Potencial de membrana

Tipo de cantidad física

Las diferencias en las concentraciones de iones en lados opuestos de una membrana celular conducen a un voltaje llamado potencial de membrana . Los valores típicos del potencial de membrana están en el rango de –70 mV a –40 mV. Muchos iones tienen un gradiente de concentración a través de la membrana, incluido el potasio (K ⁺ ), que se encuentra en una concentración alta dentro y una concentración baja fuera de la membrana. Los iones sodio (Na ⁺ ) y cloruro (Cl- ⁾ se encuentran en altas concentraciones en la región extracelular y en bajas concentraciones en las regiones intracelulares . Estos gradientes de concentración proporcionan la energía potencial para impulsar la formación del potencial de membrana. Este voltaje se establece cuando la membrana tiene permeabilidad a uno o más iones. En el caso más simple, ilustrado aquí, si la membrana es selectivamente permeable al potasio, estos iones cargados positivamente pueden difundirse a favor del gradiente de concentración hacia el exterior de la célula, dejando cargas negativas no compensadas. Esta separación de cargas es la que provoca el potencial de membrana. El sistema en su conjunto es electroneutro. Las cargas positivas no compensadas fuera de la célula y las cargas negativas no compensadas dentro de la célula se alinean físicamente en la superficie de la membrana y se atraen entre sí a través de la bicapa lipídica . Por tanto, el potencial de membrana se encuentra físicamente sólo en las inmediaciones de la membrana. La separación de estas cargas a través de la membrana es la base del voltaje de la membrana. Este diagrama es sólo una aproximación de las contribuciones iónicas al potencial de membrana. Otros iones, incluidos el sodio, el cloruro, el calcio y otros, desempeñan un papel menor, aunque tienen fuertes gradientes de concentración, porque tienen una permeabilidad más limitada que el potasio. Clave : Pentágonos azules – iones de sodio; Cuadrados morados : iones de potasio; Círculos amarillos – iones cloruro; Rectángulos naranjas : aniones impermeables a la membrana (estos surgen de una variedad de fuentes, incluidas las proteínas). La gran estructura violeta con una flecha representa un canal transmembrana de potasio y la dirección del movimiento neto de potasio.

El potencial de membrana (también potencial transmembrana o voltaje de membrana ) es la diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior de una célula biológica . Es decir, existe una diferencia en la energía requerida para que las cargas eléctricas se desplacen del ambiente celular interno al exterior y viceversa, siempre y cuando no exista adquisición de energía cinética ni producción de radiación. Los gradientes de concentración de las cargas determinan directamente esta necesidad energética. Para el exterior de la celda, los valores típicos del potencial de membrana, normalmente dados en unidades de milivoltios y denotados como mV, oscilan entre –80 mV y –40 mV.

Todas las células animales están rodeadas por una membrana compuesta por una bicapa lipídica con proteínas incrustadas en ella. La membrana sirve como aislante y barrera de difusión para el movimiento de iones . Las proteínas transmembrana , también conocidas como proteínas transportadoras de iones o bombas de iones , empujan activamente los iones a través de la membrana y establecen gradientes de concentración a través de la membrana, y los canales iónicos permiten que los iones se muevan a través de la membrana siguiendo esos gradientes de concentración. Las bombas de iones y los canales de iones son eléctricamente equivalentes a un conjunto de baterías y resistencias insertadas en la membrana y, por lo tanto, crean un voltaje entre los dos lados de la membrana.

Casi todas las membranas plasmáticas tienen un potencial eléctrico a través de ellas, siendo el interior normalmente negativo con respecto al exterior. ^[1] El potencial de membrana tiene dos funciones básicas. En primer lugar, permite que una celda funcione como una batería, proporcionando energía para operar una variedad de "dispositivos moleculares" integrados en la membrana. ^{[2] En segundo lugar, en} células eléctricamente excitables , como neuronas y células musculares , se utiliza para transmitir señales entre diferentes partes de una célula. Las señales se generan al abrir o cerrar canales iónicos en un punto de la membrana, lo que produce un cambio local en el potencial de membrana. Este cambio en el campo eléctrico puede detectarse rápidamente mediante canales iónicos adyacentes o más distantes en la membrana. Esos canales iónicos pueden luego abrirse o cerrarse como resultado del cambio de potencial, reproduciendo la señal.

En las células no excitables y en las células excitables en sus estados basales, el potencial de membrana se mantiene en un valor relativamente estable, llamado potencial de reposo . Para las neuronas, el potencial de reposo se define como un rango de –80 a –70 milivoltios; es decir, el interior de una celda tiene un voltaje de referencia negativo de un poco menos de una décima parte de voltio. La apertura y cierre de canales iónicos puede inducir una desviación del potencial de reposo. Esto se llama despolarización si el voltaje interior se vuelve menos negativo (por ejemplo, de –70 mV a –60 mV), o hiperpolarización si el voltaje interior se vuelve más negativo (por ejemplo, de –70 mV a –80 mV). En las células excitables, una despolarización suficientemente grande puede provocar un potencial de acción , en el que el potencial de membrana cambia rápida y significativamente durante un corto tiempo (del orden de 1 a 100 milisegundos), invirtiendo a menudo su polaridad. Los potenciales de acción se generan mediante la activación de ciertos canales iónicos dependientes de voltaje .

En las neuronas, los factores que influyen en el potencial de membrana son diversos. Incluyen numerosos tipos de canales iónicos, algunos de los cuales están activados químicamente y otros activados por voltaje. Debido a que los canales iónicos dependientes de voltaje están controlados por el potencial de membrana, mientras que el potencial de membrana en sí está influenciado por estos mismos canales iónicos, surgen bucles de retroalimentación que permiten dinámicas temporales complejas, incluidas oscilaciones y eventos regenerativos como los potenciales de acción.

Base fisica

El potencial de membrana en una célula deriva en última instancia de dos factores: fuerza eléctrica y difusión. La fuerza eléctrica surge de la atracción mutua entre partículas con cargas eléctricas opuestas (positivas y negativas) y de la repulsión mutua entre partículas con el mismo tipo de carga (ambas positivas o ambas negativas). La difusión surge de la tendencia estadística de las partículas a redistribuirse desde regiones donde están altamente concentradas hacia regiones donde la concentración es baja.

