NOCIONES DE BIO ELECTROQUÍMICA UN POCO DE HISTORIA

NOCIONES DE BIO ELECTROQUÍMICA
UN POCO DE HISTORIA
Desde los primeros trabajos realizados por Luigi Galvani el estudio de la llamada
“electricidad animal” ha sido motivo de interés de muchos científicos. La idea de la
presencia de un tipo especial de electricidad en algunos animales que producían una
descarga eléctrica al ser perturbados, fue el primer motivo de estudio. Sin embargo, ahora
podemos tener una visión mucho más amplia de este concepto.
Es importante recordar que para la época de estos estudios aún no se tenía una descripción
clara del modelo de átomo, ni de la identidad de los portadores de esa carga eléctrica.
Para contradecir lo postulado por Galvani, A. Volta realizó una serie de experimentos que
condujeron finalmente, a la invención de la “pila voltaica”. De esta manera se intentaba
demostrar que la teoría de la corriente animal era equivocada.
Al cabo de todos estos años, se puede afirmar que tanto Volta como Galvani, estaban en lo
cierto puesto que actualmente se puede explicar no solo las evidencias experimentales
obtenidas con ciertos animales, sino que tenemos una idea mas clara de la importancia de la
presencia de electricidad para el funcionamiento del cuerpo humano. Sin duda la analogía
más fácil de realizar es comparar lo que sucede cuando se transmite electricidad por un
conductor metálico y el transporte de impulsos en el sistema nervioso. También se
encontrarán analogías al analizar lo que sucede a nivel de membranas celulares.
SISTEMA NERVIOSO
Unidades básicas del sistema nervioso
Una clase de células que constituyen el sistema nervioso son las denominadas “neuronas”,
las que se unen unas con otras a través de las sinapsis.
Los primeros estudios realizados con este tipo de células se llevaron a cabo observando el
comportamiento del axón del calamar cuando se sometía a estimulación. Esta observación
era relativamente fácil ya que tiene 1mm de diámetro.
Transmisión de impulsos nerviosos
La transmisión se da fundamentalmente a través de dos mecanismos:
Señales eléctricas: se recorren rápidas distancias dentro de las neuronas
Señales químicas: se da entre neuronas a través de neurotransmisores
(acetilcolina, norepinefrina, dopamina, etc.). Este mecanismo actúa a nivel de
las sinapsis.
POTENCIAL DE MEMBRANA
El potencial de membrana es el resultado de la separación de cargas positivas y negativas a
través de una membrana celular. Esta separación, cargas positivas en el exterior de la
membrana de una célula del sistema nervioso en reposo, es posible debido a que la bi-capa
lipídica actúa como una barrera para la difusión de los iones y da lugar a la generación de
una diferencia de potencial. Esta diferencia toma valores de 60 a 70 mV.
POTENCIAL DE REPOSO
Cuando una célula está en reposo, el potencial de membrana se conoce como potencial de
reposo. Por convención se toma el potencial externo como cero, por lo que teniendo en
cuenta que el interior tiene un exceso de carga negativa, el potencial de membrana en este
caso toma valor negativo de -60 a -70 mV.
La separación de carga a través de la membrana, y por lo tanto el potencial de reposo se
modifica cada vez que ocurre un flujo neto de iones hacia o desde el interior de la célula.
Cuando se produce una disminución de la separación de carga el proceso se denomina
despolarización. El caso contrario se conoce como hiperpolarización.
Al modificarse el potencial de membrana se genera un flujo de corriente. Esto es posible
por la acción de canales iónicos.
Existen dos tipos de canales iónicos en la membrana:
Canales “gated” (algo equivalente a decir que tienen posibilidad de ser cerrados) y
“nongated” (lo opuesto)
Los canales “gated” se abren o cierran en respuesta a señales eléctricas, mecánicas o
químicas específicas. Mientras que los segundos están siempre abiertos y no son
influenciados significativamente por factores extrínsecos. Ellos son importantes para
mantener el potencial de membrana en reposo.
EQUILIBRIO DE SODIO Y POTASIO
Dado que los canales iónicos reconocen y seleccionan iones específicos, la distribución de
especies iónicas a través de la membrana dependerá de la distribución particular de canales
iónicos que tenga la membrana celular.
Las especies iónicas no se distribuyen de igual manera en ambos lados de la membrana:
El sodio y el cloruro están más concentrados en el exterior de la célula
El potasio y los aniones orgánicos (ácidos orgánicos y proteínas) están más concentrados en
el interior.
¿Qué previene que estos gradientes sean vencidos simplemente por difusión a través de
los canales “nongated”?
