Potencial de reposo - Resting potential

Un potencial de membrana relativamente estático que generalmente se denomina valor de tierra para el voltaje transmembrana.

El Na ⁺
/ K ⁺
-ATPasa , así como los efectos de la difusión de los iones involucrados, son los principales mecanismos para mantener el potencial de reposo a través de las membranas de las células animales.

El potencial de membrana relativamente estático de las células en reposo se denomina potencial de membrana en reposo (o voltaje en reposo), a diferencia de los fenómenos electroquímicos dinámicos específicos denominados potencial de acción y potencial de membrana graduado .

Aparte de los dos últimos, que ocurren en las células excitables ( neuronas , músculos y algunas células secretoras en las glándulas ), el voltaje de membrana en la mayoría de las células no excitables también puede sufrir cambios en respuesta a estímulos ambientales o intracelulares. Existe el potencial de reposo debido a las diferencias en las permeabilidades de membrana para potasio , sodio , calcio , y cloruro de iones , lo que a su vez resultado de la actividad funcional de los diversos canales iónicos , transportadores de iones , y los intercambiadores. Convencionalmente, el potencial de membrana en reposo se puede definir como un valor básico relativamente estable del voltaje transmembrana en células animales y vegetales.

El potencial de membrana en reposo típico de una célula surge de la separación de iones potasio de aniones intracelulares relativamente inmóviles a través de la membrana de la célula. Debido a que la permeabilidad de la membrana para el potasio es mucho mayor que la de otros iones, y debido al fuerte gradiente químico del potasio, los iones de potasio fluyen desde el citosol hacia el espacio extracelular llevando una carga positiva, hasta que su movimiento se equilibra mediante la acumulación de carga negativa en la superficie interna de la membrana. Nuevamente, debido a la alta permeabilidad relativa para el potasio, el potencial de membrana resultante casi siempre está cerca del potencial de reversión del potasio . Pero para que ocurra este proceso, primero debe establecerse un gradiente de concentración de iones de potasio. Este trabajo lo realizan las bombas / transportadores de iones y / o intercambiadores y generalmente es alimentado por ATP .

En el caso del potencial de membrana en reposo a través de la membrana plasmática de una célula animal, los gradientes de potasio (y sodio) son establecidos por la Na ⁺ / K ⁺ -ATPasa (bomba de sodio-potasio) que transporta 2 iones de potasio al interior y 3 iones de sodio al exterior en el costo de 1 molécula de ATP. En otros casos, por ejemplo, se puede establecer un potencial de membrana mediante la acidificación del interior de un compartimento membranoso (como la bomba de protones que genera el potencial de membrana a través de las membranas de las vesículas sinápticas ).

Electroneutralidad

En la mayoría de los tratamientos cuantitativos del potencial de membrana, como la derivación de la ecuación de Goldman , se supone la electroneutralidad ; es decir, que no hay un exceso de carga medible en ningún lado de la membrana. Entonces, aunque existe un potencial eléctrico a través de la membrana debido a la separación de carga, no hay una diferencia medible real en la concentración global de iones positivos y negativos a través de la membrana (como se estima a continuación ), es decir, no hay una diferencia real medible Cargue el exceso en ambos lados. Eso ocurre porque el efecto de la carga sobre el potencial electroquímico es mucho mayor que el efecto de la concentración, por lo que un cambio indetectable en la concentración crea un gran cambio en el potencial eléctrico.

Generación del potencial de reposo

Las membranas celulares son típicamente permeables a solo un subconjunto de iones. Estos generalmente incluyen iones de potasio, iones de cloruro, iones de bicarbonato y otros. Para simplificar la descripción de la base iónica del potencial de membrana en reposo, es más útil considerar solo una especie iónica al principio y considerar las otras más tarde. Dado que los potenciales transplasmáticos de membrana casi siempre están determinados principalmente por la permeabilidad al potasio, ahí es por dónde empezar.

Un diagrama que muestra la progresión en el desarrollo de un potencial de membrana a partir de un gradiente de concentración (para potasio). Las flechas verdes indican el movimiento neto de K ⁺ hacia abajo en un gradiente de concentración. Las flechas rojas indican el movimiento neto de K ⁺ debido al potencial de membrana. El diagrama es engañoso en el sentido de que mientras la concentración de iones de potasio fuera de la célula aumenta, solo una pequeña cantidad de K ⁺ necesita cruzar la membrana para producir un potencial de membrana con una magnitud lo suficientemente grande como para contrarrestar la tendencia de los iones de potasio para bajar por el gradiente de concentración.