Voltaje

Campo eléctrico (flechas) y contornos de voltaje constante creados por un par de objetos con cargas opuestas. El campo eléctrico forma ángulos rectos con los contornos de voltaje y el campo es más intenso donde el espacio entre los contornos es menor.

El voltaje, que es sinónimo de diferencia de potencial eléctrico , es la capacidad de conducir una corriente eléctrica a través de una resistencia. De hecho, la definición más simple de tensión viene dada por la ley de Ohm : V=IR, donde V es tensión, I es corriente y R es resistencia. Si se coloca una fuente de voltaje, como una batería, en un circuito eléctrico, cuanto mayor sea el voltaje de la fuente, mayor será la cantidad de corriente que conducirá a través de la resistencia disponible. La importancia funcional del voltaje reside únicamente en las diferencias de potencial entre dos puntos de un circuito. La idea de un voltaje en un solo punto no tiene sentido. En electrónica es convencional asignar un voltaje de cero a algún elemento del circuito elegido arbitrariamente y luego asignar voltajes a otros elementos medidos en relación con ese punto cero. No tiene importancia qué elemento se elige como punto cero: la función de un circuito depende sólo de las diferencias, no de los voltajes per se . Sin embargo, en la mayoría de los casos y por convención, el nivel cero se asigna con mayor frecuencia a la parte de un circuito que está en contacto con tierra.

El mismo principio se aplica al voltaje en la biología celular. En el tejido eléctricamente activo, la diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera se puede medir insertando un electrodo en cada punto, por ejemplo uno dentro y otro fuera de la célula, y conectando ambos electrodos a los cables de lo que es en esencia un voltímetro especializado. Por convención, el valor de potencial cero se asigna al exterior de la celda y el signo de la diferencia de potencial entre el exterior y el interior está determinado por el potencial del interior en relación con el cero exterior.

En términos matemáticos, la definición de voltaje comienza con el concepto de campo eléctrico E , un campo vectorial que asigna una magnitud y dirección a cada punto en el espacio. En muchas situaciones, el campo eléctrico es un campo conservativo , lo que significa que se puede expresar como el gradiente de una función escalar V , es decir, E = –∇ V. Este campo escalar V se conoce como distribución de voltaje. La definición permite una constante de integración arbitraria; es por eso que los valores absolutos de voltaje no son significativos. En general, los campos eléctricos pueden considerarse conservadores sólo si los campos magnéticos no influyen significativamente en ellos, pero esta condición suele aplicarse bien al tejido biológico.

Debido a que el campo eléctrico es el gradiente de la distribución de voltaje, los cambios rápidos de voltaje dentro de una región pequeña implican un campo eléctrico fuerte; por el contrario, si el voltaje permanece aproximadamente igual en una región grande, los campos eléctricos en esa región deben ser débiles. Un campo eléctrico fuerte, equivalente a un gradiente de voltaje fuerte, implica que se ejerce una fuerza fuerte sobre cualquier partícula cargada que se encuentre dentro de la región.

Iones y las fuerzas que impulsan su movimiento.

Los iones (círculos rosados) fluirán a través de una membrana desde la concentración más alta a la concentración más baja (a favor de un gradiente de concentración), provocando una corriente. Sin embargo, esto crea un voltaje a través de la membrana que se opone al movimiento de los iones. Cuando este voltaje alcanza el valor de equilibrio, los dos se equilibran y el flujo de iones se detiene. ^[3]

Las señales eléctricas dentro de los organismos biológicos son, en general, impulsadas por iones . ^[4] Los cationes más importantes para el potencial de acción son el sodio (Na ⁺ ) y el potasio (K ⁺ ). ^[5] Ambos son cationes monovalentes que llevan una única carga positiva. Los potenciales de acción también pueden involucrar calcio (Ca ²⁺ ), ^[6] que es un catión divalente que lleva una doble carga positiva. El anión cloruro (Cl ⁻ ) juega un papel importante en los potenciales de acción de algunas algas , ^[7] pero juega un papel insignificante en los potenciales de acción de la mayoría de los animales. ^[8]

Los iones atraviesan la membrana celular bajo dos influencias: difusión y campos eléctricos . Un ejemplo simple en el que dos soluciones (A y B) están separadas por una barrera porosa ilustra que la difusión asegurará que eventualmente se mezclen en soluciones iguales. Esta mezcla se produce debido a la diferencia en sus concentraciones. La región con alta concentración se difundirá hacia la región con baja concentración. Para ampliar el ejemplo, supongamos que la solución A tenga 30 iones de sodio y 30 iones de cloruro. Además, supongamos que la solución B tenga sólo 20 iones de sodio y 20 iones de cloruro. Suponiendo que la barrera permite que ambos tipos de iones la atraviesen, se alcanzará un estado estacionario en el que ambas soluciones tendrán 25 iones de sodio y 25 iones de cloruro. Sin embargo, si la barrera porosa es selectiva respecto de los iones que se dejan pasar, entonces la difusión por sí sola no determinará la solución resultante. Volviendo al ejemplo anterior, construyamos ahora una barrera que sea permeable sólo a los iones de sodio. Ahora, sólo se permite que el sodio difunda a través de la barrera desde su concentración más alta en la solución A hasta la concentración más baja en la solución B. Esto dará como resultado una mayor acumulación de iones de sodio que de iones de cloruro en la solución B y un menor número de iones de sodio que iones cloruro en la solución A.

Esto significa que hay una carga neta positiva en la solución B debido a la mayor concentración de iones de sodio cargados positivamente que de iones de cloruro cargados negativamente. Asimismo, hay una carga neta negativa en la solución A debido a la mayor concentración de iones cloruro negativos que de iones sodio positivos. Dado que las cargas opuestas se atraen y las cargas iguales se repelen, los iones ahora también se ven influenciados por campos eléctricos y fuerzas de difusión. Por lo tanto, será menos probable que los iones de sodio positivos viajen a la solución B, que ahora es más positiva, y permanezcan en la solución A, que ahora es más negativa. El punto en el que las fuerzas de los campos eléctricos contrarrestan completamente la fuerza debida a la difusión se llama potencial de equilibrio. En este punto, el flujo neto del ion específico (en este caso sodio) es cero.

