Potenciales de membrana

Las células nerviosas y musculares tienen la propiedad de ser células excitables, o sea que pueden:

Generar potenciales eléctricos y en muchos casos Transmitirlos como señales a lo largo de sus membranas.

¿Cómo se genera un potencial de membrana?

Los potenciales de membrana básicamente se generan con la participación de 2 iones principales:

• Na+ • K+

Estos iones difunden a través de la MEMBRANA CELULAR SEMIPERMEABLE de estas células (nerviosas y musculares), siguiendo las reglas de la difusión:

CARGA ELÉCTRICA: Los iones de cargas opuestas se atraen y los de carga similares se repelen.

CONCENTRACIÓN: Las partículas separadas por una membrana permeable difunden a través de la membrana siguiendo su gradiente de concentración, siempre tendiendo a igualar la concentración a ambos lado de la membrana.

O sea que:

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El Sodio tiene carga positiva y se encuentra en mayor concentración fuera de las células, por lo tanto ambas fuerzas crean una tendencia al sodio de entrar en las células.

El Potasio tiene carga positiva, por lo que tiende a entrar hacia la célula (con carga negativa), sin embargo su gradiente de concentración es mayor dentro de las células por lo tanto también tiene una tendencia a salir.
Sin embargo al sumar las fuerzas que tienden a hacer entrar estos iones y hacerlos salir obtenemos que (OJO, acá solo hablamos de tendencias):

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¿Cómo se distribuyen las cargas eléctricas dentro de una célula?

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EL POTENCIAL DE REPOSO

El potencial de membrana de las fibras nerviosas en reposo (cuando no transmiten señales) es aproximadamente – 90 mV, y este voltaje es generado por:

• BOMBA DE Na+/K+: Produce gradientes de concentración de estos iones en la membrana nerviosa en reposo.

• CANALES DE FUGA DE K+/Na+: Son unas 100 veces más permeables para el K+ que para el Na+.

Así, en reposo, se acumula potasio en el interior de la célula y el sodio en el espacio extracelular.

Como se forma el potencial de reposo

1. El potencial de difusión del potasio genera: - 94 mV

2. El potencial de difusión de sodio genera: + 61 mV

Que según la ECUACIÓN DE GOLDMAN al combinarlos genera un potencial en el interior de la membrana de: - 86 mV

3. El potencial de difusión que genera la Bomba de sodio potasio es de: - 4mV

TODO ESTO DA UN POTENCIAL NETO DE – 90 mV

POTENCIAL DE ACCIÓN

Es la forma en que se transmiten las señales nerviosas. Son cambios rápidos (1/100 de segundo) del potencial de membrana.

Etapas

1. Etapa de Reposo: La membrana está “polarizada” y su potencial tiene un fuerte valor negativo.

2. Etapa de Despolarización: La membrana se hace muy permeable al Na+ los cuales pasan al interior del axón. El potencial se vuelve más positivo (por entrar un ión positivo).

3. Etapa de Reposo: Después de 1/100 segundos tras el aumento de la permeabilidad de la membrana al sodio, los canales para estos comienzan a cerrarse y los de potasio se abren más de lo normal, lo que genera:

• El cese de la entrada de SODIO. • Aumento de la salida de POTASIO.

El aumento de la salida de potasio hace que cargas positivas salgan de la célula, volviéndola más negativa en su interior lo que reestablece la polarización de la membrana celular.

Canales de Sodio con compuerta Operados por Voltaje

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ACTIVACIÓN: Estos canales son operados por voltaje, o sea, cuando el interior de la célula se vuelve más negativo (- 70 a – 50 mV) estos canales son activados. Esto permeabiliza la membrana al sodio entre 500 y 5000 veces.

INACTIVACIÓN: El mismo aumento de voltaje que abre las compuertas de activación también cierra la de inactivación, lo que sucede luego de 1/100 segundos después de la apertura de la compuerta de activación

La compuerta de inactivación no se vuelve a abrir hasta que el potencial de membrana se recupere hasta aproximadamente el valor normal.

Canales de Potasio con compuerta Operados por Voltaje

ACTIVACIÓN: Se da por el aumento del voltaje desde – 90 hacia 0, lo que causa un cambio de conformación lento que abre la compuerta y permite la liberación de Potasio.
Se abre cuando las compuertas de Na+ comienzan a cerrarse.

INACTIVACIÓN: Se cierran cuando el potencial de membrana desciende a un valor muy negativo.

Comienzo del potencial de acción

Para que un potencial de acción se genere, primero debe existir un estímulo, este puede ser cualquier factor que haga que entre sodio en cantidad suficiente para activar la apertura automática de los canales de Na+.

Ejemplos: • Alteración mecánica de la membrana. • Paso de electricidad a través de la membrana.

