Potencial de reposo

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

Aparte de los dos últimos, que ocurren en células excitables ( neuronas , músculos y algunas células secretoras en las glándulas ), el potencial 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 la permeabilidad de la membrana para los iones potasio , sodio , calcio y cloruro , que a su vez resultan de la actividad funcional de diversos canales iónicos , transportadores de iones e intercambiadores. Convencionalmente, el potencial de membrana en reposo se puede definir como un valor base relativamente estable del voltaje transmembrana en células animales y vegetales.

Debido a que la permeabilidad de la membrana al potasio es mucho mayor que la de otros iones, y debido al fuerte gradiente químico para el potasio, los iones de potasio fluyen desde el citosol hacia el espacio extracelular transportando carga positiva, hasta que su movimiento se equilibra con la acumulación de carga negativa en la superficie interna de la membrana. Nuevamente, debido a la alta permeabilidad relativa al potasio, el potencial de membrana resultante es casi siempre cercano al potencial de inversión del potasio . Pero para que este proceso ocurra, 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 es 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) se establecen mediante 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 la 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 ).

En la mayoría de los análisis cuantitativos del potencial de membrana, como la derivación de la ecuación de Goldman , se asume la electroneutralidad ; es decir, que no existe un exceso de carga medible a ninguno de los lados de la membrana. Por lo tanto, aunque existe 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 más adelante ); es decir, no hay un exceso de carga medible real en ninguno de los lados. Esto ocurre porque el efecto de la carga sobre el potencial electroquímico es muchísimo mayor que el efecto de la concentración, por lo que un cambio indetectable en la concentración genera un gran cambio en el potencial eléctrico.

Las membranas celulares suelen ser permeables solo a un subconjunto de iones. Estos generalmente incluyen iones de potasio, cloruro, bicarbonato y otros. Para simplificar la descripción de la base iónica del potencial de membrana en reposo, es más útil considerar inicialmente solo una especie iónica y posteriormente las demás. Dado que los potenciales transmembrana están casi siempre determinados principalmente por la permeabilidad al potasio, ese es el punto de partida.

• El panel 1 del diagrama muestra una representación esquemática de una célula simple donde ya se ha establecido un gradiente de concentración. Este panel se dibuja como si la membrana no tuviera permeabilidad a ningún ion. No hay potencial de membrana porque, a pesar de existir un gradiente de concentración de potasio, no hay un desequilibrio de carga neto a través de la membrana. Si la membrana se volviera permeable a un tipo de ion más concentrado en un lado de la membrana, ese ion contribuiría al voltaje de membrana, ya que los iones permeantes 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 mayor concentración del ion hacia el lado con menor concentración. Dicho 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 mediante 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 provienen principalmente de las proteínas. Existe energía almacenada en el gradiente de concentración de iones de potasio que puede convertirse en un gradiente eléctrico cuando los iones de potasio (K⁺ ⁾ salen de la célula. Debido a que hay una mayor concentración de iones de potasio dentro de las células, su movimiento molecular aleatorio tiene más probabilidades de encontrar el poro de permeabilidad ( canal iónico ) que en el caso de los iones de potasio que se encuentran fuera y a menor concentración. Por lo tanto, el movimiento neto de los iones de potasio se produce a favor del gradiente de concentración, saliendo de la célula y dejando atrás los aniones. Ahora se desarrolla una separación de carga a medida que el K⁺ ^sale de la célula. Esta separación de carga 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 aumentando. La longitud de las flechas (verde indica gradiente de concentración, rojo indica voltaje) representa la magnitud del movimiento de los 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 en el edificio 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 aumentado hasta el punto en que su "intensidad" ahora coincide con los gradientes de concentración. Dado que estas fuerzas (que se aplican al K ⁺ ) ahora tienen la misma intensidad y están orientadas en direcciones opuestas, el sistema se encuentra ahora en equilibrio . Dicho de otro modo, la tendencia del potasio a salir de la célula siguiendo su gradiente de concentración ahora se ve contrarrestada por la tendencia del voltaje de la membrana a atraer iones de potasio de vuelta 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 "de reposo" (E _K ).

