LISTA DE GRAFICOS

Pág.

Ilustración del modelo de la bomba Sodio – Potasio. (1) 17

Ilustración del movimiento de los iones a través de las membranas. 19

Ilustración de una neurona durante su potencial de acción. 26

Modelo de Danielli – Davson. 29

Modelo de mosaico fluido (Singer – Nicholson). 29

Fuerzas que actúan sobre los iones sodio, potasio y cloruro en una membrana. 32

Circuito equivalente de una membrana en reposo. 34

Ilustración del modelo de la bomba Sodio – Potasio. (2) 37

Gráfico de las conductancias de la membrana durante un potencial de acción al

sodio y al potasio. 39

Variaciones del potencial de membrana cuando ocurre la despolarización y la

hiperpolarización. 40

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INTRODUCCION

La membrana es un órgano celular complejo, con funciones muy importantes; en

ella tienen gran importancia los lípidos polares: fosfolípidos y esfingolípidos. La membrana

define la permeabilidad selectiva y el transporte de distintos iones y moléculas, reconoce

mensajeros químicos, es lugar de diversas síntesis y de producción de ATP.

Aproximadamente el 80% del peso seco de las células corresponde a la membrana.

Una propiedad característica de las membranas es el llamado potencial de

membrana, que es la diferencia de potencial que existe entre dos fases separadas por una

membrana. Este potencial está originado por la presencia de una doble capa eléctrica en las

superficies de la membrana.

El término potencial hace referencia al hecho de que cualquier gradiente eléctrico

creado a través de la membrana celular representa una fuente de energía. El término

diferencia se asocia a la distinta distribución de cargas eléctricas dentro y fuera de la célula.

Todas las células vivas, incluso aquellas que no son excitables, presentan un gradiente

eléctrico entre el medio extra e intracelular y con ello un valor de potencial de membrana

en reposo.

Existen dos factores que contribuyen al potencial de membrana en reposo, uno de

ellos es la diferente distribución de los iones a través de la membrana, el otro es la

permeabilidad selectiva de la membrana plasmática al sodio y al potasio.

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OBJETIVOS GENERALES

Identificar la relación que ejerce la física sobre el potencial de membrana.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

- Explicar el origen de los procesos de transporte pasivo y activo de iones en

membrana celular en reposo.

- Representar el transporte pasivo de iones en membrana celular mediante un

circuito equivalente.

- Explicar las variaciones del potencial de membrana celular ante estímulos

despolarizantes y hiperpolarizantes.

METODOLOGIA

Esta investigación es de tipo Documental, ya que tiene la particularidad de utilizar

como fuente primaria de insumos, el documento escrito en sus diferentes formas ya sean

documentos impresos, electrónicos y audiovisuales. Las fuentes impresas incluyen: libros,

diccionarios, monografías, tesis y otros documentos. Las electrónicas, por su parte, son

fuentes de mucha utilidad, entre estas se encuentran las páginas Web. Finalmente, se

encuentran los documentos audiovisuales, entre los cuales cabe mencionar: mapas,

fotografías, ilustraciones.

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MARCO TEÓRICO

La membrana celular o plasmática es esencial en la vida celular. No solamente

define los límites de la célula, sino que además permite que la célula exista como una

entidad diferente de su entorno. Esta membrana regula el tránsito de sustancias hacia fuera

y hacia adentro de la célula. En las células eucarióticas, además, define los compartimientos

y organelas, lo que permite mantener las diferencias entre su contenido y el citosol.

Entre los modelos que tratan de explicar la estructura de la membrana biológica

están:

El de Overton, quien en 1895 descubre que las sustancias liposolubles penetran en

las células más fácilmente que las que no lo son. Además la membrana presenta gran

resistencia al paso de la corriente eléctrica. Estos descubrimientos llevaron a que dedujera

la existencia de una membrana formada por lípidos.

En 1897, Langmuir estudio el comportamiento de los fosfolípidos en agua y observó

que los grupos polares se disponen perpendicularmente a ella.

En el 1925, Gorter y Grendel sacaron los lípidos de la membrana de los eritrocitos y

al extenderlos sobre agua vieron que ocupaban una superficie dos veces mayor a la

superficie del eritrocito, deduciendo que la membrana estaba formada por una bicapa

lipídica.

Cole, en 1932, estudio la tensión superficial de las membranas de óvulos de erizo de

mar y vio que era más pequeña que la tensión superficial teórica de la capa lipídica. En

realidad es mayor pero se confundieron al hacer los cálculos, aunque su interpretación fue

correcta concluyeron que la membrana plasmática tenía que estar formada por otros

componentes a parte de los lípidos.

Danielli y Davson, 1935, propusieron una estructura de la membrana en forma de

sándwich en la que los fosfolípidos estarían en el centro formando una bicapa y estarían

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rodeados por proteínas y para que había habido intercambio propusieron poros en la

membrana plasmática.

Robertson, en 1959, formuló el concepto de unidad de membrana, que sugiere que

todas las membranas son iguales, tanto las plasmáticas como las citoplasmáticas. Sin

embargo hay componentes singulares en las diferentes membranas.

Singer y Nicholson, en 1972 propusieron el modelo de mosaico fluido de

membrana. Las proteínas, lípidos e hidratos de carbono se sitúan en una configuración

estable. Los lípidos forman la bicapa lipídica y las proteínas adoptan una configuración en

la membrana según la interacción de sus partes con las moléculas que las rodea.

Estas proteínas pueden ser de dos tipos:

Proteínas integrales: atraviesan por completo la membrana. También conocidas

como transmembrana.

Proteínas periféricas: no atraviesan la membrana y sobresalen en una de las

hemimembranas. También se consideran periféricas las proteínas que están unidas de

manera indirecta a un lado u otro de la membrana mediante interacciones con otras

proteínas o lípidos de la membrana. Las proteínas tienen propiedades hidrofílicas y

hidrofóbicas, a cuyo objeto se consideran anfipáticas. Los grupos polares de la proteína

quedan en la superficie de la membrana mientras que los residuos no polares permanecen

en contacto con las cadenas hidrofóbicas de los fosfolípidos. Los hidratos de carbono

quedan en el lado externo de la membrana formando el glucocálix. Que se diga que la

membrana es fluida se debe a que va a haber cierto grado de movimiento.

Características de la membrana.

• Tiene un grosor de unos 75 Å (angstrom).

• Es una membrana semipermeable, esto indica que sólo pasan algunas sustancias

(moléculas) a través de ella. Este pase se realiza de dos formas: perdiendo energía (con un

trabajo para la célula) o sin ella.

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• Es una estructura dinámica, es decir, tiene la capacidad de modificarse formando

poros y canales.

• Es una estructura trilaminar (dos líneas densas y delgadas que son la capa interna y

capa externa y una zona más clara entre ellas). Esto se conoce por el modelo del mosaico

fluido.

• No se ve con el microscopio óptico pero sí con el microscopio electrónico.

• Representa el límite entre el medio extracelular y el intracelular (gracias a su

estructura trilaminar).

• En las células vegetales se sitúa bajo otra capa, llamada pared celular.

Propiedades físicas.

Permeabilidad selectiva.

Determina qué tipo de sustancias pueden entrar y salir de la célula. El ingreso de

sustancias necesarias, el pasaje de agua y la salida de los productores de desecho, se verán

posibilitados y regulados por medio de la membrana plasmática.

La permeabilidad depende de los siguientes factores:

Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos

(moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que está

compuesta en su mayor parte por fosfolípidos.

Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la

membrana. Sólo un pequeño número de moléculas no polares de pequeño tamaño pueden

atravesar la capa de fosfolípidos.

Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones

normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar

por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora.

También depende de las proteínas de membrana de tipo:

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Canales: algunas proteínas forman canales llenos de agua por donde pueden pasar

sustancias polares o cargadas eléctricamente que no atraviesan la capa de fosfolípidos.

Transportadoras: otras proteínas se unen a la sustancia de un lado de la membrana

y la llevan al otro lado donde la liberan.

Fluidez.

