Potencial de reposo

El potencial de membrana relativamente estático de las células en reposo se denomina potencial de membrana en reposo (o voltaje de reposo), a diferencia de los fenómenos electroquímicos dinámicos específicos denominados potencial de acción y potencial de membrana graduado . El potencial de membrana en reposo tiene un valor de aproximadamente -70 mV o -0,07 V. ^[1]

Aparte de los dos últimos, que se producen en células excitables ( neuronas , músculos y algunas células secretoras de las glándulas ), el voltaje de membrana en la mayoría de las células no excitables también puede sufrir cambios en respuesta a estímulos ambientales o intracelulares. El potencial de reposo existe debido a las diferencias en las permeabilidades de la membrana para los iones potasio , sodio , calcio y cloruro , que a su vez resultan de la actividad funcional de varios canales iónicos , transportadores de iones e intercambiadores. Convencionalmente, el potencial de membrana en reposo se puede definir como un valor fundamental relativamente estable del voltaje transmembrana en células animales y vegetales.

Debido a que la permeabilidad de la membrana para el potasio es mucho mayor que la de otros iones, y debido al fuerte gradiente químico del potasio, los iones de potasio fluyen desde el citosol hacia el espacio extracelular llevando carga positiva, hasta que su movimiento se equilibra mediante la acumulación de carga negativa en la superficie interna de la membrana. Nuevamente, debido a la alta permeabilidad relativa para el potasio, el potencial de membrana resultante casi siempre está cerca del potencial de inversión del potasio . Pero para que ocurra este proceso, primero debe establecerse un gradiente de concentración de iones de potasio. Este trabajo lo realizan las bombas/transportadores y/o intercambiadores de iones y generalmente está impulsado por ATP .

En el caso del potencial de membrana en reposo a través de la membrana plasmática de una célula animal , los gradientes de potasio (y sodio) son establecidos por la Na ⁺ /K ⁺ -ATPasa (bomba de sodio-potasio) que transporta 2 iones de potasio al interior y 3 iones de sodio al exterior a costa de 1 molécula de ATP. En otros casos, por ejemplo, un potencial de membrana puede establecerse por acidificación del interior de un compartimento membranoso (como la bomba de protones que genera potencial de membrana a través de las membranas de las vesículas sinápticas ). ^{[ cita requerida ]}

En la mayoría de los tratamientos cuantitativos del potencial de membrana, como la derivación de la ecuación de Goldman , se supone la electroneutralidad ; es decir, que no hay un exceso de carga medible en ninguno de los lados de la membrana. Por lo tanto, aunque hay un potencial eléctrico a través de la membrana debido a la separación de cargas, no hay una diferencia medible real en la concentración global de iones positivos y negativos a través de la membrana (como se estima a continuación), es decir, no hay un exceso de carga medible real en ninguno de los lados. Esto ocurre porque el efecto de la carga en el potencial electroquímico es enormemente mayor que el efecto de la concentración, por lo que un cambio indetectable en la concentración crea un gran cambio en el potencial eléctrico. ^{[ cita requerida ]}

Las membranas celulares suelen ser permeables a solo un subconjunto de iones, que suelen incluir iones de potasio, iones de cloruro, iones de bicarbonato y otros. Para simplificar la descripción de la base iónica del potencial de membrana en reposo, es más útil considerar primero solo una especie iónica y considerar las demás más adelante. Dado que los potenciales transmembrana plasmática casi siempre están determinados principalmente por la permeabilidad al potasio, es por ahí por donde hay que empezar.

