Potencial de Membrana

El potencial de membrana en reposo es el resultado de la separación de cargas a través de la membrana celular.

Cada neurona tiene una separación de cargas a través de su membrana celular, que consiste en una fina nube de iones positivos (cationes) y negativos (aniones) diseminados por la superficie externa e interna de la membrana. Cuando la célula nerviosa se encuentra en reposo, presenta un exceso de cargas negativas en su interior y un exceso de cargas positivas en su parte externa. Esta separación se produce gracias a que la membrana de manera natural bloquea la difusión de los iones. Esta diferencia de carga da lugar a una diferencia de potencial a través de la membrana conocida como potencial de membrana, el que se define como:

Vm= Vi - Ve

donde Vi es el potencial interno de la célula y Ve es el potencial externo.

Cuando la célula está en reposo, este potencial de membrana recibe el nombre de  potencial de membrana en reposo. Por convención se ha determinado que el potencial externo es igual a cero (esto se debe a que la resistencia externa es demasiado pequeña, recuerda que la resistencia es inversamente proporcional al área) por lo tanto, el potencial de membrana en reposo (Vr) es igual al potencial interno (Vi) por lo que su valor es negativo. En las neuronas el Vr oscila entre -60 mV a -70 mV.

Cuando la célula recibe un estímulo, determinados canales iónicos se abren provocando un flujo neto de iones a través de su poro con lo que se altera el potencial de membrana en reposo. Una reducción de la separación de cargas, que da lugar a un potencial de membrana menos negativo que el Vr, recibe el nombre de despolarización, mientras que por el contrario, un aumento en la separación de cargas que induce un potencial más negativo que el Vr, se conoce como hiperpolarización. Tanto las respuestas hiperpolarizantes como las pequeñas despolarizaciones, son casi siempre pasivas, vale decir, no generan apertura de canales iónicos sensibles a potencial. Sin embargo, cuando la despolarización se aproxima a un nivel crítico llamado umbral, la célula responde activamente con la apertura de los canales iónicos sensibles a voltaje, generando el potencial de acción.

¿Cómo se produce el potencial de reposo de la membrana?

Como ya se ha mencionado anteriormente, los iones no pueden atravesar la membrana por si solos, por lo tanto, si tenemos una bicapa lipídica (sin canales, transportadores o bombas) los iones no podrán cruzar a través de lípidos por difusión simple. Por otro lado, los cuatro iones más abundantes en las células nerviosas, sodio, potasio, calcio y cloruro, presentan concentraciones diferentes a ambos lados de la membrana celular (ver tabla 2). Esto nos lleva a formular preguntas tales como: ¿qué produce estos diferentes gradientes?, ¿cómo se mantienen estos gradientes?, ¿cómo contribuyen estos gradientes al potencial de reposo de la membrana?.
Lo primero que hay que entender, es que la selectividad general de una membrana va a depender de la selectividad de los canales iónicos que se encuentren abiertos. Por ejemplo, el caso de la glia tal vez sea el ejemplo más sencillo ya que esta célula sólo presenta canales de potasio abiertos en condiciones de reposo, razón por la cual su potencial de reposo de membrana es de -75 mV, idéntico al potencial de equilibrio del potasio en el axón gigante de calamar, por lo tanto, el potencial de reposo de la glia se deberá simplemente al potencial de equilibrio del potasio ya que éste es el único ion que puede atravesar la membrana en reposo. ¿Se entiende por qué?... veamos... como sabemos, naturalmente la célula tiene una mayor concentraciones de potasio dentro que fuera de la célula. Debes tener presente que la concentración exacta de éste y de todos los iones, va a variar según el tipo de célula, sin embargo su proporción se mantendrá en todas ellas (ver tabla 2). En el caso puntual de la glia, sólo existen canales iónicos selectivos a potasio abiertos sin la necesidad de un estímulo, o sea en condiciones de reposo, de este modo, este ion va a tender a salir gracias a su gradiente de concentración, generando un flujo de cargas eléctricas, o sea corriente a través de la membrana. Esto flujo de cargas hacia fuera se va a mantener hasta que se produzca un ligero aumento de cargas positivas fuera de la membrana lo que ahora  permitirá la entrada de potasio a la célula (potencial eléctrico). Luego de un tiempo, se producirá una situación de equilibrio entre el potencial químico y el potencial eléctrico del potasio, es decir, el ion alcanzará su equilibrio electroquímico, generándose así, un potencial de equilibrio entorno al potasio, ya que repito, es el único ion que puede atravesar la membrana. 
El potencial de equilibrio para cualquier ion puede ser calculado según la Ecuación de Nernst. Para mayores detalles puedes dirigirte a la entrada Potenciales de equilibrio y ecuación de Nernst.