Es la capacidad de una molécula que forma parte de una membrana para

desplazarse por ella. Las membranas son fluidas, prácticamente son láminas de grasa,

donde las moléculas se encuentran en un estado de líquido viscoso. Esto implica que, en

teoría, las moléculas podrían difundir y desplazarse por ella sin restricciones.

Consideremos un glicerofosfolípido que está situado en la membrana plasmática en su

monocapa externa. Tendría dos posibilidades de movimiento: uno lateral donde se

desplazaría entre las moléculas contiguas, y otro en el que saltaría a la monocapa interna,

movimiento denominado"flip-flop". Los dos tipos de movimientos se han demostrado

experimentalmente en membranas artificiales pero uno es más frecuente que el otro. Una

molécula lipídica puede recorrer 30 micras en unos 20 segundos por difusión pasiva

lateral, es decir, podría dar la vuelta a una célula de tamaño medio en aproximadamente

un minuto. Sin embargo, los saltos entre monocapas son muy infrecuentes, se estima que

la posibilidad de que le ocurra a un lípido es de una vez al mes debido a que las cabezas

polares de los lípidos se encuentran con la barrera de las cadenas de ácidos grasos. El

colesterol posee, sin embargo, la capacidad de hacer movimientos "flip-flop" con relativa

facilidad.

La fluidez de la membrana puede variar con la composición química de sus

componentes. Así, generalmente, la menor longitud o la mayor cantidad de enlaces

insaturados de las cadenas de ácidos grasos, así como el aumento de la concentración de

colesterol, hacen que las membranas sean más fluidas. Por tanto, las células pueden

alterar la fluidez de su membrana modificando la composición química de éstas. Por

ejemplo, algunas bacterias son capaces de aumentar la concentración de ácidos grasos

insaturados (dobles enlaces) a temperaturas bajas, mientras que cuando suben los cambian

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por ácidos grasos saturados. La bajada de la temperatura disminuye la fluidez de la

membrana.

Podríamos pensar que las proteínas integrales de membrana también tienen la

posibilidad de una libre difusión lateral. Se ha comprobado que las proteínas tienen

numerosas restricciones a la movilidad, principalmente por culpa de las interacciones de

sus dominios intra y extracelulares con moléculas del citoesqueleto y de la matriz

extracelular, respectivamente. Estas interacciones anclan por tiempos más o menos

prolongados las proteínas de membrana a lugares concretos de la superficie celular. Las

células tienen otros mecanismos para confinar proteínas a determinados dominios

celulares. Por ejemplo, en las células epiteliales del digestivo ciertos transportadores y

enzimas están localizados sólo en la zona apical y otros en la basal gracias al cierre a

modo de cinturón que realizan las uniones estrechas. Tal asimetría es esencial para el

funcionamiento de la célula epitelial.

Recientemente se ha postulado una restricción adicional al movimiento de las

moléculas en las membranas de las células: las interacciones y asociaciones moleculares

entre las propias moléculas de las membranas. Los esfingolípidos y el colesterol se

pueden asociar entre sí espontáneamente haciendo que su movilidad disminuya y por

tanto se conviertan en una región membranosa más densa que el resto, como si de una

balsa en un mar se tratara. Se cree que estas asociaciones, denominadas balsas de lípidos

("lipid rafts"), son muy abundantes y dinámicas y hacen que las membranas celulares sean

en realidad un mosaico de dominios más densos que viajan entre los glicerofosfolípidos,

más fluidos. Hay experimentos que apoyan la idea de que ciertas proteínas tendrían mayor

apetencia por estas balsas y por tanto viajarían en el interior de ellas. Este confinamiento

de proteínas en dominios celulares es importante puesto que permitiría agrupar o segregar

conjuntos de proteínas que favorecerían o no el inicio de cascadas de señalización

intracelulares. Además, se postula que la alta concentración de ciertos tipos de lípidos en

dichas balsas crea un ambiente químico propicio para determinadas reacciones químicas o

interacciones moleculares. En cualquier caso tales dominios de esfingolípidos y colesterol

sólo se han postulado para la monocapa externa de la membrana plasmática, aunque

también se propone su existencia en las membranas de los orgánulos celulares donde

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algunas funciones del propio orgánulo estarían segregadas en distintos dominios de sus

membranas.

Asimetría.

Las membranas celulares son una bicapa lipídica con dos hemicapas. En las

membranas de los orgánulos y en la plasmática existe una hemicapa orientada hacia el

citosol y otra orientada hacia el interior del orgánulo o al exterior celular,

respectivamente. La composición en lípidos, glúcidos y proteínas periféricas es distinta en

ambas hemicapas. En la membrana plasmática, la hemicapa orientada hacia el exterior

contiene una mayoría de los lípidos que poseen colina, como la fosfatidicolina y la

esfingomielina, mientras que la fosfatidiletanolamina, fosfatidilinositol y la

fosfatidilserina se localizan en la hemicapa interna. Esto es interesante porque crean una

distribución diferente de cargas entre ambas superficies de la membrana, que contribuye

al potencial de membrana. Además, facilita la asociación específica de proteínas que

necesitan un ambiente eléctrico determinado y que es aportado por la naturaleza química

de las cabezas de los lípidos. Otro ejemplo es el lípido fosfatidil inositol, localizado en la

hemicapa interna, que al ser modificado por ciertas fosfolipasas se divide en dos

moléculas, una de las cuales viaja por el citosol y actúa como segundo mensajero.

También durante la apoptosis, muerte celular programada, los lípidos de la hemicapa

interna de la membrana citoplasmática son expuestos en la hemicapa externa, son

reconocidos entonces por los macrófagos y la célula es fagocitada. Los glúcidos se

localizan preferentemente en la hemicapa externa de la membrana plasmática, como

veremos más adelante. La asimetría en la distribución de moléculas entre ambas

hemicapas se produce también en diferentes orgánulos de la célula.

La asimetría que aportan las proteínas se produce durante su síntesis en el retículo

endoplasmático, aunque las proteínas asociadas a la cara citosólica se sintetizan en el

citosol. La distribución asimétrica de los lípidos se produce principalmente en el aparato

de Golgi y en otros compartimentos celulares, excepto el retículo endoplasmático, donde

hay una distribución simétrica en las dos hemicapas. Esta asimetría se mantiene por la

infrecuencia de los saltos de los lípidos entre hemicapas (movimiento "flip-flop"). La

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distribución de glúcidos, localizados sobre todo en la hemicapa externa de la membrana

plasmática, se produce en el retículo endoplasmático y en el aparato de Golgi.

Rotura y fusión.

Una de las propiedades más útiles de las membranas para la célula es la capacidad

de romperse y volver a ser fusionadas. Ello permite que los compartimentos intracelulares

puedan ser tremendamente plásticos, es decir, dividirse, fusionarse, pueden formar

vesículas membranosas en un compartimento que viajan a otro con el que se fusionan,

etcétera. Ésta es la base del transporte de moléculas entre compartimentos membranosos

que veremos en apartados posteriores, denominado transporte vesicular. Esta

característica de las membranas es también necesaria durante la etapa de la mitosis

denominada citocinesis donde la membrana citoplasmática debe crecer en superficie,

romperse y luego fusionarse para formar dos células hijas independientes.

Realmente estos procesos de rotura y de fusión de membranas están gobernados por las

proteínas, entre las que se destacan las SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor

attachment receptor), puesto que la bicapa lipídica es muy estable.

Reparación.

Numerosos procesos naturales o la manipulación experimental de las células

provocan la rotura de las membranas celulares. Pero también en los tejidos vivos

sometidos a tensiones hay un proceso de rotura de la membrana plasmática, como ocurre

frecuentemente en las células musculares. La célula cuenta con mecanismos para evitar

que su contenido citoplasmático salga al exterior y se rompan las diferencias entre el

medio interno y externo. Esto es letal para la célula si se prolonga más de unos cuantos

segundos.

Hay dos maneras de sellar la membrana según el tipo de daño que se produzca.

