Es el término que se utiliza para describir la diferencia en voltaje (o potencial eléctrico) entre el interior y el exterior de una célula.
En pocas palabras, el potencial de la membrana se debe a las disparidades en la concentración y la permeabilidad de los iones importantes a través de una membrana.
Debido a las concentraciones desiguales de iones a través de una membrana, la membrana posee una carga eléctrica.
Los cambios en el potencial de la membrana provocan potenciales de acción y dan a las células la capacidad de enviar mensajes por todo el cuerpo.
Más específicamente, los potenciales de acción son señales eléctricas, estas señales llevan mensajes eferentes al sistema nervioso central para el procesamiento y mensajes aferentes fuera del cerebro para provocar una reacción o movimiento específico.
Numerosos transportes activos incrustados dentro de la membrana celular contribuyen a la creación de potenciales de membrana, así como a la estructura celular de la bicapa lipídica.
La química involucrada en los potenciales de membrana llega a muchas disciplinas científicas. Químicamente implica molaridad, concentración, electroquímica y la ecuación de Nernst.
Desde un punto de vista fisiológico, en las células de todo tipo, existe una diferencia de potencial eléctrico entre el interior de la célula y el líquido extracelular circundante.
Si bien este fenómeno está presente en todas las células, es especialmente importante en las células nerviosas y musculares, ya que los cambios en sus potenciales de membrana se utilizan para codificar y transmitir información.
La biología celular está fundamentalmente conectada con la electroquímica y la fisiología.
Despolarización e hiperpolarización
Una neurona en reposo tiene un voltaje en su membrana llamado potencial de membrana en reposo, o simplemente el potencial de reposo.
El potencial de reposo está determinado por los gradientes de concentración de iones a través de la membrana y por la permeabilidad de la membrana a cada tipo de ion.
Cuando una célula nerviosa o muscular está en «reposo», su potencial de membrana se denomina potencial de membrana en reposo. En una neurona típica, esto es aproximadamente -70 milivoltios.
El signo menos indica que el interior de la célula es negativo con respecto al fluido extracelular circundante.
Debido a que existe una diferencia de potencial a través de la membrana celular, se dice que la membrana está polarizada.
Los cambios en el potencial de membrana están asociados con la despolarización y la hiperpolarización:
- Si el potencial de la membrana se vuelve más positivo de lo que es en el potencial de reposo, se dice que la membrana está despolarizada.
- Si el potencial de membrana se vuelve más negativo de lo que es en el potencial de reposo, se dice que la membrana está hiperpolarizada.
Tipos de iones encontrados en las neuronas
En las neuronas y su fluido circundante, los iones más abundantes son:
- Positivamente cargado (cationes): sodio y potasio.
- Negativamente cargado (aniones): cloruro y aniones orgánicos.
En la mayoría de las neuronas, el potasio y los aniones orgánicos (como los que se encuentran en proteínas y aminoácidos) están presentes en concentraciones más altas dentro de la célula que en el exterior. A diferencia del cloro y el sodio, que generalmente están presentes en concentraciones más altas fuera de la célula.
Esto significa que hay gradientes de concentración estables a través de la membrana para todos los tipos de iones más abundantes.
Así el K + está más concentrado dentro que fuera de la célula, los aniones orgánicos están más concentrados dentro que fuera de la célula, el Cl- está más concentrado fuera que dentro de la célula y el Na + está más concentrado fuera que dentro de la célula.
Mecanismos para que los iones crucen la membrana
Debido a que están cargados, los iones no pueden pasar directamente a través de las regiones lipídicas hidrofóbicas de la membrana.
En cambio, tienen que usar proteínas de canal especializadas que proporcionan un túnel hidrófilo a través de la membrana. Algunos canales, conocidos como canales de fuga, están abiertos en las neuronas en reposo.
Otros se cierran en neuronas en reposo y solo se abren en respuesta a una señal.
Canales de iones
Algunos canales de iones son altamente selectivos para un tipo de iones, pero otros dejan pasar varios tipos de iones.
Los canales iónicos que principalmente permiten al sodio pasar se denominan canales de potasio, y los canales de iones que principalmente permiten al potasio pasar se denominan canales de sodio.
Los canales simplemente dan un camino para los iones a través de la membrana, lo que les permite moverse hacia abajo por cualquier gradiente electroquímico que pueda existir.
El potencial de equilibrio
La diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana celular que equilibra exactamente el gradiente de concentración de un ion se conoce como el potencial de equilibrio.
Debido a que el sistema está en equilibrio, el potencial de la membrana tenderá a permanecer en el potencial de equilibrio.
Para una célula donde solo hay una especie iónica permeable (solo un tipo de ion que puede cruzar la membrana), el potencial de membrana en reposo será igual al potencial de equilibrio para ese ion.
Cuanto más pronunciado es el gradiente de concentración, mayor es el potencial eléctrico que lo equilibra.
En una neurona, el potencial de la membrana en reposo está más cerca del potencial de equilibrio del potasio que del potencial de equilibrio del sodio.
Eso es porque la membrana en reposo es mucho más permeable a potasio que a sodio.
Si se abrieran más canales de potasio, lo que es aún más fácil para el potasio cruzar la membrana celular, la membrana se hiperpolarizaría, acercándose aún más al potencial de equilibrio del potasio.
Si, por otro lado, se abren canales de sodio adicionales, lo que facilita el sodio para cruzar la membrana, la membrana celular se despolarizaría hacia el potencial de equilibrio del sodio.
Cambiar la cantidad de canales de iones abiertos proporciona una forma de controlar el potencial de membrana de la célula y una excelente forma de producir señales eléctricas.
El gradiente de concentración
El gradiente de concentración, por supuesto, también se aplica a moléculas sin carga. Pero con los iones, siempre se debe considerar la diferencia de potencial eléctrico también.
Por lo tanto, el cambio de energía total para el movimiento de un ion a través de la membrana es la suma del cambio de energía debido al gradiente de concentración y el cambio de energía debido a la diferencia de potencial eléctrico.
Estos dos factores pueden actuar en la misma dirección o en direcciones opuestas.
