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BIOELECTRICIDAD Electricidad celular. En un sentido amplio, es el estúdio de los fenómenos eléctricos que tienen lugar en los seres vivos. Estos fenómenos ocurren en los diversos niveles de organización que se distinguen tradicionalmente. Las propiedades físicoquímicas esenciales de los seres vivos dependen, en última instancia, de fenómenos eléctricos, ya que los cambios solgel de todo protoplasma vivo están regidos por los procesos de atracción y repulsión electrostática entre sus micelas. La existencia de la interfase protoplasma medio ambiente es responsable de la tensión superficial, y ésta a su vez de que moléculas de lipoproteínas se orienten de determinada manera y formen la membrana celular. Esta película que limita la célula es semipermeable, lo que origina una distribución desigual de iones a ambos lados. Ese desequilibrio es mantenido de una forma activa que requiere el gasto de energía por parte de la célula (bomba de sodio). La desigual repartición iónica determina la aparición de una diferencia de potencial entre el exterior y el interior, de modo que éste es aproximadamente 80 mV mayor que el exterior. Esta propiedad de la membrana está sumamente ligada a la existencia de vida; cuando la célula muere, el potencial cae a 0 y la entrada y salida de sustancias es libre. El resultado final es la destrucción del armazón celular. Además de esto, la diferencia de potencial existente entre el exterior y el interior es el sustrato adecuado para que la célula sea excitable. En efecto, cuando se aplica a una célula un estímulo de cualquier tipo (mecánico, químico, eléctrico) suficientemente intenso durante un tiempo adecuado, el potencial de la membrana se invierte en ese punto, provocando una serie de cambios que neutralizan la excitación (respuesta local), y esta propiedad es general a todas las células. Ahora bien, durante el proceso evolutivo, determinadas células se han especializado en la recepción de estímulos, otras en la conducción de respuestas y otras en la ejecución de dichas respuestas. Las células que integran el primer tipo, las llamadas receptoras de los órganos de los sentidos, son capaces de transformar los diversos tipos de estímulos (energía mecánica, química, lumínica, etc.) en una respuesta eléctrica (potencial generador), que será conducida por el segundo tipo de células, las neuronas, mediante un potencial propagado, hasta el órgano efector. Este último puede ser una célula muscular, que tiene la propiedad de transformar de nuevo los impulsos eléctricos en energía mecánica (fenómeno de la contracción muscular). Fenómenos bioeléctricos en vertebrados. Los fenómenos descritos no son los únicos que se dan en los seres vivos, hay aproximadamente 250 especies de pisciformes que tienen unos órganos electrógenos, de origen muscular por lo general, pero que no responden con una contracción a la llegada de un estímulo. Su respuesta consiste en generar una corriente eléctrica. Dichos órganos están, por tanto, bajo el gobierno del sistema nervioso central, más concretamente de algunos centras rombencefálicos, y se pueden considerar como el conjunto de unos elementos unitarios, llamados electroplacas, que se agrupan paralelamente entre sí. Esta arquitectura especial permite que, con una diferencia de potencial por electroplaca relativamente baja, el animal pueda emitir descargas de muy fuerte intensidad y tensión: 45 V en Torpedo, 450 V en Malapterurus y 550 V en Gymnotus. En este último género se han encontrado dos tipos de generadores de

electricidad: unos que producen potentes descargas y otros que son emisores de baja intensidad. Ambos tipos de emisores estarían relacionados con funciones distintas. Los emisores potentes llevarían a cabo procesos relacionados con la defensa del propio animal cuando es atacado y la captura de presas, mientras que la corriente de baja intensidad serviría para que el animal se orientara, ya que se ha demostrado que la sensibilidad de los peces eléctricos a una carga electrostática móvil o a un animal móvil es varios miles de veces superior a la de los peces no eléctricos. En otras ocasiones, el potencial de acción no es provocado por la llegada de estímulos a la célula. Esto sucede sobre todo con determinadas neuronas del sistema nervioso central, que forman el sistema reticular activante de los vertebrados superiores. Dichas neuronas están emitiendo constantemente salvas de impulsos sin ninguna excitación aparente. La actividad de este sistema mantiene el estado alerta y consciente que hace posible la percepción. El sistema reticular activante está también íntimamente relacionado con la actividad eléctrica de la corteza cerebral. Igualmente importante es el centro marcapaso (nodus senoauricular) del corazón. En él tiene lugar una despolarización periódica .y espontánea de las membranas celulares, que se transmite a través del miocardio y provoca su contracción. De este modo, se asegura un funcionamiento autónomo a esa bomba llamada corazón, que mantiene en todo momento el abastecimiento de alimentos y oxígeno a todas las demás células de los organismos pluricelulares, así como la eliminación de las sustancias nocivas que terminarían por intoxicar al organismo. En este caso, al igual que los órganos electrógenos de los peces, el tejido tiene un origen muscular, si bien no llega a adquirir la configuración característica de las células miocárdicas. Si el nodus senoauricular falla, la dirección del corazón es tomada por otros centros cardíacos, ya que todo el tejido cardionector es capaz de despolarizarse espontánea y periódicamente, aunque a menor frecuencia que el centro marcapaso. El electrocardiograma no es más que el registro de las fluctuaciones del potencial de las fibras del miocardio. Biolectricidad y metabolismo. Además de los fenómenos bioeléctricos descritos hasta ahora, que son privativos de algunas células, existen otros que se llevan a cabo en todas ellas. La vida se manifiesta por una serie de actividades que llamamos procesos metabólicos. Estos procesos son de dos tipos fundamentales: anabólicos, en los que a partir de materiales sencillos se forman otros mucho más complejos, y catabólicos, en los que los materiales son destruidos con gran desprendimiento de energía. Como quiera que los procesos anabólicos requieren el aporte de energía, existe una ligazón estrecha entre ambos tipos de fenómenos, que se llevan a cabo simultáneamente en todas las células. Pues bien, el catabólismo de los metabolitos es en esencia un conjunto de reacciones rédox (óxidoreducción) en las que una molécula en forma oxidada capta electrones (esto es, se reduce) porque otra molécula que estaba reducida los pierde (se oxida). De esta forma, se originan cadenas de transporte de electrones, cediéndose la energía potencial de esas moléculas a determinadas sustancias que tienen la propiedad de almacenarla en forma disponible mediante enlaces ricos en energía; la más conocida de esas sustancias es el ácido adenosíndifosfórico o ADP, que se transforma en ácido adenosíntrifosfórico o ATP. Estos procesos requieren una caída de potencial mínima, y ocurren de una manera concatenada, gracias a que se llevan a cabo en unos organoides celulares específicamente estructurados para esta misión. Estos organoides se llaman mitocondrias y son un atributo esencial de todas las células metacíticas.

