Iones y potenciales eléctricos

15 de marzo de 2007

http://einstein.ciencias.uchile.cl//Fisiologia2007/Clases/IonesyPotenciales.ppt

Proyecto escolar Telégrafo

-60 mV

0 mV

Medio extracelular

Medio intracelular

Potencial eléctrico intracelular, axón de jibia

¿Cómo se mide el potencial eléctrico intracelular?

¿Cómo hacer contacto eléctrico entre los cables metálicos del vóltmetro y las soluciones de electrolitos?

Las soluciones se conectan a los cables mediante los electrodos.

Las soluciones se conectan a los cables mediante electrodos

La reacción en los electrodos:

-e AgAg

Ag

AgNO3

Para que la reacción curse se necesita agregar o retirar electrones de los alambres de plata, es decir hacer circular una corriente eléctrica. La corriente la llevan los electrones en los alambres y por los iones Ag+ en la solución.

0xx XRTxx ln0 FVzXRT xxx ln0

Potencial químico

mol

joul

n

G

inPTii

,,

En ausencia de corriente, la reacción no cursa, por lo tanto estamos en un equilibrio, en que el potencial químico de la plata en el metal es igual al de la plata en la solución.

solsolmetmet zFVAgRTμzFVμ ln00

AgRTμμ)VzF(V metsolsolmet ln00

AgF

RTΔVΔV met/solmet/sol ln0

0,8V 00

0

zF

μμVVV metsolmet/solsolmet

Ag

AgCl

KCl

El electrodo de plata clorurada. Ag cubierta de AgCl.

El AgCl es insoluble, la concentración de Ag en solución es Kps / [Cl]

El potencial metal/solución depende de [Cl]

Cl

Kps

F

RTΔVΔV met/solmet/sol ln0

ClF

RTΔVΔV Ag/AgClmet/sol ln0

0,22V ln00 KpsF

RTΔVΔV met/solAg/AgCl

¿Cómo hacer contacto eléctrico con el medio intracelular?

Se usa micro pipetas de vidrio rellenas de un asolución de electrolitos.

Estirador de pipetas (puller)

K.T. Brown and D.G. Flaming Advanced micopipette techniques for cell physiology. IBRO Handbook series Methods in neurosciences. Volumen 9 1992. John Wiley and Sons.

Filamento

K.T. Brown and D.G. Flaming Advanced micopipette techniques for cell physiology. IBRO Handbook series Methods in neurosciences. Volumen 9 1992. John Wiley and Sons.

A) Pipeta para patch. 0.8 m, 3 M B) Micro pipeta intracelular, 100 M C) Macro patch 8 m, 200 k

Antes y después de pulir

A B C

patch [pætʃ] Inombre 1   (en la ropa, un ojo) parche 2   (de color, aceite, humedad) mancha 3   (terreno) pequeña parcela 4   a bad patch, una mala racha

¿Cómo medir potencial eléctrico de una fuente de alta resistencia interna?

Vv?Re 100M

Rv 1 M

Vm

RvRe

Vmi

iReVmVv iRvVv

RvRe

RvVmVv

100

1VmVv

i

Silicio (Si) puro es muy poco conductor

P, As, Sb

Si con impurezas es buen conductor

B, Ga, In, Al

Si con impurazas es buen conductor

Diodos

E de los electrones

E de los huecos

0

P

+

-

N-

+

Transistor de efecto de campo, FET

Transistor de efecto de campo, FET

Transistor de efecto de campo, FET

0

Vv?Re 100M

Rv 1 M

Vm

Re 100MVm

0iRe

-

+

o

VCC

VDD

VVAVO CCODD VVV 510A

Amplificador operacional

+

-

o VVAVO

510A

OO VVAV

AVAVV OO

VVO

-60 mV

0 mV

Medio extracelular

Medio intracelular

Potencial eléctrico intracelular, axón de jibia

[K] 440mM[Na] 50mM

[Na] 440mM[K] 10mM

Análisis cuantitativo de Na y K en axones gigantes de jibia.

Medio extracelular

Medio intracelular

¿Cómo se puede determinar las concentraciones de Na y K?

Espectrometría de absorción atómica.http://www.chemsoc.org/pdf/LearnNet/rsc/AA_txt.pdf

Una lámpara para cada elemento

Concentración

XI

I0log

[K] 440mM[Na] 50mM

[Na] 440mM[K] 10mM

Análisis cuantitativo de Na y K en axones gigantes de jibia.

Medio extracelular

Medio intracelular

-60 mV

[Na] 50mM

[Na] 440mM0 mV

Potencial químico del sodio

mol

joul

n

G

inPTii

,,

0 i iii zFVNaRT ln0 ii NaRT ln0

m

o

ioi zFV

Na

NaRT ln

ooo zFVNaRT ln0

-60 mV

[Na] 50mM

[Na] 440mM

m

o

ioi zFV

Na

NaRT ln

-1Jmol 060.09650017.22933.8

Potencial químico del sodio

-1kJmol )8.53.5( -1kJmol 1.11

R = 8.3 J mol-1 K-1

T = 293 Kz = 1F = 95600 C mol-1

[K] 440mM

[K] 10mM

m

o

ioi zFV

K

KRT ln

-1Jmol060.09650078.32933.8

-60 mV

Potencial químico del potasio

-15.8)kJmol- 2.9(-1kJmol4.3

¿Qué pasará si abro una vía de paso para los iones Na+?

