Potencial de Nernst

QUIMICA II. FACULTAD DE AGRONOMIA DE LA UNLPAM. CURSO 2001.
Potencial de Nernst. Potencial de reposo de una membrana.
La ecuación de Nernst solamente puede predecir el potencial de membrana, cuando
existe un solo canal de membrana abierto, en una membrana. Esto puede lograrse
artificialmente, fabricando liposomas.
Cuando un canal de membrana se abre, el potencial de esa membrana se mueve hacia el
valor del potencial de Nernst para dicho ion.
Esto significa que uno podría calcular el potencial de membrana, sabiendo cuántos
canales de membrana están abiertos , y conociendo los potenciales de Nernst para dichos
iones. Eso además, considerando que no hay ninguna bomba electrogénica funcionando.
Esto es verdad, ya que funciona prácticamente así. El potencial de membrana es un
promedio” pesado” con sus respectivas permeabilidades, para los potenciales de Nernst
de todos los iones que tienen sus canales abiertos en ese instante. Cuantos más canales
para un mismo ion están abiertos, más se acerca el valor del potencial de membrana, al
potencial de Nernst para dicho ion.
Supongamos que la membrana de una célula tiene 10 veces más canales de potasio que
de sodio. El potencial para sodio es + 5 mV y para potasio – 60 mV. ¿Qué
concentraciones ionicas representan estos valores?.
Para Na:
Δ G= R T lnC + z F ΔΨ
0= RT ln C + z F ΔΨ
0= 2,47 KJ/mol ln C + 0,48 KJ/mol
Gradiernte de concentración para el sodio = 0,8, mayor concentración afuera.
Para K: 9,19, mayor concentración adentro.
El potencial de membrana es de – 50 mV. Más cercano al del potasio.
A diferencia del potencial de Nernst, el potencial de membrana no es un potencial de
equilibrio, sino de estado estacionario.
Tanto el sodio como el potasio se estarán moviendo en sentidos contarios en igual
proporción, pero sin que exista un movimiento de carga neto. Pero para que esto
suceda, se requiere que actúen bombas que mantengan la diferencia de concentración.
De lo contrario los gradientes de iones se disiparían en el tiempo. Esta es la situación
para el potencial de membrana de casi todas las células.
¿Qué es el potencial de reposo?
Todas las células tienen un potencial de reposo. Esto significa que bajo condiciones de
reposo, o sea sin estímulos, se puede medir una diferencia de potencial a través de la
membrana. Este potencial es la resultante de un exceso de aniones en el interior
1

especto del exterior, lo que hace que en condiciones de reposo, el interior de la
membrana sea negativo respecto del exterior.
Condiciones del entorno que deben cumplirse para que se establezca esta
situación de estado estacionario, que es el Potencial de Reposo.
a) Electroneutralidad
Las soluciones intra y extracelulares deben ser eléctricamente neutras. Significa que el
número de aniones debe ser igual al de cationes en los fluidos a ambos lados de la
membrana. El leve exceso de aniones en el lado interno de la membrana y de cationes
en el lado externo, que son los que generan el potencial de membrana de reposo, es
casi despreciable respecto de la cantidad total de iones presentes en el medio intra y
extracelular. En una célula, con un radio de 25 micrones, con una concentración de
solutos totales de 120 mM, y un potencial de membrana en reposo de –85 mV hay
aproximadamente 100.001 aniones y 100.000 cationes. Si este no fuera el caso, la
electroneutralidad sería violada, y las fuerzas de repulsión que se generarían harían
que la solución saliera expulsada de la célula.
b) Por otro lado, la célula debe estar en balance osmótico, para que la célula no se
hinche o se encoja, debido a fenómenos osmóticos.
c) No debe haber flujos netos de iones hacia la célula o fuera de ella.
COMO SE GENERA EL POTENCIAL DE MEMBRANA
El potencial de membrana se genera, por que hay unan distribución desigual de iones a
través de la misma, y por que la membrana tiene permeabillidad selectiva para las
especies iónicas presentes.
En la mayoría de las células, existe una alta concentración de potasio y de aniones no
permeables en el interior celular, mientras que el sodio y el cloruro se presentan en
mayor concentración en el exterior. Esto significa que existe un gradiente de
concentración para las especies iónicas mayoritarias presentes.
FIG 1: Distribución de iones en la célula
2