Cuando los daños son pequeños (normalmente menores a 0.2 µm) las propiedades de los

lípidos de la membrana son suficientes para repararlos. Ello es debido a que los lípidos en

el borde de la membrana adoptan una disposición inestable que fuerza a dichos bordes a

encontrarse y a sellarse. La rapidez con que este proceso ocurre depende de la tensión de la

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membrana, que depende a su vez de los puntos de anclaje, bien al citoesqueleto o a la

matriz extracelular. Cuando se produce una rotura entra calcio a favor de gradiente de

concentración que hace que el citoesqueleto se desorganice parcialmente en la zona dañada

y su efecto sobre la membrana disminuye, se rebaja así la tensión y aumenta la velocidad de

resellado. Cuando los daños son grandes (más de 0.2-0.5 µm) los bordes rotos libres de la

membrana están demasiado lejos para que se puedan autosellar y se pone en

funcionamiento un mecanismo de exocitosis masiva, es decir, fusión de vesículas con la

membrana plasmática, aunque en este caso también incluye grandes compartimentos

membranosos. El proceso sería el siguiente: la amplia rotura produce una gran entrada de

calcio, éste provoca la fusión de compartimentos membranosos próximos al lugar de la

rotura creándose un macrocompartimento, el cual terminaría por fusionarse con los bordes

de la membrana plasmática. Entre los compartimentos implicados en la fusión estarían los

endosomas, los lisosomas, vesículas próximas y otros compartimentos especializados de

distintos tipos celulares. Los lisosomas parecen especialmente importantes en este proceso.

Transporte de sustancias a través de las membrana biológicas.

Las sustancias cruzan las membranas mediante tres importantes procesos:

1.- Transporte Pasivo: cuando no se requiere energía para que la sustancia cruce la

membrana plasmática.

Los mecanismos de transporte pasivo son:

Difusión Simple.

Las moléculas en solución están dotadas de energía cinética y, por tanto tienen

movimientos que se realizan al azar. La difusión consiste en la mezcla de estas moléculas

debido a su energía cinética cuando existe un gradiente de concentración, es decir cuando

en una parte de la solución la concentración de las moléculas es más elevada. La difusión

tiene lugar hasta que la concentración se iguala en todas las partes y será tanto más rápida

cuanto mayor sea la energía cinética (que depende de la temperatura) y el gradiente de

concentración y cuanto menor sea el tamaño de las moléculas.

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Algunas sustancias como el agua, el oxígeno, dióxido de carbono, esteroides,

vitaminas liposolubles, urea, glicerina, alcoholes de pequeño peso molecular atraviesan la

membrana celular por difusión, disolviéndose en la capa de fosfolípidos.

Algunas sustancias iónicas también pueden cruzar la membrana plasmática por

difusión, pero empleando los canales constituídos por proteínas integrales llenas de agua.

Debido al pequeño tamaño de los canales, la difusión a través de estos es mucho más lenta

que a través de la bicapa fosfolipídica

Ósmosis.

Es otro proceso de transporte pasivo, mediante el cual, un disolvente - el agua en el

caso de los sistemas biológicos - pasa selectivamente a través de una membrana semi-

permeable. La membrana de las células es una membrana semi-permeable ya que permite el

paso del agua por difusión pero no la de iones y otros materiales. Si la concentración de

agua es mayor (o lo que es lo mismo la concentración de solutos menor) de un lado de la

membrana es mayor que la del otro lado, existe una tendencia a que el agua pase al lado

donde su concentración es menor.

El movimiento del agua a través de la membrana semi-permeable genera una

presión hidrostática llamada presión osmótica. La presión osmótica es la presión necesaria

para prevenir el movimiento neto del agua a través de una membrana semi-permeable que

separa dos soluciones de diferentes concentraciones.

La ósmosis puede entenderse muy bien considerando el efecto de las diferentes

concentraciones de agua sobre la forma de las células. Para mantener la forma de una

célula, por ejemplo un hematíe, esta debe estar rodeada de una solución isotónica, lo que

quiere decir que la concentración de agua de esta solución es la misma que la del interior de

la célula. En condiciones normales, el suero salino normal (0.9% de NaCl) es isotónico para

los hematíes.

Si los hematíes son llevados a una solución que contenga menos sales (se dice que

la solución es hipotónica), dado que la membrana celular es semi-permeable, sólo el agua

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puede atravesarla. Al ser la concentración de agua mayor en la solución hipotónica, el agua

entra en el hematíe con lo que este se hincha, pudiendo eventualmente estallar (este

fenómeno se conoce con el nombre de hemolisis. Por el contrario, si los hematíes se llevan

a una solución hipertónica (con una concentración de sales superior a la del hematíe) parte

del agua de este pasará a la solución produciéndose el fenómeno de crenación y quedando

los hematiés como "arrugados".

Ultrafiltración.

En este proceso de transporte pasivo, el agua y algunos solutos pasan a través de

una membrana por efecto de una presión hidrostática. El movimiento es siempre desde el

área de mayor presión al de menos presión. La ultrafiltración tiene lugar en el cuerpo

humano en los riñones y es debida a la presión arterial generada por el corazón. Esta

presión hace que el agua y algunas moléculas pequeñas (como la urea, la creatinina, sales,

etc.) pasen a través de las membranas de los capilares microscópicos de los glomérulos para

ser eliminadas en la orina. Las proteínas y grandes moléculas como hormonas, vitaminas,

etc., no pasan a través de las membranas de los capilares y son retenidas en la sangre.

Difusión facilitada.

Algunas moléculas son demasiado grandes como para difundir a través de los

canales de la membrana y demasiado insolubles en lípidos como para poder difundir a

través de la capa de fosfolípidos. Tal es el caso de la glucosa y algunos otros

monosacáridos. Estas sustancias, pueden sin embargo cruzar la membrana plasmática

mediante el proceso de difusión facilitada, con la ayuda de una proteína transportadora. En

el primer paso, la glucosa se une a la proteína transportadora, y esta cambia de forma,

permitiendo el paso del azúcar. Tan pronto como la glucosa llega al citoplasma, una kinasa

(enzima que añade un grupo fosfato a un azúcar) transforma la glucosa en glucosa-6-

fosfato. De esta forma, las concentraciones de glucosa en el interior de la célula son

siempre muy bajas, y el gradiente de concentración exterior - interior favorece la difusión

de la glucosa.

La difusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende:

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del gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana.

del número de proteínas transportadoras existentes en la membrana.

de la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo.

2.- Transporte Activo: este se divide en dos tipos según el origen de la energía que

se utiliza para producir el transporte: transporte activo primario y transporte activo

secundario. Su importancia radica en que permite el transporte de sustancias en contra del

gradiente electroquímico de la célula, contribuye a mantener la concentración de sustancias

necesarias en el metabolismo celular y el potencial de membrana en reposo. En el

transporte activo primario la energía procede directamente de la escisión del trifosfato de

adenosina (ATP) o de algún otro compuesto de fosfato de alta energía. En el transporte

activo secundario la energía procede secundariamente de la energía que se ha almacenado

en forma de diferencias de concentración iónica de sustancias moleculares o iónicas

secundarias entre los dos lados de una membrana celular, que se generó originalmente

mediante transporte activo primario. En ambos casos el transporte depende de proteínas

transportadoras que penetran a través de la membrana celular, al igual que en la difusión

facilitada. Sin embargo, en el transporte activo la proteína transportadora funciona de

manera diferente al transportador de la difusión facilitada porque es capaz de impartir

energía a la sustancia transportadora para moverla contra el gradiente electroquímico.

Bomba Sodio – Potasio.

Entre las sustancias que se transportan mediante transporte activo primario están el

sodio, el potasio, el calcio, el hidrógeno, el cloruro y algunos otros iones.

El mecanismo de transporte activo que se ha estudiado con mayor detalle es la

bomba sodio – potasio (Na+ - K+), que es el proceso de transporte que bombea iones sodio

hacia afuera a través de la membrana celular de todas las células y al mismo tiempo

bombea iones potasio desde el exterior hacia el interior. Esta bomba es responsable de

mantener las diferencias de concentración de sodio y de potasio a través de la membrana

celular, así como de establecer un voltaje eléctrico negativo en el interior de las células.

