Origen del Potencial de Membrana Celular I

Joel Barría

Tipos de Señales Eléctricas Neuronales

¿Cómo medir el potencial eléctrico de una célula neuronal?

Diámetro de microelectrodo < 1 µm En la mayoría de las células nerviosas en reposo, el potencial de membrana es de -65 mV.

¿Por qué se observa ese potencial negativo?

€

Definición Vm =Vi −Ve convención Ve = 0

Considere dos soluciones de KCl separadas por una membrana.

+ - -

-

-

- -

+

+

+ +

+

Si la membrana no es permeable a los iones presentes, no habrá flujo de iones entre los compartimientos 1 y 2.

2 1

¿Hay diferencia de potencial entre los dos compartimientos?

¿Qué sucede si la membrana se hace permeable al ión K+?

+ - -

-

-

- -

+

+ +

+

+

El ión K+ se mueve a favor de su gradiente de concentración.

+ -

Como consecuencia de lo anterior, se genera un exceso de cargas positivas en el compartimiento 2, y de cargas negativas en el 1.

2 1

¿Qué sucede con esta distribución iónica?

+ - -

-

-

- -

+

+ +

+

+ + - Se genera un gradiente eléctrico que impide el paso de más iones K+ en el equilibrio (Equilibrio Electroquímico).

2 1

Más aún, se genera una diferencia de potencial entre los dos compartimientos.

Distribución iónica en una neurona

Hay un desequilibrio iónico a ambos lados de la membrana plasmática.

Estimación de potenciales de equilibrio en una neurona de

mamífero

Si la membrana fuera permeable a un solo ión, ¿cómo sería el potencial de membrana, positivo o negativo?

+ + - -

Intracelular Extracelular

Potencial de Equilibrio de Nernst

€

VX =RTzFln

X[ ]eX[ ]i

VX : Potencial de equilibrio para cualquier ión X.

R: Constante de los gases (8,315 J/(mol·K)

T: Temperatura absoluta (en Kelvin)

Z: Valencia del ión (carga eléctrica) permeable.

F: Constante de Faraday (cantidad de carga eléctrica contenida en un mol de un ión univalente = 96480 C/mol)

Potencial de Equilibrio de Nernst

€

VX =RTzFln

X[ ]eX[ ]i

Considerando que ln(a) ≈ 2,3log(a) y que en condiciones fisiológicas T = 310 K (37ºC) entonces RT/F = 26,7 mV.

Por lo tanto, el Potencial de Nernst es:

€

VX =61,4mV

zlog

X[ ]eX[ ]i

Estimación de potenciales de equilibrio en una neurona de

mamífero

Si la membrana fuera permeable a un solo ión, calcule el potencial de equilibrio para cada ión de la tabla.

+ + - + 67 mV - 91 mV + 39 mV

Si en la mayoría de las células nerviosas en reposo el potencial de membrana es de -65mV, ¿qué puede concluir?

- - 95 mV

Origen de la Ecuación de Nernst

En presencia tanto de un gradiente de potencial químico (concentración) como de un campo eléctrico a través de la membrana, la fuerza total que empuja el transporte de iones (fuerza impulsora: driving force) es el gradiente negativo del potencial electroquímico.

•  En el equilibrio el flujo neto del ión será cero, es decir:

Origen de la Ecuación de Nernst

Importante

•  Un ión antes de alcanzar el equilibrio del potencial de membrana, se desplazará en la dirección que contribuya a su potencial de equilibrio de Nernst.

•  Tratándose de una membrana permeable a más de un tipo de ión, cada ión se moverá tratando de “imponer” su potencial de equilibrio, aún cuando esto no se logre.

Aplicación ´

El Cloruro y el Potasio están en equilibrio.

El Sodio y el Calcio no están en equilibrio, esto indica que habrá un flujo neto de estos iones hacia dentro.

Evidencia experimental del principal ión involucrado en el potencial de

reposo

Hodgkin y Katz, 1949.

Potencial de reposo

•  Una vez que se conocen los gradientes de concentración de los iones a través de distintas membranas neuronales, es posible, con la ecuación de Nernst, calcular los potenciales de equilibrio para el K+ y otros iones.

•  Como el potencial de membrana de reposo de la neurona del calamar es de alrededor de -65 mV, el K+ es el ión que está más próximo al equilibrio electroquímico cuando la célula se encuentra en reposo.

•  Esto implica que la membrana en reposo es más permeable al K+ que a otros iones.

•  Hodgkin y Katz, se preguntaron qué le sucedería al potencial de reposo a medida que se alterara la concentración de K+ extracelular, manteniendo la concentración intracelular.

Potencial de reposo

Potencial de reposo

- La membrana de la neurona en reposo es más permeable al K+ que a otros iones presentes.

- Hay más K+ en el interior de las neuronas que el exterior.

Hodgkin y Katz, 1949.

Potencial de reposo

•  La ecuación de Nernst sólo es válida si la membrana es permeable a un sólo tipo de ión.

•  Si esta es permeable, en reposo, a más de un tipo de ión la ecuación debe contemplar las permeabilidades relativas de los iones presentes.

Potencial de reposo

•  En general, en las neuronas, el Na+, K+ y Cl-, son los iones permeables primarios.

€

Vm = 58⋅ logPK K[ ]o + PNa Na[ ]o + PCl Cl[ ]iPK K[ ]i + PNa Na[ ]i + PCl Cl[ ]o

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

Goldman, 1943.