¿Cómo puede una neurona mantener condiciones diferentes en su interior y en el medio que la rodea, y por qué esta capacidad es indispensable para su funcionamiento?
LECTURA
Introducción
En la unidad anterior conocimos las neuronas y su papel en el funcionamiento del sistema nervioso. Descubrimos que son células especializadas que pueden recibir, procesar y transmitir señales, y que su actividad está estrechamente relacionada con la de otras células.
Pero ¿qué hace posible que una neurona genere señales eléctricas? Para responder a esta pregunta, debemos comenzar por estudiar una estructura que todas las células poseen: la membrana plasmática.
A primera vista, podríamos imaginar la membrana como una envoltura que separa el interior de la célula del medio que la rodea. Sin embargo, esta imagen resulta incompleta. La membrana no es una barrera impermeable ni una estructura pasiva. Es un sistema molecular dinámico que regula el intercambio de sustancias y participa activamente en el mantenimiento de las condiciones necesarias para la vida celular.
Una de sus propiedades más importantes es la permeabilidad selectiva: algunas sustancias pueden atravesarla con relativa facilidad, mientras que otras encuentran dificultades o necesitan mecanismos especializados de transporte.
Esta propiedad permite que la composición del medio intracelular sea diferente de la del medio extracelular. Por ejemplo, en una neurona típica, la concentración de potasio es considerablemente mayor en el interior, mientras que la concentración de sodio suele ser mayor en el exterior.
Estas diferencias no aparecen por casualidad ni se mantienen indefinidamente por sí solas. Son el resultado de procesos físicos y biológicos en los que intervienen el movimiento de las partículas, las propiedades de la membrana y la actividad de proteínas especializadas que transportan determinadas sustancias.
Para comprender estos procesos, tendremos que examinar la estructura molecular de la membrana y estudiar algunos principios fundamentales del transporte de materia.
Al finalizar la unidad, habremos establecido los fundamentos necesarios para abordar una de las propiedades más importantes de las neuronas: la existencia de una diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior de su membrana.
SECCIÓN 1
1. La membrana como frontera celular
Todas las células necesitan mantener unas condiciones internas compatibles con su funcionamiento. Para ello, deben intercambiar materia y energía con su entorno y, al mismo tiempo, regular ese intercambio.
La membrana plasmática desempeña un papel fundamental en estos procesos. Delimita el espacio intracelular, separándolo del medio extracelular, y controla el paso de numerosas sustancias entre ambos.
Sin embargo, no es una simple frontera geométrica. Sus propiedades dependen de las moléculas que la constituyen y de las interacciones físicas que se establecen entre ellas y el medio acuoso.
1.1. Los fosfolípidos
Los componentes estructurales fundamentales de la membrana son los lípidos, entre los que destacan los fosfolípidos.
Un fosfolípido es una molécula que posee dos regiones con propiedades diferentes. Una de ellas tiene afinidad por el agua y se denomina hidrofílica; la otra interacciona desfavorablemente con el agua y se denomina hidrofóbica.
En los fosfolípidos habituales de las membranas, la región hidrofílica contiene un grupo polar, mientras que la región hidrofóbica está formada por dos cadenas de ácidos grasos.
Esta combinación de propiedades recibe el nombre de carácter anfipático.
Cuando un número suficientemente grande de estas moléculas se encuentra en un medio acuoso, sus interacciones con el agua favorecen determinadas organizaciones colectivas. Una de ellas es la formación de una bicapa lipídica.
En esta estructura, los grupos hidrofílicos quedan orientados hacia el agua, mientras que las cadenas hidrofóbicas se disponen hacia el interior de la bicapa, donde quedan relativamente protegidas del contacto con el medio acuoso.
La bicapa no se forma porque las moléculas dispongan de algún mecanismo que las coloque deliberadamente en una posición determinada. Su organización surge de las interacciones moleculares y de la tendencia del sistema a alcanzar configuraciones termodinámicamente favorables.
