Mecanismos responsables del potencial de membrana de reposo celular

este capítulo es vagamente relevante para la sección E (i) del Plan de estudios primario CICM 2017, que espera que el candidato al examen «explique los mecanismos de transporte de sustancias a través de las membranas celulares». Aunque las palabras «potencial de membrana en reposo» nunca aparecen en los college grimoires, la pregunta 14 del segundo artículo de 2017 dedicó el 60% de las marcas a esta área temática., Las áreas específicas de conocimiento detallado esperadas por los examinadores fueron una comprensión de»permeabilidad selectiva de la membrana, gradientes electroquímicos y mecanismos de transporte activos». Más allá de eso, solo se esperaba que los aprendices «demostraran conciencia» de la ecuación de Nernst y la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz.,

la lucha por mantener algún tipo de relevancia del examen y el enfoque del tema siempre ha sido algo de un desafío para este autor, y este tema se vuelve más prominente donde la atención de los examinadores de la universidad se percibe que no coincide con la aparente importancia del tema del capítulo. Lo mismo ocurre con el potencial de membrana en reposo, que es bastante fundamental para prácticamente todo en Biología médica., Uno estaría justificado al decir que el propósito básico de toda la vida en la Tierra es impedir con fuerza que los iones se establezcan a un buen equilibrio electroquímico a ambos lados de una membrana. Sin embargo, para proteger a los candidatos de este tipo de charlas, las respuestas importantes de SAQ se han concentrado en esta caja gris.

En resumen:

Si uno necesita un recurso autorizado para esta información, uno debe ir a los libros de texto oficiales de la Universidad. El capítulo 1 de la 23a edición de Ganong’s Review of Medical Physiology o el Capítulo 5 de Guyton & Hall (la mía es la 13a ed) ambos hacen un trabajo igualmente exhaustivo de explicar este concepto. Si esta recomendación de recursos es por alguna razón inaceptable, el excelente artículo de Stephen Wright (2004) probablemente debería ser la siguiente Referencia más importante, ya que es un intento serio de enseñar al maestro, i.,e el artículo tiene como objetivo describir a los instructores de fisiología la mejor manera de explicar el potencial de membrana en reposo a los estudiantes universitarios. Más allá de eso, Molecular Biology of the Cell (4th edition) tiene una sección Sobre esto en el Capítulo 15 (sección 4) de Harvey Lodish, que está disponible de forma gratuita en los NIH. Por último, si hay tiempo libre suficiente, el Libro Fuente de Fisiología Celular de Nicholas Sperelakis dedica un capítulo entero a este tema (P. 219-242 de la 3a edición); esto es probablemente lo más cercano a una sola referencia definitiva, ya que cubre el tema en detalle agotador. ,

definición del potencial de membrana en reposo

El college examiner comenta a la pregunta 14 del segundo artículo de 2017 que «una buena respuesta incluía una definición del potencial de membrana en reposo». Como de costumbre, no hay una definición oficial y la mayoría de los libros de texto lo definen como

» la diferencia de voltaje (carga) a través de la membrana celular cuando la célula está en reposo.»

En resumen, es la diferencia de carga entre el interior y el exterior de la celda.,

todo el componente «en reposo» de la definición proviene del hecho de que la mayoría de los libros de texto utilizan este concepto para derivar en una discusión de la propagación del potencial de acción, por lo que se vuelve importante definir explícitamente este potencial de membrana como el estado «en reposo» de una célula excitable, en oposición al potencial de membrana de una célula que acaba de despolarizarse.

entonces, ¿cuál es el potencial de membrana en reposo de una célula típica? En todas partes se encuentra un valor de milivoltios ligeramente diferente., Por ejemplo, en otra parte de este capítulo, el valor » predeterminado «para el potencial de membrana en reposo de una celda» típica » aparece como -90 mV.

