BIOFÍSICA 10 Fenom Bioeléctricos (I) ELECTROSTÁTICA y Em

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Bioqco. Yoelys Gómez Rodríguez 
Unidad VI: Biofísica de los fenómenos Bioeléctricos 
 ELECTROSTÁTICA: carga eléctrica. Diferencia de potencial 
eléctrico. Ley de Coulomb. Campo eléctrico. Conductores y aislantes 
eléctricos, dieléctricos. Ejemplos biológicos. Gradiente eléctrico. 
 POTENCIAL DE MEMBRANA: 
 Potencial de difusión. Gradiente electroquímico y equilibrio electroquímico. 
Ecuación de Nernst. 
 Equilibrio Donnan. Ejemplos biológicos. 
 Estado estacionario y Potencial de Membrana en reposo (Er o PMR). Causas 
del PMR. 
 
Bibliografía: 
 Temas de Biofísica. Parisi, Mario (2004). Ed. McGraw-Hill/Interamericana 
Editores. Cap. 5. “Bases Físicas de los fenómenos bioeléctricos” (pp. 84-87; 94-101) 
 Física Médica y Biológica. Biofísica para Ciencias de la Salud. Micó, Guillermo A. 
(2014). Ed. Arandurã. Cap. 13 (127-137); 4 (p. 35-37). Cap. 3 (pp. 30-33). 
 
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Introducción 
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Fenómenos Eléctricos 
Electrostática 
Electricidad 
 o 
Corriente Eléctrica 
LEY DE LA ELECTROSTÁTICA 
 Dos cuerpos electrizados con la misma 
clase de electricidad se rechazan y se 
atraen si las cargas eléctricas son 
distintas. 
 
 La teoría moderna electrónica admite 
que la electrización de los cuerpos está 
determinada por la ganancia o pérdida 
de electrones del átomo. 
Conceptos fundamentales 
 Carga eléctrica: cierto número de electrones 
(e-) o de protones (p+). Es independiente de 
las masas de los cuerpos. 
 Carga elemental: cantidad de carga 
asociada a: 
 1 electrón, 
anión monovalente (Cl-, HCO3
-), 
 protón, 
catión monovalente (Na+, K+, H+). 
Unidad de carga eléctrica en SIU: 
1 Coulomb (C)= 6.25 x 10 18 electrones o 
protones 
 
Electrolitos: 10 
Líneas de fuerza de campo eléctrico 
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Campo Eléctrico: 
Es el espacio en el 
cual una carga es 
afectada por la acción 
de una Fuerza 
Eléctrica. 
CAMPO ELÉCTRICO 
 Los cuerpos con una carga electrostática 
manifiestan su acción a su alrededor 
determinando el campo eléctrico: 
 
 E = F E = K. Q 
 Q d2 
 
 Interacciones Eléctricas: fenómenos de atracción o 
repulsión entre cargas positivas (protones, iones positivos) 
y/ negativas (electrones, iones negativos). 
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LEY DE COULOMB 
 La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas 
eléctricas es directamente proporcional al producto 
de las cargas e inversamente proporcional al 
cuadrado de la distancia que las separa: 
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Diferencia de Potencial eléctrico (ΔV) 
Materiales Conductores y No conductores, semiconductores 
 Estudio Independiente. Definición. Ejemplos Biológicos. 
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Conductores 
No Conductores (aislantes) 
Semiconductores 
 
DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD SOBRE 
LA SUPERFICIE DE LOS CONDUCTORES 
 
 En los cuerpos conductores , la 
electricidad se distribuye sobre la 
superficie, y principalmente en 
las puntas. 
 Por medio del electroscopio se 
puede explorar la intensidad de 
las cargas sobrr los cuerpos de 
forma variada y comprobar que 
el exceso o déficit electrónico se 
concentra en los ángulos y 
puntas agudas, mientras que es 
uniforme su distribución sobre la 
superficie de las ésferas. 
Jaula de Faraday 
 ¿Cómo medir el Potencial de Membrana? → Osciloscopio 
 
