Potenciales de membrana (incluye los iones)

Hola, hoy vamos a hablar sobre los potenciales de membrana, incluiremos iones.

El potencial de membrana en reposo

Imagina que tomas dos electrodos y colocas uno en el exterior y el otro en el interior de la membrana plasmática de una célula viva. Si hicieras esto, podrías medir una diferencia de potencial eléctrico o voltaje entre los electrodos. Esta diferencia de potencial eléctrico se denomina potencial de membrana.

[¿Es igual que el voltaje en un cable?]

Diagrama de un voltímetro que mide el potencial de membrana. Un electrodo está fuera de la célula. El otro electrodo está dentro de la célula. El voltímetro indica un voltaje de -70 mV a través de la membrana.

_Imagen modificada de "Cómo se comunican las neuronas: Figura 2", de OpenStax College, Biología (CC BY 4.0)._

Al igual que la distancia, la diferencia de potencial se mide respecto a un punto de referencia. En el caso de distancias, el punto de referencia podría ser una ciudad. Por ejemplo, podemos decir que Boston se encuentra a $300$300 $\text{km}$start text, k, m, end text al noreste, pero solo si sabemos que nuestro punto de referencia es la ciudad de Nueva York.

Para el potencial de membrana de la célula, el punto de referencia es el exterior de la célula. En la mayoría de las neuronas en reposo, la diferencia de potencial de la membrana es de entre $30$30 a $90$90 $\text{mV}$start text, m, V, end text (un $\text{mV}$start text, m, V, end text es $1/1000$1, slash, 1000 de un voltio), con el interior de la célula más negativo que el exterior. Es decir, las neuronas tienen un potencial de membrana en reposo (o simplemente potencial de reposo) de entre $-30$minus, 30 $\text{mV}$start text, m, V, end text a $-90$minus, 90 $\text{mV}$start text, m, V, end text.

Debido a que hay una diferencia de potencial en la membrana celular, se dice que la membrana está polarizada.

• Si el potencial de membrana se vuelve más positivo que el potencial de reposo, se dice que la membrana se despolariza.
• Si el potencial de membrana se vuelve más negativo que el potencial de reposo, se dice que la membrana se hiperpolariza.

Diagramas de voltímetros con un electrodo dentro de la célula y uno en el líquido extracelular. El primer voltímetro muestra hiperpolarización: -80 mV. El segundo voltímetro muestra el potencial de reposo: -70 mV. El tercer voltímetro muestra despolarización: + 40 mV.

_Imagen modificada de "Cómo se comunican las neuronas: Figura 2", de OpenStax College, Biología (CC BY 4.0)._

Todas las señales eléctricas que utilizan las neuronas para comunicarse son despolarizaciones o hiperpolarizaciones del potencial de membrana en reposo.

¿De dónde proviene el potencial de membrana en reposo?

El potencial de reposo de membrana está determinado por la distribución desigual de iones (partículas cargadas) entre el interior y el exterior de la célula, y por las diferencias en la permeabilidad de la membrana hacia diferentes tipos de iones.

Tipos de iones que se encuentran en las neuronas

En las neuronas y su líquido circundante, los iones más abundantes son:

• Iones con carga positiva (cationes): sodio ($\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript) y potasio ($\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript)
• Iones con carga negativa (aniones): cloruro ($\text{Cl}^-$start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript) y aniones orgánicos

En la mayoría de las neuronas, el $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript y los aniones orgánicos (como los de las proteínas y aminoácidos) se encuentran en concentraciones más altas dentro que fuera de de la célula. En cambio, el $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y el $\text{Cl}^-$start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript generalmente se encuentran en concentraciones más altas fuera de la célula. Esto significa que a través de la membrana hay gradientes de concentración estables para todos los tipos de iones más abundantes.

Este diagrama representa las concentraciones relativas de varios tipos de iones dentro y fuera de la neurona.

• El K+ tiene mayor concentración dentro que fuera de la célula.
• Los aniones orgánicos tienen mayor concentración dentro que fuera de la célula.
• El Cl- tiene mayor concentración fuera que dentro de la célula.
• El Na+ tiene mayor concentración fuera que dentro de la célula.

Cómo los iones cruzan la membrana

Debido a su carga, los iones no pueden pasar directamente a través de las regiones de lípidos hidrofóbicos ("temerosos del agua") de la membrana. En cambio, tienen que utilizar canales de proteína especializados que proporcionan un túnel hidrofílico ("amante del agua") que cruza la membrana. Algunos canales, llamados canales de filtración, están abiertos en neuronas en reposo. Otros se cierran en neuronas en reposo y solo se abren en respuesta a una señal.

