Estudio de las propriedades eléctricas en eritrocitos humanos

Revista Colombiana de Física, vol. 45, No. 1, 2013
Estudio de las propriedades eléctricas en eritrocitos humanos
Study of Electrical Properties of Human Erythrocytes
A.A. Venegas*1, J. Tiusabá1, G. Garavito1
1
Grupo De Instrumentación Científica & Didáctica (GICD)
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá.
Recibido abril 10 de 2010; aceptado abril 14 de 2011.
Resumen
El presente artículo muestra las propiedades eléctricas de los eritrocitos humanos y sus cambios ante un campo eléctrico externo. Se tienen como punto de referencia la salinidad fisiológica estándar para los seres humanos que equivale a 0.9 %.
El procedimiento de laboratorio incluye la modificación del porcentaje de salinidad entre 0.7% y 1%, de esta manera, los
eritrocitos pueden estar en condición hipotónica, isotónica e hipertónica. En estas tres condiciones los eritrocitos fueron expuestos a un campo eléctrico externo, presentado modificaciones de voltaje, corriente y resistencia eléctrica. Para analizar
el tipo de características eléctricas presentes en los eritrocitos, estos se asumen como portadores de carga eléctrica positiva,
debido a su alto contenido de hierro y su tendencia a moverse en dirección del campo eléctrico generado .
Se demuestra que los eritrocitos tienen un valor límite de corriente y de voltaje externo antes de la crenación o hemolización, para lo cual, se establecen procesos de óxido-reducción del hierro en su interior.
Palabras clave: células sanguíneas, biofísica, propiedades eléctricas.
Abstract
In this work, we study electrical properties of human erythrocytes and their changes with an external electric field. The
physiological human salinity of 0.9% , is taken as a benchmark.
Experimental procedure includes modifying the salinity percentage between 0.7% and 1%, in this way, the erythrocytes
could present three conditions: hypotonic, isotonic and hypertonic. The erythrocytes, under these three conditions, were exposed to an external electric field, showing changes in voltage, current, and electrical resistance. To analyze the electrical
characteristics, the erythrocytes are assumed to carry a positive electric charge, this is due to its high iron content, and its
tendency to move in the direction of the generated electric field.
It is also shown that the erythrocytes, before hemolysis or crenation, have a limit value for current and external voltage, for
which, the iron inside the erythrocyte experiences redox processes.
Keywords: sanguine cells, biophysics, electrical properties.
1. Introducción
El presente estudio fue realizado con células sanguíneas,
conocidas como los eritrocitos o glóbulos rojos. Los
eritrocitos son importantes en el proceso del transporte de
oxígeno hacia los diferentes tejidos del cuerpo humano a
través de las arterias, con ayuda de la hemoglobina que
contiene hierro. [1]
Los eritrocitos, al poseer grandes cantidades de hierro,
están implicados en una serie de procesos fisiológicos
que dependen de los campos eléctricos que se encuentran
presentes en el organismo humano [2] [3]. Ellos están
implicados en una serie de procesos fisicoquímicos sobre
el torrente sanguíneo y en los procesos inmunológicos
del cuerpo humano [5] [6].
Por otra parte, estudios sobre las características eléctricas
de los glóbulos rojos como su resistencia eléctrica, movilidad y conductividad, son poco reportados en la literatura; este hecho fue una de las motivaciones del presente
artículo [8] [6].
El trabajo de investigación duró 2 años en las instalaciones de la universidad Antonio Nariño y la Universidad
* [email protected]
Este trabajo es publicado por la Sociedad Colombiana de Fìsica y distribuìdo en open acces según los términos de la licencia Creative Commos Attribution.
Rev. Col. Fís., 45, No. 1, 2013
Distrital. En primer término se analizó la caracterización
morfológica de los eritrocitos, exponiéndolos a diversos
medios salinos. Se tomó como referencia la concentración salina de la sangre humana 0.9%, como punto isotónico, y se varió esta concentración hacia los límites de
supervivencia del eritrocito en condiciones in vivo, 0.7 %
a 1%, hipotónica e hipertónica respectivamente [9] [10].
Para observar este comportamiento se realizó un riguroso
trabajo de laboratorio con la asesoría de personal altamente cualificado en lo que concierne a la toma de muestras de sangre humana y el proceso de centrifugado. El
centrifugado permite separar los eritrocitos de otras sustancias del plasma sanguíneo, como los glóbulos blancos
o las placas sanguíneas [8].
