10.1. Concepto y definición
El potencial de acción (PA) es una variación característica y estereotipada del potencial de membrana de una célula excitable que se produce cuando la despolarización alcanza el potencial crítico o umbral. Una vez iniciado, el PA se autogenera de forma espontánea, rápida y siempre idéntica — siempre con la misma amplitud, independientemente de la intensidad del estímulo supraumbral.
El PA es, en esencia, una modificación transitoria del potencial de reposo: la membrana pasa de −70 mV a valores positivos (+30 mV aproximadamente) y vuelve al reposo en unos pocos milisegundos. Este proceso no es pasivo — requiere la participación de canales iónicos voltaje-dependientes cuyo mecanismo se describe en este tema.
10.2. Fases del potencial de acción
El PA tiene una morfología característica que se divide en tres fases:
AB — Prepotencial Fase inicial de despolarización lenta desde el potencial de reposo (−70 mV) hasta el umbral (≈ −55 mV). Corresponde a la respuesta de la membrana al estímulo antes de que se desencadene el PA. Si el estímulo es subumbral, la membrana vuelve al reposo por propiedades eléctricas pasivas. Si alcanza el umbral, se inicia el PA de forma automática.
BCD — Pico (espiga) Es el PA propiamente dicho. Tiene dos subfases:
- BC — Despolarización rápida: la membrana se despolariza bruscamente desde el umbral hasta valores positivos (≈ +30 mV). Se debe a la entrada masiva de Na⁺ por canales voltaje-dependientes. La membrana no llega al potencial de equilibrio del Na⁺ (+60 mV) porque los canales comienzan a inactivarse antes de alcanzarlo.
- CD — Repolarización: la membrana vuelve progresivamente hacia el potencial de reposo. Se debe a la inactivación de los canales de Na⁺ y a la apertura retardada de los canales de K⁺ voltaje-dependientes, que permiten la salida de K⁺.
DEF — Postpotenciales Fase posterior al pico con dos componentes:
- DE — Postpotencial negativo (hipopolarización): la membrana queda ligeramente por encima del potencial de reposo durante un breve periodo.
- EF — Postpotencial positivo (hiperpolarización): la membrana se hiperpolariza transitoriamente por debajo del potencial de reposo (puede alcanzar −80 a −90 mV) debido a que los canales de K⁺ permanecen abiertos algo más de lo necesario. Corresponde a la fase final del periodo refractario relativo.
| Fase | Vm aproximado | Base iónica |
|---|---|---|
| AB — Prepotencial | −70 → −55 mV | Apertura de pocos Nav. Respuesta pasiva si subumbral |
| BC — Despolarización | −55 → +30 mV | Entrada masiva de Na⁺ por canales Nav voltaje-dependientes |
| CD — Repolarización | +30 → −70 mV | Inactivación Nav + apertura retardada de canales Kv |
| DE — Postpotencial negativo | ≈ −70 mV | Cierre progresivo de canales Kv |
| EF — Postpotencial positivo | −70 → −90 mV | Hiperpolarización por canales Kv aún abiertos. Coincide con PRR |
10.3. Bases iónicas del potencial de acción
10.3.1. La teoría iónica de Hodgkin y Huxley
En 1952, Hodgkin y Huxley demostraron mediante la técnica del voltage-clamp (voltaje impuesto) en el axón gigante del calamar que el PA se debe a cambios secuenciales en la permeabilidad de la membrana al Na⁺ y al K⁺. Modificaban el potencial y medían las corrientes iónicas resultantes, descomponiendo así la corriente total en sus componentes de Na⁺ y K⁺.
Su hipótesis fue que si la membrana se hiciera muy permeable al Na⁺ bruscamente y luego recuperara la permeabilidad al K⁺, el Vm se aproximaría sucesivamente al E_Na (+60 mV) y al E_K (−90 mV), reproduciendo exactamente la forma del PA. Esta hipótesis quedó confirmada experimentalmente y Huxley recibió el Premio Nobel en 1963.
Más tarde, en 1976, Neher y Sakmann desarrollaron la técnica del patch-clamp (succión zonal), que permite aislar y registrar la actividad de un solo canal iónico de la membrana. Esta técnica — Nobel de 1991 — confirmó la existencia de proteínas canal individuales y permitió caracterizar su comportamiento a nivel molecular.
10.3.2. El canal de Na⁺ voltaje-dependiente
El canal de Na⁺ voltaje-dependiente (Nav) es una proteína integral de membrana de 260–300 kDa (~1800–2000 aminoácidos) formada por cuatro dominios transmembrana homólogos, cada uno con seis α-hélices. Tiene tres estados funcionales:
Estado cerrado de reposo: el canal no conduce iones pero puede abrirse ante una despolarización. Es el estado en que se encuentran los canales durante el potencial de reposo.
