Permeabilidad iónica y potencial de reposo de la membrana celular

Fisiología Humana I

Grado en Medicina Curso 2024-25

TEMA 7

Permeabilidad iónica y potencial de reposo. Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz. Modelo eléctrico de la membrana.

12 febrero, 2025La membrana de todas las células está polarizada . En el Tema 3 vimos que todas las células del organismo poseen una diferencia de potencial (voltaje) a través de la membrana plasmática. . Por convención, el signo del voltaje de membrana (Vm) se refiere siempre al medio intracelular con respecto al extracelular. . El potencial eléctrico del interior celular es negativo respecto al exterior. . La diferencia de potencial a través de la membrana o Potencial de membrana (Vm) es la diferencia entre el potencial eléctrico del interior celular (Wi ) y el potencial eléctrico del exterior celular (Wo).

-0.070 VOLTS

- + - + + + + + equal number of + and charges in cytosol

net separation of charges across membrane

equal number of + and - charges in ECF

Valores de Vm por Tipo Celular

Tipo celular Vm (mV) Músculo esquelético - 90 Músculo liso - 55 Neuronas -60 /-90 Eritrocitos - 9

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TEMA 3

1. Los canales iónicos en la membrana facilitan el paso de iones a favor de su gradiente electroquímico
2. La Na,K-ATPasa es responsable del mantenimiento del gradiente iónico de Na y K a través de la membrana celular

Cell membrane) CI- K+ Na+ Protein Na+ + - CI- Na+ K+ + - CI- Na+ K+ Na+ K+ Na+ K+ + - K+ K+ + - Protein K+ CI- Na+ + Extracellular Intracellular Extracellular space Na Potassium Sodium + + Na Cell membrane concentration ATP ADP Pi - + Intracellular space K+ REPASAR TEMAS 2-4 + . K K+ Na+ CI- CI-

Potencial de reposo

· La separación de cargas a través de la membrana produce un desequilibrio electroquímico y, consecuentemente, un gradiente electroquímico. · En términos eléctricos, dicho gradiente genera una diferencia de potencial entre el lado interno y externo de la membrana, siendo el primero electronegativo respecto al segundo. · El término "reposo" se refiere a que lo muestran todas las células de manera estable en ausencia de estímulos. Es el valor del potencial en estado estacionario. · Algunas células sufren variaciones en el potencial de membrana (es decir, el valor del potencial de membrana varia con respecto al reposo) en respuesta a estímulos: estas células se denominan "excitables" (ejemplos: neuronas, músculo, corazón)Si la membrana es permeable a un ión "X", el sistema se equilibrará al valor de potencial Ex

Equilibrio Iónico

PRIMER MOMENTO EQUILIBRIO E = 0 E =Ex + + X+ ++ X+ X+ X+ + APGA + + ecuación de Nernst: Ex = - RT ZxF In [X] [X]e

Fuerzas Electromecánicas Netas en Iones Celulares

TABLE 5-3 Net Electrochemical Driving Forces Acting on Ions in a Typical Cell* EXTRACELLULAR CONCENTRATION INTRACELLULAR CONCENTRATION [X] MEMBRANE VOLTAGE Vm EQUILIBRIUM POTENTIAL (mV) Ex =- (RT/ZxF) In ([X];/[X].) ELECTROCHEMICAL DRIVING FORCE (Vm - Ex) Na+ 145 mM 15 mM -60 mV +61 mV -121 mV K+ 4.5 mM 120 mM -60 mV -88 mV +28 mV Ca2+ 1.2 mM 10-7 M -60 mV +125 mV -185 mV Cl- 116 mM 20 mM -60 mV -47 mV -13 mV HCO3 25 mM 16 mM -60 mV -12 mV -48 mV H+ 40 nM pH 7.4 63 nM 7.2 -60 mV -12 mV -48 mV A REPASAR TEMAS 2 y 3

Permeabilidad Selectiva a K+

Si la membrana solo tuviera canales de K+ ....* PRIMER MOMENTO EQUILIBRIO E = 0 E =- 88 + + + K+ - + + + *Repaso: en este caso diríamos que la membrana tiene "alta permeabilidad para el K+" .... K +K X

Permeabilidad Selectiva a Na+

Si la membrana solo tuviera canales de Na+ ....* PRIMER MOMENTO E = 0 Na+ EQUILIBRIO E =+61 + + Na+ K+ ++ + + + ++ + + * O lo que es lo mismo, "alta permeabilidad al Na+"

Permeabilidad Selectiva a Ca2+

Si la membrana solo tuviera canales de Ca2+ ....* PRIMER MOMENTO EQUILIBRIO E = 0 E =+125 + + K+ ++ + APGA + -: + * O lo que es lo mismo, "alta permeabilidad al Ca2+" Ca2+ Ca2+