Esto, por supuesto, está mal. La razón por la que esta falacia se propaga aquí es en gran parte debido al hecho de que Guyton & Hall usa este valor, y los examinadores CICM probablemente esperarán que sus candidatos al examen citen de ese libro de texto oficial., Sin embargo, para el resto de nosotros, es importante reconocer que hay un rango bastante grande de diferentes valores de potencial de membrana en reposo, dependiendo de qué célula se esté mirando y de la composición del fluido extracelular en su microambiente inmediato. Sperelakis (2001) ofrece una tabla de valores en su libro de texto, que se reproduce aquí sin ningún permiso específico (y no está claro de qué referencias provienen estos valores)., Como puede ver, el valor Hall de Guyton & (-90 mV) probablemente se refiere al miocito muscular de rana, un instrumento favorito de los fisiólogos celulares. Otros libros de texto(por ejemplo. Biología Molecular de la célula, 4th ed) use -70 mV, refiriéndose a la neurona humana (generalmente una discusión de potenciales de acción sigue).

gradientes químicos de iones a través de la membrana celular

como ya se discutió en otra parte, la composición del fluido intracelular es significativamente diferente a la composición del fluido extracelular., El siguiente diagrama está tomado de Ling et al (1984), y aunque los sujetos eran células musculares de rana, la esencia general de esto es probablemente generalizable.

Vamos a ignorar los aniones por un momento. Su tiempo llegará. Por Ahora, digamos que debido a la diferencia entre las concentraciones de iones intracelulares y extracelulares, hay un gradiente de concentración química entre los dos compartimentos.,

si la membrana fuera perfectamente impermeable al transporte de iones, no habría tráfico posible y los iones de sodio y potasio permanecerían cortésmente en su lado de la barrera. Desafortunadamente, la membrana es selectivamente permeable, y los iones son capaces de hacer su camino a través.,

selectividad de la membrana a la difusión de iones

sin matar a SEO al revisar el material disponible en otros lugares de este sitio, bastará decir que la bicapa lipídica de la membrana celular es una barrera no polar y, por lo tanto, previene de manera bastante efectiva el intercambio de sustancias polares entre los entornos intracelulares y extracelulares. La membrana celular, por lo tanto, mantiene su permeabilidad a los iones por difusión facilitada por proteínas; es decir, los canales iónicos permiten el tráfico de especies de iones a través de la membrana.,

Este es el siguiente concepto más importante a absorber: la membrana celular no es una estructura totalmente impermeable a los iones, y el movimiento controlado de iones a través de la membrana ocurre. Aunque existen canales de sodio, son pocos, por lo que las células animales típicas son principalmente permeables a los iones de potasio, debido a la presencia de «canales de fuga». Estos canales de potasio están abiertos en todos los momentos, en todos los voltajes de potencial de membrana (es decir, estos no son canales dependientes de voltaje), y no tienen ligandos de apertura natural, ni se ven afectados por ninguno de los bloqueadores convencionales de los canales de potasio., Lesage et al (2000) las describen con mayor detalle (en resumen, son proteínas de canal diméricas de dominio de dos poros, también conocidas como canales K2P, y hay alrededor de 15 familias de ellas actualmente identificadas).

por lo tanto, la presencia de estos canales permite una fuga lenta continua de potasio hacia el fluido extracelular, a lo largo del gradiente de concentración química.

gradiente eléctrico a través de la membrana celular

antes de incluir los canales iónicos en la discusión, la neutralidad eléctrica a ambos lados de la membrana estaba bien mantenida.,

En otras palabras, las concentraciones iguales de iones positivos y negativos en cada lado de la membrana celular significa que la carga de cada compartimento es de cero voltios, y por lo tanto no hay diferencia de potencial entre los compartimentos.

obviamente, con iones de potasio filtrándose a través de la membrana en una dirección, no puede permanecer de esa manera.

