Potenciales de Membrana y Potenciales de Acción Capítulo 5

# CAPÍTULO 5 ## Potenciales de membrana y potenciales de acción Hay potenciales eléctricos a través de las membranas de prácticamente todas las células del cuerpo. Algunas células, como las células nerviosas y musculares, generan impulsos electroquímicos rápidamente cambiantes en sus membranas, y e...

# CAPÍTULO 5 ## Potenciales de membrana y potenciales de acción Hay potenciales eléctricos a través de las membranas de prácticamente todas las células del cuerpo. Algunas células, como las células nerviosas y musculares, generan 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. En otros tipos de células, como las células glandulares, los macrófagos y las células ciliadas, los cambios locales de los potenciales de membrana también activan muchas de las funciones de las células. El presente capítulo ofrece una revisión de los mecanismos en virtud de los cuales los potenciales de membrana se generan tanto en reposo como durante la acción en las células nerviosas y musculares. Véase el vídeo 5-1. ## FÍSICA BÁSICA DE LOS POTENCIALES DE MEMBRANA ### Potenciales de membrana provocados por diferencias de concentración de iones a través de una membrana permeable selectiva En la figura 5-1A la concentración de potasio es grande dentro de la membrana de una fibra nerviosa, pero muy baja fuera de esta. Consideremos que en este caso la membrana es permeable a los iones potasio, pero no a ningún otro ion. Debido al gran gradiente de concentración de potasio desde el interior hacia el exterior hay una intensa tendencia a que los iones potasio difundan hacia fuera a través de la membrana. A medida que lo hacen transportan cargas eléctricas positivas hacia el exterior, generando de esta manera electropositividad fuera de la membrana y electronegatividad en el interior de la membrana debido a los aniones negativos que permanecen detrás y que no difunden hacia fuera con el potasio. En un plazo de aproximadamente 1 ms la diferencia de potencial entre el interior y el exterior, denominada potencial de difusión, 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. En la fibra nerviosa normal del mamífero la diferencia de potencial es de aproximadamente 94 mV, con negatividad en el interior de la membrana de la fibra. La figura 5-1B muestra el mismo fenómeno que la figura 5-1A, pero esta vez con una concentración elevada de iones sodio fuera de la membrana y una concentración baja de iones sodio dentro. Estos iones también tienen carga positiva. Esta vez la membrana es muy permeable a los iones sodio, aunque es impermeable a todos los demás iones. La difusión de los iones sodio de carga positiva hacia el interior crea un potencial de membrana de polaridad opuesta al de la figura 5-1A, con negatividad en el exterior y positividad en el interior. Una vez más el potencial de membrana se hace lo suficientemente elevado en un plazo de milisegundos como para bloquear la ulterior difusión neta de iones sodio hacia el interior; sin embargo, esta vez, en la fibra nerviosa del mamífero, el potencial es de aproximadamente 61 mV positivos en el interior de la fibra. Así, en las dos partes de la figura 5-1 vemos que una diferencia de concentración de iones a través de una membrana puede, en condiciones adecuadas, crear un potencial de membrana. Más adelante en este capítulo mostramos que muchos de los rápidos cambios de los potenciales de membrana que se observan durante la transmisión de los impulsos nerviosos y musculares se deben a estos potenciales de difusión rápidamente cambiantes. ### La ecuación de Nernst describe la relación del potencial de difusión con la diferencia de concentración de iones a través de una membrana El potencial de difusión a través de una membrana que se opone exactamente a la difusión neta de un ion particular a través de la membrana se denomina potencial de Nernst para ese ion, un término que se introdujo en el capítulo 4. La magnitud del potencial de Nernst viene determinada por el cociente de las concentraciones de ese ion específico en los dos lados de la membrana. Cuanto mayor es este cociente, mayor es la tendencia del ion a difundir en una dirección y, por tanto, mayor será el potencial de Nernst necesario para impedir la difusión neta adicional. Se puede utilizar la siguiente ecuación, denominada ecuación de Nernst, para calcular el potencial de Nernst para cualquier ion univalente a la temperatura corporal normal (37 °C): $FEM (milivoltios) = ± \frac{61}{Z}*log(\frac{concentración\ interior}{concentración\ exterior})$ donde FEM es