La explicación está relacionada con la existencia de un equilibrio de fuerzas actuantes.
Por una parte se tiene un gradiente de concentraciones que actúa impulsando los iones en el
sentido de disminuir el mismo. Por otra parte, debido a la separación de cargas en la
membrana se tiene un campo eléctrico que actuará también permitiendo o no el movimiento
de los iones. Veamos con más detalle esta situación
Analizando por ejemplo al ión cloruro, ya que se encuentra más concentrado en el exterior
de la célula tendrá la tendencia a moverse hacia el interior a través de los canales
“nongated”. Sin embargo si se tiene en cuenta que en el interior de la célula existe un
exceso de carga negativa esto provocará la salida de los iones cloruros.
De lo anterior se espera se alcance un estado de equilibrio, directamente relacionado con el
potencial de membrana.
Para el caso de los cationes, se debe hacer el análisis conjunto del movimiento de los iones
sodio y potasio, ya que el movimiento de los iones sodio hacia el interior de la célula tiene
que ser compensado por la salida de iones potasio.
Este intercambio estacionario de iones previene una despolarización reversible, sin
embargo no puede sostenerse indefinidamente a menos que se revierta el proceso. Esto se
consigue mediante la acción de las “bombas de sodio y potasio”. Estos sistemas permiten la
salida del sodio del interior de la célula e incorporan el potasio. Este proceso implica un
consumo de energía puesto que los movimientos se realizan en contra de los gradientes
electroquímicos. Esta energía se obtiene de la hidrólisis de ATP, que es la molécula
“portadora de energía” por excelencia.
Algunas células poseen también “bombas de cloro” que funcionan de la misma manera que
la mencionada arriba.
TRATAMIENTO TERMODINÁMICO
Si se tuviera una membrana que solo fuera permeable al paso de los iones potasio, sería
factible aplicar la ecuación de Nernst para calcular el potencial de membrana que se
generaría a temperatura ambiente, al tener distintas concentraciones en ambos lado de la
misma.
[K ]int erior
V ≅ −60mV log
[K ]exterior
Es decir que si se tuviera una concentración 0,1M en el interior y 0,01M en el exterior de la
célula respectivamente, en el equilibrio se generaría una diferencia de potencial de unos 60
mV. Este potencial es el que contrarresta el gradiente de concentración y que permite que
se alcance el equilibrio.
En el análisis anterior se considero una membrana permeable solo a iones potasio.
Obviamente que esto no corresponde con la realidad puesto que las membranas celulares
muestran cierto grado de permeabilidad a otros iones diferentes al potasio, particularmente
sodio y cloruro. Por este motivo, es necesario modificar la ecuación de Nernst para tener en
cuenta esta influencia múltiple. Esta modificación es conocida como Ecuación de
Goldman
P [K ]int + PNa [Na ]int + PCl [Cl ]ext
V ≅ −60mV log K
PK [K ]ext + PNa [Na ]ext + PCl [Cl ]int
Donde P, con unidad de cm.s-1, es la permeabilidad de cada ión y está relacionada con la
actividad de los canales.
POTENCIAL DE ACCIÓN
Así como el potencial de reposo se corresponde con un estado donde la neurona está sin
estimular, cuando es estimulada se produce una “explosión de actividad eléctrica” conocido
como potencial de acción.
Ante el estímulo, el potencial de reposo toma valores más positivos, pero solo cuando
alcanza un valor umbral, de unos – 55 mV, se produce el disparo de un potencial de acción.
Es importante mencionar que todos los potenciales de acción tienen la misma magnitud
para cualquier neurona.
En términos generales el proceso puede describirse teniendo en cuenta el funcionamiento
de los canales iónicos. Ante el estímulo se abren primero los canales de sodio permitiendo
el ingreso al interior de la célula lo que conduce a la despolarización. Cuando los canales
de sodio comienzan a cerrarse se abren los de potasio, permitiendo la salida del mismo con
lo que se revierte la despolarización anterior. Con esto se regresa al valor de potencial
inicial (-70mV) es decir ocurre la re polarización.
En resumen se comprueba la estrecha relación que existe entre la generación de diferencias
de potencial a nivel de la membrana celular y el proceso de transmisión de impulsos
nerviosos. Es decir que una vez más estamos en evidencia de la “electricidad animal” que
tanto ha intrigado a los científicos históricamente.
