control y un efector. El receptor es el componente sensorial que controla y responde a los cambios en el entorno, ya sea externo o interno (por ejemplo, termorreceptores y mecanorreceptores). El centro de control establece el rango de mantenimiento (límites superior e inferior) para la variable en particular y responde a la señal enviando señales a un efector o más (como los músculos, un órgano o una glándula). Cuando la señal se recibe y se activa, se proporciona una retroalimentación negativa al receptor. Un efector es el objetivo sobre el que se actúa, para que el cambio vuelva al estado normal.

            Para enfatizar el proceso de estabilización, podemos distinguir dos tipos de variables una variable regulada (dependiente) y una variable no regulada (independiente). Una variable regulada (dependiente) es aquella para la cual existe un sensor específico dentro del sistema y que se mantiene dentro de un rango limitado por mecanismos fisiológicos. Por ejemplo, la presión arterial y la temperatura corporal son variables reguladas, porque los barorreceptores y los termorreceptores (estos receptores son los sensores) existen dentro del sistema y proporcionan el valor de la presión y la temperatura, respectivamente al mecanismo regulador. Las variables no reguladas (independientes) son las que pueden ser cambiadas por el sistema, pero para las cuales no existen sensores dentro de él. Las variables no reguladas se modulan para lograr una regulación constante de la variable. Por ejemplo, el sistema nervioso autónomo puede cambiar la frecuencia cardíaca para regular la presión arterial, pero no hay sensores en el sistema que midan la frecuencia cardíaca directamente. Por lo tanto, la frecuencia cardíaca es una variable no regulada.

             

            4. Actividades en la sesión

             

            Actividad 1. Para comprender el concepto de homeostasis, haremos un experimento utilizando como variables a la frecuencia cardiaca. La frecuencia cardiaca está modulada principalmente por las acciones del sistema nervioso autónomo (simpático la aumenta, parasimpático la disminuye), y está controlada por asas de retroalimentación negativa a través de sensores indirectos (los cuales que monitorizan otros parámetros, por ejemplo, la concentración de gases en sangre, o la presión arterial).

             

            Antes de comenzar la actividad responde:

            1. ¿Qué es la frecuencia cardiaca promedio?
            2. ¿Cómo puedes determinar tu frecuencia cardiaca?
            3. ¿Es la misma frecuencia cardiaca promedio en todas las personas?
            4. ¿Que variables crees que influyan en las diferencias en la frecuencia cardiaca entre las personas?

             

            Desarrollo de la actividad:

            En este ejercicio en primer lugar observaremos dichas fluctuaciones de la frecuencia cardiaca (FC).

            1) Trabajando en parejas, calcula la frecuencia cardiaca y regístralas cada 30 segundos, durante 5 min (utiliza la tabla de Excel anexa).

            Figura 2.  Palpación del pulso arterial (Seidel, et al., 2011).

            Técnica para tomar la frecuencia cardiaca a partir del pulso radial: La persona exploradora (persona A) se coloca frente a la persona estudiada (persona B) y palpa la arteria radial. El segundo, tercer y cuarto dedos de la mano deben colocarse sobre la arteria radial (como se muestra en la figura 2). Nunca se debe palpar el pulso radial con el pulgar de la persona exploradora (persona A), porque su pulso puede ser más intenso que el pulso radial de la persona estudiada (persona B), y al hacerlo se registrará la frecuencia cardíaca del propio explorador (persona A). Se debe contar el pulso durante 30 s y multiplicar el número de latidos por 2 para obtener los latidos por minuto.

            2) Comparen sus resultados y respondan las siguientes preguntas:

            a) ¿Cuál es la FC y la temperatura promedio?

            b) ¿Cuál es el rango (el intervalo entre el valor máximo y el valor mínimo) de valores en las mediciones?

            c) Con los datos del grupo construye un histograma considerando los siguientes rangos de FC (50-59, 60-69, 70-79, 80-89, 90-99, >100). Utiliza la tabla de Excel anexa.

            d) ¿Cuál es el valor promedio de la frecuencia cardiaca y la temperatura del grupo?

            3) Ahora que tienes datos, elabora otro experimento en donde la frecuencia cardiaca sea  la variable dependientes y exista una perturbación externa de esta. (Por ejemplo: Un estudiante baja y después sube 4 pisos).

            4) Elabora una pregunta de investigación considerando a la frecuencia cardiaca como variable dependiente.  (Ejemplo: ¿Cuál será el cambio en la frecuencia cardiaca y la temperatura después de bajar y subir 4 pisos).

            5) Elabora hipótesis que intente explicar tu nueva pregunta de investigación (hipótesis alterna) y construye con tu docente una hipótesis que vaya en contra de la primera (hipótesis nula).

            6) Compara con tus resultados con lo propuesto en tus hipótesis.

            7) Discutan en grupo sus hipótesis y resultados.

             

            Actividad 2. Viñeta clínica. Lee el texto que aparece a continuación y desarrolla las preguntas asociadas.

            Paciente femenino de 28 años, sin antecedentes personales patológicos. Se presenta en la consulta debido a que, durante la ola de calor, cuando intenta hacer algún tipo de actividad física presenta mareo y debilidad, el cual, disminuye cuando regresa al estado de reposo.

            1. ¿Qué diagnóstico puedes integrar con la información presentada? ¿Por qué?
            2. ¿Estás usando el método científico o clínico? ¿Por qué? (Puedes guiarte en la figura 3).

             

            Actividad 3. En el siguiente diagrama, coloca un ejemplo de acuerdo con el modelo de homeostasis (sigue el ejemplo).

             

            RECUERDA

            Homeostasis es uno de los conceptos fundamentales en Fisiología, cuando avancemos en cada clase pregúntate ¿cómo se mantiene la homeostasis?

             

            1. Referencias:

            Campos M, Lima D, Fernández F, Alayola A. (2020). El razonamiento clínico en la era de la medicina digital. Informática biomédica II. 1ra edición. México: Editorial Panamericana.

            Cannon WB. (1929). Organization for physiological homeostasis. Physiological Reviews, 9(3): p. 399-431.

            Sampieri-Cabrera R., Bravo S., Inclán-Rubio V. (2019). Teacher Guide: Homeostasis. https://doi.org/10.5281/zenodo.2667857

            Argimon-Pallas J.P., Jimenez-Villa, J. (2019). El proceso de la investigación clínica y epidemiológica. En J.P. Argimon-Pallas (Ed.) Métodos de investigación clínica y epidemiológica, (5ª Edición, Cap. 1, pp. 3-7) Elsevier

            Seidel, H. M., Ball, J. W., & Dains, J. E. (2011). Vasos sanguíneos. En Seidel, H. M. (Ed.) Manual Mosby de exploración física + evolve (7ma Edición, Cap. 15, pp. 424-455). Elsevier.

            Real Academia Nacional de Medicina (s.f.): Fisiopatología. Recuperado el 7 de agosto de 2023 de https://dtme.ranm.es/

            Torres, R.H.S.C.P. M. (2023). Metodología de la investigación (2nd ed.). McGraw-Hill Interamericana. https://bookshelf-ref.vitalsource.com/books/9786071520326

            Figura 3. Pasos del método científico y del clínico.

             

            Descarga el anexo: Exel para registrar fecuencia cardiaca. 

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