¿Por qué un aumento en la concentración de potasio extracelular causa debilidad y flacidez en el músculo cardíaco?

Canal de potasio rectificador de entrada perteneciente a la superfamilia de canales con cuatro subunidades, donde cada una presenta dos segmentos transmembrana.

Hace un tiempo, Lautaro me escribió preguntando porqué un aumento en la concentración de potasio extracelular causa debilidad y flacidez en el músculo cardíaco. La verdad es que luego de hacer una revisión bibliográfica del tema, la respuesta se resume en la corriente I_K1.

En general, la literatura nos dice que cambios en los niveles de [K⁺] en el plasma provocan efectos electrofisiológicos e inotrópicos en el miocardio y que estos efectos se encuentran asociados a síntomas como isquemia, acidosis y arritmias cardiacas. Sin embargo, aún cuando las manifestaciones clínicas son bien conocidas e incluso los tratamientos también lo son, los mecanismos moleculares que subyacen a una hipo o hiperkalemia aún no han sido determinados con claridad. Así pues, datos experimentales muestran que un incremento en la concentración de [K⁺] extracelular tiene un efecto inotrópico negativo en el ventrículo de un gato y tanto en el atrio como en el ventrículo de los cerdos de guinea. Sin embargo, y ahí es donde parte la controversia, otros han demostrado un efecto inotrópico positivo en el atrio de rata.

La corriente de potasio rectificadora de entrada, I_K1, es la principal responsable de mantener el potencial de membrana en reposo en las células del corazón en mamíferos. Históricamente se le ha llamado rectificador anómalo porque el flujo de iones hacia el interior de la célula es mucho mayor que el flujo en la dirección opuesta, razón por la cual es un rectificador de entrada. Esta rectificación se produce por el bloqueo del canal por magnesio citoplasmático de forma dependiente de voltaje. Además, su densidad y dependencia de voltaje varía según el tejido o la especie en la que se encuentre. Justamente, esta sería la razón de la variación en los resultados comentados en el párrafo anterior.

 La rectificación anómala tiene tres consecuencias de importancia fisiológica:

-         En primer lugar, la conductancia es grande cerca del potencial de inversión del K⁺, lo que quiere decir que el canal KI influye más en el potencial de membrana cuando se aproxima a EK (cerca de -90 mV en el tejido cardíaco).

-         En segundo lugar, la conductancia disminuye muchísimo al irse alejando del EK, de esta manera se necesita una menor corriente de entrada para conseguir despolarizar la membrana.

-         En tercer lugar, la rectificación anómala explica la reducción en la duración del potencial de acción cuando se aumenta la concentración de K⁺ extracelular: las relaciones de corriente-voltaje se cruzan en tal forma que, paradójicamente la membrana tiene menor conductancia de K⁺ durante la fase 2 cuando el K⁺ extracelular es elevado.

Por lo tanto, teniendo estos antecedentes, podemos volver al problema inicial. Si nuestra [K⁺]_o aumenta, el potencial de membrana se acercará cada vez más al EK debido al consiguiente aumento en la corriente de entrada del potasio, provocando alteraciones en el potencial de reposo que impedirán una normal despolarización, disminuyendo la intensidad del potencial de acción, lo que concluye con la dilatación y flacidez del corazón junto con una disminución en la frecuencia cardíaca, que puede llevar a la muerte. En condiciones normales, las fuerzas químicas que favorecen la salida de potasio, superan ligeramente las fuerzas electrostáticas que favorecen la entrada de potasio y por este motivo es más fácil despolarizar la célula para generar nuevamente un potencial de acción, pero bajo las circunstancias descritas, la despolarización cuesta mucho más.

Bueno Lautaro, espero que la respuesta te aclare un poco la duda.

Muchas gracias por la pregunta, fue bastante interesante indagar en un tema.