ALGUNOS TRASTORNOS RELACIONADOS CON EL FUNCIONAMIENTO DEL
SISTEMA NERVIOSO
Epilepsia: es una afección neurológica que implica una actividad eléctrica anormal del
cerebro. Provoca convulsiones repetidas de algún tipo. Este trastorno no es
contagioso ni está relacionado con ninguna enfermedad o retraso mental. La
epilepsia es un trastorno con muchas causas posibles, cualquier cosa que impida o
distorsione el patrón de actividad neuronal normal puede conducir a la aparición
de una crisis epiléptica.
Alzheimer: enfermedad irreversible que ataca el cerebro provocando una pérdida gradual
de la memoria y dificultades con el lenguaje y las emociones. Se produce la
interrupción del paso de mensajes entre las neuronas que controlan la memoria y
el pensamiento. En estas células y en la corteza del cerebro se producen
modificaciones distintivas.
Mal de Parkinson: es el deterioro progresivo de las neuronas de la parte del cerebro que
controla el movimiento muscular, área en la cual se produce
normalmente la dopamina, uno de los neurotransmisores. Este deterioro
reduce la cantidad de dopamina disponible para el organismo. Esto
afecta el equilibrio con otros transmisores como la acetilcolina. Al no
poderse transmitir adecuadamente los mensajes en las células nerviosas,
se produce pérdida en la función muscular.
TECNICAS E INSTRUMENTOS RELACIONADOS CON LA INTERACCIÓN
ELECTRICIDAD-SERES VIVOS
Electrocardiograma (ECG): instrumento que permite monitorear el funcionamiento del
músculo cardíaco mediante la medición del potencial eléctrico
generado. Fue inventado por el holandés Einthoven en 1907
(Premio Nóbel en 1924). El instrumento fue mejorado
significativamente por el cardiólogo norteamericano Wilson en
1929 con la introducción de las derivaciones unipolares.
Electroencefalograma (EEG): Fue inventado en 1929 por Hans Berger Mediante este
instrumento se detecta y registra los patrones de la actividad
eléctrica del cerebro.
Electromiograma: mediante este análisis se estudia el sistema neuromuscular, consiste una
prolongación del estudio clínico neurológico. Se fundamenta en el
registro de los potenciales de las células excitables. La electro miografía
se ocupa del registro de los potenciales evocados involuntariamente por
el músculo, mientras que la electro neurografía estudia los potenciales
generados luego de una estimulación eléctrica sobre los nervios que
mantienen conexión anatómica o funcional con la zona de registro
Terapia Electro convulsiva (Electroshock): aplicación de estímulo eléctrico en el cerebro
que produce efectos similares a los causados por
la epilepsia. Se emplea para el tratamiento de
algunas enfermedades mentales
Marcapasos: instrumento alimentado con baterías que envía señales eléctricas al músculo
cardíaco. Ideado por Hyman en 1927, es empleado externamente al cuerpo en
1956. En 1958 Senning lo utiliza por primera vez incorporado en el cuerpo. Se
emplean en aquellos pacientes cuyo corazón late muy lentamente (bradicardia)
y eventualmente se puede utilizar en aquellos con una frecuencia cardiaca
anormalmente alta (taquicardia).
Defibrilador: instrumento que permite aplicar durante un corto tiempo un choque eléctrico
de alta energía. Con este procedimiento se detiene la fibrilación (contracciones
cardíacas rápidas y descoordinados).
DROGAS QUE AFECTAN EL SISTEMA NERVIOSO
• Alcohol
• Barbitúricos
• Cocaína
• Heroína
• LSD
• Nicotina
• Anfetaminas
• Cafeína
• Éxtasis
• Inhalantes
• Marihuana
• Rofinol
• Hongos alucinógenos
DOBLE CAPA ELÉCTRICA
En todos los procesos de electrodo, es decir en aquellos donde el proceso electroquímico se
establece en la región que incluye la interfaz electrodo-solución se genera una distribución
de cargas (aún cuando no se aplique un potencial al electrodo) conocida como doble capa
eléctrica.
Es de gran importancia el estudio de los procesos que ocurren a nivel de esta zona puesto
que de esta manera se tendrá una mejor comprensión del comportamiento macroscópico del
sistema.
TEORIA DE LA DOBLE CAPA
El estudio de la distribución de carga en la vecindad de la interfase ha sido motivo de
interés de científicos desde mediados del siglo XIX, es así que se destacan los aportes
realizados por:
Helmholtz (1879)
Gouy (1910)
Chapman (1913)
Stern (1924)
Grahame (1947)
Estos estudios han tenido como propósito elaborar un modelo de doble capa que permita
interpretar como varía el potencial eléctrico desde la superficie metálica hasta el seno de la
solución.
