9.1. Causas del potencial de membrana
La membrana de una célula en reposo no es eléctricamente neutra: su interior está cargado negativamente respecto al exterior. A esta diferencia de potencial entre ambos lados se le llama potencial de membrana (Vm). En las células excitables, cuando la célula no está siendo estimulada, hablamos específicamente de potencial de membrana en reposo.
Dos factores explican su existencia:
- Distribución asimétrica de iones. Las concentraciones iónicas a ambos lados de la membrana no son iguales. El Na⁺ es mucho más abundante en el líquido extracelular; el K⁺ lo es en el citosol. Los grandes aniones orgánicos (restos de aminoácidos, proteínas con carga negativa, denominados A⁻) están prácticamente confinados al interior celular y no pueden cruzar la membrana.
- Permeabilidad selectiva. La membrana no es igual de permeable a todos los iones. En reposo es muy permeable al K⁺, menos al Cl⁻, muy poco permeable al Na⁺ e impermeable a los grandes aniones.
La combinación de ambos factores es lo que genera y mantiene el Vm. Sin gradiente de concentración no habría fuerza motriz; sin permeabilidad selectiva los iones se redistribuirían hasta el equilibrio y desaparecería la diferencia de potencial.
Los valores de referencia son:
| Tipo celular | Vm en reposo | Rango |
|---|---|---|
| Neurona | −70 mV | −60 a −75 mV |
| Músculo esquelético | −90 mV | ≈ −90 mV |
| Músculo cardíaco | −90 mV | −85 a −95 mV |
9.1.1. Flujos iónicos: difusión y electricidad
Los iones no son solutos neutros. Además de estar sujetos a gradientes de concentración — y por tanto al flujo de difusión (Φc) descrito por la Ley de Fick — presentan carga eléctrica, lo que añade una segunda fuerza sobre ellos: el campo eléctrico.
Cuando existe una diferencia de potencial a ambos lados de la membrana, los iones con carga positiva tienden a moverse hacia el lado de menor potencial (el interior celular, que es negativo), mientras que los iones con carga negativa tienden a moverse en sentido contrario. El campo eléctrico siempre coincide con el gradiente de disminución del potencial eléctrico.
Este movimiento de cargas genera una corriente eléctrica (I): movimiento ordenado de cargas, expresado en amperios (C/s). La relación entre la diferencia de potencial (d.d.p.) y la corriente viene dada por la Ley de Ohm:
d.d.p. (V₁ − V₂) = I · R
Donde R es la resistencia al paso de corriente, que depende del conductor — en este caso, del canal iónico y sus propiedades.
El flujo eléctrico (Φv) de una especie iónica es proporcional a su permeabilidad, igual que el flujo de difusión:
Si D aumenta → P aumenta → Φc ∝ P y Φv ∝ P
Esto significa que cuanto más permeable es la membrana a un ión, mayor es tanto su flujo de difusión como su flujo eléctrico. Ambos flujos actúan simultáneamente y en general en sentidos opuestos: el gradiente de concentración empuja al ión en una dirección, el campo eléctrico puede empujarlo en la misma o en dirección contraria.
El flujo total de una especie iónica es la suma de ambos:
Φ_total = Φc + Φv
Esta es la base de la ecuación de Nernst-Planck, que describe el movimiento de iones bajo gradientes simultáneos de concentración y potencial. Cuando el flujo total es cero — es decir, cuando las dos fuerzas se compensan exactamente — el ión se encuentra en su potencial de equilibrio, que es precisamente lo que describe la ecuación de Nernst desarrollada en el apartado siguiente.
9.2. Ecuación de Nernst: el potencial de equilibrio de un ión
Cuando un ión puede cruzar la membrana, actúan sobre él dos fuerzas simultáneas:
- Fuerza de difusión: tiende a moverlo del lado de mayor concentración al de menor.
- Fuerza eléctrica: lo atrae o repele según su carga y el campo eléctrico existente.