la fuerza electromotriz y z es la carga eléctrica del ion (p. ej., +1 para K+). Cuando se utiliza esta fórmula habitualmente se asume que el potencial del líquido extracelular que está fuera de la membrana se mantiene a un nivel de potencial cero, y que el potencial de Nernst es el potencial que está en el interior de la membrana. Además, el signo del potencial es positivo (+) si el ion que difunde desde el interior hacia el exterior es un ion negativo, y es negativo (-) si el ion es positivo. Así, cuando la concentración de iones potasio positivos en el interior es 10 veces mayor que la del exterior, el logaritmo de 10 es 1, de modo que se calcula que el potencial de Nernst es de -61 mV en el interior de la membrana. ### La ecuación de Goldman se utiliza para calcular el potencial de difusión cuando la membrana es permeable a varios iones diferentes Cuando una membrana es permeable a varios iones diferentes, el potencial de difusión que se genera depende de tres factores: 1) la polaridad de la carga eléctrica de cada uno de los iones; 2) la permeabilidad de la membrana (P) a cada uno de los iones, y 3) la concentración (C) de los respectivos iones en el interior (i) y en el exterior (e) de la membrana. Así, la fórmula siguiente, que se denomina ecuación de Goldman o ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz, da el potencial de membrana calculado en el interior de la membrana cuando participan dos iones positivos univalentes, sodio (Na+) y potasio (K+), y un ion negativo univalente, cloruro (Cl-): $FEM (milivoltios) = -61 * log(\frac{CNa PNa+ + CK PK+ + CCEPC}{CNa Na +CKPK+ +CCFPcr})$ A partir de la ecuación de Goldman se hacen evidentes varios puntos clave. En primer lugar, los iones sodio, potasio y cloruro son los iones más importantes que participan en la generación de los potenciales de membrana en las fibras nerviosas y musculares, así como en las células neuronales. El gradiente de concentración de cada uno de estos iones a través de la membrana ayuda a determinar el voltaje del potencial de membrana. Segundo, el grado de importancia de cada uno de los iones en la determinación del voltaje es proporcional a la permeabilidad de la membrana para ese ion particular. Si la membrana tiene una permeabilidad cero para los iones sodio y cloruro, el potencial de membrana está dominado únicamente por el gradiente de concentración de los iones potasio y el potencial resultante será igual al potencial de Nernst para el potasio. Lo mismo se puede aplicar a los otros dos iones si la membrana se hiciera permeable selectivamente para uno u otro de manera aislada. Tercero, un gradiente positivo de concentración iónica desde el interior de la membrana hacia el exterior produce electronegatividad en el interior de la membrana. La razón de este fenómeno es que el exceso de iones positivos difunde hacia el exterior cuando su concentración es mayor en el interior que en el exterior de la membrana. Esta difusión desplaza cargas positivas hacia el exterior, aunque deja los aniones negativos no difusibles en el interior, creando de esta manera electronegatividad en el interior. Se produce el efecto contrario cuando hay un gradiente de un ion negativo. Por ejemplo, un gradiente del ion de cloruro desde el exterior hacia el interior produce negatividad en el interior de la célula porque el exceso de iones cloruro de carga negativa difunde hacia el interior, a la vez que dejan los iones positivos no difusibles en el exterior. Cuarto, como se explica más adelante, la permeabilidad de los canales de sodio y de potasio experimenta cambios rápidos durante la transmisión de un impulso nervioso, mientras que la permeabilidad de los canales de cloruro no se modifica mucho durante este proceso. Por tanto, los cambios rápidos de la permeabilidad al sodio y el potasio son los principales responsables de la transmisión de las señales en las neuronas, que es el tema de la mayor parte del resto de este capítulo. ### Potencial de membrana en reposo de diferentes tipos de células En algunas células, como las de marcapasos del corazón expuestas en el capítulo 10, el potencial de membrana cambia continuamente, de modo que las células nunca están <<en reposo». En otras muchas, incluso en células excitables, existe un período quiescente en el cual puede medirse un potencial de membrana en reposo. La tabla 5-1 muestra los potenciales de membrana en reposo aproximados de algunos tipos de células. Obviamente, el potencial de membrana es muy dinámico en las células excitables, como, por ejemplo, las neuronas, en las que existen