Permeabilidad de la Membrana y Potenciales de Equilibrio Iónico

La permeabilidad selectiva de la membrana es lo que convierte los gradientes de concentración iónica en un voltaje. Los iones cruzan la membrana solo a través de canales que favorecen especies particulares, y para cada ion existe un potencial de equilibrio, dado por la ecuación de Nernst, en el que sus fuerzas difusivas y eléctricas se equilibran exactamente.

Definition

La permeabilidad selectiva es la propiedad por la cual los canales iónicos permiten que iones particulares crucen la membrana; el potencial de equilibrio (de Nernst) para un ion es el voltaje de la membrana en el que la fuerza eléctrica sobre ese ion se opone exactamente a su gradiente de concentración, de modo que no hay flujo neto.

Scope

Este tema aborda cómo los canales ión-selectivos hacen que la membrana sea permeable a algunos iones y no a otros, y cómo la ecuación de Nernst define el potencial de equilibrio para cada ion permeante. Explica el potencial de equilibrio como el punto de referencia hacia el cual la permeabilidad de cada ion impulsa el voltaje de la membrana. El voltaje combinado en estado estacionario de varios iones se trata en el tema de Goldman-Hodgkin-Katz.

Core questions

• ¿Cómo hacen los canales que la membrana sea selectivamente permeable a un ion sobre otro?
• ¿Qué calcula la ecuación de Nernst y qué significa el potencial de equilibrio?
• ¿Por qué el potasio y el sodio tienen potenciales de equilibrio tan diferentes?

Key concepts

• Canales ión-selectivos
• Filtro de selectividad
• Ecuación de Nernst
• Potencial de equilibrio (de inversión)
• Gradiente de concentración versus gradiente eléctrico
• Permeabilidad versus conductancia

Key theories

Principio del potencial de equilibrio

Para un solo ion permeante, la membrana alcanza un voltaje, el potencial de Nernst, en el que la fuerza eléctrica a través de la membrana equilibra exactamente el gradiente de concentración, sin producir movimiento neto; esto define el voltaje objetivo hacia el cual la permeabilidad de cada ion tiende a acercarse.

Mechanisms

Los canales iónicos atraviesan la membrana y permiten el paso de iones a través de un filtro de selectividad que discrimina entre especies por tamaño y química de coordinación; la estructura del canal de potasio resuelta por Doyle y sus colegas (1998) mostró cómo los carbonilos del esqueleto imitan la capa de hidratación del potasio para seleccionarlo sobre el sodio. Cuando la membrana es permeable a un solo ion, ese ion se difunde a favor de su gradiente de concentración hasta que la carga que mueve genera una fuerza eléctrica opuesta; el voltaje en el que las dos fuerzas se equilibran es el potencial de equilibrio, calculado por la ecuación de Nernst a partir de la relación entre las concentraciones externas e internas. Por lo tanto, diferentes iones tienen diferentes potenciales de equilibrio, y el voltaje de la membrana tiende a acercarse al potencial de equilibrio del ion que sea actualmente más permeante. Hodgkin y Katz (1949) demostraron experimentalmente que el cambio en las concentraciones iónicas externas desplaza el voltaje de la membrana, tal como predice este marco.

Clinical relevance

Los potenciales de equilibrio y la selectividad de los canales subyacen a por qué los cambios en la concentración iónica extracelular alteran la excitabilidad y por qué los fármacos y toxinas dirigidos a canales afectan los nervios y los músculos. Esta entrada presenta esas relaciones como un trasfondo mecanicista y no ofrece orientación diagnóstica ni de tratamiento.

Evidence & guidelines

La relación de Nernst es un resultado termodinámico confirmado en innumerables experimentos de electrofisiología, y la selectividad de los canales se establece mediante estudios estructurales y funcionales; esto es material de referencia estándar de biofísica, no contenido de guía.

History

Walther Nernst formuló la ecuación que relaciona la proporción de concentración con el potencial electroquímico a finales del siglo XIX. Su aplicación a las membranas excitables maduró con el trabajo sobre el axón de calamar de Hodgkin y Katz (1949), y la base molecular de la selectividad que el marco asume fue finalmente visualizada en la estructura del canal de potasio de Doyle y sus colegas (1998).

Key figures

• Walther Nernst
• Alan Hodgkin
• Bernard Katz
• Roderick MacKinnon
• Bertil Hille

Seminal works

• hodgkin-katz-1949
• doyle-1998

Frequently asked questions

¿Qué es un potencial de equilibrio?

Es el voltaje de la membrana en el que la fuerza eléctrica sobre un ion particular anula exactamente su gradiente de concentración, de modo que el ion no tiene una tendencia neta a moverse; la ecuación de Nernst lo calcula a partir de las concentraciones del ion a cada lado.

¿Cómo selecciona un canal un ion sobre otro?

Un filtro de selectividad estrecho coordina el ion preferido de una manera que sustituye su capa de agua mientras excluye iones de tamaño o geometría de carga incorrectos, como se ha demostrado para los canales de potasio mediante estudios estructurales.