Las neuronas procesan información que arriba en forma de las señales eléctricas (impulsos nerviosos o potenciales de acción) que viajan a lo largo de sus axones. Estas señales se deben a que los iones tienen cargas eléctricas y se mueven a través de la membrana, pero como las membranas de la mayor parte de las células, incluyendo las neuronas, son relativamente impermeables a los iones, en la membrana hay proteinas que actúan como canales para hacer posible que los iones las cruzen.
La diferencia de voltaje a través de la membrana plasmática de una neurona que se encuentra es reposo; esto es, que no está mandando señales eléctricas, es llamada potencial de reposo.
En una neurona típica hay una gran diferencia en la concentración de iones como el sodio y el potasio en los medios intra y extracelular. Además, el interior de la neurona tiene una gran concentración de proteinas cargadas negativamente.
La única forma como los iones pueden cruzar la bicapa de lípidos es a través de canales especializados. Estos canales son poros transmembranales que pueden estar abiertos o cerrados y por tanto permitir el movimiento de iones particulares, mientras excluyen a otros.
Cuando la neurona está en reposo, la mayor parte de los canales para los iones están cerrados, pero algunos canales para los iones potasio están abiertos, permitiendo que estos difundan a favor de su gradiente de concentración; esto es, de adentro hacia afuera de la neurona. En cambio, normalmente los canales para los iones sodio están cerrados, por lo que estos no cruzan la membrana cuando la neurona está en reposo.
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| Figura 1. Fuerzas que actúan sobre los iones K+ | Figura 2. La salida de K+ produce una corriente positiva que deja el interior negativo respecto al exterior de la célula. |
En una neurona típica, la concentración interna de potasio es mayor que la concentración externa, por lo que estos iones están sujetos a dos fuerzas: 1) una fuerza de difusión que empuja los iones K+ hacia el exterior de la célula, un movimiento que aumenta las cargas negativas en el interior y; 2) como los iones potasio están cargados positivamente, también son atraidos por la carga negativa del interior de la célula. Sin embargo, eventualmente las fuerzas difusional y eléctrica se balancean, alcanzándose un potencial eléctrico o voltaje en el cual no hay movimiento neto de iones potasio hacia dentro o afuera de la célula.
El potencial eléctrico a través de la membrana puede ser medido penetrando la célula con un electrodo. Una neurona en reposo tiene una diferencia de voltaje de aproximadamente -60 mV a través de la membrana y este valor es su potencial de reposo.
Figura 3. Potencial de reposo de una neurona. A. Esquema de una neurona. B. Esquema de un axón y los electrodos (líneas negras) en el interior y exterior requeridos para medir la diferencia de potencial a través de la membrana; esto es, el potencial de reposo. C. Diferencia en la concentración de iones adentro y afuera del axón. D. Canales en la membrana para el paso de los iones.
En conclusión, cuando la neurona está en reposo, la membrana es mucho mas permeable a los iones potasio (K+) que a otros iones, como sodio (Na+) y cloro (Cl-). El equilibrio electroquímico que resulta de la distribución de estas especies iónicas a través de la membrana, junto con las permeabilidades relativas de cada ion, es reponsable de los aproximadamente -65 mV que pueden medirse a través de la membrana. Esta carga se denomina "potencial de reposo" de la membrana.
El potencial de membrana también puede calcularse con la ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz, que se encuentra abajo y cuya derivación puede verse aquí.
Donde,
Vm, voltaje transmembrana o potencial de reposo
K+, ion potasio
Na+, ion sodio
Cl-, ion cloro
PX, permeabilidad de la membrana al ion (potasio, sodio o cloro)
[X]e, concentración del ion en el exterior celular
[X]i, concentración del ion en el interior celular