En este tema se exponen los principios electrofisiológicos básicos para el
funcionamiento de las células excitables: neuronas y fibras musculares.
La mayoría de las células mantienen una diferencia de potencial eléctrico a través de
su membrana plasmática y, en estado de reposo, el interior es negativo con relación
al exterior: potencial de membrana (Vm). En las células excitables, como las
neuronas y las fibras musculares, la diferencia de potencial eléctrico es de –70 a –90
mV. En las células no excitables es de –10 a –30 mV. El término potencial de
membrana (Vm) se refiere al potencial en cualquier momento. En las células
excitables la mayoría de las señales implican cambios en el potencial de membrana:
- hiperpolarización: aumenta el potencial de membrana.
- despolarización: disminuye el potencial de membrana.
En las células excitables ese potencial de reposo negativo muestra intensos
cambios transitorios durante la actividad: potencial de acción. Estos potenciales se
originan como consecuencia de la desigual distribución de iones a través de la
membrana junto con las características de permeabilidad para cada uno de los iones.
La hiperpolarización disminuye la habilidad de las células para generar potenciales
de acción (es una señal inhibidora), mientras que la despolarización aumenta la
posibilidad de generación de un potencial de acción (señal excitadora).
Potencial de reposo: VR
El potencial de membrana en reposo se determina por el flujo de iones a través de
los canales iónicos pasivos (canales que están siempre abiertos, no dependen de la
unión de un ligando o de cambios de voltaje).
Las concentraciones de los iones dentro y fuera de la célula se mantienen gracias al
equilibrio entre dos fuerzas:
- una química: el gradiente de concentración.
- una eléctrica: la diferencia de potencial eléctrico.
De tal manera que existe un potencial que engloba a ambas fuerzas denominado
potencial electroquímico.
Si una célula fuera totalmente permeable al K+ e impermeable a todos los demás
iones, el K+ se movería según su gradiente electroquímico hacia el exterior y la
célula tendría un Vm de unos –100 mV; o sea sería igual al potencial de equilibrio
para el K+. Es decir: Ek= -100 mV. Si, por el contrario, fuese permeable al Na+ e
impermeable a todos los demás, su potencial de membrana sería igual a ENa= +55
mV.
Existe una ecuación que permite calcular el potencial de equilibrio para cualquier
ión, que es la Ecuación de Nernst:
por ejemplo, para el K+
EK= RT ln [K+]e
ZF [K+]i
R: constante de los gases= 1,98 cal/mol.grado.
T: temperatura Kelvin.
Z: valencia del K+.
F: constante de Faraday: 23,061 cal/volt.
a 37 ºC ( unos 310 Kelvin) sería:
Fisiología general. Xurxo Mariño
EK= 61 log [K+]e
[K+]i
Las células reales son parcialmente permeables al Na+ y al K+, por lo que su
potencial de membrana tendrá un valor intermedio. Este valor depende de las
permeabilidades al Na+ y K+ (PNa y PK).
Si las permeabilidades para ambos iones fuesen iguales el Vm sería el punto
intermedio entre Ek y ENa. En las células excitables estas permeabilidades no son
iguales y en reposo la permeabilidad para el K+ excede en mucho a la
permeabilidad para el Na+ (PK > PNa), porque hay menos canales para el Na+,
entonces el potencial de membrana en reposo se encuentra próximo al potencial de
equilibrio para el K+: es lo que se denomina potencial de reposo (VR), y es de
alrededor de –70 mV.
Por lo tanto, cuando el Vm está determinado por dos o más iones, cada ión tiene
una influencia que viene determinada por su concentración dentro y fuera y por la
permeabilidad de la membrana a tal ión. Esto se refleja en la Ecuación de
Goldman:
Vm= 61 log PK[K+]e + PNa[Na+]e + PCl[Cl-]i
PK[K+]i + PNa[Na+]i + PCl[Cl-]e
(El Cl- difunde de manera pasiva, de modo que el ECl = VR. De los tres iones a los que
la membrana es permeable, sólo el Cl- está en equilibrio en reposo).
El K+ tiende a salir de la célula y el Na+ a entrar, debido a que sus gradientes
electroquímicos netos así lo determinan. Esto conduciría gradualmente a la disipación
de los gradientes iónicos si no fuera por la existencia de la bomba de Na-K. Gracias a
ella el flujo neto de Na+ y K+ es cero, en reposo. Así que en el VR la célula no está en
equilibrio, sino en un “estado estacionario” gracias a la energía del ATP.
Potencial de acción
El potencial de acción es una despolarización transitoria de la membrana, de
manera que el interior de la célula se hace + con respecto al exterior, que es -.
