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Los potenciales de acción se producen cuando el potencial de membrana de una neurona pasa de negativo a positivo debido al flujo de iones Na+ y K+. Las etapas de un potencial de acción pueden describirse como despolarización, repolarización e hiperpolarización.
El potencial de membrana de una neurona describe la diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior de la célula. Este potencial eléctrico se ve influido por la presencia de más o menos iones a ambos lados de la célula.
Modelo estímulo-respuesta en el potencial de acción
En primer lugar, recapitulemos rápidamente cómo viaja un impulso nervioso para producir una respuesta en las células efectoras. Para describirlo se puede utilizar un modelo de estímulo-respuesta.
Un estímulo describe un cambio detectable en el entorno interno o externo, como el calor, la presión y el sonido. Las células efectoras producen la respuesta al estímulo, como los músculos y las glándulas.
- Un receptor detecta un estímulo.
- Si el estímulo supera un determinado umbral, el receptor transforma el estímulo en un impulso nervioso.
- El impulso nervioso viaja hasta el SNC.
- El SNC inicia una respuesta (de involuntaria a voluntaria) al estímulo, que se transmite a las células efectoras.
Ahora que conoces el proceso, utilicemos un ejemplo de respuesta a un estímulo.
Supongamos que es un caluroso día de verano. Los receptores que se encuentran en tu piel detectan este calor y enviarán señales a tu cerebro para iniciar una respuesta de enfriamiento. La reacción involuntaria a esto incluye la sudoración, que se produce cuando tus arterias se dilatan (vasodilatación) para aumentar la velocidad de evaporación del agua de tu piel. La respuesta voluntaria incluye ponerte a la sombra o sentarte junto a un aparato de aire acondicionado moviendo conscientemente los músculos.
Pasos para generar un potencial de acción
Los potenciales de acción describen el cambio de potencial de membrana negativo a positivo. Para que se produzca este cambio, el estímulo debe superar el valor umbral, que suele oscilar entre -50 y -55 mV. En consecuencia, los potenciales de acción siguen el principio de todo o nada, según el cual sólo se genera un potencial de acción cuando se alcanza el valor umbral. Si el estímulo alcanza un valor inferior a este umbral, no se genera un potencial de acción.
El potencial umbral es un valor específico que debe alcanzarse o superarse para producir un potencial de acción. Este valor suele estar en el intervalo de -50 a -55 mV.
Después de que los neurotransmisores se hayan difundido a través de la hendidura sináptica y se hayan unido a los receptores de la membrana postsináptica, el potencial de acción continúa en la neurona siguiente (la que recibe/se une a los neurotransmisores). Sin embargo, las señales de un solo potencial de acción no suelen ser suficientes. Es necesaria la suma de varios potenciales de acción entrantes, lo que se conoce como sumación.
Dos tipos de sumación pueden provocar la despolarización de la neurona vecina:
- Sumación espacial: varias neuronas presinápticas proporcionan señales a una neurona postsináptica.
- Sumacióntemporal: una sola neurona presináptica proporciona señales en rápida sucesión a una neurona postsináptica.
Etapas de un potencial de acción
Un potencial de acción consta de cuatro etapas principales:
- Despolarización: el potencial de membrana se eleva rápidamente a unos +40 mV. Esto hace que se abran en la membrana los canales de sodio activados por voltaje y que entren en la célula iones de sodio (Na+).
- Repolarización: cuando la diferencia de potencial alcanza los +40 mV, los canales de sodio activados por voltaje se cierran y se abren los canales de iones de potasio. Esta reacción provoca un gran eflujo de iones de potasio (K+) fuera de la célula, reduciendo el potencial de membrana.
- Hiperpolarización: el eflujo de K+ provoca un rebasamiento de la diferencia de potencial, haciendo que el potencial de membrana sea más negativo que el estado de reposo, que es de unos -75 mV.
- Estado dereposo: la neurona vuelve a su potencial de membrana de reposo, en el que no se genera ningún potencial de acción. Este valor está en torno a -70 mV.
Los potenciales de acción pueden generarse tanto en las neuronas como en el músculo esquelético. La diferencia es que el potencial de membrana en el músculo esquelético es más negativo debido a un mayor gradiente de K+ y Cl- y a una mayor permeabilidad de la membrana al Cl-. Por lo demás, el diagrama del potencial de acción es similar al de una neurona.
Periodo refractario
Durante la hiperpolarización, se produce un periodo refractario en el que no puede generarse ningún potencial de acción. Esto ocurre debido al retardo en el cierre de los canales de iones de potasio y a las propiedades de inactivación de los canales de sodio activados por voltaje. De este modo, se limita el número de potenciales de acción.