• El panel 1 del diagrama muestra una representación diagramática de una célula simple donde ya se ha establecido un gradiente de concentración. Este panel está dibujado como si la membrana no tuviera permeabilidad a ningún ion. No hay potencial de membrana porque, a pesar de que hay un gradiente de concentración para el potasio, no hay un desequilibrio neto de carga a través de la membrana. Si la membrana se volviera permeable a un tipo de ion que está más concentrado en un lado de la membrana, entonces ese ion contribuiría al voltaje de la membrana porque los iones permeables se moverían a través de la membrana con un movimiento neto de ese tipo de ion a favor del gradiente de concentración. Habría un movimiento neto desde el lado de la membrana con una mayor concentración del ion hacia el lado con una menor concentración. Tal movimiento de un ion a través de la membrana daría como resultado un desequilibrio neto de carga a través de la membrana y un potencial de membrana. Este es un mecanismo común por el cual muchas células establecen un potencial de membrana.
• En el panel 2 del diagrama, la membrana celular se ha vuelto permeable a los iones de potasio, pero no a los aniones (An ⁻ ) dentro de la célula. Estos aniones son aportados principalmente por proteínas. Hay energía almacenada en el gradiente de concentración de iones de potasio que se puede convertir en un gradiente eléctrico cuando los iones de potasio (K ⁺ ) salen de la célula. Nótese que los iones de potasio pueden moverse a través de la membrana en ambas direcciones, pero por el proceso puramente estadístico que surge de la mayor concentración de iones de potasio dentro de la célula, habrá más iones de potasio saliendo de la célula. Debido a que hay una mayor concentración de iones de potasio dentro de las células, es más probable que su movimiento molecular aleatorio encuentre el poro de permeabilidad ( canal iónico ) que es el caso de los iones de potasio que están afuera y en una concentración más baja. Un K ⁺ interno es simplemente "más probable" que salga de la célula que un K ⁺ extracelular que entre en ella. Es una cuestión de difusión que realiza trabajo disipando el gradiente de concentración. A medida que el potasio sale de la célula, está dejando atrás los aniones. Por lo tanto, se está produciendo una separación de cargas a medida que el K ⁺ sale de la célula. Esta separación de cargas crea un voltaje transmembrana. Este voltaje transmembrana es el potencial de membrana. A medida que el potasio continúa saliendo de la célula, separando más cargas, el potencial de membrana seguirá creciendo. La longitud de las flechas (verde indica gradiente de concentración, rojo indica voltaje), representa la magnitud del movimiento de iones de potasio debido a cada forma de energía. La dirección de la flecha indica la dirección en la que se aplica esa fuerza en particular. Por lo tanto, el voltaje de membrana que se acumula es una fuerza creciente que actúa en contra de la tendencia al movimiento neto de iones de potasio a favor del gradiente de concentración de potasio.
• En el Panel 3, el voltaje de la membrana ha crecido hasta el punto de que su "fuerza" ahora coincide con los gradientes de concentración. Dado que estas fuerzas (que se aplican al K ⁺ ) ahora tienen la misma fuerza y ​​están orientadas en direcciones opuestas, el sistema ahora está en equilibrio . Dicho de otra manera, la tendencia del potasio a salir de la célula corriendo a favor de su gradiente de concentración ahora se corresponde con la tendencia del voltaje de la membrana a atraer iones de potasio de regreso a la célula. El K ⁺ continúa moviéndose a través de la membrana, pero la velocidad a la que entra y sale de la célula es la misma, por lo tanto, no hay una corriente neta de potasio. Debido a que el K ⁺ está en equilibrio, el potencial de membrana es estable o "en reposo" (E _K ).

El voltaje de reposo es el resultado de varias enzimas translocadoras de iones ( uniportadores , cotransportadores y bombas ) en la membrana plasmática, que operan constantemente en paralelo, por lo que cada translocador de iones tiene su fuerza electromotriz característica (= potencial de inversión = 'voltaje de equilibrio'), dependiendo de las concentraciones particulares de sustrato dentro y fuera ( ATP interno incluido en el caso de algunas bombas). La ATPasa exportadora de H ⁺ hace que el voltaje de membrana en plantas y hongos sea mucho más negativo que en las células animales más ampliamente investigadas, donde el voltaje de reposo está determinado principalmente por canales iónicos selectivos.

