ELECTRICIDAD.docx

Electricidad BIOFISICA

Layza Vega, André Suárez Cancino, Amanda Vilca Sánchez, Rosa FACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS | ESCUELA DE MICROBIOLOGÍA Y PARASITOLOGÍA

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 2 ELECTRICIDAD ...................................................................................................... 4 Ley de Coulomb................................................................................................... 4 Campo y potencial eléctrico ................................................................................. 4 Energía potencial eléctrica................................................................................... 5 Las Neuronas ...................................................................................................... 5 Las dendritas .................................................................................................... 5 Los axones ....................................................................................................... 6 La sinapsis ....................................................................................................... 6 El potencial de membrana en reposo ...................................................................... 6 Bomba de Sodio y Potasio................................................................................... 7 Fenómenos Eléctricos en el Corazón ...................................................................... 9 Secuencia Eléctrica del Corazón ......................................................................... 9 Efectos de la corriente eléctrica en la persona ...................................................... 10 Las pruebas neurofisiológicas ............................................................................... 12 Electromiograma (EMG) .................................................................................... 12 Electroencefalografía (EGG).............................................................................. 12 El electrocardiograma ........................................................................................ 13 Glosario ................................................................................................................. 14 Referencias Bibliográficas ..................................................................................... 15

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INTRODUCCIÓN  Así como el cuerpo humano en su estado de homeostasis o equilibrio requiere básicamente de tres componentes para su óptimo funcionamiento que son el oxígeno, sangre y glucosa, el l cerebro es el encargado de administrar las funciones de muchos órganos, aparatos y sistemas del cuerpo, todo ello a través de la sinapsis. La palabra sinapsis viene de sinapteína, que Sir Charles Scott Sherrington y colaboradores formaron con las palabras griegas sin- que significa “juntos”, y hapteína, es decir “con firmeza”. Y que de mane ra general permite la unión especializada de las neuronas. Existe un tipo especial de electricidad que es esencial para su fun ción. En este caso la célula deja entrar y salir estos iones, y así transportan electricidad. En la membrana celular existen unas proteínas que se llaman "canales iónicos ” como los canales específicos para iones de sodio (Na+), potasio (K+), calcio (Ca2+) y Cloro (Cl). Algunos de ellos no distinguen y dejan pasar más de una clase de ion a la vez. Y otras proteínas llamadas "transportadores iónicos ” que dejan pasar más de un tipo de ión, pero de forma "ordenada”. Por ejemplo, la bomba de sodio -potasio ATPasa deja entrar dos iones potasio y salir tres iones sodio. La fuerza que hace que se muevan los iones es el cambio del potencial eléctrico, pero también se mueven dependiendo de la cantidad de iones que haya dentro y fuera de la célula. Estas dos fuerzas juntas se llaman potencial electroquímico, y cuando los canales están abiertos, los iones se mueven a través de él. Hay otras células que utilizan electricidad de distintas maneras, como la de los ojos, músculos, cerebro y el corazón. En el ojo existen dos clases de células, los conos y los bastones, que tienen un tipo especial de canales iónicos activados por nucleótidos cíclicos. La luz activa una enzima en la célula que rompe dichos nucleótidos, y por tanto los canales se cierran. La aper tura o cierre de estos canales es el interruptor que indica al cerebro si hay luz o no. El corazón al igual que las neuronas, también funciona con potenciales de acción, que en este caso se llama el potencial cardíaco. En este caso, la frecuencia con la que se produce este potencial marca la velocidad a la que late tu corazón. Cuando hacemos ejercicio, el cerebro manda señales al corazón para que los canales funcionen produciendo potenciales más rápidos y bombear más rápido la sangre. En el músculo, los potenciales de acción hacen que las células liberen calcio, lo cual activa un proceso en el que tres proteínas muy importantes (la tropomiosina, la actina y la troponina) se estiren o se contraen y ayuden al músculo a funcionar. La "pila alcalina” fundamental que hace que la bioelectricidad de las células funcione es el transportador (también llamado "bomba”) Sodio -Potasio ATPasa. Esta

proteína, que está presente en todas las células de nuestro organismo, hace que el

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balance de iones dentro y fuera de la célula se mantenga en su sitio. Y necesita energía para funcionar que viene de los alimentos que comemos todos los días.