Al separar los eritrocitos de las muestras sanguíneas se
consiguió observar, cualificar y cuantificar las diferentes
modificaciones morfológicas ante las diversas concentraciones. Seguidamente, estas muestras fueron expuestas a
un campo eléctrico externo, lo cual permitió realizar
mediciones de voltaje y corriente. Estas mediciones generaron una serie de datos que fueron trazados y analizados para dar una interpretación cualitativa de la interacción eritrocito-solución y eritrocito-campo eléctrico [8]
[9].
Al analizar los datos experimentales se encontraron relaciones eléctricas de la carga del eritrocito, para postularlo
como una carga positiva, la relación de corriente y voltaje máxima en el eritrocito antes de su crenación o hemolización.
Ahora bien, el proceso de análisis se realiza teniendo en
cuenta estos dos procesos antes mencionados por lo cual,
el análisis se ajusta a los procesos fisiológicos y de vida
del eritrocito. Al entrar en contacto con un campo eléctrico externo, como pueden ser los campos eléctricos propios del cuerpo humanos, los eritrocitos sufren modificaciones en sus relaciones estructuraleses decir, estas se
dan en dos fases: antes de la crenación del mismo y después de la crenación o la hemolización.
El presente artículo se centra en describir los efectos
sobre la primera fase, es decir antes de la hemolización o
la crenación de los eritrocitos.
4. Obtención de una medida de eritrocitos, correspondientes a 10, la cual fue puesta en contacto con 990
de solución salina.
5. Exposición de las soluciones (eritrocitos concentración salina) ante los campos eléctricos.
6. Medición de voltajes y corrientes. Estas mediciones
se realizaron mediante el dispositivo eléctrico esquematizado en la figura 1.
Fig. 1. Montaje utilizado (este dispositivo fue diseñado por los
autores en el laboratorio de Ciencias Básicas de la Facultad de
Medicina de la U.A.N)
En el dispositivo se introducen dos electrodos, puestos en
forma paralela, en una solución (concentración salina y
eritrocitos), a una distancia de separación entre ellos de 1
cm. En la parte superior se conectan la fuente de voltaje,
un amperímetro y un voltímetro de alta sensibilidad,
pudiéndose varíar el voltaje suministrado por la fuente.
Es de resaltar que para todas las medidas, antes de poner
los eritrocitos, se realizó una medida del blanco, es decir,
de la concentración salina. Esto nos sirve para graficar
los datos obtenidos experimentalmente y realizar los
análisis solamente sobre los eritrocitos. Además, mediante las medidas de corriente y voltaje se caracteriza el
comportamiento de los eritrocitos ante un campo eléctrico externo a la muestra.
Las medidas que se presentan en la siguiente sección
muestran los dos momentos pero el análisis se centra en
los efectos sobre la primera fase, es decir, antes de la
hemolización o crenación de los eritrocitos.
3. Resultados.
Realizado el procedimiento mencionado en la metodología para cada solución, se trabajo con soluciones salinas a
concentraciones de 0.7 %, 0.73%, 0.76%, 0.8%, 0.9%,
0.93%, 0.98% y 1 %. A continuación se presentan los
datos y gráficas obtenidas. Estas últimas muestran los
datos experimentales de corriente y voltaje para cada una
de las muestras, al mismo tiempo, sobre las gráficas se
realizó un análisis de tipo cualitativo.
2. Métodos y procedimientos.
El estudio en eritrocitos humanos, en presencia de campos eléctricos se realizó mediante el siguiente procedimiento:
1. Toma de muestra sanguínea, realizada por personal
especializado.
2. Manipulación y separación de los eritrocitos de la
muestra mediante el proceso de centrifugado.
3. Elaboración de las diferentes concentraciones salinas
con las que se realizó el estudio.
97
A.
Vanegas et. al.: Estudio de las propiedades eléctricas…
Figura 3. Corriente vs. voltaje en solución 0.76% .
.
La figura 3. permite observar como se produce el aumento en la corriente para la muestra utilizada en una solución de 0.76 % obteniendo su valor más alto correspondiente a 0.0298 A a 4.27 V, punto en el cual se produce
la reacción antes mencionada, posteriormente a este punto se produce una caída en la corriente hasta valores muy
cercanos a cero manteniéndose constante.