Uso de microelectrodos para medir la 
diferencia de potencial eléctrico a 
ambos lados de la membrana 
citoplasmática (exterior e interior) 
 
Las cargas eléctricas se localizan justo 
a ambos lados de la membrana 
plasmática. 
Voltímetro 
Diferencia de energía asociada a un gradiente eléctrico 
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POTENCIAL DE MEMBRANA 
 Si tenemos 2 compartimientos separados por una 
membrana y ambos tienen CONCENTRACIONES 
DESIGUALES de un SOLUTO NO CARGADO (no 
electrolito: glucosa, urea, etanol): Sistema No está en 
Equilibrio. 
 Fuerza Impulsora que movilizará al soluto: 
DIFERENCIA DE POTENCIAL QUÍMICO entre los 
compartimientos. 
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En el Equilibrio: se 
igualan las 
concentraciones. 
Considerando 2 solutos cargados (electrolitos) 
 Solutos cargados: Iones. 
 Fuerza Impulsora: combinación de las Diferencias de 
Potencial Químico (concentración) y Potencial 
Eléctrico (ΔV)→ Dif. Potencial electroquímico (Δμ) 
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Si: 
• Movilidad de Cl- y K- son iguales. 
• PERMEABILIDAD de la 
Membrana es igual para cada ión 
 
 
• Movimiento de K+ y Cl- desde (2) 
hasta (1) 
 
• Pero NO SE GENERA 
DIFERENCIA DE POTENCIAL 
ELÉCTRICO ENTRE 
Compartimientos (1) y (2). 
Considerando 2 solutos cargados (electrolitos) 
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Si: 
• Movilidad de Cl- y K- son Diferentes. 
• Permeabilidad (Cl-) > Permeabilidad 
(K+) 
 
• Movimiento de Cl- más fácil que 
movimiento de K+ desde (2) hasta (1) 
 
 
• Se GENERA DIFERENCIA DE 
POTENCIAL ELÉCTRICO ENTRE 
Compartimientos (1) y (2). 
POTENCIAL de DIFUSIÓN: 
Diferencia de Potencial Eléctrico que 
surge como consecuencia de 
1. un Gradiente de Concentración a 
ambos lados de una membrana y 
2. que ésta no sea igualmente permeable 
a los iones. 
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POTENCIAL de DIFUSIÓN: 
• Se mantiene hasta que se DISIPAN 
los gradientes de Concentración (aún 
cuando los Iones tengan diferente 
permeablidad.). 
 
 
• Potencial de Difusión se DISIPARÁ 
junto con la desaparición del 
gradiente. 
 
•CONCLUSIÓN IMPORTANTE: 
• En un sistema con 2 
compartimientos separados por una 
Membrana que tiene diferente 
Permeabilidad a los iones, si existe 
una diferencia en la concentración de 
los iones entre ambos 
compartimientos: se GENERARÁ una 
DIFERENCIA de POTENCIAL 
ELÉCTRICO 
POTENCIAL de DIFUSIÓN: 
• MAGNITUD del POTENCIAL de 
DIFUSIÓN dependerá: 
1. Gradiente de concentración existente. 
2. Permeabilidad al ión específico 
 
 
3. Si hay VARIOS IONES (Na+,K+, Cl-): 
 
 
 Potencial RESULTANTE será la 
SUMATORIA de los Potenciales 
Generados por cada ión. 
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Gradiente electroquímico, equilibrio electroquímico y Ecuación de Nernst 
Ecuación de Nernst: cuando el sistema esté en equilibrio: no hay 
flujo neto de iones 
• Es el Potencial eléctrico que hay que aplicar para 
que NO HAYA flujo neto de iones en presencia de 
un grad. Químico. 
↓ 
• Es el potencial eléctrico que se necesita para 
equilibrar a un gradiente químico: 
 