Membranas plasmáticas

La membrana celular, también llamada membrana plasmática o plasmalema, es una bicapa lipídica semipermeable común a todas las células vivas. Contiene una variedad de moléculas biológicas, principalmente proteínas y lípidos, que participan en una amplia gama de procesos celulares.

Cada célula está encerrada en una membrana plasmática , que tiene la estructura de una bicapa lipídica con muchos tipos de moléculas grandes incrustadas en ella. Debido a que está formada por moléculas de lípidos, la membrana plasmática tiene intrínsecamente una alta resistividad eléctrica, en otras palabras, una baja permeabilidad intrínseca a los iones. Sin embargo, algunas de las moléculas incrustadas en la membrana son capaces de transportar activamente iones de un lado de la membrana al otro o de proporcionar canales a través de los cuales pueden moverse. ^[9]

En terminología eléctrica, la membrana plasmática funciona como una resistencia y un condensador combinados . La resistencia surge del hecho de que la membrana impide el movimiento de cargas a través de ella. La capacitancia surge del hecho de que la bicapa lipídica es tan delgada que una acumulación de partículas cargadas en un lado da lugar a una fuerza eléctrica que atrae partículas con carga opuesta hacia el otro lado. La capacitancia de la membrana relativamente no se ve afectada por las moléculas que están incrustadas en ella, por lo que tiene un valor más o menos invariante estimado en 2 μF/cm ² (la capacitancia total de un parche de membrana es proporcional a su área). Por otro lado, la conductancia de una bicapa lipídica pura es tan baja que en situaciones biológicas siempre está dominada por la conductancia de vías alternativas proporcionadas por moléculas incrustadas. Así, la capacitancia de la membrana es más o menos fija, pero la resistencia es muy variable.

Se estima que el espesor de una membrana plasmática es de unos 7-8 nanómetros. Debido a que la membrana es tan delgada, no se necesita un voltaje transmembrana muy grande para crear un campo eléctrico fuerte en su interior. Los potenciales de membrana típicos en las células animales son del orden de 100 milivoltios (es decir, una décima parte de un voltio), pero los cálculos muestran que esto genera un campo eléctrico cercano al máximo que la membrana puede soportar; se ha calculado que un voltaje Una diferencia mucho mayor que 200 milivoltios podría provocar una ruptura dieléctrica , es decir, la formación de arcos a través de la membrana.

Difusión y transporte facilitados.

Difusión facilitada en las membranas celulares, que muestra canales iónicos y proteínas transportadoras.

La resistencia de una bicapa lipídica pura al paso de iones a través de ella es muy alta, pero las estructuras incrustadas en la membrana pueden mejorar en gran medida el movimiento de los iones, ya sea activa o pasivamente , a través de mecanismos llamados transporte facilitado y difusión facilitada . Los dos tipos de estructuras que desempeñan las funciones más importantes son los canales iónicos y las bombas de iones , ambos formados generalmente a partir de conjuntos de moléculas de proteínas. Los canales iónicos proporcionan conductos a través de los cuales pueden moverse los iones. En la mayoría de los casos, un canal iónico es permeable sólo a tipos específicos de iones (por ejemplo, sodio y potasio, pero no cloruro o calcio) y, a veces, la permeabilidad varía según la dirección del movimiento de los iones. Las bombas de iones, también conocidas como transportadores de iones o proteínas portadoras, transportan activamente tipos específicos de iones de un lado de la membrana al otro, a veces utilizando energía derivada de procesos metabólicos para hacerlo.

bombas de iones

La bomba de sodio-potasio utiliza energía derivada del ATP para intercambiar iones de sodio por potasio a través de la membrana.

Las bombas de iones son proteínas integrales de membrana que realizan transporte activo , es decir, utilizan la energía celular (ATP) para "bombear" los iones contra su gradiente de concentración. ^[10] Estas bombas de iones toman iones de un lado de la membrana (disminuyendo su concentración allí) y los liberan en el otro lado (aumentando su concentración allí).

La bomba de iones más relevante para el potencial de acción es la bomba de sodio-potasio , que transporta tres iones de sodio fuera de la célula y dos iones de potasio hacia adentro. ^{[11] [12]} Como consecuencia, la concentración de iones de potasio K ⁺ dentro de la célula La concentración de sodio en el exterior es aproximadamente cinco veces mayor que en el interior. ^{[12] [13] [14]} De manera similar, otros iones tienen diferentes concentraciones dentro y fuera de la neurona, como el calcio , el cloruro y el magnesio . ^[14]

Si el número de cada tipo de ion fuera igual, la bomba de sodio-potasio sería eléctricamente neutra, pero, debido al intercambio de tres por dos, produce un movimiento neto de una carga positiva desde el intracelular al extracelular en cada ciclo. contribuyendo así a una diferencia de voltaje positiva. La bomba tiene tres efectos: (1) aumenta la concentración de sodio en el espacio extracelular y baja en el espacio intracelular; (2) hace que la concentración de potasio sea alta en el espacio intracelular y baja en el espacio extracelular; (3) le da al espacio intracelular un voltaje negativo con respecto al espacio extracelular.

La bomba de sodio-potasio tiene un funcionamiento relativamente lento. Si una célula se inicializara con concentraciones iguales de sodio y potasio en todas partes, la bomba tardaría horas en establecer el equilibrio. La bomba funciona constantemente, pero se vuelve progresivamente menos eficiente a medida que se reducen las concentraciones de sodio y potasio disponibles para el bombeo.