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ELECTRICIDAD Es la propiedad fundamental de la materia que se manifiesta por la atracción o repulsión entre sus partes, originada por la existencia de electrones con carga negativa o protones con carga positiva. La forma de energía basada en esta propiedad, que puede manifestarse en reposo, como electricidad estática, o en movimiento, como corriente eléctrica, y que da lugar a luz, calor, campos magn • Ley de Coulomb La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. 

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La expresión solo se aplica a cargas puntuales estacionarias que se encuentren en un medio homogéneo e isótropo R2 disminuye cuando las cargas se alejan entre sí. 2

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Campo y potencial eléctrico Es un campo de fuerza creado por la atracción y repulsión de cargas eléctricas (la causa del flujo eléctrico) y se mide en Voltios por metro (V/m). El flujo decrece con la distancia a la fuente que provoca el campo. El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que de be realizar una fuerza eléctrica para mover una carga positiva que desde la referencia hasta ese punto, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe r ealizar una fuerza externa para traer una carga unitaria q desde la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica.

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Figura 1  .Campo eléctrico

Figura 2  .Potencial eléctrico

Energía potencial eléctrica Energía potencial eléctrica de una carga, en un punto de un campo eléctrico, es el trabajo que realiza el campo eléctrico cuando la carga se traslada desde ese punto al infinito. Energía potencial: Es capaz de generar un trabajo como consecuencia de la posición de un cuerpo. A la misma puede considerársela como la energía almacenada en el sistema o la medida de un trabajo que el sistema puede ofrecer. Las Neuronas Son células especializadas que transmiten y reciben señales eléctricas en el cuerpo. Las neuronas tienen tres partes principales: las dendritas, un cuerpo celular, y el axón. Las señales se reciben a través de las dendritas, viajan al cuerpo celular y siguen por el axón hasta llegar a la sinapsis (el punto de comunicación entre dos neuronas). Se pueden dividir en tres tipos: sensoriales, motoras e interneuronas. Las dendritas Las dos primeras funciones neuronales, recibir y procesar la información recibida, generalmente ocurren en las dendritas y el cuerpo celular. Las señales recibidas pueden ser excitatorias, es decir tienden a provocar que la neurona pueda generar o inhibir el impulso nervioso. El que una neurona genere un impulso depende de la suma de todas las señales inhibitorias y excitatorias que recibe. Si se logra activar la neurona, el impulso nervioso, o potencial de acción, se conduce por el axón.

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Los axones El axón surge del cuerpo celular en un área especializada llamada cono axónico. En neuronas motoras e interneuronas, es ahí donde inicia el potencial de acción. Muchos axones están cubiertos con una sustancia aislante especial llamada mielina, que les ayuda a transmitir rápidamente los impulsos nerviosos. La mielina nunca se encuentra en dendritas. La sinapsis Las conexiones de neurona a neurona se forman sobre las dendritas y el cuerpo celular de otras neuronas. Estas conexiones, conocidas como sinapsis, son los sitios donde se transmite información de la primera neurona, o neurona presináptica, a la neurona blanco o neurona postsináptica. Las conexiones sinápticas entre neuronas y células del músculo esquelético generalmente se llaman uniones neuromusculares y las conexiones entre neuronas y células del músculo liso o glándulas se conocen como uniones neuroefectoras. En la mayoría de las sinapsis y uniones, la información se transmite como mensajeros químicos llamados neurotransmisores. Cuando un potencial de acción viaja por el axón y llega a la terminal axónica, provoca que la célula presináptica libere un neurotransmisor. Las moléculas de neurotransmisor cruzan la sinapsis y se unen a receptores de membrana en la célula postsináptica y transmiten así una señal excitatoria o inhibitoria. De esta forma, el axón y sus terminales desempeñan la tercera función neuronal básica: comunicar información a células blanco. Al igual que una sola neurona puede recibir señales de muchas neuronas presinápticas, también puede hacer conexiones sinápticas con numerosas neuronas postsinápticas mediante diferentes terminales axónicas.

