actividad electrica en plantas

INSTRUMENTACION EN ELECTROFISIOLOGIA CELULAR VEGETAL:
Actividad eléctrica en plantas.
Ing. Javier Chaparro
e-mail : j-chapar@uniandes.edu.co
Enero del 2001
Resumen
Las reacciones metabólicas en los seres
vivos están relacionadas con la
obtención, transporte, almacenamiento
y transformación de energía en los
diferentes tejidos. El interés de este
trabajo
nace en la inquietud de
conocer la transformación de energía
eléctrica a mecánica en las plantas
carnívoras. Con este objetivo se plantea
la construcción de un instrumento para
la medición de la actividad eléctrica de
sus células y tener así un punto de
partida
para
conocer
algunas
condiciones en esta transformación
energética.
Palabras Claves
Electrofisiolgía celular
Membrana celular
Transporte activo
Instrumentación
Plantas carnívoras
1. Introducción
Los trabajos de investigación llevados a
cabo por el Dr. Jorge Reynolds Pombo
han contribuido al conocimiento de
condiciones fisiológicas en el corazón
de algunos mamíferos, incluidos el
hombre, que han sido valiosos para la
investigación en esta área.
Continuando con esta idea, se pretende
conocer un poco más acerca de otro
tipo de tejido contráctil como lo es el
mecanismo dedicado a capturar y
sujetas las presas en las plantas
carnívoras.
El diseño de un instrumento que nos
permita registrar y almacenar las
potenciales de reposos y acción en las
células de estas plantas es un punto de
partida para el estudio.
En la primera parte de este documento
se introducen algunas de las relaciones
establecidas
para
determinar
analíticamente los potenciales en las
células. Se continua con una breve
descripción de los electrodos usados en
el registro de potenciales celulares y la
estimulación de tejidos. La siguiente
sección muestra algunas características
que deben presentar los equipos para el
registro de estos potenciales para
posteriormente terminar con una corta
descripción del instrumento y
la
respuesta de plantas ante estímulos de
calor así como la actividad electrica
propia de estas llevada a cabo en su
proceso metabólico.
1. Electrofisología celular en células
vegetales
La electrofisiología celular es la rama
de fisiología encargada de estudiar la
actividad eléctrica en diferentes
estructuras orgánicas y su respuesta
membrana se pude expresar por medio
de la ecuación de Nernst
ante estímulos eléctricos. La actividad
eléctrica esta relacionada estrechamente
con los procesos metabólicos en los
seres vivos y los iones (átomos con
carga eléctrica no neutra), son los
encargados de transportarla entre los
diferentes elementos constitutivos de
los sistemas biológicos a través de
procesos como el de difusión.
RT
Ce
∆E = −
Ln i
Z*F
C
(1)
En la cual :
R = Constante de los gases
T = Temperatura absoluta
Z = Carga eléctrica el ion
F = Constante de Faraday
Ce = Concentración de partículas en el
exterior de la célula
Ci = Concentración de partículas en el
interior de la célula
Los
procesos
finales
de
la
transformación de energía se realizan
en la célula la cual esta aislada de su
entorno
por
un
membrana
semipermeable que controla el paso de
las sustancias eléctricamente cargadas.
La figura 1 muestra un sección de una
membrana celular así como el proceso
de transporte [2] que se lleva acabo a
través de ella.
Este se puede
microelectrodos
adecuadamente.
medir
usando
diseñados
2. Microelectrodos para el registro
de potenciales celulares
La papel de transductor de los
electrodos queda evidenciado en el
hecho que las corrientes en los tejidos
vivos es ionica y este debe
transformarla en corriente eléctrica para
luego ser procesada y estudiada.
El electrodo usado para tal tipo de
registros es el microelectrodo, que
puede ser metálico o micropipeta. Para
este trabajo se fabrican de los últimos
dada su facilidad de construcción.
En la figura 2 se puede observar una
micropipeta colocada su punta en el
interior de una célula. Su construcción
esta basada en un capilar de vidrio el
cual es calentado y estirado para
obtener
su
fina
punta,
aproximadamente de 1 µm, luego se
Figura 1 : Transporte en membranas
celulares
La diferencia de potencial mediada
entre el interior y el exterior de la
2
coloca un tapón por el otro extremo al
cual está conectado un electrodo
metálico
(plata
generalmente)
preparado con una superficie AgCl
electrolítica. La pipeta es llena con la
solución electrolitica
KCl y
posteriormente sellada.
