Canales Iónicos, Transporte de Membrana y Bioseñales Eléctricas

Membrana plasmática

• Bicapa lipídica:
  • Constituida sobre todo por fosfolípidos.
  • Disposición antiparalela: cabezas hidrofílicas afuera, colas hidrofóbicas adentro.
  • Resultado: barrera semipermeable.
• Fluidez:
  • Lípidos y proteínas se difunden lateralmente.
  • Depende de temperatura, colesterol y tipo de ácidos grasos.
• Permeabilidad selectiva:
  • Paso libre: moléculas pequeñas y no polares (ej.: $O<em>2,\,CO</em>2$).
  • Restringido: iones y moléculas polares grandes; necesitan transportadores o canales.
• Proteínas:
  • Integrales (atraviesan la membrana).
  • Periféricas (ancladas a una sola cara).
  • Funciones: transporte, señalización, anclaje, reconocimiento celular.
• Colesterol (en células animales):
  • “Amortiguador” de fluidez: impide solidificación a baja Tª y exceso de fluidez a alta Tª.
• Carbohidratos superficiales (glicocálix):
  • Unen a proteínas (glucoproteínas) o lípidos (glucolípidos).
  • Involucrados en reconocimiento y protección celular.
• Hidrofobicidad vs iones:
  • Las moléculas muy hidrofílicas (sobre todo iones) son inmiscibles en la bicapa y requieren canales iónicos o proteínas transportadoras.

Transporte a través de la MP

• Esquema general
  • Transporte pasivo: depende exclusivamente del $\Delta$ gradiente electroquímico.
  • Transporte activo: requiere energía (ATP o gradiente acoplado).

Transporte pasivo

• Difusión simple:
  • Sin proteínas intermediarias.
  • Sustancias: $O<em>2,\,N</em>2,\,CO_2$, hormonas esteroideas.
  • Velocidad proporcional al gradiente y permeabilidad; no se satura.
• Difusión facilitada:
  • Usa proteínas canal o transportadores (carriers).
  • Sustancias polares grandes y iones (glucosa, $Na^+,\,K^+,\,Cl^-$, aminoácidos, nucleótidos).
  • Exhibe saturación (velocidad $V_{max}$).
  • Más rápida que la simple para el mismo gradiente.
  • Ej.: GLUT1 (uniporte de glucosa), canales de $K^+$.

Transporte activo

• Definición: movimiento en contra del gradiente electroquímico.
• Requiere energía:
  • Primario: hidrólisis de ATP (bombas).
  • Secundario: energía de un co-ión en gradiente favorable.
• Bombas iónicas:
  • Mantienen gradientes (potencial de membrana, volumen celular).
  • Consumen ATP.
  • Transporte electrogénico genera diferencia de potencial.
• Bomba $Na^+/K^+$:
  • Gasta 1 ATP → expulsa $3\,Na^+$ al medio extracelular y entra $2\,K^+$ al citosol.
  • Contribuye a potencial de reposo (es ligeramente electrogénica).
• Mecanismos dirigidos por gradiente (transporte activo secundario):
  • Simporte: dos solutos en la misma dirección.
  • Ej.: simporte $Na^+/\text{glucosa}$ intestinal; $Na^+$ a favor, glucosa en contra.
  • Antiporte: solutos en direcciones opuestas.
  • Ej.: intercambiador $Na^+/Ca^{2+}$ cardiaco.
  • Uniporte activo secundario: un soluto a favor de gradiente almacena energía para otro ciclo.

Canales iónicos

• Complejos proteicos heteromultiméricos; al menos una subunidad forma el poro hidrofílico.
• Conducen iones rápidamente a favor de $\Delta \mu_{ion}$ ⇒ corriente iónica.
• Filtro de selectividad:
  • Basado en radio iónico (hidratado) y carga.
  • Interacciones específicas minimizan la energía de deshidratación para el ión adecuado.
  • Canales de $K^+$: $\approx 10^4$ veces más permeables a $K^+$ que a $Na^+$.
  • Canales dependientes de voltaje: muy selectivos; canales activados por ligando: menor selectividad, pueden ser catiónicos o aniónicos.
• Gating (compuertas):
  • Cambios conformacionales < $10\,\mu s$.
  • Estados: reposo (cerrado), activo (abierto), inactivado (no conductor).
  • Estímulos: voltaje, ligando (neurotransmisor), estiramiento mecánico, temperatura, etc.
• Elementos estructurales clave (ver esquema):
  • Sensor de voltaje (dominios con cargas +).
  • Poro + filtro de selectividad.
  • Compuerta intracelular.
  • Proteínas de anclaje y sitios de fosforilación (regulación).

Sinapsis: comunicación entre neuronas

• Definición: Punto de contacto funcional entre neurona presináptica y célula postsináptica (neurona, fibra muscular o célula glandular).
• Tipos:
  • Sinapsis eléctricas
  • Membranas separadas $\approx$ $3\,\text{nm}$.
  • Conexones (hexámeros de conexinas) → gap junctions.
  • Corriente iónica fluye directamente; bidireccional; extremadamente rápida.
  • Sinapsis químicas
  • Vesículas sinápticas en el botón terminal presináptico.
  • Hendidura sináptica; transmisión mediada por neurotransmisores.
  • Requiere exocitosis dependiente de $Ca^{2+}$.

