Hay potenciales eléctricos a través de las membranas de prácticamente todas las células del cuerpo. Además algunas células como las nerviosas y las musculare so capaces de generar impulsos electroquímicos rápidamente cambiantes en sus membranas y estos impulsos se utilizan para transmitir señales a través de las membranas de los nervios y de los músculos.
Física básica de los potenciales de membrana
Hay dos ejemplos claves para entender el potencial de difusión producido por una diferencia iónica a los dos lados de la membrana, el primer ejemplo lo tenemos cuando la concentración K es muy grande dentro de la membrana de una fibra nerviosa y superior a la las concentraciones en el exterior, esto facilita a que grandes cantidades de K sean difundidos hacia afuera a través de la membrana, la cual en este caso es solo permeable a los iones K.
Los iones K a medida que son difundidos llevan consigo cargas electropositivas hacia fuera de la membrana y dejando cada vez mas electronegativo el interior de esta. En un plazo de un milisegundo (ms) la diferencia de potencial entre el interior y el exterior, se hace lo suficientemente grande como para bloquear la difusión adicional neta de potasio hacia el exterior, a pesar del elevado gradiente de concentración iónica de potasio.
La diferencia de potencial necesaria en el mamífero es 94 milivoltios con electronegatividad en el interior de la membrana de la fibra.
El segundo ejemplo es muy similar al primero con la diferencia de que esta vez se trata de iones Na concentrados en el exterior de la membrana de la fibra, y cuando se da la difusión de estos iones se crea un potencial de membrana con polaridad opuesta al del primer ejemplo, todo esto sucede igualmente en cuestión de milisegundos y el potencial necesario es de aproximadamente 61 milivoltios positivos en el interior de la célula en el mamífero.
Potencial de acción de membrana en reposo de los nervios
El potencial de membrana en reposo de las fibras nerviosas grandes cuando no transmiten señales nerviosas es de aproximadamente -90 mV, es decir que el potencial en el interior de la fibra es 90 mV mas negativo que que el potencial del liquido extracelular que esta en el interior de la misma
Transporte activo de los iones Na y K a través de la bomba Na/K
Todas las membranas cuentan con una bomba Na/K que está en continuo funcionamiento, se trata de una bomba electrógena ya que transporta tres iones de Na+ hacia afuera por cada dos de K+ hacia adentro dejando mas carga positiva afuera que adentro, generando un potencial negativo en el interior de la membrana celular.
El potencial de reposo de la membrana es entre 50 y 70 mV
Origen del potencial de membrana en reposo normal
El potencial neto en reposo cuando actúan todos los mecanismos es de -90 mV
Potencial de acción nervioso
Las señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción, los cuales son cambios rápido del potencial de membrana que se extienden rápidamente a los largo de la membrana, y que van desde un potencial negativo o de reposo el cual es de -90mV hasta un potencial positivo que puede llegar hasta los 35mV y luego un retroceso subito a su estado anterior.
Para transmitir el mensaje el potencial viaja a lo largo de la fibra hasta llegar a su extremo.
Fase de reposo
En esta fase se dice que la membrana esta polarizada debido al potencial de -90mV que está presente
Fase de despolarización
En este la momento la membrana se hace súbitamente muy permeable a los iones sodio, lo que permite la difusión de sodio cargado positivamente hacia el interior de la membrana neutralizando el potencial negativo de -90mV casi inmediatamente, y el potencial aumento en dirección positiva.
En las fibras nerviosas grandes el exceso de sodio en el interior hacen que el potencial se sobreexcite más allá del nivel 0, en cambio en las fibras nerviosas pequeñas y en las neuronas del sistema nervioso central el potencial se acerca al 0 pero nunca se sobreexcita.
Fase de repolarización
En un plazo de algunas 10 milésimas de segundo después que la membrana se haya hecho muy permeable a los iones sodio, los canales de sodio comienzan a cerrarse y los de potasio se abren más de lo normal.
De esta manera, la rápida difusión de los iones de potasio hacia el exterior reestablece el potencial de reposo negativo normal.
Activación del canal de sodio por voltaje
Cuando el potencial de membrana se hace menos negativo que durante el estado de reposo, aumentando desde -90mV hacia 0, finalmente alcanza un voltaje que produce un cambio conformacional subito en la activación de la compuerta, que bascula totalmente hasta la posición de abierta, en este estado de alta permeabilidad de 500 a 5000 los iones sodio pueden atravesar el canal fácilmente.
Activación del canal de potasio por voltaje
Durante el estado de reposo la compuerta del canal de potasio esta cerrada, lo que impide su transporte hacia el exterior. Cuando el potencial de la membrana aumenta de igual manera de -90mV hasta 0 se produce una apertura de la compuerta y permite el aumento de la difusión de potasio. Esto suele suceder al mismo tiempo que los canales de sodio se empiezan a inactivar y estos dos proceso se combinan para acelerar la repolarización, y permitiendo una rápida recuperación al estado anterior de reposo normal.
Propagación del potencial de acción
Un potencial de acción que se desencadena en cualquier punto de una membrana excitable habitualmente excita porciones adyacentes de la membrana y su dirección de propagación puede ser multidireccional