Los canales de reposo de las células nerviosas son permeables a varias clases de iones.
El caso de la célula glial es muy simple y al contrario de ésta, las demás células nerviosas son permeables a iones como sodio y cloruro, además del potasio, por lo que inmediatamente nacen dos preguntas:

• ¿cómo se mantienen los gradientes de concentración para los tres iones que penetran a través de una membrana celular?
• ¿cómo interactúan estos tres gradientes para determinar el potencial de membrana en reposo de la célula?

Para poder responder estas preguntas, debes imaginar una célula que presenta gradientes de concentración para cada uno de los iones nombrados anteriormente (Na+, K+ y Cl-), esto significa que como ya lo hemos mencionado, estos iones tendrán diferente concentraciones en el medio extra o en el  intracelular (ver tabla 2). Ahora supón que la membrana celular sólo tiene canales iónicos selectivos a potasio, ¿qué pasará?, el potencial de membrana  estará determinado por el potencial de equilibrio del potasio, como ya lo describimos en esta misma entrada, para el caso de la glia. Si ahora agregamos en la membrana celular, además de los canales de potasio, canales selectivos a sodio, el potasio tenderá a salir y el sodio tenderá a entrar, esto gracias a su gradiente de concentración. Recuerda que al contrario que el potasio, el sodio es muchísimo más abundante en el medio extracelular que en el intracelular, lo que sumado al interior negativo de la membrana, favorece el paso del sodio al interior celular. Este flujo despolariza levemente la membrana produciendo un potencial de membrana de -60 mV.  Una célula normalmente tiene muy pocos canales de reposo de sodio, por lo tanto, en condiciones de reposo, siempre la conducción para este ion será baja. Así, aun cuando existan los gradientes, tanto químicos como eléctricos para permitir la entrada de más iones sodio, su conductancia se mantendrá limitada debido a que ésta depende directamente del número de canales presentes en la membrana. Como ya imaginarán, esto es contrario a lo que pasa para el ion potasio en reposo, ya que el número de canales es alto, por lo que la conductancia para este ion es relativamente grande. 

Resumen del potencial de membrana en equilibrio: en cuanto comienza el flujo de iones sodio al interior de la membrana, ésta se despolariza con respecto al potencial de equilibrio del potasio, por lo tanto, el potasio deja de estar en equilibrio a través de la membrana. Así, la reducción de la fuerza eléctrica negativa al interior de la célula (que se vuelve más positiva gracias a la entrada de sodio) favorece la salida de potasio contrarrestando el flujo de sodio que entra, hasta lograr un equilibrio. Cuanto más despolarizado el potencial de membrana, mayor será la salida del ion potasio. Finalmente, el potencial de membrana alcanza un nuevo potencial de reposo, con el cual el movimiento hacia fuera de potasio equilibra exactamente el movimiento hacia dentro del sodio. Este punto de equilibrio, que por lo general se acerca a los -60 mV, está lejos de ser el potencial de equilibrio del sodio (+ 55 mV) y es sólo ligeramente positivo al del potasio (- 75 mV).