• El panel 1 del diagrama muestra una representación esquemática de una celda simple donde ya se ha establecido un gradiente de concentración. Este panel está dibujado como si la membrana no tuviera permeabilidad a ningún ión. No hay potencial de membrana porque, a pesar de que existe un gradiente de concentración de potasio, no existe un desequilibrio de carga neta a través de la membrana. Si la membrana se volviera permeable a un tipo de ión que está más concentrado en un lado de la membrana, entonces ese ión contribuiría al voltaje de la membrana porque los iones permeables se moverían a través de la membrana con un movimiento neto de ese tipo de iones hacia abajo de la concentración. degradado. Habría un movimiento neto desde el lado de la membrana con una concentración más alta del ión hacia el lado con una concentración más baja. Tal movimiento de un ion a través de la membrana daría como resultado un desequilibrio neto de carga a través de la membrana y un potencial de membrana. Este es un mecanismo común por el cual muchas células establecen un potencial de membrana.
• En el panel 2 del diagrama, la membrana celular se ha hecho permeable a los iones de potasio, pero no a los aniones (An ^- ) dentro de la célula. Estos aniones son aportados principalmente por proteínas. Hay energía almacenada en el gradiente de concentración de iones de potasio que se puede convertir en un gradiente eléctrico cuando los iones de potasio (K ⁺ ) salen de la célula. Tenga en cuenta que los iones de potasio pueden moverse a través de la membrana en ambas direcciones, pero por el proceso puramente estadístico que surge de la mayor concentración de iones de potasio dentro de la célula, habrá más iones de potasio saliendo de la célula. Debido a que hay una mayor concentración de iones de potasio dentro de las células, es más probable que su movimiento molecular aleatorio encuentre el poro de permeabilidad ( canal de iones ) que es el caso de los iones de potasio que están afuera y en una concentración más baja. Un interno de K ⁺ es simplemente "más probable" para salir de la celda de una extracelular de K ⁺ es para entrar en él. Se trata de que la difusión haga un trabajo disipando el gradiente de concentración. A medida que el potasio sale de la célula, deja atrás los aniones. Por lo tanto, se está desarrollando una separación de carga a medida que el K ⁺ sale de la célula. Esta separación de carga crea un voltaje transmembrana. Este voltaje transmembrana es el potencial de membrana. A medida que el potasio sigue saliendo de la célula, separando más cargas, el potencial de membrana seguirá creciendo. La longitud de las flechas (verde indica gradiente de concentración, rojo indica voltaje), representa la magnitud del movimiento del ión potasio debido a cada forma de energía. La dirección de la flecha indica la dirección en la que se aplica esa fuerza en particular. Por lo tanto, el voltaje de la membrana del edificio es una fuerza creciente que actúa en contra de la tendencia al movimiento neto de iones de potasio hacia abajo en el gradiente de concentración de potasio.
• En el Panel 3, el voltaje de la membrana ha crecido hasta el punto que su "fuerza" ahora coincide con los gradientes de concentración. Dado que estas fuerzas (que se aplican a K ⁺ ) tienen ahora la misma fuerza y ​​están orientadas en direcciones opuestas, el sistema está ahora en equilibrio . Dicho de otra manera, la tendencia del potasio a salir de la célula al descender por su gradiente de concentración ahora se corresponde con la tendencia del voltaje de la membrana a atraer iones de potasio de regreso a la célula. El K ⁺ continúa moviéndose a través de la membrana, pero la velocidad a la que entra y sale de la célula es la misma, por lo que no hay corriente neta de potasio. Debido a que el K ⁺ está en equilibrio, el potencial de membrana es estable o "en reposo" (E _K ).

El voltaje de reposo es el resultado de varias enzimas translocadoras de iones ( uniportadores , cotransportadores y bombas ) en la membrana plasmática, que operan constantemente en paralelo, por lo que cada translocador de iones tiene su fuerza electromotriz característica (= potencial de inversión = 'voltaje de equilibrio') , dependiendo de las concentraciones particulares del sustrato dentro y fuera ( ATP interno incluido en el caso de algunas bombas). La ATPasa exportadora de H ⁺ hace que el voltaje de la membrana en plantas y hongos sea mucho más negativo que en las células animales más investigadas, donde el voltaje en reposo está determinado principalmente por canales iónicos selectivos.

