Publicado en el número 56 de la revista de divulgación EEK’, del Consejo Zacatecano de Ciencia, Tecnología e Innovación (COZCYT). Reproducido en este sitio con autorización.
La historia de los descubrimientos de Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Fielding Huxley (Figura 1), que los llevaron a ganar, junto con Bernard Katz, el premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1963, es digna de recordarse a 70 años de la publicación de sus artículos, considerados como un parteaguas en el campo de las neurociencias. En ellos, Hodgkin y Huxley lograron explicar cómo se generan los impulsos eléctricos en las neuronas del calamar gigante, lo que sentó las bases para lograr entender el funcionamiento de las células cuya función fisiológica está ligada a la generación de impulsos eléctricos, llamadas células excitables. Ejemplos de estas son las neuronas, las células musculares y algunas células endócrinas.
Figura 1. Alan Hodgkin y Andrew Huxley realizando experimentos en el calamar gigante.
Todas las células están delimitadas por una membrana que separa el interior del exterior celular. Esta membrana, al ser selectivamente permeable a iones como el potasio (K+), sodio (Na+) y calcio (Ca++), permite que se genere una diferencia de voltaje entre el interior y el exterior de la célula como resultado de las diferencias de concentración iónica, que se traduce en una diferencia de cargas eléctricas. A esta diferencia de potencial se le conoce como potencial de membrana. Cuando una célula no recibe algún estímulo, el interior de la célula es más negativo con respecto al exterior, lo que lleva al establecimiento del llamado potencial de reposo, que dependiendo del tipo de célula, puede estar en el rango de -60 a -90 mV (Figura 2A). Por otro lado, cuando las células excitables son estimuladas, generan impulsos eléctricos conocidos como potenciales de acción, que consisten en un cambio súbito, rápido y transitorio del potencial de membrana de la célula partiendo del potencial de reposo hacia valores positivos en un proceso llamado despolarización, para después regresar, en una etapa de repolarización a valores cercanos al potencial de reposo, y momentáneamente a valores de voltaje más negativos que el potencial de reposo, a lo que se conoce como hiperpolarización (Figura 2A).
Figura 2. A. Potencial de acción que inicia desde un potencial de reposo negativo en respuesta a un estímulo dado, como una corriente inyectada. B. En respuesta a un pulso de voltaje, por ejemplo de -70 a 0 mV (arriba), se observan una corriente entrante de sodio al inicio del pulso, seguido de una corriente saliente de potasio (abajo).
El origen de los potenciales de acción fue tema de investigación de muchos investigadores desde que Julius Berstein logró medirlos experimentalmente en 1868. Después de varias décadas, fueron Hodgkin y Huxley los que finalmente encontraron la respuesta a esta pregunta en una serie de cinco artículos publicados en 1952. En ellos, Hodgkin, Huxley, en colaboración con Katz en uno de ellos, emplearon una nueva técnica experimental para controlar el potencial de membrana de la célula, llamada fijación de voltaje la cual fue diseñada e implementada por Kenneth Cole y George Marmont en 1947, que les permitió descubrir que al estimular al axón con un pulso cuadrado de voltaje aparece una corriente entrante rápida que después se convierte en una corriente saliente (Figura 2B). Después, Hodgkin y Huxley identificaron las corrientes iónicas detrás de la generación de los potenciales de acción, confirmando que la fase de despolarización se debe a la entrada de Na+ a la célula, mientras que la repolarización se debe a la salida de K+. Además de esto, mostraron experimentalmente la existencia del fenómeno de inactivación de la corriente rápida de Na+, lo que explicó la rapidez con la que la corriente entrante de Na+ se convierte en una corriente saliente K+. Por si esto fuera poco, mostraron también que el potencial de membrana controla tanto la activación como la inactivación de las corrientes de Na+ y K+. Para finalizar, Hodgkin y Huxley recopilaron todas sus observaciones experimentales y formularon un modelo computacional capaz de reproducir la generación de los potenciales de acción en el axón de calamar gigante. El hecho de que su modelo fuera capaz de simular el comportamiento del axón en una gran variedad de escenarios experimentales dio soporte a los mecanismos propuestos como responsables de la generación de la actividad eléctrica.
Años después se descubrió que el Ca++ es otro ion con participación importante en la actividad eléctrica de muchas células como las células musculares y endócrinas. También se encontró que toxinas naturales de origen animal funcionan como bloqueadores de las corrientes iónicas (como las corrientes de Na+ y K+ descritas por Hodgkin y Huxley), lo que abrió la posibilidad de desarrollar agentes farmacológicos para el tratamiento de enfermedades relacionadas a la actividad eléctrica en células excitables. En los años 70 se descubrió que las corrientes iónicas asociadas a los potenciales de acción son originadas por la apertura y cierre de proteínas que forman poros en la membrana celular, llamados canales iónicos. A raíz de esto, Bert Sakmann y Erwin Neher desarrollaron la técnica experimental de microáreas de membrana, conocida en inglés como patch-clamp, que hizo posible la medición directa de las corrientes originadas por el paso de iones a través de los canales iónicos, y que los llevó a recibir el premio Nobel en 1991. Posteriormente, los canales iónicos comenzaron a ser descritos genéticamente, permitiendo la identificación de mutaciones asociadas a enfermedades generadas por alteraciones en los canales iónicos. En las últimas décadas, el estudio de los canales iónicos y las corrientes de membrana se han complementado con técnicas como la cristalografía y otras técnicas de imagenología que han permitido observar directamente la apertura y cierre de los canales iónicos, así como su estructura atómica.
Todos estos descubrimientos y desarrollos son prueba de la importancia del legado de Hodgkin y Huxley, quienes más allá de sus resultados, a través de sus artículos nos dan una muestra del potencial del trabajo multidisciplinario, de la aplicación del método científico, del manejo del inevitable error en el trabajo de investigación e incluso de la innovación tecnológica, históricamente presente en los grandes descubrimientos de la ciencia.
