Canales iónicos y potencial de membrana

La señalización eléctrica de las neuronas se inicia con el potencial de membrana —la diferencia de voltaje a través de la membrana celular— y con los canales iónicos que controlan el paso de los iones a través de ella. Al permitir selectivamente el flujo de iones como el sodio, el potasio y el calcio, y al abrirse y cerrarse en respuesta al voltaje o a ligandos, los canales iónicos establecen el potencial de reposo y generan el potencial de acción. Este tema examina la base iónica de la excitabilidad neuronal.

Definition

El potencial de membrana es el voltaje a través de la membrana de una célula que surge de distribuciones iónicas desiguales y permeabilidad selectiva; los canales iónicos son proteínas de membrana que conducen iones específicos y, al abrirse y cerrarse, generan el potencial de reposo y el potencial de acción.

Scope

El tema abarca el potencial de membrana en reposo y su base iónica, la estructura y selectividad de los canales iónicos, los canales dependientes de voltaje y de ligando, y el mecanismo iónico del potencial de acción tal como lo describieron Hodgkin y Huxley. Se trata de una revisión de referencia de mecanismos biofísicos y no proporciona orientación clínica.

Core questions

• ¿Qué establece el potencial de membrana en reposo de una neurona?
• ¿Cómo seleccionan y conducen iones específicos los canales iónicos?
• ¿Cómo generan el potencial de acción los canales dependientes de voltaje?
• ¿En qué se diferencian los canales dependientes de ligando y de voltaje en cuanto a lo que los abre?

Key concepts

• Potencial de membrana en reposo
• Gradientes iónicos y permeabilidad selectiva
• Canales de sodio y potasio dependientes de voltaje
• Filtro de selectividad del canal iónico
• Canales dependientes de ligando
• Umbral y propagación del potencial de acción

Key theories

Teoría iónica del potencial de acción

Hodgkin y Huxley proporcionaron una descripción cuantitativa que muestra que el potencial de acción resulta de cambios dependientes de voltaje en la permeabilidad de la membrana al sodio y al potasio, formalizando la excitabilidad neuronal en términos matemáticos.

Mechanisms

En reposo, las bombas iónicas mantienen los gradientes de concentración y la membrana es selectivamente permeable, principalmente al potasio, produciendo un potencial de reposo negativo. Una despolarización que alcanza el umbral abre los canales de sodio dependientes de voltaje, cuya rápida corriente de entrada impulsa la fase ascendente del potencial de acción; la posterior inactivación de los canales de sodio y la apertura de los canales de potasio dependientes de voltaje repolarizan la membrana —la dinámica que Hodgkin y Huxley cuantificaron. La selectividad de los canales para iones particulares está determinada por la estructura de su poro; Doyle y sus colegas revelaron cómo un filtro de selectividad permite que un canal de potasio conduzca potasio mientras excluye el sodio. Los canales dependientes de ligando, por el contrario, se abren en respuesta a la unión de neurotransmisores en lugar de al voltaje.

Clinical relevance

Las anomalías de los canales iónicos subyacen a una clase de trastornos que afectan a nervios y músculos, y muchos fármacos y toxinas actúan modificando la función del canal, por lo que la biofísica de este tema proporciona una base para comprender los trastornos de excitabilidad y la neurofarmacología. La entrada tiene fines educativos y no constituye una base para el diagnóstico o el tratamiento.

Evidence & guidelines

El tema se fundamenta en la biofísica y la biología estructural más que en las guías clínicas, basándose en el análisis de excitabilidad de Hodgkin-Huxley, estudios estructurales de la selectividad de los canales y referencias estándar sobre canales iónicos.

History

La base iónica del potencial de acción fue establecida por los experimentos de Hodgkin y Huxley a mediados del siglo XX en el axón gigante de calamar, que produjeron un modelo cuantitativo de excitabilidad. Métodos posteriores de voltage-clamp y patch-clamp caracterizaron las corrientes de canales individuales, y las estructuras de resolución atómica, comenzando con el canal de potasio, explicaron cómo los canales logran su selectividad iónica, integrando la fisiología con la estructura molecular.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Roderick MacKinnon
• Bertil Hille

Seminal works

• hodgkin-huxley-1952
• doyle-1998

Frequently asked questions

¿Qué es el potencial de membrana en reposo?

Es la diferencia de voltaje constante a través de la membrana de una neurona cuando no está señalizando, que surge de los gradientes de concentración iónica y la permeabilidad selectiva de la membrana, principalmente al potasio, y es típicamente negativa en el interior en relación con el exterior.

¿Cómo generan el potencial de acción los canales dependientes de voltaje?

Cuando la membrana se despolariza hasta el umbral, los canales de sodio dependientes de voltaje se abren y permiten que el sodio entre rápidamente para producir el pico, luego se inactivan mientras los canales de potasio se abren para restaurar el potencial de reposo negativo.