En la mayoría de las neuronas, el potencial de reposo tiene un valor de aproximadamente -70 mV. El potencial de reposo está determinado principalmente por las concentraciones de iones en los fluidos a ambos lados de la membrana celular y las proteínas transportadoras de iones que se encuentran en la membrana celular. A continuación se describe cómo las concentraciones de iones y las proteínas de transporte de membrana influyen en el valor del potencial de reposo.

El potencial de reposo de una célula puede entenderse más a fondo si se piensa en términos de potenciales de equilibrio. En el diagrama de ejemplo aquí, a la celda modelo se le dio solo un ion permeable (potasio). En este caso, el potencial de reposo de esta célula sería el mismo que el potencial de equilibrio del potasio.

Sin embargo, una celda real es más complicada, tiene permeabilidades a muchos iones, cada uno de los cuales contribuye al potencial de reposo. Para comprender mejor, considere una célula con solo dos iones permeables, potasio y sodio. Considere un caso en el que estos dos iones tienen gradientes de concentración iguales dirigidos en direcciones opuestas y que las permeabilidades de la membrana a ambos iones son iguales. K ⁺ sale de la célula tenderá a arrastrar el potencial de la membrana hacia el E _K . El Na ^{+ que} ingresa a la célula tenderá a arrastrar el potencial de membrana hacia el potencial de inversión del sodio E _Na . Dado que las permeabilidades a ambos iones se establecen para que sean iguales, el potencial de membrana será, al final de la Na ⁺ / K ⁺ remolcador de la guerra, terminan a medio camino entre E _Na y E _K . Como E _Na y E _K eran iguales pero de signos opuestos, la mitad entre ellos es cero, lo que significa que la membrana descansará a 0 mV.

Tenga en cuenta que aunque el potencial de membrana a 0 mV es estable, no es una condición de equilibrio porque ninguno de los iones contribuyentes está en equilibrio. Los iones se difunden por sus gradientes electroquímicos a través de los canales iónicos, pero el potencial de membrana se mantiene mediante la afluencia continua de K ⁺ y la salida de Na ^{+ a} través de transportadores de iones . Esta situación con permeabilidades similares para los iones que actúan contrariamente, como el potasio y el sodio en las células animales, puede ser extremadamente costosa para la célula si estas permeabilidades son relativamente grandes, ya que se necesita mucha energía de ATP para bombear los iones de regreso. Debido a que ninguna célula real puede permitirse permeabilidades iónicas tan grandes e iguales en reposo, el potencial de reposo de las células animales se determina por la alta permeabilidad predominante al potasio y se ajusta al valor requerido modulando las permeabilidades y gradientes de sodio y cloruro.

En una célula animal sana, la permeabilidad al Na ⁺ es aproximadamente el 5% de la permeabilidad al K ⁺ o incluso menos, mientras que los potenciales de inversión respectivos son +60 mV para el sodio ( E _Na ) y -80 mV para el potasio ( E _K ). Por lo tanto, el potencial de membrana no será correcto en E _K , sino que se despolarizará de E _K en una cantidad de aproximadamente el 5% de la diferencia de 140 mV entre E _K y E _Na . Por tanto, el potencial de reposo de la célula será de unos −73 mV.

En una notación más formal, el potencial de membrana es el promedio ponderado del potencial de equilibrio de cada ion contribuyente. El tamaño de cada peso es la conductancia relativa de cada ion. En el caso normal, donde tres iones contribuyen al potencial de membrana:

${\ Displaystyle E_ {m} = {\ frac {g_ {K ^ {+}}} {g_ {tot}}} E_ {K ^ {+}} + {\ frac {g_ {Na ^ {+}}} {g_ {tot}}} E_ {Na ^ {+}} + {\ frac {g_ {Cl ^ {-}}} {g_ {tot}}} E_ {Cl ^ {-}}}$ ,

dónde

• E _m es el potencial de membrana, medido en voltios
• E _X es el potencial de equilibrio del ion X, también en voltios
• g _X / g _tot es la conductancia relativa del ion X, que es adimensional
• g _tot es la conductancia total de todos los iones permeantes en unidades arbitrarias (por ejemplo, siemens para la conductancia eléctrica), en este caso g _{K ⁺} + g _{Na ⁺} + g _{Cl ^-}

