Potencial de Membrana

Existen potenciales eléctricos en las membranas de todas las células. El compartimento intracelular no es eléctricamente neutro: el interior tiene carga negativa y el exterior carga positiva. Están en desequilibrio eléctrico.

Potencial de Membrana en Reposo

Se produce por el gradiente eléctrico o diferencia de potencial (producido por el movimiento de iones) entre el interior y el exterior celular en reposo.

Medición: Se mide con electrodos de un voltímetro, que mide la diferencia de carga entre el interior, el exterior y la solución que rodea a la célula a lo largo del tiempo. A mayor diferencia de cargas, mayor potencial de membrana. Las células que poseen potencial se conocen como células polarizadas.

Las células nerviosas (potencial de membrana -70mV) y musculares se comunican mediante dos tipos de señales eléctricas:

  • Potenciales graduados: a corta distancia.
  • Potenciales de acción: corta y larga distancia.

Origen del Potencial de Membrana:

  • La permeabilidad selectiva de la membrana que mantiene el potencial negativo en el interior (dadas las moléculas de carga negativa en el interior).
  • La acción de la bomba Na+/K+ (mantiene Na+ bajo y K+ alto en el citosol, y el volumen y potencial de acción de la célula).

Ecuación de Nernst

Describe el potencial de membrana que produciría un único ion si la permeabilidad de la membrana solo fuera a ese ion. El potencial de un ion es:

Eion = (61/Z) * log * ([ion]ext/[ion]int)

Donde:

  • Z es la carga eléctrica del ion (+1, +2, etc.).
  • [ion]ext es la concentración del ion en el exterior celular.
  • [ion]int es la concentración del ion en el interior celular.

Ecuación de Goldman

Se utiliza cuando la membrana es permeable a más iones. El potencial de difusión depende de:

  • Carga de los iones.
  • Permeabilidad de la membrana a los iones.
  • Concentración en el interior y exterior celular.

Señales Eléctricas

Las señales eléctricas dependen de distintos tipos de canales iónicos:

Canales Pasivos

  • Más numerosos.
  • Están en conformación abierta y cerrada alternando.
  • Más permeables para el K+ que el Na+.

Canales por Voltaje

  • Se abren como respuesta a un cambio de potencial o voltaje que cambia su conformación.
  • Generan potenciales de acción.

Canales por Ligandos

  • Se abren o cierran como respuesta a cambios químicos por ligandos (neurotransmisores, hormonas e iones) que cambian su conformación.
  • Pueden actuar uniéndose en solitario o mediante proteínas G.

Canales Accionados Mecánicamente

  • Se abren o cierran como respuesta a un cambio mecánico (vibración, presión, estiramiento) que altera su conformación.
  • Ejemplo: tacto u oído.

Potenciales Graduados

Se definen como pequeñas desviaciones del potencial de membrana (la intensidad depende del estímulo). Cierto estímulo causa la apertura o cierre de un canal mecánico o de ligandos. Si no alcanza el umbral, no se obtiene respuesta.

Tipos de Potenciales Graduados

  • Potencial graduado hiperpolarizante: si está más polarizada (más potencial negativo) con el interior negativo.
  • Potencial graduado despolarizante: si está menos polarizada y el interior menos negativo.

Los potenciales graduados pueden sumarse en espacio y tiempo.

Clasificación Según el Tipo de Estímulo

  • Potencial postsináptico: cuando se genera el estímulo en las dendritas o cuerpo de una neurona.
  • Potencial receptor: cuando se origina en un receptor sensitivo.
  • Potencial generador: cuando se origina en una neurona.

Potencial de Acción

También llamado impulso nervioso. Se genera por un cambio de potencial de membrana como respuesta a un estímulo, y luego vuelve al reposo (despolarización y repolarización). Depende del tipo de canales de voltaje de cada célula. El potencial siempre tendrá el mismo tamaño, se propagará por toda la célula o no se propagará.

Cuando la despolarización alcanza un umbral, se abren los canales de Na+ y se produce el potencial de acción.

Fases del Potencial de Acción

  • Fase de reposo (T0): potencial estable aprox. -70 mV (negativo en el interior celular), canales de Na+ y K+ cerrados. Comienza a variar con el estímulo.
  • Fase de despolarización (T1): cuando el estímulo alcanza el umbral (-70 a -55 mV) se abren los canales de Na+ de voltaje. El gradiente eléctrico y químico favorecen la entrada de Na+ a la célula (interior menos negativo). Se produce la despolarización del potencial de acción, pasando de -55 a +30 mV.
  • Fase de repolarización (T2): se abren los canales de salida de K+ cerrándose los de Na+. El potencial varía de +30 a -70 mV (se repolariza la membrana). Vuelven al reposo los canales de Na+.
  • Fase de hiperpolarización (T3): El K+ se introduce en la célula más de lo normal, el potencial se vuelve más negativo (< -70 mV). Se cierran los canales de K+ y la bomba Na+/K+ vuelve al equilibrio.

Periodo Refractario

Tiempo en el que no se puede generar otro potencial de acción.

  • Absoluto (T1 y T2): un estímulo intenso no produce respuesta, coincide con la actividad de los canales de Na+.
  • Relativo (T2 final y T3): es el tiempo mínimo entre un potencial y otro, tras el periodo absoluto, con un estímulo más potente.

Tipos de Potenciales de Acción

  • Potenciales en espiga: duración aprox. 0.4 ms, característicos del sistema nervioso.
  • Potenciales en meseta: cuando la membrana tarda en repolarizarse tras la despolarización unos segundos, característico del tejido cardíaco.
  • Potenciales rítmicos: potenciales de acción seguidos sin estímulo necesario, como el latido cardíaco o la respiración.

Propagación de los Potenciales de Acción

El cambio de composición iónica de la parte externa de la membrana genera corrientes que recorren las membranas, se despolarizan hasta el umbral y generan nuevos potenciales. La propagación es unidireccional.

En la conducción se genera el estímulo en la zona gatillo hasta los terminales axónicos. En la siguiente neurona se capta por las dendritas.

  • Conducción continua: impulso de distancia corta en el axón y rápido.
  • Conducción saltatoria: impulso de distancia larga en el axón, a lo largo de los nodos de Ranvier. Se produce cuando los canales de voltaje se localizan entre los nodos de Ranvier, generándose corriente iónica que salta de nodo a nodo. Se consume menos ATP y se usan menos canales.

Factores que Condicionan la Conducción

  • Diámetro del axón: los de mayor diámetro transmiten mejor (fibras A > B > C). Son mielínicas excepto la C que es amielínica.
  • Frecuencia de los impulsos.
  • Número de neuronas sensitivas activadas, proporcional a la intensidad del estímulo.

Excitabilidad

Capacidad de responder a estímulos con potenciales de acción. Las principales células excitables son las neuronas, las células musculares y las células secretoras.

Los estímulos pueden ser físicos, químicos o eléctricos.

Inhibidores de la Excitabilidad

Son factores estabilizadores de la membrana, como los anestésicos locales.

  • Procaína y lidocaína: bloquean el dolor, bloquean la apertura de los canales de Na+ no propagando el impulso nervioso.
  • Neurotoxinas: la tetrodotoxina es producida por el pez globo, afecta a los canales dependientes de voltaje del Na+.
  • Enfriamiento localizado: efecto anestésico, la velocidad de propagación disminuye cuando los axones se enfrían.