Potencial de Membrana

Descripción General

• La mayoría de las células del cuerpo humano tienen un potencial de membrana.
  • La bicapa lipídica de la membrana plasmática aísla el interior de la célula del exterior y no permite la libre difusión de iones.
  • Los canales iónicos y transportadores selectivos permiten aumentos en la concentración de iones cargados dentro y/o fuera de la membrana plasmática.
• La mayoría de las células tienen un potencial eléctrico a través de su membrana plasmática.
  • El interior de la célula es ligeramente más negativo que el exterior.
  • En algunas células, esta carga puede igualarse o incluso revertirse rápidamente en respuesta a estímulos.
• Tipos de potencial
  • Potencial de membrana en reposo
  • Potencial de equilibrio
  • Potencial de acción nervioso

Potencial de Equilibrio

Descripción general

• También conocido como potencial de inversión o “estado isoeléctrico”.
• Voltaje del potencial transmembrana en el que no hay flujo neto de iones a través de una membrana plasmática
  • Los iones se difunden siguiendo su gradiente de concentración, así como para neutralizar sus cargas eléctricas (e.g., los iones cargados negativamente desean viajar hacia áreas cargadas positivamente).
  • Pueden actuar juntos para empujar iones en 1 dirección o pueden contrastar entre sí

Ecuación de Nernst

Se utiliza para calcular el potencial de equilibrio a una diferencia de concentración dada de un ion permeable a través de la membrana celular.

$$ V_{eq}= \left ( RT/zF \right )ln\left ( X_{o} /X_{i}\right ) $$

V_eq = potencial de equilibrio para el ion X
R = constante de los gases (8,314 julios por kelvin por mol)
T = temperatura en kelvin (K = °C + 273,15)
z = carga del ion (+1 para Na+, +2 para Ca2+, −1 para Cl−)
F = Constante de Faraday (96,485 culombios por mol)
X_i = concentración intracelular (mM)
X_o = concentración extracelular (mM)

Potencial de Membrana en Reposo

Descripción general

• Potencial que tienen las células a través de sus membranas en su estado basal
  • Las células excitables (neuronas, músculo cardíaco, etc.) vuelven a este potencial de reposo entre los potenciales de acción.
  • Las células no excitables permanecen constantemente en su potencial de reposo.
• Resultado del movimiento de varias especies de iones diferentes a través de varios canales iónicos y transportadores (uniportadores, cotransportadores y bombas) en la membrana plasmática
• El potencial de difusión depende de
  • La carga de los iones (principalmente Na+, K+ y Cl-)
  • La diferencia en la concentración de iones dentro y fuera de la célula.
  • La permeabilidad de la membrana plasmática a los iones.
• Potenciales de membrana en reposo de varios tejidos:
  • Neurona -70mV
  • Músculo esquelético -90mV
  • Cardíaco -90mV
• Potencial de acción de fibras lentas
  • Potencial inestable
  • Oscila entre -60mV y -40mV
  • Observado en tejidos de marcapasos
    • Nódulo sinoauricular en el sistema cardiovascular
    • Células de Cajal en el tracto gastrointestinal
    • Complejo Pre-Bötzinger: una red neuronal en el tallo cerebral ventrolateral que genera el ritmo respiratorio

Ecuación de Goldman

El potencial de membrana en reposo puede considerarse el promedio de los potenciales de equilibrio de todos los iones que entran y salen de una célula, modificado por la permeabilidad relativa de una célula a esos iones.

$$ E_{m}=\frac{RT}{F}ln\left ( \frac{P_{K}\left [ K^{+} \right ]_{out}+P_{Na}\left [ Na^{+} \right ]_{out}+P_{Cl}\left [ Cl^{-} \right ]_{in}}{P_{K}\left [ K^{+} \right ]_{in}+P_{Na}\left [ Na^{+} \right ]_{in}+P_{Cl}\left [ Cl^{-} \right ]_{out}} \right ) $$

E _m: el potencial de membrana (en voltios, equivalente a julios por culombios)
P _ion: la selectividad para ese ion (en metros por segundo)
[ion]_out: la concentración extracelular de ese ion (en moles por metro cúbico, para que coincida con otras unidades del Sistema Internacional)
[ion]_in: la concentración intracelular de ese ion (en moles por metro cúbico)
R: la constante de los gases ideales (julios por kelvin por mol)
T: la temperatura en kelvin
F: constante de Faraday (culombios por mol)