¿Cómo se equilibra el flujo pasivo de sodio y de potasio?
Como hemos visto, el movimiento pasivo de potasio hacia fuera de la célula a través de los canales de reposo equilibra el flujo de sodio hacia el interior de la célula, pero si esto se mantuviera por un tiempo muy prolongado, ¿cómo explicamos que no se agote el potasio interno si constantemente va saliendo?. La respuesta está en la bomba sodio-potasio. La disipación de los gradientes iónicos se evita gracias a esta proteína, la que mueve iones contra sus gradientes de concentración, extrayendo 3 sodio de la célula y introduciendo 2 potasio. La bomba de sodio-potasio necesita energía para funcionar, la que viene de la hidrólisis de ATP. El flujo desigual de iones Na+ y K+ provoca que la bomba genere una corriente iónica neta hacia fuera. Por ello se dice que es electrógena.

Vídeo del funcionamiento de la Bomba Sodio-Potasio.

Proteínas de membrana

Existen tres grandes grupos de proteínas de transmembrana, las que permiten el movimiento de sustancias desde el lado interno al externo de la célula o viceversa .

• Bombas: permiten la conducción de iones contra su gradiente de concentración y la energía para conseguir esto se obtiene muchas veces de la hidrólisis de las moléculas de ATP (adenosín trifosfato).
• Un ejemplo, es la bomba sodio-patasio. Ésta es una gran proteína que abarca todo el espesor de la membrana y que posee sitios de unión catalíticos para sodio, potasio y ATP. Los sitios para el Na+ y el ATP están ubicados en la superficie intracelular mientras que los de K+ se ubican en la cara externa de la proteína. Cada ciclo, la bomba hidroliza una molécula de ATP lo que le da la energía para transportar ambos iones en contra de su gradiente de concentración, es decir, sacar 3 iones de sodio e introducir 2 iones de potasio al interior celular. El flujo desigual de cargas al interior y al exterior de la célula, generan una una corriente iónica, razón por la cual se dice que esta bomba es electrógena.

• Canales: contienen poros transmembranas que se abren o se cierran gracias a algún estímulo específico (presión, voltaje, frío, calor, etc) permitiendo el flujo de iones a favor de su gradiente de concentración.

• Transportadores: sufren cambios conformaciones que permiten la liberación de una molécula al otro lado de la membrana, sin gasto de energía, vale decir, sin hidrólisis de ATP. Algunos transportadores mueven sólo un tipo de moléculas bajo su gradiente de concentración, estos se conocen como uniporter. Otros, llamados transportadores acoplados, utilizan la energía liberada por el movimiento de una sustancia bajo su gradiente de concentración para mover otra sustancia en contra de su gradiente de concentración. En este tipo de proteínas existen dos posibilidades, una de ellas es que el transportador mueva ambas sustancias en la misma dirección, situación en la que el transportador sería del tipo simporte o que genere un transporte de las moléculas en direcciones contrarias, por lo que se llamaría transportador antiporte.
• Un ejemplo de transportador acoplado, es el de cloruro. A diferencia de la bomba sodio potasio, el transporte de iones se efectúa sin gasto energético, vale decir, sin hidrólisis de ATP. El transportador de Cl- acopla el movimiento hacia fuera de un ion cloruro al movimiento hacia fuera del ion potasio, por lo tanto es del tipo simporte. Como el transporte hacia fuera del potasio es energéticamente favorable, es capaz de arrastrar el flujo de Cl- al exterior de la célula.

Además de la transferencia de sustancias como iones o macromoléculas a través de la membrana celular, la transferencia de información es indispensable. Una de las proteínas involucradas en esta actividad son las proteínas intrínsecas conocidas como receptores. Algunos canales iónicos son también receptores, como el receptor nicotínico de acetilcolina por ejemplo, el cual es un canal iónico que se abre brevemente cuando une dos moléculas de acetilcolina en su superficie externa. Otros receptores sufren cambios conformacionales lo cual provoca la activación de otras proteínas internas de la célula: el receptor b-adrenérgico, por ejemplo, activa una proteína G en la cara interna de la membrana celular cuando éste une adrenalina por la superficie externa de la membrana.