El potencial de membrana en reposo Una neurona en reposo tiene un voltaje en su membrana llamado potencial de membrana en reposo, este potencial se determina por gradientes de concentración de iones en ambos lados de la membrana y la permeabilidad de la membrana ante cada tipo de ion. En una neurona en reposo, existen gradientes de concentración de +   y de  +  en la membrana. Los iones se desplazan por sus gradientes mediante canales, lo que conduce a una separación de cargas que crea el potencial 6

de reposo. La membrana es mucho más permeable + +  que al  , por lo que el potencial de reposo está cerca del potencial de equilibrio del  +   (el potencial que generaría el   +  si fuera el único ion en el sistema). Cuando una neurona no está enviando una señal está "en reposo", el interior de la neurona es negativo en relación con el exterior. Aunque las concentraciones de los diferentes iones intentan equilibrarse en ambos lados de la membrana, no pueden porque la membrana celular permite que solo algunos iones pasen a través de los canales (canales iónicos). En reposo, los iones de potasio (K +) pueden atravesar fácilmente la membrana. También en reposo, los iones cloruro (Cl -) y los iones de sodio (Na +) tienen un cruce de tiempo más difícil. Las moléculas de proteína cargadas negativamente (A -) dentro de la neurona no pueden atravesar la membrana. Además de estos canales de iones selectivos, hay una bomba que usa energía para mover tres iones de sodio fuera de la neurona por cada dos iones de potasio que pone. Finalmente, cuando todas estas fuerzas se equilibran, y la diferencia en el voltaje entre el interior y el exterior de la neurona se mide, usted tiene la potencial de descanso. El potencial de membrana en reposo de una neurona es de aproximadamente -70 mV (mV = milivoltios); esto significa que el interior de la neurona es 70 mV menos que el exterior. En reposo, hay relativamente más iones de sodio fuera de la neurona y más iones de potasio dentro de esa neurona. Bomba de Sodio y Potasio La bomba sodio-potasio transporta sodio hacia afuera de la célula y potasio hacia adentro de la misma en un ciclo repetitivo de cambios de conformación (forma). En cada ciclo, tres iones de sodio salen de la célula y entran dos iones de potasio. Este proceso se lleva a cabo en los siguientes pasos: En su forma inicial, la bomba está abierta hacia el interior de la célula. En esta forma, la bomba se une fácilmente a iones +  (tiene una alta afinidad por ellos) y tomará hasta tres de ellos.

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Cuando se unen los iones +, hacen que la bomba hidrolice (degrade) ATP. Un grupo fosfato del ATP se une a la bomba, es decir, se fosforila. En el proceso se libera ADP como producto secundario. La fosforilación hace que la bomba cambie de forma, reorientádose a sí misma de manera que se abre hacia el espacio extracelular. En esta conformación, los iones + ya no se unen tan fácilmente a la bomba (tiene una afinidad baja hacia ellos), por lo que los tres iones +se liberan en el exterior de la célula. En su forma orientada hacia el exterior, la bomba cambia de compañeros y ahora se une fácilmente a (tiene una alta afinidad por)  +. Se unirá a dos de ellos, lo que desencadena la eliminación del grupo fosfato unido a la bomba en el paso 2. Sin el grupo fosfato, la bomba regresa a su forma original, y se abre hacia el interior de la célula. En su forma orientada hacia el interior, la bomba ya no se une fácilmente a iones  +, por lo que libera los dos iones  + hacia el citoplasma. La bomba está otra vez como en el paso 1 y el ciclo puede comenzar de nuevo. Implica que la proteína va y viene entre dos formas: una forma orientada hacia el interior con una gran afinidad por el sodio y una forma orientada hacia el exterior con una elevada afinidad por el potasio. La proteína puede alternar entre ambas formas mediante la adición o eliminación de un grupo fosfato, lo que a su vez es controlado por la unión de los iones transportados.

