El sistema nervioso central funciona a través de flujos de cargar eléctricas en un medio acuoso. Los elementos estructurales de la membrana plasmática, funcionan como dispositivos electrónicos que permiten o se oponen al flujo de la corriente eléctrica.
El primer concepto que debe quedar perfectamente claro, es que los sistemas biológicos obedecen a las mismas leyes de la física y la química que rigen el universo. Para entender el funcionamiento normal de las neuronas, es necesario recordar temas fundamentales que se revisan por primera vez a nivel secundaria o equivalente.
Comenzaremos recordando lo que son los ÁTOMOS y las MOLÉCULAS. Un átomo es la partícula más pequeña en que se puede dividir un elemento, conservando sus propiedades originales. La tabla periódica está constituida precisamente por elementos los cuales son sustancias puras compuestas por una sola clase de átomo.
Cada átomo contiene tres clases de partículas fundamentales:
-Los Protones: poseen carga positiva;
-Los Electrones: Poseen carga negativa; y
-Los Neutrones: son neutros o sin carga.
Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo y los electrones giran en sus órbitas alrededor del núcleo. Nos enfocaremos solamente a los protones y electrones.
El átomo más simple es el hidrógeno, ya que está formado por un sólo protón y un electrón. No necesitamos revisar todos los elementos de la tabla periódica para comprender el funcionamiento de las células o neuronas, sin embargo, el sodio, el potasio, el calcio y el cloro son de gran importancia.
El sodio, tiene 11 protones y 11 electrones; el potasio cuenta con 19 protones y 19 electrones; el calcio cuenta con 20 protones y 20 electrones y el cloro con 17 de cada uno. Como los átomos tienen igual número de cargas positivas que negativas, se dice que son electroneutros o sin carga neta.
Los electrones están localizados en niveles de energía alrededor del núcleo. Se designan con la letra "n". El primer nivel (n=1) es el más cercano al núcleo y el de menor energía. Contiene no más de 2 electrones; el segundo nivel (n=2) no más de 8 electrones y el tercer nivel (n=3) puede aceptar un máximo de 18 electrones. Es decir, el número máximo de electrones en cualquier nivel está representado por la expresión 2n2. Esto es parte del principio de exclusión de Pauli.
Sin embargo, hay que tomar en consideración que dentro de cada nivel de energía (n) también existen subniveles, asignados con las letras s,p,f. Estos a su vez, tienen un cierto número de orbitales. Cada orbital de un determinado subnivel acepta hasta 2 electrones.
El primer nivel (n=1) contiene un subnivel s, con un orbital de 2 electrones. El segundo nivel de energía (n=2) tiene dos subniveles: un s que alberga un orbital (dos electrones) y un p con tres orbitales (6 electrones); es decir, en total 8 electrones para n=2. El tercer nivel (n=3) tiene tres subniveles: un s con un orbital (2 electrones), un p con tres orbitales (6 electrones) y un d con 5 orbitales (10 electrones), para un total de 18 electrones.
Para no perder el enfoque del tema, no revisaremos más a fondo lo que sucede en otros niveles de energía.
Ahora hablaremos un poco sobre los electrones que se encuentran en los niveles de energía más externos (electrones libres o de valencia). Es sumamente importante entender que estos electrones son los responsables de la formación de iones, enlaces y reactividad. La regla del octeto dice que los átomos interaccionan para modificar el número de electrones en sus órbitas más externas en un intento por lograr una estructura eléctrica similar a la de un gas noble. La estructura de un gas noble consta de 8 electrones en el nivel más externo, lo cual lo hace muy estable. Esta tendencia, dada por la regla del octeto explica los enlaces químicos en los compuestos y la formación de iones. Como ejemplo, veamos que ocurre con el sodio.
Este átomo tiene su primer nivel de energía completo, es decir, 2 electrones en el subnivel s de n=1. Tiene también completo su n=2 con 8 electrones (2 en s y 6 en p). Sin embargo, en el nivel de energía 3 tiene sólo un electrón en la órbita s y debemos recordar que este nivel acepta hasta 2 en s, 6 en p y 10 en d. Así que es muy fácil que pierda el electrón más externo y adquiera la configuración del gas noble llamado neón, con 8 electrones en n=2. Al perder un electrón, el ahora ión sodio se ha quedado con sólo 10 electrones (con carga negativa) y mantiene el mismo número de protones en el núcleo con carga positiva, por tanto, se dice que hay una carga neta positiva. Así, el ion sodio se representa como Na+.
