Potencial de membrana
El potencial de membrana en una célula se deriva en última instancia de dos factores: la fuerza eléctrica y la 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 en las que están muy concentradas a regiones en las que la concentración es baja.
VoltajeEdit
La tensión, 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 sencilla de una tensión viene dada por la ley de Ohm: V=IR, donde V es la tensión, I es la corriente y R es la resistencia. Si se coloca una fuente de tensión, como una batería, en un circuito eléctrico, cuanto mayor sea la tensión de la fuente, mayor será la cantidad de corriente que conducirá a través de la resistencia disponible. El significado funcional de la tensión reside únicamente en las diferencias de potencial entre dos puntos de un circuito. La idea de una tensión en un solo punto no tiene sentido. En la electrónica es habitual asignar una tensión de cero a un elemento del circuito elegido arbitrariamente y, a continuación, asignar tensiones a otros elementos medidos en relación con ese punto cero. No tiene ninguna importancia el elemento elegido como punto cero: la función de un circuito depende sólo de las diferencias, no de las tensiones en sí. 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 a la tensión en la biología celular. En los tejidos eléctricamente activos, la diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera puede medirse 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 célula y el signo de la diferencia de potencial entre el exterior y el interior viene determinado por el potencial del interior en relación con el cero exterior.
En términos matemáticos, la definición de tensión comienza con el concepto de campo eléctrico E, un campo vectorial que asigna una magnitud y una dirección a cada punto del espacio. En muchas situaciones, el campo eléctrico es un campo conservativo, lo que significa que puede expresarse como el gradiente de una función escalar V, es decir, E = -∇V. Este campo escalar V se denomina distribución de tensión. Nótese que la definición permite una constante de integración arbitraria, por lo que los valores absolutos de la tensión no tienen sentido. En general, los campos eléctricos pueden tratarse como conservadores sólo si los campos magnéticos no influyen significativamente en ellos, pero esta condición suele aplicarse bien a los tejidos biológicos.
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; a la inversa, 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 fuerte gradiente de tensión, implica que se ejerce una fuerte fuerza sobre cualquier partícula cargada que se encuentre dentro de la región.
Iones y las fuerzas que impulsan su movimientoEditar
Las señales eléctricas dentro de los organismos biológicos son, en general, impulsadas por iones. Los cationes más importantes para el potencial de acción son el sodio (Na+) y el potasio (K+). Ambos son cationes monovalentes que llevan una sola carga positiva. En los potenciales de acción también puede intervenir el calcio (Ca2+), que es un catión divalente con doble carga positiva. El anión cloruro (Cl-) desempeña un papel importante en los potenciales de acción de algunas algas, pero juega un papel insignificante en los potenciales de acción de la mayoría de los animales.
Los iones atraviesan la membrana celular bajo dos influencias: la difusión y los campos eléctricos. Un ejemplo sencillo en el que dos soluciones -A y B- están separadas por una barrera porosa ilustra que la difusión garantizará que finalmente se mezclen en soluciones iguales. Esta mezcla se produce debido a la diferencia de sus concentraciones. La región con alta concentración se difundirá hacia la región con baja concentración. Para ampliar el ejemplo, dejemos que la solución A tenga 30 iones de sodio y 30 iones de cloruro. Y que la solución B tenga sólo 20 iones de sodio y 20 iones de cloruro. Suponiendo que la barrera permita 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 en cuanto a los iones que la atraviesan, 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 atraviese la barrera desde su mayor concentración en la solución A hasta la menor concentración 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 de iones de cloruro en la solución A.
Esto significa que hay una carga neta positiva en la solución B por la mayor concentración de iones de sodio con carga positiva que de iones de cloruro con carga negativa. Del mismo modo, hay una carga neta negativa en la solución A debido a la mayor concentración de iones de cloruro negativos que de iones de sodio positivos. Dado que las cargas opuestas se atraen y las cargas similares se repelen, los iones están ahora también influenciados por los campos eléctricos así como por las fuerzas de difusión. Por lo tanto, es menos probable que los iones de sodio positivos se desplacen a la solución B, ahora más positiva, y permanezcan en la solución A, ahora más negativa. El punto en el que las fuerzas de los campos eléctricos contrarrestan completamente la fuerza debida a la difusión se denomina potencial de equilibrio. En este punto, el flujo neto del ion específico (en este caso el sodio) es cero.
