Potencial de membrana: definición, tipos, equilibrio e iones

Los potenciales de membrana están definidos por varias configuraciones de atención iónica fuera y dentro de la membrana de una célula. Estos potenciales son:

• Potencial de membrana en reposo: la capacidad de la membrana en reposo, situaciones de estado estacionario.
• Potencial de acción: una habilidad no graduada, similar al código binario (on/off).
• Potenciales postsinápticos: potenciales graduados, que se pueden sumar/restar utilizando la modulación de las neuronas presinápticas.

Membrana de reposo 

El potencial de membrana en reposo es la diferencia entre el potencial eléctrico dentro de las arrays intracelular y extracelular del celular mientras no está excitado. Cada célula del cuerpo tiene su propio potencial de membrana, pero solo las células excitables (nervios y grupos musculares) logran intercambiarlo y generar una capacidad de movimiento.

Por este motivo, la capacidad de membrana de las células excitables mientras ya no están excitadas se denomina capacidad de reposo de la membrana, al tiempo que sus modificaciones están relacionadas con una capacidad de movimiento.

El potencial de reposo de la membrana (EM) se origina a partir de las concentraciones exclusivas de iones (expresadas en mmol/l) en la superficie interna y externa de la membrana celular. Hay cuatro tejidos excitables en nuestro marco, y todos tienen valores EM excepcionales:

• Músculo esquelético móvil = -90 milivoltios (mV) 
• Músculo liso celular = -55mV
• Músculo cardíaco móvil = -80mV
• Neurona = -65mV 

Los valores bajos implican que el citoplasma es más electronegativo que el área extracelular. Los valores de EM se basan en numerosos elementos:

• La concentración de iones fuera y dentro del móvil. Los iones que más contribuyen son los iones de sodio, potasio, calcio y cloruro. 
• La actividad de la bomba de sodio-potasio.
• Permeabilidad variable de la membrana celular para los iones.

Producir y mantener el potencial de membrana en reposo (RMP)

RMP es producido y mantenido por:

• Efecto Donnan : descrito como grandes moléculas intracelulares impermeables cargadas negativamente que atraen iones cargados positivamente (p. ej., Na+ y K+) y repelen los negativos (p. ej., Cl−)
• La selectividad de membrana es la diferencia de permeabilidades entre diferentes iones.
• El transporte activo (bomba Na+/K+ ATPasa) es el proceso mediado de mover partículas a través de una membrana biológica, contra el gradiente de concentración.
  • Transporte activo primario: si gasta energía. Así es como funciona la bomba Na+/K+ ATPasa.
  • Transporte activo secundario: si se trata de un gradiente electroquímico. Esto no está involucrado en el mantenimiento de RMP.

En la afección del potencial de membrana en reposo

RMP es creado por la distribución de iones y su difusión a través de la membrana. Los iones de potasio son importantes para RMP debido a su transporte activo, lo que aumenta su concentración dentro de la célula. Sin embargo, los canales de iones selectivos de potasio siempre están abiertos, produciendo una acumulación de carga negativa dentro de la célula. Su movimiento hacia el exterior se debe al movimiento molecular aleatorio y continúa hasta que se acumula suficiente exceso de carga negativa dentro de la célula para formar un potencial de membrana.

Afección de la bomba Na+/K+ ATPasa del RMP

La bomba Na+/K+ ATPasa crea un gradiente de concentración al mover 3Na+ fuera de la célula y 2K+ dentro de la célula. Se bombea Na+ y se bombea K+ contra sus gradientes de concentración. Debido a que esta bomba mueve iones en contra de sus gradientes de concentración, requiere energía.

Afectación de los canales iónicos del potencial de membrana en reposo

La membrana celular contiene canales de proteínas que permiten que los iones se difundan pasivamente sin el gasto directo de energía metabólica. Estos canales permiten que el Na+ y el K+ se muevan a través de la membrana celular desde una concentración más alta hacia una más baja. Como estos canales tienen selectividad por ciertos iones, existen canales iónicos selectivos de potasio y sodio. Todas las membranas celulares son más permeables al K+ que al Na+ porque tienen más canales de K+ que de Na+.

La Ecuación de Nernst- Es una ecuación matemática aplicada en fisiología, para calcular potenciales de equilibrio para ciertos iones.

Ei = (RT/Fz).ℓn[X]1/[X]2

R = Constante de gas
T = Temperatura absoluta (K)
E = La diferencia de potencial a través de la membrana
F = Constante de Faraday (96 500 culombios/mol)
z = Valencia del ion
 

La Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz- Es una ecuación matemática aplicada en Fisiología, para determinar el potencial a través de la membrana de una célula, tomando en cuenta todos los iones que son permeables a través de ella.