Si para un ión (p.ej. Na+): 
 Potencial Observado (medido) ≠ Pot. Nernst 
↓ 
Ión NO están en equilibrio electroquímico 
Ecuación de Nernst: cuando el sistema esté en equilibrio: no hay flujo 
neto de iones 
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Ecuación de Nerst: cuando el sistema esté en equilibrio 
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Ecuación de Nernst: cuando el sistema esté en equilibrio 
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Potencial de Membrana en ESTADO ESTACIONARIO 
 ¿Qué sucede en las Membranas Biológicas? 
 ¿Qué sucede en las Células? 
 ¿Cómo surge la Diferencia de Potencial Eléctrico a través de su 
membrana? 
 Memb. Celular tiene permeabilidades diferentes a las distintas 
especies iónicas. 
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Flujo de cada IÓN depende de: 
 Movilidad 
 Diferencia de Potencial (ΔV) 
 Gradiente de concentración a ambos 
lados de la membrana 
 
Diferencia de Potencial resulta de 
 Existencia de FLUJOS DIFUSIONALES 
para cada Ión: 
 Ión que tenga MAYOR FLUJO 
DIFUSIONAL CONTRIBUIRÁ MÁS al 
Pot. De Memb. 
 MAYOR FLUJO DIFUSIONAL 
 depende de: 
 Permeabilidad 
 Gradiente de concentración 
 
 FLUJO DIFUSIONAL del K+ 
 PARA MANTENER EL POTENCIAL DE MEMBRANA 
HAY QUE MANTENER LOS GRADIENTESIÓNICOS 
 
 
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+ - 
Potencial de Membrana (Em, Vm) 
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Potencial de Membrana (Em, 
Vm): 
Diferencia de potencial eléctrico 
entre el interior de una membrana 
(Vi) con respecto al exterior (Ve). 
Potencial de Reposo (Er ó Vr): 
Potencial de membrana en estado 
estacionario en el que no existe 
flujo neto de cargas a través de la 
membrana. 
 
Está determinado por las 
concentraciones intrac. y extrac. 
de los iones a los que la 
membrana es permeable y a sus 
valores de Pi. 
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Causas del Potencial de Membrana en Reposo (Er, PMR) 
1. Difusión de iones debido al 
desequilibrio químico (concentración) 
entre compartimiento intersticial y 
compartimiento intracelular. 
• Mayor contribución del Pot. 
Difusión del K+. 
• Contribución del Pot. Difusión del 
Na+. 
2. Contribución electrogénica 
hiperpolarizante de la bomba de 3Na+ 
/ 2K+ 
3. Contribución de aniones no difusibles 
en el interior de la célula: proteínas, 
sulfatos (SO4
2-) y fosfatos (PO4
3-). 
 
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 A través de las membranas de prácticamente todas las células 
del organismo existen potenciales eléctricos. 
 
 Algunas células (neuronas y fibras musculares), son 
excitables, capaces de autogenerar impulsos 
electroquímicos en sus membranas. 
 
 
 
 
 
 En otros tipos de células (macrófagos, células glandulares, 
células ciliadas), los cambios locales de los potenciales de 
membrana activan muchas de las funciones celulares. 
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 Existe una distribución 
asimétrica de iones entre el 
exterior y el interior celular a 
ambos lados de la membrana. 
 
Considerando las 
PRINCIPALES ESPECIES 
IÓNICAS que juegan un papel 
en la EXITABILIDAD CELULAR: 
 
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 Asociada a la Distribución Asimétrica de los iones existe una diferencia 
de potencial eléctrico en la membrana que se puede calcular por: 
Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz (ecuación de Goldman) 
p: 
Permeabilidad relativa de los distintos iones con 
respecto al más permeable: ión K+ (p=1) 
 
Se debería incluir a TODOS los iones intraceluares, 
pero NO se consideran a los iones de muy baja 
permeabilidad y cuya participación en el potencial 
es despreciable. 
 
 En CONDICIONES de REPOSO (Jneto=0): 
p(Na+)=0.03 p(K+)=1; p(Cl-)=1 
p(Ca2+)=0.001 
? 
Condiciones de Reposo: 
 
•Mayoría de CANALES de 
Na+ y Ca2+: CERRADOS 
 
• Mayoría de CANALES de 
 K+ y Cl-: ABIERTOS 
 
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41 
 
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