Las bombas de iones influyen en el potencial de acción sólo estableciendo la relación relativa entre las concentraciones de iones intracelulares y extracelulares. El potencial de acción implica principalmente la apertura y el cierre de canales iónicos, no de bombas de iones. Si las bombas de iones se apagan eliminando su fuente de energía o agregando un inhibidor como la ouabaína , el axón aún puede disparar cientos de miles de potenciales de acción antes de que sus amplitudes comiencen a decaer significativamente. ^[10] En particular, las bombas de iones no desempeñan ningún papel significativo en la repolarización de la membrana después de un potencial de acción. ^[5]

Otra bomba iónica funcionalmente importante es el intercambiador de sodio-calcio . Esta bomba funciona de manera conceptualmente similar a la bomba de sodio-potasio, excepto que en cada ciclo intercambia tres Na ⁺ del espacio extracelular por un Ca ⁺⁺ del espacio intracelular. Debido a que el flujo neto de carga es hacia adentro, esta bomba funciona "cuesta abajo", de hecho, y por lo tanto no requiere ninguna fuente de energía excepto el voltaje de la membrana. Su efecto más importante es bombear calcio hacia afuera; también permite un flujo de sodio hacia adentro, contrarrestando así la bomba de sodio-potasio, pero, debido a que las concentraciones generales de sodio y potasio son mucho más altas que las de calcio, este efecto es relativamente poco importante. El resultado neto del intercambiador de sodio-calcio es que, en estado de reposo, las concentraciones de calcio intracelular se vuelven muy bajas.

canales iónicos

A pesar de las pequeñas diferencias en sus radios, los iones ^[15] rara vez pasan por el canal "equivocado". Por ejemplo, los iones de sodio o calcio rara vez pasan a través de un canal de potasio.

Los canales iónicos son proteínas integrales de membrana con un poro a través del cual los iones pueden viajar entre el espacio extracelular y el interior de la célula. La mayoría de los canales son específicos (selectivos) para un ion; por ejemplo, la mayoría de los canales de potasio se caracterizan por una relación de selectividad de 1000:1 para el potasio sobre el sodio, aunque los iones de potasio y sodio tienen la misma carga y difieren sólo ligeramente en su radio. El poro del canal suele ser tan pequeño que los iones deben atravesarlo en orden de una sola fila. ^[16] Los poros de los canales pueden estar abiertos o cerrados para el paso de iones, aunque varios canales demuestran varios niveles de subconductancia. Cuando un canal está abierto, los iones penetran a través del poro del canal siguiendo el gradiente de concentración transmembrana para ese ion en particular. La tasa de flujo iónico a través del canal, es decir, la amplitud de la corriente de un solo canal, está determinada por la conductancia máxima del canal y la fuerza impulsora electroquímica para ese ion, que es la diferencia entre el valor instantáneo del potencial de membrana y el valor del potencial de inversión . ^[17]

Representación del canal de potasio abierto, con el ion potasio mostrado en color púrpura en el medio y los átomos de hidrógeno omitidos. Cuando el canal está cerrado, el paso queda bloqueado.

Un canal puede tener varios estados diferentes (correspondientes a diferentes conformaciones de la proteína), pero cada uno de esos estados es abierto o cerrado. En general, los estados cerrados corresponden a una contracción del poro (lo que lo hace intransitable para el ion) o a una parte separada de la proteína que tapa el poro. Por ejemplo, el canal de sodio dependiente de voltaje sufre una inactivación , en la que una porción de la proteína oscila hacia el interior del poro, sellándolo. ^[18] Esta inactivación corta la corriente de sodio y juega un papel crítico en el potencial de acción.

Los canales iónicos se pueden clasificar según cómo responden a su entorno. ^[19] Por ejemplo, los canales iónicos implicados en el potencial de acción son canales sensibles al voltaje ; se abren y cierran en respuesta al voltaje a través de la membrana. Los canales activados por ligandos forman otra clase importante; Estos canales iónicos se abren y cierran en respuesta a la unión de una molécula de ligando , como un neurotransmisor . Otros canales iónicos se abren y cierran con fuerzas mecánicas. Otros canales iónicos, como los de las neuronas sensoriales , se abren y cierran en respuesta a otros estímulos, como la luz, la temperatura o la presión.

Canales de fuga

Los canales de fuga son el tipo más simple de canal iónico, ya que su permeabilidad es más o menos constante. Los tipos de canales de fuga que tienen mayor importancia en las neuronas son los canales de potasio y cloruro. Incluso estos no son perfectamente constantes en sus propiedades: primero, la mayoría de ellos dependen del voltaje en el sentido de que conducen mejor en una dirección que en la otra (en otras palabras, son rectificadores ); en segundo lugar, algunos de ellos son capaces de ser desactivados por ligandos químicos aunque no requieren ligandos para funcionar.

Canales activados por ligando

Canal de calcio regulado por ligando en estados cerrado y abierto.

Los canales iónicos activados por ligando son canales cuya permeabilidad aumenta considerablemente cuando algún tipo de ligando químico se une a la estructura de la proteína. Las células animales contienen cientos, si no miles, de tipos de estos. Un gran subconjunto funciona como receptores de neurotransmisores : se encuentran en sitios postsinápticos y el ligando químico que los controla es liberado por la terminal del axón presináptico . Un ejemplo de este tipo es el receptor AMPA , un receptor del neurotransmisor glutamato que cuando se activa permite el paso de iones de sodio y potasio. Otro ejemplo es el receptor GABA _A , un receptor del neurotransmisor GABA que cuando se activa permite el paso de iones de cloruro.

Los receptores de neurotransmisores son activados por ligandos que aparecen en el área extracelular, pero existen otros tipos de canales activados por ligandos que están controlados por interacciones en el lado intracelular.

Canales dependientes del voltaje

Los canales iónicos dependientes de voltaje , también conocidos como canales iónicos dependientes de voltaje , son canales cuya permeabilidad está influenciada por el potencial de membrana. Forman otro grupo muy grande, donde cada miembro tiene una selectividad iónica particular y una dependencia de voltaje particular. Muchos también dependen del tiempo; en otras palabras, no responden inmediatamente a un cambio de voltaje, sino sólo después de un retraso.