Los potenciales que se presentan son en
respuesta a la corriente que circula y a
las característica ohmicas y capacitivas
del electrodo.
Figura 3. (a)Estimulación con
corriente constante (b) Estimulación
con voltaje constante.
Figura 2 : Micropipeta y célula de
medición
Este electrodo presenta una alta
impedancia y capacidades (Cd) lo que
provocan un comportamiento de filtro
pasa-bajos [3].
3. Adquisición de datos en la
investigación
de
potenciales
celulares
Para el diseño de circuitos eléctricos
que permitan acondicionar las señales
eléctricas tomadas de tejidos o
específicamente de células es necesario
tener en cuenta que estas son del orden
de micro y milivoltios como es el caso
de las células en algunos vegetales. Los
requerimientos de frecuencia no son
muy relevantes dado que el ancho de
banda ocupada por estas no sobrepasa
los 10KHz, medido desde señal DC.
Un hecho a tener en cuenta es el ruido
que estas señales pueden adquirir de
varias fuentes dado su poca amplitud.
Los electrodos utilizados cuando se
quiere estimular al tejido eléctricamente
son los mismos, lo que cambia es el
modelo matemático dispuesto para los
primeros ya que en ellos no hay
corriente neta atravesando la interface
electrodo-electrolito mientras que en
los segundos temporalmente si la hay.
Los tipos de pulsos para estimulación
son los mostrados en la figura 3 :
Pulsos de corriente constante y voltaje
constante. En esta misma también se
advierten la respuesta de los electrodos
ante el paso de corriente en la interface.
3
electrodo principal y el de referencia.
Fue implementado con un integrado
INA104 fabricado por Burr-Brown con
ajuste
de
offset
de
entrada
principalmente para corregir errores
offset del sensor y el preamplificador.
La ganancia es ajustable externamente
para tener la posibilidad de registrar
señales con otras características.
Otro factor a tener importante es el
acoplamiento de los sensores con el
circuito ya que como sucede en este
caso la impedancia del electrodo es
muy elevada .
4. Instrumento para la medición de
potenciales celulares.
La figura 4 muestra las diferentes partes
del equipo propuesto para esta
medición. En ella se pueden identificar
las siguientes partes :
Filtro : Este fue implementado usando
una configuración Butterworth en
configuraciones pasa-bajos y pasa-altos.
La frecuencia de corte para el
primer pasa-bajos fue de 55Hz,
mientras que para el pasa-altos se fijo
Preamplificador : Encargado de acoplar
y transportar la señal de los
miocroelectrodos
desde la para
planta,
ó
ende66la Hz.
Estas dos
señales
se sumaron
Figura 4 : Instrumento
la medición
actividad
eléctrica
en células
tejido en micropreparación en caso de
y formaron un filtro que rechaza la
mediciones propiamente en el interior y
banda entre 55 y 66 Hz. Este filtro
exterior de la célula, hasta el
presento mejor desempeño que un filtro
Notch. El último filtro pasa-bajos esta
amplificador de instrumentación. Este
dispuesto a la salida del sumador y su
circuito es un seguidor de voltaje
frecuencia de corte es de 16Khz. La
implementado con un integrado
ganancia del filtro completo es de 0dB.
LF353N dado principalmente su alta
12
impedancia de entrada 10 Ω. Estos
Tarjeta de adquisición de datos : Se
preamplificadores se conectan lo mas
utilizo la tarjeta LabPC+ de National
cerca posible a los microeletrodos.
Instruments dispuesta en modo RSE y
dos canales con frecuencia de muestreo
Amplificador de Instrumentación : Su
ajustable.
papel principal es amplificar la
diferencia de potencial entre el
4
Software : Se empleo Labview versión
3.11, también de National Instruments,
para implementar un instrumento
virtual que permitiera adquirir,
visualizar y almacenar la señal de los
dos canales dispuestos en la tarjeta de
adquisición.
5. Respuesta electríca en vegetales
Los registros que se van a presentar no
son utilizando los electrodos sobre un
tejido en micropreparación y con la
disposición de un microscopio para su
ubicación, estos son colocados de
acuerdo a la figura 5.
Generador de estímulos : Este circuito
genera estímulos a voltaje constante
con ajuste de periodo y amplitud desde
el panel frontal del hardware. Esta
basado en un circuito astable con
control de periodo y duración del pulso.