-60 mV

[Na] 50mM

[Na] 440mM

-1kJmol 1.11 Na

Debe existir un potencial al cual el sodio esté en equilibrio.

Condición de equilibrio ? 0 Na

m

o

iNa zFV

Na

NaRT ln0

o

iNa Na

NaRTzFV ln

96500

)17.2(2933.8 NaV

054.0NaV Unidades?JC-1 mV54NaV

o

iNa Na

Na

zF

RTV ln

96500

)440/50ln(2933.8 NaV

Iones y potenciales eléctricos II

19 de marzo de 2007

http://einstein.ciencias.uchile.cl//Fisiologia2007/Clases/IonesyPotenciales.ppt

? mV

[Na] 50mM

[Na] 440mM

0 NaCondición de equilibrio

Membrana selectiva para Na+

mV 54V 17.2025.0 NaV

o

iNa Na

Na

zF

RTV ln

Ecuación de Nernst

La ecuación de Nernst vale sólo para el equilibrio. En el equilibrio no hay transporte de iones por lo tanto la corriente es cero.

¿Cómo se puede medir el potencial eléctrico a corriente igual a cero?.

54 mV

mV 54V 17.2025.0 NaV

mV 94V 78.3025.0 KV

o

iNa Na

Na

zF

RTV ln Ecuación de Nernst

o

iK K

K

zF

RTV ln Ecuación de Nernst

mV 94KV

mV 54NaV

0 54-94

Corriente de entrada de Na Corriente de salida de Na

Corriente de entrada de K

Corriente de salida de K

Vm, mV-60

NamNa VVI para 0

NamNa VVI para 0

NamNa VVI

)( NamNaNa VVGI

)( KmKK VVGI

Conductancia, G, se mide en Siemens, S

suposición

)( jmjj VVGI

Vm, mV

I, A

VNa

)( jmjj VVGI

INa

mV 54

A 27

-GNa

mS 5.0NaG

K 0.2NaR

Vm, mV

I, A

VNa

VK

)( jmjj VVGI

Vm, mV

I, A

VNa

IK

INa

VK

mV 49

A 74 KG

mS 5.0KG

K 0.2KR

)( jmjj VVGI

Vm, mV

I, A

VNa

IK

INa

VK

IK+INa

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular

i

Vm

El potencial de membrana a Im = 0

0

0

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular

i

VmNaV0

El potencial de membrana a Im = 0

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular

i

VmNaNa iRV 0

El potencial de membrana a Im = 0

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular

i

VmKNaNa iRiRV 0

El potencial de membrana a Im = 0

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular

i

Vm

00 KKNaNa ViRiRV

Calculemos i

)( KNaKNa RRiVV

KNa

KNa

RR

VVi

El potencial de membrana a Im = 0

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular

i

KNa

KNa

RRVV

iVm

mNaNa ViRV

NaKNa

KNaNam R

RR

VVVV

Calculemos Vm

NaK

KNaNam RR

VVVV

/1

El potencial de membrana a Im = 0

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular

i

Vm

KNa

NaKNaNam RR

RVVVV

NaKNam RRVV si

KNaKm RRVV si

¿Vm para RK>>RNa?

¿Vm para RK<<RNa?

Conclusión: VK<Vm<VNa

El potencial de membrana a Im = 0

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular

i

Vm

KNa

NaKNaNam RR

RVVVV

NaKKNa

m RRVV

V

si 2

¿Vm para RK=RNa?

El potencial de membrana a Im = 0

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular

i

Vm KNa

NaKNaNam RR

RVVVV

¿RK/RNa para Vm = -60 mV?

NaKKNa

Nam

RRVV

VV

/1

1

Nam

KNaNaK VV

VVRR

/1

3,0114

1481

5460

)94(541/

NaK RR

El potencial de membrana a Im = 0

Vm, mVVNa

INa

VK

Vr

I, AIK

Vr es el potencial de inversión de la corriente

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular

i

Vm

Cálculo del potencial de inversión de la corriente

)( NamNaNa VVGI

)( KmKK VVGI 0)()( KrKNarNa VVGVVG

0 KKNaNaKNar VGGVGGV

KNa

KKNaNar GG

VGGVV

0 KNam III

Vr es el potencial de la inversión de la corriente de la membrana.

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular Vm

Relaciones intensidad de corriente y voltaje.

)( NamNaNa VVGI

)( KmKK VVGI

KNam III

¿Calcular la conductancia de la membrana?

m

K

m

Na

m

mm dV

dI

dV

dI

dV

IG

KNam GGG

KNam RRR

111

INa IK

Resistencia de entrada

Im

Vm, mVVNa

INa

VK Vr

I, AIK

GNa+GK

KNa

KKNaNar GG

VGGVV

KNamm

m IIIdt

dVC

dt

dVCIII mmKNam

VK<Vm<VNa (para Im=0)

)( NamNaNa VVGI )( KmKK VVGI

Conclusiones para Im = 0

INa es siempre negativa, produce una despolarizaciónIK es siempre positiva, produce hiperpolarización.

VNa

RNa RK

VK

Extracelular

Intracelular Vm

INa IK

Im