Potenciales de Equilibrio Iónico en Células de Mamíferos

· Esta tabla muestra los valores de potenciales de equilibrio (calculados mediante la ecuación de Nernst, TEMA 2). TABLE 6-1 Ion Concentration Gradients in Mammalian Cells Boron&Boulpaep, Medical Physiology 2nd ed. ION OUT (mM) IN (mM) OUT/IN Ex* (mV) K+ 4.5 120 0.038 -88 Na+ 145.4 15 9.67 +61 Ca2+ 1.0 10-4 10,000 +123 Cl 116 20 5.8 -47 HCO3 24 15 1.6 -13 *Nernst equilibrium potential of X at 37ºC. . Los valores de potencial de reposo en la mayoría de tipos celulares están en torno a -70 mV. • ¿Que ion/es seran los mas "sospechosos" en cuanto a su contribución al valor del potencial en reposo?¿Cuáles son las bases iónicas del valor del potencial de reposo?

Determinantes del Potencial de Reposo

· El potencial de reposo estará determinado por los componentes en la membrana que permiten el paso de iones, y que por tanto están determinando las diferencias de concentración entre los medios intra- y extracelular. Estos son: la bomba Na+/K+ ATPasa, y los diferentes canales iónicos. · El bloqueo de la bomba Na+/K+-ATPasa con ouabaína o digoxina modifica el potencial de membrana en aprox. 1 mV. Esto indica que la contribución del transporte electrogenico de la Na+/K+-ATPasa al valor del potencial de membrana es muy pequeña. . Por tanto, la mayor contribución debe ser la de los canales iónicos. Pero ¿Cómo lo demostramos? · En primer lugar, debemos comprobar experimentalmente que el valor del potencial de reposo depende del gradiente de concentración iónica --- Experimento de Horowicz-Hodgkin (ver siguiente diapositiva)

Experimento de Horowicz-Hodgkin

+10 0 -10 -20 -30 -40 Vm (mV) -50 -60 -70 -80 Depolarized -90 ·Resting potential -100 -110 Hyperpolarized -120 0.5 1.0 2.5 5 10 20 50 100 Extracellular K+ concentration or [K+]. (mM) Boron & Boulpaep: Medical Physiology, 2nd Edition. Copyright 2009 by Saunders, an imprint of Elsevier, Inc. All rights reserved. · Medida de Vm en preparación de músculo de rana con microelectrodo · Sustitución de CI- por SO42-, para evitar contribución de aniones. · [K+]] = 2.5 mM, [Na+] = 120 mM -> Vm = - 94 mV · Si [K+], aumenta, Vm se hace más positivo · Si [K+]. disminuye, Vm se hace más negativo Numerosos experimentos de este tipo demuestran que el valor del potencial de reposo está determinado por la energía potencial almacenada en los gradientes de concentración. Por supuesto, los transportadores electrogénicos (Na-K ATPasa) son los responsables de generar y mantener estos gradientes iónicos, por lo que también contribuyen de manera secundaria Boron&Boulpaep, Medical Physiology 2nd ed.

Fuerzas Electromecánicas Netas en Iones Celulares (Tabla 5-3)

TABLE 5-3 Net Electrochemical Driving Forces Acting on Ions in a Typical Cell* EXTRACELLULAR CONCENTRATION INTRACELLULAR CONCENTRATION [X] MEMBRANE VOLTAGE Vm EQUILIBRIUM POTENTIAL (mV) Ex =- (RT/ZxF) In ([X];/[X].) ELECTROCHEMICAL DRIVING FORCE (Vm - Ex) Na+ 145 mM 15 mM -60 mV +61 mV -121 mV K+ 4.5 mM 120 mM -60 mV -88 mV +28 mV Ca2+ 1.2 mM 10-7 M -60 mV +125 mV -185 mV Cl- 116 mM 20 mM -60 mV -47 mV -13 mV HCO3 25 mM 16 mM -60 mV -12 mV -48 mV H+ 40 nM pH 7.4 63 nM 7.2 -60 mV -12 mV -48 mV Si se cambia la concentracion iónica externa de K+, cambiará el valor del potencial de equilibrio

Canales Iónicos Abiertos en Reposo

En el estado de reposo, la mayoría de canales abiertos son de K+ (y unos pocos de Na+)

Extracellular space Na+ Na+ Na+ Na Na+ Na+ Na+ K+ Diffusion Na+/K+ Pump Na+ Diffusion K+ K+ K+ K+ K+ Na+ Intracellular space K+ K+ K+ En el reposo están abiertos canales iónicos "de fuga" ("leak"), que NO son dependientes de voltaje: -canales de K+ , por ejemplo los de tipo K2P (MAYOR CONTRIBUCION) -canales de Na+, por ejemplo los de tipo NALCN (MENOR CONTRIBUCION)

