Potencial de Nernst

El potencial de reposo de una célula es producido por diferencias en la concentración de iones dentro y fuera de la célula y por diferencias en la permeabilidad de la membrana celular a los diferentes iones. El potencial de equilibrio de Nernst relaciona la diferencia de potencial a ambos lados de una membrana biológica en el equilibrio con las características relacionadas con los iones del medio externo e interno y de la propia membrana.

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Un caso práctico

Imaginémonos un medio con KCl (cloruro de potasio), una sal, que, en medio acuoso, se disocia en K⁺y Cl^-, sus iones componentes, que en la disolución se mantendrán en relación 1:1, compensando las cargas positivas de los cationes potasio con las negativas de los aniones cloruro, por lo que la disolución será electricamente neutra.

Ahora añadamos a este modelo una membrana biológica selectivamente permeable, que permita el paso únicamente al K⁺. Así, los K⁺ difundirán libremente a un lado y otro de la membrana. Sin embargo, como hay más más iones en el compartimento 1, inicialmente fluirán más iones K⁺ del 1 al 2 que del 2 al 1. Como el Cl^- no puede difundir a través de la membrana, pronto hay un exceso de carga positiva en el compartimento 2 y un exceso de carga negativa en el 1. Estas cargas en exceso se concentran a lo largo de la membrana, mientras que la masa de fluido en cada compartimento permanece neutra. Las capas de carga positiva y negativa a cada lado de la memrana producen una diferencia de potencial V = V₁ − V₂ a través de la membrana y un campo eléctrico E, que retarda el flujo de iones positivos del compartimento 1 al 2 y que acelera su flujo del compartimento 2 al 1.

Tras un tiempo se alcanzará el equilibrio dinámico en el que exista un flujo de K⁺ idéntico del 2 al 1 como del 1 al 2. Este equilibrio depende de:

• la diferencia de de concentración que favorece el movimiento del 1 al 2

• la diferencia de potencial que favorece la difusión del 2 al 1.

Además, la diferencia de potencial V en el equilibrio viene dada, en función de las concentraciones c₁ y c₂ de los iones de K⁺ en los dos compartimentos, mediante:

Éste es el potencial de equilibrio de Nernst. Es negativo cuando la membrana es permeable a los iones positivos, y positivo cuando lo es a los aniones. Aquí k es la constante de Boltzmann y la T la temperatura absoluta. La magnitud kT es proporcional a la energía cinética media de los iones en solución y es proporcional al flujo neto de iones debido a la diferencia de concentración. La magnitud eV es proporcional al flujo neto de iones debido a la diferencia de potencial. Así, la ecuación antes citada es la condición para que estos dos flujos sean iguales y opuestos.

Modificaciones: Temperatura de 37 ºC

A la temperatura corporal de 37 ºC el valor de es:

de modo que el potencial de Nernst es

Potencial de la membrana plasmática

La membrana plasmática de una célula nerviosa separa un citoplasma con una concentración de iones K ⁺ de 0,141 mol/L de un fluido extracelulular de únicamente 0,005 mol/L del mismo ion. Considerando que ambas concentraciones estén en equilibrio, y aplicando la fórmula anterior podemos deducir el potencial de membrana en reposo:

donde este -89,5 mV teórico coincide aproximadamente con las mediciones en reposo efectuadas por técnicas de medición por microelectrodos en células vivas, de lo cual se deduce que las concentraciones de K ⁺ están casi en equilibrio. Sin embargo, para el mantenimiento de estas características se requiere una bomba iónica que propulse de forma dependiente de energía los cationes K ⁺ al interior celular.

Transmisión del impulso nervioso

  Además, los procesos de despolarización e hiperpolarización de la membrana durante, por ejemplo, la transmisión del impulso nervioso por parte de los potenciales de acción o la contracción muscular implican a un gran número de proteínas de membrana que intervienen en el flujo iónico bidireccional. De ahí que varíe tanto el potencial de membrana en estos casos: por ejemplo, una neurona pude despolarizarse hasta 30 mV, incrementando el potencial en más de 120 mV.

Véase también

• Membrana plasmática
• Potencial de acción
• Potencial de membrana
• Hiperpolarización
• Ecuación de Nernst

Referencias

• Cromer, A.H. (1996), Física para ciencias de la vida, Reverté ediciones. ISBN para España 84-291-1808-X.