8/6/2019 Potencial Nernst

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QUIMICA II. FACULTAD DE AGRONOMIA DE LA UNLPAM. CURSO 2001.

Potencial de Nernst. Potencial de reposo de una membrana.La ecuacin de Nernst solamente puede predecir el potencial de membrana, cuandoexiste un solo canal de membrana abierto, en una membrana. Esto puede lograrseartificialmente, fabricando liposomas.

Cuando un canal de membrana se abre, el potencial de esa membrana se mueve hacia elvalor del potencial de Nernst para dicho ion.Esto significa que uno podra calcular el potencial de membrana, sabiendo cuntoscanales de membrana estn abiertos , y conociendo los potenciales de Nernst para dichosiones. Eso adems, considerando que no hay ninguna bomba electrognica funcionando.

Esto es verdad, ya que funciona prcticamente as. El potencial de membrana es unpromedio pesado con sus respectivas permeabilidades, para los potenciales de Nernstde todos los iones que tienen sus canales abiertos en ese instante. Cuantos ms canalespara un mismo ion estn abiertos, ms se acerca el valor del potencial de membrana, alpotencial de Nernst para dicho ion.

Supongamos que la membrana de una clula tiene 10 veces ms canales de potasio quede sodio. El potencial para sodio es + 5 mV y para potasio 60 mV. Quconcentraciones ionicas representan estos valores?.

Para Na:

G= R T lnC + z F 0= RT ln C + z F

0= 2,47 KJ/mol ln C + 0,48 KJ/mol

Gradiernte de concentracin para el sodio = 0,8, mayor concentracin afuera.

Para K: 9,19, mayor concentracin adentro.

El potencial de membrana es de 50 mV. Ms cercano al del potasio.

A diferencia del potencial de Nernst, el potencial de membrana no es un potencial deequilibrio, sino de estado estacionario.

Tanto el sodio como el potasio se estarn moviendo en sentidos contarios en igualproporcin, pero sin que exista un movimiento de carga neto. Pero para que estosuceda, se requiere que acten bombas que mantengan la diferencia de concentracin.

De lo contrario los gradientes de iones se disiparan en el tiempo. Esta es la situacinpara el potencial de membrana de casi todas las clulas.

Qu es el potencial de reposo?

Todas las clulas tienen un potencial de reposo. Esto significa que bajo condiciones dereposo, o sea sin estmulos, se puede medir una diferencia de potencial a travs de lamembrana. Este potencial es la resultante de un exceso de aniones en el interior

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respecto del exterior, lo que hace que en condiciones de reposo, el interior de lamembrana sea negativo respecto del exterior.

Condiciones del entorno que deben cumplirse para que se establezca estasituacin de estado estacionario, que es el Potencial de Reposo.

a) ElectroneutralidadLas soluciones intra y extracelulares deben ser elctricamente neutras. Significa que elnmero de aniones debe ser igual al de cationes en los fluidos a ambos lados de lamembrana. El leve exceso de aniones en el lado interno de la membrana y de cationesen el lado externo, que son los que generan el potencial de membrana de reposo, escasi despreciable respecto de la cantidad total de iones presentes en el medio intra yextracelular. En una clula, con un radio de 25 micrones, con una concentracin desolutos totales de 120 mM, y un potencial de membrana en reposo de 85 mV hayaproximadamente 100.001 aniones y 100.000 cationes. Si este no fuera el caso, laelectroneutralidad sera violada, y las fuerzas de repulsin que se generaran haranque la solucin saliera expulsada de la clula.

b) Por otro lado, la clula debe estar en balance osmtico, para que la clula no sehinche o se encoja, debido a fenmenos osmticos.

c) No debe haber flujos netos de iones hacia la clula o fuera de ella.

COMO SE GENERA EL POTENCIAL DE MEMBRANA

El potencial de membrana se genera, por que hay unan distribucin desigual de iones atravs de la misma, y por que la membrana tiene permeabillidad selectiva para lasespecies inicas presentes.En la mayora de las clulas, existe una alta concentracin de potasio y de aniones no

permeables en el interior celular, mientras que el sodio y el cloruro se presentan enmayor concentracin en el exterior. Esto significa que existe un gradiente deconcentracin para las especies inicas mayoritarias presentes.

FIG 1: Distribucin de iones en la clula

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SI LAS MEMBRANAS BIOLGICAS FUERAN SIMPLEMENTE UNA MEMBRANA

BICAPA FOSFOLIPIDICA, TOTALMENTE IMPERMEABLE A LOS IONES, NO SEGENERARIA UN POTENCIAL DE MEMBRANA, AUNQUE EXISTIERANGRADIENTES ELECTROQUMICOS IMPORTANTES A TRAVES DE ELLA.

ECUACIN DE NERNST

1- Las membranas celulares son un mosaico fluido de lpidos y protenas.

Las membranas son impermeables a los iones, al ser hidrofbicas, por lo tanto los ionesdeben atravesarla por Canales, que son protenas especializadas de membrana, que

pueden tener una alta selectividad o selectividad relativa para los iones, y pueden estarabiertos o cerrados.

CONSIDEREMOS UNA CELULA CON UNA MEMBRANA EXCLUSIVAMENTEPERMEABLE AL POTASIO

Qu pasar?

