FISIOLOGÍA

ELECTROFISIOLOGÍA

El potencial de membrana es la diferencia de potencial a ambos lados de una membrana que separa dos soluciones de diferente concentración de iones, como la membrana celular que separa el interior y el exterior de una célula. Cuando se habla de potenciales de membrana, se debería de hablar del "potencial de difusión" o "potencial de unión líquida".

Introducción[editar]

Como resultado de la permeabilidad selectiva de la membrana plasmática, la presencia de iones o moléculas con carga negativa que no se difunden dentro de la célula y la acción de varias unidades de bomba sodio-potasio; hay una distribución desigual de cargas a través de la membrana. Como consecuencia, el interior de la célulatiene mayor cantidad de cargas negativas en comparación con el exterior. Esta diferencia de carga da lugar a una diferencia de potencial que se conoce como el potencial de membrana.

Fundamento[editar]

Al estudiar los potenciales de membrana desde un punto de vista teórico, debemos conocer:

Potencial de Nernst[editar]

El potencial de reposo de una célula es producido por diferencias en la concentración de iones dentro y fuera de la célula y por diferencias en la permeabilidad de la membrana celular a los diferentes iones. El potencial de equilibrio de Nernst, relaciona la diferencia de potencial a ambos lados de una membrana biológica en el equilibrio con las características relacionadas con los iones del medio externo e interno y de la propia membrana.

Generación de un potencial de membrana. Para una explicación detallada, véase el texto.

El potencial de Nernst se establece entre disoluciones separadas por una membrana semipermeable. Por ejemplo, KCl (cloruro de potasio), una sal, en medio acuoso se disocia en K⁺y Cl^- en relación 1:1, compensando las cargas positivas de los cationes potasio con las negativas de los aniones cloruro, por lo que la disolución será eléctricamente neutra. De existir una membrana biológica selectivamente permeable al K⁺ en el interior de la solución, los K⁺difundirán libremente a un lado y a otro de la membrana. Sin embargo, como hay más iones en el compartimento 1, inicialmente fluirán más iones K⁺ del 1 al 2 que del 2 al 1. Como el Cl^- no puede difundir a través de la membrana, pronto hay un exceso de carga positiva en el compartimento 2 y un exceso de carga negativa en el 1. El fluido en cada compartimento permanece con una carga neutra, si bien las cargas en exceso se concentran a lo largo de la membrana. Las capas de carga positiva y negativa a cada lado de la membrana producen una diferencia de potencial ${\displaystyle V=V_{1}-V_{2}}$ a través de la membrana y un campo eléctrico E, que retarda el flujo de iones positivos del compartimento 1 al 2 y que acelera su flujo del compartimento 2 al 1.

En este sistema, tras un tiempo se alcanzará el equilibrio dinámico en el que exista un flujo de K⁺ idéntico del 2 al 1 como del 1 al 2. Este equilibrio depende de la diferencia de concentración que favorece el movimiento del 1 al 2 y de la diferencia de potencial que favorece la difusión del 2 al 1. La diferencia de potencial V en el equilibrio viene dada, en función de las concentraciones ${\displaystyle c_{1}}$ y ${\displaystyle c_{2}}$ de los iones de K⁺ en los dos compartimentos, mediante:

${\displaystyle V=V_{1}-V_{2}=\pm 2,3{\frac {kT}{e}}\log {\frac {c_{1}}{c_{2}}}}$

Éste es el potencial de equilibrio de Nernst. Posee un valor negativo cuando la membrana es permeable a los iones positivos, y positivo cuando lo es a los aniones. Aquí k es la constante de Boltzmann y la T la temperatura absoluta. La magnitud kT es proporcional a la energía cinética media de los iones en solución y ${\displaystyle {\frac {kT}{e}}\log {\frac {c_{1}}{c_{2}}}}$ es proporcional al flujo neto de iones debido a la diferencia de concentración. La magnitud eV es proporcional al flujo neto de iones debido a la diferencia de potencial. Así, la ecuación antes citada es la condición para que estos dos flujos sean iguales y opuestos.

