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A la caza del potencial de acción. Obituario a Sir Andrew Huxley.

Diego Fernández julio 11, 2012 Artículos científicos, Artículos de opinión 2 Comments
Sir-Andrew-Huxley

El pasado 30 de mayo falleció Andrew Huxley, icono de la electrofisiología del siglo XX. Con un Journal of Physiology, en 1952 el investigador británico sentó junto a Alan Hodgkin las bases del mecanismo de generación del potencial de acción, mediante una serie de experimentos llevados a cabo en el axón gigante de calamar. Este trabajo ha sido trascendental en la electrofisiología desde aquel entonces y constituyó un punto de inflexión en el camino hacia el descubrimiento de los canales iónicos, cuya existencia fue demostrada dos décadas después.

Potencial de acción registrado por Hodgkin y Huxley en sus experimentos (A y B a diferentes escalas temporales) y potencial de acción predicho mediante su modelo matemático (C y D) (extraído de Hodgkin y Huxley, 1952)

Hay una serie de nombres que han marcado un antes y un después en la electrofisiología clásica durante el siglo XX. Así, los trabajos desempeñados por figuras como Julius Bernstein, Kenneth Cole, Howard Curtis, Bernard Katz, Alan Hodgkin y Andrew Huxley definieron una red de conocimiento que culminó con la demostración de la existencia de los canales iónicos en la década de 1970 por Erwin Neher y Bert Sakmann. A este respecto, la muerte de Andrew Huxley el pasado 30 de mayo a la edad de 94 años merece una mención especial por cuanto el Sir británico ha aportado al estudio del potencial de acción, la seña de identidad del sistema nervioso. Además, este apellido es distinguido en el campo de la biología por otros parientes de Andrew bien conocidos como Thomas Henry Huxley, abuelo de Andrew y ferviente defensor de la Teoría de la Evolución de Darwin, Julian Huxley, otro famoso biólogo evolucionista, Francis Huxley, un antropólogo, y Anthony Huxley, un botánico. Sin olvidarnos de su hermanastro Aldous, autor de la aclamada novela de ciencia ficción “Un mundo feliz”.

El trabajo de Huxley y Hodgkin (hoy cambiamos el orden de los autores) no fue fácil ni por la materia que abordaban ni por el delicado momento en el que se encontraba el mundo –la II Guerra Mundial estallaría al poco de iniciar sus experimentos–. En general, sus resultados tuvieron que ser interpretados en base a las diferentes teorías planteadas hasta la fecha para explicar el mecanismo de generación y propagación del potencial de acción, que venían siendo básicamente las siguientes:

  • En 1902, Bernstein planteó una explicación que prevaleció hasta la década de 1930, y que era parcialmente errónea. Según esta teoría, durante el potencial de acción la membrana se volvía muy permeable a todos los iones alcanzando el valor de voltaje del exterior celular (0 mV).
  • En 1939 en Estados Unidos, Cole y Curtis demostraron que un potencial de acción está asociado a un descenso drástico de la resistencia de la membrana (un aumento de su conductividad) sin apenas un cambio en su capacidad eléctrica. Estos experimentos confirmaron en parte la teoría de Bernstein, aunque matizando que el aumento de la conductancia era algo discreto y no afectaba a la integridad física de la propia membrana plasmática.
  • Poco antes de que Huxley comenzara a trabajar con Hodgkin, éste había estado trabajando en Cambridge en la excitabilidad de nervios bloqueados mediante frío, para concluir que los potenciales de acción se propagan eléctricamente.

El panorama científico mostraba ya un bosquejo aproximado sobre qué ocurría en las neuronas –y sobre todo en su membrana–, durante un potencial de acción, pero todavía quedaba pendiente esclarecer todo ese fenómeno y concretar el mecanismo por el cual la membrana modificaba su permeabilidad para los distintos iones y cómo el potencial de acción se propagaba a lo largo del nervio. En este sentido, el desarrollo de la técnica de fijación de voltaje fue determinante.

En tal contexto en 1939, Hodgkin invitó a Huxley (un estudiante del Trinity College de Cambridge inicialmente interesado en la física, y con un destacado dominio de las matemáticas) para trabajar con él investigando en la fisiología del impulso nervioso en el Laboratorio de la Asociación de Biología Marina en Plymouth. Allí ambos comenzaron a trabajar con el axón gigante de calamar, esa fibra de gran diámetro (hasta 1 mm) en la que podían insertar microelectrodos con los que inyectar corriente y registrar el valor del potencial de membrana. Así, en su primer año de investigación, junto a Hodgkin, Huxley registró por primera vez en la historia potenciales de acción mediante electrodos insertados intracelularmente en el axón. Según la teoría de Bernstein, ellos esperaban que durante el potencial de acción la membrana se volviera permeable de forma súbita para todos los iones y alcanzara un valor no por encima de 0 mV, sin embargo el resultado fue distinto, y el potencial de membrana alcanzaba valores de decenas de mV encima de cero. Fue entonces cuando estalló la II Guerra Mundial y ambos investigadores tuvieron que abandonar el trabajo realizado sin poder dar una explicación a aquellos resultados que empezaban a esclarecer las implicaciones eléctricas que los iones tenían sobre el potencial de acción (publicaron los resultados en 1939 en Nature todavía sin una discusión). Poco después, al otro lado del Atlántico, Curtis y Cole también conseguían registrar potenciales de acción, y este último desarrollaba la técnica de fijación de voltaje que al poco tiempo Hodgkin y Huxley rediseñarían en sus preparaciones de axón gigante de calamar.