Esta observación ilustra un principio que encontraremos repetidamente en las neurociencias: algunas estructuras biológicas pueden surgir de las propiedades físicas de sus componentes, sin que sea necesario un mecanismo que dirija individualmente la posición de cada molécula.
1.2. Una estructura dinámica
La membrana plasmática no es una lámina sólida ni una estructura rígida. En condiciones fisiológicas, muchos de sus lípidos pueden desplazarse lateralmente dentro de la misma capa y experimentar movimientos de rotación.
En cambio, el paso espontáneo de un fosfolípido de una capa a la otra es mucho menos frecuente, aunque existen proteínas que facilitan este proceso.
La movilidad de los componentes depende de diversos factores, como la temperatura, la composición de los ácidos grasos y la presencia de otras moléculas, entre ellas el colesterol en las membranas de las células animales.
Por tanto, la estructura de la membrana combina organización y movilidad. Esta característica resulta fundamental para procesos como el transporte de sustancias, la comunicación celular y la reorganización de las proteínas de membrana.
SECCIÓN 2
2. Las proteínas y la organización molecular de la membrana
La bicapa lipídica constituye la base estructural de la membrana, pero no puede explicar por sí sola todas sus funciones.
En ella se encuentran numerosas proteínas que participan en el transporte de sustancias, el reconocimiento de señales químicas, la adhesión celular y la comunicación con el entorno.
Algunas proteínas atraviesan la bicapa completamente; otras se encuentran insertadas parcialmente o asociadas a una de sus superficies.
Las primeras pertenecen al grupo de las proteínas integrales de membrana, mientras que las proteínas periféricas se asocian a su superficie mediante distintas interacciones moleculares.
Esta organización forma parte del denominado modelo de mosaico fluido, que representa la membrana como una estructura lipídica dinámica en la que se distribuyen diferentes proteínas.
El modelo ha sido perfeccionado con el tiempo. Hoy sabemos que la movilidad de los componentes puede estar restringida por sus interacciones con otras moléculas, con el citoesqueleto y con estructuras presentes en el medio extracelular.
No todas las regiones de una membrana poseen exactamente la misma composición ni todas sus proteínas se distribuyen de manera uniforme.
Esta organización heterogénea adquiere especial importancia en las neuronas, cuyas distintas regiones —dendritas, cuerpo celular y axón— desempeñan funciones diferentes.
2.1. La permeabilidad selectiva
Una de las consecuencias más importantes de la estructura molecular de la membrana es que las sustancias no pueden atravesarla con la misma facilidad.
Las moléculas pequeñas y no polares, como el oxígeno y el dióxido de carbono, pueden difundirse a través de la bicapa lipídica con relativa facilidad.
En cambio, las partículas con carga eléctrica, como los iones de sodio y potasio, encuentran una barrera energética considerable al intentar atravesar su región hidrofóbica.
Otras sustancias, como la glucosa, también necesitan habitualmente mecanismos especializados para cruzar la membrana a una velocidad suficiente.
El agua puede atravesar la bicapa, pero en muchas células una parte importante de su transporte ocurre mediante proteínas especializadas llamadas acuaporinas.
Por tanto, la membrana permite el paso de determinadas sustancias, dificulta el de otras y dispone de mecanismos que regulan selectivamente su transporte.
Esta propiedad es esencial para que una célula pueda mantener una composición interna diferente de la del medio que la rodea.
SECCIÓN 3
3. El movimiento de las partículas y la difusión
Para comprender el transporte de sustancias a través de las membranas, debemos examinar primero qué sucede cuando las partículas se encuentran en movimiento.
Imaginemos un recipiente con agua en el que depositamos una pequeña cantidad de una sustancia soluble, como una gota de colorante.
Inicialmente, las moléculas del colorante se encuentran concentradas en una región relativamente pequeña. Con el paso del tiempo, el colorante comienza a distribuirse por el agua hasta alcanzar una concentración aproximadamente uniforme.
¿Cómo se produce este fenómeno?
La explicación se encuentra en el movimiento térmico de las moléculas.
