Permeabilidade da Membrana e Potenciais de Equilíbrio Iônico

A permeabilidade seletiva da membrana é o que transforma os gradientes de concentração iônica em uma voltagem. Os íons atravessam a membrana apenas através de canais que favorecem espécies particulares, e para cada íon existe um potencial de equilíbrio, dado pela equação de Nernst, no qual suas forças difusivas e elétricas se equilibram exatamente.

Definition

Permeabilidade seletiva é a propriedade pela qual os canais iônicos permitem que íons específicos atravessem a membrana; o potencial de equilíbrio (Nernst) para um íon é a voltagem da membrana na qual a força elétrica sobre esse íon se opõe exatamente ao seu gradiente de concentração, de modo que não há fluxo líquido.

Scope

Este tópico aborda como os canais íon-seletivos tornam a membrana permeável a alguns íons e não a outros, e como a equação de Nernst define o potencial de equilíbrio para cada íon permeante. Ele explica o potencial de equilíbrio como o ponto de referência para o qual a permeabilidade de cada íon direciona a voltagem da membrana. A voltagem combinada de estado estacionário de vários íons é tratada no tópico Goldman-Hodgkin-Katz.

Core questions

• Como os canais tornam a membrana seletivamente permeável a um íon em detrimento de outro?
• O que a equação de Nernst calcula e o que significa o potencial de equilíbrio?
• Por que o potássio e o sódio têm potenciais de equilíbrio tão diferentes?

Key concepts

• Canais íon-seletivos
• Filtro de seletividade
• Equação de Nernst
• Potencial de equilíbrio (reversão)
• Gradiente de concentração versus gradiente elétrico
• Permeabilidade versus condutância

Key theories

Princípio do potencial de equilíbrio

Para um único íon permeante, a membrana atinge uma voltagem, o potencial de Nernst, na qual a força elétrica através da membrana equilibra exatamente o gradiente de concentração, não produzindo movimento líquido; isso define a voltagem alvo para a qual a permeabilidade de cada íon puxa.

Mechanisms

Os canais iônicos atravessam a membrana e permitem a passagem de íons através de um filtro de seletividade que discrimina entre espécies por tamanho e química de coordenação; a estrutura do canal de potássio resolvida por Doyle e colegas (1998) mostrou como os carbonilos do esqueleto mimetizam a camada de hidratação do potássio para selecioná-lo em detrimento do sódio. Quando a membrana é permeável a um único íon, esse íon se difunde a favor do seu gradiente de concentração até que a carga que ele move construa uma força elétrica oposta; a voltagem na qual as duas forças se equilibram é o potencial de equilíbrio, calculado pela equação de Nernst a partir da razão das concentrações externa e interna. Diferentes íons, portanto, têm diferentes potenciais de equilíbrio, e a voltagem da membrana é puxada em direção ao potencial de equilíbrio do íon que é atualmente mais permeante. Hodgkin e Katz (1949) mostraram experimentalmente que a alteração das concentrações iônicas externas desloca a voltagem da membrana conforme previsto por este modelo.

Clinical relevance

Os potenciais de equilíbrio e a seletividade dos canais explicam por que as alterações na concentração iônica extracelular modificam a excitabilidade e por que as drogas e toxinas que visam os canais afetam nervos e músculos. Esta entrada apresenta essas relações como base mecanicista e não oferece orientação diagnóstica ou de tratamento.

Evidence & guidelines

A relação de Nernst é um resultado termodinâmico confirmado em inúmeros experimentos de eletrofisiologia, e a seletividade dos canais é estabelecida por estudos estruturais e funcionais; este é um material de referência padrão em biofísica, não conteúdo de diretrizes.

History

Walther Nernst formulou a equação que relaciona a razão de concentração ao potencial eletroquímico no final do século XIX. Sua aplicação a membranas excitáveis amadureceu com o trabalho de Hodgkin e Katz (1949) no axônio de lula, e a base molecular da seletividade que o modelo assume foi finalmente visualizada na estrutura do canal de potássio de Doyle e colegas (1998).

Key figures

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

Seminal works

• hodgkin-katz-1949
• doyle-1998

Frequently asked questions

O que é um potencial de equilíbrio?

É a voltagem da membrana na qual a força elétrica sobre um íon particular cancela exatamente seu gradiente de concentração, de modo que o íon não tem tendência líquida a se mover; a equação de Nernst o calcula a partir das concentrações do íon em ambos os lados.

Como um canal seleciona um íon em detrimento de outro?

Um filtro de seletividade estreito coordena o íon preferido de uma forma que substitui sua camada de água, enquanto exclui íons de tamanho ou geometria de carga incorretos, como demonstrado para os canais de potássio por estudos estruturais.