Membranas plasmáticasEditar
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. Al estar formada por moléculas lipídicas, la membrana plasmática tiene intrínsecamente una alta resistividad eléctrica, es decir, 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 a otro de la membrana o de proporcionar canales a través de los cuales pueden moverse.
En la 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 fina que una acumulación de partículas cargadas en un lado da lugar a una fuerza eléctrica que tira de las partículas cargadas en sentido contrario hacia el otro lado. La capacitancia de la membrana se ve relativamente poco afectada por las moléculas que están incrustadas en ella, por lo que tiene un valor más o menos invariable que se estima en unos 2 μF/cm2 (la capacitancia total de un parche de membrana es proporcional a su área). Por otra parte, la conductancia de una bicapa lipídica pura es tan baja que, en situaciones biológicas, siempre está dominada por la conductancia de las vías alternativas proporcionadas por las moléculas incrustadas. Así, la capacitancia de la membrana es más o menos fija, pero la resistencia es muy variable.
Se calcula que el grosor de una membrana plasmática es de unos 7-8 nanómetros. Debido a que la membrana es tan fina, no se necesita un voltaje transmembrana muy grande para crear un fuerte campo eléctrico dentro de ella. 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 sostener; se ha calculado que una diferencia de voltaje mucho mayor que 200 milivoltios podría causar una ruptura dieléctrica, es decir, un arco a través de la membrana.
Difusión y transporte facilitadosEditar
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 de forma activa o pasiva, a través de los mecanismos denominados transporte facilitado y difusión facilitada. Los dos tipos de estructuras que desempeñan un papel más importante son los canales de iones y las bombas de iones, ambos formados normalmente por conjuntos de moléculas de proteínas. Los canales iónicos proporcionan vías de paso a través de las cuales pueden moverse los iones. En la mayoría de los casos, un canal iónico sólo es permeable a tipos específicos de iones (por ejemplo, sodio y potasio, pero no cloruro o calcio), y a veces la permeabilidad varía en función de la dirección del movimiento de los iones. Las bombas de iones, también conocidas como transportadores de iones o proteínas transportadoras, 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 iónicasEditar
Las bombas de iones son proteínas integrales de membrana que realizan un transporte activo, es decir, utilizan la energía celular (ATP) para «bombear» los iones contra su gradiente de concentración. Dichas 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 de potasio hacia dentro. Como consecuencia, la concentración de iones de potasio K+ dentro de la neurona es aproximadamente 20 veces mayor que la concentración exterior, mientras que la concentración de sodio fuera es aproximadamente nueve veces mayor que dentro. De manera similar, otros iones tienen concentraciones diferentes dentro y fuera de la neurona, como el calcio, el cloruro y el magnesio.
Si las cantidades de cada tipo de ion fueran iguales, la bomba de sodio-potasio sería eléctricamente neutra, pero, debido al intercambio de tres por dos, da un movimiento neto de una carga positiva de intracelular a extracelular por cada ciclo, contribuyendo así a una diferencia positiva de voltaje. La bomba tiene tres efectos: (1) hace que la concentración de sodio sea alta 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) 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 de las concentraciones de iones intracelulares y extracelulares. El potencial de acción implica principalmente la apertura y el cierre de los canales de iones, no de las bombas de iones. Si las bombas de iones se desactivan eliminando su fuente de energía o añadiendo un inhibidor como la ouabain, el axón puede seguir disparando cientos de miles de potenciales de acción antes de que sus amplitudes empiecen a decaer de forma significativa. En particular, las bombas de iones no desempeñan ningún papel significativo en la repolarización de la membrana después de un potencial de acción.
Otra bomba de iones funcionalmente importante es el intercambiador 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. Dado que el flujo neto de carga es hacia el interior, esta bomba funciona «cuesta abajo», en efecto, y por lo tanto no requiere ninguna fuente de energía excepto el voltaje de la membrana. Su efecto más importante es bombear el calcio hacia el exterior; también permite un flujo de sodio hacia el interior, contrarrestando así la bomba de sodio-potasio, pero, como 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 sodio-calcio es que, en estado de reposo, las concentraciones intracelulares de calcio se vuelven muy bajas.