Uno de los miembros más importantes de este grupo es un tipo de canal de sodio dependiente de voltaje que subyace a los potenciales de acción; a veces se les llama canales de sodio de Hodgkin-Huxley porque fueron caracterizados inicialmente por Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Huxley en su trabajo ganador del Premio Nobel. Estudios de la fisiología del potencial de acción. El canal se cierra al nivel de voltaje en reposo, pero se abre abruptamente cuando el voltaje excede un cierto umbral, lo que permite una gran entrada de iones de sodio que produce un cambio muy rápido en el potencial de membrana. La recuperación de un potencial de acción depende en parte de un tipo de canal de potasio dependiente de voltaje que está cerrado en el nivel de voltaje en reposo pero que se abre como consecuencia del gran cambio de voltaje producido durante el potencial de acción.

Potencial de reversión

El potencial de inversión (o potencial de equilibrio ) de un ion es el valor del voltaje transmembrana en el que las fuerzas eléctricas y de difusión se contrarrestan, de modo que no hay flujo neto de iones a través de la membrana. Esto significa que el voltaje transmembrana se opone exactamente a la fuerza de difusión del ion, de modo que la corriente neta del ion a través de la membrana es cero y no cambia. El potencial de inversión es importante porque proporciona el voltaje que actúa sobre los canales permeables a ese ion; en otras palabras, proporciona el voltaje que genera el gradiente de concentración de iones cuando actúa como una batería .

El potencial de equilibrio de un ion particular generalmente se designa con la notación E _ion . El potencial de equilibrio de cualquier ion se puede calcular utilizando la ecuación de Nernst . ^[20] Por ejemplo, el potencial de inversión para los iones de potasio será el siguiente:

${\displaystyle E_{eq,K^{+}}={\frac {RT}{zF}}\ln {\frac {[K^{+}]_{o}}{[K^{+}]_{i}}}}$

dónde

• E _{eq,K ⁺} = potencial de equilibrio del potasio, medido en voltios
• R = constante universal de los gases , igual a 8,314 julios ·K ⁻¹ ·mol ⁻¹
• T = temperatura absoluta , medida en kelvins (= K = grados Celsius + 273,15)
• z = número de cargas elementales del ion en cuestión involucrados en la reacción
• F = Constante de Faraday , igual a 96.485 culombios ·mol ⁻¹ o J·V ⁻¹ ·mol ⁻¹
• [K ⁺ ] _o = concentración extracelular de potasio, medida en mol ·m ⁻³ o mmol·l ⁻¹
• [K ⁺ ] _i = concentración intracelular de potasio

Incluso si dos iones diferentes tienen la misma carga (es decir, K ⁺ y Na ⁺ ), todavía pueden tener potenciales de equilibrio muy diferentes, siempre que sus concentraciones externas y/o internas difieran. Tomemos, por ejemplo, los potenciales de equilibrio del potasio y el sodio en las neuronas. El potencial de equilibrio del potasio E _K es −84 mV con 5 mM de potasio en el exterior y 140 mM en el interior. Por otro lado, el potencial de equilibrio del sodio, E _Na , es aproximadamente +66 mV con aproximadamente 12 mM de sodio en el interior y 140 mM en el exterior. ^{[nota 1]}

Cambios en el potencial de membrana durante el desarrollo.

El potencial de membrana en reposo de una neurona en realidad cambia durante el desarrollo de un organismo. Para que una neurona finalmente adopte su función adulta completa, su potencial debe estar estrictamente regulado durante el desarrollo. A medida que un organismo avanza en el desarrollo, el potencial de membrana en reposo se vuelve más negativo. ^[21] Las células gliales también se diferencian y proliferan a medida que avanza el desarrollo en el cerebro . ^[22] La adición de estas células gliales aumenta la capacidad del organismo para regular el potasio extracelular . La caída del potasio extracelular puede provocar una disminución del potencial de membrana de 35 mV. ^[23]

Excitabilidad celular

La excitabilidad celular es el cambio en el potencial de membrana necesario para las respuestas celulares en diversos tejidos. La excitabilidad celular es una propiedad que se induce durante la embriogénesis temprana. ^[24] La excitabilidad de una célula también se ha definido como la facilidad con la que se puede desencadenar una respuesta. ^[25] Los potenciales de reposo y de umbral forman la base de la excitabilidad celular y estos procesos son fundamentales para la generación de potenciales graduados y de acción.

Los reguladores más importantes de la excitabilidad celular son las concentraciones de electrolitos extracelulares (es decir, Na ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ , Cl ⁻ , Mg ²⁺ ) y las proteínas asociadas. Las proteínas importantes que regulan la excitabilidad celular son los canales iónicos dependientes de voltaje , los transportadores de iones (p. ej., Na+/K+-ATPasa , transportadores de magnesio , transportadores ácido-base ), receptores de membrana y canales activados por nucleótidos cíclicos activados por hiperpolarización . ^[26] Por ejemplo, los canales de potasio y los receptores sensores de calcio son importantes reguladores de la excitabilidad en las neuronas , los miocitos cardíacos y muchas otras células excitables como los astrocitos . ^[27] El ion calcio también es el segundo mensajero más importante en la señalización de células excitables . La activación de los receptores sinápticos inicia cambios duraderos en la excitabilidad neuronal. ^{[28] Las hormonas} tiroidea , suprarrenal y otras también regulan la excitabilidad celular; por ejemplo, la progesterona y el estrógeno modulan la excitabilidad de las células del músculo liso del miometrio .