MOLÉCULAS
Una molécula es la partícula más pequeña que incorpora todas las propiedades físicas y químicas de una sustancia.
Una molécula se encuentra formada por dos o más átomos. Los átomos que forman las moléculas pueden ser iguales (por ejemplo, la molécula de oxígeno (Dioxígeno), que cuenta con dos átomos del elemento), o distintos (la molécula de agua, que tiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno). Cada molécula de una sustancia compuesta constituye la porción más pequeña de materia que conserva las propiedades químicas de dicha sustancia.
Por ejemplo, si vemos una bolsa de sal de cocina como un todo, podremos apreciar que ese todo es un polvillo de color blanco. Ahora, si observamos más de cerca, vemos que ese polvillo está conformado por gránulos diminutos de configuración espacial, como si fueran pequeñas cajitas. Estas cajitas, a su vez, están formadas por agrupamientos de varias unidades, las cuales se denominan moléculas. En el caso de la sal, las moléculas serían de cloruro de sodio.
Las moléculas sólo se hallan perfectamente individualizadas en los gases en estado de movimiento rectilíneo desordenado, en cuyo caso su interacción se limita a choques muy breves. En los líquidos, si bien las moléculas se desplazan libremente, existe un mayor contacto intermolecular. En los sólidos, las moléculas ocupan por lo general posiciones fijas en los nudos de redes cristalinas. Los agregados atómicos moleculares pueden ser polares o no polares. En el primer caso, las moléculas forman pequeños dipolos y es la atracción que se manifiesta entre éstos lo que causa la unión intermolecular. En las moléculas no polares, la unión es debida únicamente a las fuerzas de Vander Waals, que, por ser más débiles, corresponden a compuestos de bajo punto de fusión.
DIMENSIONES
Las dimensiones de la molécula dependen de las características y del número de los átomos que la forman, y pueden ir desde 2,4 ångström (molécula de hidrógeno) hasta longitudes perceptibles a simple vista (moléculas orgánicas o macromoléculas). La masa de las moléculas es extremadamente pequeña, ya que guarda relación con sus dimensiones, lo que hace evidente la necesidad de recurrir a unidades de masa especiales, tales como la molécula gramo o mol, que equivale a la masa de un cuerpo que en estado gaseoso ocupa el mismo volumen que 32 g de oxígeno (dado que la molécula de este elemento consta de dos átomos).
Por su parte, el volumen molecular, volumen ocupado por una molécula gramo de gas a 0 °C y a la presión atmosférica (760 mm de mercurio), es de 22,4 litros. Así, el número de moléculas de que consta una molécula gramo es una constante universal (conocida como «número de Avogadro»), cuyo valor es 0,023 . 1023. Las moléculas se encuentran en constante movimiento, lo que se conoce como vibraciones moleculares (que pueden ser de tensión o de flexión). Sus átomos se mantienen unidos gracias a que comparten o intercambian electrones.
Cabe destacar que las moléculas pueden ser neutras o presentar carga eléctrica. En este último caso, se las denomina Ion-molécula o Ion poliatómico. Cuando dos o más átomos iguales o diferentes se unen entre sí formando una agrupación estable, dan lugar a una molécula. Así, los gases hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) están constituidos por moléculas diatómicas, en las cuales los dos átomos componentes son esencialmente iguales. Cuando dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno se unen forman el agua (H2O). Y cuando cuatro átomos de hidrógeno se enlazan con uno de carbono forman el gas metano (CH4).
FORMACIÓN
Ante la diversidad de elementos químicos existentes en la naturaleza, cabe preguntarse cuál es la razón por la que unos átomos se reúnen formando una molécula y otros no. Una primera respuesta puede hallarse en la tendencia observada en todo sistema físico a alcanzar una condición de mínima energía. Aquella agrupación de átomos que consiga reducir la energía del conjunto dará lugar a una molécula, definiendo una forma de enlace químico que recibe el nombre de enlace covalente. Esta unión química permite que dicho enlace no se disocie con facilidad y de esta manera se forma una molécula.
FORMULAS QUÍMICAS
Las sustancias compuestas se representan mediante una combinación de símbolos químicos de los elementos que las constituyen. Esta forma de representación, introducida por el químico sueco Jöhn J. Berzelius, posee un doble significado, pues no solo indica qué elementos están presentes en un compuesto dado, sino también en qué proporción los átomos respectivos participan en la formación de su molécula.