Estructuras cristalinas para el poro del canal de potasio, MthK, con 1.45 Å de resolución

Los canales de K⁺, se caracterizan por presentar una alta selectividad a iones K⁺ incluso por sobre los iones de Na⁺, aún cuando este último es más pequeño. Esta propiedad se debe a una secuencia formada por los aminoácidos TVGYG, la cual forma el filtro de selectividad de los canales de K⁺. En este artículo publicado recientemente en Nature Structural & Molecular Biology (Ye et al., 2010), se presenta la estructura cristalina del poro del canal MthK, un canal de potasio gatillado por calcio proveniente de la Methanobacterium thermoautotrophicum, con 1.45 Å de resolución.  El filtro de selectividad del MthK, a diferencia del de KcsA, mantiene una conformación conductora aún en ausencia de K⁺, situación bajo la cual el canal se permite conducir iones Na⁺, siendo la selectividad por éste mucho menor que por K⁺. Para el caso del canal KcsA (considerado sistema modelo para el estudio de canales de potasio) la presencia de K⁺ es necesaria para un canal conductor, ya que aún en presencia de baja concentración de K⁺/alta concentración de Na⁺ el canal colapsa pasando a un estado no conductor. Este problema ha podido ser mitigado en trabajos anteriores sustituyendo la primera glicina conservada por una D-alanina (MacKinnon, R et al., 2006). 

La estructura de alta resolución para el poro, además de los registros de canal único que se presentan en este artículo, permiten realizar un agudo análisis para determinar cómo compite el K⁺ con el Na⁺ en el filtro de selectividad. A altas concentraciones de K⁺, dos iones K⁺ ocupan indistintamente cualquiera de los cuatro sitios en el filtro de selectividad, mientras a baja concentración de K⁺/alta concentración de Na⁺, un único ión de K⁺ permanece unido en el filtro de selectividad, preferiblemente en el sitio 1 o en el sitio 3, sin unirse prácticamente a los sitios 2 y 4.

Representación de la estructura completa del poro del canal MthK en conformación abierta. Las bolas rojas, muestran el carbono alfa de la glicina 83 (gating hinge).

Si deseas revisar en detalle el artículo, lo puedes descargar directamente desde el siguiente enlace:

http://lsi.zju.edu.cn/file/fck/file/叶升/Novel%20insights%20into%20K+%20selectivity%20from%20high-resolution%20structures%20of%20an%20open%20K+%20channel%20pore.pdf

Mecanismos celulares y moleculares de la quimiosensación trigeminal

En esta revisión, Kristin A. Gerhold y Diana M. Bautista explica de manera muy general cómo las neuronas somatosensoriales consiguen detectar estímulos como temperatura e irritantes químicos, entre otros y cómo por medio de compuestos naturales se puede llegar a descubrir el mecanismo molecular de la somatosensación.

El archivo original lo puedes encontrar en el siguiente enlace

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2879328/

Las neuronas somatosensoriales del ganglio trigémino principalmente nos permiten detectar estímulos térmicos, mecánicos y químicos en diversas regiones de la cabeza y en las zonas cercanas a ella.  Estudios demuestran que la mayor función del sistema trigeminal se encuentra en la quimiosensación de la mucosa oral y nasal. Es así como personas o animales que presentan anosmia, es decir, pérdida o disminución de su capacidad olfativa, no muestran una disminución en su capacidad para detectar irritantes químicos vía el sistema trigeminal, siendo por este motivo que una de las principales estrategias para estudiar la somatosensación consiste en utilizar compuestos provenientes de plantas con el propósito de descubrir el mecanismo molecular fundamental responsable tanto de la detección térmica como de la química. Tal ha sido el caso de compuestos como la capsaicina y del mentol, los cuales han servido para identificar dos canales de iones que juegan un importante rol en la función somatosensorial.

Capsaicina

El fruto proveniente del género Capsicum provoca un efecto de ardor localizado en quienes lo consumen y el responsable de esta sensación es la capsaicina u 8-metil-N-vanillil-6-nonenamida  (compuesto activo) la cual provoca una variedad de efectos como dolor agudo, vasodilación, hiperventilación y cambios en la presión arterial. Un efecto similar puede ser provocado por la resiniferotoxina, el cual es un análogo de capsaicina aislado de la Euphorbia resinifera, una planta del tipo de los cactus. Tempranos estudios sugieren que la capsaicina ejerce sus efectos por activación de un receptor en un subgrupo de neuronas somatosensoriales que detectan calor nocivo. Sin embargo, no fue hasta 1997 que Caterina et al. usando la estrategia de clonado y expresión identificó un miembro de la familia de canales iónicos conocida como receptores de potencial transitorio (TRP), llamado TRPV1 como un receptor de capsaicina.