Se considera que muchos tipos de células tienen una membrana excitable. Las células excitables son neuronas, músculos ( cardíacos , esqueléticos , lisos ), células endoteliales vasculares , pericitos , células yuxtaglomerulares , células intersticiales de Cajal , muchos tipos de células epiteliales (por ejemplo , células beta , células alfa , células delta , células enteroendocrinas , células neuroendocrinas pulmonares) . , pinealocitos ), células gliales (p. ej., astrocitos), células mecanorreceptoras (p. ej. , células ciliadas y células de Merkel ), células quimiorreceptoras (p. ej. , células glómicas , receptores gustativos ), algunas células vegetales y posiblemente células inmunitarias . ^[29] Los astrocitos muestran una forma de excitabilidad no eléctrica basada en variaciones del calcio intracelular relacionadas con la expresión de varios receptores a través de los cuales pueden detectar la señal sináptica. En las neuronas, existen diferentes propiedades de membrana en algunas partes de la célula; por ejemplo, la excitabilidad dendrítica dota a las neuronas de la capacidad de detectar coincidencias de entradas espacialmente separadas. ^[30]

Circuito equivalente

Circuito equivalente para un parche de membrana, que consta de una capacitancia fija en paralelo con cuatro vías, cada una de las cuales contiene una batería en serie con una conductancia variable.

Los electrofisiólogos modelan los efectos de las diferencias de concentración iónica, los canales iónicos y la capacitancia de la membrana en términos de un circuito equivalente , que pretende representar las propiedades eléctricas de un pequeño parche de membrana. El circuito equivalente consta de un condensador en paralelo con cuatro vías, cada una de las cuales consta de una batería en serie con conductancia variable. La capacitancia está determinada por las propiedades de la bicapa lipídica y se considera fija. Cada una de las cuatro vías paralelas proviene de uno de los iones principales: sodio, potasio, cloruro y calcio. El voltaje de cada vía iónica está determinado por las concentraciones del ion a cada lado de la membrana; Consulte la sección sobre potencial de reversión más arriba. La conductancia de cada vía iónica en cualquier momento está determinada por los estados de todos los canales iónicos que son potencialmente permeables a ese ion, incluidos los canales de fuga, los canales activados por ligando y los canales iónicos activados por voltaje.

Circuito reducido obtenido combinando las vías específicas de iones utilizando la ecuación de Goldman.

Para concentraciones fijas de iones y valores fijos de conductancia del canal iónico, el circuito equivalente se puede reducir aún más, utilizando la ecuación de Goldman como se describe a continuación, a un circuito que contiene una capacitancia en paralelo con una batería y conductancia. En términos eléctricos, este es un tipo de circuito RC (circuito de resistencia-capacitancia) y sus propiedades eléctricas son muy simples. A partir de cualquier estado inicial, la corriente que fluye a través de la conductancia o la capacitancia decae con un curso de tiempo exponencial, con una constante de tiempo de τ = RC , donde C es la capacitancia del parche de membrana y R = 1/g _neto es la resistencia neta. En situaciones realistas, la constante de tiempo suele estar en el rango de 1 a 100 milisegundos. En la mayoría de los casos, los cambios en la conductancia de los canales iónicos ocurren en una escala de tiempo más rápida, por lo que un circuito RC no es una buena aproximación; sin embargo, la ecuación diferencial utilizada para modelar un parche de membrana suele ser una versión modificada de la ecuación del circuito RC.

Potencial de reposo

Cuando el potencial de membrana de una célula permanece durante un largo período de tiempo sin cambiar significativamente, se lo denomina potencial de reposo o voltaje de reposo. Este término se utiliza para el potencial de membrana de células no excitables, pero también para el potencial de membrana de células excitables en ausencia de excitación. En las células excitables, los otros estados posibles son potenciales de membrana graduados (de amplitud variable) y potenciales de acción, que son aumentos grandes, de todo o nada, en el potencial de membrana que generalmente siguen un curso temporal fijo. Las células excitables incluyen neuronas , células musculares y algunas células secretoras de las glándulas . Sin embargo, incluso en otros tipos de células, el voltaje de la membrana puede sufrir cambios en respuesta a estímulos ambientales o intracelulares. Por ejemplo, la despolarización de la membrana plasmática parece ser un paso importante en la muerte celular programada . ^[31]

Las interacciones que generan el potencial de reposo se modelan mediante la ecuación de Goldman . ^[32] Esto es similar en forma a la ecuación de Nernst que se muestra arriba, en el sentido de que se basa en las cargas de los iones en cuestión, así como en la diferencia entre sus concentraciones internas y externas. Sin embargo, también tiene en cuenta la permeabilidad relativa de la membrana plasmática a cada ion en cuestión.

${\displaystyle E_{m}={\frac {RT}{F}}\ln {\left({\frac {P_{\mathrm {K} }[\mathrm {K} ^{+}]_{\mathrm {out} }+P_{\mathrm {Na} }[\mathrm {Na} ^{+}]_{\mathrm {out} }+P_{\mathrm {Cl} }[\mathrm {Cl} ^{-}]_{\mathrm {in} }}{P_{\mathrm {K} }[\mathrm {K} ^{+}]_{\mathrm {in} }+P_{\mathrm {Na} }[\mathrm {Na} ^{+}]_{\mathrm {in} }+P_{\mathrm {Cl} }[\mathrm {Cl} ^{-}]_{\mathrm {out} }}}\right)}}$

Los tres iones que aparecen en esta ecuación son potasio (K ⁺ ), sodio (Na ⁺ ) y cloruro (Cl ⁻ ). Se omite el calcio, pero se puede añadir para hacer frente a situaciones en las que desempeña un papel importante. ^[33] Al ser un anión, los términos cloruro se tratan de manera diferente a los términos catión; la concentración intracelular está en el numerador y la concentración extracelular en el denominador, que es el opuesto de los términos catiónicos. Pi representa la permeabilidad relativa del ion tipo i _.

En esencia, la fórmula de Goldman expresa el potencial de membrana como un promedio ponderado de los potenciales de inversión para los tipos de iones individuales, ponderados por la permeabilidad. (Aunque el potencial de membrana cambia alrededor de 100 mV durante un potencial de acción, las concentraciones de iones dentro y fuera de la célula no cambian significativamente. Permanecen cerca de sus concentraciones respectivas cuando la membrana está en potencial de reposo). En la mayoría de las células animales, el la permeabilidad al potasio es mucho mayor en estado de reposo que la permeabilidad al sodio. Como consecuencia, el potencial de reposo suele estar cerca del potencial de inversión del potasio. ^{[34] [35]} La permeabilidad al cloruro puede ser lo suficientemente alta como para ser significativa, pero, a diferencia de los otros iones, el cloruro no se bombea activamente y, por lo tanto, se equilibra en un potencial de inversión muy cercano al potencial de reposo determinado por los otros iones.

