Transmisión del impulso nervioso mediado por el potencial eléctrico de membrana citoplasmática

Lasso-Morales, C. Crizón-Pérez, E. Rivera-Narvaez, F. Zuñiga-Paredes

Resumen

La presente investigación tiene como finalidad dar a conocer los diferentes potenciales de membrana existentes para la transmisión del impulso nervioso, generados tanto en el reposo y durante la acción de las células nerviosas y musculares, para ello se investigó acerca de las principales células que conforman el sistema nervioso, dentro de las cuales encontramos a las neuronas  y a las células gliales. Por otro lado se investigó acerca de la conducción del impulso nervioso, el cual se transmite por un potencial de reposo  o a su vez  por un potencial de acción, el cual dependerá de la sinapsis que presenten dichas células al recibir un estimulo. Esta investigación dio como resultado la adquisición de nuevos conocimientos  acerca del potencial generado por la membrana, los cuales dependen de la transmisión de un estimulo mediante los diferentes  potenciales acción.

Palabras clave: Potencial de Nernst, fuerza electromotriz, repolarización, excitación, potencial.

Introducción

El estudio de los distintos potenciales de membranas es de gran importancia, debido a que nos permite analizar los componentes que intervienen en la transmisión de impulsos nervioso, los cuales a su vez están ligados a un tema fisicoquímico que corresponde al potencial eléctrico, es por ello que centramos nuestro interés en este. Las distintas condiciones relacionadas con  dicho potencial, son el resultado de la separación de cargas positivas y negativas a través de una membrana celular, en esta separación, las cargas positivas se encuentran en el  exterior de la membrana de una célula del sistema nervioso en reposo, esto es debido a que la bi-capa lipídica actúa como una barrera para la difusión de los iones y da lugar a la generación de una diferencia de potencial. Esta diferencia toma valores de 60 a 70 mV [1].

Cuando una célula está en reposo, el potencial de membrana se conoce como potencial de reposo. Por convención se toma el potencial externo como cero, por lo que teniendo en cuenta que el interior tiene un exceso de carga negativa, el potencial de membrana en este caso toma valor negativo de -60 a -70 mV [2]. La separación de carga a través de la membrana y por lo tanto el potencial de reposo, se modifica cada vez que ocurre un flujo neto de iones hacia el interior de la célula. Cuando se produce una disminución de la separación de carga el proceso se denomina despolarización, caso contrario se conoce como repolarización [3]. Al modificarse el potencial de membrana se genera un flujo de corriente, debido a la acción de los canales iónicos, tanto de los canales Gated, los cuales se abren o cierran en respuesta a señales eléctricas, mecánicas o químicas específicas, como de los Canales nongated que se encuentran siempre abiertos y no son influenciados significativamente por factores extrínsecos, estos canales son importantes para mantener el potencial de membrana en reposo (4).

El potencial de reposo corresponde a un estado donde la neurona está sin estimular, cuando es estimulada se produce una “explosión de actividad eléctrica” conocido como potencial de acción. Ante el estímulo, el potencial de reposo toma valores más positivos, pero solo cuando alcanza un valor umbral, de unos – 55 mV, se produce el disparo de un potencial de acción. Es importante mencionar que todos los potenciales de acción tienen la misma magnitud para cualquier neurona. En términos generales el proceso puede describirse teniendo en cuenta el funcionamiento de los canales iónicos. Ante el estímulo se abren los canales de sodio permitiendo el ingreso al interior de la célula lo que conduce a la despolarización. Cuando los canales de sodio comienzan a cerrarse se abren los de potasio, permitiendo la salida del mismo con lo que se revierte la despolarización anterior. Con esto se regresa al valor de potencial inicial (-70mV) es decir ocurre la repolarización [2].

El objetivo de esta investigación es proporcionar información actualizada y verídica acerca del potencial de membrana existente en toda célula, mediante la indagación de las distintas transmisiones del impulso nervioso, para poder diferenciar los distintos tipos de potencial generados frente a un estímulo, determinando así una relación entre dos temas de ramas diferentes de la ciencia, las mismas  que  se encuentra relacionadas dentro de un mismo aparato, el más interesante expuesto a varios estudios, el cuerpo humano que es una máquina, con infinitas funciones, las cuales están mediadas por distintos principios fisicoquímicos.

2. Potencial de membrana y potencial de Nernst

2.1.  Potenciales de membrana provocados por difusión

En la Figura 1 se observan los  potenciales causados por las concentraciones de iones tanto sodio como potasio. En A se tiene una concentración interna de iones potasio elevada, comparada con la externa, dada la permeabilidad de las células nerviosas a los iones potasio, se espera una salida de estos, causando así una electronegatividad interna y electro positividad externa que al cabo de un tiempo (1ms) la diferencia entre el interior y el exterior, denominada potencial de difusión, es lo suficientemente grande (en mamíferos es -94mV)  para detener la difusión del ion desde el exterior hacia el interior a pesar del gradiente de concentración existente.

En B se observa el efecto contrario con el ion sodio provocando una electro positividad interna y una electronegatividad externa provocando su correspondiente potencial de difusión (en mamíferos +61mV)

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Fig. 1. Establecimiento de un potencial de difusión a través de la membrana de una fibra nerviosa: A representa la fibra en función del potasio y B la misma fibra en función del sodio [4].

2.2.  Potencial de Nernst

A través de la ecuación de Nernst nos es posible relacionar el valor mínimo de los gradientes de concentración con el gradiente eléctrico de la membrana para poder compararlos, y así luego poder equilibrarlos. La ecuación de Nernst es de importancia transcendental  pues nos permite conocer como se originan los potenciales en la membrana y nos explica como se generan los potenciales de acción y potenciales  sináptico [5].