E _m = 58log(PNa.[Na]salida+PK.[K]salida)/(PNa..[Na]entrada+PK.[K]entrada)

E = La diferencia de potencial a través de la membrana
P = Permeabilidad de la membrana al sodio o al potasio
[ ] = Concentración de sodio o potasio dentro o fuera

Medición de potenciales de reposo

En algunas celdas, las RPM siempre están cambiando. Para tales, nunca hay un potencial de reposo, que es solo un concepto teórico. Otras células con funciones de transporte de membrana que cambian de potencial con el tiempo, tienen un potencial de reposo. Esto se puede medir insertando un electrodo en la celda. Los potenciales transmembrana también se pueden medir ópticamente con colorantes que cambian sus propiedades ópticas según el potencial de membrana.

El potencial de reposo de la membrana varía según los tipos de células
Por ejemplo:
Células del músculo esquelético: −95 mV
Células del músculo liso: −50 mV
Astrocitos: −80/−90 mV
Neuronas: −70 mV
Eritrocitos: −12 mV

Potencial de acción

Si introducimos un electrodo en el interior del axón y otro en la superficie citoplasmática del axón, se produce una hiperpolarización (en el caso de electrodos internos negativos) o una despolarización (en el caso de externos negativos). Si aumentamos el potencial de membrana hasta el potencial umbral (en membrana con potencial de membrana en reposo, de -70 mV a aproximadamente -55 mV), la fibra nerviosa responde con la aparición de un potencial de acción (apertura repentina de canales de iones de sodio dependientes de voltaje, lo que permite los iones de sodio entren a través de la membrana, haciendo que el interior de las células se vuelva positivo (hay transpolarización). Si el incremento en el potencial de membrana no alcanza el “potencial umbral”, el canal de sodio activado por voltaje no se abrirá. En este caso, no se genera ningún potencial de acción. En la siguiente fase,

iones 

Hay muchos iones dentro de la célula y el área extracelular, pero ahora no todos pueden saltar a través de la membrana celular. Los que pueden, se llaman iones difusibles (sodio, potasio, calcio y cloruro), y los que no pueden son iones no difusibles (proteínas). No obstante, cada grupo de iones contribuye a la capacidad de la membrana. ¿Por qué? Los iones son elementos químicos que transmiten fuerza, unos tremendos (+) y otros pobres (-). Normalmente, hay más iones malos dentro del móvil que fuera, por eso el EM tiene los valores malos. Esta negatividad normalmente se debe a proteínas no difusibles (-).

Los iones difusibles son responsables del cambio del potencial de membrana. Durante la capacidad de movimiento, ocurre una redistribución de los iones, en la que ingresan grandes cantidades de sodio (+) a la célula, lo que hace que la capacidad de la membrana sea menos negativa y más cercana al umbral de la capacidad de movimiento.

Distribución de iones
espacio intracelular	Sodio = 14 mmol/l Potasio = ciento cuarenta mmol/l Calcio = 0,0001 mmol/l Cloruro = cinco mmol/l
espacio extracelular	Sodio = 142 mmol/l Potasio = 4-5 mmol/l Calcio = 2,5 mmol/l Cloruro = 103 mmol/l

Bomba de sodio-potasio (bomba Na-K)

Otra cosa que controla la capacidad de la membrana es la bomba de Na(+)-K(+). Esta bomba usa energía para expulsar 3 moléculas de sodio a cambio de 2 moléculas de potasio. Esto es vital porque esta bomba crea gradientes de atención para el sodio y el potasio, lo que permite que haya más sodio dentro del espacio extracelular y más potasio dentro del espacio intracelular.

El gradiente de conciencia contribuirá más tarde a producir un potencial de acción, debido a una de las pautas legales de la física. Por definición de gradiente de conciencia, cada detalle modifica su gradiente de atención para buscar el equilibrio. Por ejemplo, los iones se difundirán desde un lugar de mejor conciencia a un lugar de menor conciencia hasta que la conciencia del elemento sea igual en cada aspecto. En este enfoque, el sodio se difundirá desde más hacia el área intracelular, y el potasio hará la alternativa.

Permeabilidad de la membrana celular

El componente 0,33 que afecta la capacidad de la membrana es la permeabilidad de la membrana para el sodio y el potasio, que depende de los canales iónicos. Los canales iónicos son proteínas especializadas de la membrana celular que permiten la migración de los iones. Hay dos formas de canales iónicos:

• Canales pasivos: que son los poros dentro de la membrana móvil, a través de los cuales las moléculas saltan según su gradiente de atención. 
• Canales activos: que se abren y permiten el suministro de iones dependiendo del intercambio del potencial de membrana (canales controlados por capacidad), después de la unión de alguna proteína diferente (canales controlados por ligando) o después de la estimulación mecánica.
   

Los poros contribuyen a establecer la capacidad de la membrana en reposo y pueden estar ubicados a lo largo de toda la membrana celular excitable. Cuando el móvil no está excitado, la difusión de iones se produce únicamente a través de los poros. Tenga en cuenta que durante el descanso, se abren muchos poros adicionales de potasio para el sodio. Para ello, la salida de potasio es mayor que la entrada de sodio, lo que contribuye a preservar la negatividad del área intracelular y EM.