En algunos tipos de células de las plantas verdes existen otros organoides, llamadós cloroplastos, que tienen un pigmento conocido con el nombre de clorofila. Gracias a ella tiene fugar un proceso que, en cierto modo, es inverso de las oxidaciones mitocondriales. Cuando un rayo de luz (un fotón en definitiva) incide sobre una molécula de clorofila, se produce un salto de nivel de los electrones más externos y su posterior reintegro al nivel original. Como es sabido, cuando un electrón pasa de un orbital superior a otro inferior, el átomo o la molécula emiten energía, y esa energía es utilizada para reducir determinados compuestos. De este modo, la energía lumínica es transformada en energía química a través de un proceso electrónico. Bioelectricidad sensorial. Otro proceso biológico relacionado también con la presencia de pigmentos fotosensibles es el de la visión de, por lo menos, los vertebrados. El ojo de éstos tiene forma de copa, y su fondo está tapizado por unas células modificadas (los llamados conos y bastones retinianos), que tienen pigmentos fotosensibles. Las vitaminas A, caracterizadas por tener una serie de dobles enlaces conjugados, entran a formar parte de esos pigmentos, y cuando una de esas células es excitada, la energía lumínica los descompone, liberando una cantidad de vitamina Al ó Az (según las especies) directamente proporcional a la intensidad lumínica. Al quedar libres, las vitaminas A sufren una reorganización de sus dobles enlaces, y simultáneamente se produce una corriente de acción, que será proporcional al número de moléculas de vitamina A liberada y, por consiguiente, al número de fotones que llegan a la retina, que estimula a su vez al nervio óptico. Los fenómenos bioeléctricos no se limitan a estos ejemplos clásicos. Cada día hay más certeza de que la electricidad juega un papel de suma importancia en los seres vivos, y prácticamente todos los órganos de los sentidos informan al sistema nervioso central de los estímulos que reciben mediante una transformación de energía química o mecánica en energía eléctrica. Ahora veremos algunos conceptos basicos Electricidad Es una fuerza fundamental de la naturaleza, análoga a la de gravedad, pero mientras que la fuerza de gravedad entre dos objetos depende de su masa, la fuerza eléctrica entre dos objetos depende de su carga. La carga es una propiedad básica de las partículas elementales (electrones, protones y neutrones) que componen toda la materia ordinaria. De hecho lo que mantiene al átomo unido es la fuerza eléctrica entre los protones y electrones del átomo. La utilización práctica de la electricidad es posible por que somos capaces de producir y controlar un flujo constante de partículas cargadas. Las Fuerzas Fundamentales Todas las fuerzas, como la de rozamiento, empuje y tensión superficial, son los efectos observables de las fuerzas entre los átomos de los objetos que intervienen. Estas fuerzas no se consideran fundamentales porque en principio se pueden analizar en función de fuerzas atómicas, incluso las fuerzas entre átomos no son fundamentales porque aún se pueden analizar en función de las fuerzas existentes entre las partículas que componen los átomos.

Dentro del átomo hay tres clases de partículas: protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones están fuertemente unidos entre sí para formar el denso núcleo central del átomo. El núcleo contiene el 99,95 % de la masa del átomo y los electrones que pululan alrededor del núcleo contienen el 0,05 % restante de masa y ocupan la mayor parte del volumen. Como los protones, neutrones y electrones no están compuestos de partículas aún más pequeñas se los llama partículas elementales y las fuerzas que existen entre ellos son las fuerzas elementales de la naturaleza. Toda la materia ordinaria está compuesta de estas partículas elementales y por lo tanto todas las fuerzas se pueden entender, en última instancia, en función de las fuerzas fundamentales que existen entre ellas. Las fuerzas fundamentales que se conocen son: Fuerza gravitacional Fuerza electromagnética Fuerza nuclear Fuerza débil La fuerza gravitacional es en cierto modo la fuerza fundamental más débil porque le módulo de la fuerza de gravedad entre dos partículas elementales es mucho más pequeño que el módulo de cualquier otra fuerza fundamental. De hecho el módulo de la fuerza fundamental de gravitación es tan débil que no tiene efecto medible sobre el comportamiento de éstas partículas dentro del átomo. El objeto tendría que tener un tamaño descomunal para que su masa pueda ejercer una fuerza gravitacional importante sobre un átomo. Como esta fuerza es atractiva, un objeto así atrae a los átomos que se hallan en el espacio que los rodea. Si se acumulan estos átomos aumenta la masa del objeto y aumenta la fuerza gravitacional y como consecuencia el objeto atrae todavía más átomos y así aumenta más la masa. Así es como inmensos conglomerados de materia (estrellas y galaxias) se forman a partir del polvo y de los átomos esparcidos en el espacio. La gravedad es la fuerza más importante que controla la estructura de los cuerpos celestes. La fuerza eléctrica es la principal fuerza que determina la estructura de los átomos. Los electrones se mantienen en órbita alrededor del núcleo por atracción eléctrica de la misma manera que los planetas se mantienen en órbita alrededor del sol por la atracción gravitatoria. También los electrones ejercen entre sí fuerzas eléctricas y la fuerza ejercida entre dos átomos próximos es precisamente la fuerza eléctrica entre sus electrones y el núcleo. Todas las fuerzas de la vida cotidiana, con excepción de la gravitatoria, son de origen eléctrico. Los protones y electrones del núcleo se mantienen juntos por acción de la fuerza nuclear. Esta fuerza es muy grande cuando las partículas están muy juntas, pero disminuye rápidamente con la distancia. El alcance e la fuerza nuclear no va más allá de los electrones exteriores del átomo (10 –10 m), de modo que aunque es esencial para mantener unido al núcleo, no juega un papel directo en la interacción de los átomos entre sí. La fuerza débil es también de corto alcance, limitada enteramente al núcleo. Es la responsable de algunas formas de radiactividad, que es la transformación espontánea del núcleo de una clase de átomo, en el núcleo de otro.