Figura 1. Corriente vs. voltaje en solución 0.7% .
La figura 1. muestra, para una solución al 0.7% , como
inicialmente aumenta el valor de la corriente en función
del voltaje hasta llegar a un pico inicial que corresponde
a una corriente de 0.029A a 0.97V, luego se observa un
decaimiento de la corriente para, posteriormente, crecer
rápidamente hasta un punto máximo de 0.012 A a 4.03
V.
CORRIENTE Vs VOLTAJE EN SOLUCIÓN 0,8 %
0,07
0,06
CORRIENTE ( A )
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-0,01
VOLTAJE ( V )
Figura4. Corriente vs. voltaje en solución 0.8 % .
Figura 2. Corriente vs. voltaje en solución 0.73% .
La figura 4. presenta el aumento de corriente para la
solución al 0.8%, su punto máximo se logra en en 0.0545
A con un voltaje correspondiente a 1.811 V punto en el
cual se observan los cambios en sus propiedades ya mencionados en las muestras anteriores, posterior a esto la
corriente cae manteniéndose constante y cercana a cero.
La figura 2. evidencia el comportamiento de la corriente
en función del voltaje para una solución al 0.7% . En un
primer momento alcanza un punto máximo en 0.0308 A
y 1.503 V, punto en el cual se observa cualitativamente
en la práctica una reacción fisicoquímica, donde la muestra utilizada cambia algunas de sus cualidades y propiedades, tomando un color más oscuro y formándose una
capa espumosa en la superficie, posteriormente la figura
muestra la caída repentina de corriente, la cual trata de
mantenerse constante para posteriormente comenzar a
aumentar hasta alcanzar 0.0241 A a 7.650 V.
98
Rev. Col. Fís., 45, No. 1, 2013
mo en 0.0843 A correspondiente a 1.783 V punto en el
cual también se producen los cambios antes descritos en
las demás muestras y a partir del cual cae la corriente
manteniéndose constante y cercana a cero.
CORRIENTE Vs VOLTAJE EN SOLUCIÓN 0,9 %
0,07
0,06
CORRIENTE ( A )
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-0,01
VOLTAJE ( V )
Figura 5. Corriente vs voltaje en solución 0.9% .
La figura 5. se refiere a la muestra al 0.9% y muestra un
incremento de la corriente similar al de las muestras
anteriores alcanzando su punto máximo de corriente en
0.0585 A correspondiente a 1.75 V, punto en el cual se
observan los mismos cambios en la muestra.
Figura 8. Corriente vs. voltaje en solución 1% .
Finalmente, para la solución al 1%, la figura 8. permite
visualizar el comportamiento de la corriente en función
del voltaje, alcanzando un máximo de corriente de
0.0643 A correspondiente a 1.783 V, punto a partir del
cual se detectan los cambios ya reportados.
CORRIENTE Vs VOLTAJE EN SOLUCIÓN 0,93 %
0,09
0,08
0,07
CORRIENTE ( A)
0,06
0,05
4. Análisis de resultados
0,04
0,03
Los resultados anteriores muestran como inicialmente las
muestras presentan un comportamiento eléctrico como un
material conductor, alcanzando máximos de corriente
cada vez mayores en la medida en que es mayor la concentración utilizada en cada una de las muestras; sin
embargo, una vez alcanzados estos puntos máximos, las
muestras modifican sus características eléctricas decayendo la corriente, para luego mantenerse constante y
muy cercana a cero.
Este fenómeno es acompañado por un cambio de color
(las muestras se hacen más oscuras) y por la formación
de una capa espumosa en la superficie, fenómeno que se
presentó en todas las muestras.
Este comportamiento, el cambio en sus propiedades eléctricas, puede ser entendido por el proceso de electrólisis
que se produce cuando se aplica un voltaje suficientemente alto a través de los electrodos, en donde los componentes de las muestras se oxidan y se reducen hasta
llegar al punto de equilibrio en donde no hay flujo de
electrones.
Observándose el comportamiento de las gráficas trazadas
a partir de los datos obtenidos, se puede encontrar un
comportamiento similar en ellas en donde se observa que
a medida que aumenta la concentración de salinidad el
pico del máximo de corriente para cada solución toma un
a valor mayor (veáse tabla 1).