potenciales de acción. No obstante, incluso en células no excitables, el potencial de membrana (voltaje) también cambia en respuesta a diversos estímulos, que alteran las actividades de los distintos transportadores de iones, los canales iónicos y la permeabilidad de membrana de los iones sodio, potasio, calcio y cloruro. Por lo tanto, el potencial de membrana en reposo en algunas células es apenas un breve estado transitorio. | Tipo de célula | Potencial en reposo (mV) | |---|---| | Neuronas | -60 a -70 | | Músculo esquelético | -85 a -95 | | Músculo liso | -50 a -60 | | Músculo cardíaco | -80 a -90 | | Célula ciliada (cóclea) | -15 a -40 | | Astrocito | -80 a -90 | | Eritrocito | -8 a -12 | | Fotorreceptor | -40 (oscuridad) a -70 (luz) | ### Fuerza motriz electroquímica (o fuerza electroquímica impulsora) Cuando existen varios iones que contribuyen al potencial de membrana, el potencial de equilibrio de los iones contribuyentes diferirá del potencial de membrana, y existirá una fuerza motriz electroquímica (Vme) para cada ion que tiende a provocar un movimiento neto de iones a través de la membrana. Esta fuerza impulsora es igual a la diferencia entre el potencial de membrana (Vm) y el potencial de equilibrio del ion (Veq). Así pues, Vme = Vm - Veq El signo aritmético de Vme (positivo o negativo) y la valencia del ion (catión o anión) pueden utilizarse para predecir la dirección del flujo de iones a través de la membrana, hacia el interior o el exterior de la célula. Para cationes como Na+ y K+, un Vme positivo predice un movimiento de los iones hacia el exterior de la célula, a favor de su gradiente electroquímico, mientras que un Vme negativo predice un movimiento iónico hacia el interior celular. Para los aniones, como Cl, un Vme positivo predice un movimiento de los iones hacia el interior celular, y un Vme negativo señala un movimiento iónico hacia el exterior de la célula. Cuando Vm = Veq, no existe movimiento neto de los iones hacia el interior o el exterior. Además, la dirección del flujo iónico a través de la membrana se invierte cuando Vm se convierte en mayor o menor que Veq; por ello, el potencial de equilibrio (Veq) recibe también el nombre de potencial de reversión. ### Medición del potencial de membrana El método para medir el potencial de membrana es simple en teoría, aunque con frecuencia es difícil en la práctica debido al pequeño tamaño de la mayor parte de las fibras. La figura 5-2 muestra una pequeña micropipeta llena de una solución de electrólitos. La micropipeta se inserta en la membrana celular hasta el interior de la fibra. Después se coloca otro electrodo, denominado electrodo indiferente, en el líquido extracelular, y se mide la diferencia de potencial entre el interior y exterior de la fibra utilizando un voltímetro adecuado. Este voltímetro es un aparato electrónico muy sofisticado que puede medir voltajes pequeños a pesar de la resistencia muy elevada al flujo eléctrico a través de la punta de la micropipeta, que tiene un diámetro luminal habitualmente menor de 1 µm y una resistencia mayor de 1 millón de ohmios. Para registrar los cambios rápidos del potencial de membrana durante la transmisión de los impulsos nerviosos el microelectrodo se conecta a un osciloscopio, como se explicará más adelante en este mismo capítulo. La parte inferior de la figura 5-3 muestra el potencial eléctrico que se mide en cada punto de la membrana de la fibra nerviosa o cerca de esta, comenzando en el lado izquierdo de la figura y desplazándose hacia la derecha. Siempre que el electrodo esté fuera de la membrana neuronal el potencial que se registra es cero, que es el potencial del líquido extracelular. Después, a medida que el electrodo de registro atraviesa la zona de cambio de voltaje en la membrana celular (denominada capa de dipolo eléctrico) el potencial disminuye bruscamente hasta -70 mV. Al moverse a través del interior de la fibra el potencial permanece en un nivel estable de -70 mV, aunque vuelve a cero en el momento en el que atraviesa la membrana en el lado opuesto de la fibra. Para generar un potencial negativo en el interior de la membrana solo se debe transportar hacia fuera un número suficiente de iones positivos para generar la capa de dipolo eléctrico en la propia membrana. Los demás iones del interior de la fibra nerviosa pueden ser positivos o negativos, como se muestra en la parte superior de la figura 5-3. Por tanto, la transferencia de un número increíblemente pequeño de iones a través de la membrana puede establecer el «potencial en reposo>> normal de -70 mV en el