Estado abierto: ante una despolarización que alcanza el umbral, el sensor de voltaje — una región cargada positivamente ubicada en una de las α-hélices de cada dominio — detecta la reducción del campo eléctrico. Al disminuir el Vm, la fuerza que mantenía el sensor pegado al lado citosólico disminuye, lo que provoca un cambio conformacional que abre el segmento bloqueador (compuerta de activación). Entran aproximadamente 7.000 iones de Na⁺ por canal en un tiempo del orden de 1 ms. Este proceso es estocástico: la apertura de un canal individual es aleatoria, pero la probabilidad de apertura es proporcional a la magnitud de la despolarización.
Estado cerrado inactivo: simultáneamente a la apertura, el segmento inactivador — un dominio globular de unos 40 aminoácidos unido por un polipéptido flexible — accede a una zona de atracción en el interior del canal que estaba bloqueada en reposo y lo tapona. El canal queda cerrado e incapaz de volver a abrirse hasta que se desinactive. Para desinactivarse, el canal debe volver primero al estado de reposo, lo que requiere la repolarización de la membrana y un tiempo de 1–2 ms.
| Estado | Compuerta de activación | Segmento inactivador | ¿Puede conducir Na⁺? | Momento del PA |
|---|---|---|---|---|
| Cerrado de reposo | Cerrada | Libre (no tapona) | No | Potencial de reposo |
| Abierto | Abierta | Libre (no tapona) | Sí | Despolarización (fase BC) |
| Cerrado inactivo | Abierta | Tapona el canal | No | Final despolarización + repolarización (PRA) |
El canal solo puede pasar de cerrado inactivo → cerrado de reposo (nunca directamente a abierto). Este paso requiere repolarización y tarda 1–2 ms — es la base del periodo refractario absoluto.
10.3.3. El canal de K⁺ voltaje-dependiente
El canal de K⁺ voltaje-dependiente (Kv) es un tetrámero de cuatro subunidades, cada una con un peso molecular de ~70 kDa y una estructura similar a cada dominio del canal de Na⁺. Se considera el ancestro evolutivo de los canales de Na⁺ y Ca²⁺, ya que aparece en organismos primitivos (levaduras, protozoos) en los que no existen canales de Na⁺ ni Ca²⁺.
A diferencia del canal de Na⁺, el canal de K⁺ no posee segmento inactivador — simplemente se cierra cuando la membrana se repolariza. Además, necesita una despolarización más completa para abrirse: se activa después que los canales de Na⁺ (canales de K⁺ retardados), lo que garantiza la secuencia temporal correcta del PA.
10.3.4. Secuencia iónica del potencial de acción
Con este marco, la secuencia del PA queda explicada así:
1. Estímulo subumbral: se abren unos pocos canales de Na⁺ voltaje-dependientes. Entra una pequeña cantidad de Na⁺ (≈0,01% del total). La bomba Na⁺-K⁺ ATPasa lo expulsa antes de que se acumule. La membrana vuelve al reposo por propiedades pasivas.
2. Alcance del umbral — círculo vicioso: cuando el estímulo es suficiente para que el flujo de entrada de Na⁺ supere la velocidad máxima de expulsión de la bomba Na⁺-K⁺ ATPasa, se acumula Na⁺ en el interior. Esto positiviza ligeramente el interior, lo que abre más canales de Na⁺, lo que introduce más Na⁺, lo que positiviza más el interior… Se establece una retroalimentación positiva que se autopropaga de forma explosiva. Este es el potencial crítico: el punto de no retorno.
3. Despolarización: los canales de Na⁺ se abren masivamente. Entra Na⁺ a favor de su gradiente electroquímico. El Vm sube rápidamente hacia +30 mV. No llega a +60 mV (E_Na) porque los canales comienzan a inactivarse.
4. Repolarización: los canales de Na⁺ se inactivan. Los canales de K⁺ retardados se abren al invertirse la polaridad. Sale K⁺ al exterior. El Vm cae de vuelta hacia el reposo y puede incluso hiperpolarizarse hasta ≈ −90 mV (E_K) si los canales de K⁺ permanecen abiertos.
5. Restauración: la bomba Na⁺-K⁺ ATPasa — que durante el reposo consume 1/3 de la energía metabólica — aumenta su actividad durante y tras el PA hasta consumir 2/3 de la energía metabólica, restaurando los gradientes de Na⁺ y K⁺. Los flujos iónicos del PA en sí son pasivos y no consumen energía directamente.
10.4. Ley del todo o nada
Si al estimular una célula excitable la despolarización no alcanza el umbral, la célula retorna de inmediato al reposo por propiedades eléctricas pasivas: no sucede nada. Si la despolarización alcanza el umbral, se autogenera un PA de amplitud constante con independencia de la intensidad del estímulo supraumbral, y se propaga con esa misma amplitud a lo largo de toda la célula: todo o nada.
Consecuencias de la ley del todo o nada:
- Un estímulo más intenso no produce un PA mayor — produce el mismo PA más rápidamente
- El PA es idéntico a sí mismo al propagarse: no se atenúa ni se amplifica
- La amplitud del PA no codifica la intensidad del estímulo — lo hace la frecuencia (ver 10.6)
10.5. Periodo refractario
Tras la generación de un PA, la célula excitable pierde su excitabilidad de forma transitoria. Este intervalo se denomina periodo refractario y se divide en dos fases:
Periodo refractario absoluto (PRA): dura aproximadamente 1–2 ms. La célula pierde por completo su excitabilidad: no puede generar un nuevo PA sea cual sea la intensidad del estímulo. La base iónica es que prácticamente todos los canales de Na⁺ están en estado cerrado inactivo — incapaces de abrirse hasta que se desinactiven.