0,02
0,01
0
0
2
4
6
8
-0,01
10
12
14
16
18
20
VOLTAJE ( V)
Figura 6. Corriente vs voltaje en solución 0.93 % .
En la solución al 0.93% (figura 6.) es notable el incremento en la corriente que alcanza su máximo valor en
0.0776 A correspondiente a un voltaje de 1.96 V, punto
en el que también se producen los cambios observados
anteriormente.
CORRIENTE Vs VOLTAJE EN SOLUCIÓN 0,98 %
0,1
0,09
0,08
CORRIENTE ( A)
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
-0,01
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
VOLTAJE (V)
Figura 7. Corriente vs. voltaje en solución 0.98 % .
La figura 7. muestra como es el incremento de la corriente para una solución al 0.98%. Se alcanza el punto máxi99
A.
Tabla 1. Picos de corriente en función de la concentración.
Solución % (NaCl)
0,70
0,73
0,76
0,80
0,90
0,93
0,98
1
Vanegas et. al.: Estudio de las propiedades eléctricas…
[2] A. Cromer, Física para las ciencias de la vida. 2º
edición, Barcelona, España. Reverte 1986.
[3] H. Curtís. Biología. Quinta edición. Buenos Aires.
Argentina. Editorial medica panamericana. 1985.
[4] M. Donalds, Física para las ciencias de la vida y de
la salud. Wilmington. E.U.A. Addison Wesley Iberoamericana 1989.
[5] D. Fawcett, Tratado de histología. Madrid España
McGraw-Hill – Interamericana. 1995.
[6] A. Frumento,
Biofísica. Madrid. España.
Mosby/Doyma Libros, 1972.
[7] W. Ganong, Manual de Fisiología Médica. 15ª edición. México, D. F. México. Editorial El Manual Moderno. 1996.
[8] V. Sukhorukov, H. Mussauer, U. Zimmermann, Journal of Membrane Biology, 163, 1998.
[9] S. Muñoz, M. Ruiz, J. Franco, J.M. Miranda Campo
eléctrico inducido en células de geometría elipsoidal
expuestas a una radiación rf. [en línea]
http://ursi.usc.es/articulos_modernos/articulos_coruna_2
003/actas_pdf/SESION%204/S4.%20Aula%202.3/1069
%20-%20CAMPO%20ELECTRICO.pdf
13 de mayo de 2002.
[10] B. Matyushichev, V. Shamratova. Bulletin of Experimental Biology and Medicine, 139, 2005.
Corriente (A)
0.00290
0.03080
0,01317
0.05450
0,05850
0,07760
0,08430
0,06430
En cada solución luego de alcanzar el máximo de corriente, la resistencia alcanza un valor máximo que decae
rápidamente y luego se mantiene constante.
5. Conclusiones
Relacionando los datos obtenidos de sus máximos de
corriente, se pudo observar que pasado cierto tiempo la
resistencia disminuye debido a que los eritrocitos sufren
un proceso de crenación.
A medida que aumenta la concentración de salinidad,
disminuye la resistencia de los eritrocitos. La resistencia
medida con respecto al voltaje externo, se modifica hasta
un punto máximo y luego de ello empieza a disminuir,
esto debido al proceso de oxidación que sufren las soluciones.
Los resultados obtenidos se derivan del hecho de que las
propiedades de los elementos puestos en contacto en cada
muestra (el hierro, presente de manera abundante en los
eritrocitos y el NaCl), permiten que la muestra en cierta
medida se comporte como un material conductor, sin
embargo estas propiedades se pierden al producirse rápidamente un proceso de oxidación que altera sus propiedades iníciales y su comportamiento eléctrico, razón por
la cual a partir del voltaje utilizado se observan picos más
altos de corriente en cada una de las muestras, el cual
decae por el proceso de oxidación que se produce.
5. Agradecimientos
A la universidad Distrital Francisco Josè de Caldas y
Universidad Antonio Nariño. A Yolanda Sánchez, bacterióloga y Julián Gayón médico, por su colaboración en la
de muestras y manipulación del material biológico. También a las directivas de la Universidad Antonio Nariño
por permitirnos utilizar sus instalaciones y equipos en
nuestro trabajo experimental.
Bibliografía
[1] W. Bloom, Tratado de histología, Séptima edición.
Barcelona España. Editorial labor, S.A 1978.
W. Copenhaver, Tratado de Histología. México. Editorial Interamericana 1981.
100