interior de la fibra nerviosa, lo que significa que solo se debe transferir entre 1/3.000.000 y 1/100.000.000 del número total de cargas positivas del interior de la fibra. Además, un número igual de pequeño de iones positivos que se mueven desde el exterior hacia el interior de la fibra puede invertir el potencial desde -70 mV hasta tanto como +35 mV en tan solo 1/10.000 de segundo. El desplazamiento rápido de los iones de esta manera origina las señales nerviosas que se analizan en apartados posteriores de este capítulo. ### Potencial de membrana en reposo de las neuronas El potencial de membrana en reposo de las fibras nerviosas grandes cuando no transmiten señales nerviosas es de aproximadamente -70 mV. Es decir, el potencial en el interior de la fibra es 70 mV más negativo que el potencial del líquido extracelular que está en el exterior de la fibra. En los siguientes párrafos se explican las propiedades de transporte de la membrana en reposo de los nervios para el sodio y el potasio, así como los factores que determinan el nivel de este potencial en reposo. ### Transporte activo de los iones sodio y potasio a través de la membrana: la bomba sodio-potasio (Na+-K+) Como se señaló en el capítulo 4, todas las membranas celulares del cuerpo tienen una potente bomba Na+-K+ que transporta continuamente iones sodio hacia el exterior de la célula e iones potasio hacia el interior, como se señala en el lado izquierdo de la figura 5-4. Debe observarse que se trata de una bomba electrógena porque se bombean tres iones Na+ por cada dos iones K+ hacia el interior, dejando un déficit neto de iones positivos en el interior; esto genera un potencial negativo en el interior de la membrana celular. La bomba Na+-K+ también genera grandes gradientes de concentración para el sodio y el potasio a través de la membrana nerviosa en reposo. Estos gradientes son los siguientes: > * **Na+ (exterior): 142 mEq/l** > * **Na+ (interior): 14 mEq/l** > * **K+ (exterior): 4 mEq/l** > * **K+ (interior): 140 mEq/l** Los cocientes de estos dos iones respectivos desde el interior al exterior son los siguientes: > * **Na  interior /Na+ exterior = 0,1** > * **K+ interior /K+ exterior = 35,0** ### Fuga de potasio a través de la membrana celular nerviosa. El lado derecho de la figura 5-4 muestra un canal proteico, a veces denominado canal de potasio de dominios de poro en tándem, o canal de «fuga» de potasio (K+), en la membrana nerviosa a través de la que pueden escapar iones potasio incluso en una célula en reposo. La estructura básica de los canales de potasio se describió en el capítulo 4 (v. fig. 4-4). Estos canales de fuga de K+ también pueden dejar que se pierdan algunos iones sodio, pero los canales son mucho más permeables al potasio que al sodio, en general aproximadamente 100 veces más permeables. Como se analiza más adelante, esta diferencia de permeabilidad es un factor clave para determinar el nivel del potencial de membrana en reposo normal. ### Origen del potencial de membrana en reposo normal La figura 5-5 muestra los factores importantes que establecen el potencial de membrana en reposo normal. Son los que se indican a continuación. #### Contribución del potencial de difusión de potasio En la figura 5-5A partimos del supuesto de que el único movimiento de iones a través de la membrana es la difusión de iones potasio, como muestran los canales abiertos entre el símbolo del potasio (K+) en el interior y el exterior de la membrana. Debido al elevado cociente de los iones potasio entre el interior y el exterior, 35:1, el potencial de Nernst que corresponde a este cociente es de -94 mV porque el logaritmo de 35 es 1,54, y 1,54 multiplicado por -61 mV es -94 mV. Por tanto, si los iones potasio fueran el único factor que genera el potencial en reposo, el potencial en reposo en el interior de la fibra sería igual a -94 mV, como se muestra en la figura. #### Contribución de la difusión de sodio a través de la membrana nerviosa La figura 5-5B muestra la adición de la ligera permeabilidad de la membrana nerviosa a los iones sodio, producida por la minúscula difusión de estos a través de los canales de fuga de K+-Na+. El cociente de los iones sodio desde el interior hasta el exterior de la membrana es de 0,1, lo que da un potencial de Nernst calculado para el interior de la membrana de +61 mV. Además, en la figura 5-5B se muestra que el potencial de Nernst para la difusión de potasio es de -94 mV. ¿Cómo interaccionan entre sí y cuál será el potencial resultante? Esta pregunta se puede responder utilizando la ecuación de Goldman que