Fisiología del Impulso Nervioso: Excitabilidad Celular
La propiedad más importante de las neuronas es responder ante estímulos generando una respuesta bioeléctrica que viaja a lo largo de toda la célula. La célula muscular también es excitable y, junto a la neurona, constituyen los dos únicos tipos celulares que presentan esta propiedad.
Potencial de Reposo de la Membrana
La membrana de cualquier célula presenta una distribución asimétrica de sus iones. Así, en el medio extracelular existe un predominio de Na+, y en el medio intracelular, predomina el K+.
Esta diferencia de concentración es mantenida por la bomba Na+/K+ ATPasa, con gasto de ATP.
Si describimos la situación de otros iones, nos encontramos con que hay cloruro (Cl–) en el espacio extracelular, mientras que en la cara interna de la membrana plasmática se acumulan proteínas, sulfatos y fosfatos que le confieren un carácter negativo al interior de la membrana neuronal.
Como el interior de la neurona es negativo, el Cl– que está en el exterior no puede difundir (penetrar por difusión) hacia el interior de la neurona.
Estas distintas concentraciones de iones determinan la existencia del llamado potencial de reposo de la membrana o simplemente potencial de membrana.
Dicho potencial de reposo o en equilibrio es electronegativo en el interior de la célula y positivo en el exterior; es decir, hay una diferencia de potencial a ambos lados de la membrana. Esta diferencia se mantiene en equilibrio en ciertas cifras (en ciertos milivoltios, mV) mediante una continua difusión de iones a un lado y otro de la membrana.
Este potencial de reposo representa una energía potencial que se aprovecha para la generación de un potencial de acción (PA). El potencial de reposo típico tiene un valor de -70 mV (milivoltios).
En la neurona, este potencial es más inestable, lo que aumenta su excitabilidad con respecto a otras células del organismo. El potencial de reposo neuronal representa el estado polarizado, básico para la generación de un potencial de acción.
Generación del Potencial de Acción (PA)
Cuando se estimula una neurona, la excitación de la membrana determina un aumento de la permeabilidad al Na+, el cual entra masivamente porque incluso se inactiva temporalmente la bomba Na+/K+.
La entrada de Na+ (cargas positivas) hace menos negativo el potencial de membrana y determina una inversión de las cargas eléctricas: el interior se hace positivo y el exterior negativo, fenómeno llamado despolarización.
La primera zona que se despolariza va despolarizando a las zonas vecinas, de tal manera que se genera un potencial de acción que, además, se autopropaga, por lo que no es necesario aplicar un segundo estímulo.
Este potencial de acción es bidireccional, porque viaja en ambos sentidos dentro de una neurona (Nota: fisiológicamente, la conducción suele ser unidireccional en el axón). Posteriormente, la primera zona que perdió la polaridad inicial comienza a recuperar el potencial de reposo inicial o estado polarizado, a costa de una salida de K+ desde el interior de la neurona, fenómeno que se denomina repolarización.
Fase de Hiperpolarización
Esta salida de K+ excede el potencial de reposo normal y, brevemente, este potencial se vuelve más negativo, es decir, entre -80 mV y -90 mV, período que se denomina de hiperpolarización.
En este momento, la entrada de Na+ y la salida de K+ han invertido las concentraciones iónicas normales. Por lo tanto, se reactiva la bomba Na+/K+, que restablece el potencial de reposo normal sacando Na+ hacia el exterior e ingresando el K+ que salió durante la repolarización.
(Ver referencia PSU: Biología, Pregunta 04_2005).
Mecanismos Iónicos y Canales de Membrana
Respecto al potencial de acción observado en las células excitables (neuronas y células musculares), hay que recalcar que es un cambio transitorio y rápido del potencial de membrana desde un estado de reposo. Este cambio se relaciona principalmente con modificaciones en la permeabilidad iónica selectiva de la membrana plasmática.
Potencial de Membrana y Permeabilidad Iónica
En general, el valor del potencial de membrana depende de la permeabilidad iónica selectiva de la membrana plasmática. Esta permeabilidad iónica selectiva depende de un tipo especial de proteínas integrales de membrana denominadas canales iónicos.
Existen canales iónicos para cada tipo de ión presente en las soluciones biológicas. Los canales iónicos pueden estar cerrados o abiertos. En reposo, la membrana plasmática es más permeable al K+ porque es rica en canales de K+ que están abiertos.
Puesto que el K+ está más concentrado en el citosol, tiende a difundir hacia el exterior, separándose de su contraión. La separación de cargas crea una fuerza electrostática que equilibra la difusión del K+ hacia el compartimiento extracelular.
La separación de cargas se manifiesta como una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre el interior y el exterior de la célula. Este es el potencial de membrana de reposo y es de valor negativo porque la salida difusional de K+ deja el interior con un exceso de cargas negativas (por cada ión K+ que sale, se queda un anión en el interior).
El Rol de los Canales de Sodio (Na+)
El potencial de acción se inicia cuando se abren canales de Na+. Puesto que en reposo el Na+ está más concentrado en el exterior y el potencial de reposo es negativo, la apertura de canales de Na+ permite la electrodifusión de Na+ hacia el interior. Las cargas positivas que portan los iones Na+ hacen más positivo el interior de la célula, invirtiendo la polaridad del potencial de membrana (punto máximo del potencial de acción).