TRPV1, es un canal catiónico no selectivo que se comporta como un rectificador de salida al igual que todos los demás miembros de la subfamilia TRPV con excepción de TRPV5 y TRPV6. TRPV1 es activado por capsaicina mediante la unión de éste a una región del canal formada por los residuos de aminoácidos R491, Y511 y S512 ubicados en los segmentos transmembrana 2 y 3.

TRPV1 se encuentra altamente expresado en neuronas sensoriales primarias tanto en el ganglio trigémino como en las de la raíz dorsal siendo además activado por temperatura, con un umbral de activación de aproximadamente 43 ºC y con un coeficiente de dependencia de la temperatura (Q10) mayor a 20, lo cual lo vuelve por cierto en un canal altamente sensible a la temperatura considerando que el Q10 de gran parte de los canales es de 1-2. Por otra parte TRPV1  puede ser modulado por una amplia variedad de mediadores inflamatorios provenientes de algún daño en el nervio (injuria) o inflamación incluyendo protones, segundos mensajeros derivados de lípidos como la anandamida y péptidos bioactivos como bradiquinina. Análisis de animales deficientes de TRPV1 revelan que este canal presenta un papel importante tanto en la detección del calor intenso como en la hipersensibilidad térmica seguida del daño e inflamación. Además la eliminación genética de TRPV1 atenúa la respuesta al calor nocivo y a la capsaicina tanto a nivel celular como conductual, por lo que se estima que TRPV1 actuaría como un integrador polimodal tanto de calor como de estímulos químicos.

Mentol

El mentol es un alcohol secundario saturado que corresponde al componente activo de la menta. En 1951, Hensel y Zotterman demostraron que el mentol actúa directamente en neuronas somatosensoriales sensibles a frío. Ellos ya en ese tiempo plantearon a modo de hipótesis que el mentol alteraba la actividad de las proteínas involucradas en la transducción del frío. Fue así como en el 2002, McKemy et al. usó mentol para investigar las moléculas encargadas de mediar la detección de temperaturas bajas. Nuevamente, usando la estrategia de clonado y expresión, ellos identificaron otro miembro de la familia TRP, TRPM8, como la molécula blanco de la acción del mentol. Luego, estudios de mutagénesis revelaron que residuos de aminoácidos ubicados en el segmento transmembrana 2 y 4, además de algunos residuos situados en la caja TRP ubicada en el carboxilo terminal eran cruciales para la acción del mentol. 

Se ha determinado que TRPM8 expresado de manera heteróloga comparte propiedades fisiológicas con los receptores de frío nativos, tales como un umbral térmico de aproximadamente 25 ºC y la activación por mentol, entre otras, lo que ha permitido establecer una caracterización muy detallada del canal. Además de mentol, TRPM8 es activado por icilina (AG 3-5), el cual es unas 300 veces más potentes en la activación del canal que el mentol. 

Una demostración importante de la participación de TRPM8 en la sensación de frío se ha obtenido por medio del análisis de neuronas sensoriales aisladas de ratas knockout para este canal. Las neuronas presentan respuestas atenuadas a mentol, icilina y frío. Además, estudios conductuales muestran una severa deficiencia en las respuestas evocadas por frío en estas ratas. Sin embargo, existen evidencias que señalan que TRPM8 no sería el único encargado de la transducción por frío ya que por una parte ratas deficientes de TRPM8 muestran una actividad normal a temperaturas menores a 10 ºC y por otra, se ha visto que existe una "nueva" población de neuronas sensibles a frío pero insensibles a mentol, las cuales presentan un umbral de temperatura mucho más bajo que aquellas que expresan TRPM8. Se piensa que tal vez el responsable de la detección de este frío nocivo, sería TRPA1.