Modificaciones: Temperatura de 37 ºC[editar]

A la temperatura corporal de 37 ºC el valor de ${\displaystyle {\frac {kT}{e}}}$es:

${\displaystyle {\frac {kT}{e}}={\frac {(1,38\ast 10^{-23}\ {\frac {J}{K}})\ast (310\ K)}{1,60\ast 10^{-19}}}=0,0267\ V=26,7\ mV}$

de modo que el potencial de Nernst es

${\displaystyle V=V_{1}-V_{2}=\pm (61,4\ mV)\log {\frac {c_{1}}{c_{2}}}}$

Potencial de la membrana plasmática[editar]

La membrana plasmática de una célula nerviosa separa un citoplasma con una concentración de iones ${\displaystyle K^{+}}$ de 0,141 mol/L de un fluido extracelular de únicamente 0,005 mol/L del mismo ion. Considerando que ambas concentraciones estén en equilibrio, y aplicando la fórmula anterior podemos deducir el potencial de membrana en reposo:

${\displaystyle V=V_{1}-V_{2}=\pm (61,4\ mV)\log {\frac {0,141\ {\frac {mol}{L}}}{0,005\ {\frac {mol}{L}}}}=-89,2\ mV}$

donde este -89,2 mV teórico coincide aproximadamente con las mediciones en reposo efectuadas por técnicas de medición por microelectrodos en células vivas, de lo cual se deduce que las concentraciones de ${\displaystyle K^{+}}$ están casi en equilibrio. Sin embargo, para el mantenimiento de estas características se requiere una bomba iónica que propulse de forma dependiente de energía los cationes ${\displaystyle K^{+}}$ al interior celular.

Transmisión del impulso nervioso[editar]

Artículo principal: Potencial de acción

Variación del potencial de membrana de una célula excitable mediante la recepción de tres estímulos eléctricos (flechas).

Además, los procesos de despolarización e hiperpolarización de la membrana durante, por ejemplo, la transmisión del impulso nerviosopor parte de los potenciales de acción o la contracción muscularimplican a un gran número de proteínas de membrana que intervienen en el flujo iónico bidireccional. De ahí que varíe tanto el potencial de membrana en estos casos: por ejemplo, una neurona pude despolarizarse hasta 30 mV, incrementando el potencial en más de 120 mV.

Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz (aplicable a membranas permeables a múltiples iones)[editar]

Tal como se vio anteriormente, la ecuación de Nerst solo calcula el potencial de difusión para un ion en particular, es decir, se asume que en el medio externo sólo existe un tipo de iones (por ejemplo: Na⁺).

Se sabe que tanto en los medios intra y extra celular existen múltiples iones tales como: Na⁺, K⁺, Cl^-, Mg²⁺, entre otros, por lo tanto es necesario disponer de una fórmula que calcule dicho potencial para todos los iones presentes en el líquido extracelular.

Se sabe que la membrana celular es permeable a múltiples iones diferentes, por lo tanto al momento en que dichos iones difunden se genera un potencial de membrana que depende de tres factores:

1. La polaridad de la carga de cada uno de los iones a difundir.
2. La permeabilidad de la membrana a cada uno de los iones.
3. Las concentraciones de los mismos tanto en el exterior como en el interior de la membrana.

La Ecuación de Goldman (también llamada de Goldman - Hodgkin - Katz) calcula el Potencial de la membrana en el interior de la célula cuando participan dos iones positivos univalentes (K⁺ y Na⁺) y un ion negativo también univalente (Cl^-).