Potencial de Acción

Descripción general

• Observado en células excitables (principalmente neuronas)
• Cuando el potencial de membrana está en reposo, los canales iónicos se abren y conducen a un flujo rápido de iones a través de la membrana plasmática siguiendo su gradiente de concentración.
• Conduce a cambios rápidos en el voltaje a través de la membrana plasmática (despolarización)
• Los cambios se localizan en el área alrededor de los canales iónicos abiertos.
• Los canales de iones sensibles al voltaje en áreas adyacentes se abren en respuesta al cambio en el potencial de membrana, lo que permite la entrada de iones.
• El potencial se propaga así por toda la superficie de la membrana celular.

Fases de un potencial de acción nervioso

• Potencial de membrana en reposo en una neurona
  • En estado basal -70mV
  • Refleja el potencial de equilibrio de K+ debido a su alta conductancia a través de la membrana plasmática (desde adentro hacia afuera)
    • En una neurona en reposo: alta concentración de Na+ en el líquido extracelular y alta concentración de K+ en el líquido intracelular
    • Los canales de fuga de K están abiertos mientras que los canales de Na+ están cerrados.
    • Conduce a una salida de iones K+ desde el interior de la célula, generando el potencial de membrana en reposo negativo.
• Periodo de latencia
  • Cuando se da un estímulo, no se produce una respuesta inmediatamente.
  • Intervalo de tiempo entre el estímulo y la respuesta
• Ascenso del potencial de acción o despolarización
  • Ocurre despolarización, lo que provoca la apertura de canales de Na+ dependientes de voltaje.
  • Conduce a una entrada rápida de iones Na+ hacia la célula siguiendo su gradiente de concentración
  • Conductancia de Na+ > conductancia de K+
  • Esto hace que el potencial de membrana se acerque al potencial de equilibrio de Na+ (+65 mV).
  • El potencial de membrana permanece positivo durante un breve período de tiempo.
• Repolarización
  • La despolarización provoca los siguientes cambios
    • Cierra las compuertas de inactivación de los canales de Na+
    • Abre lentamente los canales de K+, provocando un aumento de la conductancia de K+ más que el potencial de membrana en reposo
  • Conductancia de K+ > conductancia de Na+, lo que provoca la repolarización
  • La repolarización se produce principalmente debido a la salida de K+
• Sobreimpulso o hiperpolarización
  • El canal de Na+ se cierra.
  • La conductancia de K+ permanece más elevada que el potencial de membrana en reposo durante algún tiempo.
  • El potencial de membrana se acerca al potencial de equilibrio de K+, que es -90mV.

Períodos refractarios

• Período refractario absoluto
  • Desde el disparo a ⅓ de la repolarización
  • Durante este período, un 2do estímulo, por más grande que sea, no puede iniciar otro potencial de acción.
• Período refractario relativo
  • Desde el final del período refractario absoluto hasta que el potencial de membrana alcanza su nivel de reposo
  • Durante este período, se puede provocar el potencial de acción si se proporciona un estímulo mayor.

Relevancia Clínica

• Potenciales de acción cardíacos y potencial de marcapasos: las células del corazón transmiten potenciales de acción diferentes a los que se observan en las neuronas. Las fases máximas de los potenciales de acción duran más que las que se observan en las neuronas debido a la actividad de los canales de calcio (Ca) más lentos, que se abren y retienen el potencial de acción por más tiempo. Además, un grupo de células especiales en el nodo sinoauricular se caracteriza por tener un potencial de marcapasos. Este potencial de acción se genera automáticamente al final del anterior, dando al proceso un patrón automático repetitivo que regula los latidos del corazón.
• Síndrome de Brugada: una afección genética que conduce a arritmias cardíacas debido a mutaciones hereditarias en los canales de Na+ en el músculo cardíaco, que conducen a una conducción del potencial de acción aberrante, arritmia y paro cardíaco repentino. Los pacientes son tratados con desfibriladores cardíacos implantados que pueden detectar ritmos aberrantes y administrar una descarga al corazón para restablecer el potencial de acción.