Cada símbolo en una fórmula química equivale a un átomo de la sustancia simple correspondiente. Los subíndices que pueden aparecer en una fórmula hacen referencia al número de átomos de cada molécula. Si se toma en consideración la masa de los átomos, la fórmula de una combinación química expresa, además, la proporción en masa en la que los elementos intervienen formando una sustancia compuesta dada.
Así, la fórmula del amoníaco, NH3, indica que esta sustancia resulta de la combinación de hidrógeno y nitrógeno a razón de tres átomos de hidrógeno por cada uno de nitrógeno, o, en otros términos, en la proporción de 3 x 1,008 gramos de hidrógeno por cada 1 x 14,007 gramos de nitrógeno. Este tipo de fórmula, llamada también fórmula empírica o molecular, no indica, sin embargo, nada sobre la estructura de la molécula; es decir, sobre la forma en que sus átomos componentes y los enlaces entre ellos se distribuyen en la molécula.
COMPUESTOS QUÍMICOS
Las sustancias que resultan de la unión química de dos o más elementos se denominan compuestos químicos. De esto se infiere que un compuesto va a estar formado por dos o más átomos diferentes. Y que para que un determinado compuesto se pueda formar, los átomos que lo constituyen deben unirse en proporciones fijas y exactas.
Los compuestos se representan a través de una fórmula química. Por ejemplo, la sal común se denomina cloruro de sodio y se forma al unirse un átomo de sodio con un átomo de cloro y por lo tanto, la fórmula química de este compuesto es NaCl.
Otro ejemplo es el caso de la glucosa, cuya fórmula química es C6H12O6. Esto significa que participan seis átomos de carbono, doce átomos de hidrógeno y seis átomos de oxígeno. Si se varía la proporción de átomos se formará un compuesto distinto.
CLASIFICACIÓN
Dependiendo de su composición química, específicamente, de si contienen átomos de carbono (C) o no, los compuestos químicos se pueden clasificar en dos grupos.
Así, existen los compuestos orgánicos, que son todos aquellos en los cuales el componente más importante es el carbono. Este se une con otros elementos, como pueden ser el oxígeno, hidrógeno u otros. La gran mayoría de los compuestos que existen en la naturaleza son orgánicos. Algunos de ellos son:
Celulosa (C6H10O5)n ,
Alcohol etílico o Etanol (CH3CH2OH),
Acetona(CH3COCH3),
Glucosa (C6H12O6),
Éter etílico (CH3CH2-O-CH2CH3),
Sacarosa (C12H22O11).
El otro grupo lo constituyen los Compuestos inorgánicos, que son todos los compuestos formados por distintos elementos, pero cuyo componente principal no es el carbono. Por ejemplo, el agua es igual a H2O, y eso es igual a 2 átomos de hidrógeno más 1 átomo de oxígeno. Otros compuestos inorgánicos son:
Ácido clorhídrico (HCl),
Agua oxigenada o (H2O2),
Salitre (NaNO3),
Bicarbonato de sodio (NaHCO3),
Nitrato de plata (AgNO3),
Ácido nítrico (HNO3)
Anhídrido carbónico o Dióxido de carbono (CO2).
ELECTRICIDAD (Concepto básico)
Los conceptos vinculados a la electricidad son fundamentales en la neurofisiología y para ello nos basaremos en la teoría propuesta por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm.
La ley de ohm es una teoría básica para explicar cómo se comporta la electricidad. Para esto debemos conocer tres conceptos. Corriente, Voltaje y Resistencia. La relación entre estos conceptos es la llamada ley. En este tutorial te explicamos las relaciones básicas con ejemplos y aplicaciones, y también para que sirve. Para esto primero tenemos que analizar los tres términos importantes:
Intensidad o corriente.
Voltaje.
Resistencia.
La definición de estos conceptos es:
Intensidad: Es la circulación de electrones que va de un punto a otro. Su unidad de medición son los amperios.
Voltaje: Es la fuerza que deja a los electrones que puedan tener movimiento a través del material conductor. Su unidad de medición son los voltios.
Resistencia: Es la obstrucción que se le presenta a los electrones dentro de un conducto. Su unidad de medición son los ohmios.
La ley de ohm dice que la intensidad que circula por un conductor de electricidad es directamente suministrada a la variación de voltaje y paralela e inversamente a la resistencia. Su importancia es debido a que en un circuito se puede saber desde antes la forma en que va funcionar antes de conectar. Teniendo en cuenta la información de dos de los tres elementos que se manejan. Las fórmulas para saber con anticipación como funcionara tu circuito son las siguientes:
