El potencial de reposo: una introducción a las bases del sistema nervioso Teach article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Puede simular una neurona en el aula.

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Imagen cortesía de Dhp1080;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons

El sistema nervioso es fascinante y probablemente sea uno de los temas más complicados en las clases de biología, especialmente porque en la escuela no se puede trabajar con neuronas biológicas. En este artículo se describe una actividad en la que se usa una membrana de celofán para investigar cómo se genera el potencial de reposo en una neurona. Esta actividad es apropiada para estudiantes de entre 16 y 19 años y puede realizarse en aproximadamente 90 minutos.

El potencial de una membrana artificial

Para transferir información, las neuronas deben poder generar y mantener un potencial de membrana: una diferencia de voltaje que ocurre a ambos lados de la membrana celular, entre el medio intracelular y el extracelular. La diferencia de voltaje en una neurona no estimulada se llama potencial de reposo. La estimulación de esta neurona puede alterar el potencial de reposo, lo que ocasiona un potencial de acción: el impulso eléctrico que permite transmitir información. Antes de que la neurona pueda volver a transmitir un impulso eléctrico, debe restablecerse el potencial de reposo (véase la figura 1). Pero ¿cómo se genera y se mantiene el potencial de reposo? En parte, la respuesta se encuentra en la propiedad semipermeable de la membrana celular.

Figura 1: Diferencia de voltaje en una membrana celular en un tiempo dado, al estimular una neurona. A: potencial de reposo; B: potencial de acción; C: el potencial de reposo se restablece; t: tiempo.
Imagen cortesía de Nicola Graf

Entre otros elementos del medio intracelular y del extracelular, se encuentran los iones disueltos como el sodio (Na+), el cloro (Cl), los aniones orgánicos (A) y, fundamentalmente, el potasio (K+). Cuando una neurona transmite un impulso eléctrico y el potencial de reposo comienza a restablecerse, la concentración de iones K+ es más elevada dentro de la neurona que afuera de ella. A diferencia de la mayoría de los otros iones, el ión K+ puede pasar libremente hacia adentro y afuera de la célula a través de canales iónicos especializados en la membrana. Debido al gradiente de concentración, los iones K+ se difunden hacia afuera de la neurona, lo que causa un movimiento neto de carga positiva (véase la figura 2). Esto ocasiona una diferencia de voltaje en la membrana, con mayor carga negativa en el medio intracelular que en el extracelular. Esto constituye el potencial de reposo, y tiene un valor de aproximadamente ‑70 mV.

Figura 2: Cuando las soluciones a cada lado de la membrana semipermeable tienen concentraciones diferentes (arriba), la distribución de cargas negativas y positivas en la membrana no es equilibrada (abajo), lo que causa una diferencia de voltaje. Obsérvese que la concentración de los cationes K permanece más elevada a un lado de la membrana, debido a su atracción hacia los aniones, que están atrapados por la membrana.
Imagen cortesía de Alexander Maar

Aunque hay otros factores que intervienen en el restablecimiento del potencial de reposo en una neurona, el aporte combinado del gradiente de concentración y las propiedades eléctricas de los aniones y cationes puede demostrarse fácilmente en el aula usando celofán para hacer una membrana semipermeable, como se describe a continuación.

Antes de llevar a cabo esta actividad, es útil repasar con sus alumnos las características de las membranas celulares y los principios básicos de la difusión. En la sección de material suplementario, puede descargar las instrucciones para realizar actividades prácticas sobre las propiedades de la membrana celular y la difusión a través de las membranas.w1.

Materiales

Para cada grupo de entre 2 y 4 estudiantes, se necesita:

  • 300 ml de solución de cloruro de potasio (KCl) 0,01M
  • 100 ml de solución de cloruro de potasio (KCl) 0,1M
  • agua destilada
  • voltímetro
  • electrodos (alambre de plata clorado)
  • recipiente de vidrio (200-300 ml)
  • embudo
  • papel celofán
  • banda elástica
  • soporte con tres pinzas
  • dos cables con pinzas cocodrilo
  • pipetas
  • tijeras

Procedimiento

Antes de comenzar la actividad, hable con sus alumnos sobre cómo puede ocurrir una diferencia de voltaje en una célula y qué componentes celulares son importantes para que ocurra. Brevemente, presente el concepto de potencial de reposo. Luego, pídales que cumplan los siguientes pasos:

  1. Llene el recipiente de vidrio con aproximadamente 200 ml del cloruro de potasio (KCl) 0,01 M. Esto representa el medio extracelular de la membrana.
Image courtesy of Alexander Maar
Imagen cortesía de Alexander Maar
  1. Corte un pedazo de papel celofán que sea lo suficientemente grande como para cubrir la base del embudo, y luego moje el celofán con agua destilada para hacerlo más flexible. El celofán representa la membrana semipermeable.
Image courtesy of Alexander Maar
Imagen cortesía de Alexander Maar
  1. Envuelva bien la base del embudo con el celofán y sujételo con la banda elástica.
Image courtesy of Alexander Maar
Imagen cortesía de Alexander Maar
  1. Sujete el embudo a una pinza del soporte y sumerja la base del embudo en la solución KCl que está en el recipiente de vidrio.
Image courtesy of Alexander Maar
Imagen cortesía de Alexander Maar
  1. Con una pipeta, agregue la solución de KCl 0,01 M al embudo hasta que el nivel de los líquidos que están dentro y fuera del embudo se encuentren a la misma altura. La solución dentro del embudo representa el medio intracelular.
Image courtesy of Alexander Maar
Imagen cortesía de Alexander Maar
  1. Sujete los dos electrodos al voltímetro con las pinzas cocodrilo. Use una de las pinzas del soporte para colocar el electrodo conectado al cátodo del voltímetro en la solución que está en el recipiente de vidrio.  Use la otra pinza del soporte para colocar el segundo electrodo (conectado al ánodo) en la solución que está en el embudo.
Image courtesy of Alexander Maar
Imagen cortesía de Alexander Maar