Entonces el potencial de Nernst se define como el potencial de difusión que se da a través de una membrana que se opone de manera proporcinal a la difusión neta de un ion a través de la membrana. Se puede utilizar la siguiente ecuación:

Ecuación1:

FEM (milivoltios): ±61,54xlog (c interior/c exterior) [4]

Donde FEM es la fuerza electromotriz y 61,54 representa el valor de:

Ecuación2:                           2,303 RT/F[6]

R= 8314 mV [C]/K mol

T= 37°C o 310,15K  que es la temperatura corporal

F=96490 [C]/mol

Esta  magnitud viene determinada por  el cociente de las concentraciones de ese ion específico, el cual se encuentra tanto intramembrana  y extramembrana.

Cuanto mayor es este cociente, mayor es la tendencia del ion a difundir en una dirección, dicha dirección dependerá de la carga interna y externa de la célula nerviosa y, por tanto, mayor será el potencial de Nernst necesario para impedir la difusión neta adicional.  A menudo se utiliza esta ecuación asumiendo que el potencial del líquido que se encuentra extracelularmente se conserva a un potencial de cero para entender en que dirección se moverán los iones, y que el potencial de Nernst es el potencial que se encuentra en el interior de la membrana [4].

Un ejemplo claro lo tenemos con el ion sodio, Na+, el cual se encuentra de manera abundante extracelularmente. Si se incrementa la concentración de sodio ion, el potencial Nernst tendera a ser mas electronegativo, lo que atrae al sodio hacia dentro de la membrana provocando así una aumento de potencial hasta llegar a un limite requerido.

2.3.  Potencial de membrana en reposo de los nervios

El potencial de membrana para las neuronas grandes es -90mV, mas electronegativo internamente que el exterior, dado que estos potenciales son causados por la entrada y salida de iones es importante considerar que al igual que todas las células del cuerpo, las neuronas poseen potentes bombas de sodio y potasio que crean gradientes de concentración a nivel externo e interno. Con un coeficiente de partición o de distribución interior-exterior de 0,1 para el sodio y 35 para el potasio, esto quiere decir que internamente existe un sodio por cada 10 en el exterior y a su vez 35 potasios internos por cada 1 externo. Esto es de vital importancia dado que así se mantiene un equilibrio de cargas.

2.4.  Potencial de acción nervioso

Si el potencial en reposo indica lo que sucede con la neurona en reposo, el potencial de acción señala lo que pasa cuando la neurona transmite información por el axón, lejos del soma (cuerpo celular). Las señales nerviosas son  transmitidas mediante potenciales de acción los cuales se describen como cambios rápidos del potencial de membrana que se extienden rápidamente a lo largo de la membrana de la fibra nerviosa. Cada uno de estos comienza con un cambio súbito desde el potencial de membrana negativo en reposo normal hasta un potencial positivo y después termina con un cambio casi igual de rápido de nuevo hacia el potencial negativo. De esta manera se logra que la respuesta, en este caso el impulso nervioso, se obtenga de una manera rápida y violenta.

 

3. Conclusiones

Se determino que el potencial de acción se encuentra proporcionado en su gran mayoría por la presencia de iones Na y K tanto  nivel interno como externo de la neurona, siendo estos gradientes de concentración los que determinan la electronegatividad y electropositividad a nivel celular, con valores tales como -94 mV para el K y +61 mV para el Na. De esta manera se interpreto la acción de los iones cuando existe la excitación causada por un impulso nervioso.

Al mismo tiempo se determino que depende de la entrada de iones sodio la repolarización de la membrana y que la salida, por su parte de iones potasio despolariza la membrana dejándola nuevamente en estado de reposo con una carga de –90 mV. Concluyendo que depende de estas fases el movimiento y el traspaso de un estimulo a través de todas las fibras nerviosas en todo el cuerpo humano. Finalmente se logro conocer la importancia del potencial de Nernst, cuya ecuación aplicada a sistemas vivos como el caso de las neuronas, permite comprender el sentido de la difusión de iones dependiendo de las cargas y la atracción entre ellas.

4. Referencias

[1]

A. Felipe, «The spanish ion channel initiative,» Enero 2011. [En línea]. Available: http://sici.umh.es/Canals%20i%C3%B2nics%20_art%C3%ADculo%20divulgaci%C3%B3n%20maquetado_.pdf. [Último acceso: 31 Julio 2016].

[2]

Z. Ramos, «Fisiologia del ser humano,» Octubre 2013. [En línea]. Available: http://zeyramos.blogspot.com/2013/06/potencial-de-membrana-en-reposo.html. [Último acceso: 31 Julio 2016].

[3]

Universidad Nacional de Cordoba, «Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales,» Noviembre 2012. [En línea]. Available: http://www.efn.uncor.edu/departamentos/divbioeco/anatocom/Biologia/Los%20Sistemas/Nervioso/fisiologianueronal.htm. [Último acceso: 31 Julio 2016].

[4]

A. C. Guyton, Tratado de Fisiologia medica, Mississippi: ELSEVIER, 2011.

[5]h

M. Parisi, «Nestoriano,» Octubre 2008. [En línea]. Available: https://nestoriano.files.wordpress.com/2008/10/potencial-de-membrana.pdf. [Último acceso: 31 Julio 2016].

[6]

G. Ulate Montero, «Slideplayer,» Julio 2014. [En línea]. Available: http://slideplayer.es/slide/159860. [Último acceso: 31 Julio 2016].

 

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