MODELOS DE DOBLE CAPA ELÉCTRICA
Teoría de Helmholtz
De acuerdo a esta teoría la interfaz se considera similar a un condensador eléctrico, es decir
dos placas paralelas cargadas y separadas una distancia d. De acuerdo a esta analogía se
puede definir la capacidad por unidad de área de la doble capa eléctrica como:
C=
ε
4πd
Donde ε es la constante dieléctrica del medio.
De acuerdo con esa ecuación la capacidad de la doble capa debería ser independiente del
potencial. Sin embargo experimentalmente puede verificarse que no solo existe esa
dependencia sino que también varía de acuerdo a la concentración iónica de la solución y a
la naturaleza de sus componentes. Todo lo anterior indica que el modelo presenta
inconsistencias con la realidad por lo que debe ser tenido en cuenta estos factores.
Teoría de Gouy-Chapman
En la teoría anterior se consideraba que al igual que en la superficie metálica (electrodo) la
carga se ubicaba en la superficie, del mismo modo se establecía que el exceso de carga en
la solución se ubicaba en una “capa” de solución. Sin embargo esta última suposición no es
correcta puesto que existe una distribución de carga hacia el interior de la solución que
debe ser tenido en cuenta. En la teoría de Gouy-Chapman se define una capa difusa de
iones hacia el interior de la misma
En esta interfase la caída de potencial no es función lineal de la distancia. En el metal hay
un plano de cargas del mismo signo, mientras que las de signo opuesto se distribuyen del
lado de la solución a lo largo de una cierta distancia.
En esta teoría se trabajan con dos ecuaciones fundamentales:
Potencial eléctrico (Ley de Poisson)
4πp
∆φ =
ε
Concentración iónica (Ecuación de Maxwell-Boltzman)
− zeφ
kT
Suponiendo que la doble capa se ajusta a una geometría de un paralelepípedo, es decir que
tenga superficies equipotenciales paralelas, se llega a la expresión:
− z i eφ
∂φ 2 − 4π
∆φ = 2 =
z i eC io exp
ε
kT
∂x
resolviendo la ecuación anterior y considerando valores de potencial pequeños tal que se
cumpla que
− z i eφ
<< 1
kT
se llega a
φ = φ o exp(−kx)
50
Esta relación es una buena aproximación para φ o ≤
mV a 25oC
z
CONSECUENCIAS
De acuerdo a este análisis, ahora el potencial eléctrico establecido en la doble capa eléctrica
resulta función de:
Distancia
Concentración del electrolito
Valencia del electrolito
Constante dieléctrica del medio
Temperatura
LIMITACIONES DE LA TEORÍA
Como limitaciones de la teoría se puede afirmar que se requiere que la concentración iónica
Cio sea muy baja para que no exista interacción entre los iones. Asimismo se requiere que
la constante dieléctrica sea invariable en todo el medio.
C i = C io exp
Teoría de Stern
En la teoría de Gouy-Chapman los iones se consideran como entidades puntuales, y por lo
tanto con posibilidad de acercarse arbitrariamente tanto como se desee a la superficie del
electrodo. Esta descripción no es correcta en la medida que los iones no pueden
aproximarse a distancias menores que el propio radio iónico. Además de lo anterior si se
tiene en cuenta la solvatación de los mismos, el radio ahora será mayor y por lo tanto la
máxima aproximación será menor todavía.
Stern propuso un modelo de doble capa eléctrica que consiste en la suma de las dos
estructuras mencionadas antes, es decir que la diferencia total de potencial a través de la
interfase resulta ser entonces la suma de la caída lineal de potencial en la doble capa de
Helmholtz y la caída exponencial de potencial en la doble capa difusa. Admitiendo incluso
que las dos contribuciones sean del mismo signo o de signo opuesto
En este modelo mas completo se define una capa interna, más próxima al electrodo, donde
los iones se encuentran específicamente adsorbidos. Esta capa se la conoce como: capa
compacta, de Helmholtz o de Stern. El centro de estos iones define un plano, conocido
como plano interno de Helmholtz que se encuentra a la distancia de menor acercamiento de
los iones adsorbidos específicamente.
COMENTARIOS FINALES
La estructura de la doble capa puede afectar la velocidad de los procesos electroquímicos
que se producen sobre el electrodo. Por ejemplo, una especie electro-activa que no se
encuentre adsorbida específicamente sobre el electrodo, podrá acercarse a él solo hasta el
plano externo de Helmholtz y por lo tanto “sentirá” un potencial diferente al establecido
entre la superficie del electrodo y el seno de la solución. Esta diferencia puede ser
importante o no, dependiendo del proceso bajo estudio. Es así que en algunos estudios
cinéticos la presencia de la doble capa puede despreciarse, pero en otros casos cuando la
concentración de la especie electro activa es muy pequeña, la capacidad de la doble capa
eléctrica, y la corriente necesaria para cargarla, debe ser considerada porque incluso puede
tener una magnitud superior a la corriente faradaica de interés.
