Simulación Potencial De Membrana

Facultad de Salud, Deporte y Recreación Departamento de Ciencias Químico-Biológicas

SIMULACIONES SOBRE POTENCIAL DE MEMBRANA, POTENCIAL DE ACCIÓN Y SINAPSIS QUÍMICA MARCO TEÓRICO Los conceptos de potencial de membrana, potencial de acción, impulso nervioso y sinapsis química son fundamentales en fisiología, por ejemplo, en fisiología neuromuscular; sin embargo, su manejo es deficitario por parte de los estudiantes del área de salud1,2. En vista de lo anterior, esta actividad práctica tiene por objetivo utilizar simulaciones y otros recursos educativos proporcionados por las tecnologías de la información y comunicación, facilitando con esto el aprendizaje de dichos tópicos entre estudiantes de las carreras del área salud. En relación al potencial de membrana, en internet existe un sitio conocido como PhysiologyWeb (http://www.physiologyweb.com/), que fue creado por un grupo de fisiólogos con el objetivo de entregar contenidos de fisiología de manera precisa, actualizada y gratuita. El equipo que creó PhysiologyWeb está compuesto por varios científicos apasionados por la ciencia de la fisiología y que, además, son practicantes activos de esta disciplina mediante su enseñanza a nivel de pregrado y postgrado, así como en el desarrollo de diversos proyectos de investigación. En PhysiologyWeb encontrarás diversos recursos educativos, entre ellos, una simulación muy útil sobre la ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz (GHK) que permite calcular rápidamente el potencial de membrana y que utilizaremos en este trabajo práctico1. También se aprenderá a usar el programa PotAc, software gratuito desarrollado por el Dr. Guillermo Álvarez de Toledo, académico del Departamento de Fisiología Médica y Biofísica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Sevilla, España. Este software permite simular experimentos sobre el potencial de acción en el axón gigante de calamar1. Finalmente se desarrollará una actividad más desafiante, enfocada en comprender los principales eventos de la sinapsis utilizando un recurso educativo en lengua inglesa. Para esto utilizarás la versión on-line del conocido libro Biology3.

MATERIALES: - Computador y Parlantes - Conexión a internet - Software PotAc - Calculadora científica

FISIOLOGÍA 12

Facultad de Salud, Deporte y Recreación Departamento de Ciencias Químico-Biológicas

ACTIVIDAD I: Simulación sobre el cálculo del potencial de membrana Metodología 1. Accede a la dirección http://www.physiologyweb.com/ 2. Pincha en el término Calculators 3. Aquí encontrarás varias opciones de cálculo. Debes seleccionar la que dice GoldmanHodgkin-Katz Equation Calculator. 4. Luego de efectuado esto, encontrarás una descripción detallada de la ecuación GHK y finalmente el siguiente simulador (Figura 1):

Figura 1. Pantalla del simulador de cálculo del potencial de membrana mediante la ecuación de GHK. Disponible en: http://www.physiologyweb.com/ (consultado el 06-i-2014)

5. El profesor anotará en la pizarra las concentraciones iónicas típicas del ser humano. Con ellas determina el potencial de membrana (Vm) mediante el simulador. ¿El valor de Vm obtenido con el simulador concuerda con el calculado mediante la ecuación de GHK? 6. Investiga en libros e internet las concentraciones iónicas para diversos tipos celulares y calcula su Vm.

FISIOLOGÍA 13

Facultad de Salud, Deporte y Recreación Departamento de Ciencias Químico-Biológicas

ACTIVIDAD II: Simulación sobre el potencial de acción Procedimientos y actividades 1. Descarga el programa PotAc desde el siguiente sitio web, para luego instalarlo en tu computador: http://www.guillermoalvarezdetoledo.com/index.php/es/estudiantes/descarga/Physiolog y/Programa-POTAC-en-Excel-y-Gu%C3%ADa-de-experimentos.rar/ 2. Al instalar e iniciar PotAc, encontrarás la siguiente pantalla (Figura 2):

Figura 2. Pantalla de inicio del programa PotAc de simulación del potencial de acción. Programa descargado desde http://www.guillermoalvarezdetoledo.com/ (consultado el 06-i-2014)

3. Comienza y selecciona la opción Realización de experimentos sobre el potencial de acción. 4. Estimula con el botón de rayo rojo; observarás lo siguiente (Figura 3):

Figura 3. Perfil de potencial de acción obtenido al aplicar un estímulo. Imagen obtenida al utilizar el programa PotAc.