Esto es importante porque los iones de sodio se difunden en una dirección a lo largo de la neurona para despolarizar la región siguiente. Esto permite una transmisión discreta y unidireccional del potencial de acción.
Existen dos tipos de periodos refractarios:
- Periodo refractario absoluto: este periodo se produce durante la despolarización y la repolarización. Durante estas fases no pueden generarse nuevos potenciales de acción porque los canales de sodio están inactivos.
- Periodorefractario relativo: este periodo se produce durante la hiperpolarización. Puede iniciarse un segundo potencial de acción; sin embargo, se requiere un estímulo mayor, es decir, un valor umbral más alto.
El potencial de reposo y la bomba de sodio-potasio
El potencial de reposo describe la diferencia de concentraciones iónicas de Na+ y K+ a ambos lados de la membrana de la neurona cuando no se genera ningún potencial de acción. Este potencial suele ser de -70 mV, por lo que cuando la neurona está en "reposo", el interior es más negativo que el exterior. Esto ocurre porque la membrana de la neurona es naturalmente más permeable al K+ debido a los canales de K+ más abiertos que permiten la fuga de K+ fuera de la neurona más rápidamente de lo que el Na+ puede entrar en ella.
Este potencial de reposo también se mantiene gracias a la bomba Na+/K+ ATPasa. Esta proteína transmembrana utiliza el transporte activo para bombear 3 iones de Na+ fuera de la neurona por cada 2 iones de K+ bombeados a la neurona. Como se mantienen más cationes fuera de la neurona, se mantiene un potencial de reposo negativo. No te engañes pensando que la neurona está simplemente "en reposo" cuando se encuentra en su potencial de reposo. La neurona sigue estando muy activa debido a la actividad de labomba Na+/K+ ATPasa, que es un proceso muy activo, ¡ya que requiere ATP !
La bomba Na+/K+ ATPasaes una proteína transmembrana que utiliza el transporte activo para bombear 3 Na+ fuera de la neurona por cada 2 K+ bombeados a la neurona .
La generación de un potencial de acción cardiaco
En las neuronas, los potenciales de acción se generan a través de la actividad nerviosa. Sin embargo, las células cardiacas son ligeramente diferentes porque tienen células especializadas que generan potenciales de acción ¡sin estímulo! Estas células especializadas se denominan células marcapasos, y los potenciales de acción que generan se propagan a otras células cardiacas para permitir que el corazón se contraiga.
Las células marcapasos se encuentran en:
- El nódulo sinoauricular (SAN)
- El nódulo auriculoventricular (NAV)
El SAN es la ubicación principal de las células marcapasos. A diferencia de los potenciales de acción neuronales, caracterizados por el movimiento del Na+, las células marcapasos del RAS utilizan Ca2+ para generar potenciales de acción. Por otra parte, las células situadas en el NVA se describen como células marcapasos secundarias, ya que se utilizan en caso de fallo del RAS.
Tipos de transmisión de los potenciales de acción
La propagación de los potenciales de acción a través de un axón puede producirse de dos formas:
- Conducción continua
- Conducción saltatoria
La conducción continua se produce en los axones no mielinizados, mientras que la conducción salatoria se produce en los axones mielinizados.
Conducción continua
En los axones no mielinizados, el potencial de acción se desplaza por toda la longitud del axón en conducción continua. Se trata de un mecanismo más lento que requiere más energía, ya que emplea un mayor número de canales iónicos para cambiar el estado de reposo de la neurona. ¡Estos canales iónicos tardan en abrirse y cerrarse!
Conducción saltatoria
Los lugares en los que las células de Schwann están ausentes en los axones mielinizados se conocen como Nodos de Ranvier. La presencia de estos nodos permite que el potencial de acción "salte" de un nodo a otro. Como resultado de esta mielinización, la propagación de los potenciales de acción es más rápida, ya que se necesitan menos canales iónicos.
Potencial de acción - Puntos clave
- Los potenciales de acción se producen cuando el potencial de membrana de una neurona pasa de negativo a positivo debido al flujo de iones en respuesta a un estímulo.
- Un potencial de acción sólo se genera cuando el estímulo supera el valor umbral de -50 a -50 mV.
- Las etapas de un potencial de acción incluyen: despolarización, repolarización, hiperpolarización y estado de reposo.
- Los periodos refractarios (absolutos y relativos) permiten una transmisión discreta y unidireccional del potencial de acción.
- Los potenciales de acción cardíacos son generados por células marcapasos situadas en la RAS y la RVA. Estas células no necesitan un estímulo para generar un potencial de acción.
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