Fundamentos del Potencial de Membrana y Acción en Neuronas

Potencial de Membrana

El potencial de membrana es el potencial eléctrico intracelular con respecto al extracelular. Resulta de la integración de los potenciales de equilibrio de los distintos iones presentes. Se debe a una diferencia en la distribución de cargas eléctricas a ambos lados de la membrana celular. Estas diferencias en la distribución iónica se basan principalmente en dos factores:

• La actividad de las bombas de iones (como la bomba Na⁺/K⁺).
• La difusión pasiva de iones a través de canales iónicos selectivos.

Debido a los gradientes químicos y eléctricos, la membrana celular en reposo está polarizada. Esta diferencia de cargas genera una diferencia de potencial eléctrico que se mide en voltios (V) o, más comúnmente en células, en milivoltios (mV).

Potencial de Reposo

En neuronas que no están conduciendo impulsos nerviosos, se mantiene un potencial de reposo estable. Este potencial se debe a:

• La permeabilidad selectiva de la membrana a ciertos iones (principalmente K⁺ y en menor medida Na⁺ y Cl⁻).
• La acción constante de la bomba Na⁺/K⁺, que expulsa 3 iones Na⁺ por cada 2 iones K⁺ que introduce en la célula.
• La presencia de aniones intracelulares (como proteínas y aminoácidos) que no pueden atravesar fácilmente la membrana.

Potencial de Difusión

Es el potencial eléctrico que se genera a través de una membrana cuando un ion se difunde a favor de su gradiente de concentración. Si la membrana es permeable solo a ese ion, la difusión continuará hasta que el potencial eléctrico generado se oponga exactamente a la fuerza del gradiente químico.

Potencial de Equilibrio

Es el valor del potencial eléctrico de la membrana que se opone exactamente al gradiente químico (de concentración) para un ion específico. En el potencial de equilibrio, no hay flujo neto de ese ion a través de la membrana, ya que las fuerzas de difusión (química) y eléctrica sobre el ion son iguales pero de sentido contrario.

Potencial Local (o Graduado)

En algún punto de la membrana neuronal, puede ocurrir un pequeño cambio localizado del potencial de membrana, generalmente una despolarización, generado por la apertura de canales iónicos (por ejemplo, canales de Na⁺ activados por ligando o estímulos sensoriales). Características:

• Este cambio se esparce pasivamente (electrotonicamente) alrededor del lugar de la estimulación.
• La carga (por ejemplo, la entrada de Na⁺) se propaga, pero la amplitud del cambio de potencial disminuye con la distancia desde el punto de origen (conducción decremental).
• La amplitud inicial depende de la intensidad del estímulo (a mayor estímulo, mayor cambio inicial, hasta cierto punto). Puede ser despolarizante o hiperpolarizante.
• Si la suma de estos potenciales locales alcanza un valor crítico, conocido como umbral, puede desencadenar un potencial de acción.

Potencial de Acción

El potencial de acción es un cambio rápido, transitorio y autopropagado del potencial de membrana que aparece cuando una región de una membrana excitable (como la de una neurona o célula muscular) se despolariza hasta alcanzar un valor umbral (típicamente alrededor de -55 mV desde un reposo de -70 mV).

Características principales:

• Sigue el principio del "todo o nada": o se produce con su amplitud máxima característica o no se produce en absoluto. No hay potenciales de acción "a medias".
• Los potenciales de acción registrados para una misma neurona son casi siempre idénticos en amplitud y forma.
• La información sobre la intensidad del estímulo no se codifica en la amplitud, sino en la frecuencia de los potenciales de acción (número de impulsos por unidad de tiempo). Una mayor intensidad de estímulo supraumbral genera una mayor frecuencia.
• Es siempre un fenómeno despolarizante (el interior celular se vuelve positivo respecto al exterior brevemente).
• Se propaga activamente a lo largo de toda la membrana excitable sin disminución en amplitud o forma (conducción no decremental).
• Ocurre solo en membranas excitables.

Fases del Potencial de Acción

1. Despolarización hasta el umbral: Un estímulo provoca una despolarización gradual (potencial local) que lleva el potencial de membrana de un área excitable hasta el umbral.
2. Activación de los canales de Na⁺ y despolarización rápida: Al alcanzar el umbral, se abren masivamente los canales de Na⁺ regulados por voltaje. El Na⁺ es impulsado por su fuerte gradiente electroquímico e inunda la célula. El potencial transmembrana cambia rápidamente, pasando de unos -60 mV o -55 mV hasta valores positivos (aproximadamente +30 mV).
3. Inactivación de los canales de Na⁺ y activación de canales de K⁺: Cerca del pico del potencial de acción (+30 mV), los canales de Na⁺ regulados por voltaje se inactivan (se cierran y no pueden reabrirse inmediatamente). Simultáneamente, se abren los canales de K⁺ regulados por voltaje (que son más lentos en abrirse). El K⁺ difunde fuera de la célula, impulsado por su gradiente electroquímico. Comienza la fase de repolarización (el potencial de membrana vuelve a valores negativos).
4. Hiperpolarización y retorno al potencial de reposo: Los canales de K⁺ regulados por voltaje se cierran lentamente. En muchas neuronas, esto provoca una breve hiperpolarización (el potencial se vuelve transitoriamente más negativo que el potencial de reposo) debido a la salida continuada de K⁺. Finalmente, los canales de K⁺ se cierran completamente, los canales de Na⁺ vuelven a su estado cerrado (pero listos para activarse), y la bomba Na⁺/K⁺ restaura las concentraciones iónicas, devolviendo la membrana a su potencial de reposo (aproximadamente -70 mV).