Permite además, transmitir las señales nerviosas por todo el sistema nervioso. Entre los

componentes físicos básicos de la bomba sodio – potasio se encuentra una proteína

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transportadora que es un complejo formado por dos proteínas globulares distintas: una de

mayor tamaño denominada subunidad β, que tiene un peso molecular de aproximadamente

55.000. Aunque se desconoce la función de la proteína de menor tamaño (excepto que

podría anclar el complejo proteico a la membrana lipídica), la proteína de mayor tamaño

tiene tres características específicas que son importantes para el funcionamiento de la

bomba:

- Tiene tres puntos receptores para la unión de iones sodio en la porción de la

proteína que protruye hacia el interior de la célula.

- Tiene dos puntos receptores para iones potasio en el exterior.

- La porción interior de esta proteína cerca de los puntos de unión al sodio tiene

actividad ATPasa.

Para situar la bomba en perspectiva: cuando dos iones potasio se unen al exterior de

la proteína transportadora y tres iones sodio se unen al interior se activa la función ATPasa

de la proteína. Esta actividad escinde una molécula de ATP, dividiéndola en difosfato de

adenosina (ADP) y liberando un enlace de energía de fosfato de alta energía. Se piensa que

esta energía liberada produce un cambio químico y conformacional en la molécula

transportadora proteica, transportando los tres iones sodio hacia el exterior y los dos iones

potasio hacia el interior.

Como en el caso de otras enzimas, la bomba sodio – potasio ATPasa puede

funcionar a la inversa. Si se aumenta experimentalmente los gradientes electroquímicos de

sodio y de potasio lo suficiente como para que la energía que se almacena en sus gradientes

sea mayor que la energía química de la hidrólisis del ATP, estos iones se desplazarán según

sus gradientes de concentración y la bomba sodio – potasio sintetizará ATP a partir de ADP

y fosfato. Por tanto, la forma fosforilada de la bomba Sodio – Potasio puede donar su

fosfato al ADP para producir fosfato o puede utilizar la energía para modificar su

conformación y bombear sodio fuera de la célula y potasio hacia el interior de la célula. Las

concentraciones relativas de ATP, ADP y fosfato, así como los gradientes electroquímicos

de sodio y potasio, determinan la dirección de la reacción enzimática. En algunas células,

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como las células nerviosas eléctricamente activas, del 60% al 70% de las necesidades de

energía de las células puede estar dedicada a bombear sodio fuera de la célula y potasio

hacia el interior de la célula.

Una de las funciones más importantes de la bomba sodio – potasio es controlar el

volumen de todas las células. Sin la función de esta bomba la mayor parte de las células del

cuerpo se hincharían hasta explotar. El mecanismo para controlar el volumen es el

siguiente: en el interior de la célula hay grandes cantidades de proteínas y de otras

moléculas orgánicas que no pueden escapar de la célula. La mayor parte de ellas tiene carga

negativa y, por tanto, atrae grandes cantidades de potasio, sodio y también de otros iones

positivos. Todas estas moléculas e iones producen ósmosis de agua hacia el interior de la

célula. Salvo que este proceso se detenga, la célula se hinchará indefinidamente hasta que

explote. El mecanismo normal para impedirlo es la bomba sodio – potasio. La membrana es

mucho menos permeable a los iones sodio que a los iones potasio, de modo que una vez

que los iones sodio están en el exterior de la célula tienen una intensa tendencia a

permanecer ahí. Así, esto representa una pérdida neta de iones hacia el exterior de la célula,

lo que inicia también la ósmosis de agua hacia el exterior de la célula.

Si una célula comienza a hincharse por cualquier motivo, esto automáticamente

activa la bomba sodio – potasio, moviendo aún más iones hacia el exterior y transportando

agua con ellos. Por tanto, la bomba sodio – potasio realiza una función continua de

vigilancia para mantener el volumen celular normal.

El hecho de que la bomba sodio – potasio desplace tres iones de sodio hacia el

exterior por cada dos iones de potasio que desplaza hacia el interior significa que se

desplaza una carga positiva neta desde el interior de la célula hasta el exterior en cada ciclo

de bombeo. Esto genera positividad en el exterior de la célula, aunque deja un déficit de

iones positivos en el interior de la célula; es decir, produce negatividad en el interior. Por

tanto, se dice que la bomba sodio – potasio es electrógena porque genera un potencial

eléctrico a través de la membrana celular.

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Ilustración del modelo de la bomba Sodio – Potasio. (1)

3.-Transporte en masa.

Algunas sustancias más grandes como polisacáridos, proteínas y otras células

cruzan las membranas plasmáticas mediante varios tipos de transporte en masa:

Endocitosis: es el proceso mediante el cual la sustancia es transportada al interior de

la célula a través de la membrana. Se conocen tres tipos de endocitosis:

- Fagocitosis: en este proceso, la célula crea unas proyecciones de la membrana y el

citosol llamadas pseudópodos que rodean la partícula sólida. Una vez rodeada, los

pseudópodos se fusionan formando una vesícula alrededor de la partícula llamada vesícula

fagocítica o fagosoma. El material sólido dentro de la vesícula es seguidamente digerido

por enzimas liberadas por los lisosomas. Los glóbulos blancos constituyen el ejemplo más

notable de células que fagocitan bacterias y otras sustancias extrañas como mecanismo de

defensa.

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- Pinocitosis: en este proceso, la sustancia a transportar es una gotita o vésicula de

líquido extracelular. En este caso, no se forman pseudópodos, sino que la membrana se

repliega creando una vesícula pinocítica. Una vez que el contenido de la vesícula ha sido

procesado, la membrana de la vesícula vuelve a la superficie de la célula.

De esta forma hay un tráfico constante de membranas entre la superficie de la célula y su

interior.

- Endocitosis mediada por receptor: este es un proceso similar a la pinocitosis, con

la salvedad que la invaginación de la membrana sólo tiene lugar cuando una determinada

molécula, llamada ligando, se une al receptor existente en la membrana. Una vez formada

la vesícula endocítica está se une a otras vesículas para formar una estructura mayor

llamada endosoma. Dentro del endosoma se produce la separación del ligando y del

receptor: Los receptores son separados y devueltos a la membrana, mientras que el ligando

se fusiona con un liposoma siendo digerido por las enzimas de este último. Aunque este

mecanismo es muy específico, a veces moléculas extrañas utilizan los receptores para

penetrar en el interior de la célula.

- Exocitosis: Durante la exocitosis, la membrana de la vesícula secretora se fusiona

con la membrana celular liberando el contenido de la misma. Por este mecanismo las

células liberan hormonas, enzimas o neurotransmisores imprescindibles para la transmisión

nerviosa.

Movimiento de iones a través de membranas biológicas.

El movimiento de iones a través de membranas selectivamente permeables está

gobernado por dos fuerzas que pueden actuar en la misma dirección o en opuesta:

-Potencial eléctrico de membrana.

-Gradiente de concentración iónico.

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Ilustración del movimiento del Na+ a través de la membrana.

El movimiento de iones Na+ al interior de la célula se utiliza como energía para el

transporte de varios iones y de pequeñas moléculas catalizado por proteínas simporte y

antiporte.

Potencial de la membrana en reposo.

Con el avance de la tecnología, la aparición del osciloscopio de rayos catódicos y

muchos otros métodos, se pudo calcular el potencial de membrana en reposo para la fibra

nerviosa en unos -90 mV aproximadamente. Es decir, el potencial en el interior de la fibra

nerviosa es 90 mV más negativo que el potencial en el líquido extracelular fuera de la fibra.

Por esta razón, se dice que el interior es electronegativo con respecto al exterior de la fibra.

La presencia de una proteína de canal en la membrana celular permite el escape de

iones potasio e iones sodio, por lo que se llama “canales de escape sodio – potasio”. La

importancia de estos canales de escape sodio – potasio en reposo radica en el hecho de que

son 100 veces más permeables al potasio que al sodio.

19

Teniendo en cuenta lo expuesto podemos analizar que será mayor la cantidad de

potasio en reposo que difunde a través de la membrana con respecto al sodio, siendo mayor

la cantidad de cargas positivas que salen si las comparamos con las que entran. Esto

produce una gran electronegatividad en el interior, la cual es de aproximadamente -86 mV.

Si comparamos esta cifra con la que corresponde al potencial de membrana en

reposo de un nervio, nos daremos cuenta de que aún faltan -4 mV para completar los -90

mV correspondientes al potencial en reposo del nervio.