Periodo refractario relativo (PRR): dura aproximadamente 8–10 ms. La excitabilidad está disminuida pero no abolida: solo estímulos de intensidad superior al umbral en reposo pueden generar un nuevo PA. Al principio se necesitan estímulos muy intensos y progresivamente menos hasta recuperar la excitabilidad normal. La base iónica es doble: por un lado, los canales de Na⁺ van recuperando gradualmente el estado de reposo (de inactivo → reposo); por otro, la hiperpolarización por los canales de K⁺ retardados aleja la membrana del umbral.
| Tipo | Duración | Excitabilidad | Base iónica |
|---|---|---|---|
| Absoluto (PRA) | 1–2 ms | Nula | Todos los canales Nav en estado cerrado inactivo — no pueden abrirse |
| Relativo (PRR) | 8–10 ms | Disminuida | Canales Nav recuperando el estado de reposo progresivamente + hiperpolarización por canales Kv |
FRP máx = 1/PRA → con PRA de 1 ms: 1000 Hz; con PRA de 2 ms: 500 Hz.
10.6. Codificación de la intensidad del estímulo
Si el PA tiene siempre la misma amplitud (ley del todo o nada), ¿cómo informa el sistema nervioso de la intensidad de un estímulo?
La respuesta es la frecuencia de disparo de potenciales de acción (FRP). Cuanto más intenso es el estímulo:
- El prepotencial es más corto — se alcanza el umbral más rápidamente
- El periodo refractario relativo se acorta — el umbral recuperado es mayor pero el estímulo lo supera antes
Por ambas razones, un estímulo más intenso genera PAs con mayor frecuencia. A nivel de receptores sensoriales, esta relación se expresa como:
FRP = K · (I − I₀)ⁿ para todo I > I₀
Donde I es la intensidad del estímulo, I₀ es la intensidad umbral, K es una constante y n depende del tipo de receptor (oscila entre 0,5 y 1).
La frecuencia máxima de disparo está limitada por el PRA: FRP_máx = 500–1000 Hz.
10.7. Propagación del potencial de acción
Cuando se genera un PA en una región de la membrana, esa región queda despolarizada respecto a las zonas adyacentes en reposo. Esta diferencia de potencial local genera corrientes eléctricas entre la zona excitada y las zonas vecinas — exactamente igual que en cualquier conductor eléctrico. Estas corrientes actúan como estímulo para las regiones próximas, despolarizándolas hasta el umbral y generando un nuevo PA en ellas.
De este modo el PA se propaga a lo largo del axón con sus mismas características — la propagación es regenerativa y el PA no se atenúa. La velocidad de conducción oscila entre 20–30 cm/s y 100 m/s dependiendo de tres factores:
1. Mielinización
- Axones amielínicos: conducción continua a lo largo de toda la membrana. Velocidad: 10 cm/s a 10 m/s. Necesitan un diámetro de hasta 600 μm para alcanzar 12 m/s.
- Axones mielínicos: conducción saltatoria — el PA salta de nódulo de Ranvier en nódulo de Ranvier, omitiendo los segmentos mielinizados que actúan como aislante. Velocidad: 1 m/s a 100 m/s. Con solo 12 μm de diámetro alcanzan 12 m/s. La mielina es diez veces más eficiente en términos de diámetro necesario.
2. Diámetro del axón A mayor diámetro, mayor velocidad. A igual d.d.p., un axón más grueso moviliza más carga (I = q/t aumenta), genera antes la d.d.p. en las regiones vecinas y acorta el prepotencial. La relación es puramente eléctrica y pasiva.
3. Temperatura A mayor temperatura, mayor velocidad. Se cuantifica con el factor Q₁₀: la relación entre la velocidad a T+10°C y a T°C.
Q₁₀ = v(T+10) / v(T) ≈ 3
Un estado febril aumenta apreciablemente la velocidad de conducción nerviosa, lo que puede manifestarse como excitación febril.
| Tipo de axón | Mecanismo | Velocidad | Diámetro para 12 m/s |
|---|---|---|---|
| Amielínico | Conducción continua | 10 cm/s – 10 m/s | ~600 μm |
| Mielínico | Conducción saltatoria (nódulos de Ranvier) | 1 m/s – 100 m/s | ~12 μm |
La mielina permite alcanzar la misma velocidad con un diámetro 50 veces menor — una ventaja evolutiva enorme en términos de espacio y consumo energético.
10.8. Propagación unidireccional
El PA se propaga siempre en un único sentido a lo largo del axón, nunca hacia atrás. La razón es el periodo refractario: la zona que acaba de generar un PA está en PRA y no puede volver a excitarse, por lo que la corriente local solo puede despolarizar la zona adyacente que aún no ha sido excitada.