Canales iónicosEditar
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 es típicamente tan pequeño que los iones deben pasar a través de él en orden de una sola fila. Los poros de los canales pueden estar abiertos o cerrados para el paso de iones, aunque varios canales presentan varios niveles de subconductancia. Cuando un canal está abierto, los iones permean a través del poro del canal por 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.
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 -que lo hace infranqueable para el ión- o a una parte separada de la proteína, que tapona el poro. Por ejemplo, el canal de sodio dependiente de voltaje sufre una inactivación, en la que una parte de la proteína se introduce en el poro, sellándolo. Esta inactivación cierra la corriente de sodio y desempeña un papel fundamental en el potencial de acción.
Los canales iónicos pueden clasificarse por la forma en que responden a su entorno. Por ejemplo, los canales de iones implicados en el potencial de acción son canales sensibles al voltaje; se abren y se cierran en respuesta al voltaje a través de la membrana. Los canales con ligando 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. Y 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 fugaEditar
Los canales de fuga son el tipo más sencillo 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 de cloruro. Incluso éstos no son perfectamente constantes en sus propiedades: En primer lugar, la mayoría de ellos son dependientes 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 cerrados por ligandos químicos aunque no requieren ligandos para funcionar.
Canales ligadosEditar
Los canales ligadosson 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 éstos. Un gran subgrupo funciona como receptores de neurotransmisores, es decir, se encuentran en sitios postsinápticos y el ligando químico que los abre 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 GABAA, un receptor para el neurotransmisor GABA que cuando se activa permite el paso de iones de cloruro.
Los receptores de neurotransmisores son activados por ligandos que aparecen en la zona extracelular, pero existen otros tipos de canales activados por ligandos que son controlados por interacciones en la parte intracelular.
Canales dependientes de voltajeEditar
Los canales iónicos dependientes de voltaje, también conocidos como canales iónicos dependientes de voltaje, son canales cuya permeabilidad está influida por el potencial de membrana. Forman otro grupo muy amplio, en el que cada miembro tiene una selectividad iónica particular y una dependencia de voltaje particular. Muchos de ellos también son dependientes del tiempo, es decir, 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 del voltaje que subyace a los potenciales de acción; a veces se denominan canales de sodio de Hodgkin-Huxley porque fueron caracterizados inicialmente por Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Huxley en sus estudios sobre la fisiología del potencial de acción, ganadores del Premio Nobel. El canal está cerrado en el nivel de voltaje de reposo, pero se abre bruscamente cuando el voltaje supera un determinado umbral, permitiendo una gran afluencia 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 de reposo, pero que se abre como consecuencia del gran cambio de voltaje producido durante el potencial de acción.
Potencial de inversiónEditar
El potencial de inversión (o potencial de equilibrio) de un ion es el valor del voltaje transmembrana en el que las fuerzas difusivas y eléctricas 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 manera que la corriente neta del ion a través de la membrana es cero e invariable. El potencial de inversión es importante porque da el voltaje que actúa sobre los canales permeables a ese ion; en otras palabras, da el voltaje que genera el gradiente de concentración de iones cuando actúa como una batería.
El potencial de equilibrio de un ion en particular suele designarse con la notación Eion.El potencial de equilibrio para cualquier ion puede calcularse utilizando la ecuación de Nernst. Por ejemplo, el potencial de inversión para los iones de potasio será el siguiente
E e q , K + = R T z F ln o i , {\displaystyle E_{eq,K^{+}={\frac {RT}{zF}}ln {\frac {_{o}},}
donde
- Eeq,K+ es el potencial de equilibrio para el potasio, medido en voltios
- R es la constante universal de los gases, igual a 8,314 julios-K-1-mol-1
- T es la temperatura absoluta, medida en kelvins (= K = grados Celsius + 273.15)
- Z es el número de cargas elementales del ion en cuestión que interviene en la reacción
- F es la constante de Faraday, igual a 96,485 culombios-mol-1 o J-V-1-mol-1
- O es la concentración extracelular de potasio medida en mol-m-3 o mmol-l-1
- i es la concentración intracelular de potasio
Incluso si dos iones diferentes tienen la misma carga (i.e., K+ y Na+), pueden tener potenciales de equilibrio muy diferentes, siempre que sus concentraciones externas y/o internas sean diferentes. Tomemos, por ejemplo, los potenciales de equilibrio del potasio y del sodio en las neuronas. El potencial de equilibrio del potasio EK es de -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, ENa, es de aproximadamente +66 mV con aproximadamente 12 mM de sodio en el interior y 140 mM en el exterior.