Discusión e investigación suplementaria

Pregúnteles a sus alumnos:

  • ¿Qué voltaje piensan que va a indicar el voltímetro? Algunos estudiantes tal vez piensen que el valor va a ser positivo, porque se trata de un potencial de acción. Pídales que pongan el voltímetro a 200 mV aproximadamente.
  • En unos 10 segundos, el voltaje comenzará a disminuir, y al cabo de 5 minutos se estabilizará aproximadamente entre los valores ‑50 mV y -60 mV.
  • ¿Qué causa la diferencia de voltaje entre las dos soluciones? ¿Por qué el valor es negativo? ¿Qué hubiese pasado si la solución en el recipiente de vidrio hubiera sido la de mayor concentración de las dos?
  • ¿Por qué creen que la membrana y las dos soluciones generaron una distribución diferente de iones?

Al igual que con una neurona biológica, este experimento cuenta con dos componentes: el gradiente de concentración y la semipermeabilidad del papel celofán. Al igual que en la membrana de una neurona, el celofán es permeable a los iones K+ pero casi impermeable a los iones Cl. Por ello, al igual que en la neurona, hay una difusión neta gradual de iones K+ hacia afuera del embudo (KCl 0,1 M) y hacia el recipiente de vidrio  (KCl 0,01M). Si se colocan los electrones con cuidado, sin perforar el celofán, se puede ver que el voltaje de la solución que está en el embudo se vuelve más negativo. El valor inicial en el voltímetro de 200 mV es arbitrario; permite asegurarse de que la lectura final sea similar a la del potencial de reposo en la vida real.

Este experimento simula lo que ocurre en la vida real, pero no constituye un modelo completo de cómo se establece y mantiene el potencial de reposo. En una neurona, los medios extracelular e intracelular contienen más que solo iones K+ y Cl, y hay mecanismos adicionales que determinan la permeabilidad de la membrana. Sin embargo, esta actividad brinda la oportunidad de conversar sobre la exactitud del modelo y de presentar otros aspectos de la neurobiología como los canales iónicos, la bomba de sodio y potasio y el potencial de acción.

También puede plantearles a los alumnos situaciones hipotéticas; por ejemplo, el uso de soluciones adicionales, de una membrana con propiedades diferentes o de concentraciones diferentes de KCl.

Download

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Web References

  • w1 – En la sección de material suplementario, puede descargar las hojas de trabajo sobre las propiedades de la membrana celular y la difusión a través de las membranas.

Resources

  • Si desea saber más sobre la electroquímica y los potenciales de membrana, consulte:
  • Para obtener más información general de neurobiología, consulte Neuroscience Online, un libro de texto electrónico sobre neurociencia.
  • Si desea más información sobre las neuronas, consulte:
    • Shepherd GM (1983) Neurobiology. New York, USA: Oxford University Press. ISBN: 978-0195088434
  • Para consultar una explicación simple del potencial de reposo y el potencial de acción, visite el sitio web Neuroscience for Kids.

Author(s)

El Dr. Claas Wegner es miembro del Departamento de Didáctica de la biología de la Universidad de Bielefeld y profesor de prácticas pedagógicas en esta área. Es el fundador y el supervisor principal de Kolumbus-Kids, un proyecto cuyo objetivo es enseñar biología a estudiantes talentosos de la Universidad de Bielefeld. Además, es profesor sénior de biología y educación física en el Ratsgymnasium Bielefeld.

El Dr. Roland Kern ha sido un dedicado miembro del Departamento de Neurobiología de la Universidad de Bielefeld desde 1996. Es profesor de fisiología humana y animal y enseña asignaturas relacionadas con la neurobiología a los estudiantes de ciencias naturales.

Jennifer Kahleis se graduó de la Universidad de Bielefeld, donde estudió biología, química y ciencias de la educación. Trabajó como asistente académica del Departamento de Didáctica de la biología cuando estaba cursando la maestría, y en la actualidad realiza prácticas docentes.

Alexander Maar estudia ciencias de la educación y también inglés y biología para escuelas secundarias. Se desempeña como asistente universitario en el Departamento de Didáctica de la biología de la Universidad de Bielefeld.


Review

Los modelos sencillos pueden resultar muy útiles para comprender los procesos complejos que ocurren en la naturaleza. Este artículo describe una actividad práctica que explica el funcionamiento de las neuronas. Los materiales necesarios pueden obtenerse con facilidad y las instrucciones están bien explicadas, lo que hace que este experimento sea apropiado para trabajar en grupos.

Las actividades pueden utilizarse para combinar diferentes temas de biología, química y física.

Quienes deseen profundizar el conocimiento sobre el tema pueden encontrar actividades educativas suplementarias en la sección de referencias en internet.


Mireia Güell Serra, España




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