Dado que la concentracin de potasio es mayor adentro que fuera de la clula, elpotasio tender a salir de la misma, tal como tienden a salir de un saquito de t, lospigmentos y otras sustancias que dan sabor . En la medida que el potasio sale de laclula, genera una separacin de cargas. Dado que cargas de signos opuestos se

atraen, y las de signo opuesto se repelen, el exceso de cargas positivas del exteriortendern a distribuirse sobre la cara externa de la membrana , y el exceso de cargasnegativas del interior tendern a ubicarse sobre la cara interna de la membrana. DEesta manera se dice que la membrana se polariza. En otras palabras, se genera ungradiente elctrico a travs de la membrana. El exceso de cargas positivas del exterior,se opondrn a la salida de ms potasio de la clula.

El punto en el cual la diferencia de potencial se opone y contraresta exactamenteal flujo del potasio, es conocido como POTENCIAL DE EQUILIBRIO PARA EL IONPOTASIO. A ese potencial no hay ms flujo neto espontneo del potasio a travsde la membrana.

2- El potencial de equilibrio para el potasio u otro ion permeable, est determinado porel gradiente de concentracin y es proporcional a la diferencia entre el logaritmo de lasconcentraciones del ion, a ambos lados de la membrana, segn las siguientesecuaciones:

= k (ln[K]afuera - ln [K]adentro)

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: Diferencia de Potencial de membrana

k = RT/zF. R (0,00831831 KJ /0K mole),

T 298 Kelvin,

z es la Valencia del ion con su respectiva carga.F = Faraday (96,500 KJ / V mol.

Reorganizando, la ecuacin de Nernst queda as:

= (RT/zF) (ln [K]afuera - ln [K]adentro)

= (RT/zF) (ln [K]afuera / (K)adentro)

ESTA ES UNA DE LAS MANERAS DE EXPRESAR LA ECUACION DENERNST, QUE PERMITE DETERMINAR LA MAGNITUD DEL POTENCIAL DEMEMBRANA, ASOCIADO A UN DETERMINADO GRADIENTE DE CONCENTRACIONDE IONES PERMEABLES.

DATOS IMPORTANTES

A temperatura ambienteRT/zF, para un ion monovalente es aproximadamente 25 mV

Para trabajar con logaritmos decimales (log, es decir, en base diez), en lugar delogaritmos neperianos ( base 2,303), se multiplica ln por 2,303, y por lo tanto el valor

25 mV pasa a 58 mV.

Por lo tanto la expresin de la ecuacin de Nernst con estos datos es:

= 58 mV log [K]afuera / [K]adentro

Veamos dos ejemplos:

Si [K]afuera=50, and [K]adentro =5;

=58mV log 10 = 58mV

Y si [K]afuera=5, and [K]adentro =50

=58mV log 10-1

= - 58mV

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La Ecuacin de Nernst puede ser usada para encontrar el potencial de equilibrio paracualquier ion permeable, cuyas concentraciones intra y extracelulares son conocidas.

Por ejemplo, veamos para el caso que el Na+ extracelular sea 117 mM y la intracelular

30 mM:

=58mV log 117/ 30= + 34 mV

Para el caso del Cl-, con una concentracin de 120 mM afuera y 4 mM adentro

= - 58mV log 120/ 4 = - 85 mV ( recordar que z en este caso es 1).

3- Si el potencial de membrana es diferente del potencial de equilibrio para undeterminado ion, el gradiente de concentracin de ese ion tender a cambiar, pararestablecer el equilibrio.

Si se despolariza una celula por ingreso de potasio ( el interior se vuelve menosnegativo), y el potencial de membrana disminuye, el potasio tender a salir de la clula.

Si se hiperpolariza la clula haciendo ms negativo el interior y por lo tanto aumentandola diferencia de potencial, el potasio tendera a ingresar en la clula.

IV- MANTENIMIENTO DE GRADIENTES DE CONCENTRACION DE Na+

y K+.

Dado que ni el Na+ ni el K+ estn en sus potenciales de equilibrio en una clulapolarizada con un determinado potencial de membrana, en esas condiciones, elpotasio tiende a salir y el sodio a entrar. Con el tiempo, esto llevara a la disipacindel gradiente de concentracin de ambos iones y a la prdida del potencial demembrana.

El gradiente de concentracin inico por lo tanto, debe mantenerse con el

funcionamiento de las bombas.Las Bombas juegan un rol crucial en el mantenimiento del balance osmtico de laclula.

Sabemos que las clulas contienen aniones intracelulares no permeables

( ATP, protenas, nucletidos). Si las bombas no funcionaran, la osmolaridadintracelular excedera a la extracelular en condiciones de equilibrio electroqumico,el agua entrara violentamente a la clula que podra explotar. Esto se conoce

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como equilibrio Donnan. La bomba mantienen al Na+, como un catin extracelularque se comporta como si no fuera permeable; a su vez, como la bomba expulsamayor cantidad de sodio afuera de lo que ingresa de potasio, el balance osmticiose conserva.

Desde esta perspectiva, el potencial de reposo de membrana puede ser visto

como una estrategia celular para evitar su lisis osmtica.Las Bombas tambin juegan un rol crucial, en el proceso de absorcin denutrientes, y en los procesos de trabajo osmtico de la clula.

Este documento ha sido elaborado por la Ctedra de Qumica II de la Facultad deAgronoma, para el Curso 2001. La informacin que contiene este documento, ha

sido traducida de documentos obtenidos en Internet., del autor Nicholls, Jg, Martinand Wallace ( 1992).

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