Teniendo en cuenta la actividad de la bomba sodio - potasio, la cual es de naturaleza

electrógena ya que saca 3 iones de sodio (Na+) por cada 2 iones de potasio (K+) que mete al

interior, dejando un déficit neto de una carga positiva en el interior, lo cual me produce una

electronegatividad de aproximadamente -4 mV, y esto a su vez es sumado a los -86 mV

producto de la difusión de potasio y en menor proporción de sodio a través de los canales

de escape sodio – potasio, nos da un total de -90 mV que corresponden al potencial de

membrana en reposo de la fibra nerviosa.

En resumen, los potenciales de difusión aislados causados por la difusión de potasio

y de sodio darían un potencial de membrana alrededor de -86 mV, casi todos ellos

determinados por la difusión de potasio. Además, la bomba electrógena de sodio – potasio

contribuye al potencial de membrana con -4 mV adicionales, lo que da un potencial de

membrana en reposo de -90 mV.

Fuerzas que actúan sobre los iones.

Las fuerzas que actúan a través de la membrana celular sobre cada ion pueden ser

analizadas. Los iones Cl- se encuentran en mayor concentración en el límite exterior celular

que en el interior de la célula y tienden a difundirse a lo largo de este gradiente de

concentración hacia ella. Sin embargo, el interior de la célula es negativo con respecto al

exterior y los iones Cl- son expulsados hacia afuera de la célula a lo largo de este gradiente

eléctrico.

En el caso del K+, el gradiente de concentración es hacia afuera y el gradiente

eléctrico hacia adentro.

20

La situación para el Na+ es completamente diferente que para el K+ y el Cl-. La

dirección del gradiente químico para el Na+ es hacia adentro, hacia el área donde su

concentración es menor, y el gradiente eléctrico está en la misma dirección.

Para que ocurra un equilibrio entre la energía vinculada al gradiente químico y la

energía vinculada al gradiente eléctrico, debe darse una condición en la cual, entre los dos

compartimientos, no exista diferencia de potencial electroquímico. Este es la suma del

trabajo que se puede hacer por gradiente químico y el trabajo que se puede hacer por

gradiente eléctrico. Así, el flujo de Cl- de 1 hacia 2 podría tener un flujo, igual y contrario,

de 2 hacia 1. Del mismo modo, el flujo neto de K+, que apareció por el gradiente eléctrico,

podría desaparecer por un flujo de 2 hacia 1.

El trabajo o energía vinculada al gradiente químico es:

En el compartimiento 1:

μ1 = RT ln C1

En el compartimiento 2:

μ2 = RT ln C2

Las concentraciones C1 y C2 son las concentraciones de un determinado ion, en

cada uno de los compartimientos, luego que se haya llegado al equilibrio.

El trabajo o energía vinculada con el gradiente eléctrico es:

E1 = z.F.V1

E2 = z.F.V2

Si llamamos μ1 y μ2 al potencial electroquímico de los compartimientos 1 y 2,

respectivamente, éste será:

μ1 = RT ln C1 + z F V1

μ2 = RT ln C2 + z F V2

21

La diferencia de potencial electroquímico será:

∆ μ=μ1−μ 2=RT lnC 1C 2

+ zF (V 1−V 2)

Si, para que haya equilibrio, no debe haber diferencia de potencial electroquímico,

se debe cumplir que:

μ 1−μ 2=0 y RT lnC 1C 2

=−zF (V 1−V 2)

Dicho de otra manera, para que el gradiente de concentración de Cl-, en nuestro

caso, deje de determinar un flujo neto de 1 hacia 2 debe haber una cierta diferencia de

potencial eléctrico, que debe ser negativo en 2. Su valor debe ser tal que contrarreste, en

términos de energía, exactamente el valor de la energía debida a la diferencia de

concentración del Cl-.

La ecuación para calcular el potencial eléctrico de equilibrio: Ecuación de Nernst.

De la ecuación general de equilibrio anterior, cuando la energía química se iguala

con la energía eléctrica, se puede deducir que:

∆ μ=V 1−V 2=RTzF

lnC 1C 2

Y, en el ejemplo:

∆ μ=V 1−V 2=RTzF

lnCl−¿1

Cl−¿2 ¿¿

Donde, ∆V es la diferencia de potencial eléctrico, en voltios, necesaria para

mantener las concentraciones de cloruro, en 1 y 2, constantes, pese al gradiente de

concentración. Esto no quiere decir que, al aparecer este potencial, la concentración de

cloruro en 1 y 2 se mantendrán en el valor original (150 mEq/L en 1 y 0 en 2): para que

aparezca este potencial eléctrico tiene que haber pasado de 1 hacia 2, algo de Cl-.

22

Las concentraciones a las que estamos haciendo referencia son las que se encuentran

cuando han cesado los flujos netos: en el equilibrio.

Cálculo de las concentraciones de equilibrio.

El potencial eléctrico (negativo en 2) ha movilizado K+ desde 1 hacia 2, por lo que

su concentración en 2 ha aumentado y su concentración en 1 ha disminuido. Se puede hacer

ahora otra pregunta: ¿en cuánto debe aumentar la concentración de K+ en 2 para que el

gradiente eléctrico deje de determinar un flujo de K+ de 1 hacia 2?

Será, nuevamente, cuando haya equilibrio electroquímico entre los dos compartimientos.

El equilibrio se logra cuando:

V 1−V 2= RTzF

lnK+¿ 2

K+¿1 ¿¿

de donde se puede deducir:

lnK+¿2

K+¿1 =−(V 1−V 2 ) zF

RT¿¿

y también:

K+¿2

K+¿1=e−( V 1−V 2) zF/RT ¿¿

Estas dos últimas expresiones son formas de la ecuación de Nernst y deben ser

entendidas como lo que son: ecuaciones de equilibrio. Nos dicen que potencial eléctrico se

necesita para equilibrar un gradiente de concentración y, al mismo tiempo, qué gradiente de

concentración se necesita para equilibrar un potencial eléctrico.

La velocidad y extensión del transporte iónico a través de las membranas resulta

influenciada no únicamente por la concentración de iones a ambos lados de la membrana,

sino también por el potencial electroquímico que existe a través de la membrana. Este

potencial se encuentra presente en todo tipo de células, pero ha sido estudiado en mayor

detalle en células excitables, como fibras musculares esqueléticas y neuronas.

23

La ecuación de Goldman.

Si el potencial de membrana estuviera determinado exclusivamente por la

distribución de potasio a través de la membrana, entonces debería ser exactamente igual al

potencial de equilibrio del potasio. En la práctica se observa que aunque el potencial de

membrana en reposo es similar al potencial de equilibrio del potasio, rara vez es igual al

mismo. En realidad, acostumbra a ser un poco menos negativo. Además, durante los

períodos de actividad, el potencial de membrana y el potencial de equilibrio del potasio

pueden ser muy diferentes. Por ejemplo, el potencial de membrana de una célula exocrina

puede ser muy bajo durante la respuesta secretora (es decir, estará despolarizada) y, en

cambio, es positivo durante el pico del potencial de acción de un nervio.

Una forma modificada de la ecuación de Nernst, conocida como ecuación del

campo constante de Goldman (o simplemente como ecuación de Goldman), explica estos

aspectos dinámicos de la conducta del potencial de membrana. La ecuación no sólo tiene en

cuenta los gradientes iónicos existentes a través de la membrana, sino también la

permeabilidad de ésta a los diferentes iones. La ecuación es la siguiente:

E=RTF

ln PNa¿¿¿¿

Como la membrana en reposo es mucho más permeable al potasio que al sodio

(PNa/Pk ≈ 0,01), el potencial de membrana en reposo es próximo al potencial de equilibrio

del potasio. Durante un potencial de acción la membrana llega a ser mucho más permeable

al sodio que al potasio (en el pico del potencial de acción PNa/Pk ≈ 20) y el potencial de

membrana es similar al potencial de equilibrio del sodio, que es positivo (+53 mV). La

ecuación de Goldman muestra cómo puede alterarse el potencial de membrana de una

célula al producirse cambios en la permeabilidad relativa de su membrana al sodio, el

potasio, el cloruro y otros iones, pero sin que cambien los propios gradientes iónicos.