Aceite de mostaza

Se trata del aceite vegetal que proviene del prensado en seco de las semillas de la mostaza (Brassica nigra) siendo su compuesto activo una variedad del isotiocianato al igual que para el caso del wasabi y del rábano picante. La aplicación tópica de aceite de mostaza provoca la activación de las neuronas somatosensoriales provocando un dolor agudo y una inflamación neurogénica a través de la liberación periférica de neuropéptidos desde la terminal nerviosa aferente primaria, lo que resulta en hipersensibilidad a la temperatura y a los estímulos mecánico. Aunque las consecuencias fisiológicas de la exposición a aceite de mostaza eran bien conocidas, no se tenía antecedentes sobre los sitios moleculares y celulares sobre los que actuaba el isotiocianato. Fue así como en el 2004, Jordt y su grupo descubrieron otro miembro de la familia de canales de iones TRP, el TRPA1, el cual era efectivamente activado por isotiocinato y sus derivados. TRPA1 es altamente expresado en un subgrupo de neuronas sensibles a capsaicina y es originalmente propuesto como un posible transductor de frío nocivo. TRPA1 es también activado por tiosulfinato, componente activo del ajo y otros miembros del género Allium, por cinamaldehído que es el compuesto picante de la canela y por el tetrahidrocannabinol (THC) que es la principal sustancia psicoactiva encontrada en las plantas de la especie Cannabis sativa. Análisis de ratas deficientes de TRPA1 muestran que esta proteína es requerida tanto para la respuesta aguda al aceite de mostaza como para la hipersensibilidad térmica seguida de la exposición al isotiocianato. TRPA1 es también modulada por la respuesta inflamatoria provocada por formalina, tiosulfinatos, cinamaldehído y por el aldehídos α,β-insaturados como la acroleína compuesto que encontramos en el gas lacrimógeno, en el gas proveniente del tubo de escape de los autos y en el smoke. Estos diversos agonistas activan el TRPA1 a través de modificaciones covalentes de cisteínas en el dominio intracelular del C-terminal del canal.  Así, en general, TRPA1 aparece por actuar como un sensor del estado inflamatorio y del frío nocivo.

Para mayores detalles, revisa el enlace donde podrás descargar directamente el artículo y sus referencias

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2879328/

Modelo de Hodgkin y Huxley (H-H)

El objetivo de Hodgkin y Huxley (H-H) era encontrar los mecanismos moleculares para la generación del flujo iónico y los cambios de permeabilidad. Ellos describieron empíricamente bases que pueden resultar bastante simples pero que fueron muy útiles a la hora de predecir de manera correcta las principales formas de excitabilidad, así como la generación del potencial de acción y la velocidad de conducción.

El modelo de H-H separa las ecuaciones para la conductancia del sodio, g_Na y potasio, g_K. En cada caso se asume el límite superior de conductancia, así , g_Na y g_K son expresadas como conductancias máximas.

La dependencia del tiempo para gK es fácil de describir. En despolarización, el incremento de la conductancia del potasio sigue una forma sigmoidal a través del tiempo, mientras que en la repolarización decrece de forma exponencial (figura 1). 

Figura 1: Curso temporal de los cambios en las conductancias de sodio y potasio durante un paso de despolarización a -9 mV. Las líneas cortadas muestran como la conductancia de sodio desminuye rápidamente al nivel de reposo si la membrana es repolarizada a - 65 mV en 0.63 mseg cuando la conductancia de sodio es máxima y como la conductancia de potasio disminuye más lentamente si la membrana es repolarizada luego de 6.3 mseg cuando la conductancia es máxima. Imagen tomada de Hille, B. (2001). Ion channels of excitable membranes, 3rd edn (Sunderland, Mass., Sinauer).

Tal como H y H notan, cada cinética puede ser obtenida si la apertura de un canal de K es controlado por partículas independientes unidas a la membrana. Ellos suponen que éstas serían cuatro partículas idénticas y que cada una de ellas presentaría una probabilidad “n” de ubicarse de manera correcta para conseguir un canal en estado abierto, por lo tanto, la posibilidad que “n” partículas estén correctamente ubicadas sería n⁴. Además, ya que la apertura de los canales de potasio depende del potencial de membrana, H-H especulan que estas hipotéticas partículas llevarían una carga eléctrica asociada, la cual haría que su distribución en la membrana sea voltaje dependiente. Suponen además, que cada partícula se mueve entre su posición permisiva y no permisiva (canal abierto-cerrado) con una cinética de primer orden. La figura 2, muestra que si “n” aumenta exponencialmente desde cero, “n⁴” aumenta en forma sigmoidea, imitando el lento incremento de la conductancia real de potasio en despolarización, mientras que si “n” cae exponencialmente a cero, n⁴ también cae exponencialmente ajustándose de mejor manera al decrecimiento de la conductancia de potasio en la repolarización.