El voltaje de reposo es el resultado de varias enzimas transportadoras de iones ( uniportadores , cotransportadores y bombas ) en la membrana plasmática, que operan constantemente en paralelo. Cada transportador de iones tiene su fuerza electromotriz característica (= potencial de inversión = 'voltaje de equilibrio'), que depende de las concentraciones de sustrato dentro y fuera de la membrana ( incluido el ATP interno 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 estudiadas, 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 aproximado de -70  mV. Este potencial está determinado principalmente por las concentraciones de iones en los fluidos a ambos lados de la membrana celular y por las proteínas transportadoras de iones presentes en ella. A continuación, se describe cómo las concentraciones de iones y las proteínas transportadoras de membrana influyen en el valor del potencial de reposo.

El potencial de reposo de una célula se comprende mejor si se considera en términos de potenciales de equilibrio. En el diagrama de ejemplo, a la célula modelo se le proporcionó un solo ion permeable (potasio). En este caso, el potencial de reposo de esta célula sería igual al potencial de equilibrio del potasio.

Sin embargo, una célula real es más compleja, ya que posee permeabilidades a muchos iones, cada uno de los cuales contribuye al potencial de reposo. Para comprenderlo mejor, consideremos una célula con solo dos iones permeables: potasio y sodio. Imaginemos 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. El K ⁺ que sale de la célula tenderá a arrastrar el potencial de membrana hacia E _K. El Na ⁺ que entra en la célula tenderá a arrastrar el potencial de membrana hacia el potencial de inversión del sodio E _Na . Dado que las permeabilidades a ambos iones se establecieron como iguales, el potencial de membrana, al final de la lucha Na ⁺ /K ^{+ , terminará a medio camino entre} E _Na y E _K. Como E _Na y E _K eran iguales pero de signos opuestos, el punto medio es cero, lo que significa que la membrana estará en reposo a 0  mV.

Cabe señalar que, si bien el potencial de membrana a 0  mV es estable, no se trata de una condición de equilibrio, ya que ninguno de los iones que contribuyen se encuentra en equilibrio. Los iones se difunden a través de sus gradientes electroquímicos mediante canales iónicos, pero el potencial de membrana se mantiene gracias al continuo influjo de K ⁺ y al eflujo de Na ^{+ a través} de transportadores iónicos . Esta situación, con permeabilidades similares para iones opuestos, como el potasio y el sodio en las células animales, puede resultar extremadamente costosa para la célula si estas permeabilidades son relativamente grandes, puesto que se requiere mucha energía de ATP para bombear los iones de vuelta. Dado que ninguna célula real puede permitirse permeabilidades iónicas tan grandes e iguales en reposo, el potencial de reposo de las células animales está determinado por una alta permeabilidad predominante al potasio y se ajusta al valor requerido modulando las permeabilidades y los 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 exactamente en E _K , sino que estará despolarizado con respecto a E _K en una cantidad aproximada del 5% de la  diferencia de 140 mV entre E _K y E _Na . Así, 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 que contribuye. El tamaño de cada ponderación 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 permeantes en unidades arbitrarias (por ejemplo, siemens para la 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 vías a través de las membranas celulares por las que los iones pueden difundirse pasivamente sin gasto directo de energía metabólica. Tienen selectividad para ciertos iones; por lo tanto, existen canales iónicos selectivos para potasio , cloruro y sodio . Diferentes células e incluso diferentes partes de una misma célula ( dendritas , cuerpos celulares , nódulos de Ranvier ) tendrán diferentes cantidades de diversas proteínas de transporte de iones. Por lo general, la cantidad de ciertos canales de potasio es la más importante para el control del potencial de reposo (véase más adelante). Algunas bombas de iones, como la Na+/K+-ATPasa, son electrogénicas, es decir, producen un 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 poseen proteínas de canales iónicos selectivos de potasio que permanecen abiertas todo el tiempo. Habrá un movimiento neto de iones de potasio con carga positiva a través de estos canales de potasio, con la consiguiente acumulación de exceso de carga negativa dentro de la célula. El movimiento hacia el exterior de los iones de potasio con carga positiva 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 pueda equilibrar la diferencia de 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 el exterior, aumenta hasta ser igual en magnitud pero opuesta en dirección a la tendencia del movimiento difusivo hacia el exterior 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 para el potencial de equilibrio de un ion dado solo requiere 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 que participan 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 asimismo la concentración intracelular de potasio.