Como los iones de potasio sale de la célula, que llevan su carga positiva con ellos., Como consecuencia de la pérdida de estos iones de potasio, el fluido intracelular se carga negativamente en relación con el fluido extracelular. Por lo tanto, los efectos del gradiente de concentración química a través de esta membrana semipermeable también crea una diferencia de potencial eléctrico.

equilibrio de gradientes electroquímicos a través de la membrana celular

normalmente, una fuga de moléculas a través de una membrana culminaría en equilibrio, es decir, donde las moléculas se equilibran en concentraciones iguales a cada lado de la membrana., Sin embargo, esto no puede suceder en este caso, porque los iones de potasio están cargados positivamente. A medida que se escapan de la célula, el fluido intracelular se cargará progresivamente más y más negativamente, y algunos iones de potasio serán atraídos de nuevo a la célula por las fuerzas de atracción electrostática. Hay, por lo tanto, dos fuerzas opuestas que actúan sobre los iones de potasio a través de esta membrana.,

uno podría, por lo tanto, imaginar cómo la corriente de iones de potasio que fluye fuera de la célula se ralentiza y, finalmente, se equilibra con el flujo de iones de potasio de vuelta a la célula. Uno podría incluso usar el término equilibrio electroquímico para describir este equilibrio. De hecho, si uno estuviera inclinado hacia las matemáticas hardcore, uno podría estar interesado en algún tipo de representación matemática formal de este equilibrio. En esta etapa, el candidato gimiendo examen CICM debe familiarizarse con la ecuación de Nernst.,

La ecuación de Nernst

Esta es la relación de las Fuerzas Eléctricas y químicas que actúan sobre cualquier especie iónica a través de una membrana semipermeable. Se atribuye a Walther Hermann Nernst, un científico alemán con gafas cuyos otros logros incluyeron el desarrollo de algunas armas químicas relativamente ineficaces para los alemanes durante la Primera Guerra Mundial, y convertirse en uno de los pocos eruditos en recibir un Premio Nobel mientras permanecía oficialmente reconocido como un criminal de guerra.,

uno puede encontrar una discusión más científica de la ecuación de Nernst en el artículo de Stephen Wright (2004), que está libre de ese tipo de digresiones.

Básicamente, esta versión de la ecuación le da un valor (VK) que es la diferencia de potencial (en voltios) que se opone a la fuerza de un gradiente de concentración química para iones cargados. se utiliza aquí porque el potasio es el ion de interés en esta discusión. Sustituyendo valores por constantes y valores conocidos(ej., la valencia de los iones de potasio es 1+, y la temperatura corporal en Kelvin) se puede simplificar esta ecuación en algo que es con suerte más susceptible de ser memorizado por un candidato a examen CICM medio loco:

Si uno fuera a sustituir los valores comúnmente esperados para las concentraciones intracelulares y extracelulares de potasio, podríamos averiguar qué diferencia de potencial se generaría a través de una membrana. Wright (2004) utiliza un gradiente de 10:1 (i. e., 100 mmol de concentración intracelular y 10 mmol de concentración extracelular) para fines ilustrativos; donde el gradiente es 10: 1 la diferencia de potencial alcanzada en equilibrio es de aproximadamente 61 milivoltios. Esta diferencia de potencial es el «potencial de Nernst» para cualquier ion dado, y aumenta cada vez que aumenta la relación de concentraciones (es decir, cuanto mayor es la diferencia de concentración, mayor es el potencial de Nernst requerido para mantener el equilibrio electroquímico).

en esta etapa, es importante mencionar que la magnitud del flujo iónico real a través de la membrana es en realidad bastante pequeña., Los diagramas coloridos podrían sugerir que los iones de potasio están rociando salvajemente fuera de la célula, y los canales de «fuga» de potasio al menos implican que hay una tasa mensurable de iones que se difunde constantemente fuera del fluido intracelular, pero en realidad la masa molar de potasio que se abre paso a través de esos canales K2P es tan pequeña que no se puede medir por ningún método convencional. La razón de esto es la carga relativamente grande de cada ion individual: cada 1 mmol de K+ monovalente lleva aproximadamente 100 coulombs de carga., Sin entrar en detalles excesivos, se puede resumir diciendo que para generar una diferencia de potencial de 60 mV a través de un centímetro cuadrado de superficie celular, 6 × 10-13 mol de iones de potasio necesitan cruzar la membrana, una cantidad tan pequeña que ningún instrumento terrenal puede medirla.