En la mayoría de las neuronas, el potencial de reposo tiene un valor de aproximadamente -70 mV. El potencial de reposo está determinado principalmente por las concentraciones de iones en los fluidos a ambos lados de la membrana celular y las proteínas de transporte de iones que se encuentran en la membrana celular. A continuación se describe cómo las concentraciones de iones y las proteínas de transporte de membrana influyen en el valor del potencial de reposo.

El potencial de reposo de una célula se puede entender mejor si se piensa en él en términos de potenciales de equilibrio. En el diagrama de ejemplo que se muestra aquí, a la célula modelo se le asignó solo un ion permeable (potasio). En este caso, el potencial de reposo de esta célula sería el mismo que el potencial de equilibrio del potasio.

Sin embargo, una célula real es más complicada, ya que tiene permeabilidades a muchos iones, cada uno de los cuales contribuye al potencial de reposo. Para entenderlo mejor, considere una célula con solo dos iones permeables, potasio y sodio. Considere un caso en el que estos dos iones tienen gradientes de concentración iguales dirigidos en direcciones opuestas, y que las permeabilidades de la membrana a ambos iones son iguales. K ⁺ que sale de la célula tenderá a arrastrar el potencial de membrana hacia E _K . Na ⁺ que entra en la célula tenderá a arrastrar el potencial de membrana hacia el potencial de inversión para el sodio E _Na . Dado que las permeabilidades a ambos iones se establecieron para que fueran iguales, el potencial de membrana, al final del tira y afloja Na ⁺ /K ^{+ , terminará a medio camino entre} E _Na y E _K . Como E _Na y E _K eran iguales pero de signos opuestos, la mitad del camino entre ellos es cero, lo que significa que la membrana descansará a 0 mV.

Tenga en cuenta que, aunque el potencial de membrana a 0 mV es estable, no es una condición de equilibrio porque ninguno de los iones contribuyentes está en equilibrio. Los iones se difunden a lo largo de sus gradientes electroquímicos a través de canales iónicos, pero el potencial de membrana se mantiene mediante la entrada continua de K ⁺ y la salida de Na ^{+ a través de} transportadores de iones . Esta situación con permeabilidades similares para iones que actúan en contra, como el potasio y el sodio en las células animales, puede ser extremadamente costosa para la célula si estas permeabilidades son relativamente grandes, ya que se necesita mucha energía de ATP para bombear los iones de regreso. Debido a que ninguna célula real puede permitirse permeabilidades iónicas tan iguales y grandes en reposo, el potencial de reposo de las células animales está determinado por la alta permeabilidad predominante al potasio y se ajusta al valor requerido modulando las permeabilidades y gradientes de sodio y cloruro.

En una célula animal sana, la permeabilidad al Na ⁺ es aproximadamente el 5% de la permeabilidad al K ⁺ o incluso menos, mientras que los potenciales de inversión respectivos son +60 mV para el sodio ( E _Na ) y −80 mV para el potasio ( E _K ). Por lo tanto, el potencial de membrana no estará justo en E _K , sino que se despolarizará con respecto a E _K en una cantidad de aproximadamente el 5% de la diferencia de 140 mV entre E _K y E _Na . Por lo tanto, el potencial de reposo de la célula será de aproximadamente −73 mV.

En una notación más formal, el potencial de membrana es el promedio ponderado del potencial de equilibrio de cada ion contribuyente. El tamaño de cada peso es la conductancia relativa de cada ion. En el caso normal, donde tres iones contribuyen al potencial de membrana:

${\displaystyle E_{m}={\frac {g_{K^{+}}}{g_{tot}}}E_{K^{+}}+{\frac {g_{Na^{+}}} {g_{tot}}}E_{Na^{+}}+{\frac {g_{Cl^{-}}}{g_{tot}}}E_{Cl^{-}}}$,

dónde

• E _m es el potencial de membrana, medido en voltios
• E _X es el potencial de equilibrio para el ion X, también en voltios
• g _X / g _tot es la conductancia relativa del ion X, que es adimensional
• g _tot es la conductancia total de todos los iones permeables en unidades arbitrarias (por ejemplo, siemens para conductancia eléctrica), en este caso g _{K ⁺} + g _{Na ⁺} + g _{Cl ⁻}