El potencial de equilibrio (o potencial de Nernst, E_ión) es la diferencia de potencial exacta a la que estas dos fuerzas se anulan mutuamente para ese ión concreto: el flujo neto es cero, no porque el ión deje de moverse, sino porque los movimientos en ambas direcciones se compensan (equilibrio dinámico).
La ecuación de Nernst en condiciones fisiológicas (T = 37 °C) queda:
Donde μ es la valencia del ión (con su signo: +1 para cationes monovalentes, −1 para aniones monovalentes).
Aplicándola a los iones más relevantes con las concentraciones fisiológicas habituales:
| Ión | [Extracelular] mM | [Intracelular] mM | Eión (Nernst) | ¿En equilibrio en reposo? |
|---|---|---|---|---|
| Na⁺ | 145 | 15 | +60 mV | No |
| K⁺ | 5 | 150 | −90 mV | No |
| Cl⁻ | 125 | 9 | −70 mV | Sí |
| A⁻ (grandes aniones) | ≈ 0 | variable | — | No difusibles |
9.2.1. Cómo se genera físicamente la diferencia de potencial
Cuando el K⁺, arrastrado por su gradiente de concentración, tiende a salir de la célula, los grandes aniones A⁻ no pueden seguirlo porque la membrana es impermeable a ellos. Los grandes aniones A⁻, atraídos electrostáticamente por la carga positiva del K⁺ acumulado en la cara externa, se aproximan y quedan pegados a la cara interna de la membrana. No es un proceso pasivo: la diferencia de carga entre ambas caras es la fuerza que mantiene esta separación. Se forma así una doble capa de carga en la superficie de la membrana que es la responsable del campo eléctrico.
La cantidad de iones implicada es irrisoria (aproximadamente 1/100.000 de los iones del compartimento), lo que explica que la electroneutralidad global de los medios no se altere. Sin embargo, esta pequeña separación de cargas genera un campo eléctrico enorme dentro del delgado grosor de la membrana, lo suficiente para producir cambios conformacionales en las proteínas canal voltaje-dependientes ante variaciones de apenas unos pocos milivoltios.
9.3. Equilibrio de Gibbs-Donan
En la realidad biológica no hay un solo ión difusible: hay varios, y todos comparten la misma membrana y, por tanto, el mismo potencial. El equilibrio de Gibbs-Donnan describe la situación que se alcanzaría por transporte pasivo cuando varias especies iónicas difusibles coexisten con al menos una no difusible (los aniones A⁻ del citosol, en nuestro caso): se produce un reparto desigual de los iones difusibles y aparece una d.d.p. igual al potencial de equilibrio de cualquiera de ellos.
Como la membrana es única, el potencial de equilibrio debe ser el mismo para todas las especies difusibles. Aplicando la ecuación de Nernst a cada una:
Dividiendo por 61 y reordenando:
Lo que equivale a la condición de equilibrio de Gibbs-Donnan:
Esto implica un reparto desigual de los iones difusibles y la aparición de una d.d.p. igual al potencial de equilibrio de cualquiera de ellos.
9.3.1. ¿Explica Gibbs-Donnan el potencial de reposo real?
No. Podemos comprobarlo numéricamente. Si la célula estuviera en equilibrio G-D, la condición debería cumplirse para Na⁺, K⁺ y Cl⁻ simultáneamente:
| Ión (μ) | Eión (Nernst) | Cextra / Cintra | (Cintra / Cextra)1/μ | Lo que supondría G-D | Vm real = −70 mV | ¿Cumple G-D? |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Na⁺ (μ = +1) | +60 mV | 145 / 15 | 9,7 | Na⁺ debería estar muy concentrado fuera | Sigue entrando — no está en equilibrio | No |
| K⁺ (μ = +1) | −90 mV | 5 / 150 | 0,03 | K⁺ debería estar muy concentrado dentro | Sigue saliendo — no está en equilibrio | No |
| Cl⁻ (μ = −1) | −70 mV | 125 / 9 | 0,07 | Cl⁻ en equilibrio a −70 mV | En equilibrio pasivo | Sí * |
* Los valores numéricos (9,7 ≠ 0,03 ≠ 0,07) demuestran que Na⁺ y K⁺ no cumplen G-D. Solo el Cl⁻ está en equilibrio pasivo porque su Eión coincide con el Vm real.
