Revista Colombiana de Física, vol. 45, No. 1, 2013
Estudio de las propriedades eléctricas en eritrocitos humanos Study of Electrical Properties of Human Erythrocytes 1
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A.A. Venegas* , J. Tiusabá , G. Garavito
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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 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 equ ivale 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 ex puestos a un campo eléctrico externo, presentado modificaciones de voltaje, corriente y resistencia eléctrica. Para analizar el tipo de características eléctricas 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. Palabr as 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 salinity of 0.9% , is taken 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 ex posed to an external electric field, showing changes in voltage, current, and electrical 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. 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
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[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 volta je 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 pro pios 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 des pués 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 d e 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 cam pos 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.
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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 0,05 ) A ( E T N E I R R O C
0,04 0,03 0,02 0,01 0 0
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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.
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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 par tir del cual cae la corriente manteniéndose constante y cercana a cero.
CORRIENTE Vs VOLTAJE EN SOLUCIÓN 0,9 % 0,07 0,06 0,05 ) A ( E T N E I R R O C
0,04 0,03 0,02 0,01 0 0
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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
0,06
) A 0,05 ( E T N 0,04 E I R R O 0,03 C
4. Análisis de resultados 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 com ponentes 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).
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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 0,07 ) A ( E T N E I R R O C
0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 -0,01
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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
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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 Ex perimental 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. Tam bién 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