3.1. Movimiento térmico y comportamiento colectivo
Las moléculas de un líquido están en movimiento continuo e interaccionan constantemente con las moléculas que las rodean.
Estas interacciones producen cambios frecuentes en la dirección y la velocidad de su movimiento. En consecuencia, la trayectoria de una partícula puede ser muy irregular.
A escala microscópica, una molécula de colorante no se desplaza necesariamente desde la región más concentrada hacia la menos concentrada. Puede moverse en cualquier dirección, y su trayectoria está determinada por las interacciones que experimenta.
Sin embargo, cuando consideramos un conjunto muy grande de partículas, aparece un comportamiento colectivo bien definido.
Si una región contiene más partículas por unidad de volumen que otra, en condiciones comparables habrá, en promedio, más partículas que pasen desde la región más concentrada hacia la menos concentrada que en sentido contrario.
El resultado es un transporte neto de partículas en la dirección en la que disminuye la concentración.
Este fenómeno se denomina difusión.
Es importante distinguir el movimiento de una partícula individual del comportamiento estadístico de un conjunto de partículas. La difusión no requiere que cada molécula se desplace sistemáticamente hacia una región determinada.
La dirección del flujo neto surge de las propiedades estadísticas del sistema.
3.2. El gradiente de concentración
Para describir cuantitativamente la distribución de una sustancia, utilizamos el concepto de concentración, que expresa la cantidad de sustancia presente por unidad de volumen.
Cuando la concentración varía de una región a otra, decimos que existe un gradiente de concentración.
Cuanto mayor sea la variación espacial de la concentración, mayor será, en igualdad de las demás condiciones, el flujo difusivo neto.
En sistemas sencillos, esta relación puede describirse mediante la primera ley de Fick, que estudiaremos con mayor detalle en «El laboratorio del físico».
La difusión es un proceso pasivo: no requiere que la célula consuma directamente energía metabólica para impulsar cada partícula. El transporte neto ocurre como consecuencia de las diferencias de potencial químico, que, en una disolución ideal de un soluto neutro y a temperatura uniforme, están relacionadas con las diferencias de concentración.
Esta distinción será importante cuando estudiemos el transporte activo.
3.3. El equilibrio dinámico
Si las condiciones del sistema lo permiten y no existen procesos que mantengan una distribución desigual, la difusión tiende a reducir las diferencias de concentración.
Finalmente, puede alcanzarse una situación en la que la concentración sea uniforme y no exista un flujo difusivo neto.
Esta condición recibe el nombre de equilibrio dinámico.
La palabra dinámico es importante: las partículas no dejan de moverse cuando se alcanza el equilibrio.
Sus movimientos continúan, pero los transportes en direcciones opuestas se compensan estadísticamente.
En las células vivas, sin embargo, muchos procesos ocurren en condiciones que no corresponden al equilibrio termodinámico. El metabolismo y los mecanismos de transporte permiten mantener
diferencias de concentración que, en ausencia de esos procesos, tenderían a desaparecer.
En «El laboratorio del físico» profundizaremos en estos fenómenos mediante modelos que relacionan el movimiento aleatorio de las partículas con la evolución de la concentración. Su lectura es opcional y permite explorar progresivamente las herramientas matemáticas y las simulaciones utilizadas para describir la difusión.
Abrir el laboratorio del físico →3.4. La ósmosis
El agua también puede desplazarse a través de una membrana.
Cuando dos disoluciones con diferente concentración de solutos están separadas por una membrana permeable al agua, pero no a determinados solutos, puede producirse un flujo neto de agua.
Este fenómeno se conoce como ósmosis.
En condiciones sencillas, cuando no existen diferencias de presión que compensen el efecto osmótico, el agua tiende a desplazarse hacia el lado que presenta una mayor concentración efectiva de solutos que no pueden atravesar la membrana.
Este proceso puede modificar el volumen celular y, por tanto, influir en el funcionamiento de la célula.
Aunque la ósmosis no será uno de los temas centrales del curso, conviene conocerla porque muestra que la permeabilidad selectiva de la membrana tiene consecuencias que van más allá del transporte de iones.
