Potencial de membrana: definición, ecuación y cálculo

Membrana de plasma

En interior regulamos la temperatura mediante termostatos. Para mantener alejados a los insectos y animales no deseados, utilizamos mosquiteros, puertas y ventanas. Las células también quieren un interior regulado y escapar del entorno exterior. La pared que separa una célula del exterior se llama membrana plasmática . Mantiene afuera las moléculas no deseadas y regula las que ingresan, pero ¿cómo?

Las membranas celulares están formadas por una variedad de componentes. Cada componente tiene un propósito y una función específicos. Un componente de la membrana celular se llama ATPasa de sodio (Na +) – potasio (K +) o bomba de Na + / K + . Puede parecer un poco complicado, pero la función es similar a la que cree que hace una bomba. Las bombas se pueden usar para eliminar agua o agregar aire. La bomba de Na + / K + expulsa tres iones de sodio de la célula, mientras que al mismo tiempo importa dos iones de potasio.

¡Sostener! ¿Qué son los iones? Un ion es una partícula cargada. El signo más (+) o menos (-) unido a un elemento o molécula indica que está cargado. Entonces, Na + y K + son iones o cationes con carga positiva . Los iones con carga negativa se denominan aniones . Los iones juegan un papel importante en la determinación del potencial de una membrana. ¿Qué significa eso?

Potencial de membrana

Los iones están presentes dentro y fuera de una célula en cantidades variables conocidas como concentraciones . Digamos que haces una fiesta en tu casa. Si hay demasiada gente adentro, muchas personas pueden migrar afuera en busca de aire fresco, lo que llamamos flujo de salida . Si afuera hay demasiada gente, la gente volverá a entrar, lo que llamamos afluencia . Eventualmente, habrá una cantidad igual de personas afuera y adentro: esta situación se conoce como equilibrio . Los iones se comportan de manera similar. Un número menor de iones de sodio (Na +) fuera de la celda hará que los que están dentro quieran salir, y viceversa, hasta que se logre el equilibrio.

Pero este equilibrio tiene un costo porque los iones tienen algo que otras moléculas no tienen: una carga. Cuantos más iones positivos se vayan, más negativa se volverá una célula. Dado que el número de cationes y aniones no es igual, la carga interna y externa no puede ser igual. Entonces, la celda debe sacrificar concentraciones iguales o cargas iguales.

Entonces, ¿qué hace la célula? Una célula utiliza muchos de los componentes de su membrana, incluida la bomba de Na + / K + ATPasa, para regular la concentración de iones dentro y fuera de la célula. El equilibrio entre el número de moléculas y la carga se conoce como gradiente electroquímico . En realidad, las células prefieren ser más negativas por dentro. La diferencia entre la concentración de moléculas y la carga dentro y fuera de una célula se conoce como potencial de membrana .

El potencial de membrana de una celda se mide en voltaje o voltios (V), como la electricidad. Solo el voltaje es mucho más pequeño, por lo que se usan milivoltios (mV), donde 1000 mV = 1V. ¿Cómo se mide el potencial de membrana de una célula?

Ecuación de Nernst

El potencial de membrana ( E ) se puede calcular utilizando la ecuación de Nernst . Esta ecuación nos da el potencial de membrana en reposo de una célula , o el estado de referencia. Profundizar en cómo se mide el potencial de membrana puede parecer abrumador, especialmente si ha visto la ecuación de Nernst, incluso suena complicado. Antes de llegar a las matemáticas, veamos los factores involucrados, incluida la temperatura, la concentración, la constante de Faraday y la constante universal de los gases.

Temperatura ( t )

Le gusta mantener su casa a una temperatura particular para que sea cómoda y se cambia de ropa en consecuencia si el aire acondicionado o la calefacción no funcionan correctamente. La temperatura es un factor que controla el potencial de la membrana al igual que la temperatura puede controlar lo que usa. Sin embargo, la temperatura en la ecuación no se mide en grados Fahrenheit o Celsius, sino en unidades llamadas Kelvin (K).

Concentración ( C )

Como dijimos anteriormente, la concentración es el número de moléculas en un área determinada. Al igual que las personas dentro o fuera de su casa, la concentración de un ión dentro y fuera de una célula también se usa para determinar el potencial de membrana. La carga del ion ( z ) también se usa en la ecuación.

Constante de Faraday ( F )

La constante de Faraday también involucra carga, pero involucra la carga de un mol de iones, donde 1 mol de iones = 6.022×10 ^ 23 iones. Es igual a: 2,3×10 ^ 4 calorías por mol de voltaje (2,3×10 ^ 4 cal / mol * V).

La constante de gas universal ( R )

Hay muchas otras variables a considerar, como la presión, pero la constante de gas universal se encarga de esto al agruparlas en un número utilizable: 1,98 calorías por mol Kelvin (1,98 cal / mol * K).

Ahora es el momento de poner todas las variables en una bonita y ordenada ecuación:

Potencial de membrana en voltios = (Temperatura * Constante universal de gas / (carga de iones x constante de Faraday)) * ln (concentración fuera de la celda / concentración dentro de la celda), o:

O:

E = ( RT / zF ) ln ( Co / Ci )

¿De dónde vino el ln ? Es de la derivación de la ecuación de Nernst. La mayoría de las calculadoras tendrán una función ln . Alternativamente, la ecuación se puede cambiar para usar base logarítmica 10 en lugar de multiplicar la ecuación por 2,3.

Cálculo del potencial de membrana

Ahora que tenemos la ecuación, es hora de intentar calcular el potencial de membrana. De esta forma, podemos ver cómo encajan todas las piezas.

El ion que usaremos para calcular el potencial de reposo es el potasio (K +). La carga + en K nos da un valor z de 1 ya que tiene una carga positiva (a 2+ nos daría z = 2). La concentración de K + dentro de la celda es 100 mientras que la concentración de K + fuera de la celda es 1. La temperatura es de 310 grados Kelvin (aproximadamente 37 grados Celsius).

Sustituyamos los números en la fórmula y resolvemos:

El potencial de membrana en reposo de esta célula que utiliza los iones K + es de -122,8 mV. La entrada rápida de iones positivos, específicamente iones de sodio (Na +), provoca cambios en el potencial de reposo. En las células activas, este cambio de un interior negativo a positivo se denomina potencial de acción .

Resumen de la lección

El potencial de membrana de una célula es una medida del gradiente electroquímico (número de moléculas y carga) e implica la entrada y salida de iones. La ecuación de Nernst se usa para medir el potencial de membrana en reposo de las células e involucra varias variables (temperatura, concentración y carga) y dos constantes (la constante de gas universal y constante de Faraday). El potencial de membrana de las células suele ser negativo y se mide en milivoltios (mV).

Rodrigo Ricardo Editor y fundador