Para la determinación de los potenciales de membrana, los dos tipos más importantes de proteínas de transporte de iones de membrana son los canales iónicos y los transportadores de iones . Las proteínas de los canales iónicos crean caminos a través de las membranas celulares a través de los cuales los iones pueden difundirse pasivamente sin gasto directo de energía metabólica. Tienen selectividad para ciertos iones, por lo tanto, hay canales iónicos selectivos de potasio , cloruro y sodio . Diferentes células e incluso diferentes partes de una célula ( dendritas , cuerpos celulares , nódulos de Ranvier ) tendrán diferentes cantidades de varias proteínas de transporte de iones. Por lo general, la cantidad de ciertos canales de potasio es más importante para el control del potencial de reposo (ver a continuación). Algunas bombas de iones como la Na+/K+-ATPasa son electrogénicas, es decir, producen desequilibrio de carga a través de la membrana celular y también pueden contribuir directamente al potencial de membrana. La mayoría de las bombas utilizan energía metabólica (ATP) para funcionar.

Para la mayoría de las células animales, los iones de potasio (K ⁺ ) son los más importantes para el potencial de reposo. ^[2] Debido al transporte activo de iones de potasio, la concentración de potasio es mayor dentro de las células que fuera. La mayoría de las células tienen proteínas de canales iónicos selectivos de potasio que permanecen abiertas todo el tiempo. Habrá un movimiento neto de iones de potasio cargados positivamente a través de estos canales de potasio con una acumulación resultante de exceso de carga negativa dentro de la célula. El movimiento hacia afuera de iones de potasio cargados positivamente se debe al movimiento molecular aleatorio ( difusión ) y continúa hasta que se acumula suficiente exceso de carga negativa dentro de la célula para formar un potencial de membrana que puede equilibrar la diferencia en la concentración de potasio entre el interior y el exterior de la célula. "Equilibrio" significa que la fuerza eléctrica ( potencial ) que resulta de la acumulación de carga iónica , y que impide la difusión hacia afuera, aumenta hasta que es igual en magnitud pero opuesta en dirección a la tendencia al movimiento difusivo hacia afuera del potasio. Este punto de equilibrio es un potencial de equilibrio ya que el flujo transmembrana neto (o corriente ) de K ⁺ es cero. Una buena aproximación del potencial de equilibrio de un ion determinado sólo necesita las concentraciones a ambos lados de la membrana y la temperatura. Se puede calcular utilizando la ecuación de Nernst :

${\displaystyle E_{eq,K^{+}}={\frac {RT}{zF}}\ln {\frac {[K^{+}]_{o}}{[K^{+}]_{i}}},}$

dónde

• E _{eq,K ⁺} es el potencial de equilibrio del potasio, medido en voltios.
• R es la constante universal de los gases , igual a 8,314 julios ·K ⁻¹ ·mol ⁻¹
• T es la temperatura absoluta , medida en kelvin (= K = grados Celsius + 273,15)
• z es el número de cargas elementales del ion en cuestión involucradas en la reacción
• F es la constante de Faraday , igual a 96.485 culombios ·mol ⁻¹ o J·V ⁻¹ ·mol ⁻¹
• [K ⁺ ] _o es la concentración extracelular de potasio, medida en mol ·m ⁻³ o mmol·l ⁻¹
• [K ⁺ ] _i es también la concentración intracelular de potasio.

Los potenciales de equilibrio de potasio de alrededor de -80 milivoltios (dentro del negativo) son comunes. Se observan diferencias en diferentes especies, diferentes tejidos dentro del mismo animal y los mismos tejidos bajo diferentes condiciones ambientales. Aplicando la ecuación de Nernst anterior, se pueden explicar estas diferencias por cambios en la concentración relativa de K ⁺ o diferencias de temperatura.