Potencial umbral.

Es el potencial de la membrana al cuál debe ser una membrana despolarizada para

iniciar el potencial de acción.

24

A menudo puede estar entre -50 y -55 milivoltios, solamente puede variar basado

sobre varios factores. Si los canales del ion están disponibles, eso moverá el potencial en

la dirección del potencial del equilibrio para ese ion:

- canal del ion del sodio: Na+ es aproximadamente +60mV.

- canal del potasio: K+ es aproximadamente -95mV.

- canal del cloruro: El Cl- es aproximadamente -70mV.

Potencial de acción.

Todas las células, de todos los tejidos y órganos de un hombre, son capaces de crear

y mantener diferencias de concentración y potencial gracias a las características de

permeabilidad y transporte que se han descrito previamente. Algunas de ellas, además,

tienen la propiedad, ante un estímulo, de modificar algunas características de su membrana

y producir un potencial de acción. Este es un cambio transitorio de potencial intracelular

que, de negativo, se hace bruscamente positivo, para volver rápidamente a la condición

inicial.

Los estímulos pueden ser mecánicos, químicos o eléctricos. Estos últimos se

clasifican en:

- Umbral: es el estímulo suficiente para producir una respuesta detectable.

- Subumbrales: es el estímulo menor al estímulo umbral.

- Máximo: es la intensidad del estímulo después del cual un aumento posterior de la

intensidad del estímulo no causa un aumento de la amplitud del potencial evocado.

- Submáximo: estímulo cuya intensidad está por debajo del máximo, pero por

encima del umbral.

- Supramáximos: estímulos con intensidad mayor al estímulo máximo.

Ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz.

Las variaciones en el potencial de membrana durante el potencial de acción son

resultado de cambios en la permeabilidad de la membrana celular a iones específicos (en

concreto, sodio y potasio) y por consiguiente cambios en las concentraciones iónicas en los

25

compartimientos intracelular y extracelular. Estas relaciones están matemáticamente

definidas por la ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz (GHK).

Los cambios en la permeabilidad de la membrana y el establecimiento y cese de

corrientes iónicas durante el potencial de acción refleja la apertura y cierre de los canales

iónicos que forman zonas de paso a través de membrana para los iones. Las proteínas que

regulan el paso de iones a través de la membrana responden a los cambios de potencial de

membrana.

Ilustración de una neurona durante su potencial de acción.

En un modelo simplificado del potencial de acción, el potencial de reposo de una

parte de la membrana se mantiene con el canal de potasio. La fase ascendente o de

despolarización del potencial de acción se inicia cuando el canal de sodio dependiente de

26

potencial se abre, haciendo que la permeabilidad del sodio supere ampliamente a la del

potasio. El potencial de membrana va hacia ENa. En algunas células, la fase ascendente se

genera por concentración de calcio más que de sodio.

Tras un corto intervalo, el canal de potasio dependiente de voltaje (retardado) se

abre, y el canal de sodio se inactiva. Como consecuencia, el potencial de membrana vuelve

al estado de reposo, mostrado en el potencial de acción como una fase descendente.

Debido a que hay más canales de potasio abiertos que canales de sodio (los canales

de potasio de membrana y canales de potasio dependientes de voltaje están abiertos, y el

canal de sodio está cerrado), la permeabilidad al potasio es ahora mucho mayor que antes

del inicio de la fase ascendente, cuando sólo los canales de potasio de membrana estaban

abiertos. El potencial de membrana se acerca a EK más de lo que estaba en reposo, haciendo

que el potencial esté en fase refractaria. El canal de potasio retardado dependiente de

voltaje se cierra debido a la hiperpolarización, y la célula regresa a su potencial de reposo.

Las fases ascendente y descendente del potencial de acción se denominan a

veces despolarización e hiperpolarización respectivamente. Técnicamente, la

despolarización es cualquier cambio en el potencial de membrana que lleve la diferencia de

potencial a cero. Igualmente, la hiperpolarización es cualquier cambio de potencial que se

aleje de cero. Durante la fase ascendente, el potencial de membrana primero se aproxima a

cero, y luego se hace más positivo; así, la fase ascendente incluye tanto despolarización

como hiperpolarización.

Durante la fase ascendente de despolarización y durante gran parte de la fase

descendente de repolarización la célula es refractaria a la estimulación. El período

refractario se subdivide en dos:

- El período refractario absoluto corresponde al período comprendido entre el valor

umbral nivel de descarga y hasta aproximadamente una tercera parte de la fase descendente

de la repolarización de la membrana. Durante este período refractario absoluto ningún

estímulo, por intenso que sea, puede excitar de nuevo a la célula.

- El período refractario relativo abarca el periodo que comprende desde el final del

período refractario absoluto hasta que se alcanza el valor umbral. Durante este período

estímulos más intensos que el del valor umbral pueden causar una nueva excitación. El

27

período refractario relativo se superpone a la fase postpotencial y no siempre se pueden

separar claramente. El período refractario se debe a la inactivación de los canales para el

ion sodio mientras que el período postpotencial se debe a los cambios que implican la

elevada conductancia del ion potasio.

Ley del todo o nada.

Si al estimular una célula excitable la despolarización de su membrana no alcanza

el valor de su potencial crítico o umbral, la célula retorna de inmediato a sus condiciones de

reposo por propiedades eléctricas pasivas (no sucede nada). Mientras que si la intensidad

del estímulo es suficiente para que se alcance el valor del potencial crítico se autogenera de

inmediato un potencial de acción de amplitud constante con independencia de cuál sea la

intensidad del estímulo que se propaga con esa misma amplitud a lo largo de la célula.

28

1.- Dibuje los modelos de estructuras de membrana de Davson - Danielli y del

mosaico fluido de Singer - Nicholson, señalando sus componentes. Indique principales

diferencias entre ambos mosaicos.

Danielli - Davson:

Modelo de Danielli – Davson.

Singer – Nicholson:

Modelo de mosaico fluido (Singer – Nicholson).

29

Entre los modelos anteriores los más importantes son el de Danielli y Dauson, y el

de Singer y Nicholson, que se diferencian principalmente en que el modelo de Danielli y

Dauson dice que la membrana está compuesta por dos capas formadas por proteínas las

cuales empaquetan una doble capa de lípidos, mientras que el modelo del mosaico fluido

dice que la membrana está también formada por carbohidratos.

2.- Defina permeabilidad selectiva de una membrana celular. Explique mediante el

modelo del mosaico fluido el transporte de sustancias a través de una membrana celular.

La permeabilidad selectiva es una propiedad de la membrana plasmática que

permite el paso de sólo ciertas partículas a través de ella.

De esta forma, pueden entrar a la célula aquellas partículas que necesite la misma y

se evita que ingresen las que no le sean útiles. De la misma forma, la célula puede eliminar

las partículas que ha generado como desecho. Así se regula la entrada y salida de sustancias

a través de la membrana y se logra el correcto funcionamiento de la célula.

El coeficiente de permeabilidad es característico de cada sustancia y de cada

membrana biológica y está muy estrechamente relacionado con la manera con que la

partícula en cuestión atraviesa la membrana. Estando la membrana celular formada, en su

gran mayoría por lípidos, es lógico pensar que una sustancia pasará más rápido cuanto

mayor sea su solubilidad en lípidos. Si la partícula atraviesa la membrana solubilizándose

en el lípido, es lógico esperar qua a mayor coeficiente de partición, mayor permeabilidad.

Sin embargo, se ha observado que, para algunas sustancias, se correlaciona mejor la

permeabilidad con su solubilidad en agua y con el radio de la partícula que con su

solubilidad en lípidos. Esto llevó a pensar que debía haber poros o canales en la membrana

que, llenos de agua, comunicaran el exterior con el interior celular. Estos poros, de un

tamaño pequeño, podrían actuar como codazo o tamiz, permitiendo o no el paso de ciertas

partículas (modelo de Mosaico Fluido). La permeabilidad estaría así en relación con el

radio de la partícula, el radio de cada poro, la porción de la membrana ocupada por ellos y

sus características. Si el poro llegara a tener una cierta carga eléctrica, es evidente que su

influencia sobre un ion sería distinta que sobre una molécula no electrolítica, aún cuando el

tamaño de la partícula sea el mismo.