AUTOEVALUACIÓN
Comprueba tu comprensión · Membrana y difusión
Estas preguntas no tienen calificación ni bloquean tu avance. Úsalas para comprobar tu comprensión y vuelve al texto si alguna respuesta te hace dudar.
SECCIÓN 4
4. Los canales iónicos y el transporte facilitado
Hasta ahora hemos estudiado el movimiento de partículas y las propiedades de la bicapa lipídica. Sin embargo, existe un problema fundamental: muchas de las sustancias que necesitan las células no pueden atravesar fácilmente la región hidrofóbica de la membrana.
Los iones constituyen un ejemplo especialmente importante para las neuronas.
Un ion es un átomo o un conjunto de átomos que posee una carga eléctrica neta. Entre los iones más relevantes para el funcionamiento neuronal se encuentran el sodio (Na⁺), el potasio (K⁺), el calcio (Ca²⁺) y el cloruro (Cl⁻).
Para permitir su transporte, las membranas poseen proteínas especializadas.
4.1. Los canales iónicos
Los canales iónicos son proteínas que forman vías de paso a través de la membrana. Cuando se encuentran en un estado conductor, permiten que determinados iones atraviesen la membrana de acuerdo con su gradiente electroquímico.
La selectividad de un canal depende de su estructura molecular y de las interacciones que establece con los iones.
Por ejemplo, ciertos canales permiten el paso preferente de potasio, mientras que otros presentan una elevada selectividad por el sodio o el calcio.
Esta selectividad no depende exclusivamente del tamaño de los iones. También intervienen su carga, sus interacciones con el agua y las propiedades químicas de las regiones que constituyen el canal.
Algunos canales permanecen abiertos durante períodos prolongados, mientras que otros cambian entre distintos estados de conducción.
Existen canales cuya apertura depende de cambios en el voltaje de la membrana, de la unión de determinadas moléculas o de estímulos mecánicos.
Estos mecanismos de regulación serán fundamentales cuando estudiemos la generación de señales eléctricas y la comunicación entre neuronas.
4.2. El transporte facilitado
No todas las proteínas encargadas del transporte funcionan como canales.
Algunas se unen a una sustancia determinada y experimentan cambios de conformación que permiten trasladarla de un lado al otro de la membrana.
Estas proteínas reciben el nombre de transportadores.
Cuando un transportador permite que una sustancia se desplace a favor de su gradiente electroquímico, sin un aporte energético adicional acoplado al transporte, hablamos de difusión facilitada.
La diferencia entre un canal y un transportador no es simplemente una cuestión de tamaño. Sus mecanismos moleculares son distintos: los canales proporcionan una vía conductora, mientras que los transportadores utilizan cambios conformacionales para trasladar sus sustratos.
En ambos casos, el transporte puede ser selectivo. Sin embargo, disponer de una proteína que facilite el paso de una sustancia no significa necesariamente que esa proteína pueda transportarla contra su gradiente electroquímico.
Para conseguir esto último es necesario un mecanismo de transporte activo.
SECCIÓN 5
5. El transporte activo y el mantenimiento de los gradientes
Si las membranas contienen canales y transportadores que permiten el paso de sustancias, surge una pregunta importante: ¿cómo pueden las células mantener diferencias de concentración durante períodos prolongados?
La respuesta es que las células utilizan mecanismos de transporte que pueden desplazar sustancias en contra de sus gradientes electroquímicos.
Estos mecanismos requieren energía y reciben el nombre de transporte activo.
En el transporte activo primario, la energía procede directamente de una fuente como la hidrólisis del ATP. En el transporte activo secundario, el movimiento de una sustancia aprovecha la energía almacenada en el gradiente electroquímico de otra.
El ATP, o trifosfato de adenosina, es una molécula que participa en numerosos procesos de transferencia de energía dentro de la célula.
Para comprender la importancia del transporte activo en las neuronas, examinaremos un mecanismo especialmente relevante: la bomba de sodio-potasio.