FISIOLOGÍA 14

Facultad de Salud, Deporte y Recreación Departamento de Ciencias Químico-Biológicas

5. Guarda la imagen del perfil de potencial de acción e identifica sus fases, asociando a cada una de ellas los canales para iones involucrados. Puedes realizar esto copiando la imagen del perfil del potencial de acción en una presentación PowerPoint e insertando textos con flechas sobre la imagen para explicar cada una de las fases. 6. Ahora ve a la opción que muestra la composición iónica de la disolución (imagen similar a un grifo de agua). Analiza esas concentraciones. ¿Cómo explicas que las concentraciones iónicas del medio interno del calamar sean tan distintas a la de los humanos? 7. Disminuye la concentración de Na+ extracelular hasta 44 mM, aplica un estímulo en el axón de calamar y observa el perfil obtenido. ¿Qué sucede en el perfil de potencial de acción al estimular y cómo lo explicas celular y biofísicamente? 8. Aumenta la concentración de K+ extracelular hasta 100 mM. ¿Qué observas en el perfil del potencial de acción al estimular y cómo lo explicas celular y biofísicamente? 9. Utilizando las concentraciones iónicas de Na+, K+ y Cl- para el ser humano (que anotó anteriormente el profesor en la pizarra), escríbelas en las casillas de PotAc y observa qué registro de potencial de acción se obtiene, guardándolo. 10. Ve a la opción que analiza la Farmacología (imagen similar a unos tubos reaccionando): - Agrega 10 nM de tetrodotoxina (TTX) y registra el perfil que obtienes; ¿cómo lo explicarías? - Agrega 15 mM de tetraetilamonio (TEA), registra el perfil de potencial de acción que obtienes; ¿cómo lo explicarías? 10. Responde las siguientes preguntas realizando una investigación bibliográfica detallada en libros e internet. a)

¿Qué es el período refractario absoluto y qué es el período refractario relativo?

b)

¿Qué es la pronasa, la TTX, la lidocaína y el TEA y para qué se utilizan?

c)

Busca 10 ejemplos de sustancias que pueden bloquear los canales para los iones

Na+, K+ y Cl-. Menciona aquí sustancias naturales como venenos, toxinas y sustancias farmacológicas de utilidad en investigación biomédica. FISIOLOGÍA 15

Facultad de Salud, Deporte y Recreación Departamento de Ciencias Químico-Biológicas

ACTIVIDAD III: Simulación sobre sinapsis química Procedimiento y actividades 1. Accede al sitio web del libro ingresando a: http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/ 2. En la pestaña Choose a Chapter, selecciona el capítulo 45 (Chapter 45). 3. En la pestaña More resources selecciona la opción Animations. 4. Ahora selecciona la opción Chemical Synapse. Observarás que en la pantalla inicia el siguiente video (Figura 4):

Figura 4. Pantalla de inicio del video sobre sinapsis química. 3

Disponible como material complementario del texto Biology . Disponible en: http://highered.mcgrawhill.com/sites/0072437316/student_view0/chapter45/animations.html#

5. Pon mucha atención en la animación y trata de entender cada uno de los eventos que comprende la sinapsis química, apoyándote también de los textos que van apareciendo a medida que la animación avanza. 6. A partir de lo que has comprendido, anota en tu cuaderno los conceptos más importantes y haz una secuencia detallada con los eventos que caracterizan a la sinapsis

FISIOLOGÍA 16

Facultad de Salud, Deporte y Recreación Departamento de Ciencias Químico-Biológicas

química. Profundiza en libros e internet acerca de los conceptos que no entendiste bien o que llamaron tu atención. 7. Existe otro tipo de sinapsis, la cual se conoce como sinapsis eléctrica. Realiza una investigación bibliográfica avanzada y sintetiza lo encontrado en un resumen de una página. 8. ¡Explora otras simulaciones sobre sistema nervioso disponibles para este texto!

REFLEXIONES Y CONCLUSIONES DE LA ACTIVIDAD En el siguiente espacio debes reflexionar sobre lo más importante de esta actividad y escribir tus principales conclusiones.

FISIOLOGÍA 17

Facultad de Salud, Deporte y Recreación Departamento de Ciencias Químico-Biológicas

REFERENCIAS 1

Cortés, M.E. (2013). Módulo de autoaprendizaje del potencial de acción para estudiantes

de ciencias biomédicas y profesores de química y biología. Tesis para optar al título profesional de Profesor de Estado en Química y Biología y al grado académico de Licenciado en Educación en Química y Biología. Santiago: Universidad de Santiago de Chile. 2

Cortés, M.E. (2013). El uso de un módulo de autoaprendizaje sobre potencial de acción

mejora la compresión de este entre estudiantes de Kinesiología y otras carreras de la salud. Revista de Kinesiología, en prensa. 3

Raven, P.H., G.B. Johnson, J. Losos y S. Singer (2005). Biology. 7th ed. USA. McGraw-Hill

Higher Education.

FISIOLOGÍA 18