Potencial de membrana y potencial de acción, Universidad de Sevilla

Departamento de Fisiología Médica y Biofísica

Universidad De Sevilla
Asignatura: Fisiología General
Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte
Curso 2024-2025.
ryerbes@us.es

Potencial de membrana y potencial de acción

Potencial de membrana: Concepto

Bases iónicas del potencial de membrana en reposo
Excitabilidad celular
Potencial de acción: conducción
Fases del potencial de acción
Bases iónicas del potencial de acción
Características funcionales del potencial de acción
Conducción del impulso nervioso

Potencial de membrana y potencial de acción: conducción

Potencial de membrana en reposo: concepto y medida

Gradientes electroquímicos
Bases iónicas del potencial de membrana
Composición iónica de los líquidos intra y extracelulares
Potencial de difusión
Potencial de equilibrio: Ecuación de Nernst
Potencial de membrana en reposo: Ecuación de Goldman
Fenómenos eléctricos en las células excitables y no excitables
Despolarización e hiperpolarización
Potenciales locales

Potenciales de acción: Concepto y fases

Células excitables: la neurona como modelo
Bases iónicas del potencial de acción
Cambios en las permeabilidades de los iones sodio y potasio

Características funcionales del potencial de acción

Principio del todo o nada
Períodos refractarios

Conducción del potencial de acción

Tipos de axones y modo de conducción: continua y saltatoria
Factores que influyen sobre la velocidad de conducción

Potencial de membrana: concepto

SID
D
E
u
SEVILLA

EXTRACELLULAR
FLUID
Na+
142 mEq/L
K+
4 mEq/L
Ca++
2.4 mEq/L
Mg+-
1.2 mEa/L
CI-
103 mEq/L
HCO3
28 mEq/L
Phosphates-
4 mEq/L
SOZ
1 mEq/L
Glucose
90 mg/dl
Amino acids
30 mg/dl
Cholesterol
Phospholipids
0.5 g/dl
Neutral fat
PO2
35 mm Hg
PCO2
46 mm Hg
pH
7.4
Proteins
2 g/dl
(5 mEq/L)

INTRACELLULAR
FLUID
10 mEa/l
140 mEq/L
0.0001 mEq/L
58 mEq/L
4 mEq/L
10 mEq/L
75 mEq/L
2 mEq/L
0 to 20 mg/dl
200 mg/dl ?
2 to 95 g/dl
20 mm Hg ?
50 mm Hg ?
7.0
- 16 g/dl
(40 mEq/L)

Diferencia de carga eléctrica o
diferencia de potencial entre el
interior y el exterior celular.
El interior tiene carga negativa
respecto al exterior.
Depende de la permeabilidad de
cada ion en reposo.
Cercano al potencial de equilibrio
de K+ y Cl-
valores: entre -65 mV y -85 mV
tomado de Tratado de Fisiología Médica, Guyton y Hall 13 ed
Fuente: Guyton y Hall, Fisiología Médica. 13 ed.

Concepto de gradiente electroquímico

membrana
Gradiente químico (concentración):
Las moléculas tienen tendencia a pasar desde
el lado de mayor concentración al de menor
concentración.

+
-
+
+
-
+ +
-
-
-
-
-
-
Gradiente eléctrico:
El interior celular es negativo, por lo que las
moléculas cargadas positivamente tendrán más
tendencia a pasar al interior celular.

Potencial de membrana: medición

voltímetro
0
+
KCI~
electrodo indiferente
+++++ ++ + + + +
+ + + + +
Electrodo de
plata-cloruro
de plata
C
(-90
++++ + + + + + mV)+ + + ++ + + +

• El interior de la célula tiene carga negativa respecto al exterior.
• El gradiente eléctrico entre el interior y el exterior celular se conoce como
  diferencia de potencial de membrana de reposo.
• Los valores oscilan entre -50 mV y -85 mV en condiciones de reposo

Establecimiento del equilibrio en una membrana de
permeabilidad selectiva. Potencial de difusión

El potencial de difusión es la diferencia de
potencial generada a través de una
membrana cuando un ion se difunde a favor
de gradiente. Sólo si la membrana es
permeable al ion.

Acumulación neta de carga
positiva en el exterior
y
negativa en el interior: retraso
del movimiento de K+
movimiento neto de K+
a favor de gradiente
Tomado de Neurociencia: Explorando el cerebro.
Bears, Connors y Paradiso. Ed. Masson, 1998.