Electrodos : Estos fueron construidos
con capilares de vidrio pirex, electrodos
de cobre con recubrimiento de plata y
cloruro de potasio como electrolito.
Otras conexiones : Las conexiones
entre el preamplificador-hardware , el
hardware-tarjeta
de adquisición y
hardware- electrodo de estimulación se
realizaron con cable apantallado y
dicho apantallamiento conectado con la
carcaza de hardware y del computador.
Esto último fue necesario ya que el
lugar de pruebas no contaba con
conexión de polo a tierra.
Figura 5 : Disposición de los
microelectrodos en la planta
El circuito fue alimentado con una
fuente DC dual de + 9 voltios elaborada
en base a los integrados LM7908 y
LM7909. Estos rangos se seleccionaron
con el propósito de remplazarla por un
pilas alcalinas posteriormente.
Figura 6 : Respuesta de una planta
carnívora a estímulos de calor.
La figura 6 muestra las repuesta de los
tejidos de la planta ante estímulos de
calor en las hojas recogidos en el
electrodo de registro.
Las pruebas de desempeño del equipo
se hicieron con un generador de pulsos
cardiacos que entrega una señal con
voltajes muy pequeños ( del orden de
milivoltios) pero bien caracterizados.
Usando el equipo de instumentación se
registraron los potenciales propios del
5
metabolismo de la planta ornamental
Bellelena Nueva Ginea. La figura 7
muestra los potenciales registrados :
•
•
Figura 7 : Pulso característico en el
metabolismo de un Bellelena Nueva
Guinea.
•
Se puede ver que la señal presenta un
patrón bien caracterizado con un
periodo de alrededor de 2 minutos. El
periodo no se puede observar en la
gráfica pero si en otra mediciones
realizadas que no se muestran en este
trabajo.
•
6. Conclusiones
• Se diseño e implemento un sistema
para el registro de la actividad
eléctrica en plantas , pero a pesar de
su buen rendimiento son necesarias
protecciones contra interferencia
electromagnética tales como cámaras
de Faraday y otras contra vibraciones
mecánicas.
• Se
obtuvieron
registros
de
potenciales
característicos
del
metabolismo de la planta Bellelena
Nueva Guinea cuya amplitud y
frecuencia
depende
de
las
condiciones
ambientales
y
nutricionales de la plata.
El
caracterizar completamente estas
señales escapa de los alcances de
este trabajo.
• Durante los trabajos de registro de
potenciales se pudo comprobar que a
los vegetales de poco tamaño les es
dañino (mortal) el aplicarles pulsos
de estimulación con alta frecuencia y
duración mayor a a 10ms.
El filtraje de señales de alta
frecuencia (mayores a 16KHz en
este caso) elimina muchas señales no
deseadas.
Este equipo es aplicable para
cualquier aplicación de medición de
pequeñas diferencias de potencial
eléctrico.
Un problema relevante presentado
fue el manejo del ruido que adquiría
el equipo al no contar con un
sistema de puesta a tierra adecuado.
Este se soluciono conectando las
carcazas del equipo y el computador.
Los electrodos tipo micropipeta son
muy adecuados para la medición de
estos potenciales sin embargo su
manejo es dispendioso ya que
cualquier descuido puede causar
daños o taponamiento en su fina
punta.
7. Referencias
[1] Chaparro Javier. “Instrumentación
para el estudio de tejidos vivos de
contracción rápida”. Tesis universidad
de los Andes. 2001
[2] Smith, C. WOOD, E. Energía en
los sistemas biológicos. AddisonWesley. 1998
[3]WILCHES,Mauricio. Bioingeneiria
Tomo IV. Universidad de Antioquía.
1999
[4] U.LUTTGE, M. KLUGE m.
Botánica. McGraw-Hill. 1993
[5] STEIN, Wilfred. Channels, Carriers
and Pumps. Academic Press Inc. 1990
[6] SAWYER, Clair. McCarty, Perry.
Chemestry
for
enviromental
engeneering. McGraw-Hill. 1994
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8. Autor
Javier Alberto Chaparro, tesista de la
Maestría en ingeniería eléctrica de la
Universidad de Los Andes. Ingeniero
Electrónico
y
Especialista
en
Automatización Industrial de la
Universidad Pedagógica y Tecnológica
de Colombia. Areas de interés
bioingeniería, control automático y
comunicaciones.
Actualmente
es
profesor universitario
e-mail : j-chapar@starmedia.com
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