Proteínas de transporte de membrana

Para la determinación de los potenciales de membrana, los dos tipos más importantes de proteínas de transporte de iones de membrana son los canales de iones y los transportadores de iones . Las proteínas de los canales de iones crean caminos a través de las membranas celulares a través de los cuales los iones pueden difundirse pasivamente sin gasto directo de energía metabólica. Tienen selectividad para ciertos iones, por lo tanto, existen canales iónicos selectivos de potasio , cloruro y sodio . Diferentes células e incluso diferentes partes de una célula ( dendritas , cuerpos celulares , nodos de Ranvier ) tendrán diferentes cantidades de diversas proteínas transportadoras de iones. Por lo general, la cantidad de ciertos canales de potasio es más importante para el control del potencial de reposo (ver más abajo). Algunas bombas de iones como la Na + / K + -ATPasa son electrogénicas, es decir, producen un desequilibrio de carga a través de la membrana celular y también pueden contribuir directamente al potencial de membrana. La mayoría de las bombas utilizan energía metabólica (ATP) para funcionar.

Potenciales de equilibrio

Para la mayoría de las células animales, los iones de potasio (K ⁺ ) son los más importantes para el potencial de reposo. Debido al transporte activo de iones de potasio, la concentración de potasio es mayor en el interior de las células que en el exterior. La mayoría de las células tienen proteínas de canal iónico selectivas de potasio que permanecen abiertas todo el tiempo. Habrá un movimiento neto de iones de potasio cargados positivamente a través de estos canales de potasio con una acumulación resultante de exceso de carga negativa dentro de la célula. El movimiento hacia afuera de los iones de potasio cargados positivamente se debe al movimiento molecular aleatorio ( difusión ) y continúa hasta que se acumula suficiente exceso de carga negativa dentro de la célula para formar un potencial de membrana que puede equilibrar la diferencia en la concentración de potasio entre el interior y el exterior de la célula. "Equilibrio" significa que la fuerza eléctrica ( potencial ) que resulta de la acumulación de carga iónica , y que impide la difusión hacia afuera, aumenta hasta que es igual en magnitud pero opuesta en dirección a la tendencia al movimiento difusivo hacia afuera del potasio. Este punto de equilibrio es un potencial de equilibrio ya que el flujo (o corriente ) transmembrana neto de K ⁺ es cero. Una buena aproximación del potencial de equilibrio de un ión dado solo necesita las concentraciones a cada lado de la membrana y la temperatura. Se puede calcular usando la ecuación de Nernst :

${\ Displaystyle E_ {eq, K ^ {+}} = {\ frac {RT} {zF}} \ ln {\ frac {[K ^ {+}] _ {o}} {[K ^ {+}] _{I}}},}$

dónde

• E _{eq, K ⁺} es el potencial de equilibrio del potasio, medido en voltios
• R es la constante universal de los gases , igual a 8,314 julios · K ⁻¹ · mol ⁻¹
• T es la temperatura absoluta , medida en kelvin (= K = grados Celsius + 273,15)
• z es el número de cargas elementales del ion en cuestión involucradas en la reacción
• F es la constante de Faraday , igual a 96,485 culombios · mol ⁻¹ o J · V ⁻¹ · mol ⁻¹
• [K ⁺ ] _o es la concentración extracelular de potasio, medida en mol · m ⁻³ o mmol·l ⁻¹
• [K ⁺ ] _i es igualmente la concentración intracelular de potasio

Son comunes los potenciales de equilibrio de potasio de alrededor de -80 milivoltios (interior negativo). Se observan diferencias en diferentes especies, diferentes tejidos dentro del mismo animal y los mismos tejidos en diferentes condiciones ambientales. Aplicando la ecuación de Nernst anterior, se pueden explicar estas diferencias mediante cambios en la concentración relativa de K ⁺ o diferencias en la temperatura.

