Problemas para comprender el potencial de membrana

Creo que esta pregunta tiene más que ver con la cinética / fenómenos de transporte que con la biología, pero está bien, todo está conectado, especialmente mi computadora, a Internet. ;-)

La idea básica detrás de los fenómenos de transporte es que siempre habrá un flujo de propiedades cuantitativas (por ejemplo, cargas, número de partículas, entropía, volumen, etc.) donde las propiedades cualitativas como (potencial eléctrico, potencial químico, temperatura, presión, etc. ) ...) tienen un gradiente en el espacio (tenga en cuenta que la cinética de las reacciones químicas se puede describir de manera similar sin la parte del gradiente espacial).

En este caso estamos hablando de gradiente de potencial electroquímico y flujo de iones . Es muy importante reconocer que el potencial electroquímico no es lo mismo que el potencial eléctrico. Tiene un componente químico, por lo que el resultado dependerá tanto de los gradientes de carga como de concentración. Con un sistema de un solo canal de iones (p. ej., solo el canal de Na⁺), puede contar el potencial de cada lado de la membrana usando la ecuación de Nernst , con un sistema con múltiples canales de iones es más complicado, por lo que en ese caso debe usar el ecuación de Goldman . Así que al final puedes decir algo como que un lado tiene un potencial de x[mV] y el otro lado tiene un potencial de y[mV]y entonces la diferencia es: d[mV] = x[mV] - y[mV]

El signo de d depende de x o y tiene un valor mayor. En los sistemas de un solo canal de iones, esto expresa una dirección x → y , por lo que, mediante una d positiva , la dirección del flujo de cationes es x → y , y mediante una d negativa , es y → x . Por flujo de aniones es lo contrario.

Por células usamos la dirección out → in contando el potencial de membrana. Podemos contar los potenciales usando el

• Ecuación de Nernst: $$E_m = \frac{RT}{zF} \times ln \left(\frac{c_{out}}{c_{in}}\right)$$ o el

• Ecuación de Goldman:

  $$E_m = \frac{RT}{F} \times ln \left(\frac{p_{K^+}.[K^+]_{out} + p_{Na^+}.[Na^+]_{out} + p_{Cl^-}.[Cl^-]_{in}} {p_{K^+}.[K^+]_{in} + p_{Na^+}.[Na^+]_{in} + p_{Cl^-}.[Cl^-]_{out}}\right)$$ dónde
  • $Em$es el potencial de membrana
  • $z$es la carga de iones
  • $[X]$es la concentración de iones
  • $p_X$es la permeabilidad relativa de la membrana para el ion real

  y así...

Entonces, por ejemplo, por una célula humana promedio en plasma sanguíneo, asumiendo que el interior de la membrana tiene una pequeña carga negativa

• el Na⁺ tiene un efecto positivo (carga positiva, salida alta → gradiente de concentración, salida baja → gradiente de carga),
• el K⁺ tiene un efecto negativo (carga positiva, alto gradiente de concentración de entrada → salida , bajo gradiente de carga de salida → entrada ),
• el Cl¯ tiene un efecto negativo (carga negativa, gradiente de concentración de entrada → salida alto, gradiente de carga de entrada → salida bajo )
• el Mg⁺⁺ tiene un pequeño efecto positivo (carga positiva, salida baja → en gradiente de concentración, salida baja → en gradiente de carga)

sobre el potencial de membrana. Es difícil encontrar un ion en este caso cuyo flujo esté dominado por un gradiente de carga en lugar de un gradiente de concentración...

Entiendo que el potencial de membrana es la diferencia de las cargas iónicas extracelulares e intracelulares, debido a sus concentraciones.

El (signo y) valor del potencial de membrana no está determinado por el gradiente de carga porque los gradientes de concentración suelen tener un efecto mucho mayor sobre él. Las células mantienen estos gradientes de concentración consumiendo energía.

Trabajamos con una celda regular con potasio 120mM adentro y 4.5mM afuera.

Digamos que aumentamos la concentración intracelular de potasio en 10 mM, un ion de valencia +1 que contribuye al potencial de membrana POSITIVO.

En su caso, K⁺ tiene un efecto negativo sobre el potencial de membrana, debido al alto gradiente de concentración con dirección inversa. Entonces, al disminuir el gradiente de concentración, aumentará el potencial de membrana.

Si desea obtener más información sobre cómo contar los potenciales de membrana, debe leer esta y la siguiente sección en lugar de la wikipedia...

Creo que la respuesta de inf3rno es muy completa, por lo que solo agregaré algunas notas que podrían ayudar a OP a comprender lo que está sucediendo.

Digamos que aumentamos la concentración intracelular de potasio en 10 mM, un ion de valencia +1 que contribuye al potencial de membrana POSITIVO.

Digamos que hacemos eso, en un modelo celular in vitro , usando una jeringa con solo iones K⁺ . ¿Qué pasaría?

Lo que imagino es que a medida que ponemos más iones positivos en la célula, la célula ahora es más positiva con respecto a la matriz extracelular.

Y eso es cierto, al menos instantáneamente. Sin embargo, debido a las diferencias en los gradientes de concentración, el K⁺ fluiría rápidamente hasta que se restableciera el equilibrio electroquímico. Esto conduciría a un aumento en la concentración de K⁺ fuera de nuestro modelo de celda, por lo que, al final, la carga neta disminuiría dentro de la celda.

Entonces puedes pensar en la ecuación de Nernst como un modelo matemático para la celda en equilibrio.