Fundamentos de los Potenciales de Membrana

Los potenciales de membrana son cruciales para la función neuronal y muscular, originándose por diferencias en la concentración de iones. El potencial de reposo en neuronas, alrededor de -70 mV, es mantenido por la bomba Na+-K+ y canales de fuga de K+. Los potenciales de acción, esenciales para la transmisión de señales, dependen de canales de sodio y potasio activados por voltaje y pueden incluir una fase de meseta en células cardíacas.

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Fundamentos de los Potenciales de Membrana

Los potenciales de membrana son esenciales para la función de las células nerviosas y musculares, y se originan debido a la diferencia en la concentración de iones a ambos lados de la membrana celular. El ion potasio (K+) juega un papel crucial, siendo más abundante dentro de la célula que en el exterior. Esta asimetría de concentración crea un gradiente electroquímico que impulsa a los iones de potasio a difundir hacia afuera, transportando cargas positivas y generando un potencial eléctrico a través de la membrana, conocido como potencial de difusión. Este potencial se equilibra cuando la fuerza del gradiente de concentración se iguala con la fuerza eléctrica opuesta, estableciendo así el potencial de membrana en condiciones de reposo.

Neurona teñida en microscopía con cuerpo celular azul intenso y extensiones que pasan de azul a verde claro, sobre fondo negro.

Potencial de Membrana en Reposo de las Neuronas

El potencial de membrana en reposo es el estado eléctrico de una neurona cuando no está activa. En las neuronas, este potencial suele ser de aproximadamente -70 milivoltios (mV), lo que indica que el interior de la célula es más negativo en comparación con el exterior. Este potencial negativo se mantiene gracias a la bomba sodio-potasio, que expulsa tres iones sodio (Na+) hacia afuera y transporta dos iones potasio hacia adentro, contribuyendo así a la negatividad del interior celular. Los canales de fuga de potasio, que permanecen parcialmente abiertos en reposo, también permiten que los iones K+ salgan de la célula, manteniendo el potencial de membrana.

Origen del Potencial de Membrana en Reposo

El potencial de membrana en reposo, típicamente de -70 mV, se establece por la interacción de varios factores. La contribución principal proviene del potencial de difusión de potasio, que, si fuera el único factor, establecería un potencial cercano a -94 mV. La difusión de sodio hacia el interior de la célula y la acción de la bomba Na+-K+ también contribuyen, modificando ligeramente este valor. La bomba Na+-K+ añade aproximadamente -12 mV al potencial de membrana en reposo debido a la transferencia neta de una carga positiva hacia el exterior por cada ciclo de bombeo.

Potencial de Acción de las Neuronas

Los potenciales de acción son cambios rápidos y temporales en el potencial de membrana que se propagan a lo largo de la fibra nerviosa, permitiendo la transmisión de señales nerviosas. Se inician con la fase de reposo, donde la membrana está polarizada a -70 mV. Durante la fase de despolarización, la membrana se vuelve temporalmente muy permeable a los iones sodio, que entran rápidamente y neutralizan el estado polarizado. Esto puede llevar el potencial más allá del nivel cero. La repolarización sigue cuando los canales de sodio se cierran y los de potasio se abren, permitiendo que los iones K+ salgan y restablezcan el potencial negativo de reposo.

Canales de Sodio y Potasio Activados por Voltaje

Los canales de sodio y potasio activados por voltaje son esenciales para la despolarización y repolarización durante el potencial de acción. Estos canales se abren o cierran en respuesta a cambios en el potencial de membrana. La activación de los canales de sodio ocurre cuando el potencial de membrana se hace menos negativo, lo que lleva a la apertura de la compuerta de activación y permite la entrada de iones Na+. La inactivación sucede poco después, cerrando la compuerta y deteniendo el flujo de Na+. Los canales de potasio activados por voltaje se abren más lentamente y contribuyen a la repolarización al permitir la salida de iones K+.

Inicio y Propagación del Potencial de Acción

El potencial de acción comienza cuando un estímulo suficiente depolariza el potencial de membrana hasta alcanzar el umbral, aproximadamente -55 mV, desencadenando un ciclo de retroalimentación positiva que abre muchos canales de sodio. Una vez iniciado, el potencial de acción se propaga a lo largo de la membrana, excitando porciones adyacentes y transmitiendo el impulso nervioso o muscular. Este proceso sigue el principio del todo o nada, donde el potencial de acción se propaga completamente si se alcanza el umbral o no ocurre en absoluto si no se alcanza.

Meseta en Algunos Potenciales de Acción y Ritmicidad de Tejidos Excitables

En ciertos tipos de células, como las fibras musculares cardíacas, el potencial de acción incluye una fase de meseta, donde la repolarización se retrasa y el potencial se mantiene elevado cerca del máximo por un tiempo prolongado. Esto se debe a la apertura lenta y prolongada de los canales de calcio y a la apertura más lenta de lo normal de los canales de potasio. La meseta termina cuando se cierran los canales de calcio y aumenta la permeabilidad al potasio. Además, algunos tejidos excitables, como el nodo sinusal del corazón, tienen la capacidad de generar descargas rítmicas debido a la permeabilidad natural de la membrana a los iones sodio y calcio a través de canales lentos, lo que permite la despolarización automática y la generación de ritmos como el latido cardíaco.

Excitación y Periodo Refractario

La excitación de una célula nerviosa o muscular ocurre cuando factores como estímulos mecánicos, efectos químicos o corrientes eléctricas inducen la difusión de iones sodio hacia el interior de la célula, desencadenando la apertura de canales de sodio y la generación de un potencial de acción si se alcanza el umbral de excitación. Tras un potencial de acción, la célula entra en un periodo refractario durante el cual es menos sensible o insensible a nuevos estímulos. El periodo refractario absoluto es la fase inmediatamente después de un potencial de acción en la que no se puede generar un segundo potencial de acción, independientemente de la intensidad del estímulo. Esto es seguido por el periodo refractario relativo, durante el cual es posible generar un nuevo potencial de acción, pero solo con un estímulo más fuerte de lo normal.

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El ion ______ (K+) es más abundante ______ de la célula que ______ y es clave para crear un gradiente ______ que genera el potencial eléctrico.