La electrofisiología estudia la actividad eléctrica de organismos vivos. Conozca sus avances, técnicas modernas y perspectivas futuras en este campo fascinante.
Electrofisiología: Avances, Técnicas y Perspectivas
La electrofisiología es el estudio de las propiedades eléctricas de las células y tejidos, y cómo estas propiedades influyen en sus funciones biológicas. Este campo es crucial en la comprensión del sistema nervioso y del corazón, así como en la investigación de enfermedades neurológicas y cardiovasculares. En este artículo, exploraremos las bases científicas, las teorías utilizadas y las fórmulas fundamentales de la electrofisiología, así como algunos de los principales avances y técnicas en la materia.
Bases Científicas de la Electrofisiología
La electrofisiología se basa en la comprensión de cómo las células generan y responden a señales eléctricas. Todas las células tienen una diferencia de potencial eléctrico a través de sus membranas plasmáticas, conocida como potencial de membrana. Esta diferencia es causada por la distribución desigual de iones como sodio (Na+), potasio (K+), calcio (Ca2+) y cloro (Cl–) dentro y fuera de la célula.
El potencial de membrana en reposo, típicamente entre -70 mV y -90 mV, es mantenido por bombas iónicas y canales iónicos, que son proteínas incrustadas en la membrana celular. Las más relevantes son:
- Bomba Na+/K+: Transporta 3 iones de sodio fuera de la célula y 2 iones de potasio dentro de la célula, utilizando energía derivada del ATP.
- Canales de Sodio: Permiten el paso de Na+ hacia el interior de la célula, esencial en la fase ascendente del potencial de acción.
- Canales de Potasio: Permiten la salida de K+ de la célula, fundamental para la fase de repolarización del potencial de acción.
Teorías Utilizadas en Electrofisiología
Varias teorías y modelos matemáticos son fundamentales para la electrofisiología:
Ecuación de Nernst
La ecuación de Nernst se utiliza para calcular el potencial de equilibrio de un ion a través de la membrana. La ecuación es:
Eion = \frac{RT}{zF} \ln \left(\frac{[ion]exterior}{[ion]interior} \right)
donde:
- Eion = Potencial de equilibrio del ion
- R = Constante de gas ideal (8.314 J/(mol·K))
- T = Temperatura en Kelvin
- z = Valencia del ion
- F = Constante de Faraday (96485 C/mol)
- [ion]exterior y [ion]interior = Concentraciones del ion en el exterior e interior de la célula
Esta ecuación permite entender el voltaje que se desarrollará a través de la membrana si solo un tipo de ion puede cruzar la membrana. Para el potasio, por ejemplo, el potencial de equilibrio es generalmente alrededor de -90 mV, mientras que para el sodio es aproximadamente +60 mV.
Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK)
La ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK), también conocida como la ecuación del potencial de membrana, toma en cuenta la permeabilidad de varios iones en la generación del potencial de membrana. La ecuación es:
Em = \frac{RT}{F} \ln \left(\frac{PK[K+]exterior + PNa[Na+]exterior + PCl[Cl–]interior}{PK[K+]interior + PNa[Na+]interior + PCl[Cl–]exterior} \right)
donde:
- Pion = Permeabilidad de la membrana para cada ion
- [ion]exterior y [ion]interior = Concentraciones del ion en el exterior e interior
La ecuación GHK proporciona una idea más realista del potencial de membrana en condiciones fisiológicas, considerando múltiples tipos de iones y sus permeabilidades relativas.
Fórmulas Fundamentales
En electrofisiología, varias otras fórmulas y conceptos matemáticos son esenciales:
Ecuación de corriente iónica
Las corrientes iónicas a través de la membrana pueden describirse usando la ley de Ohm modificada para biología:
Iion = gion (V – Eion)
donde:
- Iion = Corriente del ion
- gion = Conductancia del ion
- V = Potencial de membrana
- Eion = Potencial de equilibrio del ion
Esta ecuación indica que la corriente del ion es proporcional a la diferencia entre el potencial de membrana y el potencial de equilibrio del ion, multiplicada por la conductancia. Esta ley es fundamental para comprender cómo las corrientes de diversos iones contribuyen al potencial de membrana y a los cambios en este potencial.
Ecuación de Hodgkin-Huxley
El modelo de Hodgkin-Huxley describe cómo los potenciales de acción en las neuronas son iniciados y propagados por canales iónicos específicos. La base matemática del modelo incluye ecuaciones diferenciales para las corrientes de sodio (INa), potasio (IK) y una corriente de fuga (IL).
\frac{dV}{dt} = \frac{1}{Cm} \left( INa\right\ + IK + IL\right\ + Iext )
donde:
- V = Potencial de membrana
- t = Tiempo
- Cm = Capacitancia de la membrana
- INa, IK, IL = Corrientes de sodio, potasio y fuga, respectivamente
- Iext = Corriente externa aplicada
El modelo de Hodgkin-Huxley incluye además ecuaciones para la apertura y cierre de los canales iónicos, lo que permite describir el comportamiento dinámico de los potenciales de acción en las neuronas.