Los canales activados por ligandos se colocan cerca de las sinapsis y son responsables de la hipo o hiperpolarización local de la célula después de que el neurotransmisor se une a ellos. Los canales activados por potencial son responsables de la generación y propagación de una capacidad de acción, que en última instancia provoca la liberación de un neurotransmisor. Se descubren en las membranas de los axones y las terminales de los axones.

Capacidad de equilibrio

A partir de la componente del gradiente de atención, anticiparíamos que cada ion difusible salta a través de la membrana móvil hasta que sus concentraciones son iguales en cada faceta. Pero aún así, eso no tiene lugar. ¿Por qué? Hay todos los demás factores físicos en este proceso completo que se oponen al gradiente de conciencia, conocido como gradiente eléctrico, que funciona como un imán.

Tomemos el potasio por ejemplo. La concentración intracelular de potasio es de ciento cuarenta mmol/l, mientras que la extracelular es de 4-5 mmol/l. Podríamos suponer que el potasio se difunde fuera del móvil hasta que haya alrededor de 70 mmol/l de potasio de cada lado de la membrana. Pero, viendo que el potasio es un ion fino (+), su salida aumenta la positividad del espacio extracelular y aumenta la negatividad del espacio intracelular. Esto termina en el punto en que el espacio extracelular es lo suficientemente bueno como para repeler el potasio, y el espacio intracelular se vuelve lo suficientemente negativo como para extraer el potasio agradable. Este factor se conoce como equilibrio electroquímico. Los fisiólogos calcularon la tasa de la EM cuando el potasio ya no puede difundirse fuera de la célula, y está lejos de noventa y cuatro mV.

Ahora, echemos un vistazo al sodio, que también es un gran ion. Debido al gradiente de atención, el sodio tiende a entrar en la célula. En algún momento, el móvil se vuelve lo suficientemente electropositivo para repeler los nuevos iones de sodio, y por lo tanto se opone al gradiente de atención del sodio, alcanzando el equilibrio electroquímico. El precio de la electro positividad que detiene la entrada de sodio es de +sesenta y un mV.

Como dijimos anteriormente, la difusión de potasio generalmente afecta la capacidad de la membrana en reposo. Por otro lado, la difusión de sodio es grande en el curso del potencial de movimiento. Esto implica asuntos:

• El potencial de membrana no puede ser más negativo que -94 mV
• La capacidad de la membrana no puede ser más positiva que +61 mV

Pregunta conceptual

Pregunta 1: ¿Qué significa potencial de membrana?

Responder:

El potencial de membrana es el gradiente de capacidad que fuerza a los iones a circular pasivamente en un solo camino: los iones positivos son atraídos por los iones negativos y los iones negativos son atraídos por los iones positivos.

Pregunta 2: ¿Cuáles son los diferentes tipos de potencial de membrana?

Responder:

• Capacidad de la membrana en reposo: la capacidad de la membrana en reposo, situaciones de estado estacionario.
• Capacidad de acción: una habilidad no graduada, similar al código binario (on/off).
• Potenciales postsinápticos: potenciales graduados, que se pueden sumar/restar utilizando la modulación de las neuronas presinápticas.

Pregunta 3: ¿Cuáles son los dos canales iónicos diferentes de la permeabilidad de la membrana celular?

Responder:

• Canales pasivos: que son los poros dentro de la membrana móvil, a través de los cuales las moléculas saltan según su gradiente de atención. 
• Canales activos: que se abren y permiten el suministro de iones, ya sea dependiendo del intercambio del potencial de membrana (canales controlados por capacidad), o después de la unión de alguna proteína diferente (canales controlados por ligando), o después de la estimulación mecánica.

Pregunta 4: ¿Cuál es el papel de los poros en la permeabilidad de la membrana celular?

Responder:

Los poros contribuyen a establecer la capacidad de la membrana en reposo y pueden estar ubicados a lo largo de toda la membrana celular excitable. Cuando el móvil no está excitado, la difusión de iones solo se produce a través de los poros.

Pregunta 5: ¿Qué es el efecto Donnan?

Responder:

El efecto Donnan se describe como grandes moléculas intracelulares impermeables cargadas negativamente que atraen iones cargados positivamente (p. ej., Na+ y K+) y repelen los negativos (p. ej., Cl−)

Pregunta 6: ¿Explique la ecuación de Nernst del potencial de membrana?

Responder:

 Ei = (RT/Fz).ℓn[X]1/[X]2

• R = constante de gas
• T = Temperatura absoluta (K)
• E = La diferencia de potencial a través de la membrana
• F = Constante de Faraday (96.500 culombios/mol)
• z = Valencia del ion

Pregunta 7: ¿Cuáles son los 3 elementos que contribuyen a la capacidad de reposo de la membrana? 

Responder:

Los potenciales de membrana en las células están determinados principalmente por tres factores: 

• La concentración de iones en el interior y exterior de la célula; 
• La permeabilidad de la membrana celular a esos iones (es decir, la conductancia iónica) a través de canales iónicos específicos; 
• Por la actividad de bombas electrogénicas