La fuerza eléctrica es por lo tanto la fuerza principal que gobierna la física y la química de la materia ordinaria. Tiene gran importancia práctica porque la industrialización está basada en la producción y utilización de energía eléctrica. Conductores y Aisladores Las sustancias se diferencian por la relativa libertad con que puede desplazarse la carga a través de ellas. Una sustancia en la que la carga se puede desplazar libremente se llama conductor y una sustancia en la que la carga se puede mover solo ligeramente se llama aislador (o dieléctrico). Los metales son buenos conductores. El vidrio y el corcho son aisladores. En un aislador cada electrón está ligado a un átomo y no es libre para separarse por completo. En un conductor metálico se separa de cada átomo un electrón por lo menos y es libre para desplazarse por el conductor. Los átomos que pierden electrones se llaman iones. En un metal están cargados positivamente y permanecen en posiciones fijas. Un metal está compuesto de iones cargados positivamente en posiciones fijas y electrones cargados negativamente, libres para desplazarse de un lado a otro. Normalmente los iones y electrones están dispuestos uniformemente de manera que la carga neta es cero en todo el metal. Un objeto cargado puesto cerca de un conductor cambia esta distribución: una carga positiva atrae los electrones y repele a los iones. Como los electrones se pueden mover libremente, se acumulan en el lado próximo a la carga positiva, que así se carga negativamente. El lado opuesto, al no tener suficientes electrones, queda cargado positivamente. Si se corta por la mitad el conductor, se atrapa un exceso de electrones en la mitad que se halla frente a la carga positiva, quedando la otra mitad con un déficit de electrones. Por lo tanto, cada mitad sigue cargada, incluso después de quitar la carga inductora. Para descargar estos conductores solo es necesario conectar un hilo conductor de uno al otro. Ecuación de Nernst La ecuación de Nernst se utiliza para calcular el potencial de reducción de un electrodo cuando las condiciones no son las estándar (concentración 1 M, presión de 1 atm, temperatura de 25ºC). Ecuación

Donde E es el potencial corregido del electrodo, E0 el potencial en condiciones estándar (los potenciales se encuentran tabulados para diferentes reacciones de reducción), R la famosa constante de los gases, T la temperatura absoluta (escala Kelvin), n la cantidad de moles de electrones que participan en la reacción, F la constante de Faraday (aproximadamente 96500 Coulomb/mol), y Q la siguiente expresión:

Donde "C" y "D" son las presiones parciales y/o concentraciones molares en caso de gases o de iones disueltos, respectivamente, de los productos de la reacción; "A" y "B" ídem para los reactivos. Los exponentes son la cantidad de moles de cada sustancia implicada en la reacción (coeficientes estequiométricos). A las sustancias en estado sólido se les asigna concentración unitaria, por lo que no aparecen en Q.