¿Cómo ocurre? Aparte de los canales de Na+ por los que difunde el Na+ siguiendo el
gradiente electroquímico, hay otros canales de Na+ voltaje-dependientes, que sólo se
abren cuando la célula se despolariza (debido a alguna señal externa: unión de un
neurotransmisor a un receptor de membrana, por ejemplo). Cuanto más se
despolarice la célula, mayor número de estos canales se abrirán: se produce una
retroalimentación positiva, lo que hace que el aumento de Na+ en el interior sea
“explosivo”. Al abrirse los canales de Na+ la célula se despolariza un poco (además
sigue saliendo K+ que lo contrarresta), pero despolarizaciónes pequeñas producen
grandes aumentos de PNa (o sea, se abren más canales) => cuando la
despolarización sobrepasa un valor umbral, la permeabilidad al Na+ aumenta lo
suficiente para permitir que los iones Na+ entren más deprisa de lo que salen los
iones K+ => la célula se despolariza más, se abren más canales, y el ciclo se repite.
La PNa aumenta múchísimo (unas mil veces) y se hace mayor que PK (PNa > PK). Esto
hace que el Vm pase a ser de unos + 50 mV en el pico del potencial de acción (se
acerca al ENa = + 55 mV, pero no llega a ese valor debido al flujo de K+ al exterior).
Pronto la PNa disminuye y se restablecen nuevamente los valores de reposo, la célula
se repolariza.
Hay dos procesos que repolarizan la membrana:
Fisiología general. Xurxo Mariño
- apertura de canales de K+ voltaje- dependientes. Se abren con la despolarización,
pero con un cierto retraso.
- Inactivación de los canales de Na+.
Existe un tiempo entre dos potenciales de acción en el que la célula es inexcitable:
período refractario. Que puede ser absoluto (excitación imposible) o relativo
(posible, pero se necesita una mayor despolarización, ya que la célula se encuentra
ligeramente hiperpolarizada).
Si la despolarización no es suficiente para que la célula alcance el nivel umbral, los
iones de Na+ no bastan para contrarrestar la salida de K+, de forma que la
despolarización no persiste y el potencial vuelve a su valor de reposo. Estos son los
denominados potenciales locales. Estos potenciales son debidos a las propiedades
de cable de las células, son pasivos, se disipan y admiten sumación. Por el contrario,
los pot. de acción son activos, no se disipan y tienen una amplitud constante (la
duración es también bastante constante, alrededor de 1 mseg).
En el mantenimiento de las propiedades eléctricas de las células excitables es
fundamental el funcionamiento de la bomba de Na-K. Gracias a ella se mantiene el
Vm y se produce la repolarización después de cada potencial de acción. La cantidad
de Na+ y K+ necesarios para producir un sólo potencial de acción es de 3pmoles/cm2
de membrana, lo que representa el movimiento de 2.000.000.000.000 de iones (2 x
1012). Cada canal puede transportar alrededor de 100.000.000 iones/seg. (1 x 108).
Por lo tanto, para mantener la capacidad de generar potenciales de acción, las
baterías iónicas deben de ser recargadas continuamente por la bomba de Na-K.
Cuando, por ejemplo, se presiona contra el borde de una silla, puede que se nos
“duerma” la pierna: ello parece que se debe a la disminución de los gradientes
iónicos, debido a la falta de riego sanguíneo.
Propagación del potencial de acción
Se ha descrito el mecanismo por el que se produce un potencial de acción en un
punto de una membrana de una célula muscular o nerviosa. Estos potenciales se
propagan activamente a lo largo de la membrana plasmática: la corriente se propaga
desde la región ocupada por el potencial de acción a la membrana adyacente, en
donde se produce un nuevo potencial de acción. El flujo de corriente en el interior y
exterior de la célula causa una despolarización de los puntos próximos de la
membrana y, cuando se alcanza el umbral, aparece un nuevo potencial de acción. En
los axones no mielinizados y en las fibras musculares este mecanismo hace que el
potencial de acción se propague en todas direcciones a lo largo de la membrana
plasmática desde el punto de origen. La velocidad de propagación, denominada
velocidad de conducción, está determinada, entre otras variables, por la
resistencia del citoplasma (resistencia axial: ra). En las neuronas, los axones gruesos
tienen un área de sección más grande y, por lo tanto, menos ra, por lo que la
velocidad de conducción es mayor. Los axones gruesos de los mamíferos están
cubiertos con mielina, que es una envoltura constituída por la membrana celular de
células gliales, interrumpida cada pocos milímetros por regiones que carecen de ella:
nodos de Ranvier. La mielina actúa como aislante, de manera que aumenta mucho
la resistencia de la membrana celular (y disminuye su capacitancia), impidiendo la
difusión de corriente: favorece la transmisión de la despolarización pasiva que viaja
por el axón. El potencial de acción sólo se produce en estos nodos, en donde hay una
alta densidad de canales de Na+ voltaje-dependientes, y se propaga de un nodo a
otro de manera pasiva.
funcionamiento de las células excitables: neuronas y fibras musculares.
