Potencial de descanso

Potencial de reposo es el término utilizado para designar el potencial de membrana electroquímico de la membrana plasmática de una célula excitable cuando está en reposo: es uno de los posibles estados del potencial de membrana .

Al insertar un electrodo de medición dentro de la celda (ver el método patch-clamp ), se observa una diferencia de potencial ( ddp ): la cara interna de la membrana es negativa en comparación con un electrodo de referencia colocado en la cara externa de la membrana.

Esta diferencia de potencial se debe a la separación de cargas a ambos lados de la membrana, provocada por una corriente permanente de iones (principalmente potasio) a través de los canales iónicos . Esta corriente disipa la fuerza electroosmótica causada por diferencias de concentración entre diferentes especies iónicas . Esta diferencia de concentración se mantiene permanentemente por la actividad consumidora de energía de las bombas de sodio-potasio .

La existencia de un potencial de membrana es universal para las células vivas .

Mecanismos físicos

Las propiedades activas de la membrana plasmática están en el origen de esta diferencia de potencial (ddp):

Propiedades específicas de la bicapa de fosfolípidos :
- impermeabilidad que permite mantener las diferencias de concentración a ambos lados de la membrana y, por tanto, un gradiente químico (ver tabla a continuación);
- alta resistencia eléctrica que permite mantener una diferencia de potencial, por lo tanto un gradiente eléctrico ;
Propiedades específicas de las proteínas de membrana :
- los canales de fuga de potasio son responsables de una permeabilidad selectiva de la membrana que solo permite el paso de iones potasio ;
- la bomba de potasio / sodio transporta activamente los iones de sodio hacia afuera y hacia adentro los iones de potasio.

Las concentraciones de los principales iones en las células humanas.

Ion	concentración intracelular (mmol / l)	concentración extracelular (mmol / l)	Relación	Potencial de equilibrio según la ecuación de Nernst
Na +	7-12	144	1:12	aprox. + 60 mV
K +	160	4	40: 1	- 91 mV
Ca 2+	10 -5 - 10 -4	2		+ 125 hasta + 310 mV
Mg 2+	0,1 - 3	1
Cl -	4-7	120	1:22	aprox. - 82 mV
HCO 3 -	8-10	26-28	1: 3	- 27 mV
Proteína aniónica (cargada negativamente)	155	5

El modelo de bomba / fuga ( bomba / fuga ) basado en los efectos antagónicos de la bomba sodio-potasio (Na + -K + ATPasa ) por un lado y de los canales de potasio por otro.

La Na + -K + ATPasa utiliza la energía contenida en el ATP para mantener una diferencia en la composición iónica entre el interior y el exterior de la célula. La actividad de la bomba tiene el efecto directo de que los iones de potasio predominan en el citoplasma de la célula, mientras que los iones de sodio predominan fuera de la célula. La apertura de los canales de potasio, los únicos canales que están abiertos en la línea de base en la mayoría de las células, permite que se disipe el gradiente químico de potasio. La separación de carga resultante crea la diferencia de potencial eléctrico medida. La electroneutralidad de los dos compartimentos se viola cerca de la membrana. Sin embargo, dada la geometría del sistema, solo se requiere un excedente de aproximadamente 2 en 100.000 iones para tener en cuenta el potencial de membrana. La electroneutralidad se respeta macroscópicamente. El campo eléctrico creado evita la salida de los iones de potasio.

En resumen, el potencial químico de los iones de potasio está a favor de una salida de estos iones. Esta salida crea una fuerza eléctrica que se opone a la salida de un mayor número de iones de potasio.

En las neuronas y otras células excitables, una señal provoca la apertura transitoria de los canales de sodio responsable de una despolarización transitoria llamada potencial de acción . El potencial de Nernst de los iones de sodio es del orden de + 60 mV . Asimismo, la especificidad de los potenciales de acción viene conferida por la gran diversidad de canales iónicos implicados en función de la célula considerada.

Cálculo de la separación de cargas

La aplicación digital que sigue tiene como objetivo demostrar que se respeta la electroneutralidad de la solución, a pesar de la existencia de una diferencia en el potencial de membrana.