se ha descrito previamente. Intuitivamente se puede ver que, si la membrana es muy permeable al potasio pero solo ligeramente permeable al sodio, la difusión del potasio contribuya mucho más al potencial de membrana que la difusión del sodio. En la fibra nerviosa normal la permeabilidad de la membrana al potasio es aproximadamente 100 veces mayor que la permeabilidad al sodio. Utilizando este valor en la ecuación de Goldman, y considerando solo el sodio y el potasio, se obtiene un potencial en el interior de la membrana de -86 mV, que es próximo al potencial del potasio que se muestra en la figura. #### Contribución de la bomba Na+-K+ En la figura 5-5C se muestra que la bomba Na+-K+ proporciona una contribución adicional al potencial en reposo. Esta figura muestra que se produce un bombeo continuo de tres iones sodio hacia el exterior por cada dos iones potasio que se bombean hacia el interior de la membrana. El bombeo de más iones sodio hacia el exterior que el de iones potasio hacia el interior da lugar a una pérdida continua de cargas positivas desde el interior de la membrana para generar un grado adicional de negatividad (aproximadamente -4 mV más) en el interior además del que se puede explicar por la difusión de manera aislada. Por tanto, como se muestra en la figura 5-5C, el potencial de membrana neto cuando actúan todos estos mecanismos a la vez es de aproximadamente –90 mV. Sin embargo, en el cálculo del potencial de membrana deben considerarse también otros iones, como el cloruro. En resumen, los potenciales de difusión aislados que produce la difusión del sodio y del potasio darían un potencial de membrana de aproximadamente -86 mV, casi todo determinado por la difusión de potasio. Además, se generan -4 mV adicionales al potencial de membrana por la acción continua de la bomba Na+-K+ electrógena, y existe una contribución de los iones cloruro. Como se indicó anteriormente, el potencial de membrana en reposo varía en las distintas células desde apenas -10 mV en los eritrocitos hasta -90 mV en las células del músculo esquelético. ### Potencial de acción de las neuronas Las señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción que son cambios rápidos del potencial de membrana que se extienden rápidamente a lo largo de la membrana de la fibra nerviosa. Cada potencial de acción comienza con un cambio súbito desde el potencial de membrana negativo en reposo normal hasta un potencial positivo y termina con un cambio casi igual de rápido de nuevo hacia el potencial negativo. Para conducir una señal nerviosa el potencial de acción se desplaza a lo largo de la fibra nerviosa hasta que llega a su extremo. La parte superior de la figura 5-6 muestra los cambios que se producen en la membrana durante el potencial de acción, con la transferencia de las cargas positivas hacia el interior de la fibra en el momento de su inicio y el regreso de las cargas positivas al exterior al final. La parte inferior muestra gráficamente los cambios sucesivos del potencial de membrana durante unas pocas diezmilésimas de segundo, ilustrando el inicio explosivo del potencial de acción y la recuperación, que es casi igual de rápida. Las sucesivas fases del potencial de acción son las siguientes. #### Fase de reposo La fase de reposo es el potencial de membrana en reposo antes del comienzo del potencial de acción. Se dice que la membrana está «polarizada» durante esta fase debido al potencial de membrana negativo de -70 mV que está presente. #### Fase de despolarización En este momento la membrana se hace súbitamente muy permeable a los iones sodio, lo que permite que una rápida difusión de iones sodio con carga positiva difunda hacia el interior del axón. El estado polarizado normal de 70 mV se neutraliza inmediatamente por la entrada de iones sodio cargados positivamente, y el potencial aumenta rápidamente en dirección positiva, un proceso denominado despolarización. En las fibras nerviosas grandes el gran exceso de iones sodio positivos que se mueven hacia el interior hace que el potencial de membrana realmente sobrepase más allá del nivel cero y que se haga algo positivo. En algunas fibras más pequeñas, así como en muchas neuronas del sistema nervioso central, el potencial simplemente se acerca al nivel cero y no hay sobreexcitación hacia el estado positivo. #### Fase de repolarización En un plazo de algunas diezmilésimas de segundo después de que la membrana se haya hecho muy permeable a los iones sodio, los canales de sodio comienzan a cerrarse y los canales de potasio se abren más de lo normal. De esta manera, la