Bases iónicas del potencial de reposo

· La actividad de la bomba Na+/K+ genera y mantiene los gradientes de ambos iones y contribuye ligeramente a la negatividad interna. · En reposo, la permeabilidad al K+ es muy alta (hay muchos canales de K+ abiertos), y este ion contribuye de manera importante a la generación de Vm. · Existen algunos canales de Na+ abiertos en reposo, con lo que hay un cierto flujo de este ion al interior, contribuyendo a que Vm sea menos negativo que el potencial de equilibrio del K+. · CADA TIPO CELULAR PUEDE PRESENTAR DIFERENTES COMBINACIONES DE "CANALES DE FUGA" (=abiertos en el estado de reposo), DE K y Na

Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK)

RT = - F In PR[K]i + PNa [Na]i + PcilCl]o PR[K]0 + PNa [Na]o + PcilCl]i · La ecuación Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) describe el valor de Vm en una célula permeable a más de un ion, que depende de los gradientes de concentración de los iones y de la permeabilidad relativa para cada uno (Pion). · La ecuación de GHK indica que el potencial de membrana de una célula tendrá un valor en cada instante cercano al potencial de equilibrio del ión para el que la permeabilidad es mayor. · Además, permite predecir cuantitativamente cómo se modificará el potencial de membrana cuando se altera la permeabilidad relativa para cada ión (PK, PNa y Pci).

Variables de la Ecuación GHK

2 variables de la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz Permeabilidades iónicas Variables "rápidas" Gradientes iónicos 'estables' PK[K+]; + PNa[Na+]; + Pc] [CI-]o Vm = - 60 mV log PK[K+]o + PNa[Na+]o + Pc] [CI-] Ecuación GHK

Conceptos de Potencial de Reposo, Despolarización e Hiperpolarización

Hyperpolarization Resting potential Depolarization 0 mV 0 mV 0 mV -80 mV +40 -80 80 +40 mV Fluid outside cell Fluid outside cell Fluid outside cell Cytoplasm Cytoplasm Cytoplasm +40 Membrane potential difference (Vm) +20 Membrane potential (mV) 0 -20 Vm decreases Vm increases -40 -60 -80 -100 Depolarization Hyperpolarization -120 Time (msec) mV mV +40 mV mV

Potencial de Membrana y Permeabilidad Iónica

Potencial de membrana y permeabilidad iónica TEca +60 E Na +40 +20 Membrane potential difference (Vm) Membrane potential (mV) 0 -20 V m decreases Vm increases -40 -60 ECI -80 EK -100 Depolarization Repolarization Hyperpolarization -120 Time (msec) Cualquier estímulo que modifique la permeabilidad de la membrana para un ion específico, es decir, que modifique el nº de canales abiertos para ese ion, inducirá cambios en Vm predecibles por la ecuación GHK

Bases iónicas del potencial de membrana (resumen)

El gradiente eléctrico en las células en reposo surge principalmente de dos parámetros fisiológicos: 1) la existencia de gradientes de K+ y Na+ a través de la membrana plasmática 2) la permeabilidad relativa de la membrana plasmática a esos iones.

El mantenimiento del gradiente de distribución de iones en las células y, por tanto, del potencial de membrana en reposo, implica mecanismos de transporte tanto activos como pasivos a través de la membrana plasmática. Entre éstos, los dos fundamentales son: 1) la bomba Na,K-ATPasa, que es el principal mecanismo de transporte de iones implicado en el mantenimiento de los gradientes de concentración de Na+ y K+ 2) la alta permeabilidad al K+ impulsada por la presencia de conductancias denominadas "de fuga", mediados por los canales de K+ tipo K2P y por canales de Na+ denominados "leak" (no representados en la figura) , son los principales determinantes del potencial de membrana en reposo

K+ A B [Na+] 3 Na [K*] [Ca2+] K2P [CI.] Na+-K+-ATPase [Na*] [K+] [Ca2+] 2 K+ [CH ~ - 70 mV ATPases Coupled Transporters LGC@ VGC- SAC C Franco, Rodrigo & Bortner, Carl & Cidlowski, J.A .. (2006). Potential Roles of Electrogenic Ion Transport and Plasma Membrane Depolarization in Apoptosis. The Journal of membrane biology. 209. 43-58. 10.1007/s00232-005-0837-5. *Nota importante: La Na,K-ATPasa contribuye al mantenimiento del potencial de membrana de manera indirecta, ya que mantiene los gradientes iónicos, pero su función electrogénica contribuye de manera reducida. El valor del potencial de reposo viene fundamentalmente determinado por la función de los canales de fuga.