Considere una celda con un diámetro de 20 μm que tiene una concentración de 160 mM ( mmol / L ) en iones K + .

La membrana es un aislante que separa dos medios conductores. Por tanto, es un condensador . La carga de un condensador plano está dada por:
Q = CV
donde

C es la capacidad en faradios (F)
V el voltaje eléctrico en voltios (V)
Q la carga de culombio (C).

Nota: Recuerde que el culombio es la unidad SI utilizada para representar una cantidad de cargas eléctricas. Un culombio equivale aproximadamente a 6.2 × 10 18 cargas eléctricas elementales .

Calculemos la capacitancia Cm de la membrana sabiendo que es igual a 1 µF cm −2 o 0.01 pF µm −2 .

Es necesario calcular la superficie de la celda que viene dada como una primera aproximación por la de una esfera:

${\ Displaystyle \ pi \ times d ^ {2} = 3 {,} 14 \ times 20 ^ {2} \ approx 1 \, 200}$ µm 2 (donde está el diámetro) $D$

Esto corresponde a una capacitancia de Cm = 12 pF . La carga Q acumulada en las dos caras de la membrana dando lugar a un campo eléctrico de - 70 mV es:

Q = 12 × 10 −12 × 0.07 = 8.4 × 10 −13 C ,

ya sea: iones. ${\ displaystyle {\ frac {8 {,} 4 \ times 10 ^ {- 13}} {1 {,} 6 \ times 10 ^ {- 19}}}}$ ${\ Displaystyle {\ frac {carga \ total} {carga \ de un \ único \ ion}} = 5 {,} 25 \ veces 10 ^ {6}}$

Este número ahora debe compararse con el número total de iones K + contenidos en la celda.

El volumen de la celda es aproximadamente el de una esfera: m 3 es un litro. Por tanto, hay iones K + en la celda. ${\ Displaystyle {\ frac {4} {3}} \ pi \ times r ^ {3} = {\ frac {4} {3}} \ pi \ times (10 ^ {- 5}) ^ {3} = 4 \ times 10 ^ {- 15}}$ ${\ Displaystyle 4 \ times 10 ^ {- 12}}$ ${\ Displaystyle 0 {,} 16 \ times 4 \ times 10 ^ {- 12} \ times 6 {,} 02 \ times 10 ^ {23} = 3 {,} 8 \ times 10 ^ {11}}$

Por tanto, 1,4 iones en 100.000 son responsables de la diferencia de potencial ( ddp ) medida. Este exceso de carga se localiza en la membrana (ver figura). Por lo tanto, la electroneutralidad de la solución se viola cerca de la membrana, pero se respeta en todos los demás lugares.

Tenga en cuenta que la intensidad del campo eléctrico que se disipa a través de la membrana de 7,5 nm de espesor es de 1,5 millones de voltios por metro, lo cual es considerable y está en el límite de fractura de la membrana.

Roles fisiológicos

Cada célula viva tiene un potencial de membrana. El potencial electroquímico que le corresponde constituye una reserva de energía potencial que permite asegurar el transporte de sustancias necesarias para la supervivencia de la célula.
El potencial de reposo juega un papel importante para las células excitables , como las neuronas y los miocitos . De hecho, el cruce por el potencial de reposo de un cierto umbral de despolarización desencadena en estas células un potencial de acción mediante la activación de canales dependientes del potencial (canales dependientes del voltaje). Por tanto, la magnitud de la polarización del potencial de reposo determina la excitabilidad de la célula. Cuando está muy hiperpolarizada (por activación tónica de los canales de potasio o cloruro, por ejemplo), la célula es difícil de excitar, es decir, la célula debe despolarizarse mucho con potenciales postsinápticos excitadores para que descargue un potencial de acción. . Cuando el potencial de reposo está muy despolarizado (por el cierre de los canales de potasio o por la apertura permanente de los canales de sodio ), la célula está más cerca del umbral para desencadenar un potencial de acción y, por tanto, más excitable.

Ver también

enlaces externos