rápida difusión de los iones potasio hacia el exterior restablece el potencial de membrana en reposo negativo normal, que se denomina repolarización de la membrana. Para explicar más en detalle los factores que producen tanto la despolarización como la repolarización se describirán las características especiales de otros dos tipos de canales transportadores que atraviesan la membrana nerviosa: los canales de sodio y de potasio activados por el voltaje. ### Canales de sodio y potasio activados por el voltaje El factor necesario en la producción tanto de la despolarización como de la repolarización de la membrana nerviosa durante el potencial de acción es el canal de sodio activado por el voltaje. Un canal de potasio activado por el voltaje también tiene una función importante en el aumento de la rapidez de la repolarización de la membrana. Estos dos canales activados por el voltaje tienen una función adicional a la de la bomba Na+-K+ y de los canales de fuga de K+. #### Activación e inactivación del canal de sodio activado por el voltaje La parte superior de la figura 5-7 muestra el canal de sodio activado por el voltaje en tres estados distintos. Este canal tiene dos compuertas, una cerca del exterior del canal, denominada compuerta de activación, y otra cerca del interior, denominada compuerta de inactivación. La parte superior izquierda de la figura representa el estado de estas dos compuertas en la membrana en reposo normal, cuando el potencial de membrana es de -70 mV. En este estado la compuerta de activación está cerrada, lo que impide la entrada de iones sodio hacia el interior de la fibra a través de estos canales de sodio. ##### Activación del canal de sodio Cuando el potencial de membrana se hace menos negativo que durante el estado de reposo, aumentando desde -70 mV hacia cero, finalmente alcanza un voltaje (habitualmente en torno a -55 mV) que produce un cambio conformacional súbito en la activación de la compuerta, que bascula totalmente hasta la posición de abierta. Durante este estado activado, los iones sodio pueden atravesar el canal, aumentando la permeabilidad de la membrana al sodio hasta 500 a 5.000 veces. ##### Inactivación del canal de sodio La parte superior derecha de la figura 5-7 muestra un tercer estado del canal de sodio. El mismo aumento de voltaje que abre la compuerta de activación también cierra la compuerta de inactivación. Sin embargo, la compuerta de inactivación se cierra algunas diezmilésimas de segundo después de que se abra la compuerta de activación. Es decir, el cambio conformacional que hace bascular la compuerta de inactivación hacia el estado cerrado es un proceso algo más lento que el cambio conformacional que abre la compuerta de activación. Por tanto, después de que el canal de sodio haya permanecido abierto durante algunas diezmilésimas de segundo, se cierra la compuerta de inactivación y los iones sodio ya no pueden pasar hacia el interior de la membrana. En este punto el potencial de membrana comienza a recuperarse de nuevo hacia el estado de membrana en reposo, lo que es el proceso de repolarización. Otra característica importante de la inactivación del canal de sodio es que la compuerta de inactivación no se abre de nuevo hasta que el potencial de membrana se normaliza o casi a valores de reposo. Por tanto, en general el canal de sodio no se puede abrir de nuevo sin que antes se repolarice la fibra nerviosa. #### Canal de potasio activado por el voltaje y su activación La parte inferior de la figura 5-7 muestra el canal de potasio activado por el voltaje en dos estados: durante el estado de reposo (izquierda) y hacia el final del potencial de acción (derecha). Durante el estado de reposo la compuerta del canal de potasio está cerrada, lo que impide que los iones potasio pasen a través de este canal hacia el exterior. Cuando el potencial de membrana aumenta desde -70 mV hacia cero, este voltaje produce una apertura conformacional de la compuerta y permite el aumento de la difusión de potasio hacia fuera a través del canal. Sin embargo, debido a la ligera demora de la apertura de los canales de potasio, en su mayor parte, se abren al mismo tiempo que están comenzando a cerrarse los canales de sodio debido a su inactivación. Por tanto, la disminución de la entrada de sodio hacia la célula y el aumento simultáneo de la salida de potasio desde la célula se combinan para acelerar el proceso de repolarización, lo que da lugar a la recuperación completa del potencial de membrana en reposo en otras pocas diezmilésimas de segundo. #### Método de la pinza