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El Potencial de Membrana y el Potencial de Acción: Entendiendo la Electricidad Celular

Por: Héctor Romo-Parra

Las células de nuestro cuerpo no solo realizan funciones metabólicas y estructurales, sino que también tienen la capacidad de generar señales eléctricas. Estas señales son esenciales para la comunicación celular, y son particularmente relevantes en el sistema nervioso y en los músculos. Para comprender cómo estas señales funcionan, es necesario conocer dos conceptos fundamentales: el potencial de membrana y el potencial de acción.

1. ¿Qué es el Potencial de Membrana?

El potencial de membrana es la diferencia de carga eléctrica entre el interior y el exterior de una célula. Aunque las células en su conjunto son eléctricamente neutras, en su membrana celular se genera una distribución desigual de cargas, lo que crea un pequeño voltaje.

¿Por qué ocurre esto?

La causa principal de este fenómeno es el movimiento de iones (átomos con carga eléctrica) a través de la membrana celular. La membrana celular tiene canales especializados, llamados canales iónicos, que permiten que los iones se desplacen hacia dentro o fuera de la célula.

En una célula en reposo (es decir, sin estar estimulada), la célula tiene un interior cargado negativamente en comparación con el exterior. Esta diferencia de carga es el potencial de membrana en reposo, que suele ser de aproximadamente -70 mV (milivoltios) en las neuronas. La causa principal de esta polaridad es la distribución desigual de iones como el potasio (K⁺), el sodio (Na⁺), el calcio (Ca²⁺) y el cloruro (Cl⁻) a través de la membrana.

¿Cómo se mantiene este potencial?

La célula mantiene el potencial de membrana gracias a la bomba de sodio-potasio (Na⁺/K⁺ ATPasa). Esta bomba utiliza energía para transportar iones de sodio (Na⁺) fuera de la célula y iones de potasio (K⁺) hacia dentro, en un proceso que ayuda a conservar la polaridad de la membrana La célula mantiene el potencial de membrana gracias a la bomba de sodio-potasio (Na⁺/K⁺ ATPasa). Esta bomba utiliza energía para transportar iones de sodio (Na⁺) fuera de la célula y iones de potasio (K⁺) hacia dentro, en un proceso que ayuda a conservar la polaridad de la membrana (Hille, 2001).

2. El Potencial de Acción: La Señal Eléctrica de las Células Excitables

Cuando una célula es estimulada de manera suficiente, se produce una rápida alteración en el potencial de membrana, que es el potencial de acción. Este es un cambio transitorio y rápido en la polaridad de la membrana que viaja a lo largo de la célula, permitiendo la transmisión de señales.

Fases del Potencial de Acción

El potencial de acción se puede dividir en varias fases:

1. Despolarización:

• Cuando un estímulo alcanza un umbral específico, los canales de sodio se abren, permitiendo que los iones de sodio (Na⁺) entren rápidamente en la célula.
• Este ingreso de sodio hace que el interior de la célula se vuelva más positivo (despolarización), invirtiendo temporalmente la polaridad de la membrana (Kandel et al., 2013).

1. Repolarización:

• Después de alcanzar su punto máximo, los canales de sodio se cierran, y los canales de potasio se abren, permitiendo que los iones de potasio (K⁺) salgan de la célula.
• Este movimiento de iones de potasio ayuda a devolver el interior de la célula a su estado negativo, restaurando el potencial de membrana (repolarización).

1. Hiperpolarización:

• En algunos casos, la salida de potasio es tan pronunciada que la célula se vuelve más negativa de lo normal, pasando más allá del valor de reposo, lo que se llama hiperpolarización.

1. Período refractario:

• Durante el potencial de acción, la célula no puede ser estimulada de nuevo hasta que se haya restablecido completamente su potencial de membrana en reposo. Este período se conoce como período refractario y es esencial para asegurar que la señal se propague en una sola dirección Kandel et al., 2013).

Propagación del Potencial de Acción

Una vez iniciado, el potencial de acción se propaga a lo largo de la membrana celular en un proceso llamado conductancia. Este fenómeno es fundamental para la transmisión de señales en las neuronas y la contracción muscular (Hille, 2001).

En las neuronas, la propagación del potencial de acción ocurre a través de los axones, donde la despolarización en un segmento de la membrana induce la despolarización en el siguiente segmento, lo que permite que la señal viaje rápidamente.

En las fibras musculares, el potencial de acción desencadena la liberación de calcio (Ca²⁺) dentro de la célula, lo que activa los mecanismos contráctiles que permiten la contracción muscular.

3. Importancia del Potencial de Acción en el Organismo

El potencial de acción es la base de la comunicación entre las células nerviosas (neurotransmisión) y entre las células musculares (contracción muscular). Sin este proceso, no sería posible que las señales viajen desde el cerebro a los músculos o que las neuronas se comuniquen entre sí para generar pensamientos, movimientos o sensaciones.

Ejemplos en la vida diaria:

• Reflejos: El sistema nervioso usa potenciales de acción para realizar movimientos rápidos, como cuando tocas algo caliente y retiras la mano rápidamente.
• Latido del corazón: El corazón también genera potenciales de acción que permiten la contracción del músculo cardíaco y la propagación de los latidos.
• Percepción sensorial: Las señales de los órganos sensoriales, como los ojos o los oídos, son transmitidas a través de potenciales de acción hacia el cerebro.

4. Alteraciones del Potencial de Acción

Cuando el equilibrio iónico se ve alterado, pueden surgir problemas graves en la función celular. Algunas enfermedades o condiciones médicas pueden afectar el potencial de acción, como:

• Arritmias cardíacas: Trastornos en la propagación del potencial de acción en el corazón, que pueden llevar a latidos irregulares (Sandoz et al., 2013).
• Neuropatías: Daños en las neuronas pueden interrumpir la transmisión de señales eléctricas, afectando el movimiento y la sensación (Kandel et al., 2013).
• Parálisis muscular: Enfermedades como el botulismo pueden interferir con la liberación de neurotransmisores y alterar la función muscular (Berg, 2015).

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Conclusión

El potencial de membrana y el potencial de acción son esenciales para la vida celular. Gracias a ellos, nuestras células pueden generar y transmitir señales eléctricas, permitiendo que todos los procesos fisiológicos de nuestro cuerpo funcionen de manera coordinada y eficiente. Sin estos mecanismos eléctricos, la comunicación entre las células sería imposible, y funciones tan fundamentales como el movimiento, la sensación y la cognición no serían viables.

Es fascinante cómo un sistema de cargas eléctricas tan complejo y preciso pueda dar lugar a todo lo que hacemos, pensamos y sentimos.

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Referencias

• Berg, J. M. (2015). Molecular Biology of the Cell (6th ed.). Garland Science.
• Hille, B. (2001). Ion Channels of Excitable Membranes (3rd ed.). Sinauer Associates.
• Kandel, E. R., Schwartz, J. H., & Jessell, T. M. (2013). Principles of Neural Science (5th ed.). McGraw-Hill.
• Sandoz, G., et al. (2013). Pathophysiology of Cardiac Arrhythmias. Journal of Cardiovascular Electrophysiology, 24(4), 496–506.