Canales iónicos. Los canales se extienden de un lado de la membrana plasmática al otro y tienen un túnel que los atraviesa. El túnel permite el paso de los iones. Uno de los canales que se muestra permite el paso de iones Na+ y es un canal de sodio. El otro canal permite el paso de iones K+ y es un canal de potasio. Los canales solo proporcionan un camino por el que los iones pueden atravesar la membrana y les permiten desplazarse según el gradiente electroquímico que pueda existir. Los canales no mueven activamente iones de un lado a otro de la membrana.

Algunos canales iónicos son altamente selectivos para un tipo de ion, pero otros permiten el paso de varios tipos de iones. Los canales iónicos que permiten principalmente el paso de $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript se denominan canales de potasio y los canales iónicos que permiten principalmente el paso de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript se denominan canales de sodio.

[¿Qué sucede con el Cl- y los aniones orgánicos?]

En las neuronas, el potencial de reposo de membrana depende principalmente del movimiento de $\text {K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript a través de canales de filtración de potasio. Vamos a ver cómo funciona esto.

¿Qué pasa si solamente el $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript puede cruzar la membrana?

El movimiento de iones $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript a través de la membrana es el principal responsable del potencial de membrana de una neurona en reposo. Por lo tanto, vamos a darnos una idea de cómo funciona el potencial de membrana al ver lo que sucedería en el caso de que solo $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript pudiera cruzar la membrana.

Comenzaremos con $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript en una mayor concentración dentro de la célula que en el líquido circundante, igual que en una neurona normal. (También hay otros iones presentes, incluyendo aniones que contrarrestan la carga positiva del $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript, pero estos no serán capaces de atravesar la membrana en nuestro ejemplo).

Estado inicial:

Voltaje de cero a través de la membrana, medido por un voltímetro con un electrodo interior y un electrodo fuera de la célula. El interior y el exterior de la célula están separados por una membrana con canales de potasio, que inicialmente están cerrados. En el interior de la célula hay una mayor concentración de iones de potasio que en el exterior. Cada ion de potasio (en ambos lados de la membrana) está equilibrado por un anión, así que el sistema en su conjunto es eléctricamente neutro.

[¿Dónde están los iones Na+ y Cl-?]

Si se abren canales de potasio en la membrana, el $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript comenzará a fluir por su gradiente de concentración hacia el exterior de la célula. Cada vez que un ion de $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript sale de la célula, el interior de la célula pierde una carga positiva. Por ello, en la parte exterior de la membrana celular se acumula un ligero exceso de carga positiva y en el interior se acumula un ligero exceso de carga negativa. Es decir, el interior de la célula se vuelve negativo respecto al exterior y se establece una diferencia de potencial eléctrico en la membrana.

El sistema se mueve hacia el equilibrio:

Si puede cruzar por los canales, el K+ comenzará a moverse en dirección de su gradiente de concentración al exterior de la célula. (Los canales se muestran abiertos y el potasio se mueve del interior hacia el exterior de la célula a través de los canales).

El movimiento de iones K+ por su gradiente de concentración crea un desequilibrio de cargas en la membrana. (Los iones de potasio que han cruzado desde el interior hacia el exterior de la célula no se emparejan con aniones del exterior de la célula. Estos se alinean a lo largo del exterior de la membrana y los aniones sin pareja que dejaron atrás se alinean a lo largo de la cara interna de la membrana. Ahora, el voltímetro registra un voltaje ligeramente negativo).

El desequilibrio de cargas se opone a la corriente de K+ en dirección de su gradiente de concentración.

Entre iones (como en imanes), cargas similares se repelen y cargas diferentes se atraen. Por lo tanto, al establecerse la diferencia de potencial eléctrico en la membrana, se dificulta que los iones de $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript restantes puedan salir de la célula. Los iones $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript, de carga positiva, serán atraídos por las cargas negativas en el interior de la membrana celular y repelidas por las cargas positivas en el exterior, oponiéndose a su movimiento en dirección del gradiente de concentración. Las fuerzas eléctricas y difusivas que rigen el movimiento de $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript a través de la membrana forman en conjunto su gradiente electroquímico (el gradiente de energía potencial que determina en qué dirección fluirá espontáneamente el $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript).

Finalmente, la diferencia de potencial eléctrico en la membrana celular se acumula hasta un nivel suficientemente alto para que la fuerza eléctrica que impulsa $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript de regreso a la célula es igual a la fuerza química que impulsa la salida de $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript. Cuando la diferencia de potencial en la membrana de la célula llega a este punto, no hay movimiento neto de $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript en ninguna dirección y el sistema se considera en equilibrio. Cada vez que un $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript sale de la célula, otro $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript entrará a ella.

