Mecanismos Eléctricos de la Membrana Neuronal: Potencial de Reposo y Acción

La bomba de sodio-potasio (Na+/K+) es crucial para la función neuronal, ya que:

• Genera un potencial negativo en el interior de la membrana.
• Genera y mantiene grandes gradientes de concentración iónica.

Origen del Potencial de Membrana en Reposo

El potencial de membrana en reposo es el resultado de varios factores clave que establecen una diferencia de carga eléctrica entre el interior y el exterior de la célula:

• Difusión de iones de potasio (K+): Es el contribuyente principal. La alta permeabilidad de la membrana en reposo al K+ permite que estos iones salgan de la célula a favor de su gradiente de concentración, dejando un exceso de cargas negativas en el interior.
• Difusión de iones de sodio (Na+): La membrana es mucho menos permeable al Na+, pero una pequeña entrada de estos iones contrarresta ligeramente el efecto del potasio, haciendo que el potencial de reposo sea un poco menos negativo de lo que sería si solo dependiera del K+.
• Bomba de sodio-potasio (Na+/K+): Esta bomba contribuye directamente al potencial negativo, ya que expulsa tres iones de Na+ por cada dos iones de K+ que introduce. Este bombeo desigual de cargas positivas genera un déficit neto de cargas positivas en el interior de la célula.

El Potencial de Acción Nervioso

Un potencial de acción es una señal eléctrica que viaja a lo largo de la neurona. Comienza con un cambio súbito desde el potencial de membrana negativo en reposo hasta un potencial positivo y, después, termina con un cambio casi igual de rápido de nuevo hacia el potencial negativo.

Fases del Potencial de Acción

• Fase de reposo: Antes de que comience el potencial de acción, la membrana está polarizada debido al potencial de membrana negativo de aproximadamente -90 mV.
• Fase de despolarización: La membrana se vuelve súbitamente muy permeable a los iones de sodio (Na+). El estado polarizado se neutraliza y el potencial aumenta rápidamente en dirección positiva, alcanzando un valor positivo.
• Fase de repolarización: En una fracción de segundo, los canales de Na+ comienzan a cerrarse y los canales de K+ se abren más de lo normal. De esta manera, la rápida difusión de iones de potasio (K+) hacia el exterior restablece el potencial de membrana en reposo negativo.

Canales de Sodio (Na+) Activados por Voltaje

El canal de Na+ activado por voltaje es fundamental tanto para la despolarización como para la repolarización de la membrana neuronal.

• Posee dos compuertas:
  • Compuerta de activación: Ubicada cerca del exterior del canal.
  • Compuerta de inactivación: Ubicada cerca del interior del canal.
• En el estado de reposo de la membrana (-90 mV), la compuerta de activación permanece cerrada, impidiendo la entrada de Na+ hacia el interior de la fibra.

Activación del Canal de Sodio

• Se produce cuando el potencial de membrana se vuelve menos negativo que durante el estado de reposo (es decir, se desplaza desde -90 mV hacia cero).
• Durante este estado, el Na+ puede atravesar el canal, aumentando la permeabilidad de la membrana al Na+ entre 500 y 5.000 veces.

Inactivación del Canal de Sodio

• El mismo aumento de voltaje que abre la compuerta de activación también cierra la compuerta de inactivación.
• Este proceso de cierre es más lento que el cambio conformacional que abre la compuerta de activación.
• La compuerta de inactivación no se vuelve a abrir hasta que el potencial de membrana se normaliza o se acerca a los valores de reposo.

Canales de Potasio (K+) Activados por Voltaje y su Activación

• Se activan cuando el potencial de membrana aumenta desde -90 mV hacia cero, lo que incrementa la difusión de K+ hacia el exterior de la célula.
• Los canales de K+ se abren de manera más lenta, coincidiendo con el momento en que los canales de Na+ comienzan a cerrarse (inactivarse).
• Esta combinación de cierre de canales de Na+ y apertura de canales de K+ acelera significativamente el proceso de repolarización.

Técnica de Medición: La Pinza de Voltaje (Voltage Clamp)

Esta técnica fue tan ingeniosa que les valió el Premio Nobel a sus creadores, los científicos Hodgkin y Huxley.

La pinza de voltaje (o voltage clamp) es un método experimental que se utiliza para medir el flujo de iones a través de los diferentes canales de la membrana. Se basa en la inserción de dos electrodos en una fibra nerviosa:

• Un electrodo mide el voltaje del potencial de membrana.
• El otro electrodo inyecta la corriente eléctrica necesaria para mantener (o "fijar") el voltaje de la membrana en un nivel determinado por el investigador.

Resultados Obtenidos con la Pinza de Voltaje

Mediante esta técnica, se pueden observar los cambios típicos en la conductancia (la facilidad con la que los iones fluyen) de los canales de sodio y potasio activados por el voltaje:

• Canales de sodio: Muestran una apertura súbita (fase de activación) en una pequeña fracción de milisegundo después de que el potencial de membrana alcanza un valor umbral positivo.
• Canales de potasio: Su apertura (activación) es más lenta. Alcanzan su estado de máxima apertura solo después de que los canales de sodio se han cerrado casi por completo.