Potencial de equilibrio
La difusión de un ión a través de una membrana difiere de la de una sustancia química eléctricamente neutra, como la glucosa, porque la dinámica de la difusión de iones está impulsada tanto por un gradiente químico como por un gradiente eléctrico. El gradiente químico se debe a una diferencia en la concentración de la sustancia química a ambos lados de la membrana. El gradiente eléctrico se debe a una diferencia de carga a través de la membrana. Esta diferencia de carga se debe en gran medida a las diferencias de concentración de electrolitos (especialmente Na+, K+, Cl-, Ca++) a ambos lados de la membrana. La diferencia de carga da lugar a un potencial eléctrico a través de la membrana, conocido como potencial de membrana. La unidad del potencial de membrana es el milivoltio (mV). Si el interior de una membrana tiene más cargas negativas y menos positivas en relación con el exterior de la membrana, decimos que el potencial de membrana es negativo (por lo que el signo del potencial se asigna arbitrariamente como el interior en relación con el exterior).
Una célula puede regular su potencial de membrana haciendo que la membrana sea más o menos permeable a los iones, lo que cambia la distribución de las cargas a ambos lados de la membrana. El potencial de membrana en una neurona en reposo (cuando no está conduciendo una corriente) se llama potencial de membrana en reposo o simplemente “potencial de reposo”. El potencial de reposo es un potencial de equilibrio en el sentido de que no hay transporte neto de carga a través de la membrana. Este equilibrio es sólo a nivel de todos los iones tomados en conjunto – las especies individuales de iones no están en equilibrio y hay un transporte neto (difusión) de estos, pero la tasa de cargas positivas que entran es igual a la tasa de cargas positivas que salen y la tasa de cargas negativas que entran es igual a la tasa de cargas negativas que salen. Una neurona tiene un potencial de membrana en reposo de unos -70 mV, lo que significa que el interior de la membrana tiene más cargas negativas y menos cargas positivas en relación con el exterior.
Potencial de inversión
Las grabaciones de la figura anterior ilustran tres características muy importantes de los potenciales de acción nerviosa. En primer lugar, el potencial de acción nervioso tiene una duración corta (aproximadamente 1 mseg). En segundo lugar, los potenciales de acción nerviosa se provocan de forma total o nula. En tercer lugar, las células nerviosas codifican la intensidad de la información mediante la frecuencia de los potenciales de acción. Cuando se aumenta la intensidad del estímulo, el tamaño del potencial de acción no aumenta. Más bien, la frecuencia o el número de potenciales de acción aumenta. En general, cuanto mayor sea la intensidad de un estímulo (ya sea un estímulo luminoso para un fotorreceptor, un estímulo mecánico para la piel o un estiramiento para un receptor muscular), mayor será el número de potenciales de acción provocados. Del mismo modo, en el sistema motor, cuanto mayor sea el número de potenciales de acción en una neurona motora, mayor será la intensidad de la contracción de un músculo inervado por esa neurona motora.
Los potenciales de acción son de gran importancia para el funcionamiento del cerebro, ya que propagan la información en el sistema nervioso al sistema nervioso central y propagan las órdenes iniciadas en el sistema nervioso central a la periferia. Por consiguiente, es necesario comprender a fondo sus propiedades. Para responder a las preguntas sobre cómo se inician y propagan los potenciales de acción, necesitamos registrar el potencial entre el interior y el exterior de las células nerviosas mediante técnicas de registro intracelular.
Potencial de reversión
En una membrana biológica, el potencial de inversión (también conocido como potencial de Nernst o potencial de equilibrio) de un ion es el potencial de membrana en el que no hay un flujo neto (global) de ese ion concreto de un lado de la membrana al otro[1] El flujo de cualquier ion inorgánico, como el Na+ o el K+, a través de un canal iónico (ya que las membranas son normalmente impermeables a los iones) está impulsado por el gradiente electroquímico para ese ion[1]. [Este gradiente consta de dos partes: la diferencia de concentración de ese ion a través de la membrana y el gradiente de voltaje[1] Cuando estas dos influencias se equilibran entre sí, el gradiente electroquímico para el ion es cero y no hay flujo neto del ion a través del canal; esto también se traduce en que no hay corriente a través de la membrana[1][2] El gradiente de voltaje al que se alcanza este equilibrio es el potencial de inversión para el ion y se puede calcular a partir de la ecuación de Nernst[1].
Podemos considerar como ejemplo un ion cargado positivamente, como el K+, y una membrana cargada negativamente, como suele ser el caso en la mayoría de los organismos[1][2] El voltaje de la membrana se opone al flujo de los iones de potasio fuera de la célula y los iones pueden salir del interior de la célula sólo si tienen suficiente energía térmica para superar la barrera energética producida por el voltaje negativo de la membrana. [Sin embargo, este efecto de desviación puede ser superado por un gradiente de concentración opuesto si la concentración interior es lo suficientemente alta, lo que favorece la salida de los iones de potasio de la célula[2].
Potencial de membrana de la ecuación de Nernst
En la sección anterior de esta conferencia (Establecimiento del potencial de membrana), aprendimos los dos requisitos para establecer un potencial de membrana: (1) gradiente de concentración de iones a través de la membrana, y (2) canales selectivos de iones en la membrana. Aprendimos que el gradiente de concentración (es decir, el gradiente químico) hace que el ion se mueva desde el compartimento con mayor concentración de iones al compartimento con menor concentración de iones. Aprendimos que el movimiento de un ion a través de la membrana que no se equilibra con el movimiento de un ion contrario conduce a la separación de cargas a través de la membrana, y que esta separación de cargas constituye la base para el establecimiento de una diferencia de potencial a través de la membrana plasmática (es decir, el potencial de membrana, Vm). La separación de cargas a través de la membrana conduce al establecimiento de un gradiente eléctrico que crece en magnitud hasta que equilibra exactamente el gradiente químico. Cuando los gradientes químico y eléctrico son iguales en magnitud, se dice que el ion está en equilibrio electroquímico, y el potencial de membrana que se establece en el equilibrio se dice que es el potencial de equilibrio (Veq.) para ese ion bajo el gradiente de concentración existente.
