Gradiente de potencial eléctrico

Qué es el gradiente de potencial eléctrico

Toda célula viva mantiene una distribución desigual de cargas a ambos lados de su membrana plasmática. En reposo, el interior celular es más negativo que el exterior, con valores típicos de entre −40 y −90 milivoltios según el tipo de célula. Esa asimetría de cargas genera un campo eléctrico transmembrana: los cationes del exterior «sienten» una fuerza que los empuja hacia el interior negativo, mientras que los aniones tienden a ser repelidos hacia fuera. A esa fuerza eléctrica, expresada como diferencia de voltaje por unidad de distancia, se la denomina gradiente de potencial eléctrico.

El nombre reúne tres componentes latinos y griegos: gradiens (de gradī, «avanzar paso a paso»), potentia («capacidad, fuerza») y el adjetivo eléctrico, derivado del griego ḗlektron (ἤλεκτρον, «ámbar»), porque los primeros fenómenos de atracción electrostática se observaron frotando resina fósil.

Cómo se genera y se mantiene

Tres factores cooperan para establecer el gradiente. El primero es la propia composición iónica de los compartimentos: el líquido intracelular es rico en potasio (K⁺) y pobre en sodio (Na⁺), mientras que en el extracelular ocurre lo contrario. El segundo es la permeabilidad selectiva de la membrana: en reposo, la membrana deja pasar potasio con relativa facilidad a través de canales de fuga, pero restringe mucho el paso de sodio. Cada ion de potasio que escapa arrastra una carga positiva al exterior sin que entre una compensación equivalente de sodio, lo que deja el interior con un exceso relativo de cargas negativas.

El tercer factor, decisivo para que el gradiente no se disipe, es la bomba de sodio-potasio. Esta ATPasa expulsa tres iones de sodio por cada dos de potasio que introduce, lo que genera un flujo neto de carga positiva hacia fuera y restaura de forma continua las diferencias de concentración que la difusión pasiva tiende a borrar. Sin ese gasto energético, el gradiente se disiparía en minutos.

Del gradiente eléctrico al gradiente electroquímico

Cada ion está sometido simultáneamente a dos fuerzas: la del gradiente de concentración (que lo empuja desde donde hay más hacia donde hay menos) y la del gradiente de potencial eléctrico (que lo atrae o repele según su carga). La suma de ambas fuerzas recibe el nombre de gradiente electroquímico, y es la que determina en última instancia si un ion entrará en la célula, saldrá de ella o permanecerá en equilibrio.

La ecuación de Nernst, formulada por el fisicoquímico alemán Walther Nernst en 1889, permite calcular el voltaje exacto al que un ion concreto alcanza su equilibrio electroquímico. Para el potasio en una célula típica, ese voltaje ronda los −94 mV; para el sodio, alrededor de +60 mV. El potencial de reposo real de la membrana (cercano a −70 mV en una neurona) queda entre ambos extremos, porque la membrana en reposo es permeable sobre todo al potasio pero también, en menor medida, al sodio.

Relevancia en la excitabilidad celular

Cuando una neurona o una fibra muscular recibe un estímulo, se abren canales de sodio dependientes de voltaje. El sodio entra masivamente a favor de su gradiente electroquímico (que lo empuja hacia dentro tanto por concentración como por carga), el interior se vuelve transitoriamente positivo y se genera un potencial de acción. Milisegundos después, canales de potasio restituyen la polaridad original. Todo ese ciclo depende de la energía almacenada en los gradientes iónicos que la célula ha construido previamente.

El gradiente de potencial eléctrico también impulsa procesos que no tienen que ver con la excitabilidad. En la mitocondria, la cadena respiratoria bombea protones al espacio intermembrana y crea un gradiente de voltaje que la ATP sintasa aprovecha para fabricar ATP. Peter Mitchell propuso este mecanismo en 1961 y lo llamó quimiosmosis. La idea fue recibida con escepticismo durante años, pero acabó valiéndole el premio Nobel de Química en 1978.

Preguntas frecuentes

¿Qué relación tiene con el «potencial de membrana»?

El potencial de membrana es el valor concreto de la diferencia de voltaje entre las dos caras de la membrana en un momento dado. El gradiente de potencial eléctrico es el concepto más amplio: describe la fuerza direccional que ese voltaje ejerce sobre las partículas cargadas.

¿Existe gradiente de potencial eléctrico en todas las células?

Sí. Todas las células vivas conocidas mantienen un potencial de membrana negativo en su interior, lo que implica la presencia de un gradiente eléctrico transmembrana. La magnitud varía: las neuronas y las fibras musculares esqueléticas presentan valores próximos a −70 o −90 mV, mientras que los eritrocitos rondan los −10 mV.

¿Por qué se mide en milivoltios y no en voltios?

Porque las diferencias de potencial biológicas son muy pequeñas comparadas con las de un circuito eléctrico doméstico. Un enchufe proporciona 230 V; la membrana de una neurona genera menos de una décima de voltio. El milivoltio (milésima de voltio) es la escala que permite expresar esos valores sin recurrir a decimales incómodos.

Referencias

1. Kenhub. Potencial de membrana en reposo y dinámica iónica. Disponible en: https://www.kenhub.com/es/library/fisiologia/potencial-de-membrana
2. Facultad de Medicina, UNAM. Biofísica de la membrana celular. Potencial de membrana en reposo y potencial de acción. Disponible en: https://fisiologia.facmed.unam.mx/index.php/biofisica-de-la-membrana-celular-i-potencial-de-membrana/
3. MSD Manual (versión para profesionales). Fisiología del sistema nervioso autónomo. Disponible en: https://www.msdmanuals.com/es/professional
4. Mitchell P. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature. 1961;191:144-148. Disponible en: https://www.nature.com/articles/191144a0