Figura 2: Curso temporal de los parámetros del modelo H-H. Imagen tomada de Hille, B. (2001). Ion channels of excitable membranes, 3rd edn (Sunderland, Mass., Sinauer)

Para exponer esto en forma matemática, I_K es representado según el modelo de H-H como:

donde los cambios de n, dependientes del tiempo y voltaje se dan por una reacción de primer orden:

donde las partículas de gating “n” presentan transiciones entre la forma permisiva (canal abierto) y no permisiva (canal cerrado) con unas constantes de voltaje dependientes de an y bn por medio de una simple ecuación

Como la conductancia  se presenta sólo cuando las cuatro partículas están abiertas o en posición “n” comportándose de forma independiente, la conductancia será proporcional al producto n por n por n por n, o 

Además, en estado estacionario, es posible calcular la constante de tiempo dependiente de voltaje, tn y los valores de “n”, los cuales se definen como:

El modelo de H-H usa un formalismo similar para describir la I_Na, con cuatro hipotéticas partículas de gating, haciendo transiciones entre posiciones permisivas y no permisivas para controlar el canal. Sin embargo, ya que este canal presenta dos procesos opuestos: ACTIVACIÓN e INACTIVACIÓN, se presentan dos tipos de partículas diferentes. H-H las llamaron “m” y “h”, donde tres partículas “m” controlarían la activación, mientras que una partícula “h” controlaría la inactivación. Así, la probabilidad que ellos estén todos en posición permisiva es m³h y la corriente de sodio se representa como:

La figura 2, muestra cómo los cambios de m³h imitan la gNa a través del tiempo, durante y después del pulso de prueba. Durante la despolarización “m” crece rápidamente y “h” cae lentamente. Cuando m está al cubo (“m³”) se presenta un pequeño retraso en el aumento y al multiplicarlo por “h” que decae lentamente, m³h cae a valores muy bajos. Luego de la despolarización, “m” se recupera rápidamente y “h” lentamente, hasta alcanzar su valores originales. Al igual que en el caso del parámetro “n” del canal de potasio, “m” y “h” son asumidas por sufrir transiciones de primer orden entre las formas permisivas y no permisivas. De lo que se generan las siguientes ecuaciones:

donde

Los principales rasgos de los parámetros dependientes de voltaje se resumen en la figura 3. En esta figura, los valores para m, n y h en estado estacionario y las constantes de tiempo, están graficadas en función del potencial de membrana. Los puntos a recalcar son:

1. las constantes de tiempo del proceso m son aproximadamente 10 veces más rápidas que la de los procesos n y h.
2. los tres proceso son sigmoidales en V (voltaje) en el estado estacionario y tanto m como n (activación del canal de sodio y de potasio, respectivamente) aumentan con la despolarización, mientras que h (inactivación de sodio) disminuye.
3. las constantes de tiempo son funciones de tipo campana con respecto al voltaje con la tendencia general a hacerse más rápidas durante despolarizaciones o hiperpolarizaciones extremas.

Figura 3: La dependencia de voltaje de las tres variables de estado y las constantes de tiempo del modelo H-H, desde el axón gigante de calamar a 6.3 ºC. Estos cambios dan una excelente descripción de los cambios de conductancia medidas bajo voltage clamp. Imagen tomada de Hille, B. (2001). Ion channels of excitable membranes, 3rd edn (Sunderland, Mass., Sinauer)

En la mayoría de la membranas biológicas, la membrana axonal contiene una conductancia de fuga o leak GL, la cual no depende del voltaje aplicado y permanece constante todo el tiempo. 

Ahora, para resumir el modelo H-H, podemos escribir una ecuación para todas las corrientes que fluyen a través de la membrana axonal con notación estándar, donde las corrientes iónicas que cruzan por la membrana presentan tres componentes:

donde gL es la conductancia leak.