EQUILIBRIO

• no hay movimiento neto de iones
• queda una diferencia de carga a
  ambos lados

Generación de potencial de equilibrio: gradiente electroquímico

Medio
extracelular
Medio
intracelular

Generación de potencial de equilibrio: gradiente electroquímico

Medio
extracelular
[K+]
Medio
intracelular
[K+]

Generación de potencial de equilibrio: gradiente electroquímico

Medio
O
extracelular
[K+]
Medio
intracelular
[K+]

Generación de potencial de equilibrio: gradiente electroquímico

Medio
Medio
intracelular
extracelular
[K+]
[K+]
+
-

Generación de potencial de equilibrio: gradiente electroquímico

Medio
extracelular
[K+]
Medio
intracelular
[K+]
Gradiente químico = Gradiente eléctrico

Ecuación de Nernst

Ecq= Ei - Ee = Ex
RT
zF
l
n
[X]
[X]i
Eeq = potencial de equilibrio
Ei - Ee= diferencia de potencial entre el lado
interno y externo
Ex = potencial potencial de equilibrio
electroquímico del ion entre ambos lados de la
membrana.
T = Temperatura
Z = Valencia
F = constante de . araday
[X]e = Concentración externa
[X]i = Concentración interna
R = constante de Bolztmann

Ecuación de Nernst

Eeg= Ei - Ee = Ex
RT
ZF
l
n
X
[X]
Eeq = potencial de equilibrio
Ei - Ee= diferencia de potencial entre el lado
interno y externo
Ex = potencial potencial de equilibrio
electroquímico del ion entre ambos lados de la
membrana.
T = Temperatura
Z = Valencia del ion
F = constante de Faraday
[X]e = Concentración externa
[X]i = Concentración interna
R = constante de Bolztmann

Potencial de equilibrio K+

O
Medio
extracelular
[K+] = 5 mEq / L
Medio
intracelular
O[K+] = 150
mEq /L

Potencial de equilibrio K+

Medio
extracelular
O
[K+] = 5 mEq / L
Medio
intracelular
Eeg = -
eq
RT
zF
In
X]
e
O[K+] = 150
mEq /L

Potencial de equilibrio K+

Medio
extracelular
[K+] = 5 mEq / L
Medio
intracelular
O[K+] = 150
mEq /L
Eed =
eq
RT
zF
[X]e
In
I
T = 37°℃
Eeq = - 61 mV In
[K+]e
[K+]
= - 90 mV

Potencial de Difusión o Equilibrio

Potencial de Nernst

El nivel de potencial a través de la membrana que se opone exactamente a la difusión neta de
un ión específico a través de la membrana se denomina potencial de Nernst para ese ión.
Sería el potencial de membrana que equilibraría exactamente el gradiente de concentración e
impediría el movimiento neto de un ión.

Ecuación de Nernst

(para una temperatura de 37 °C)
61
E = -
log
[X]
Z
[X ]
donde
Ex = potencial de equilibrio en milivoltios (mV) para
X
ion x
entración del ion en el exterior de la célula
e
X = concentración del ion en el interior de la célula
z = valencia del ion (+1 para Na+ o K+)
ENa+ = +65 mV
ECa++=+120 mV
EK+ =- 85 mV
ECl- = -90 mV

Generación del potencial de membrana: múltiples iones

Medio
extracelular
Medio
intracelular
[K+
10
[Na+
]
[Ca2+
]
[C]-
]
[K+
]
[Na+
]
[Ca2+
10
[C]-
10

Ecuación de Goldman

V
m
RT
zF
l
n
PKK+ i+ PNa Na+ i
PK[K+]e + PNa | Na+]e
+Pa[C]-]i
En la ecuación de Goldman se introduce concepto de
Permeabilidad (Px) diferente para bada ion.
Las permeabilidades de la membrana para cada ion son:
Pk : Pna : Pci 1 : 0,04 : 0,05

Potencial de membrana Vm

Exterior
Interior
Eion (T=37℃)
[K+]e = 5 mM
[K+]i = 150 mM
-80mV
[Na+]e = 145 mM
[Na+]i = 12 mM
62mV
[Cl-]e = 103 mM
[Cl-]i = 4 mM
-65mV
Pk > Pa > PNa
1 : 0,05 : 0,04