Los valores del potencial de membrana en reposo en la mayoría de las células animales suelen variar entre el potencial de inversión del potasio (normalmente alrededor de -80 mV) y alrededor de -40 mV. El potencial de reposo en las células excitables (capaces de producir potenciales de acción) suele ser cercano a -60 mV; voltajes más despolarizados conducirían a la generación espontánea de potenciales de acción. Las células inmaduras o indiferenciadas muestran valores de voltaje en reposo muy variables, normalmente significativamente más positivos que en las células diferenciadas. ^[36] En tales células, el valor del potencial de reposo se correlaciona con el grado de diferenciación: las células indiferenciadas en algunos casos pueden no mostrar ninguna diferencia de voltaje transmembrana.

El mantenimiento del potencial de reposo puede ser metabólicamente costoso para una célula debido a su necesidad de bombeo activo de iones para contrarrestar las pérdidas debidas a los canales de fuga. El costo es mayor cuando la función celular requiere un valor de voltaje de membrana especialmente despolarizado. Por ejemplo, el potencial de reposo de los fotorreceptores de la mosca azul ( Calliphora vicina ) adaptados a la luz del día puede llegar a -30 mV. ^[37] Este elevado potencial de membrana permite que las células respondan muy rápidamente a las entradas visuales; El costo es que el mantenimiento del potencial de reposo puede consumir más del 20% del ATP celular total . ^[38]

Por otro lado, el alto potencial de reposo en las células indiferenciadas no necesariamente implica un alto costo metabólico. Esta aparente paradoja se resuelve examinando el origen de ese potencial de reposo. Las células poco diferenciadas se caracterizan por una resistencia de entrada extremadamente alta, ^[36] lo que implica que hay pocos canales de fuga presentes en esta etapa de la vida celular. Como resultado aparente, la permeabilidad del potasio se vuelve similar a la de los iones de sodio, lo que coloca el potencial de reposo entre los potenciales de inversión del sodio y el potasio como se analizó anteriormente. Las corrientes de fuga reducidas también significan que hay poca necesidad de bombeo activo para compensar, por lo que el coste metabólico es bajo.

potenciales graduados

Como se explicó anteriormente, el potencial en cualquier punto de la membrana celular está determinado por las diferencias de concentración de iones entre las áreas intracelular y extracelular, y por la permeabilidad de la membrana a cada tipo de ion. Las concentraciones de iones normalmente no cambian muy rápidamente (con la excepción de Ca ²⁺ , donde la concentración intracelular inicial es tan baja que incluso una pequeña entrada puede aumentarla en órdenes de magnitud), pero las permeabilidades de los iones pueden cambiar en un fracción de milisegundo, como resultado de la activación de canales iónicos activados por ligando. El cambio en el potencial de membrana puede ser grande o pequeño, dependiendo de cuántos canales iónicos estén activados y de qué tipo sean, y puede ser largo o corto, dependiendo del tiempo que los canales permanezcan abiertos. Los cambios de este tipo se denominan potenciales graduados , a diferencia de los potenciales de acción, que tienen una amplitud y un curso temporal fijos.

Como se puede derivar de la ecuación de Goldman mostrada anteriormente, el efecto de aumentar la permeabilidad de una membrana a un tipo particular de ion desplaza el potencial de membrana hacia el potencial de inversión de ese ion. Por tanto, la apertura de los canales de Na ⁺ desplaza el potencial de membrana hacia el potencial de inversión de Na ⁺ , que suele ser de alrededor de +100 mV. De manera similar, la apertura de los canales de K ⁺ desplaza el potencial de membrana hacia aproximadamente –90 mV, y la apertura de los canales de Cl ⁻ lo desplaza hacia aproximadamente –70 mV (potencial de reposo de la mayoría de las membranas). Así, los canales de Na ⁺ desplazan el potencial de membrana en una dirección positiva, los canales de K ⁺ lo desplazan en una dirección negativa (excepto cuando la membrana está hiperpolarizada a un valor más negativo que el potencial de inversión de K ^{+ ) y los canales de} Cl- tienden a desplazarse. hacia el potencial de reposo.

Gráfico que muestra un EPSP, un IPSP y la suma de un EPSP y un IPSP

Los potenciales de membrana graduados son particularmente importantes en las neuronas , donde son producidos por las sinapsis ; un cambio temporal en el potencial de membrana producido por la activación de una sinapsis por un único potencial graduado o de acción se llama potencial postsináptico . Los neurotransmisores que actúan para abrir los canales de Na ⁺ suelen hacer que el potencial de membrana se vuelva más positivo, mientras que los neurotransmisores que activan los canales de K ⁺ suelen hacer que se vuelva más negativo; aquellos que inhiben estos canales tienden a tener el efecto contrario.

El hecho de que un potencial postsináptico se considere excitador o inhibidor depende del potencial de inversión de los iones de esa corriente y del umbral para que la célula active un potencial de acción (alrededor de –50 mV). Una corriente postsináptica con un potencial de inversión superior al umbral, como una corriente típica de Na ⁺ , se considera excitadora. Una corriente con un potencial de inversión por debajo del umbral, como una corriente típica de K ⁺ , se considera inhibidora. Una corriente con un potencial de inversión por encima del potencial de reposo, pero por debajo del umbral, no provocará por sí sola potenciales de acción, pero producirá oscilaciones del potencial de membrana por debajo del umbral . Así, los neurotransmisores que actúan para abrir los canales de Na ⁺ producen potenciales postsinápticos excitadores , o EPSP, mientras que los neurotransmisores que actúan para abrir los canales de K ⁺ o Cl- ^suelen producir potenciales postsinápticos inhibidores , o IPSP. Cuando se abren varios tipos de canales dentro del mismo período de tiempo, sus potenciales postsinápticos se suman (se suman).