Cambios en el potencial de membrana durante el desarrolloEditar
El potencial de membrana en reposo de una neurona realmente cambia durante el desarrollo de un organismo. Para que una neurona adopte finalmente su función adulta completa, su potencial debe estar estrechamente regulado durante el desarrollo. A medida que un organismo avanza en su desarrollo, el potencial de membrana en reposo se vuelve más negativo. Las células gliales también se diferencian y proliferan a medida que el desarrollo avanza en el cerebro. La adición de estas células gliales aumenta la capacidad del organismo para regular el potasio extracelular. El descenso del potasio extracelular puede provocar una disminución del potencial de membrana de 35 mV.
Excitabilidad celularEditar
La excitabilidad celular es el cambio en el potencial de membrana que es necesario para las respuestas celulares en varios tejidos. La excitabilidad celular es una propiedad que se induce durante la embriogénesis temprana. La excitabilidad de una célula también se ha definido como la facilidad con la que se puede desencadenar una respuesta. Los potenciales de reposo y de umbral constituyen la base de la excitabilidad celular y estos procesos son fundamentales para la generación de potenciales graduales y de acción.
Los reguladores más importantes de la excitabilidad celular son las concentraciones de electrolitos extracelulares (es decir, Na+, K+, Ca2+, Cl-, Mg2+) y las proteínas asociadas. Las proteínas importantes que regulan la excitabilidad celular son los canales iónicos activados por voltaje, los transportadores de iones (por ejemplo, la Na+/K+-ATPasa, los transportadores de magnesio, los transportadores ácido-base), los receptores de membrana y los canales activados por nucleótidos cíclicos hiperpolarizados. Por ejemplo, los canales de potasio y los receptores sensibles al calcio son importantes reguladores de la excitabilidad en las neuronas, los miocitos cardíacos y muchas otras células excitables como los astrocitos. El ion calcio es también el segundo mensajero más importante en la señalización de las células excitables. La activación de los receptores sinápticos inicia cambios duraderos en la excitabilidad neuronal. Las hormonas tiroideas, suprarrenales y otras también regulan la excitabilidad celular.
Se considera que muchos tipos de células tienen una membrana excitable. Las células excitables son las neuronas, los miocitos (cardíacos, esqueléticos, lisos), las células endoteliales vasculares, las células yuxtaglomerulares, las células intersticiales de Cajal, muchos tipos de células epiteliales (p. ej. células beta, alfa, delta, enteroendocrinas), células gliales (por ejemplo, astrocitos), células mecanorreceptoras (por ejemplo, células ciliadas y células de Merkel), células quimiorreceptoras (por ejemplo, células glómicas, receptores del gusto), algunas células vegetales y posiblemente células inmunitarias. Los astrocitos presentan una forma de excitabilidad no eléctrica basada en variaciones de calcio intracelular relacionadas con la expresión de varios receptores a través de los cuales pueden detectar la señal sináptica. En las neuronas, existen propiedades de membrana diferentes en algunas porciones de la célula, por ejemplo, la excitabilidad dendrítica dota a las neuronas de la capacidad de detección coincidente de entradas espacialmente separadas.
Circuito equivalenteEditar
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 consiste en un condensador en paralelo con cuatro vías, cada una de las cuales consiste en una pila en serie con una conductancia variable. La capacitancia viene determinada por las propiedades de la bicapa lipídica y se considera fija. Cada una de las cuatro vías paralelas proviene de uno de los principales iones, sodio, potasio, cloruro y calcio. La tensión de cada vía iónica está determinada por las concentraciones del ion en cada lado de la membrana; véase la sección sobre el potencial de inversión 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, incluyendo los canales de fuga, los canales cerrados por ligando y los canales iónicos cerrados por voltaje.
Para concentraciones fijas de iones y valores fijos de conductancia de los canales iónicos, el circuito equivalente puede reducirse aún más, utilizando la ecuación de Goldman como se describe a continuación, a un circuito que contiene una capacitancia en paralelo con una pila y una conductancia. En términos eléctricos, este es un tipo de circuito RC (circuito de resistencia-capacitancia), y sus propiedades eléctricas son muy simples. Partiendo 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/gnet 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 es comúnmente una versión modificada de la ecuación del circuito RC.