Para el uso común, la ecuación de Nernst se suele dar de forma simplificada, suponiendo una temperatura corporal humana típica (37 °C), reduciendo las constantes y cambiando a la base logarítmica 10. (Las unidades utilizadas para la concentración no son importantes, ya que se cancelarán en una proporción). Para el potasio a temperatura corporal normal, se puede calcular el potencial de equilibrio en milivoltios como:

${\displaystyle E_{eq,K^{+}}=61,54mV\log {\frac {[K^{+}]_{o}}{[K^{+}]_{i}}},}$

De la misma manera, el potencial de equilibrio del sodio (Na ⁺ ) a temperatura corporal humana normal se calcula utilizando la misma constante simplificada. Se puede calcular E suponiendo una concentración externa, [K ⁺ ] _o , de 10 mM y una concentración interna, [K ⁺ ] _i , de 100 mM. Para los iones cloruro (Cl− ⁾ , el signo de la constante debe invertirse (−61,54 mV). Si se calcula el potencial de equilibrio del calcio (Ca2 ⁺ ), la carga 2+ reduce a la mitad la constante simplificada a 30,77 mV. Si se trabaja a temperatura ambiente, aproximadamente 21 °C, las constantes calculadas son aproximadamente 58 mV para K ⁺ y Na ⁺ , −58 mV para Cl− ^y 29 mV para Ca2 ⁺ . A temperatura fisiológica, alrededor de 29,5 °C, y concentraciones fisiológicas (que varían para cada ion), los potenciales calculados son aproximadamente 67 mV para Na ⁺ , −90 mV para K ⁺ , −86 mV para Cl ⁻ y 123 mV para Ca ²⁺ .

El potencial de membrana en reposo no es un potencial de equilibrio, ya que depende del gasto constante de energía (para las bombas iónicas mencionadas anteriormente) para su mantenimiento. Es un potencial de difusión dinámico que tiene en cuenta este mecanismo, totalmente diferente del potencial de equilibrio de almohadas, que es cierto sin importar la naturaleza del sistema en consideración. El potencial de membrana en reposo está dominado por la especie iónica en el sistema que tiene la mayor conductancia a través de la membrana. Para la mayoría de las células, esta es el potasio. Como el potasio también es el ion con el potencial de equilibrio más negativo, por lo general el potencial de reposo no puede ser más negativo que el potencial de equilibrio del potasio. El potencial de reposo se puede calcular con la ecuación de voltaje de Goldman-Hodgkin-Katz utilizando las concentraciones de iones como para el potencial de equilibrio, al mismo tiempo que se incluyen las permeabilidades relativas de cada especie iónica. En condiciones normales, es seguro asumir que solo los iones de potasio, sodio (Na ⁺ ) y cloruro (Cl ⁻ ) juegan un papel importante en el potencial de reposo:

${\displaystyle E_{m}={\frac {RT}{F}}\ln {\left({\frac {P_{Na^{+}}[Na^{+}]_{o}+P_{K^{+}}[K^{+}]_{o}+P_{Cl^{-}}[Cl^{-}]_{i}}{P_{Na^{+}}[Na^{+}]_{i}+P_{K^{+}}[K^{+}]_{i}+P_{Cl^{-}}[Cl^{-}]_{o}}}\right)}}$

Esta ecuación se parece a la ecuación de Nernst, pero tiene un término para cada ion permeante. Además, se ha insertado z en la ecuación, lo que hace que las concentraciones intracelulares y extracelulares de Cl ⁻ se inviertan en relación con K ⁺ y Na ⁺ , ya que la carga negativa del cloruro se maneja invirtiendo la fracción dentro del término logarítmico. * E _m es el potencial de membrana, medido en voltios * R , T y F son como se indica anteriormente * P _s es la permeabilidad relativa del ion s *[s] _Y es la concentración del ion s en el compartimento Y como se indica anteriormente. Otra forma de ver el potencial de membrana, considerando en cambio la conductancia de los canales iónicos en lugar de la permeabilidad de la membrana, es utilizando la ecuación de Millman (también llamada ecuación de conductancia de cuerdas):