Los valores no son iguales: 9,7 ≠ 0,03 ≠ 0,07. El equilibrio G-D no se cumple para el Na⁺ ni para el K⁺.
La única excepción es el Cl⁻: su potencial de Nernst (−70 mV) coincide con el Vm en reposo real. El Cl⁻ sí está en equilibrio pasivo. Na⁺ y K⁺, en cambio, están en desequilibrio continuo: el Na⁺ entra constantemente y el K⁺ sale, impulsados por sus respectivos gradientes electroquímicos. La célula no es un sistema en equilibrio, sino en estado estacionario mantenido activamente.
9.4. Ecuación de Goldman y potencial de reposo real
Si hay flujos simultáneos de varios iones y el Vm se mantiene estable, la condición que debe cumplirse es que la suma de todos los flujos iónicos netos sea cero (de lo contrario habría aporte neto de carga y el Vm cambiaría):
Integrando esta condición para iones que atraviesan la membrana a través de canales, se obtiene la ecuación de Goldman:
En condiciones fisiológicas, con la simplificación de Hodgkin-Huxley-Katz (que prescinde del Cl⁻ porque ya está en equilibrio):
La permeabilidad al K⁺ en reposo es unas 30 veces mayor que al Na⁺ (P_K ≈ 30 · P_Na). Esto hace que el Vm en reposo se aproxime al E_K (−90 mV) pero quede algo por encima (−70 mV) por la contribución del Na⁺.
La alta permeabilidad al K⁺ en reposo se debe a los canales de fuga de K⁺, canales sin compuerta permanentemente abiertos. Hasta hace no mucho tiempo se asumía que la pequeña permeabilidad basal al Na⁺ era simplemente una conductancia inespecífica y mal caracterizada. Hoy sabemos que en neuronas esa permeabilidad está mediada principalmente por el canal NALCN (sodium leak channel, non-selective), un canal de fuga de Na⁺ independiente de voltaje cuya revisión sistemática en Physiological Reviews (2024) ha consolidado su papel como responsable de la corriente tónica de entrada de Na⁺. NALCN es el que explica por qué el Vm neuronal en reposo es −70 mV y no −90 mV: sin esa entrada continua de Na⁺, el potencial se acercaría mucho más al E_K. Las mutaciones en NALCN causan síndromes neurológicos graves del neurodesarrollo, lo que subraya la importancia fisiológica de este canal que durante años pasó casi desapercibido.
9.4.1. El papel de la bomba Na⁺-K⁺ ATPasa
Dado que Na⁺ entra y K⁺ sale continuamente por transporte pasivo, los gradientes de concentración tenderían a agotarse si no hubiera un mecanismo compensador. La bomba Na⁺-K⁺ ATPasa opera de forma continua expulsando 3 Na⁺ e introduciendo 2 K⁺ por cada ATP hidrolizado, manteniendo así los gradientes que hacen posible el Vm. Su consumo representa aproximadamente un tercio del gasto energético celular total.
La bomba no genera el potencial de membrana directamente, aunque al ser electrogénica (saca más carga positiva de la que mete) contribuye unos pocos mV a la negatividad interior. Su función esencial es mantener los gradientes iónicos que permiten que la permeabilidad selectiva origine y sostenga el Vm.
El mecanismo completo puede resumirse así:
9.4.2. Nota sobre las células no excitables
El modelo descrito arriba es el clásico de neuronas y músculo, pero el concepto de potencial de membrana va bastante más allá.
Todas las células del organismo, excitables o no, mantienen un Vm negativo, aunque de menor magnitud. La investigación reciente ha mostrado que este potencial regula en células no excitables procesos tan alejados de la electrofisiología clásica como la diferenciación celular, la progresión del ciclo celular e incluso la tumorización. El potencial de membrana no es, por tanto, una propiedad exclusiva del tejido nervioso y muscular, sino un parámetro biológico universal cuyo papel en la fisiología general apenas estamos empezando a entender.