30

3.- Explique cuál es el origen del potencial de membrana celular y cómo se puede

medir. Escriba la ecuación de Goldman, indicando que representan sus elementos.

Cuando hay separación de cargas opuestas entre dos puntos, como el interior y el

exterior de la membrana plasmática, se genera una diferencia de voltaje o potencial

eléctrico entre dichos puntos.

Para medir este potencial se necesita disponer de 2 elementos claves: un electrodo

que penetre en el interior de la célula sin dañarla gravemente y un voltímetro que registre

adecuadamente la diferencia de potencial. Lo primero se resuelve usando un

microelectrodo, forrado por un tubo de vidrio de pequeño diámetro. Un extremo de este

tubo es calentado y estirado, de modo que la punta tenga un diámetro de, aproximadamente,

1 µm (0,001 mm). Este microelectrodo se llena, generalmente, con una solución de KCl de

3 mol/L, que es altamente conductora. Por el otro extremo se lo conecta a un voltímetro de

alta impedancia, instrumento que tiene la característica de medir voltaje usando muy poca

corriente de la preparación (menos de 1 nanoampere). Esto se logra, electrónicamente,

haciendo que la resistencia de entrada del voltímetro sea superior a los “10 a los 12” Ω.

Para cerrar el circuito, el otro extremo del voltímetro se conecta a otro electrodo, ya no un

microelectrodo, sumergido en el líquido que rodea el tejido donde está la célula en la que se

quiere medir el potencial. Este electrodo extracelular está, a su vez, conectado a tierra, de

modo que debe ser considerado como cero o potencial de referencia (EC). Al tejido se lo

coloca en una cámara y al microelectrodo se lo mueve hacia la superficie celular por medio

de un micromanipulador. Mientras el microelectrodo y el electrodo EC se encuentran,

ambos, sumergidos en el medio que rodea la célula, el voltímetro lee cero, indicando que no

hay diferencia de potencial entre ambos. Moviendo el microelectrodo, bajo control

microscópico, se puede lograr que su punta penetre la membrana celular y aparezca una

diferencia de potencial que por lo general, es negativa con respecto a EC.

La ecuación de Goldman es la siguiente:

E=RTF

ln PNa¿¿¿¿

31

R, T y F son constantes físicas (constante de los gases, temperatura absoluta y

constante de Faraday, respectivamente), mientras que PNa, Pk y PCl son los coeficientes de

permeabilidad de la membrana al sodio, el potasio y el cloruro, respectivamente, [Na+]e,

[Na+]i, son las concentraciones extracelular e intracelular de sodio, y lo mismo es válido

para el potasio y el cloruro. Obsérvese que [Cl-]i y [Cl-]e están invertidos en relación con las

concentraciones de [Na+]e, [Na+]i y [K+]i, [K+]e ya que el ion cloruro tiene una carga negativa.

4.- Señale las fuerzas eléctricas y químicas que actúan sobre los iones Na+, Cl-, K+

en una membrana celular. Deduzca la ecuación de Nernst e interprétela.

Fuerzas que actúan sobre los iones sodio, potasio y cloruro en una membrana.

Ecuación de Nernst:

∆ μ=V 1−V 2=RTzF

lnC 1C 2

Donde:

∆ μ= diferencia de potencial en el equilibrio.

R= constante de los gases.

T= temperatura absoluta.

z= carga eléctrica del ión considerado.

F= constante de Faraday.

32

C1 y C2= concentraciones iónicas.

Para un sistema hipotético simple, la ecuación de Nernst permite predecir

exactamente el potencial eléctrico a través de una membrana. Si por ejemplo, la

concentración de K+ es de 100 mM en lado y de 1 mM en el lado B, el potencial de

membrana será de - 116 mV. Es decir, la ecuación de Nernst es lineal cuando se representa

el potencial de membrana frente al logaritmo del cociente de concentraciones.

Sin embargo, en los sistemas biológicos la situación es más compleja: suelen

coexistir diferentes tipos de iones, de tamaños y cargas diferentes y, algunas proteínas

cargadas pueden también influir sobre el potencial de membrana

Consideremos un sistema en el que una membrana separa dos compartimentos en

los que existen diferentes concentraciones de Na+ y de K+ (por ejemplo KCl 10 mM +

NaCl 1 mM en el compartimento de la izquierda KCl 1 mM + NaCl 10 mM en de la

derecha). Si la membrana solo es permeable al K, al ser más concentrada la solución de la

izquierda habrá un migración de los K+ hacia la derecha quedándose el compartimento de

la izquierda con carga negativa. Si la membrana es sólo permeable al Na+, ocurre la

situación inversa. Al ser más concentrada en NaCl la solución de la derecha habrá un

desplazamiento de carga hacia el compartimento de la izquierda.

5.- Escriba la ecuación para determinar la fuerza electromotriz sobre cada ion

difusible a través de una membrana. Dibuje el circuito equivalente tomando en cuenta el

potencial de equilibrio electroquímico de K+ , Na+ y Cl- y la fuerza electromotriz sobre

cada ion cuando la membrana esta en reposo.

Para determinar la fuerza electromotriz sobre cada ion difusible (Na+, K+ y Cl-) a

través de una membrana, se utilizan las siguientes ecuaciones, según sea el caso:

Para el Cl-:

∆ μ=V 1−V 2=RTzF

lnCl−¿1

Cl−¿2 ¿¿

Para el K+:

∆ μ=V 1−V 2=RTzF

lnK+¿1

K+¿2 ¿¿

33

Y para el Na+:

∆ μ=V 1−V 2=RTzF

lnNa+¿1

Na+¿2 ¿¿

El circuito equivalente de la membrana en el estado de reposo quedaría:

Circuito equivalente de una membrana en reposo.

El potencial de reposo de las células se origina con la participación de varios tipos

de canales iónicos y por la bomba sodio – potasio. Las baterías (Ek, ECl y ENa) indican los

potenciales de equilibrio calculados con la ecuación de Nernst. El paralelismo entre las tres

ramas indica que los movimientos de sodio, cloruro y sodio a través de la membrana se

realizan usando vías distintas e independientes.

El circuito de la figura incluye además la participación de la bomba sodio – potasio

en el potencial de reposo. Por simplicidad se supone en el esquema que los canales iónicos

que se ilustran presentan una perfecta selectividad iónica, excluyendo así la posibilidad de

que otros iones puedan atravesar la membrana por esas vías. Sin embargo, esto es inexacto

especialmente para el canal permeable a sodio.

34

La participación de los canales de potasio en el potencial de reposo es un hecho

sumamente frecuente en las células, en cambio el músculo esquelético parece ser

excepcional en su alta permeabilidad al cloro aunque este anión también influye en el

potencial de reposo de otras células. El grado de participación de la bomba de sodio –

potasio en el potencial de reposo es variable en las distintas preparaciones, pero siempre se

encuentra presente. El canal catiónico sensible a la amilorida sólo se ha descrito hasta ahora

en el músculo esquelético pero es posible que exista en otras células, ya que éstas también

manifiestan una permeabilidad en reposo a los iones de sodio cuando la concentración

extracelular de potasio es cercana a du valor fisiológico. Es posible que este canal catiónico

desempeñe un papel similar al que tiene en el músculo esquelético y participe así en el

origen de su potencial de reposo.

6.- Considere que el potencial de una membrana celular es de -60 mV. Para estos

casos, hay cuatro iones difusibles cuyos potenciales de equilibrio electroquímicos (ecuación

de Nernst) son:

ΔVA+ = -30mV

ΔVB+ = -45mV

ΔVC+ = -70mV

ΔVD+ = -60mV

Determine el movimiento neto de los iones a través de esa membrana. Explique su

respuesta.

ΔVA+ = -30mV, por ende es mayor que el potencial de membrana (-60 mV), lo que

implica que hay una tendencia del ion a entrar a la célula por gradiente químico. ΔVA+ = -30

mV, nos indica que, dentro de la célula, se necesita un potencial de -30mV para

contrarrestar esta tendencia. Pero, como sabemos que el valor del potencial de membrana es

-60 mV, podemos afirmar que, el gradiente eléctrico también favorece la entrada del ión a

la célula. Lo mismo pasa con ΔVB+ = -45mV.