5.1. La bomba de sodio-potasio
La bomba de sodio-potasio, también conocida como Na⁺/K⁺-ATPasa, es una proteína de membrana que utiliza la energía procedente de la hidrólisis del ATP para transportar sodio y potasio en direcciones opuestas.
Durante un ciclo de funcionamiento, en condiciones habituales, la bomba expulsa tres iones de sodio del interior celular e introduce dos iones de potasio.
Este transporte se realiza mediante una secuencia de cambios conformacionales y reacciones químicas que modifican la afinidad de la proteína por los distintos iones.
La bomba contribuye a mantener una concentración elevada de potasio en el interior celular y una concentración elevada de sodio en el exterior.
Su actividad es indispensable para compensar los movimientos pasivos de estos iones y mantener los gradientes necesarios para numerosos procesos celulares.
Además, como transporta tres cargas positivas hacia el exterior por cada dos que introduce, genera una transferencia neta de una carga positiva hacia fuera de la célula por ciclo. Por esta razón, se dice que es una bomba electrogénica.
Sin embargo, no debemos confundir su contribución eléctrica directa con el conjunto de mecanismos que determinan el potencial de membrana. Este último depende también de las concentraciones iónicas y de la permeabilidad de la membrana a los distintos iones, como estudiaremos en la siguiente unidad.
5.2. Gradientes y consumo de energía
Mantener los gradientes iónicos tiene un costo energético.
La célula debe utilizar energía metabólica para compensar los transportes pasivos que tienden a modificar las diferencias de concentración.
Esto significa que una neurona en reposo no es una célula inactiva. Aunque no esté generando potenciales de acción, continúa consumiendo energía para mantener las condiciones que hacen posible su funcionamiento.
Desde el punto de vista termodinámico, la neurona es un sistema abierto, capaz de intercambiar materia y energía con su entorno y de mantener condiciones internas alejadas del equilibrio termodinámico.
Esta característica no es exclusiva de las neuronas: forma parte de la organización general de los sistemas vivos.
SECCIÓN 6
6. Los gradientes iónicos de la neurona
Podemos reunir ahora los conceptos estudiados para comprender una propiedad fundamental de las neuronas: las concentraciones de los distintos iones no son iguales en el interior y en el exterior celular.
En condiciones fisiológicas habituales, el potasio presenta una concentración mayor en el interior, mientras que el sodio y el calcio tienen concentraciones mayores en el exterior.
La distribución del cloruro es más variable y depende del tipo de célula, de su estado de desarrollo y de la actividad de determinados transportadores.
Estas diferencias de concentración son el resultado de la actividad coordinada de bombas, transportadores y canales, así como de otros procesos celulares.
La bomba de sodio-potasio desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de los gradientes de sodio y potasio. Los canales y transportadores determinan, por su parte, las vías disponibles para el movimiento de los distintos iones.
Es importante señalar que la célula no funciona como dos depósitos completamente aislados. Los iones pueden atravesar la membrana de manera continua y, al mismo tiempo, los mecanismos activos contribuyen a mantener unas condiciones relativamente estables.
En estas circunstancias, hablamos de un estado estacionario: las concentraciones pueden permanecer aproximadamente constantes a escala macroscópica, aunque existan flujos de materia y consumo continuo de energía.
Un estado estacionario no es necesariamente un estado de equilibrio termodinámico.
6.1. La importancia de la carga eléctrica
Hasta ahora hemos explicado principalmente el transporte de sustancias a partir de las diferencias de concentración. Pero los iones poseen una característica adicional: tienen carga eléctrica.
Por consiguiente, su movimiento no depende únicamente de las diferencias de concentración, sino también de las fuerzas eléctricas que actúan sobre ellos.
La combinación de ambos efectos constituye el gradiente electroquímico.
Cuando una membrana es selectivamente permeable a determinados iones, sus movimientos pueden producir una separación de carga y, como consecuencia, una diferencia de potencial eléctrico entre ambos lados.