La mayoría de las células mantienen una diferencia de potencial eléctrico a través de
su membrana plasmática y, en estado de reposo, el interior es negativo con relación
al exterior: potencial de membrana (Vm). En las células excitables, como las
neuronas y las fibras musculares, la diferencia de potencial eléctrico es de –70 a –90
mV. En las células no excitables es de –10 a –30 mV. El término potencial de
membrana (Vm) se refiere al potencial en cualquier momento. En las células
excitables la mayoría de las señales implican cambios en el potencial de membrana:
- hiperpolarización: aumenta el potencial de membrana.
- despolarización: disminuye el potencial de membrana.
En las células excitables ese potencial de reposo negativo muestra intensos
cambios transitorios durante la actividad: potencial de acción. Estos potenciales se
originan como consecuencia de la desigual distribución de iones a través de la
membrana junto con las características de permeabilidad para cada uno de los iones.
La hiperpolarización disminuye la habilidad de las células para generar potenciales
de acción (es una señal inhibidora), mientras que la despolarización aumenta la
posibilidad de generación de un potencial de acción (señal excitadora).
Potencial de reposo: VR
El potencial de membrana en reposo se determina por el flujo de iones a través de
los canales iónicos pasivos (canales que están siempre abiertos, no dependen de la
unión de un ligando o de cambios de voltaje).
Las concentraciones de los iones dentro y fuera de la célula se mantienen gracias al
equilibrio entre dos fuerzas:
- una química: el gradiente de concentración.
- una eléctrica: la diferencia de potencial eléctrico.
De tal manera que existe un potencial que engloba a ambas fuerzas denominado
potencial electroquímico.
Si una célula fuera totalmente permeable al K+ e impermeable a todos los demás
iones, el K+ se movería según su gradiente electroquímico hacia el exterior y la
célula tendría un Vm de unos –100 mV; o sea sería igual al potencial de equilibrio
para el K+. Es decir: Ek= -100 mV. Si, por el contrario, fuese permeable al Na+ e
impermeable a todos los demás, su potencial de membrana sería igual a ENa= +55
mV.
Existe una ecuación que permite calcular el potencial de equilibrio para cualquier
ión, que es la Ecuación de Nernst:
por ejemplo, para el K+
EK= RT ln [K+]e
ZF [K+]i
R: constante de los gases= 1,98 cal/mol.grado.
T: temperatura Kelvin.
Z: valencia del K+.
F: constante de Faraday: 23,061 cal/volt.
a 37 ºC ( unos 310 Kelvin) sería:
Fisiología general. Xurxo Mariño
EK= 61 log [K+]e
[K+]i
Las células reales son parcialmente permeables al Na+ y al K+, por lo que su
potencial de membrana tendrá un valor intermedio. Este valor depende de las
permeabilidades al Na+ y K+ (PNa y PK).
Si las permeabilidades para ambos iones fuesen iguales el Vm sería el punto
intermedio entre Ek y ENa. En las células excitables estas permeabilidades no son
iguales y en reposo la permeabilidad para el K+ excede en mucho a la
permeabilidad para el Na+ (PK > PNa), porque hay menos canales para el Na+,
entonces el potencial de membrana en reposo se encuentra próximo al potencial de
equilibrio para el K+: es lo que se denomina potencial de reposo (VR), y es de
alrededor de –70 mV.
Por lo tanto, cuando el Vm está determinado por dos o más iones, cada ión tiene
una influencia que viene determinada por su concentración dentro y fuera y por la
permeabilidad de la membrana a tal ión. Esto se refleja en la Ecuación de
Goldman:
Vm= 61 log PK[K+]e + PNa[Na+]e + PCl[Cl-]i
PK[K+]i + PNa[Na+]i + PCl[Cl-]e
(El Cl- difunde de manera pasiva, de modo que el ECl = VR. De los tres iones a los que
la membrana es permeable, sólo el Cl- está en equilibrio en reposo).
El K+ tiende a salir de la célula y el Na+ a entrar, debido a que sus gradientes
electroquímicos netos así lo determinan. Esto conduciría gradualmente a la disipación
de los gradientes iónicos si no fuera por la existencia de la bomba de Na-K. Gracias a
ella el flujo neto de Na+ y K+ es cero, en reposo. Así que en el VR la célula no está en
equilibrio, sino en un “estado estacionario” gracias a la energía del ATP.
Potencial de acción
El potencial de acción es una despolarización transitoria de la membrana, de
manera que el interior de la célula se hace + con respecto al exterior, que es -.
