Bioelectricidad

POTENCIAL DE

MEMBRANA

ESTRUCTURA DE UNA MEMBRANALÍPIDOS:

. Colesterol

. Fosfolípidos

. Esfingolípidos (células nerviosas)

. Glucolípidos ( monocapa externa)

PROTEÍNAS:

. Integrales-perif.

. Canales iónicos

. Receptores, enzimas

. conectoras (cito-esqueleto )

.lipoproteínas

LA MEMBRANA BIOLÓGICA

CONSTITUCIÓN GENERAL -BICAPA LIPÍDICA :Barreras de PERMEABILIDAD Impermeable a iones (mantienen grandes diferencias de concentración entre exterior e interior.)-CANALES IÓNICOS : Proteínas integrales que sirven como “CONDUCTOS” (actúan como poros) iones atraviesan la membrana según su [ C / x ] (gradiente de concentración). PROPIEDADES: -FLUJOS IÓNICOS : a través de un canal PASIVOS: no requiere de consumo de energía metabólica por los canales.

ACTIVOS: requiere de consumo de energía metabólica por los canales.-PINOCITOSIS: Ingestión de líquidos almacenados en vesículas y luego pasados al citoplasma.

PERMEABILIDAD SELECTIVA DE LA MEMBRANA

Aunque los CANALES son SELECTIVOS, NO indican el SENTIDO de movimiento iónico. La fuerza impulsora básica es función de la diferencia de concentración iónica y de la PERMEABILIDAD de la membrana Ley de Fick de la difusión:

J = k . D . A . (c / x ) p = k.D / x J = p . A . c

PERMEABILIDAD Y CONDUCTANCIA

PERMEABILIDAD: Es una propiedad INTRÍNSECA de la membrana. Está dada por la propiedad de la misma en permitir que la atraviese un

ión.

Según la ley de Fick de la difusión P = D/ δ (espesor de la membrana ≈ 100 - 150 angströms )

D = kT/(6 π σ Rhd) . Aquí k es la constante de Boltzman (1,38 .10-23 J/K), T la temperatura absoluta, σ la viscosidad (poise) y Rhd el radio efectivo del

soluto.CONDUCTANCIA: Mide la capacidad del canal para transportar corriente eléctrica, como ésta es equivalente a la corriente iónica, la conductancia.

Ley de Ohm

∆V / R = I

La conductancia eléctrica es la inversa de la resistencia : G = 1/R

∆V . G = I

Sodio: Na+

Cloruro:Cl-

Potasio: K+

Calcio: Ca++

K+

L.I.C. Na+

Cl–

Ca++

CONCENTRACIONES IÓNICAS CELULARES

L.E.C.

En el músculo esquelético de un anfibio la velocidad de difusión a través de la membrana celular para el K+ es de alrededor de 10-6 cm / s en tanto que para la del Na+ es aproximadamente de 2 . 10-8 cm / s; la velocidad de difusión del K+ para una capa de agua del espesor de una membrana celular es de 10 cm/s esto es un millón de veces mayor que el valor de la membrana lo que nos da una idea de lo buena barrera que es la membrana celular.

EQUILIBRIO GIBBS-DONNAN

Supongamos un recipiente con una membrana permeable a sólo un ión, el potasio(membrana de permeabilidad selectiva, como la membrana celular) que lo separa en dos, en el (1) una disolución acuosa diluida del soluto iónico, que difunde a través de la membrana y en el (2) agua pura.

¿Cómo se produce la diferencia de Potencial de Reposo que existe en el interior respecto del exterior celular?

Membrana permeable sólo al K+

-Diferencias de Concentración iónicas entre LIC y LEC.(C)

-Flujo causado por la C

- Diferencia de energía química entre los dos compartimientos Eq

-Polarización disposición de cargas generadoras de la E:Oposición eléct.

-Diferencias de energía eléctrica entre las dos caras de la membrana (E)

Eel(i-e) = - z . F . Vm(i-e) Eq (i-e)= - R . T . ln ( Ci / Ce )

K+ -

P- + K+

+ K+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

Eel

Equ

(1) (2) (1) (2) (1) (2)

K+ -

P-

K+ -

P-

K+ -

P-

En el equilibrio el potencial de membrana toma un valor tal que la fuerza que produce la diferencia de energíaeléctrica que actúa sobre el K+ iguala a la fuerza originada por la diferencia de energía química y no hay más flujo neto de este ión.

ECUACION DE NERNST QUE CUANTIFICA EL potencial de equilibrio PARA CADA IÓN

Eq(i-e)= Eq(i-e) ( flujo neto = 0 )

z . F . Vm(i-e) = [ R . T . ln( Ce / Ci) ]

Vm(i-e)= - (RT / z . F). ln Ci / Ce

Potencial de Equilibrio :La diferencia de potencial que alcanzaría la membrana si se dejase que un ión difundiese a favor de su gradiente químico hasta llegar un momento en que la diferencia de carga creada equilibraría el mismo.