Aquí encontramos la conexión entre la estructura molecular de la membrana, los procesos de transporte y las propiedades eléctricas de las neuronas.
Para comprender cuantitativamente esta relación, necesitaremos introducir el concepto de potencial electroquímico, estudiar las condiciones de equilibrio de un ion y analizar cómo intervienen
simultáneamente varias especies iónicas.
Estos serán los temas centrales de la siguiente unidad.
La sección final de «El laboratorio del físico» examina los límites del modelo de difusión y muestra por qué debemos incorporar las fuerzas eléctricas y la permeabilidad selectiva para estudiar el transporte de iones a través de la membrana neuronal.
Abrir la sección correspondiente del laboratorio →AUTOEVALUACIÓN
Comprueba tu comprensión · Transporte y gradientes
Estas preguntas no tienen calificación ni bloquean tu avance. Úsalas para comprobar tu comprensión y vuelve al texto si alguna respuesta te hace dudar.
SÍNTESIS
Ideas fundamentales
La membrana neuronal es una estructura molecular dinámica cuya función no se limita a separar el interior y el exterior de la célula. Su organización permite regular el transporte de sustancias y mantener las condiciones necesarias para el funcionamiento neuronal.
La bicapa lipídica surge de las propiedades anfipáticas de sus componentes. Las proteínas de membrana proporcionan mecanismos especializados para el transporte de sustancias que no atraviesan fácilmente la bicapa.
La difusión es un fenómeno colectivo que surge del movimiento térmico de las partículas. Las diferencias de concentración pueden producir un transporte neto sin que exista una dirección preferente en el movimiento de cada partícula individual.
Los mecanismos de transporte activo utilizan energía para desplazar sustancias en contra de sus gradientes electroquímicos. La bomba de sodio-potasio contribuye de manera fundamental al mantenimiento de las diferencias de concentración entre el interior y el exterior celular.
Finalmente, los gradientes iónicos y la permeabilidad selectiva de la membrana constituyen las condiciones necesarias para comprender el origen del potencial de membrana y los mecanismos que permiten a las neuronas generar señales eléctricas.
PARA PENSAR
Preguntas para seguir pensando
Estas preguntas pueden utilizarse para reflexionar sobre el contenido de la unidad y participar en el foro del Club.
1. Si las partículas de una sustancia se encuentran en movimiento continuo, ¿por qué podemos observar que su concentración permanece constante cuando se alcanza el equilibrio?
2. ¿Qué sucedería con la distribución de los iones si una célula dejara de disponer de energía para mantener sus mecanismos de transporte activo?
3. ¿Por qué la presencia de canales iónicos no implica necesariamente que desaparezcan los gradientes de concentración?
4. ¿Puede un sistema mantener condiciones internas relativamente constantes y, al mismo tiempo, encontrarse fuera del equilibrio termodinámico?
5. Si los iones poseen carga eléctrica, ¿podría una diferencia de potencial oponerse a su movimiento por difusión y llegar a compensarlo?
La última pregunta nos conducirá directamente al estudio del potencial de membrana.
REFERENCIAS
Bibliografía
Textos de referencia
Kandel, E. R., Koester, J. D., Mack, S. H. y Siegelbaum, S. A. (eds.). Principles of Neural Science, 6.ª edición. McGraw Hill, 2021.
Purves, D., Augustine, G. J., Fitzpatrick, D., et al. (eds.). Neuroscience, 2.ª edición. Sinauer Associates, 2001. Versión disponible en NCBI Bookshelf.
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. Molecular Biology of the Cell, 4.ª edición. Garland Science, 2002. Versión disponible en NCBI Bookshelf.
Lecturas complementarias
Singer, S. J. y Nicolson, G. L. (1972). The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science, 175(4023), 720-731. DOI: 10.1126/science.175.4023.720.
Nicolson, G. L. (2014). The Fluid—Mosaic Model of Membrane Structure: Still relevant to understanding the structure, function and dynamics of biological membranes after more than 40 years. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, 1838(6), 1451-1466. DOI: 10.1016/j.bbamem.2013.10.019.