ESPESOR TEÓRICO DE LA DOBLE CAPA ELÉCTRICA
Analizando la ecuación aproximada derivada en la teoría de Gouy-Chapman se observa que
la inversa del parámetro k tiene dimensiones de longitud y caracteriza la disminución
espacial del potencial. Por este motivo se toma el valor de 1/k como una medida del espesor
de la capa difusa. Este espesor es función de varios parámetros: concentración iónica,
temperatura, fuerza iónica, etc.
Variación con la concentración iónica
Teniendo en cuenta que el parámetro 1/k responde a la ecuación
1
εkT
=
k
8πe 2 z i C io
Para un electrolito 1:1 a 25 oC en H2O, tomando una concentración C* como el cociente
entre el número de moles y el número de Avogadro, se tiene la siguiente variación (tomada
de Electrochemical Methods. Fundamental and Applications, A.J.Bard y L.P.Faulkner)
C*(M)
1
10-1
10-2
10-3
10-4
1/κ(A)
3.0
9.6
30.4
96.2
304
Variación con la fuerza iónica
A 20oC , tomando un valor de ε de 80 y teniendo en cuenta la relación k=2,3x109(ΣCiZi2)1/2
Se tienen los siguientes valores representativos
Soluciones
H2 O
NaCl 1x10-4M
MgSO4 1x10-4M
Agua de mar
Espesor 1/k (A)
9000 (aprox 1µm)
310
150
4
TÉCNICAS ELECTROQUÍMICAS PARA EL BIOANÁLISIS
VOLTAMETRÍA “IN VIVO”
A fines de los años 60 y comienzo de los 70 se realizaron los primeros experimentos con
electrodos miniaturizados de pasta de carbono implantados en el cerebro. El propósito era
obtener corrientes de oxidación correspondiente a una clase de neurotransmisores, las
catecolaminas. Sin embargo, si bien se obtuvieron lecturas de corriente, el método no era
selectivo y otras especies interferían en la determinación. Era necesario por lo tanto realizar
modificaciones en el procedimiento experimental. Posteriormente esto se mejoró mediante
el uso de coberturas de Nafion, un polímero aniónico que redujo la interferencia del ácido
ascórbico y otros metabolitos acídicos. También se incorporó el pre-tratamiento
electroquímico que permite desplazar los potenciales de oxidación de los interferentes.
LIBERACIÓN E INCORPORACIÓN DE NEUROTRANSMISORES
Ante la gran dificultad experimental para poder cuantificar la liberación basal de dopamina,
se comenzó a emplear una modificación en el procedimiento. Se produce la estimulación
eléctrica de los tejidos y se mide la liberación y posterior remoción del neurotransmisor en
el espacio extracelular.
Esta modificación permite la aplicación de distintas técnicas volta métricas para estudiar la
dinámica real del neurotransmisor. La posibilidad de emplear técnicas con gran velocidad
de adquisición de datos permite estudiar cuan veloz es el proceso de liberación e
incorporación de neurotransmisores.
Desde el punto de vista fisiológico es importante es considerar que el cerebro, a diferencia
de una celda electroquímica convencional, es un ambiente eléctricamente y electro
químicamente activo por lo que la implantación de un electrodo es traumático para las
células. De aquí la importancia de utilizar electrodos con el menor diámetro posible, como
los electrodos modernos de fibra de carbono de solo 10 µm de diámetro.
VOLTAMETRIA EN TIEMPO REAL
Para poder detectar la liberación de neurotransmisores en tiempos lo más próximo al real,
es posible actualmente emplear voltametría de alta velocidad de barrido. Esto se consigue
empleando los electrodos de fibra de carbono de área pequeña mencionados anteriormente.
De esta manera, por ejemplo empleando un electrodo de diámetro de 8 Mm. es posible
realizar un barrido de potencial en solo 20 ms, lo que implica una velocidad de barrido de
aproximadamente 400 V/s. Dado el corto tiempo del barrido es posible realizar varios en un
intervalo pequeño de tiempo.
Estas modificaciones experimentales son importantes también en el sentido que no
interfieren con la actividad neuronal normal. Incluso es posible combinar las
determinaciones volta métricas con medidas electrofisiológicas al mismo tiempo, es decir
que se monitorea simultáneamente la actividad eléctrica junto a la neuroquímica.