Muchos de los potenciales eléctricos a través de las membranas celulares se deben al movimiento de iones de una cara a otra de la membrana a través de los canales iónicos.
¿Cómo ocurre esto?
Imagina un sistema como el presentado en el esquema.
Se comienza el experimento con todos los canales cerrados. Ya que en este momento, la concentración de X+ es igual a la de Y- en ambos compartimentos, no existe una diferencia de carga neta en ninguno de los dos compartimentos, por lo tanto, no existe diferencia de potencial.
Cuando se abren los canales, los iones X+ comienzan a moverse a través de los canales desde el compartimiento 1 al 2 debido a su gradiente de concentración, sin embargo el ion Y- se mantiene retenido en el compartimiento 1 por lo que se comienzan a acumular cargas negativas en ese lado, al contrario, como X tiene carga positiva y su paso hacia el lado 2 se ve favorecido, éste comienza a acumular cargas positivas. Este movimiento de carga, genera una diferencia de potencial con un compartimiento 2 cargado positivamente mientras que el 1 queda negativo. En este momento entonces, la fuerza causante de la difusión neta de X+ son contrarrestadas por un crecimiento de la fuerza eléctrica, lo que provoca que el ion X+ se comience a transportar desde el compartimiento 2 al 1. El potencial busca finalmente un equilibrio entre su gradiente químico y el gradiente eléctrico, lo que genera el llamado potencial de equilibrio, surgido en este caso a partir de las diferencias en la concentración de X+.
¿Cuál sería el valor de esta diferencia de potencial?
supongamos que tenemos una cantidad de n moles de X+ los que se mueven a través de la membrana, a favor de su gradiente de concentración, desde el compartimiento 1 al 2. Así, el trabajo requerido para llevar a cabo esta acción será:
donde R, constante de los gases, puede tener el valor de 8,314 joule/mol K o 1,987 cal/mol K, T es la temperatura absoluta en K y [X]1 y [X]2 son las concentraciones molares del compartimiento intra y extracelular, respectivamente.
Ahora, si consideramos el trabajo eléctrico requerido para mover n moles de X+ contra su gradiente de concentración, es decir, del compartimiento 2 al 1, este será:
donde z es la carga del ión, F es la constante de faraday y E es la diferencia de potencial entre los dos compartimientos. Ahora, en condiciones de equilibrio, ambos trabajos deben ser iguales, por lo tanto
Importante: En caso de no existir gradiente químico, el potencial de equilibrio es igual a cero.
De esta forma, es posible escribir el potencial de equilibrio para todos los iones relevantes en el potencial de equilibrio de una célula:
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