*Ecuación de Goldman

${\displaystyle {\text{FEM(milivoltios)}}=61,4\log {\frac {C_{Na_{e}^{+}}P_{Na^{+}}+C_{K_{e}^{+}}P_{K^{+}}+C_{Cl_{i}^{-}}P_{Cl^{-}}}{C_{Na_{i}^{+}}P_{Na^{+}}+C_{K_{i}^{+}}P_{K^{+}}+C_{Cl_{e}^{-}}P_{Cl^{-}}}}}$

** donde:

- C = Concentración del ion

- P = Permeabilidad de la membrana al ion

Aclaraciones:

1. Los iones sodio, potasio y cloruro son los iones más importantes que participan en la generación del potencial de membrana en las fibras nerviosas y musculares. El gradiente electroquímico de cada uno de los iones a través de la membrana ayuda a determinar el voltaje del potencial de membrana.
2. La permeabilidad de la membrana a cada uno de los iones determina el grado de importancia de cada uno de ellos, es decir, si la membrana por algún motivo solo es permeable por ejemplo al sodio el potencial de membrana será igual al Potencial de Nerst para el sodio.
3. Un gradiente de concentración positivo en el interior de la membrana causa electronegatividad en el interior de la misma; esto explica que si hay por ejemplo una mayor concentración de iones potasio en el interior de la membrana, habrá por lo tanto mayor difusión del mismo, desde el interior hasta el exterior de la membrana, generando un déficit de cargas positivas en el interior de la membrana, lo cual dotará a dicho medio, de carga negativa.
4. Los cambios rápidos de concentración de los iones sodio y potasio son los principales responsables de la transmisión nerviosa.

El potencial de membrana no es el mismo en todas las células, dependiendo del origen de las mismas. Existen células que tienen -50 mV y otras, como por ejemplo las musculares, que oscilan entre -50 y 60 mV.

En el organismo existen dos espacios: el extracelular y el intracelular. En el extracelular o líquido intersticial, el anión más abundante es el ion cloruro. En el medio intracelular o citoplasma, los aniones más abundantes son las proteínas, que en las condiciones del pH celular interno, están ionizadas negativamente por liberación de iones hidrógeno, H⁺. El catión más abundante en el líquido intersticial es el ion sodio, y en el citoplasma es el ion potasio.

El desequilibrio iónico que produce la polarización de la membrana es debido a la distinta permeabilidad que presenta frente a cada uno de estos iones. El ion de potasio atraviesa la membrana libremente; la permeabilidad para el sodio es menor, y además es expulsado por medio de un transporte activo llamado bomba de sodio-potasio. Las proteínas, debido a su tamaño, no pueden atravesar libremente la membrana. Toda esta dinámica establece una diferencia de potencial en condiciones de reposo, de unos -90 mV.

Implicaciones[editar]

La existencia de este potencial de membrana es imprescindible para el origen y transmisión del impulso nervioso.

Potencial de reposo

Cuando una célula está en reposo, el potencial de membrana se conoce como potencial de reposo. Por convención se toma el potencial externo como cero, por lo que teniendo en cuenta que el interior tiene un exceso de carga negativa, el potencial de membrana en este caso toma valor negativo de -60 a -70 mV.

La separación de carga a través de la membrana, y por lo tanto el potencial de reposo se modifica cada vez que ocurre un flujo neto de iones hacia o desde el interior de la célula. Cuando se produce una disminución de la separación de carga el proceso se denomina depolarización. El caso contrario se conoce como hiperpolarización.

Al modificarse el potencial de membrana se genera un flujo de corriente. Esto es posible por la acción de canales iónicos.

Existen dos tipos de canales iónicos en la membrana:

• Canales gated (algo equivalente a decir que tienen posibilidad de ser cerrados)
• Canales nongated (lo opuesto)

Los canales gated se abren o cierran en respuesta a señales eléctricas, mecánicas o químicas específicas. Mientras que los segundos están siempre abiertos y no son influenciados significativamente por factores extrínsecos. Ellos son importantes para mantener el potencial de membrana en reposo.

Equilibrio de sodio y potasio

Dado que los canales iónicos reconocen y seleccionan iones específicos, la distribución de especies iónicas a través de la membrana dependerá de la distribución particular de canales iónicos que tenga la membrana celular.

Las especies iónicas no se distribuyen de igual manera en ambos lados de la membrana:

• El sodio y el cloruro están más concentrados en el exterior de la célula
• El potasio y los aniones orgánicos (ácidos orgánicos y proteínas) están más concentrados en el interior.