La repolarización o fase de descenso ocurrirá si se impide la entrada de Na+ y se permite una mayor salida de K+. Esto es posible si se inactivan (cierran) los canales de Na+ y se abren más canales de K+.
Si entendemos cómo se produce esta repolarización o fase de descenso, sabremos distinguir la función de los canales iónicos versus la función de la bomba sodio-potasio en los fenómenos eléctricos celulares.
Función de la Bomba Sodio-Potasio (Na+/K+)
Como ya lo dijimos, la función de la bomba sodio-potasio es mantener las diferencias de concentración de Na+ y de K+ a ambos lados de la membrana (en estado de reposo) y, por lo tanto, está continuamente funcionando debido a la tendencia de los iones Na+ y K+ a difundir a favor de sus respectivos gradientes electroquímicos. Su participación, cuando se expresa el potencial de acción, es redistribuir los iones que participan en la despolarización y repolarización observada durante el potencial de acción.
Hay que hacer notar que la cantidad de iones que participan en el ciclo despolarización-repolarización del potencial de acción es muy poca en relación con el total de iones que existen en la célula. De hecho, las concentraciones de iones a ambos lados de la membrana prácticamente no cambian durante la entrada o salida de iones.
La creencia generalizada de que los gradientes iónicos se disipan completamente durante el potencial de acción lleva a pensar, erróneamente, que se requiere la acción de la bomba para repolarizar la membrana (lo cual es incorrecto, la repolarización depende de la salida de K+ a través de canales).
Propiedades del Potencial de Acción
Ley del Todo o Nada
Una importante propiedad del Potencial de Acción (PA) es que sigue la Ley del Todo o Nada, según la cual, cuando un estímulo (o una serie de estímulos) llega a la neurona con suficiente intensidad como para provocar la aparición de un PA en la membrana de dicha célula, el PA se produce en todo caso, y alcanzando la amplitud (voltaje) máxima posible en ese caso. (Ese máximo no es de idéntica magnitud en cada suceso, pero será la magnitud máxima posible para esa neurona en esas condiciones).
De este modo, si un estímulo ha sido tan intenso como para que la despolarización que provoca cruce el umbral de aparición del PA, este aparece y el potencial bioeléctrico se propaga sin que la magnitud de dicha amplitud se resienta, hasta llegar a la siguiente estación de relevo del flujo eléctrico, la sinapsis, desde donde se libera una cantidad de neurotransmisor proporcional a la amplitud del PA, de modo que a la membrana postsináptica llega suficiente neurotransmisor como para desencadenar otro PA (sobre todo, si son varias las neuronas convergentes en la región postsináptica).
Una vez que se genera este potencial de acción, tiene la misma duración y amplitud que si se inicia por un estímulo umbral o supraumbral. Es decir, no por aumentar la intensidad del estímulo aumenta también el potencial de acción: no existen respuestas intermedias, es todo o nada.
Si se imagina que el potencial de acción fuera una flecha disparada con una ballesta de una neurona a otra, siguiendo la ley del todo o nada (o se dispara, o no se dispara, sin término medio), se puede imaginar que el «todo o nada» se prepara en el instante previo cargando la ballesta.
Períodos Refractarios
El período refractario se refiere a un lapso en el cual la neurona no puede volver a ser excitada y ocurre durante la repolarización.
En un principio, el período refractario es absoluto, porque la neurona no responde a ninguna clase de estímulo, incluso los supraumbrales; para luego volverse relativo, donde solo responde a estímulos supraumbrales.
Umbral de Excitación
Este concepto se refiere a la intensidad mínima que debe tener un estímulo para ser capaz de generar un potencial de acción en la neurona.
De acuerdo con esto, existen tres clases de estímulos según su intensidad:
- Estímulo Umbral: Es aquel que tiene la intensidad mínima necesaria para generar un potencial de acción.
- Estímulo Subumbral (Infraumbral): Tiene una intensidad menor al mínimo necesario y, por lo tanto, no es capaz de generar potencial de acción.
- Estímulo Supraumbral: Tiene una intensidad mayor al mínimo necesario y también es capaz de generar potencial de acción.
Conducción del Impulso Nervioso
Conducción Continua y Saltatoria
En las neuronas que carecen de vaina de mielina se habla de una conducción continua porque el potencial de acción va despolarizando toda la membrana neuronal. Sin embargo, las neuronas con vaina de mielina presentan una conducción saltatoria. Esto se produce porque la vaina se comporta como un excelente aislante que reduce el flujo de iones a través de la membrana en unas 5.000 veces.
Los iones solo pueden fluir a través de los nódulos de Ranvier y, por lo tanto, los potenciales se pueden producir solo en los nódulos. La conducción saltatoria tiene valor por dos razones:
- Al hacer que la despolarización se conduzca entre nódulos, el potencial de acción se hace más rápido, entre 5 y 50 veces.
- Ahorra energía para la neurona, porque solo se despolarizan los nódulos.
Factores de la Velocidad de Conducción
La velocidad de conducción depende principalmente de dos factores:
- La presencia de vaina de mielina: Hace más rápido el potencial de acción. Las fibras amielínicas conducen a 0,25 m/seg y las mielínicas hasta 100 m/seg.
- El diámetro del axón: A mayor diámetro, mayor es la velocidad de conducción.