Ec. De Nernst

♠ R constante de los gases; T temperatura absoluta

♠ F constante de Faraday ( 96 500 coulombios / mol de carga )

♠ z carga del ión

Si la membrana es permeable a un único ión, el potencial de equilibrio de éste es el potencial de reposo de la membrana

Cl-

Cl-

Químico

eléctrico

K+

K+

Químico

Na+

Químico

Na+eléctrico

eléctrico

Todos los iones también hacen su contribución al Vm.

IÓNIÓN [extracelular][extracelular] [intracelular][intracelular] Grad.QuímicoGrad.Químico Grad.eléctr.Grad.eléctr.

NaNa++ 150150 1515 EntrarEntrar EntrarEntrar

KK++ 55 100100 SalirSalir EntrarEntrar

ClCl-- 150150 1313 EntrarEntrar SalirSalir

CaCa++++ 22 0.0020.002 EntrarEntrar EntrarEntrar

G.ElectroquímicoG.Electroquímico

Entrar Entrar E=62 mV E=62 mV

Salir Salir E= -80 mV E= -80 mV

Equil Equil E= -65mV E= -65mV

EntrarEntrar

ECUACIÓN DE GOLDMAN

• La ecuación de Nernst no se aplica a una especie iónica al mismo tiempo.

• La permeabilidad de las membranas celulares no es la misma para todos los iones.

• Esto lo considera la Ecuación de Goldman-Hodgkin-katz: donde : pión es la permeabilidad iónica; [ión] es la concentración

eCliNaik

iCleNaekm ClpNapKp

ClpNapKpFTR

E].[].[].[].[].[].[

ln..

100

60

0

-70

-95

V(mV)

(Vm-Ek)

(Vm -Ena)

(Vm-Eca)

Ek=-95 mV

E Na=+60mV

E Ca=100 mV

Vm

RESUMEN

-El ión K+ es responsable del Vm en reposo .

- Hay una leve permeabilidad de la membrana en reposo al sodio .

-Existe en reposo un flujo neto saliente de potasio y un flujo neto entrante de sodio.

-La Bomba Na-k ATPasa, expulsa 3 Na por cada 2 K que ingresan.

MODELO ELÉCTRICO DE MEMBRANA

ióniónión

ióniónióniónión

VGi

GiRiV

.

1..

iónE

Vm

ióniónR G

iV1

.

Transmisión local de señales: Propiedades pasivas de membrana

Ext

Int- - - - - -- - - - -

- - -

+ + + + +

- - - - - -

- - - - -

-

+ + + + +

+ + + + + + + + + +

El circuito se completa con un capacitor la bicapa lipídica actúa como un condensador incompleto ( por las proteínas integrales de la membrana)

Si C = 1 nF: una corriente de 1 nA cambiará al potencial con una tasa de cambio de 1 mV/ms

dt

dQ

dt

dVCm

corriente

El flujo total de iones de una especie dada, depende del número de canales en la membrana por los que pueda pasar. La corriente total será proporcional a la fuerza total sobre un ión:

GnGt ióniónión

Cada canal iónico responde a la Ley de Ohm

Respecto al Modelo Eléctrico de Membrana:

El Vm se mantiene en estado estacionario ( sin variación) en el reposo.

El flujo iónico neto ( Iión) transmembrana es CERO.

Entonces: 0 KNaKNa iiii

).().( KKNaNa EVmGEVmG

)(

).().(

NaK

NaNakk

GG

EGEGVm

FENÓMENOS

ELECTROTÓNICOS

LEC

Monitor de Vm

Gen.

De

Corr. Rm Cm

---

++Itotal= IR + IC

LIC

Una CORRIENTE CAPACITIVA (Ic) hacia fuera, por ej, añade cargas eléctricas positivas al interior de la membrana y elimina un número igual de cargas positivas del exterior.

La CAPACITANCIA de la membrana tiene como efecto una reducción de la velocidad de cambio del Vm en respuesta a un estímulo eléctrico

La Constante de tiempo es “el tiempo que se requiere para que el Vm alcance el 63% de su valor máximo” cuando se hace pasar una onda cuadrada de corriente transmembrana

Al cerrarse el circuito, la variación de potencial a cualquier tiempo t será:

Vt = Vmax (1 – e -t/RC).............FASE DE ASCENSO

Al abrirse el circuito,el potencial decae con la misma constante, en la apertura el Vt será

Vt = Vmax (e -t/RC).............FASE DE DESCENSO

CONSTANTE DE TIEMPO (τ)

CONSTANTE DE ESPACIO ( )

.

La distancia a la cual el potencial ha disminuido al 37% de su valor en el punto de entrada de la corriente define la constante de espacio ().

GENERADOR

AXÓN

Vm

37%

DISTANCIA

Vmáx

VmáxVmáx. punto de inyección

Vx = Vo . e-x /

Cuando x = , Vx = 0,37. Vo.

rm = Rm /2a y ri = Ri / . A2 rm / ri

POTENCIAL DE ACCIÓN EN NEURONA

I (mA)

t (ms)

CORRIENTE TOTAL REGISTRADA POR ESTÍMULO SUPRAUMBRAL

POTENCIAL LOCAL

POTENCIAL DE ACCIÓN