35

ΔVC+ = -70mV, es menor que el potencial de membrana (-60mV), indicando que el

gradiente químico va desde el medio extracelular hasta el intracelular, y que el gradiente

eléctrico es contrario al gradiente químico.

ΔVD+ = -60mV, es igual al potencial de membrana, indicando que el ion está en

equilibrio electroquímico.

7.- Explique el transporte activo de iones en una membrana celular y razone por qué

debe producirse este tipo de transporte en una membrana celular en reposo describa el

modelo de la bomba de sodio- potasio.

El elemento más importante en el transporte activo es el sodio. Así, en algunas

ocasiones la molécula cotransportada es introducida en contra de su gradiente de

concentración junto con el sodio, proceso denominado simporte. En otras circunstancias, el

ingreso de sodio a la célula es utilizado para extraer al otro elemento, lo cual se denomina

antiporte, como es el caso de la bomba sodio - potasio:

A) Tres iones de sodio (3 Na+) intracelulares se insertan en la proteína

transportadora.

B) El ATP aporta un grupo fosfato (Pi) liberándose difosfato de adenosina (ADP).

El grupo fosfato se une a la proteína, hecho que provoca cambios en el canal proteico.

C) Esto produce la expulsión de los 3 Na+ fuera de la célula.

D) Dos iones de potasio (2 K+) extracelulares se acoplan a la proteína de

transporte.

E) El grupo fosfato se libera de la proteína induciendo a los 2 K+ a ingresar a la

célula. A partir de ese momento, comienza una nueva etapa con la expulsión de otros tres

iones de sodio.

36

Ilustración del modelo de la bomba Sodio – Potasio. (2)

8.- Explique qué es potencial umbral, estímulos umbrales, subumbrales, supra-

umbrales. Defina potencial de acción, qué tipo de estímulo lo produce y exprese la ley del

todo o nada. Relacione a través de un gráfico las variaciones en las permeabilidades

(conductancias) de la membrana al sodio y potasio durante un potencial de acción.

Potencial Umbral: El punto en que un estímulo ocasiona una transmisión de un

impulso nervioso se denomina umbral. El estímulo debe alcanzar cierta velocidad para

ocasionar el umbral o en otras palabras, una mínima reacción, haciendo necesario el

impulso nervioso. Si la velocidad no es alcanzada, no se efectúa el impulso nervioso (ley de

todo o nada).

- Estímulos umbrales: Son todos aquellos estímulos cuya intensidad es

mínima para despertar respuestas en las fibras nerviosas.

- Estímulos sub-umbrales: Son aquellos estímulos que no originan respuestas

en las fibras nerviosas.

- Estímulos supra-umbrales: Estos estímulos poseen una intensidad superior

para originar una respuesta en la fibra nerviosa.

37

Los estímulos umbrales son los que generan el potencial de acción, lo que se define

como una onda de descarga eléctrica que viaja a lo largo de la membrana celular. Los

potenciales de acción se utilizan para llevar información en el cuerpo entre unos tejidos y

otros, lo que hacen que sean una característica microscópica esencial para la vida de los

animales.

Pueden generarse por diversos tipos de células corporales pero las más activas en su

uso son las células del sistema nervioso (neuronas) para enviar mensajes entre ellas o entre

ellos hacia otros tejidos corporales, como el músculo o las glándulas.

Muchas plantas también generan potenciales de acción que viajan a través del

floema para coordinar su actividad. La principal diferencia éntrelos potenciales de acción

de animales y plantas es que las plantas utilizan flujos de potasio y calcio mientras que los

animales utilizan potasio y sodio.

Ley del todo o nada: ésta se aplica al impulso nervioso, técnicamente la intensidad

con la que se desarrolla un impulso nervioso no es directamente proporcional a la magnitud

del estímulo, esto se explica, ya que una vez que un estímulo llegó al umbral (magnitud

mínima para sentir un estímulo) éste desencadena un potencial de acción igual a otro que

tuvo el doble de intensidad o el triple.

El potencial de acción se produce no siendo igual. No se produce si el estímulo no

alcanza el punto crítico de la célula y si lo supera es donde hay potencial. La ley se cumple

para fibras aisladas, para una fibra única, pero no se cumple para múltiples fibras nerviosas

(axones).

38

Gráfico de las conductancias de la membrana durante un potencial de acción al sodio y al potasio.

9.- Explique la propiedad de excitabilidad, qué son potenciales electrotónicos y

cómo se producen los potenciales despolarizantes y los hiperpolarizantes. Haga un gráfico

de las variaciones del potencial interno de la membrana en cada caso.

Potencial electrotónico.

Para entender este potencial es necesario entender previamente antes varios

conceptos relacionados con la membrana:

- Excitabilidad: Según Vernorn (1899), era la capacidad para responder a un

estímulo. Bernard la definió como la respuesta que sigue a un cambio ambiental, que es el

estímulo.

- Conductividad: Capacidad de transmitir el estímulo de un punto a otro de la célula.

Se da a velocidad constante y uniforme.

- Capacitancia: Es la propiedad de acumular carga eléctrica por medios

electrostáticos. Influye en cómo ésta responde a un cambio de voltaje aplicado.

39

Sabiendo esto, su puede definir al potencial electrotónico como el cambio pasivo

en el potencial de membrana que está producido por la corriente de la conductancia y por la

capacitancia de la membrana.

Puede ser hiperpolarizante o despolarizante. En caso de ser hiperpolarizante nunca

se llegará a dar un potencial de acción; en caso de ser despolarizante, si la sumatoria

espacial y temporal supera el potencial umbral se dará el potencial de acción.

Variaciones del potencial de membrana cuando ocurre la despolarización y la hiperpolarización.

10.- Defina período refractario y establezca la diferencia entre período refractario

absoluto y el relativo. Explique por qué se originan estos períodos refractarios.

El período refractario se define como el momento en el que la célula excitable no

responde ante un estímulo y por lo tanto no genera un nuevo Potencial de Acción. Se divide

en dos: Período Refractario Absoluto (o Efectivo) y Período Refractario Relativo.

El Período Refractario Absoluto es aquél en el que los canales de Na+ sensibles a

voltaje se encuentran "inactivados", por lo que se deja el transporte de sodio.

En cambio el Período Refractario Relativo se da en alguna parte de la Fase de

Repolarización, en donde los Canales de Na+ paulatinamente comienzan a cerrarse para así

comenzar a abrirse y transportar nuevamente sodio, por lo que al agregar un estímulo

excitatorio muy intenso se puede provocar que los canales que se encuentran cerrados en

ese momento se abran y generen un nuevo Potencial de Acción. El Período Refractario

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Relativo termina después de la fase de Hiperpolarización (o Postpotencial) en donde todos

los Canales de Na+ sensibles a Voltaje están cerrados y disponibles para un nuevo estímulo.

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CONCLUSION

De acuerdo a lo anteriormente planteado, podemos decir de la membrana celular,

que es una envoltura, que se encuentra en todas las células, encargada de separar a la célula

del medio externo, regular el paso de sustancias entre el interior y el exterior, mantener la

concentración de sales, producir gradientes electroquímicos, recibir señales del exterior y

sirve, además, para el reconocimiento celular.

La mayoría de las células mantienen una diferencia de potencial eléctrico a través de

su membrana plasmática y, en estado de reposo, el interior es negativo con relación al

exterior, que se conoce como potencial de membrana. El término potencial de membrana se

refiere al potencial en cualquier momento.

- Hiperpolarización: aumenta el potencial de membrana.

- Despolarización: disminuye el potencial de membrana.

En las células excitables ese potencial de reposo negativo muestra intensos cambios

transitorios durante la actividad: potencial de acción. Estos potenciales se originan como

consecuencia de la desigual distribución de iones a través de la membrana junto con las

características de permeabilidad para cada uno de los iones.

La hiperpolarización disminuye la habilidad de las células para generar potenciales

de acción, mientras que la despolarización aumenta la posibilidad de generación de un

potencial de acción.

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