Figura 3  .Bomba de Sodio y Potasio

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Fenómenos Eléctricos en el Corazón Las contracciones rítmicas del corazón que bombean la sangre vivificante, se producen en respuesta a secuencias de pulsos de control eléctricos periódicos. El marcapasos natural es un conjunto especializado de fibras nerviosas llamado nódulo sinoauricular (nódulo SA). Las neuronas son capaces de producir impulsos eléctricos llamados potenciales de acción. El paquete de células activas en el nodo SA, desencadenan una secuencia de eventos eléctricos en el corazón, que controlan el patrón de contracciones musculares ordenadas, que bombean la sangre hacia fuera del corazón. Los potenciales eléctricos (voltajes)  que se generan en el cuerpo, tienen su origen en los potenciales de membrana,  en donde las diferencias en las concentraciones de iones positivos y negativos, dan una separación localizada de cargas. Esta separación de cargas se llama polarización. Los cambios en el voltaje se producen cuando algún acontecimiento desencadena la despolarización de una membrana, y también en la repolarizacion de la membrana. La despolarización y repolarizacion del nodo SA y los otros elementos del sistema eléctrico del corazón, producen un fuerte patrón de cambios de voltajes, que pueden ser medidos con electrodos en la piel. Las medidas de voltaje en la piel del pecho se llaman electrocardiograma o ECG.

Figura 5  .Corazón

Secuencia Eléctrica del Corazón La secuencia eléctrica sincronizada del corazón, es iniciada por el nodo SA, el marcapasos natural del corazón. La activación del nodo o nódulo SA envía un impulso eléctrico a través de sus neuronas a la aurícula derecha, la aurícula izquierda, y al nodo AV de manera simultánea. Como la aurícula derecha está más cerca del nodo SA, se despolariza primero, lo que resulta en una acción de bombeo por la aurícula derecha antes que por la aurícula izquierda. En el nódulo AV, el impulso se demora para permitir que los ventrículos se llenen de sangre. Después de la demora, el nódulo AV envía el impulso al haz de His y las fibras de Purkinje. Esto provoca la contracción de los ventrículos que envia la sangre a los pulmones o hacia el cuerpo. 9

Figura 6  .Secuencia eléctrica

del corazón

Componente de la secuencia eléctrica

Asociación en el corazón

Onda P Intervalo PR

Activación del nodo SA y despolarización de las aurículas Demorar el impulso eléctrico en el nodo AV y despolarización de la aurícula. Despolarización ventricular Onda Q = primera deflexión negativa Onda R = primera deflexión positiva Onda S = segunda deflexión negativa Comienzo de la repolarizacion ventricular. Debe ser isoeléctrico (plano por la base de la línea). Repolarizacion ventricular.

Complejo QRS

Segmento ST Onda T

Efectos de la corriente eléctrica en la persona  A continuación se enuncian algunos efectos fisiológicos que puede producir el paso de la corriente eléctrica sobre el organismo: a) Paro cardíaco: debido al paso de corriente eléctrica el corazón se paraliza, sus consecuencias son irreversibles y pueden llegar a la muerte. b) “Fibrilación ventricular: Es una falta de sincr onización de las contracciones

musculares del corazón, que produce una alteración del ritmo cardiaco debido al paso de la corriente eléctrica y que puede degenerar en un paro cardíaco. Se considera como la causa principal de muerte por choque eléctrico.” 10

c) Contracción muscular (o tetanización): movimiento incontrolado de los músculos debido a la acción de la corriente eléctrica, con pérdida de control en brazos y piernas. Cuando sucede la persona queda sujeta al elemento que transmitía la tensión y es incapaz de soltarse por sí sola. d) Asfixia: es la contracción de los músculos de los pulmones y se manifiesta en el individuo como dificultad para respirar; puede ocasionar paro respiratorio hasta llegar a la muerte. e) Aumento de la presión sanguínea: se produce el paso de la corriente eléctrica por la sangre a lo largo de las arterias y las venas. f) Quemaduras: Se pueden producir por el paso de la corriente eléctrica o incendio de origen eléctrico.

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Las pruebas neurofisiológicas Electromiograma (EMG) El electromiograma se utiliza cuando existen sospechas de neuropatías, distrofias Se utiliza para estudiar el funcionamiento del sistema nervioso periférico y los músculos a los que transmiten estímulos. Gracias a esta prueba se pueden diagnosticar con precisión enfermedades neuromusculares congé nitas o adquiridas además permite clasificarlas según su intensidad y su origen. Se utiliza una aguja muy fina que se introduce en el músculo o zona a explorar. Aunque es menos frecuente, también se pueden utilizar unos pequeños discos metálicos llamados electrodos de superficie. Por lo tanto, esta prueba consiste en registrar las descargas eléctricas que emiten los músculos cuando se contraen, dichas descargas son recogidas por el electromiógrafo y dependiendo como sean se indicará si la situación es normal o si existe algún tipo de alteración patológica. musculares, miastenia gravis, síndrome del túnel carpiano, esclerosis lateral amiotrófica, síndrome de Guillain-Barré.