Transporte axonal de vesículas

• Anterógrado (+ → terminal): cinesina, sobre microtúbulos.
• Retrógrado (terminal → soma): dineína citoplasmática.
• Mantiene recambio de componentes sinápticos.

Liberación de neurotransmisores

• Entrada de $Ca^{2+}$ por canales de voltaje.
• Proteínas SNARE:
  • Sinaptobrevina (vesícula) + Syntaxin & SNAP-25 (membrana) → complejo SNARE.
  • NSF desensambla post-fusión (cicla el sistema).
• Synaptotagmin = sensor de $Ca^{2+}$ que dispara la fusión.

Técnicas de registro electrofisiológico

• Registro intracelular
  • Microelectrodo penetra la membrana.
  • Mide directamente $V_m$ (potencial de reposo, PA, PSPs).
  • Alta resolución temporal (< ms) y espacial (una célula).
  • Técnicamente exigente; usado en tejidos/animales.
• Registro extracelular
  • Electrodo fuera de la célula; detecta campos locales.
  • Captura potenciales de acción (spikes) individuales o agrupados y potenciales de campo.
  • Menos invasivo; permite multirregistro; base del EEG y de array de microelectrodos.

Electroencefalograma (EEG)

• Técnica no invasiva, económica; registra actividad cortical global.
• Señal = suma de corrientes sinápticas sincronizadas (principalmente dendritas de neuronas piramidales).
• Origen biofísico de polaridad:
  • Entrada excitatoria apical → dipolo negativo superficial → deflexión negativa.
  • Entrada excitatoria profunda → dipolo invertido → deflexión positiva.
• Electrodos:
  • Generalmente $Ag/AgCl$ con gel conductor.
  • Colocación estandarizada: Sistema 10/20 (y extensiones 10/10, 10/5).
  • Referencias: Nasion, Inion, A1/A2 (auriculares).
  • Identificación por letras: F (frontal), C (central), P (parietal), O (occipital), T (temporal); números impares = hemisferio izquierdo, pares = derecho.
• Trayecto de la señal: Sinapsis activas → campos en la corteza → atraviesa pia, aracnoides, hueso, cuero cabelludo → electrodos → amplificador EEG.

Ritmos cerebrales (bandas de frecuencia)

Ritmo Delta (0.1–4 Hz)

• Alta amplitud; hemisferio derecho dominante.
• Predominio en NREM 3; recuperación y plasticidad.
• Vigilia → indica posible patología (TCE, encefalopatía, tumor, ACV) aunque puede verse en vigilia tranquila de roedores, primates y niños.
• En TEA infantil: delta prominente en regiones centrales y posteriores; asociado a conectividad atípica y maduración cortical retardada.

Ritmo Theta (4–8 Hz)

• Origen talámico; amplitud < $30\,\mu V$.
• Equilibrio interhemisférico.
• Relacionado con meditación, intuición, consolidación de memoria.
• Exceso asimétrico o global → metabolismo cortical reducido; hallado en TDAH (subactivación ejecutiva), aprendizaje, traumatismos.

Ritmo Alpha (8–13 Hz)

• Dominante en $≈85\%$ de adultos relajados ojos cerrados.
• Máxima en regiones parieto-occipitales; puede extenderse a T, F, P → normal.
• Atenuación (= desincronización) al abrir ojos o atención focal.
• Persistencia con ojos abiertos: relajación profunda, meditación, ensoñación, somnolencia leve, uso de ansiolíticos o cannabis.
• Anomalías alfa más lentas ↔ peor control en epilepsia.

Ritmo Beta (14–30 Hz)

• Concentración, análisis y vigilancia.
• Más visible con ojos abiertos.
• Frontal: desincronización proporcional a dificultad cognitiva; posterior sincronización.
• Indicador de metabolismo y flujo sanguíneo cerebral.
• Neurofeedback: aumentar beta (12–18 Hz) o disminuir razón $\Theta/\Beta$ para mejorar atención; reducir exceso de beta para ansiedad, TOC.
• TDAH: subtipos con beta baja (inatención) vs beta alta (hiperactividad/impulsividad); relación $\Theta/\Beta$ elevada es biomarcador.

Implicaciones éticas, clínicas y de investigación

• Comprender mecanismos de canales iónicos → desarrollo de fármacos antiarrítmicos, antiepilépticos, anestésicos que modulan gating o selectividad.
• Técnicas de registro (intracelular, extracelular, EEG) permiten diagnosticar, monitorizar y desarrollar interfaces cerebro-máquina.
• Patrones EEG anómalos (delta focal, theta excesiva, alfa lenta, beta anómala) son biomarcadores de lesiones, TEA, TDAH, epilepsia, deterioro cognitivo.
• Regularidad en colocación de electrodos (10/20) garantiza reproducibilidad y comparabilidad internacional en clínica e investigación.