Para el uso común, la ecuación de Nernst a menudo se da en una forma simplificada asumiendo la temperatura típica del cuerpo humano (37 ° C), reduciendo las constantes y cambiando a base logarítmica 10. (Las unidades utilizadas para la concentración no son importantes ya que se cancelarán en una proporción). Para el potasio a temperatura corporal normal, se puede calcular el potencial de equilibrio en milivoltios como:

${\ Displaystyle E_ {eq, K ^ {+}} = 61.54mV \ log {\ frac {[K ^ {+}] _ {o}} {[K ^ {+}] _ {i}}},}$

Asimismo, el potencial de equilibrio para el sodio (Na ⁺ ) a la temperatura normal del cuerpo humano se calcula utilizando la misma constante simplificada. Puede calcular E asumiendo una concentración exterior, [K ⁺ ] _o , de 10 mM y una concentración interior, [K ⁺ ] _i , de 100 mM. Para los iones cloruro (Cl ^- ), el signo de la constante debe invertirse (−61,54 mV). Si calcula el potencial de equilibrio del calcio (Ca ²⁺ ), la carga 2+ divide a la mitad la constante simplificada a 30,77 mV. Si trabaja a temperatura ambiente, aproximadamente 21 ° C, las constantes calculadas son aproximadamente 58 mV para K ⁺ y Na ⁺ , −58 mV para Cl ^- y 29 mV para Ca ²⁺ . A temperatura fisiológica, aproximadamente 29,5 ° C, y concentraciones fisiológicas (que varían para cada ion), los potenciales calculados son aproximadamente 67 mV para Na ⁺ , −90 mV para K ⁺ , −86 mV para Cl ^- y 123 mV para Ca ^{2 +} .

Potenciales en reposo

El potencial de membrana en reposo no es un potencial de equilibrio, ya que depende del gasto constante de energía (para las bombas iónicas como se mencionó anteriormente) para su mantenimiento. Es un potencial de difusión dinámico que tiene en cuenta este mecanismo, totalmente diferente al potencial de equilibrio, que es cierto sin importar la naturaleza del sistema en consideración. El potencial de membrana en reposo está dominado por las especies iónicas en el sistema que tiene la mayor conductancia a través de la membrana. Para la mayoría de las células, esto es potasio. Como el potasio es también el ion con el potencial de equilibrio más negativo, normalmente el potencial de reposo no puede ser más negativo que el potencial de equilibrio del potasio. El potencial de reposo se puede calcular con la ecuación de voltaje de Goldman-Hodgkin-Katz utilizando las concentraciones de iones como para el potencial de equilibrio, al tiempo que se incluyen las permeabilidades relativas de cada especie iónica. En condiciones normales, es seguro asumir que solo los iones de potasio, sodio (Na ⁺ ) y cloruro (Cl ^- ) juegan un papel importante en el potencial de reposo:

${\ Displaystyle E_ {m} = {\ frac {RT} {F}} \ ln {\ left ({\ frac {P_ {Na ^ {+}} [Na ^ {+}] _ {o} + P_ { K ^ {+}} [K ^ {+}] _ {o} + P_ {Cl ^ {-}} [Cl ^ {-}] _ {i}} {P_ {Na ^ {+}} [Na ^ {+}] _ {i} + P_ {K ^ {+}} [K ^ {+}] _ {i} + P_ {Cl ^ {-}} [Cl ^ {-}] _ {o}}} \derecho)}}$

Esta ecuación se parece a la ecuación de Nernst, pero tiene un término para cada ion permeable. Además, se ha insertado z en la ecuación, lo que hace que las concentraciones intracelulares y extracelulares de Cl ^- se inviertan en relación con K ⁺ y Na ⁺ , ya que la carga negativa del cloruro se maneja invirtiendo la fracción dentro del término logarítmico. * E _m es el potencial de membrana, medido en voltios * R , T y F son como arriba * P _s es la permeabilidad relativa de los iones s * [s] _Y es la concentración de iones s en el compartimiento Y como arriba. Otra forma de ver el potencial de membrana, considerando en cambio la conductancia de los canales iónicos en lugar de la permeabilidad de la membrana, es usando la ecuación de Millman (también llamada Ecuación de Conductancia de Cuerda):