En el equilibrio:

En el equilibrio, el gradiente de concentración de K+ se nivela exactamente con la diferencia de potencial eléctrico en la membrana. Aunque los iones de K+ todavía cruzan la membrana por medio de canales, no hay ningún movimiento neto de K+ de un lado a otro. El voltímetro registra un potencial de membrana negativo que es igual al potencial de equilibrio de K+ (para las concentraciones de K+ presentes en la célula y en el líquido circundante).

El potencial de equilibrio

La diferencia de potencial eléctrico en la membrana celular que equilibra exactamente el gradiente de concentración de un ion se conoce como potencial de equilibrio. Como el sistema está en equilibrio, el potencial de membrana tiende a permanecer en el potencial de equilibrio. En una célula donde solo hay una especie iónica permeante (solo un tipo de iones puede atravesar la membrana), el potencial de reposo de membrana será igual al potencial de equilibrio de ese ion.

Si el gradiente de concentración es muy intenso, el potencial eléctrico que lo equilibra debe ser muy grande. Puedes hacerte una idea aproximada de esto imaginando la concentración de iones en ambos lados de la membrana como colinas de diferentes tamaños y pensando en el equilibrio potencial como la fuerza que necesita ejercerse para evitar que una roca baje rodando por las laderas de una colina a la otra.

Panel de la izquierda: dos compartimientos separados por una membrana semipermeable marcados como A y B. Hay un voltímetro entre A y B. El ion de interés está mucho más concentrado en A que en B y el voltímetro con sus electrodos en A y B registra un gran voltaje negativo. El voltaje es análogo a la fuerza que hay que ejercer para evitar que una roca ruede de un lugar alto hacia un lugar muy bajo.

Panel derecho: misma situación, pero entre A y B hay una diferencia mucho más leve en la concentración del ion de interés (B está ligeramente menos concentrado que A). En este caso, el voltaje solo es ligeramente negativo. Esto es análogo al caso donde tenemos un lugar muy alto y un lugar un poco más bajo, y se ejerce una fuerza para evitar que una roca descienda por la ladera.

Si conoces la concentración de $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript en ambos lados de la membrana celular, entonces puedes predecir la magnitud del potencial de equilibrio del potasio.

¿El potencial de membrana es igual al potencial de equilibrio del $\text K ^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript?

En células gliales, que brindan soporte al sistema nervioso, el potencial de reposo de membrana es igual al potencial de equilibrio del $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript.

Sin embargo, el potencial de membrana en reposo en las neuronas es cercano pero no idéntico al potencial de equilibrio del $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript. En lugar de ello, en condiciones fisiológicas (condiciones similares a las del cuerpo), el potencial de membrana en reposo de las neuronas es ligeramente menos negativo que el potencial de equilibrio del $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript.

¿Qué significa eso? En una neurona, otros tipos de iones además del $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript deben contribuir significativamente al potencial de reposo de la membrana.

[¿Qué experimento harías para determinar esto?]

$\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript y $\text {Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript contribuyen al potencial de reposo en neuronas

Pues resulta que la mayoría de las neuronas en reposo son permeables a $\text {Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y $\text{Cl}^-$start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, así como a $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript. En particular, la permeabilidad a $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript es la principal razón por la que su potencial de membrana en reposo es diferente al potencial de equilibrio del potasio.

Regresemos a nuestro modelo de una célula permeable a un solo tipo de ion e imaginemos que el $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript (en lugar del $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript) es el único ion que puede cruzar la membrana. El $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript generalmente está presente en una concentración mucho más alta fuera de la célula que dentro, por lo que se moverá en el sentido de su gradiente de concentración hacia la célula y así el interior de la célula se vuelve más positivo que el exterior.

Debido a esto, el potencial de equilibrio del sodio —la diferencia de potencial eléctrico en la membrana celular que equilibra exactamente el gradiente de concentración de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript— será positivo. Por lo tanto, en un sistema donde $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript es el único ion permeante, el potencial de membrana será positivo.

Estado inicial:

Voltaje de cero a través de la membrana, medido por un voltímetro con un electrodo dentro y un electrodo fuera de la célula. El interior tiene una baja concentración de iones sodio y el exterior de la célula tiene una mayor concentración de iones sodio. Cada ion sodio se equilibra con un anión en el mismo lado de la membrana que el ion de sodio. Hay canales de sodio en la membrana, pero inicialmente se encuentran cerrados.

Los canales se abren y el Na+ puede moverse a través de ellos.

En el equilibrio:

Ahora el voltímetro registra un voltaje positivo igual al potencial de equilibrio del sodio para este par de concentraciones de sodio en particular. Los iones de Na+ se desplazan por su gradiente de concentración hasta que una diferencia de potencial eléctrico compensatoria en la membrana se opone a que el movimiento continúe. Hay cargas positivas adicionales en el interior de la célula en forma de iones Na+, y estos iones Na+ se alinean a lo largo de la membrana. En el lado opuesto de la membrana, hay aniones adicionales (las parejas originales de los iones Na+ que son incapaces de cruzar), los cuales también se alinean en la membrana.