Así, en resumen, el gran logro de Hodgkin y Huxley fue que su descripción clásica de las corrientes iónicas del axón gigante de calamar separó las conductancias en dos tipos: conductancia de sodio y de potasio. Estas conductancias quedan caracterizadas por su:

1. Selectividad iónica.
2. Dependencia de potencial de membrana.

Estas dos propiedades fueron separadas en la descripción matemática presentada por H-H. Así, por ejemplo, en el caso de la conductancia de potasio, n4, representa la parte dependiente del voltaje mientras que gK representa la conductancia máxima al potasio.

Hoy sabemos que las corrientes medidas por Hodgkin y Huxley son resultados de millones de canales iónicos en paralelo y selectivos a sodio o a potasio que se abren y cierran en forma aleatoria y en los que el tiempo de apertura y cierre está determinado por el potencial de membrana.

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.

Potenciales de equilibrio y ecuación de Nernst

Muchos de los potenciales eléctricos a través de las membranas celulares se deben al movimiento de iones de una cara a otra de la membrana a través de los canales iónicos.

¿Cómo ocurre esto?

Imagina un sistema como el presentado en el esquema. 

En este esquema podemos ver que dos compartimentos (1 y 2) presentan diferentes concentraciones del electrolito X⁺Y^-. Los compartimentos están separados por una membrana, la cual sólo tiene canales selectivos a X⁺, permitiendo únicamente el paso de este ión y no de Y^-, al otro lado de la membrana. La concentración de X⁺Y^- es mayor en el lado 1 que en el 2.

Se comienza el experimento con todos los canales cerrados. Ya que en este momento, la concentración de X⁺ es igual a la de Y^- en ambos compartimentos, no existe una diferencia de carga neta en ninguno de los dos compartimentos, por lo tanto, no existe diferencia de potencial.

Cuando se abren los canales, los iones X⁺ comienzan a moverse a través de los canales desde el compartimiento 1 al 2 debido a su gradiente de concentración, sin embargo el ion Y^- se mantiene retenido en el compartimiento 1 por lo que se comienzan a acumular cargas negativas en ese lado, al contrario, como X tiene carga positiva y su paso hacia el lado 2 se ve favorecido, éste comienza a acumular cargas positivas. Este movimiento de carga, genera  una diferencia de potencial con un compartimiento 2 cargado positivamente mientras que el 1 queda negativo. En este momento entonces, la fuerza causante de la difusión neta de X^{+ son contrarrestadas por un crecimiento de la fuerza eléctrica, lo que provoca que el ion  X+ se comience a transportar desde el compartimiento 2 al 1. El potencial busca finalmente un equilibrio entre su gradiente químico y el gradiente eléctrico, lo que genera el llamado potencial de equilibrio, surgido en este caso a partir de las diferencias en la concentración de X+.}

¿Cuál sería el valor de esta diferencia de potencial?

supongamos que tenemos una cantidad de n moles de X⁺ los que se mueven a través de la membrana, a favor de su gradiente de concentración, desde el compartimiento 1 al 2. Así, el trabajo requerido para llevar a cabo esta acción será:

donde R, constante de los gases, puede tener el valor de 8,314 joule/mol K o 1,987 cal/mol K, T es la temperatura absoluta en K y [X]₁ y [X]₂ son las concentraciones molares del compartimiento intra y extracelular, respectivamente.

Ahora, si consideramos el trabajo eléctrico requerido para mover n moles de X⁺ contra su gradiente de concentración, es decir, del compartimiento 2 al 1, este será:

donde z es la carga del ión, F es la constante de faraday y E es la diferencia de potencial entre los dos compartimientos. Ahora, en condiciones de equilibrio, ambos trabajos deben ser iguales, por lo tanto

Siendo 1 el sitio intracelular, mientras que 2 corresponde al extracelular. De acuerdo con la ecuación de Nernst, el potencial de equilibrio varía linealmente con la temperatura absoluta y logarítmicamente con la concentración iónica.

Importante: En caso de no existir gradiente químico, el potencial de equilibrio es igual a cero.


De esta forma, es posible escribir el potencial de equilibrio para todos los iones relevantes en el potencial de equilibrio de una célula:

Información adicional