A. Medición del flujo de iones y del potencial de membrana
Cuando los neurotransmisores se unen a sus receptores, se abren los canales iónicos en las células neuronales o musculares que responden. La afluencia resultante de iones de Na+ interrumpe el potencial de reposo de la célula objetivo. El efecto es sólo transitorio si el potencial de membrana permanece negativo. Sin embargo, si entran suficientes iones de Na+ en la célula, la membrana se despolariza. Si la célula experimenta una hiperpolarización, una inversión localizada de la polaridad normal de la membrana (digamos de -70 mV a +65mV o más) generará un potencial de acción. Este potencial de acción viajará como una corriente a lo largo de la membrana de la célula neural o muscular, desencadenando finalmente una respuesta fisiológica, por ejemplo, la excitación de la siguiente célula nerviosa en una vía neuronal o la contracción de la célula muscular. El dispositivo de patch-clamp detecta el flujo de iones específico y cualquier cambio resultante en la diferencia de potencial a través de la membrana. Los principios de la medición con patch-clamp se ilustran a continuación.
En el ejemplo anterior, al cerrar el interruptor de la fuente de alimentación se envía una carga eléctrica a la célula, abriendo un canal iónico con voltaje. En este caso, un sensor de potasio en el dispositivo detecta el flujo de iones K+ a través del canal y fuera de la célula. Al mismo tiempo, un voltímetro registra el cambio resultante en el potencial de membrana.
297 Un dispositivo de pinza de parche puede registrar el potencial de membrana y el flujo de iones
298 La pinza de parche mide el potencial de reposo y la despolarización
Además de los canales iónicos activados por voltaje, el dispositivo de pinza de parche puede medir el flujo de iones a través de canales iónicos activados por ligandos y canales iónicos activados mecánicamente.
Los primeros canales son puertas de iones receptores que se abren cuando se unen a una molécula efectora. Los canales iónicos mecánicamente activados detectan la presión física o el estrés que dan lugar a una deformación local de la membrana, abriendo el canal.
299 Canales iónicos activados
300 Tipos de canales iónicos activados-ilustrados
Por último, las células mantienen una alta concentración intracelular de iones K+, lo que hace que los iones K+ se escapen lentamente de la célula, un fenómeno detectable mediante una pinza de parche. La presencia de iones negativos (cliones, iones orgánicos) en el interior de una célula limita la fuga. Esto crea el interior electronegativo de una célula en relación con el exterior de la misma, es decir, el potencial de reposo a través de su membrana plasmática. La técnica de patch-clamp se ha utilizado para correlacionar el flujo de iones y los cambios en el potencial de membrana cuando una neurona se dispara, provocando un potencial de acción en una célula que responde.
Dicha correlación se describe en la página siguiente. En la ilustración, siga la apertura y el cierre de los canales iónicos y el flujo de iones. Un potencial de acción (de hecho, cualquier cambio del potencial de reposo) es el resultado de la difusión facilitada de iones específicos dentro o fuera de la célula a través de canales iónicos cerrados (verde, arriba) que deben abrirse y cerrarse en secuencia. En el gráfico se ilustra el comportamiento de dos canales iónicos cerrados por voltaje diferentes. La estimulación eléctrica abre los canales de Na+. Los iones de Na+ se precipitan en la célula, reduciendo el potencial de membrana desde el estado de reposo a cero, o incluso haciendo que el citoplasma sea más positivo que el líquido extracelular. Si la inversión de la polaridad es lo suficientemente alta, se abre un canal de K+ voltagegado y los iones de potasio se precipitan al interior de la célula, restaurando el potencial de reposo de la misma.
Una célula puede seguir respondiendo a los estímulos con potenciales de acción mientras haya suficiente Na+ fuera de la célula y K+ dentro de la misma. Aunque el transporte activo de Na+ y K+ no es necesario para restablecer el potencial de reposo, con el tiempo será necesario para restaurar el equilibrio de los dos iones en la célula. Si una célula nerviosa o muscular se dispara varias veces (o incluso si sólo pierde iones), el interior de la célula y el exterior de la célula caerían hasta un punto en el que la célula no puede generar un potencial de acción cuando es estimulada. En última instancia, el papel de las bombas de Na+/K+ dependientes de ATP es restablecer el equilibrio adecuado de Na+:K+ en la membrana de la célula que responde. Como hemos visto, cada ciclo de bombeo intercambia 3 iones de Na+ del espacio intracelular por 2 iones de K+ del espacio extracelular. La bomba tiene dos efectos:
- Restaura las concentraciones de Na+ en el espacio extracelular en relación con el citoplasma.
- Restaura las concentraciones de K+ en el citoplasma en relación con el espacio extracelular.
301 Los canales iónicos cerrados se abren y cierran en orden durante un potencial de acción
Junto con las mayores concentraciones de iones negativos en el citosol, el intercambio desigual de iones Na+ por K+ mantiene el potencial de reposo de la célula a largo plazo y asegura que las células nerviosas y musculares sigan siendo excitables. A continuación, examinaremos con más detalle el papel de los canales iónicos ligados y los canales iónicos de voltaje en la neurotransmisión.
B. Canales iónicos en la neurotransmisión
Los potenciales de acción dan lugar a una apertura y un cierre ordenados y secuenciales de los canales activados por voltaje y por ligando a lo largo del axón neuronal. En el siguiente enlace, se puede ver el ciclo secuencial de los canales activados por voltaje que propaga un potencial de acción localizado (despolarización de la membrana) a lo largo de un axón hacia una sinapsis.
302 Propagación de un potencial de acción a lo largo de un axón
Cuando una despolarización propagada llega a una sinapsis, los canales iónicos activados se abren o se cierran en la neurona y en la célula que responde. A continuación se ilustra la cooperación de los canales activados por voltaje y ligando en una unión neuromuscular.
Como se puede ver en la ilustración, después de que una neurona se dispare, un impulso eléctrico (una región móvil de hiperpolarización) viaja por el axón hasta la terminación nerviosa. En la terminación del nervio, la diferencia de carga que se desplaza (potencial eléctrico) a través de la membrana celular estimula la apertura de un canal de voltaje específico de Ca++. Los iones de Ca++ fluyen entonces hacia la célula porque están en concentraciones más altas en la hendidura sináptica que en el citoplasma.
Los iones de Ca2+ en la célula hacen que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana en la terminación nerviosa, liberando neurotransmisores en la hendidura sináptica. A continuación, los neurotransmisores se unen a un receptor en la membrana plasmática de la célula que responde. Este receptor es un canal cerrado por un ligando (también llamado canal cerrado químicamente). Al unirse el ligando del neurotransmisor, el canal se abre. La rápida difusión de iones de Na+ en la célula crea un potencial de acción que conduce a la respuesta celular, en este caso, la contracción muscular. Ya hemos visto que los canales de K+ participan en el restablecimiento del potencial de membrana después de un potencial de acción, y el papel de la bomba de sodio/potasio en el restablecimiento del equilibrio celular Na+/K+.
303 El papel de los canales iónicos cerrados en la unión neuromuscular