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Potencial de membrana
El potencial de membrana en reposo es la diferencia entre el potencial eléctrico en las matrices intracelular y extracelular de la célula cuando no está excitada. Cada célula del cuerpo tiene su propio potencial de membrana, pero sólo las células excitables (nervios y músculos) son capaces de modificarlo y generar un potencial de acción.
Por esta razón, el potencial de membrana de las células excitables cuando no están excitadas se denomina potencial de membrana en reposo, mientras que sus cambios se asocian con un potencial de acción.
Este artículo analizará la definición del potencial de membrana, su fisiología, de dónde se origina y cómo sus valores afectan la capacidad de la célula para generar el potencial de acción (impulso).
| Definición | Diferencia entre el potencial eléctrico de las matrices de membrana celular cuando la célula no está excitada |
| Factores que determinan el potencial de membrana |
Diferencia entre concentración iónica intra y extracelular Bomba Na-K Permeabilidad de la membrana celular a los iones |
Definición
El potencial de membrana en reposo se origina a partir de las diferentes concentraciones de iones (expresadas en mmol/l) en la superficie interna y externa de la membrana celular. Existen cuatro tejidos excitables en nuestro cuerpo y todos ellos tienen diferentes valores de potenciales de membrana en reposo:
- Células de músculo esquelético= -90 millivolts (mV)
- Células de músculo liso= -55mV
- Células de músculo cardíaco= -80mV
- Neuronas= -65mV
Los valores negativos indican que el citosol (líquido intracelular) es más electronegativo que el líquido extracelular. Los valores del potencial de membrana en reposo dependen de varios factores:
- Concentración de iones dentro y fuera de la célula. Los iones que contribuyen principalmente son el sodio, potasio, calcio y cloruro.
- Actividad de la bomba sodio-potasio.
- Permeabilidad variable de la membrana celular para los iones.
Iones
Existen muchos iones en la célula y en el espacio extracelular, pero no todos pueden atravesar la membrana celular. Los que pueden hacerlo se denominan iones difusibles (sodio, potasio, calcio y cloruro), y los que no, iones no difusibles (proteínas). No obstante, ambos grupos de iones contribuyen al potencial de membrana. ¿Por qué? Los iones son elementos químicos que transportan electricidad, algunos positivos (+) y otros negativos (-). Por lo general, hay más iones negativos dentro de la célula que fuera, por lo que el potencial de membrana en reposo tiene un valor negativo. Esta negatividad se debe principalmente a las proteínas no difusibles (-).
Los iones difusibles son los responsables del cambio del potencial de membrana. Durante el potencial de acción, se produce una redistribución de los iones, donde entran grandes cantidades de sodio (+) en la célula, lo que hace que el potencial de membrana sea menos negativo y más cercano al umbral del potencial de acción.
| Espacio intracelular |
Sodio = 14 mmol/l Potasio = 140 mmol/l Calcio = 0.0001 mmol/l Cloruro = 5 mmol/l |
| Espacio extracelular |
Sodio = 142 mmol/l Potasio = 4-5 mmol/l Calcio = 2.5 mmol/l Cloruro = 103 mmol/l |
Bomba de sodio-potasio (bomba Na-K)
Otro factor que controla el potencial de membrana es la bomba Na (+)-K (-) ATPasa. Esta bomba usa energía para eliminar 3 moléculas de sodio a cambio de 2 moléculas de potasio. Esto es importante porque esta bomba crea gradientes de concentración para sodio y potasio, permitiendo más sodio en el espacio extracelular y más potasio en el espacio intracelular.
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El gradiente de concentración contribuirá posteriormente a generar un potencial de acción, debido a una de las leyes de la física. Por definición, el gradiente de concentración implica que cada elemento modifica su gradiente de concentración para buscar el equilibrio. Por ejemplo, los iones se difundirán desde un lugar de mayor concentración a un lugar de menor concentración hasta que la concentración del elemento sea igual en ambos lados. Esto significa que el sodio se difundirá desde el espacio extracelular al intracelular y el potasio hará lo contrario. Puedes encontrar más información sobre este proceso en nuestro artículo sobre el potencial de acción.
Permeabilidad de la membrana celular
El tercer factor que afecta el potencial de membrana es la permeabilidad de la membrana para sodio y potasio, que depende de los canales iónicos. Los canales iónicos son proteínas especializadas de la membrana celular que permiten la migración de los iones. Existen dos tipos de canales iónicos:
- Canales pasivos: que son los poros dentro de la membrana celular a través de los cuales pasan las moléculas dependiendo de su gradiente de concentración.
- Canales activos: que se abren y permiten el transporte de iones ya sea dependiendo del cambio del potencial de membrana (canales controlados por potencial) o después de la unión de alguna otra proteína (canales controlados por ligando), o luego de una estimulación mecánica.
Los poros contribuyen a establecer el potencial de membrana en reposo y se encuentran a lo largo de toda la membrana celular excitable. Cuando la célula no está excitada, la difusión de iones se produce solo a través de los poros. Nótese que durante el reposo hay muchos más poros abiertos para el potasio que para el sodio. Por ello, la salida de potasio es mayor que la entrada de sodio, lo que contribuye a mantener la negatividad del espacio intracelular y el potencial de membrana en reposo.
Los canales activados por ligando se localizan cerca de las sinapsis y son responsables de la hipo o hiperpolarización local de la célula después de que el neurotransmisor se une a estos. Los canales activados por potencial son responsables de generar y propagar un potencial de acción, lo que finalmente provoca la liberación de un neurotransmisor. Se encuentran en las membranas de los axones y en sus terminales.
Potencial de equilibrio
Desde el aspecto de concentración de gradiente, esperaríamos que todos los iones difusibles pasen a través de la membrana celular hasta que sus concentraciones se igualen en ambos lados. Pero aún así, esto no sucede. ¿Por qué? Hay otro componente físico en todo este proceso que se opone al gradiente de concentración llamado gradiente eléctrico, que funciona de manera similar a un imán.
Tomemos al potasio como un ejemplo. La concentración intracelular de potasio es de 140 mmol/L, mientras que la extracelular es de 4-5 mmol/l. Se esperaría que el potasio se difunda fuera de la célula hasta que haya alrededor de 70 mmol/l de potasio de ambos lados de la membrana. Pero, como el potasio es un ion positivo (+), su salida aumenta la positividad del espacio extracelular y aumenta la negatividad del espacio intracelular. Esto lleva al punto en el que el espacio extracelular es lo suficientemente positivo como para repeler el potasio y el espacio intracelular se vuelve lo suficientemente negativo como para atraer el potasio positivo. Este punto se llama equilibrio electroquímico. Los fisiólogos calcularon el valor del potencial de membrana en reposo cuando el potasio ya no puede difundirse fuera de la célula, y es -94 mV.
Ahora, echemos un vistazo al sodio, que también es un ion positivo. Debido al gradiente de concentración, el sodio tiende a ingresar a la célula. En algún momento, la célula se vuelve lo suficientemente electropositiva como para repeler los nuevos iones de sodio y, por lo tanto, se opone al gradiente de concentración de sodio, alcanzando el equilibrio electroquímico. El valor de electropositividad que detiene la entrada de sodio es +61 mV.
Como mencionamos anteriormente, la difusión de potasio afecta principalmente al potencial de membrana en reposo. Por otro lado, la difusión de sodio es masiva durante un potencial de acción. Esto implica dos cosas:
- El potencial de membrana no puede ser más negativo que -94 mV.
- El potencial de membrana no puede ser más positivo que +61 mV.
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Kim Bengochea, Universidad Regis, Denver