SI LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS FUERAN SIMPLEMENTE UNA MEMBRANA
BICAPA FOSFOLIPIDICA, TOTALMENTE IMPERMEABLE A LOS IONES, NO SE
GENERARIA UN POTENCIAL DE MEMBRANA, AUNQUE EXISTIERAN
GRADIENTES ELECTROQUÍMICOS IMPORTANTES A TRAVES DE ELLA.
ECUACIÓN DE NERNST
1- Las membranas celulares son un mosaico fluido de lípidos y proteínas.
Las membranas son impermeables a los iones, al ser hidrofóbicas, por lo tanto los iones
deben atravesarla por Canales, que son proteínas especializadas de membrana, que
pueden tener una alta selectividad o selectividad relativa para los iones, y pueden estar
abiertos o cerrados.
CONSIDEREMOS UNA CELULA CON UNA MEMBRANA EXCLUSIVAMENTE
PERMEABLE AL POTASIO
¿Qué pasará?
Dado que la concentración de potasio es mayor adentro que fuera de la célula, el
potasio tenderá a salir de la misma, tal como tienden a salir de un saquito de té, los
pigmentos y otras sustancias que dan sabor . En la medida que el potasio sale de la
célula, genera una separación de cargas. Dado que cargas de signos opuestos se
atraen, y las de signo opuesto se repelen, el exceso de cargas positivas del exterior
tenderán a distribuirse sobre la cara externa de la membrana , y el exceso de cargas
negativas del interior tenderán a ubicarse sobre la cara interna de la membrana. DE
esta manera se dice que la membrana se polariza. En otras palabras, se genera un
gradiente eléctrico a través de la membrana. El exceso de cargas positivas del exterior,
se opondrán a la salida de más potasio de la célula.
El punto en el cual la diferencia de potencial se opone y contraresta exactamente
al flujo del potasio, es conocido como POTENCIAL DE EQUILIBRIO PARA EL ION
POTASIO. A ese potencial no hay más flujo neto espontáneo del potasio a través
de la membrana.
2- El potencial de equilibrio para el potasio u otro ion permeable, está determinado por
el gradiente de concentración y es proporcional a la diferencia entre el logaritmo de las
concentraciones del ion, a ambos lados de la membrana, según las siguientes
ecuaciones:
ΔΨ = k (ln[K]afuera - ln [K]adentro)
3

ΔΨ : Diferencia de Potencial de membrana
k = RT/zF. R (0,00831831 KJ / 0 K mole),
T 298 Kelvin,
z es la Valencia del ion con su respectiva carga.
F = Faraday (96,500 KJ / V mol.
Reorganizando, la ecuación de Nernst queda así:
ΔΨ = (RT/zF) (ln [K]afuera - ln [K]adentro)
ΔΨ = (RT/zF) (ln [K]afuera / (K)adentro)
ESTA ES UNA DE LAS MANERAS DE EXPRESAR LA ECUACION DE
NERNST, QUE PERMITE DETERMINAR LA MAGNITUD DEL POTENCIAL DE
MEMBRANA, ASOCIADO A UN DETERMINADO GRADIENTE DE CONCENTRACION
DE IONES PERMEABLES.
DATOS IMPORTANTES
A temperatura ambiente
RT/zF, para un ion monovalente es aproximadamente 25 mV
Para trabajar con logaritmos decimales (log, es decir, en base diez), en lugar de
logaritmos 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 expresión de la ecuación de Nernst con estos datos es:
Veamos dos ejemplos:
ΔΨ =58mV log 10 = 58mV
ΔΨ =58mV log 10 -1 = - 58mV
ΔΨ = 58 mV log [K]afuera / [K]adentro
Si [K]afuera=50, and [K]adentro =5;
Y si [K]afuera=5, and [K]adentro =50
4

La Ecuación de Nernst puede ser usada para encontrar el potencial de equilibrio para
cualquier 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:
ΔΨ =58mV log 117/ 30= + 34 mV
Para el caso del Cl - , con una concentración de 120 mM afuera y 4 mM adentro
ΔΨ = - 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 un
determinado ion, el gradiente de concentración de ese ion tenderá a cambiar, para
restablecer el equilibrio.
Si se despolariza una celula por ingreso de potasio ( el interior se vuelve menos
negativo), y el potencial de membrana disminuye, el potasio tenderá a salir de la célula.
Si se hiperpolariza la célula haciendo más negativo el interior y por lo tanto aumentando
la diferencia de potencial, el potasio tendera a ingresar en la célula.
IV- MANTENIMIENTO DE GRADIENTES DE CONCENTRACION DE Na +
y K + .
Dado que ni el Na + ni el K + están en sus potenciales de equilibrio en una célula
polarizada con un determinado potencial de membrana, en esas condiciones, el
potasio tiende a salir y el sodio a entrar. Con el tiempo, esto llevaría a la disipación
del gradiente de concentración de ambos iones y a la pérdida del potencial de
membrana.
El gradiente de concentración iónico por lo tanto, debe mantenerse con el
funcionamiento de las bombas.
Las Bombas juegan un rol crucial en el mantenimiento del balance osmótico de la
célula.
Sabemos que las células contienen aniones intracelulares no permeables
( ATP, proteínas, nucleótidos). Si las bombas no funcionaran, la osmolaridad
intracelular excedería a la extracelular en condiciones de equilibrio electroquímico,
el agua entraría violentamente a la célula que podría explotar. Esto se conoce
5

como equilibrio Donnan. La bomba mantienen al Na + , como un catión extracelular
que se comporta como si no fuera permeable; a su vez, como la bomba expulsa
mayor cantidad de sodio afuera de lo que ingresa de potasio, el balance osmóticio
se conserva.
Desde esta perspectiva, el potencial de reposo de membrana puede ser visto
como una estrategia celular para evitar su lisis osmótica.
Las Bombas también juegan un rol crucial, en el proceso de absorción de
nutrientes, y en los procesos de trabajo osmótico de la célula.
Este documento ha sido elaborado por la Càtedra de Quìmica II de la Facultad de
Agronomìa, para el Curso 2001. La informaciòn que contiene este documento, ha
sido traducida de documentos obtenidos en Internet., del autor Nicholls, Jg, Martin
and Wallace ( 1992).
6