¿Qué previene que estos gradientes sean vencidos simplemente por difusión a través de los canales “nongated”?

La explicación está relacionada con la existencia de un equilibrio de fuerzas actuantes. Por una parte se tiene un gradiente de concentraciones que actúa impulsando los iones en el sentido de disminuir el mismo. Por otra parte, debido a la separación de cargas en la membrana se tiene un campo eléctrico que actuará también permitiendo o no el movimiento de los iones.

Veamos con más detalle esta situación:

Analizando por ejemplo al ión cloruro, ya que se encuentra más concentrado en el exterior de la célula tendrá la tendencia a moverse hacia el interior a través de los canales “nongated”. Sin embargo si se tiene en cuenta que en el interior de la célula existe un exceso de carga negativa esto provocará la salida de los iones cloruros.

De lo anterior se espera se alcance un estado de equilibrio, directamente relacionado con el potencial de membrana.

Para el caso de los cationes, se debe hacer el análisis conjunto del movimiento de los iones sodio y potasio, ya que el movimiento de los iones sodio hacia el interior de la célula tiene que ser compensado por la salida de iones potasio.

Este intercambio estacionario de iones previene una depolarización reversible, sin embargo no puede sostenerse indefinidamente a menos que se revierta el proceso. Esto se consigue mediante la acción de las “bombas de sodio y potasio”. Estos sistemas permiten la salida del sodio del interior de la célula e incorporan el potasio.

Este proceso implica un consumo de energía puesto que los movimientos se realizan en contra de los gradientes electroquímicos. Esta energía se obtiene de la hidrólisis de ATP, que es la molécula “portadora de energía” por excelencia. Algunas células poseen también “bombas de cloro” que funcionan de la misma manera que la mencionada arriba.

Tratamiento termodinámico

Si se tuviera una membrana que solo fuera permeable al paso de los iones potasio, sería factible aplicar la ecuación de Nernst para calcular el potencial de membrana que se generaría a temperatura ambiente, al tener distintas concentraciones en ambos lado de la misma.

Es decir que si se tuviera una concentración 0,1M en el interior y 0,01M en el exterior de la célula respectivamente, en el equilibrio se generaría una diferencia de potencial de unos 60 mV. Este potencial es el que contrarresta el gradiente de concentración y que permite que se alcance el equilibrio.

En el análisis anterior se considero una membrana permeable solo a iones potasio. Obviamente que esto no corresponde con la realidad puesto que las membranas celulares muestran cierto grado de permeabilidad a otros iones diferentes al potasio, particularmente sodio y cloruro. Por este motivo, es necesario modificar la ecuación de Nernst para tener en cuenta esta influencia múltiple. Esta modificación es conocida como Ecuación de Goldman.

Donde P, con unidad de cm.s^-1, es la permeabilidad de cada ión y está relacionada con la actividad de los canales.

Potencial de acción

Así como el potencial de reposo se corresponde con un estado donde la neurona está sin estimular, cuando es estimulada se produce una “explosión de actividad eléctrica” conocido como potencial de acción.

Ante el estímulo, el potencial de reposo toma valores más positivos, pero solo cuando alcanza un valor umbral, de unos – 55 mV, se produce el disparo de un potencial de acción.

Es importante mencionar que todos los potenciales de acción tienen la misma magnitud para cualquier neurona.

En términos generales el proceso puede describirse teniendo en cuenta el funcionamiento de los canales iónicos. Ante el estímulo se abren primero los canales de sodio permitiendo el ingreso al interior de la célula lo que conduce a la depolarización. Cuando los canales de sodio comienzan a cerrarse se abren los de potasio, permitiendo la salida del mismo con lo que se revierte la depolarización anterior. Con esto se regresa al valor de potencial inicial (-70mV) es decir ocurre la repolarización.

En resumen se comprueba la estrecha relación que existe entre la generación de diferencias de potencial a nivel de la membrana celular y el proceso de transmisión de impulsos nerviosos. Es decir que una vez más estamos en evidencia de la “electricidad animal” que tanto ha intrigado alos científicos históricamente.