El potencial de reposo

Las neuronas presentan en estado de reposo una diferencia de potencial a través de sus membranas de aproximadamente 60-70 mV. Básicamente, lo que refleja esta diferencia de potencial es una distribución desigual de la carga eléctrica a ambos lados de la membrana, concentrándose un exceso de cargas negativas en el interior celular y un exceso de cargas positivas en el exterior, por lo que convencionalmente se dice que el potencial de reposo es negativo y se sitúa entre -60 y -70 mV. Esto significa que en estado de reposo la cantidad de cargas eléctricas negativas que se encuentran en exceso en el interior celular es de 60-70 mV, al no estar compensadas estas cargas negativas por cargas positivas que, sin embargo, se encuentran en exceso en el exterior (Fig. 7.1).

En la figura 7.2 se encuentran representadas las diferencias en las concentraciones de iones entre el interior y el exterior celular. El catión que se encuentra en mayor concentración en el interior celular, respecto a los demás, es el potasio (K⁺), mientras que en el exterior el ión positivo en mayor concentración es el sodio (Na⁺). Los aniones más abundantes en el interior celular son moléculas proteicas orgánicas (A⁻) (como el aspartato, el acetato y el piruvato), mientras que en el exterior celular es más abundante el cloro (Cl⁻). Como también puede observarse en esa figura, hay una mayor concentración de iones K⁺ en el interior respecto al exterior celular, mientras que el Na⁺ y el Cl⁻ se encuentran más concentrados en el exterior que en el interior.

Al existir diferentes concentraciones de iones y, por tanto, de cargas eléctricas dentro y fuera de la célula, éstos tienden a moverse a favor del gradiente electroquímico. Por un lado, la fuerza eléctrica o presión electrostática atrae a los cationes hacia el interior y repele a los aniones hacia el exterior, debido a que el interior celular presenta en estado de reposo un exceso de cargas negativas. Por otro lado, la fuerza de difusión origina el movimiento de los iones desde la zona de alta concentración a la zona de baja concentración, determinando el movimiento de unión concreta hacia el interior o exterior celular en función de su concentración a un lado y otro de la membrana. De esta forma, el gradiente electroquímico produciría el movimiento de todos los iones a través de la membrana, si ésta fuera permeable por igual a todos ellos.

Sin embargo, existen diferencias en la permeabilidad de la membrana neuronal en estado de reposo a los distintos iones presentes en el interior y exterior celular. La membrana en estado de reposo es mucho más permeable al K⁺ que al Na⁺, aunque esto no significa que sea totalmente permeable al K⁺. Se calcula que la membrana en estado de reposo es unas 30-40 veces más permeable al K⁺ que al Na⁺. Respecto a los aniones, el grado de permeabilidad que presenta la membrana al Cl⁻ es intermedio respecto los cationes mencionados, mientras que la membrana es impermeable a los aniones orgánicos intracelulares (A⁻). Por ello, en estado de reposo los iones K⁺ y Cl⁻ pueden atravesar la membrana porque ésta es permeable a ellos, sobre todo al K⁺. Por el contrario, sólo algunos iones Na⁺ atraviesan la membrana en reposo, mientras que los aniones orgánicos intracelulares (A⁻) no pueden atravesarla, permaneciendo en el interior celular. Por tanto, el gradiente electroquímico determinará únicamente el movimiento de aquellos iones a los que la membrana es permeable. Debido a que en estado de reposo la membrana es más permeable al K⁺ que a otros iones, la principal corriente iónica que se produce en estado de reposo se debe al movimiento de los iones K⁺. Este catión es empujado hacia el exterior celular a favor del gradiente de concentración, pues se encuentra más concentrado en el interior celular que en el exterior.

Sin embargo, cada ión K⁺ que abandona la célula deja en el interior una carga negativa de más (es decir, que ya no es equilibrada por la carga positiva del K⁺ que ha salido) y añade una carga positiva fuera de la neurona. Así, al mismo tiempo que cada ión K⁺ deja la célula y el interior celular se vuelve más negativo, la fuerza electrostática empuja a los mismos iones K⁺ hacia dentro de nuevo (las cargas negativas que se encuentran en exceso en el interior atraen a las cargas positivas). De esta forma, la tendencia a salir del K⁺ por difusión es contrarrestada por su tendencia a entrar empujado por la fuerza electrostática, alcanzándose una situación de equilibrio en la que a un determinado valor del potencial de membrana no existe un flujo neto de corriente de K⁺. A lo largo de este proceso, se ha ido acumulando en el interior un exceso de cargas negativas, mientras que en el exterior se concentra un mayor número de cargas positivas. En esta situación, la sal ida de iones K⁺ podría ser equilibrada por igual salida de cargas negativas (A⁻) o por la entrada de igual cantidad de cargas positivas, por ejemplo, de iones Na⁺, pero la membrana en reposo es prácticamente impermeable a estos iones.

