Electrofisiología y Potencial de Membrana

Cómo la separación de iones a través de una membrana crea un potencial eléctrico, y cómo los canales dependientes de voltaje transforman ese potencial en los potenciales de acción de las células excitables.

Definition

El potencial de membrana es la diferencia de voltaje a través de una membrana celular que surge de la permeabilidad iónica selectiva; la electrofisiología es el estudio de estos potenciales y las corrientes que los producen.

Scope

Este tema cubre el origen del potencial de membrana en reposo, la visión de circuito equivalente de la membrana como capacitor y conductancias, y la generación y propagación del potencial de acción. Trata la descripción de la excitabilidad de Hodgkin-Huxley y las técnicas de medición de la electrofisiología a nivel conceptual, mientras que el mecanismo de canal único y la energética del transporte se abordan en temas adyacentes.

Core questions

• ¿Por qué una célula en reposo mantiene un voltaje constante a través de su membrana?
• ¿Cómo se modela útilmente la membrana como un capacitor en paralelo con conductancias iónicas?
• ¿Qué secuencia de cambios de conductancia genera un potencial de acción?
• ¿Cómo se propaga un potencial de acción a lo largo de una célula excitable?

Key theories

Excitabilidad de Hodgkin-Huxley

Las conductancias de sodio y potasio dependientes del voltaje y del tiempo que actúan a través de la membrana capacitiva reproducen el potencial de acción cuantitativamente, con la entrada regenerativa de sodio despolarizando la célula y el eflujo retardado de potasio restaurando el reposo.

Potencial de reposo a partir de permeabilidades mixtas

El voltaje de reposo es un promedio ponderado de los potenciales de equilibrio de los iones permeables, capturado por la expresión de campo constante de Goldman, por lo que se sitúa cerca pero no en el equilibrio de potasio porque la membrana es principalmente, no exclusivamente, permeable al potasio.

Mechanisms

Debido a que la membrana es un aislante delgado que separa la carga, los gradientes iónicos establecidos por las bombas producen un voltaje de reposo constante determinado principalmente por la permeabilidad de reposo dominante. Al tratar la membrana como un capacitor en paralelo con conductancias dependientes de voltaje, una despolarización supraliminal abre los canales de sodio, cuya corriente de entrada despolariza aún más la célula en un pico regenerativo; los canales de sodio luego se inactivan y los canales de potasio se abren, repolarizando la membrana. Las corrientes locales propagan esta despolarización a las regiones vecinas, propagando el potencial de acción.

Clinical relevance

La excitabilidad de la membrana subyace a la función nerviosa, muscular y cardíaca y es el objetivo de anestésicos, antiarrítmicos y antiepilépticos; la biofísica aquí es un antecedente educativo para esa fisiología y farmacología, no una guía clínica.

History

Basándose en la técnica de pinzamiento de voltaje de Cole, el modelo cuantitativo de Hodgkin y Huxley de 1952 del axón de calamar explicó el potencial de acción en términos de conductancias iónicas y sigue siendo la base de la electrofisiología, refinado posteriormente por estudios moleculares y de canal único.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Bernard Katz
• Kenneth Cole

Seminal works

• hodgkin1952
• goldman1943

Frequently asked questions

¿Por qué el potencial de reposo es negativo en el interior?

En reposo, la membrana es más permeable al potasio, que sale de la célula a favor de su gradiente hasta que el voltaje interior negativo que se acumula se opone a una mayor pérdida, dejando el interior negativo en relación con el exterior.

¿Qué hace que el potencial de acción sea de todo o nada?

Una vez que la despolarización cruza el umbral, la apertura del canal de sodio es regenerativa e impulsa un pico completo independientemente de la fuerza del estímulo original, por lo que la respuesta tiene una forma fija.