A la izquierda, Sir Alan Hodgkin con su hija en 1949. A la derecha Sir Andrew Huxley en 1974.

Durante la guerra, Huxley sirvió como investigador operacional en el desarrollo de radares, lo que le valió para mejorar sus capacidades matemáticas, y en 1945 los dos investigadores pudieron retomar sus experimentos. Aplicaron entonces la técnica de fijación de voltaje, que les permitía proceder de modo opuesto a los primeros experimentos, al poder fijar saltos de voltaje y medir los cambios de la corriente que los seguían. Hodgkin y Huxley se dieron cuenta de que las corrientes que ellos medían al fijar la membrana a distintos valores de potencial, podían ser separadas en componentes que eran conducidos por distintos iones. Entonces intentaron relacionar las leyes físicas con lo que ellos veían y establecieron que los iones se movían de forma pasiva siguiendo su gradiente electroquímico, y así, en cada momento, la relación entre el potencial de equilibrio de un ión y el potencial de membrana determinaría el movimiento de ese ión. De este modo, identificaron dos corrientes que principalmente parecían determinar el potencial de acción: una conducida por iones potasio y otra por iones sodio. También detectaron la existencia de una corriente de fuga de potasio, cuyo sustrato molecular aún hoy en día es motivo de numerosas investigaciones. Hodgkin y Huxley realizaron experimentos que además les permitieron cuantificar la permeabilidad de la membrana para cada una de las especies iónicas y cómo esta permeabilidad se ve afectada por los cambios de voltaje. También detectaron las propiedades intrínsecas de la cinética de las corrientes implicadas, en cuanto a activación, deactivación e inactivación; la existencia de un periodo refractario; la existencia de respuestas subumbrales, y la amplitud y velocidad de propagación del potencial de acción.

Posteriormente, Hodgkin y Katz corroboraron estos resultados mediante experimentos de sustitución de iones al comprobar que durante el potencial de acción la membrana se torna rápidamente más permeable al sodio y que su amplitud dependerá del gradiente de concentración para este ión. También comprobaron que el valor del potencial de reposo se debe fundamentalmente a que en este estado la membrana neuronal es más permeable al potasio que al resto de los iones que puedan atravesarla y que el potasio está más concentrado en el interior que en el exterior celular.

Con toda esta información, los dos investigadores desarrollaron una serie de ecuaciones y establecieron un modelo que permite reproducir de forma muy fehaciente un potencial de acción en base a múltiples condiciones experimentales. Éste constituye uno de los modelos matemáticos que mejor predice un fenómeno biológico y supuso una herramienta fundamental para la electrofisiología de la segunda mitad del siglo XX. El resumen de todas estas investigaciones fue publicado en una serie de artículos en el año 1952 en Journal of Physiology. A partir de entonces Huxley se dedicó al estudio de la contracción muscular.

En definitiva, Andrew Huxley constituye una figura clave en la Biología del siglo XX. Sus trabajos pioneros en el estudio del potencial de acción mediante el uso de la técnica de fijación de voltaje han servido de inspiración para todas las siguientes generaciones que nos encontramos inmersas en el estudio de la fascinante fisiología de los canales iónicos.

Este trabajo sobre el mecanismo de generación del potencial de acción supuso para Huxley y Hodgkin junto a John Eccles (por sus estudios sobre la sinapsis neuronal) el Premio Nobel en Fisiología o Medicina en 1963.

Agradecimientos a Noelia Martínez Molina por sus aportaciones.

Referencias:

Invitamos a los lectores a consultar el siguiente enlace con una entrevista de 16 min a Sir Andrew Huxley: www.nobelprize.org/mediaplayer/index.php?id=376

Hille B: Ion Channels of Excitable Membranes. Tercera edición. Ed. Sinauer Associates, Inc. USA (2001).

Hodgkin AL, Huxley AF: A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J Physiol, Vol. 117 p. 500-544 (1952).

Huxley AF: Hodgkin and the action potential. J Physiol, Vol. 538.1 p. 2 (2002).

Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Hall WC, Lamantia AS, McNamara JO, Williams SM: Neurociencia. Tercera edición. Ed. Médica Panamericana (2006).


Diego Fernández Fernández,
Laboratorio de Neurofisiologí­a
Departamento de Biología Funcional y Ciencias de la Salud.
Facultad de Biología. Universidad de Vigo


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