de voltaje para medir el efecto del voltaje sobre la apertura y el cierre de los canales activados por el voltaje La investigación original que llevó al conocimiento cuantitativo de los canales de sodio y de potasio fue tan ingeniosa que les valió el premio Nobel a los científicos responsables, Hodgkin y Huxley, en 1963. La esencia de estos estudios se muestra en las figuras 5-8 y 5-9 La figura 5-8 muestra el método de la pinza de voltaje, que se utiliza para medir el flujo de iones a través de los diferentes canales. Cuando se utiliza este aparato se insertan dos electrodos en la fibra nerviosa. Uno de estos electrodos sirve para medir el voltaje del potencial de membrana y el otro para conducir corriente eléctrica hacia el interior o el exterior de la fibra nerviosa. Este aparato se utiliza de la siguiente forma: el investigador decide qué voltaje se establecerá en el interior de la fibra nerviosa. Después se ajusta la porción electrónica del aparato al voltaje deseado y se inyecta automáticamente electricidad positiva o negativa a través del electrodo de corriente a la velocidad necesaria para mantener el voltaje, que se mide con el electrodo de voltaje, al nivel que ha establecido el operador. Cuando se aumenta súbitamente este potencial de membrana con esta pinza de voltaje desde -70 mV a cero se abren los canales de sodio y potasio activados por el voltaje, y los iones sodio y potasio comienzan a pasar a través de los canales. Para contrarrestar el efecto de estos movimientos iónicos sobre el ajuste deseado del voltaje intracelular se inyecta automáticamente corriente eléctrica a través del electrodo de corriente de la pinza de voltaje para mantener el voltaje intracelular al nivel cero estable necesario. Para conseguir este nivel la corriente que se inyecta debe ser igual al flujo neto de corriente que pasa a través de los canales de la membrana, aunque de polaridad inversa. Para medir cuánto flujo de corriente está produciéndose en cada instante el electrodo de corriente se conecta a un amperímetro que registra el flujo de corriente, como se muestra en la figura 5-8. Finalmente, el investigador ajusta las concentraciones de los iones a niveles distintos a los normales tanto en el interior como en el exterior de la fibra nerviosa y repite el estudio. Este experimento se puede hacer con facilidad cuando se utilizan fibras nerviosas grandes que se han extraído de algunos invertebrados, especialmente el axón gigante de calamar, que en algunos casos tiene hasta 1 mm de diámetro. Cuando el sodio es el único ion difusible que hay en las soluciones del interior y del exterior del axón de calamar, la pinza de voltaje mide el flujo de corriente solo a través de los canales de sodio. Cuando el potasio es el único ion difusible, solo se mide el flujo de corriente a través de los canales de potasio. Otro método para estudiar el flujo de iones a través de un tipo individual de canal es bloquear un tipo de canal cada vez. Por ejemplo, los canales de sodio se pueden bloquear por una toxina denominada tetrodotoxina cuando se aplica al exterior de la membrana celular en la que están localizadas las compuertas de activación del sodio. Por el contrario, el ion tetraetilamonio bloquea los canales de potasio cuando se aplica al interior de la fibra nerviosa. La figura 5-9 muestra los cambios típicos de la conductancia de los canales de sodio y de potasio activados por el voltaje cuando se aumenta súbitamente el potencial de membrana mediante la utilización de la pinza de voltaje desde -70 mV hasta +10 mV y luego, 2 ms después, de nuevo hasta -70 mV. Obsérvese la apertura súbita de los canales de sodio (la fase de activación) en un plazo de una pequeña fracción de milisegundo después de aumentar el potencial de membrana hasta el valor positivo. Sin embargo, durante el siguiente milisegundo aproximadamente, los canales de sodio se cierran automáticamente (fase de inactivación). Obsérvese la apertura (activación) de los canales de potasio, que se abren con menor rapidez y alcanzan su estado totalmente abierto solo después de que se hayan cerrado casi completamente los canales de sodio. Además, una vez que los canales de potasio están abiertos, permanecen abiertos durante toda la duración del potencial de membrana positivo y no vuelven a cerrarse hasta que el potencial de membrana ha disminuido de nuevo hasta un valor negativo. ### Resumen de los fenómenos que causan el potencial de acción La figura 5-10 resume los fenómenos secuenciales que se producen durante el potencial de acción y poco después de este. La parte