Electricidad

Introducción¶

La biología es eléctrica. Desde la estructura del ADN (cargado negativamente) hasta los impulsos nerviosos, las interacciones electrostáticas gobiernan la estructura y función molecular. En esta sesión sentaremos las bases: carga, campo y potencial.

Carga eléctrica ( $q$ )¶

Propiedad fundamental de la materia.

Tipos: Positiva (+) y Negativa (-).
Cuantización: $e = 1.602 \times 10^{-19} \text{ C}$ .
Biotech:
- ADN: Polianión (cargado negativamente por los fosfatos).
- Proteínas: Su carga neta depende del pH del medio (Punto Isoeléctrico).

Ley de Coulomb¶

Describe la fuerza entre dos cargas puntuales.

F = K \frac{|q_1 q_2|}{r^2}

(1)

$K \approx 9 \times 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2/\text{C}^2$ .
Interacción: Cargas iguales se repelen, opuestas se atraen.
En medios biológicos (agua), esta fuerza se reduce drásticamente por la constante dieléctrica del agua ( $\approx 80$ ). Es lo que permite que las sales se disuelvan.

Campo eléctrico ( $\vec{E}$ )¶

Región del espacio donde una carga siente fuerza.

\vec{F} = q \cdot \vec{E}

(2)

🔬 Aplicación: Electroforesis¶

Técnica fundamental para separar biomoléculas.

Se aplica un campo $\vec{E}$ constante.
Las moléculas cargadas (ADN, Proteínas) sienten una fuerza $F_E = qE$ .
Se mueven a través de un gel que ofrece resistencia (fricción $F_d$ ).
Velocidad final: $v = \frac{qE}{f}$ (depende de la carga y la fricción/tamaño).

Fuerza eléctrica sobre ADN

Problema: Un fragmento de ADN tiene una carga neta de $-2000e$ ( $e = 1,6 \times 10^{-19} \text{ C}$ ). Se coloca en una cámara de electroforesis con un campo eléctrico $E = 1500 \text{ N/C}$ (o V/m). Calcule la magnitud de la fuerza eléctrica que impulsa al ADN.

Solución:

F = |q| \cdot E

(3)

Carga total: $q = 2000 \times (1,6 \times 10^{-19}) = 3,2 \times 10^{-16} \text{ C}$ .

F = (3,2 \times 10^{-16} \text{ C})(1500 \text{ N/C})

(4)

F = 4,8 \times 10^{-13} \text{ N}

(5)

Contexto: Esta fuerza parece minúscula, pero para una molécula es enorme. Es suficiente para arrastrarla a través de la densa malla de polímeros del gel.

Potencial eléctrico ( $V$ )¶

Energía potencial por unidad de carga.

Unidad: Volt (V) ( $1 \text{ V} = 1 \text{ J/C}$ ).

Dipolo Eléctrico¶

Dos cargas opuestas separadas por una distancia.

Agua: Es un dipolo permanente. Esto la hace un excelente solvente para iones.
Muchos aminoácidos y hélices alfa tienen momentos dipolares.

Condensadores (Capacitores)¶

Dispositivo para almacenar carga y energía.

Capacitancia ( $C$ ): $C = Q/V$ .
Membrana Celular: Es un condensador biológico. La bicapa lipídica (aislante) separa cargas internas (-) y externas (+), permitiendo a la célula almacenar energía eléctrica para generar impulsos (potenciales de acción).

✍️ Ejercicios propuestos¶

🧪 Actividades¶

Modelado de la membrana celular como un capacitor biológico.

👉 Ir a la actividad

📝 Evaluación¶

Formativa: Resolución de problemas: Interacciones electrostáticas en biomoléculas.

👉 Ir a la evaluación

📚 Referencias¶

[2] Jou Mirabent, D. (2009). Física para ciencias de la vida (2.ª ed.). McGraw-Hill España. https://elibro.net/es/lc/itcr/titulos/50165, Secciones 6.1 a 6.4, pág. 263-278
[3] Ortuño, M. (2019). Física para las ciencias de la vida. Editorial Tébar Flores. https://elibro.net/es/lc/itcr/titulos/124788, Secciones 13.1 a 13.6, pág. 233-246