nota: una mini-conferencia de 18 minutos sobre este tema se puede ver al final de esta página.
si un voltímetro está conectado a los dos terminales de una batería, se medirá una diferencia de voltaje entre los dos terminales. Del mismo modo, si se utiliza un voltímetro para medir el voltaje a través de la membrana celular (interior versus exterior) de un cardiomiocito, se encontrará que el interior de la célula tiene un voltaje negativo (medido en milivoltios; mV) con respecto al exterior de la célula (que se hace referencia como 0 mV)., En condiciones de reposo, esto se denomina potencial de membrana de reposo. Con la estimulación adecuada de la célula, este voltaje negativo dentro de la célula (potencial de membrana negativo) puede convertirse transitoriamente en positivo debido a la generación de un potencial de acción. Los potenciales de membrana resultan de una separación de cargas positivas y negativas (iones) a través de la membrana, similar a las placas dentro de una batería que separan las cargas positivas y negativas.,
los potenciales de membrana en las células están determinados principalmente por tres factores: 1) la concentración de iones en el interior y el exterior de la célula; 2) la permeabilidad de la membrana celular a esos iones (es decir, conductancia iónica) a través de canales iónicos específicos; y 3) por la actividad de bombas electrogénicas (por ejemplo, bombas de transporte Na+/K+-ATPasa y Ca++) que mantienen las concentraciones de iones a través de la membrana.,
Las células cardíacas, como todas las células vivas, tienen diferentes concentraciones de iones a través de la membrana celular, Los más importantes de los cuales son Na+, K+, Cl-y Ca++ (ver figura a la derecha). También hay proteínas cargadas negativamente dentro de la célula a la que la membrana celular es impermeable. En una célula cardíaca, la concentración de K+ es alta dentro de la célula y baja fuera. Por lo tanto, hay un gradiente químico para que K+ se difunda fuera de la célula., La situación opuesta se encuentra Para Na+ y Ca++ donde sus gradientes químicos (altas concentraciones externas, bajas concentraciones internas) favorecen una difusión interna.
Ion de potasio
para entender cómo se genera un potencial de membrana, primero considere una célula hipotética en la que K+ es el único ion a través de la membrana que no sean las grandes proteínas cargadas negativamente dentro de la célula., Debido a que la célula tiene canales de potasio a través de los cuales K+ puede moverse dentro y fuera de la célula, K+ difunde su gradiente químico (fuera de la célula) porque su concentración es mucho más alta dentro de la célula que fuera. A medida que K + (un ion cargado positivamente) se difunde fuera de la célula, deja atrás proteínas cargadas negativamente. Esto conduce a una separación de cargas a través de la membrana y por lo tanto una diferencia de potencial a través de la membrana. Experimentalmente es posible evitar que el K+ se difunda fuera de la célula., Esto se puede lograr aplicando una carga negativa al interior de la celda que evita que el K+ cargado positivamente salga de la celda. La carga negativa a través de la membrana que sería necesaria para oponerse al movimiento de K+ hacia abajo de su gradiente de concentración se denomina el potencial de equilibrio para K+ (EK; potencial de Nernst)., El potencial de Nernst para K+ se puede calcular de la siguiente manera:
(donde i = 150 mM y o = 4 mM; Y z=1 porque K+ es monovalente)
El EK representa el potencial eléctrico necesario para evitar que K+ se difunda fuera de la celda, por su gradiente químico. Si la concentración exterior de K+ se aumentara de 4 a 40 mM, entonces el gradiente químico que conduce a K+ fuera de la celda se reduciría, y por lo tanto el potencial de membrana requerido para mantener el equilibrio electroquímico (EK) sería menos negativo de acuerdo con la relación Nernst., En este ejemplo, el EK se convierte en -35 mV cuando la concentración exterior de K + es de 40 mm. En otras palabras, cuando K + se eleva 10 veces fuera de la celda, el gradiente químico que impulsa a K+ fuera de la celda se reduce y, por lo tanto, se requiere un voltaje menos negativo para evitar que K+ se difunda fuera de la celda.