El resultado final es la existencia de un desequilibrio en la distribución de las cargas eléctricas entre ambos lados de la membrana, que es la diferencia de potencial en reposo de la neurona o potencial de reposo. Por tanto, las diferencias de potencial eléctrico a través de las membranas celulares pueden generarse fácilmente si existen concentraciones desiguales de iones a ambos lados de las mismas y una permeabilidad selectiva que permita el paso de unos iones determinados.

Bombas iónicas para el Mantenimiento de las Diferencias en las Concentraciones de Iones entre Ambos Lados de la Membrana

La membrana en estado de reposo es prácticamente impermeable al Na⁺. Sin embargo, algunos iones Na⁺ cruzan la membrana acumulándose progresivamente dentro de la célula. La entrada de estas cargas positivas puede ser equilibrada mediante la salida de otras cargas positivas, como las que presentan los iones K⁺ a los que la membrana es permeable. Así, la entrada de iones Na⁺ hace que parte de los iones K⁺ tiendan a salir para restablecer el equilibrio de cargas eléctricas a ambos lados de la membrana, promoviendo al igual que el gradiente electroquímico, la salida de iones K⁺. A este hecho hay que añadir que, como se explica en el apartado siguiente, durante os potenciales de acción se produce una mayor entrada de iones Na⁺ y una mayor salida de iones K⁺ que las que se producen en estado de reposo. En teoría, las diferencias en las concentraciones de ambos iones entre el interior y el exterior celular desaparecerían con el tiempo, por el movimiento de los iones K⁺ hacia el exterior celular y de los iones Na⁺ hacia el interior. La eliminación de las diferencias en las concentraciones de iones entre ambos lados de la membrana daría como resultado la eliminación de la diferencia de potencial o de carga eléctrica entre el interior y el exterior celular. La membrana neuronal sería incapaz de generar señales eléctricas y transmitir información a otras neuronas.

Sin embargo, la diferencia de potencial a través de la membrana se mantiene gracias a un mecanismo que se encarga de restablecer las diferencias de concentración entre ambos lados de la misma. Dicho mecanismo está constituido por las denominadas bombas iónicas que son proteínas transportadoras insertadas en la membrana celular que bombean o transportan ciertos iones a través de la membrana. Este tipo de transporte se denomina transporte activo pues estas bombas transportan iones en contra de su gradiente de concentración, lo que conlleva un gasto de energía que es proporcionada por la molécula de ATP (adenosín trifosfato), principal fuente de energía en muchos procesos biológicos.

Aunque hay diferentes tipos de bombas iónicas, la más conocida es precisamente la que se encarga de restablecer las concentraciones iónicas entre ambos lados de la membrana neuronal. Esta bomba expulsa tres iones Na⁺ hacia el exterior e impulsa dos iones K⁺ hacia el interior en contra del gradiente de concentración. Como se recordará, debido al gradiente electroquímico, los iones Na⁺ son empujados hacia el interior ce lular y los iones K⁺ hacia el exterior. Al utilizar como fuente de energía moléculas de ATP, esta bomba es conocida como la bomba de sodio-potasio o ATPasa Na⁺/K⁺ (Fig. 7.3). Se calcula que las bombas de sodio-potasio consumen aproximadamente el 70% del ATP utilizado en el encéfalo. A este tipo de bombas se les llama bombas electrogénicas porque contribuyen a la creación de una diferencia de potencial a ambos lados de la membrana. Al expulsar al exterior tres cargas positivas e impulsar hacia el interior únicamente dos, queda en el interior una carga negativa sin equilibrar, por lo que en ese lado de la membrana se acumula un exceso de cargas negativas. Esto es, cuanto más Na⁺ deja la neurona y más K⁺ entra en la célula debido a la acción de estas bombas, el potencial de membrana se hace mucho más negativo. Como ya se ha explicado, el potencial eléctrico en estado de reposo se debe principalmente al movimiento de iones K⁺ hacia el exterior celular. Sin embargo, el papel de las bombas de sodio-potasio es fundamental para el restablecimiento de las concentraciones de iones a ambos lados de la membrana tras la generación de potenciales de acción.