Otros valores

Desde el punto de vista de la biofísica, el potencial de membrana en reposo es simplemente el potencial de membrana que resulta de las permeabilidades de la membrana que predominan cuando la célula está en reposo. La ecuación anterior de promedios ponderados siempre se aplica, pero el siguiente enfoque puede visualizarse más fácilmente. En un momento dado, hay dos factores para un ion que determinan cuánta influencia tendrá ese ion sobre el potencial de membrana de una célula:

1. La fuerza impulsora de ese ion
2. La permeabilidad de ese ion.

Si la fuerza impulsora es alta, entonces el ion está siendo "empujado" a través de la membrana. Si la permeabilidad es alta, será más fácil que el ion se difunda a través de la membrana.

• La fuerza impulsora es la fuerza eléctrica neta disponible para mover ese ion a través de la membrana. _{Se calcula como la diferencia entre el voltaje en el} que el ion "quiere" estar (su potencial de equilibrio) y el potencial de membrana real ( Em ). Entonces, en términos formales, la fuerza impulsora de un ion = E _m - E _ion
• Por ejemplo, en nuestro potencial de reposo calculado anteriormente de −73 mV, la fuerza impulsora sobre el potasio es 7 mV: (−73 mV) − (−80 mV) = 7 mV. La fuerza impulsora sobre el sodio sería (−73 mV) − (60 mV) = −133 mV.
• La permeabilidad es una medida de la facilidad con la que un ion puede cruzar la membrana. Normalmente se mide como conductancia (eléctrica) y la unidad, siemens , corresponde a 1 C·s ⁻¹ ·V ⁻¹ , es decir, un culombio por segundo por voltio de potencial.

Entonces, en una membrana en reposo, si bien la fuerza impulsora del potasio es baja, su permeabilidad es muy alta. El sodio tiene una enorme fuerza impulsora pero casi no tiene permeabilidad en reposo. En este caso, el potasio transporta aproximadamente 20 veces más corriente que el sodio y, por tanto, tiene 20 veces más influencia sobre Em que el sodio _.

Sin embargo, consideremos otro caso: el pico del potencial de acción. Aquí, la permeabilidad al Na es alta y la permeabilidad al K es relativamente baja. Por lo tanto, la membrana se mueve cerca de E Na _y lejos de E _K.

Cuanto más permeables son los iones, más complicado resulta predecir el potencial de membrana. Sin embargo, esto se puede hacer usando la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz o la ecuación de medias ponderadas. Al conectar los gradientes de concentración y las permeabilidades de los iones en cualquier instante, se puede determinar el potencial de membrana en ese momento. Lo que significan las ecuaciones de GHK es que, en cualquier momento, el valor del potencial de membrana será un promedio ponderado de los potenciales de equilibrio de todos los iones permeantes. La "ponderación" es la permeabilidad relativa de los iones a través de la membrana.

Efectos e implicaciones

Si bien las células gastan energía para transportar iones y establecer un potencial transmembrana, utilizan este potencial a su vez para transportar otros iones y metabolitos como el azúcar. El potencial transmembrana de las mitocondrias impulsa la producción de ATP , que es la moneda común de la energía biológica.

Las células pueden aprovechar la energía que almacenan en el potencial de reposo para impulsar potenciales de acción u otras formas de excitación. Estos cambios en el potencial de membrana permiten la comunicación con otras células (como ocurre con los potenciales de acción) o inician cambios dentro de la célula, lo que ocurre en un óvulo cuando es fertilizado por un espermatozoide .

Los cambios en las propiedades dieléctricas de la membrana plasmática pueden actuar como sello distintivo de afecciones subyacentes como la diabetes y la dislipidemia. ^[39]

En las células neuronales, un potencial de acción comienza con una avalancha de iones de sodio hacia la célula a través de canales de sodio, lo que resulta en la despolarización, mientras que la recuperación implica una avalancha de potasio hacia afuera a través de canales de potasio. Ambos flujos se producen por difusión pasiva .

Una dosis de sal puede hacer que las neuronas aún activas de un corte de carne fresca se activen, provocando espasmos musculares. ^{[40] [41] [42] [43] [44]}

Ver también

• Bioelectroquímica
• Potencial quimiosmótico
• potencial electroquímico
• ecuación de goldman
• Biofísica de membranas
• Matriz de microelectrodos
• Conducción saltatoria
• Potencial de superficie
• Efecto Gibbs-Donnan
• Potencial sináptico

Notas

1. Los signos de E _Na y E _K son opuestos. Esto se debe a que el gradiente de concentración de potasio se dirige fuera de la célula, mientras que el gradiente de concentración de sodio se dirige hacia el interior de la célula. Los potenciales de membrana se definen en relación con el exterior de la célula; por tanto, un potencial de −70 mV implica que el interior de la celda es negativo con respecto al exterior.

Referencias

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Otras lecturas

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• Guyton, Arthur C., John E. Hall. Libro de texto de fisiología médica . Compañía WB Saunders; 10.ª edición (15 de agosto de 2000). ISBN 0-7216-8677-X . Nivel de pregrado. 
• Hille, B. Canal iónico de membranas excitables Sinauer Associates, Sunderland, MA, EE. UU.; 1.ª edición, 1984. ISBN 0-87893-322-0 
• Nicholls, JG, Martin, AR y Wallace, BG De la neurona al cerebro Sinauer Associates, Inc. Sunderland, MA, EE. UU., 3.ª edición, 1992. ISBN 0-87893-580-0 
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• Serie médica nacional para estudios independientes. Fisiología . Lippincott Williams y Wilkins. Filadelfia, PA, EE. UU., 4.ª edición, 2001. ISBN 0-683-30603-0 

enlaces externos

• Funciones de la membrana celular
• Simulador de ecuaciones de Nernst/Goldman
• Calculadora de ecuaciones de Nernst
• Calculadora de ecuaciones de Goldman-Hodgkin-Katz
• Calculadora de fuerza impulsora electroquímica
• El origen del potencial de membrana en reposo: tutorial interactivo en línea (Flash)