¿Cuántos electrones tienen que moverse para transportar un impulso a lo largo de una célula nerviosa promedio?
Esta es una pregunta realmente interesante. Michael Soso ha dado una buena respuesta, sobre la cual aprovecharé esta oportunidad para expandirme. En primer lugar, veamos una célula nerviosa típica. Si coloca un microelectrodo dentro y mide el potencial eléctrico a través de la membrana (como hizo mi mentor, el Premio Nobel, Sir John Eccles, junto con Hodgkin y Huxley y Bernard Katz en la década de 1930), encontrará ese nervio típico Las células mantienen un potencial transmembrana de alrededor de 70 mV, en el interior negativo. Esto se debe a que (simplificando) hay más iones libres cargados positivamente (p. Ej., Iones de sodio) que flotan fuera de la membrana que iones libres cargados positivamente (p. Ej., Iones de potasio) que flotan dentro de la membrana. La expresión del voltaje producido por un gradiente de concentración iónica viene dada por el famoso Potencial de Nernst:
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Cuando la membrana está en equilibrio termodinámico (es decir, sin flujo neto de iones), el potencial de membrana debe ser igual al potencial de Nernst. Sin embargo, en fisiología, debido a las bombas de iones activos, el interior y el exterior de una célula no están en equilibrio. En este caso, el potencial de reposo se puede determinar a partir de la ecuación de Goldman:
E m es el potencial de membrana (en voltios, equivalente a julios por culombio)
- El ion P es la permeabilidad para ese ion (en metros por segundo)
- [ion] out es la concentración extracelular de ese ion (en moles por metro cúbico, para que coincida con las otras unidades SI, aunque las unidades no importan estrictamente, ya que los términos de concentración de iones se convierten en una relación adimensional)
- [ion] in es la concentración intracelular de ese ion (en moles por metro cúbico)
- R es la constante de gas ideal (julios por kelvin por mol)
- T es la temperatura en grados Kelvin
- F es la constante de Faraday (culombios por mol)
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Incluso si dos iones diferentes tienen la misma carga (es decir, K + y Na +), aún pueden tener potenciales de equilibrio muy diferentes, siempre que sus concentraciones externas y / o internas difieran. Tomemos, por ejemplo, los potenciales de equilibrio de potasio y sodio en las neuronas. El potencial de equilibrio de potasio E K es −84 mV con 5 mM de potasio afuera y 140 mM adentro. Por otro lado, el potencial de equilibrio de sodio, E Na, es de aproximadamente +66 mV con aproximadamente 12 mM de sodio en el interior y 140 mM en el exterior.
· De esto podemos dibujar un circuito eléctrico simplificado equivalente:
Circuito equivalente para un parche de membrana, que consiste en una capacitancia fija en paralelo con cuatro vías, cada una de las cuales contiene una batería en serie con una conductancia variable
AQUÍ ES LO QUE SUCEDE CUANDO OCURRE UN IMPULSO (LLAMADO “POTENCIAL DE ACCIÓN”): debido a que las conductancias (los términos “G” en el esquema anterior) son sensibles al voltaje, Gna aumenta repentinamente, permitiendo que el sodio atraviese la membrana hacia la célula , y Un poco más tarde , Gk aumenta, dejando que el potasio salga de la célula. Esto produce el potencial de acción:
OK AHORA ESTAMOS LLEGANDO A ALGUNA PARTE. ¿CUÁNTOS ELECTRONES CRUZAN LA MEMBRANA?
La ecuación de difusión describe la difusión de especies o energía comenzando en un tiempo inicial, con una distribución espacial inicial y progresando con el tiempo. El ejemplo más simple tiene una dimensión espacial además del tiempo. En este ejemplo, el tiempo, t, y la distancia, x, son las variables independientes. La solución se obtiene para t> = 0 y 0 <x <xmax. La variable dependiente, especie o temperatura, se identifica como u (x, t) en las siguientes ecuaciones. La ecuación de difusión básica se escribe de la siguiente manera:
Aquí, D, es una especie o coeficiente de difusión térmica con dimensiones de longitud al cuadrado a lo largo del tiempo. La condición inicial especifica el valor de u en todos los valores de x en t = 0.
Entonces, todo lo que tenemos que hacer es resolver esta ecuación para, digamos, sodio. Afortunadamente, algunos chicos ya han hecho esto. Desafortunadamente, la solución ocupa demasiadas páginas para replicar aquí. Pero, créanme, resulta que solo unos 2 nanomoles de sodio se mueven realmente a la célula en un área local de 100 micras en un período de tiempo de 20 ms, la duración típica de un potencial de acción. Ahora, según Avogadro, hay 6.02 X 10 ^ 23 átomos en un mol, por lo que hay alrededor de 12.04 X 10 ^ 14 átomos de sodio que cruzan la membrana. Siguiente pregunta: ¿cuántos electrones hay en un átomo de sodio? Respuesta: 11.
FINALMENTE, LA RESPUESTA: APROXIMADAMENTE 1.32 x 10 ^ 16 ELECTRONES TRANSPORTADOS POR IONES DE SODIO ENTRAN EN LA CÉLULA NERVIOSA DURANTE LA FASE RESUMENTE DE UN POTENCIAL DE ACCIÓN.
Esto da como resultado una despolarización suficiente para alcanzar el umbral de la membrana, de modo que el impulso se propaga a lo largo de la membrana.
¡Uf! ¿Próxima pregunta?