Los potenciales de equilibrio del potasio de alrededor de −80 milivoltios (con polaridad negativa interna) son comunes. Se observan diferencias entre especies, entre distintos tejidos del mismo animal y entre los mismos tejidos bajo diferentes condiciones ambientales. Aplicando la ecuación de Nernst mencionada anteriormente, estas diferencias pueden explicarse por cambios en la concentración relativa de K ⁺ o por variaciones de temperatura.

Para uso común, la ecuación de Nernst se suele presentar de forma simplificada asumiendo la temperatura corporal típica (37  °C), reduciendo las constantes y utilizando el logaritmo en base 10. (Las unidades de concentración utilizadas no son importantes, ya que se cancelan en una proporción). Para el potasio a temperatura corporal normal, el potencial de equilibrio en milivoltios se puede calcular de la siguiente manera:

${\displaystyle E_{eq,K^{+}}=61.54mV\log {\frac {[K^{+}]_{o}}{[K^{+}]_{i}}},}$

De igual modo, el potencial de equilibrio para el sodio (Na ⁺ ) a la 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 para el 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, como se mencionó anteriormente) para su mantenimiento. Es un potencial de difusión dinámico que tiene en cuenta este mecanismo , a diferencia del potencial de equilibrio de las almohadillas, que es válido independientemente de la naturaleza del sistema considerado. El potencial de membrana en reposo está determinado por la especie iónica del sistema que presenta la mayor conductancia a través de la membrana. Para la mayoría de las células, esta es el potasio. Dado que el potasio es también el ion con el potencial de equilibrio más negativo, generalmente 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, e incluyendo también las permeabilidades relativas de cada especie iónica. En condiciones normales, se puede asumir que solo los iones potasio (K ⁺ ), sodio (Na ⁺ ) y cloruro (Cl− ⁾ desempeñan 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 asemeja a la ecuación de Nernst, pero tiene un término para cada ion permeante. Además, se ha insertado z en la ecuación, lo que provoca que las concentraciones intracelulares y extracelulares de Cl ⁻ se inviertan con respecto a K ⁺ y Na ⁺ , ya que la carga negativa del cloruro se maneja invirtiendo la fracción dentro del término logarítmico. Aquí:

• E _m es el potencial de membrana, medido en voltios;

• R , T y F son como se indica arriba;

• P _s es la permeabilidad relativa del ion s;

• [s] _Y es la concentración del ion s en el compartimento Y como se indicó anteriormente.

Otra forma de visualizar 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 cuerda):

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

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 ⁺ (ya que g _{K ⁺} = g _tot ). Normalmente, en condiciones de reposo, g _Na+ y g _Cl− no son cero, pero son mucho menores que g _K+ , lo que hace que E _m esté cerca de E _eq,K+ . Las condiciones médicas como la hiperpotasemia en la que el potasio sérico en sangre (que gobierna [K ⁺ ] _o ) está alterado son muy peligrosas ya que desequilibran 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 mediante inyección letal detiene el corazón al desplazar el potencial de reposo hacia un valor más positivo, lo que despolariza y contrae permanentemente las células cardíacas, impidiendo que el corazón se repolarice y, por lo tanto, entre en diástole para volver a llenarse de sangre.

Aunque la ecuación de voltaje de GHK y la ecuación de Millman están relacionadas, no son equivalentes. La diferencia crucial radica en que la ecuación de Millman asume que la relación corriente-voltaje es óhmica, mientras que la ecuación de voltaje de GHK considera 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 en las células marcapasos cardíacas ). Para estas células, nunca existe un estado de reposo, y el potencial de reposo es un concepto teórico. Otras células, con escasas funciones de transporte de membrana que varían con el tiempo, presentan un potencial de membrana en reposo que puede medirse insertando un electrodo en la célula. ^{[ 4 ]} Los potenciales transmembrana también pueden medirse ópticamente con colorantes cuyas propiedades ópticas varían según 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 del nervio y el músculo como un potencial de difusión. ^{[ 9 ]}

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

• Neurociencia : libro de texto en línea de Purves y otros autores.
• Neuroquímica básica: aspectos moleculares, celulares y médicos, por Siegel y otros.
• 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 - Apuntes de clase en línea sobre el potencial de membrana en reposo
• El origen del potencial de membrana en reposo : tutorial interactivo en línea.