1. Despolarización: Los canales de sodio se abren por retroalimentación positiva (por un aumento inicial del potencial de membrana) lo que provoca la apertura de más canales de sodio (este proceso es un circulo vicioso)...

Luego de unos milisegundos el potencial de membrana en aumento genera:

• Inactivación de los canales de Na+ (Ya que eran los activado por voltajes) • Activación de los canales de K+ activados por voltaje.

Desde aquí podemos obtener un UMBRAL o la ACOMODACIÓN DE LA MEMBRANA.

2. Umbral: Es el punto en que un estímulo es capaz de producir un efecto, en este caso, el COMIENZO DEL POTENCIAL DE ACCIÓN.

Se da cuando el potencial de membrana aumenta lo suficiente como para crear el circulo vicioso, lo que necesita un aumento de 15 a 30 mV.

3. Acomodación de la membrana (Cuando no se llega al umbral, fracasa la descarga de un potencial de membrana).

Si el potencial de la membrana aumenta lentamente dará lugar a que se cierren las compuertas lentas de inactivación de los canales de iones Na+ a la vez que otros de estos se abren, por lo que no se descarga el potencial.

Propagación del potencial de acción

La despolarización viaja por toda la longitud de la fibra, ya que el punto excitado de la membrana suele excitar las porciones adyacentes de la misma y provoca la propagación del potencial de acción.

Dirección de la propagación: Puede viajar en ambas direcciones desde el punto del estímulo e incluso por todas las ramas de la fibra nerviosa.

TODO O NADA (Ley): Una vez que aparece un potencial de acción, el proceso de despolarización viajará por toda la membrana (si es que esta está en buen estado)...

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Mesetas de algunos potenciales de acción

La causa de esta meseta se da por:

1. Canales de Na+ operados por voltaje (canales rápidos).

2. Canales de Ca+ operados por voltaje (canales lentos). Responsables de la meseta.

3. Los canales de K+ operados por voltaje presentan una activación lenta y a menudo no se abren hasta el final de la meseta.

El Período refractario

Es el período durante el cual NO pueden generarse nuevos potenciales de acción.

Esto sucede debido a que después del comienzo de un potencial de acción, los canales de Na+, (de Ca2+, o ambos) se inactivan, y las compuertas de inactivación no se abrirán, sea cual fuere la señal excitadora hasta que se aproxime el potencial de membrana al potencial de reposo.

Período refractario absoluto: Tiempo en que no puede desencadenarse un 2º potencial de acción, incluso aplicando estímulos máximos. (Tiempo 1/2500 segundo)

Período refractario relativo: Dura la cuarta parte del anterior y es cuando solo los estímulos más fuertes pueden excitar la fibra.

TODO ESTO SE DEBE A:

• Los canales de Na+ no se han recuperado de la inactivación.

• Los canales de K+ están muy abiertos en este período, lo que produce hiperpolarización.
Tejidos que generan descargas repetitivas de potenciales de acción

Esto se dan en tejidos como: • Músculo liso. • Músculo cardíaco. • Neuronas del SNC (muchas de ellas)

Para que esto suceda... el potencial de reposo es solo de – 60 a –70 mV. Este valor no alcanza para que los canales de Na+ y Ca2+ se hallen cerrados, o sea...

1. El Na+ y el Ca2+ fluyen al interior.

2. Lo que aumenta la permeabilidad de la membrana.

3. Fluyen aún más iones Na+ y Ca2+ al interior celular.

4. Y así sucesivamente, la permeabilidad aumenta más, de modo que se crea un proceso regenerativo de abertura de canales Na+ y K+ que culmina en un potencial de acción.

Las células de Schwann en la transmisión del impulso nervioso

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Las células de Schwann se hallan envueltas alrededor de las fibras nerviosas, dejando pequeñas constricciones en la sustancia blanca a intervalos más o menos regulares. Estas constricciones son llamadas Nodos de Ranviers y permiten la transmisión del impulso nervioso de modo saltatorio...

Conducción saltatoria de nodo a nodo: Los iones pueden fluir con facilidad en los nodos de Ranviers, por lo que los potenciales de acción, solo pueden suceder en los nodos, a lo que se llama CONDUCCIÓN SALTATORIA.

IMPORTANCIA: 1. Aumenta la velocidad de conducción entre 5 y 50 veces. 2. Conserva la energía del axón, porque solo se despolariza en los nodos.

Velocidad de conducción: • Fibras amielínicas ( 0,5 m/seg. • Fibras mielínicas ( 100 m/seg.
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Las cargas positivas y negativas son exactamente iguales en cualquier sitio de la célula, excepto en la superficie de la propia membrana celular.

Este es el llamado PRINCIPIO DE NEUTRALIDAD ELÉCTRICA.

Este es un potencial de acción de una Fibra de Purkinje cardíaca en la que se ve una meseta.