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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
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? 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