Potencial de membrana Vm

Exterior
Interior
Eion (T=37℃)
[K+]e = 5 mM
[K+]i = 150 mM
-80mV< />[Na+]e = 145 mM
[Na+]i = 12 mM
62mV< />[Cl-]e = 103 mM
[Cl-]i = 4 mM
-65mV< />Vm =
zF
RT
P&[K+]e + PNa [Na+]e +PcI[CI-];
In
P&[K+] + PNa [Na+]: +Pc[CI-]e
1 (5) + 0,04 [145)+ 0,04 (4)
Vm = 61mV log
= - 84 mV
1 (150) + 0,04 (12)+ 0,04 (103)

Nernst vs Goldman

Eeq =
RT
zF
In
[X]e
[X]
Vm=
In
P&[K+]e + PNa [Na+]e +Pc.[CI-];
RT
zF
P&[K+]i+ PNa [Na+]: +Pc[CI-]e

Nernst vs Goldman

Eeq =
RT
zF
In
[X]
[X]
Vm=
In
P&[K+]e + PNa [Na+]e +Pc.[CI-];
RT
zF
P&[K+] + PNa [Na+]: +Pc.[CI-]e

• Depende de
  concentraciones
  exterior [X]e e
  interior [X]i
• Depende de
  concentraciones
  exterior [X]e e
  interior
  IXi
• Depende de la
  permeabilidad (P)
  de membrana al ion

Origen del potencial de reposo de la membrana

Exterior
3Na+
4
2K+
Filtro de
selectividad
K+
3Na+
Na+
K+
ATP
ADP
2K+
Bomba Na+-K+
Canales de
«fuga» K+
Fuente: Guyton y Hall, Fisiología Médica. 13 ed.
La salida de potasio a través del canal de escape de potasio es la principal contribución al potencial de
reposo de la membrana, debido a que es el ión más permeable, siendo 100 veces más permeable que el sodio.
La bomba de sodio-potasio es electrogénica y supone una pérdida continua de cargas positivas del interior
celular colaborando, aunque minoritariamente, al potencial de reposo (-4 mV).

Canales de Escape (pasivos)

• Mantienen el potencial de
  membrana -70m V
  Filtro de
  K+
  selectividad
• Abiertos todo el tiempo
• El mejor conocido es el canal
  de escape de K+
• Transporta K+ fuera de la
  célula
• Incrementa
  la
  negatividad
  intracelular
• El gradiente de K+ está creado
  por la bomba de Na+-K+
• Generación del potencial de
  acción
  Na+
  K+
  Canales de
  «fuga» K+
  Fuente: Guyton y Hall, Fisiología Médica. 13 ed.

Variaciones del potencial de reposo

• Producido por cambios en la permeabilidad de iones Na+ y K+
• Mediado por canales iónicos que responden a ligandos o cambios de voltaje
• El tiempo de apertura/cierre de los canales es variable
  Membrane potential
  in millivolts (mV)
  Salida de iones +
  -60
  Restipa membrane potential
  -70
  -80
  0
  10
  Time in milliseconds (msec)
  Hyperpolarizing graded potential
  Figure 12-13a Principles of Anatomy and Physiology, 11/e
  @ 2006 John Wiley & Sons
  Membrane potential
  in millivolts (mV)
  -60
  -70
  Resting membrane potential
  -80
  0
  10
  Time in milliseconds (msec)
  Depolarizing graded potential
  Figure 12-13b Principles of Anatomy and Physiology, 11/e
  @ 2006 John Wiley & Sons
  HIPERPOLARIZACIÓN
  DESPOLARIZACIÓ
  N
  Entrada de iones +

Fenómenos eléctricos celulares

70
mV
0
Umbra
-D
l
-
-70
-
-
D
P
mV
-
Despolarización
-
Hiperpolarización
Potenciales
locales

• Células no
  excitables
• Células excitables
  Potenciales de acción
• Células excitables

La neurona como célula excitable tipo

Potencial de acción

Un potencial de acción es
un cambio rápido en el
potencial de reposo de la
membrana
(DESPOLARIZACIÓN)
que se propaga por la
misma
(a) Multipolar
interneurons
(b) Motor
neuron
(c) Sensory
neuron
Dendrite
Dendrite
Receptor
cell
Peripheral
branch
Axon
hillock
Cell
body
Cell
body
Axon
Axon
Node of
Ranvier
-
Cell
body
D
-Axon
-Axon
Axon
Myelin
sheath
Central
branch
Neuron-muscle
synapse
Axon
terminals
Muscle
Axon
terminals
Tomado de Lodish et al. Molecular Cell Biology, 4th ed.