${\ Displaystyle E_ {m} = {\ frac {g_ {K ^ {+}} E_ {eq, K ^ {+}} + g_ {Na ^ {+}} E_ {eq, Na ^ {+}} + g_ {Cl ^ {-}} E_ {eq, Cl ^ {-}}} {g_ {K ^ {+}} + g_ {Na ^ {+}} + g_ {Cl ^ {-}}}}}$

o reformulado

${\ Displaystyle E_ {m} = {\ frac {g_ {K ^ {+}}} {g_ {tot}}} E_ {eq, K ^ {+}} + {\ frac {g_ {Na ^ {+} }} {g_ {tot}}} E_ {eq, Na ^ {+}} + {\ frac {g_ {Cl ^ {-}}} {g_ {tot}}} E_ {eq, Cl ^ {-}} }$

donde g _tot es la conductancia combinada de todas las especies iónicas, nuevamente en unidades arbitrarias. La última ecuación representa el potencial de membrana en reposo como un promedio ponderado de los potenciales de inversión del sistema, donde los pesos son las conductancias relativas de cada especie de iones ( g _X / g _tot ). Durante el potencial de acción, estos pesos cambian. Si las conductancias de Na ⁺ y Cl ^- son cero, el potencial de membrana se reduce al potencial de Nernst para K ⁺ (como g _{K ⁺} = g _tot ). Normalmente, en condiciones de reposo, g _{Na +} y g _Cl− no son cero, pero son mucho más pequeños que g _{K +} , lo que hace que E _m esté cerca de E _{eq, K +} . Las condiciones médicas como la hiperpotasemia en la que se modifica el potasio del suero sanguíneo (que gobierna [K ⁺ ] _o ) son muy peligrosas ya que compensan E _{eq, K +} , afectando así a E _m . Esto puede causar arritmias y paro cardíaco . El uso de una inyección en bolo de cloruro de potasio en ejecuciones por inyección letal detiene el corazón al cambiar el potencial de reposo a un valor más positivo, lo que despolariza y contrae las células cardíacas de forma permanente, no permitiendo que el corazón se repolarice y por lo tanto ingrese a la diástole para ser rellenado. con sangre.

Aunque la ecuación de voltaje GHK y la ecuación de Millman están relacionadas, no son equivalentes. La diferencia crítica es que la ecuación de Millman asume que la relación corriente-voltaje es óhmica, mientras que la ecuación de voltaje GHK toma en consideración las pequeñas rectificaciones instantáneas predichas por la ecuación de flujo GHK causada por el gradiente de concentración de iones. Por lo tanto, se puede calcular una estimación más precisa del potencial de membrana usando la ecuación GHK que con la ecuación de Millman.

Medir los potenciales en reposo

En algunas células, el potencial de membrana siempre está cambiando (como las células marcapasos cardíacas ). Para tales células nunca hay "reposo" y el "potencial de reposo" es un concepto teórico. Otras células con pocas funciones de transporte de membrana que cambian con el tiempo tienen un potencial de membrana en reposo que se puede medir insertando un electrodo en la célula. Los potenciales transmembrana también se pueden medir ópticamente con tintes que cambian sus propiedades ópticas de acuerdo con el potencial de membrana.

Resumen de los valores de potencial de reposo en diferentes tipos de células

Historia

Las corrientes de reposo en los nervios fueron medidas y descritas por Julius Bernstein en 1902, donde propuso una "Teoría de la membrana" que explicaba el potencial de reposo de los nervios y los músculos como un potencial de difusión.

Ver también

• Potencial de acción
• Despolarización
• Hiperpolarización (biología)
• Potencial de membrana

Referencias

enlaces externos

• Neurociencia : libro de texto en línea de Purves, et al.
• Aspectos médicos, celulares y moleculares de la neuroquímica básica por Siegel, et al.
• Bertil Hille Canales iónicos de membranas excitables , 3ª ed., Sinauer Associates, Sunderland, MA (2001). ISBN   0-87893-321-2
• Wright, SH (2004). "Generación de potencial de membrana en reposo" . Adv Physiol Educ . 28 (1–4): 139–42. doi : 10.1152 / advance.00029.2004 . PMID   15545342 . S2CID   5009629 .
• Potencial de membrana en reposo : notas de clase en línea sobre el potencial de membrana en reposo
• El origen del potencial de la membrana en reposo : tutorial interactivo en línea