${\displaystyle E_{m}={\frac {g_{K^{+}}E_{eq,K^{+}}+g_{Na^{+}}E_{eq,Na^{+}}+ g_{Cl^{-}}E_{eq,Cl^{-}}}{g_{K^{+}}+g_{Na^{+}}+g_{Cl^{-}}}}}$

o reformulado

${\displaystyle E_{m}={\frac {g_{K^{+}}}{g_{tot}}}E_{eq,K^{+}}+{\frac {g_{Na^{+} }}{g_{tot}}}E_{eq,Na^{+}}+{\frac {g_{Cl^{-}}}{g_{tot}}}E_{eq,Cl^{-}} }$

donde g _tot es la conductancia combinada de todas las especies iónicas, nuevamente en unidades arbitrarias. La última ecuación representa el potencial de membrana en reposo como un promedio ponderado de los potenciales de inversión del sistema, donde los pesos son las conductancias relativas de cada especie iónica ( g _X / g _tot ). Durante el potencial de acción, estos pesos cambian. Si las conductancias de Na ⁺ y Cl ⁻ son cero, el potencial de membrana se reduce al potencial de Nernst para K ⁺ (como g _{K ⁺} = g _tot ). Normalmente, en condiciones de reposo g _Na+ y g _Cl− no son cero, pero son mucho más pequeños que g _K+ , lo que hace que E _m sea cercano a E _eq,K+ . Las condiciones médicas como la hipercalemia en la que se cambia el potasio sérico en sangre (que regula [K ⁺ ] _o ) son muy peligrosas ya que compensan E _eq,K+ , afectando así a E _m . Esto puede causar arritmias y paro cardíaco . El uso de una inyección en bolo de cloruro de potasio en las ejecuciones por inyección letal detiene el corazón desplazando el potencial de reposo a un valor más positivo, lo que despolariza y contrae las células cardíacas de forma permanente, no permitiendo que el corazón se repolarice y entre así en diástole para rellenarse de sangre.

Aunque la ecuación de voltaje de GHK y la ecuación de Millman están relacionadas, no son equivalentes. La diferencia fundamental es que la ecuación de Millman supone que la relación corriente-voltaje es óhmica, mientras que la ecuación de voltaje de GHK tiene en cuenta las pequeñas rectificaciones instantáneas predichas por la ecuación de flujo de GHK causadas por el gradiente de concentración de iones. Por lo tanto, se puede calcular una estimación más precisa del potencial de membrana utilizando la ecuación de GHK que con la ecuación de Millman. ^[3]

En algunas células, el potencial de membrana cambia constantemente (como las células del marcapasos cardíaco ). Para estas células nunca hay "descanso" y el "potencial de reposo" es un concepto teórico. Otras células con pocas funciones de transporte de membrana que cambian con el tiempo tienen un potencial de membrana en reposo que se puede medir insertando un electrodo en la célula. ^[4] Los potenciales transmembrana también se pueden medir ópticamente con colorantes que cambian sus propiedades ópticas de acuerdo con el potencial de membrana.

Las corrientes de reposo en los nervios fueron medidas y descritas por Julius Bernstein en 1902, donde propuso una "Teoría de la Membrana" que explicaba el potencial de reposo de los nervios y los músculos como un potencial de difusión. ^[9]

• Potencial de acción
• Despolarización
• Hiperpolarización (biología)
• Potencial de membrana

• Neurociencia - libro de texto en línea de Purves, et al.
• Neuroquímica básica: aspectos moleculares, celulares y médicos por Siegel, et al.
• Bertil Hille Canales iónicos de membranas excitables , 3.ª ed., Sinauer Associates, Sunderland, MA (2001). ISBN 0-87893-321-2 
• Wright, SH (2004). "Generación del potencial de membrana en reposo". Adv Physiol Educ . 28 (1–4): 139–42. doi :10.1152/advan.00029.2004. PMID  15545342. S2CID  5009629.
• Potencial de membrana en reposo - Notas de clase en línea sobre el potencial de membrana en reposo
• El origen del potencial de membrana en reposo - Tutorial interactivo online