al discutir esto, hasta ahora nos hemos centrado en los iones de potasio como si fueran los únicos iones que atraviesan la membrana., El potasio es el mayor contribuyente al potencial de membrana en reposo, pero hay muchos otros iones dentro y fuera de la célula, y la membrana celular es (al menos ligeramente) permeable a todos ellos. Debido a esto, la ecuación de Nernst es una representación imperfecta del equilibrio electroquímico total en la superficie de la membrana celular.,»8754542295″>Ion species

Nernst potential K+ – 94 mV Na+ + 60 mV Ca2+ + 130 mV Cl- – 80 mV

So, what is the overall effect of all these ions and their electrochemical concentration gradients?, Se requiere una ecuación mucho más carnosa, algo que tenga en cuenta todas las otras especies iónicas.,h2>la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz

obviamente, cuando se empieza a hablar de una selección de diferentes iones, habrá que tener en cuenta varios factores adicionales:

• Valencia de estos iones extra
• La polaridad de su carga eléctrica (hasta ahora solo hemos estado tratando con potasio cargado positivamente)
• diferentes concentraciones de estos iones en el interior y el exterior de la célula
• /li>

para tener en cuenta todo esto, obviamente se requerirá alguna versión mutante de la ecuación de Nernst., Esa es la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz.

La principal diferencia entre esto y la ecuación de Nernst es la presencia de iones adicionales y la adición de la variable P, que es la constante de permeabilidad de la membrana. Si esa constante de permeabilidad fuera cero para todo lo que no fuera potasio, entonces todos esos otros iones desaparecerían matemáticamente de la ecuación y volvería a verse como una ecuación normal de Nernst.,

contribución de las especies iónicas al equilibrio electroquímico

de hecho, esos otros iones también pueden desaparecer, por toda la influencia que ejercen sobre el potencial de membrana en reposo. La permeabilidad de la membrana para iones de potasio es Órdenes de magnitud mayor que para otros iones. Para las células» normales «bañadas en líquido extracelular» normal», la relación de concentración de potasio es de aproximadamente 35:1, para lo cual Guyton & Hall cita un potencial Nernst de -94 mV.,

ahora, cuando se agrega la contribución del sodio (que tiene un potencial Nernst de +61 mV), la combinación de los dos solo te lleva a un potencial intracelular de -86 mV, es decir, no se mueve realmente. Esto se debe a que la permeabilidad de la membrana al sodio es tan pobre que el movimiento del sodio dentro de la célula es mínimo, en comparación con el movimiento del potasio fuera de la célula.

Guyton& Hall también menciona que la ATPasa Na+ / K + juega un papel menor en el origen del potencial de membrana en reposo., Al bombear 2 iones de potasio en la célula mientras bombea 3 iones de sodio, cada vez que la bomba ciclo elimina una carga positiva del fluido intracelular, aumentando así el potencial intracelular negativo. De acuerdo con ese libro de texto, la contribución de este fenómeno al potencial total de membrana en reposo es el cambio de -86 mV a -90 mV, es decir, una concentración bastante menor. Estos números probablemente provienen de estudios como Miura et al (1978)., Los investigadores bloquearon la ATPasa Na+/K+de las fibras caninas de Purkinje usando ouabain, y encontraron que el potencial de membrana en reposo cambió de-83.6 mV a 78.8 mV como resultado de este efecto.

entonces, ¿qué pasa con el cloruro? El aparente enfoque injusto en el sodio y el potasio en la discusión del gradiente electroquímico parece ignorar por completo la existencia de iones cloruro. Esto es bastante razonable., En la mayoría de las células de mamíferos no hay bombas de cloruro activas, y la concentración de cloruro intracelular y extracelular se distribuye pasivamente de acuerdo con la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz. La carga extracelular negativa repele los iones de cloruro cargados negativamente, por lo que uno podría esperar que haya menos de ellos dentro de la célula. Esto es cierto: con un potencial de membrana de alrededor de -90 mV y una concentración extracelular de cloruro de alrededor de 100 mmol/L, Se espera que la concentración intracelular de cloruro sea de alrededor de 5.0 mmol/L (Sperelakis, 2001 – p. 224).