Figura 7.Electromiograma

Electroencefalografía (EGG) El electroencefalógrafo recoge la actividad eléctrica del cerebro en situación basal y con métodos de activación, como la hiperventilación y la fotoestimulación y expide un gráfico en el que se muestra una curva. En ocasiones, y en función del paciente, será conveniente registrar la actividad del cerebro durante el sueño. Existen patrones normales y patrones

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anormales de funcionamiento del cerebro que permiten saber si el paciente puede tener una lesión o enfermedad cerebral. Para realizar este examen es necesario adherir electrodos al cuero cabelludo. El resultado del electroencefalograma (EEG) es una curva que permite detectar posibles anomalías en el funcionamiento del cerebro. Se utiliza para observar lesiones localizadas como los tumores, hemorragias, encefalitis o traumatismos y lesiones difusas, como por ejemplo, las lesiones tóxicas, metabólicas e infecciosas. El electrocardiograma Es una prueba que registra la actividad eléctrica que se produce en cada latido del corazón. Esta actividad eléctrica se registra desde la superficie corporal del paciente y se dibuja o imprime en un papel mediante una representación gráfica Dichas señales se registran en forma de líneas o curvas que traducen la contracción o relajación tanto de las aurículas como de los ventrículos. El aparato con el que se realiza esta prueba se llama electrocardiógrafo. Se realiza en caso de sospecha de arritmias cardiacas, pericarditis, miocarditis, problemas de las válvulas cardiacas, insuficiencia cardiaca, en persona s que llevan marcapasos, para evaluar el funcionamiento del dispositivo.

Figura 8  .Electrocardiograma

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Glosario Canales iónicos: son proteínas que atraviesan la membrana permitiendo el pasaje de iones a favor de su gradiente de potencial electroquímico. Energía eléctrica: Es la forma de energía que resultará de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, situación que permitirá establecer una corriente eléctrica entre ambos puntos si se los coloca en contacto por intermedio de un conductor eléctrico para obtener el trabajo mencionado. Carga eléctrica: Cantidad de electricidad acumulada en un cuerpo. Éticos, etc.   Isótropo: cuando un material presenta las mismas propiedades físicas en

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todas las direcciones, en el sentido de que si se miden magnitudes como conductibilidad eléctrica y térmica, dilatación, etc., no dependen de la dirección. Potencial de membrana: Se le denomina ‘potencial de membrana’ a los

cambios rápidos de polaridad a ambos lados de la membrana que presentan concentración de iones diferentes. Neuropatías: son enfermedades degenerativas no inflamatorias de las fibras nerviosas que se clasifican según afecten a nervios individuales o múltiples. Distrofias musculares: Conjunto de enfermedades genéticas que ocasionan debilidad y pérdida progresiva de la masa muscular. Miastenia gravis: se trata de una enfermedad autoinmune, el daño se produce en la unión entre unas y otras a causa de la aparición de anticuerpos contra los receptores de las señales eléctricas. Síndrome del túnel carpiano: Es una afección en la cual existe una presión excesiva en el nervio mediano. Este es el nervio en la muñeca que permite la sensibilidad y el movimiento a partes de la mano. Esclerosis lateral amiotrófica: se trata de una enfermedad congénita que no tiene cura. Esta enfermedad destruye las fibras nerviosas encargadas del movimiento desde la médula espinal hasta el músculo. Síndrome de Guillain-Barré: es una enfermedad del sistema nervioso, las personas que la sufren pierden el funcionamiento nervioso desde los pies hacia arriba pudiendo llegar a dificultar la respiración. Se resuelve con el tiempo y suele tener un buen pronóstico. Hiperventilación: consiste en la presencia de disnea y taquipnea relacionada con la ansiedad que suelen estar acompañadas por síntomas sistémicos. Disnea: dificultad para respirar. Taquipnea: aumento de la frecuencia respiratoria. Pericarditis: Inflamación del pericardio, una membrana que rodea el corazón Miocarditis: Inflamación del músculo cardiaco o miocardio.

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Insuficiencia cardiaca: cuando el corazón no está bombeando como debería para llevar sangre rica en oxígeno a las células del organismo.

Referencias Bibliográficas 

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