¿Cómo ocurre? Aparte de los canales de Na+ por los que difunde el Na+ siguiendo el
gradiente electroquímico, hay otros canales de Na+ voltaje-dependientes, que sólo se
abren cuando la célula se despolariza (debido a alguna señal externa: unión de un
neurotransmisor a un receptor de membrana, por ejemplo). Cuanto más se
despolarice la célula, mayor número de estos canales se abrirán: se produce una
retroalimentación positiva, lo que hace que el aumento de Na+ en el interior sea
“explosivo”. Al abrirse los canales de Na+ la célula se despolariza un poco (además
sigue saliendo K+ que lo contrarresta), pero despolarizaciónes pequeñas producen
grandes aumentos de PNa (o sea, se abren más canales) => cuando la
despolarización sobrepasa un valor umbral, la permeabilidad al Na+ aumenta lo
suficiente para permitir que los iones Na+ entren más deprisa de lo que salen los
iones K+ => la célula se despolariza más, se abren más canales, y el ciclo se repite.
La PNa aumenta múchísimo (unas mil veces) y se hace mayor que PK (PNa > PK). Esto
hace que el Vm pase a ser de unos + 50 mV en el pico del potencial de acción (se
acerca al ENa = + 55 mV, pero no llega a ese valor debido al flujo de K+ al exterior).
Pronto la PNa disminuye y se restablecen nuevamente los valores de reposo, la célula
se repolariza.
Hay dos procesos que repolarizan la membrana:
Fisiología general. Xurxo Mariño
- apertura de canales de K+ voltaje- dependientes. Se abren con la despolarización,
pero con un cierto retraso.
- Inactivación de los canales de Na+.
Existe un tiempo entre dos potenciales de acción en el que la célula es inexcitable:
período refractario. Que puede ser absoluto (excitación imposible) o relativo
(posible, pero se necesita una mayor despolarización, ya que la célula se encuentra
ligeramente hiperpolarizada).
Si la despolarización no es suficiente para que la célula alcance el nivel umbral, los
iones de Na+ no bastan para contrarrestar la salida de K+, de forma que la
despolarización no persiste y el potencial vuelve a su valor de reposo. Estos son los
denominados potenciales locales. Estos potenciales son debidos a las propiedades
de cable de las células, son pasivos, se disipan y admiten sumación. Por el contrario,
los pot. de acción son activos, no se disipan y tienen una amplitud constante (la
duración es también bastante constante, alrededor de 1 mseg).
En el mantenimiento de las propiedades eléctricas de las células excitables es
fundamental el funcionamiento de la bomba de Na-K. Gracias a ella se mantiene el
Vm y se produce la repolarización después de cada potencial de acción. La cantidad
de Na+ y K+ necesarios para producir un sólo potencial de acción es de 3pmoles/cm2
de membrana, lo que representa el movimiento de 2.000.000.000.000 de iones (2 x
1012). Cada canal puede transportar alrededor de 100.000.000 iones/seg. (1 x 108).
Por lo tanto, para mantener la capacidad de generar potenciales de acción, las
baterías iónicas deben de ser recargadas continuamente por la bomba de Na-K.
Cuando, por ejemplo, se presiona contra el borde de una silla, puede que se nos
“duerma” la pierna: ello parece que se debe a la disminución de los gradientes
iónicos, debido a la falta de riego sanguíneo.
Propagación del potencial de acción
Se ha descrito el mecanismo por el que se produce un potencial de acción en un
punto de una membrana de una célula muscular o nerviosa. Estos potenciales se
propagan activamente a lo largo de la membrana plasmática: la corriente se propaga
desde la región ocupada por el potencial de acción a la membrana adyacente, en
donde se produce un nuevo potencial de acción. El flujo de corriente en el interior y
exterior de la célula causa una despolarización de los puntos próximos de la
membrana y, cuando se alcanza el umbral, aparece un nuevo potencial de acción. En
los axones no mielinizados y en las fibras musculares este mecanismo hace que el
potencial de acción se propague en todas direcciones a lo largo de la membrana
plasmática desde el punto de origen. La velocidad de propagación, denominada
velocidad de conducción, está determinada, entre otras variables, por la
resistencia del citoplasma (resistencia axial: ra). En las neuronas, los axones gruesos
tienen un área de sección más grande y, por lo tanto, menos ra, por lo que la
velocidad de conducción es mayor. Los axones gruesos de los mamíferos están
cubiertos con mielina, que es una envoltura constituída por la membrana celular de
células gliales, interrumpida cada pocos milímetros por regiones que carecen de ella:
nodos de Ranvier. La mielina actúa como aislante, de manera que aumenta mucho
la resistencia de la membrana celular (y disminuye su capacitancia), impidiendo la
difusión de corriente: favorece la transmisión de la despolarización pasiva que viaja
por el axón. El potencial de acción sólo se produce en estos nodos, en donde hay una
alta densidad de canales de Na+ voltaje-dependientes, y se propaga de un nodo a
otro de manera pasiva.
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