En una neurona en reposo, el $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y el $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript son permeantes, o capaces de atravesar la membrana.

• El $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript intentará arrastrar el potencial de membrana hacia su potencial de equilibrio (positivo).
• El $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript intentará arrastrar el potencial de membrana hacia su potencial de equilibrio (negativo).

Puedes pensar en esto como un tira y afloja. El potencial de membrana real estará entre el potencial de equilibrio del $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y el potencial de equilibrio del $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript. Sin embargo, será más cercano al potencial de equilibrio del ion con mayor permeabilidad (aquel que atraviese la membrana más fácilmente).

[Preferiría una explicación más técnica de este concepto]

Abrir y cerrar los canales iónicos altera el potencial de membrana

En una neurona, el potencial de membrana en reposo está más cerca del potencial de equilibrio del potasio que del potencial de equilibrio del sodio. Eso es porque la membrana en reposo es mucho más permeable a $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript que a $\text {Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript.

• Si se abrieran más canales de potasio —que facilitaran aún más el paso de $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript por la membrana celular— la membrana se hiperpolarizaría y se acercaría todavía más al potencial de equilibrio del potasio.
• Por otro lado, si se abrieran más canales de sodio —que facilitaran el paso de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript por la membrana— la membrana se despolarizaría hacia el potencial de equilibrio del sodio.

Cambiar el número de canales iónicos abiertos proporciona una forma de controlar el potencial de membrana de la célula y es una forma fenomenal de producir señales eléctricas. (Veremos la apertura y el cierre de canales otra vez cuando discutamos potenciales de acción).

La bomba de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript-$\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript mantiene los gradientes de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript

Los gradientes de concentración de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript en la membrana de la célula (y, por lo tanto, el potencial de reposo de membrana) se mantienen gracias a la actividad de una proteína llamada $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript-$\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript ATPasa, que suele llamarse bomba de sodio-potasio. Si la bomba de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript-$\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript se cierra, los gradientes de concentración de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript se disiparían junto con el potencial de membrana.

[¿Por qué se necesita una bomba para mantener los gradientes de concentración?]

Así como los canales iónicos que permiten el paso de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript por la membrana celular, la bomba de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript-$\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript es una proteína que atraviesa la membrana. Sin embargo, a diferencia de los canales de potasio y los canales de sodio, la bomba de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript-$\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript no solo brinda al $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y al $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript una forma de desplazarse por sus gradientes electroquímicos. Por el contrario, transporta activamente $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y $\text{K}^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript en contra de sus gradientes electroquímicos.

La energía para este movimiento "cuesta arriba" proviene de la hidrólisis de ATP (la división del ATP en ADP y fosfato inorgánico). Por cada molécula de ATP que se rompe, $3$3 iones de $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript se mueven del interior hacia el exterior de la célula y $2$2 iones de $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript se trasladan del exterior al interior.

1. Tres iones de sodio se unen a la bomba de sodio-potasio, que está abierta hacia el interior de la célula.
2. La bomba hidroliza ATP, se fosforila (al unir un grupo fosfato a sí misma) y libera ATP. Este evento de fosforilación causa un cambio conformacional en la bomba: se cierra en el interior de la célula y se abre en el exterior de la célula. Los tres iones de sodio se liberan y dos iones de potasio se unen al interior de la bomba.
3. La unión de los iones de potasio desencadena otro cambio conformacional en la bomba, la cual pierde su grupo fosfato y vuelve a la forma en la que se abre hacia adentro. Los iones de potasio se liberan al interior de la célula y el ciclo de la bomba puede comenzar otra vez.

_Imagen modificada de "La bomba de intercambio de sodio potasio", por personal de Blausen (CC BY 3.0)._

[Mira a detalle cómo la bomba transporta iones]

Dado que se exportan $3$3 $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript por cada $2$2 $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript que entran a la célula, la bomba hace una pequeña contribución directa al potencial de reposo de la membrana (lo hace ligeramente más negativo de lo que sería sin ella). Sin embargo, la mayor contribución de la bomba al potencial de membrana es indirecto: mantiene constantes los gradientes de $\text {Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript, lo que produce el potencial de membrana por el movimiento de $\text {Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript y $\text K^+$start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript en sus respectivos gradientes de concentración a través de canales de filtración.

 

 

REFERENCIAS:

Khan Academy, (S.F.), "El potencial de la membrana", recuperado de: https://es.khanacademy.org/science/biology/human-biology/neuron-nervous-system/a/the-membrane-potential