Potenciales eléctricos y excitabilidad neuronal

Potenciales eléctricos y excitabilidad neuronal

La excitabilidad de una neurona depende de la distribución de iones a ambos lados de su membrana y de la dinámica de los canales iónicos. En este módulo aprenderás los conceptos clave que sustentan el potencial de reposo, el potencial de acción y los factores que influyen en la velocidad de conducción nerviosa.

1. Potencial de membrana en reposo

El potencial de reposo es la diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior de la célula cuando no está generando un impulso. En neuronas excitables, este valor se sitúa típicamente entre -60 y -90 mV. Esta zona negativa se mantiene gracias a:

• La mayor permeabilidad de la membrana al ion potasio (K⁺) que al sodio (Na⁺).
• La acción de la bomba Na⁺/K⁺, que transporta 3 Na⁺ fuera y 2 K⁺ dentro, creando un gradiente electroquímico.
• Los canales de fuga que permiten la salida pasiva de K⁺.

Cuando la membrana es mucho más permeable al K⁺ que al Na⁺, el potencial de reposo se vuelve más negativo porque el K⁺ tiende a salir de la célula siguiendo su gradiente de concentración.

2. Ecuación de Nernst y potencial de equilibrio

La ecuación de Nernst permite calcular el potencial de equilibrio (E_ion) de un ion específico:

E_ion = (RT / zF) * ln([ion]ₒₜₑ / [ion]ᵢₙₜ)

El factor determinante es la relación entre las concentraciones internas y externas del ion. Cuanto mayor sea la diferencia de concentración, mayor será el potencial de equilibrio. Por ejemplo, el potencial de equilibrio del K⁺ suele ser alrededor de -90 mV.

3. Potencial de acción: fases y canales iónicos

El potencial de acción es un cambio rápido y transitorio del potencial de membrana que permite la transmisión de información a lo largo del axón. Sus fases principales son:

• Despolarización: Los canales de Na⁺ se abren rápidamente, permitiendo una entrada masiva de Na⁺ y llevando el potencial de membrana a valores positivos (≈ +30 mV).
• Repolarización: Los canales de Na⁺ se inactivan y los canales de K⁺ se abren, favoreciendo la salida de K⁺ y devolviendo el potencial a valores negativos.
• Periodo refractario: Tras la repolarización, los canales de Na⁺ permanecen inactivados, lo que genera el periodo refractario absoluto. Durante este tiempo, la neurona no puede generar otro potencial de acción, garantizando la direccionalidad del impulso.

El periodo refractario absoluto se debe a que los canales de Na⁺ están inactivados y no pueden abrirse, no a la actividad de la bomba Na⁺/K⁺ ni a la permanencia del potencial en +30 mV.

4. Sumación temporal y umbral de disparo

Los potenciales graduados (o postsinápticos) pueden sumarse en el tiempo (sumación temporal) o en el espacio (sumación espacial). Para que la suma de estos potenciales genere un potencial de acción, es necesario que la cumulación alcance el umbral, típicamente alrededor de -50 mV. Si la suma de los potenciales graduados supera este umbral, se desencadena la apertura masiva de canales de Na⁺ y se produce el potencial de acción.

5. Velocidad de conducción nerviosa

La velocidad a la que un impulso viaja a lo largo del axón depende de dos factores principales:

• Mielinización: La vaina de mielina reduce la capacitancia y aumenta la resistencia longitudinal, permitiendo saltos de conducción (nodes of Ranvier).
• Diámetro axonal: Un mayor diámetro disminuye la resistencia interna del axón, lo que aumenta la velocidad de conducción. Por tanto, axones gruesos conducen impulsos más rápidamente que axones delgados.

Es importante notar que, aunque la mielinación es crucial, el diámetro también tiene un efecto significativo: la velocidad aumenta porque la resistencia interna disminuye.

6. Fuerza electroquímica neta del potasio

Cuando el potencial de equilibrio del K⁺ es -90 mV y el potencial de reposo es -70 mV, la fuerza electroquímica neta actúa en la dirección que tiende a mover el ion hacia su equilibrio. En este caso, la fuerza impulsora favorece la salida de K⁺ porque el potencial de membrana es menos negativo que el potencial de equilibrio, creando una fuerza electroquímica que impulsa al K⁺ fuera de la célula.

7. Resumen de conceptos clave

• Potencial de reposo típico: -60 a -90 mV.
• Ecuación de Nernst: depende de la razón de concentraciones internas y externas.
• Mayor permeabilidad al K⁺ → reposo más negativo.
• Despolarización: apertura rápida de canales de Na⁺.
• Periodo refractario absoluto: canales de Na⁺ inactivados.
• Umbral de disparo: suma de potenciales graduados ≈ -50 mV.
• Diámetro axonal mayor → velocidad de conducción mayor.
• Potencial de equilibrio de K⁺ más negativo que el reposo → fuerza neta que impulsa la salida de K⁺.

8. Preguntas de autoevaluación

Para consolidar lo aprendido, responde las siguientes preguntas y verifica tus respuestas:

1. ¿Cuál es el rango típico del potencial de membrana en reposo de una neurona excitável?
   • Respuesta correcta: Entre -60 y -90 mV.
2. En la ecuación de Nernst, ¿qué factor determina el potencial de equilibrio de un ion?
   • Respuesta correcta: La razón entre las concentraciones internas y externas del ion.
3. Si la membrana neuronal es mucho más permeable al K+ que al Na+, ¿qué efecto tiene esto sobre el potencial de membrana en reposo?
   • Respuesta correcta: Lo hace más negativo porque el K+ tiende a salir.
4. Durante la fase de despolarización del potencial de acción, ¿qué ocurre con los canales de Na+?
   • Respuesta correcta: Se abren rápidamente y permiten la entrada masiva de Na+.
5. ¿Cuál es la principal razón del periodo refractario absoluto tras un potencial de acción?
   • Respuesta correcta: Los canales de Na+ están inactivados y no pueden abrirse.
6. En la sumación temporal de potenciales graduados, ¿qué condición es necesaria para que se genere un potencial de acción?
   • Respuesta correcta: Que la suma de los potenciales graduados alcance el umbral de -50 mV.
7. ¿Qué efecto tiene un aumento del diámetro axonal sobre la velocidad de conducción del impulso nervioso?
   • Respuesta correcta: La velocidad aumenta porque la resistencia interna disminuye.
8. Si el potencial de equilibrio del K+ es -90 mV y el potencial de membrana en reposo es -70 mV, ¿qué indica la fuerza electroquímica neta para el K+?
   • Respuesta correcta: Existe una fuerza impulsora que favorece la salida de K+.

Dominar estos conceptos te permitirá comprender mejor cómo las neuronas procesan y transmiten información, y te servirá como base para estudios avanzados en neurofisiología y bioelectricidad.