Potenciales de Acción

Potencial de acción de un axón de calamar gigante.

En respuesta a un estímulo apropiado, la membrana celular de una célula nerviosa pasa a través de una secuencia de despolarización desde su estado de reposo, seguido de la repolarización a ese estado de reposo. En realidad en la secuencia, invierte su polaridad normal durante un breve periodo, antes de restablecer el potencial de reposo.

El ejemplo de arriba del potencial de acción de un calamar, fue modelado por el potencial de acción medido, según se muestra en la publicación West's Medical Physics. Los intervalos de tiempo aproximados mostrados han sido escritos a escala de los marcadores de tiempo de la traza experimental.

La secuencia del potencial de acción es esencial para la comunicación neuronal. La acción más simple en respuesta al pensamiento, requiere de muchos de estos potenciales de acción para su comunicación y ejecución. Para modelar el potencial de acción de una célula nerviosa humana, se puede utilizar un potencial de reposo nominal de -70 mV. El proceso implica varios pasos:

Esto es un gráfico activo. Hacer clic para mayor detalle.

El siguiente estudio intenta caracterizar los pasos sucesivos implicados en la producción de un potencial de acción típico de las células nerviosas de los mamíferos..

En el estado de reposo de la membrana de una célula nerviosa, tanto los canales de sodio como de potasio están cerrados y las concentraciones de equilibrio se mantienen a través de la membrana. En el interior de la célula, la concentración de K+ es mayor, nominalmente 100 mM comparado con 5mM en el exterior. En el exterior de la célula, la concentración de Na+ es mayor, nominalmente 150 mM comparado con 10 mM en el interior. El voltaje o potencial eléctrico del interior de la célula comparado con el exterior es típicamente unos -70mV, aunque esto difiere significativamente en otras células distintas de las nerviosas. Aunque los cambios en el potencial eléctrico a través de la membrana durante un potencial de acción son suficientes para lograr su propósito, los cambios reales en las concentraciones de los iones Na+ y K+ son muy pequeños. Son como pequeñas ondas en los mares de concentración. En Karp, Section 4.8 se describe el hecho de que aún quedan algunos canales abiertos de K+ en la membrana en reposo que contribuyen a determinar el potencial de reposo. A menudo se los llaman canales de fuga de K+.

La bomba Na+/K+ es un importante contribuyente al estado de reposo o al equilibrio de la célula. Es responsable de mantener el gran exceso de iones Na+ fuera de la célula y el gran exceso de iones K+ en el interior. Es un proceso de transporte activo que hace uso de la moneda de energía ATP de la célula.

Un estímulo es recibido por las dendritas de una célula nerviosa. Esto hace que se abran algunos canales de Na+, y la afluencia de difusión de iones Na+ comienza a elevar el potencial del interior (más positivo). Las células nerviosas son sensibles a los estímulos externos, pero si tales estímulos no elevan el potencial al nivel de umbral, la célula tenderá a establecerse nuevamente en equilibrio. Si la respuesta del estímulo es suficiente para impulsar el potencial interior desde -70 mV hasta -55 mV, el proceso continúa. Habiendo alcanzado el umbral, no hay vuelta atrás y la célula se disparará hacia el potencial de acción completo. Esta situación a menudo se conoce como la ley de "todo o nada".

Una vez que se alcanza el umbral, se abren más compuertas de sodio y los iones de Na+ se infiltran en la célula, aumentando el voltaje rápidamente. Se dice que esta transición es "dependiente del voltaje" y se produce rápidamente ya que los iones de Na+ son impulsados tanto por el gradiente de concentración como por el gradiente de voltaje.

Despolarización

El período de rápido aumento (del orden de milisegundos) del potencial de celda interior desde su estado de reposo de aproximadamente -70 mv se denomina "despolarización". El aumento puede ser de aproximadamente +30 mV. El tiempo típico para la despolarización de una célula nerviosa de mamífero es del orden de un milisegundo.

Las compuertas de sodio abiertas continúan transportando iones de Na+ a la célula, lo que impulsa la despolarización y aumenta el potencial del interior de la célula. En algún momento, las compuertas de K+ comienzan a abrirse, pero su proceso de apertura es más lento que el de las compuertas de Na+ por lo que el proceso de despolarización tiene tiempo para completarse. La despolarización continúa hasta que el potencial del interior de las células se vuelve positivo a aproximadamente 30 mV.

A medida que el potencial interior de celda se mueve a través de la neutralidad hasta valores positivos, las compuertas de sodio se cierran, finalizando la fase de despolarización.

Una vez abiertas, las compuertas de K+ permanecen abiertas y la difusión libre de potasio fuera de la celda conduce el potencial hacia valores negativos en un proceso denominado repolarización.

Repolarización

La caída en el potencial interior de celda como resultado de las compuertas K+ abiertas se llama repolarización. Esto restablece la "polarización". De nuevo se tiene el interior de la celda polarizada negativamente con respecto al exterior

Hiperpolarización

La hiperpolarización es el nombre dado al período de rebasamiento del potencial de celda interior a valores más negativos que el del estado de reposo normal. Una influencia en esta fase es el hecho de que las compuertas de Na+ permanecen cerradas y la falta de movilidad de Na+ a través de la membrana hace que el proceso de K+ avance hacia el valor de -80 mV que ocurriría si solo hubiera potasio presente. Si bien la hiperpolarización puede parecer contraproducente, en realidad es importante en la transmisión de información. La hiperpolarización impide que la neurona reciba otro estímulo durante este tiempo, o al menos eleva el umbral para cualquier nuevo estímulo. Parte de la importancia de la hiperpolarización es evitar que cualquier estímulo que ya haya sido enviado por un axón provoque otro potencial de acción en la dirección opuesta. En otras palabras, la hiperpolarización asegura que la señal avanza en una dirección.

En la etapa de hiperpolarización, las compuertas de K+ se cierran y las compuertas de Na+ permanecen cerradas. Bajo las influencias que controlan el potencial de equilibrio (la bomba de Na+/K+ y el canal de fuga de K), la membrana celular se acerca de nuevo a su estado de reposo.

Habiendo completado la secuencia del potencial de acción, las compuertas de Na⁺permanecen cerradas por un tiempo, suprimiendo el inicio de un nuevo potencial de acción durante un período denominado "período refractario".

Autor contribuyente: Ka Xiong Charand