el potencial de reposo para un miocito ventricular es de aproximadamente -90 mV, que está cerca del potencial de equilibrio para K+ cuando la concentración extracelular de K+ es de 4 mm., Dado que el potencial de equilibrio para K+ es de -96 mV y el potencial de membrana en reposo es de -90 mV, hay una fuerza impulsora electroquímica neta (diferencia entre el potencial de membrana y el potencial de equilibrio) de 6 mV que actúa sobre el K+. El potencial de membrana es más positivo que el potencial de equilibrio, por lo tanto, la fuerza impulsora neta es hacia afuera debido a que K+ tiene una carga positiva. Debido a que la célula en reposo tiene una permeabilidad finita A K+ y la presencia de una pequeña fuerza impulsora neta hacia el exterior que actúa sobre K+, hay una fuga lenta hacia el exterior de K+ desde la célula., Si K + continuara escapando fuera de la celda, su gradiente químico se perdería con el tiempo; sin embargo, una bomba Na+/K+-ATPasa devuelve el K+ a la celda y por lo tanto mantiene el gradiente químico K+.
iones de sodio y calcio
debido a que la concentración de Na+ es más alta fuera de la célula, este ion difunde su gradiente químico hacia la célula. Experimentalmente, esta difusión interna de Na+ Se puede prevenir aplicando una carga positiva al interior de la célula., Cuando este cambio positivo contrarresta la fuerza de difusión química que impulsa el Na+ hacia la célula, no habrá movimiento neto de Na+ hacia la célula, y el Na + estará por lo tanto en equilibrio electroquímico., El potencial de membrana requerido para producir este equilibrio electroquímico se llama el potencial de equilibrio para Na+(ENa) y se calcula por:
(donde i = 20 mM y o = 145 mM; Y z=1 Porque Na+ es monvalente)
El ena positivo significa que para equilibrar el gradiente químico dirigido hacia adentro para Na+, el interior de la célula debe ser de +52 MV para evitar que el NA+ se difunda en la célula., A un potencial de membrana en reposo de -90 mV, no solo hay una gran fuerza motriz química, sino también una gran fuerza motriz eléctrica que actúa sobre el Na+ externo para hacer que se difunda en la célula. La diferencia entre el potencial de membrana y el potencial de equilibrio (-142 mV) representa la fuerza electroquímica neta que conduce a Na+ a la célula en el potencial de membrana en reposo. En reposo, sin embargo, la permeabilidad de la membrana a Na+ es muy baja, por lo que solo una pequeña cantidad de Na+ se filtra a la célula., Durante un potencial de acción, la membrana celular se vuelve más permeable al Na+, lo que aumenta la entrada de sodio en la célula a través de los canales de sodio. En el pico del potencial de acción en una célula cardíaca (por ejemplo, miocito ventricular), el potencial de membrana es de aproximadamente +20 mV. Por lo tanto, mientras que el potencial de reposo está muy alejado de la ENa, el pico del potencial de acción se aproxima a la ENa., Debido a que una pequeña cantidad de Na+ entra en la célula en reposo, y una cantidad relativamente grande de Na+ entra durante los potenciales de acción, se requiere una bomba de Na+/K+-ATPasa para transportar Na+ fuera de la célula (a cambio de K+) con el fin de mantener el gradiente químico de Na+.
Similar a Na+, hay una gran diferencia de concentración de Ca++ a través de la membrana celular. Por lo tanto, Ca++ se difunde en la célula a través de los canales de calcio. Aplicando la ecuación de Nernst a concentraciones de calcio externas e internas de 2,5 mM y 0.,0001 mM, respectivamente, da como resultado un potencial de equilibrio de +134 mV como se muestra a continuación.
Este valor también incluye el hecho de que Ca++ es un catión divalente en lugar de un catión monovalente; por lo tanto, la constante -61 en la ecuación anterior se divide por 2 porque z = 2 (z = número de cargas). Debido a que el potencial de equilibrio es mucho más positivo que el potencial de membrana en reposo, hay una fuerza electroquímica neta que intenta conducir Ca++ a la célula, lo que ocurre cuando los canales de calcio están abiertos.,
la discusión anterior muestra cómo los cambios en la concentración de iones individuales a través de la membrana pueden alterar el potencial de membrana. Sin embargo, para entender completamente cómo múltiples iones afectan el potencial de membrana, y en última instancia, cómo el potencial de membrana cambia durante los potenciales de acción, es necesario aprender cómo los cambios en la permeabilidad de iones de membrana, es decir, los cambios en la conductancia iónica, afectan el potencial de membrana., Además, las bombas de iones electrogénicos como la bomba Na+/K+-ATPasa contribuyen al potencial de membrana ya que transportan iones a través de la membrana para mantener las concentraciones de iones a través de la membrana.
la siguiente es una mini-conferencia sobre potenciales de membrana cardiacos (18.3 minutos):