inferior de la figura muestra los cambios de la conductancia de la membrana a los iones sodio y potasio.. Durante el estado de reposo, antes de que comience el potencial de acción, la conductancia a los iones potasio es 50 a 100 veces mayor que la conductancia a los iones sodio. Esta disparidad se debe a una fuga mucho mayor de iones potasio que sodio a través de los canales de fuga. Sin embargo, al inicio del potencial de acción se activan casi instantáneamente los canales de sodio y dan lugar a un aumento de la conductancia al sodio de 5.000 veces. Después el proceso de inactivación cierra los canales de sodio en otra fracción de milisegundo. El inicio del potencial de acción también inicia la activación por el voltaje de los canales de potasio, haciendo que empiecen a abrirse más lentamente una fracción de milisegundo después de que se abran los canales de sodio. Al final del potencial de acción, el retorno del potencial de membrana al estado negativo hace que se cierren de nuevo los canales de potasio hasta su estado original, pero una vez más solo después de una demora de 1 ms o más. La porción media de la figura 5-10 muestra el cociente de la conductancia al sodio con respecto a la conductancia al potasio en todo momento durante el potencial de acción, y por encima de esta representación está el propio potencial de acción. Durante la primera porción del potencial de acción el cociente de la conductancia al sodio respecto a la del potasio aumenta más de 1.000 veces. Por tanto, fluyen muchos más iones sodio hacia el interior de la fibra que iones potasio salen hacia el exterior. Esto es lo que hace que el potencial de membrana se haga positivo al inicio del potencial de acción. Después empiezan a cerrarse los canales de sodio y a abrirse los canales de potasio, de modo que el cociente de conductancias se desplaza más a favor de la elevada conductancia al potasio con una baja conductancia al sodio. Este desplazamiento permite una pérdida muy rápida de iones potasio hacia el exterior, con un flujo prácticamente nulo de iones sodio hacia el interior. En consecuencia, el potencial de acción vuelve rápidamente a su nivel basal. ### Funciones de otros iones durante el potencial de acción Hasta ahora hemos considerado solo la función de los iones sodio y potasio en la generación del potencial de acción. Se deben considerar al menos otros dos tipos de iones: los aniones negativos y los iones calcio. #### Iones con carga negativa (aniones) no difusibles en el interior del axón nervioso En el interior del axón hay muchos iones de carga negativa que no pueden atravesar los canales de la membrana. Incluyen los aniones de las moléculas proteicas y de muchos compuestos de fosfato orgánicos y compuestos de sulfato, entre otros. Como estos iones no pueden salir del interior del axón, cualquier déficit de iones positivos en el interior de la membrana deja un exceso de estos aniones negativos no difusibles. Por tanto, estos iones negativos no difusibles son responsables de la carga negativa en el interior de la fibra cuando hay un déficit neto de iones potasio de carga positiva y de otros iones positivos. #### Iones calcio Las membranas de casi todas las células del cuerpo tienen una bomba de calcio similar a la bomba de sodio, y el calcio coopera con el sodio (o actúa en su lugar) en algunas células para producir la mayor parte del potencial de acción. Al igual que la bomba de sodio, la bomba de potasio transporta iones calcio desde el interior hacia el exterior de la membrana celular (o hacia el interior del retículo endoplasmático de la célula), creando un gradiente de ion calcio de aproximadamente 10.000 veces. Este proceso deja una concentración celular interna de iones calcio de aproximadamente 10-7 molar, en comparación con una concentración externa de aproximadamente 10-³ molar. Además hay canales de calcio activados por el voltaje. Dado que la concentración de iones calcio es más de 10.000 veces mayor en el medio extracelular que en el intracelular, existe un enorme gradiente de difusión y fuerza motriz electroquímica para el flujo pasivo de iones calcio a las células. Estos canales son ligeramente permeables a los iones sodio y a los iones calcio; sin embargo, su permeabilidad al calcio es aproximadamente 1.000 veces mayor que al sodio en condiciones fisiológicas normales. Cuando el canal se abre como respuesta a un estímulo que despolariza la membrana celular, los iones calcio fluyen al interior de la célula. Una función importante de los canales de iones calcio activados por el voltaje consiste en su