Recopilacion bibliografica biofisica 1

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Unidad 1

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  • 1. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 1CONCEPTOS BÁSICOS DE MATERIA Y ENERGÍA:MATERIA:Todo lo que nos rodea, incluidos nosotros mismos, está formado por uncomponente común: la materia. Normalmente, para referirnos a los objetosusamos términos como materia, masa, peso, volumen. Para clarificar losconceptos, digamos que:Materia es todo lo que tiiene masa y ocupa un lugar en el espacio;Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo;Volumen es el espacio ocupado por la masaCuerpo es una porción limitada de materiaEstados físicos de la materiaEn términos conceptuales, materia se puede definir como cualquier sustancia queposee masa y ocupa un lugar en el espacio (volumen); la cual como cualquier otrocomponente de la naturaleza reacciona a factores ambientales como la presión yla temperatura, manifestándose en tres estados: Gaseoso. Líquido. Sólido.Estos estados obedecen fundamentalmente a la energía cinética o energía demovimiento de las moléculas que conforman dicha materia y a la forma deagregación de las mismas.Los estados dela materiadependen deFactores delambiente comopresión ytemperatura.
  • 2. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 2Estados de la materia en relación a cambios de la temperatura del ambienteLos diferentes estados de lamateria se caracterizan por laenergía cinética de las moléculasy los espacios existentes entreestas.Estados de la materia en relación a cambios de la energía cinética de lasmoléculasCada uno de los estados le confiere a la materia características propias, a pesarde no cambiar su composición.La figura siguiente complementa los conceptos aquí formulados, obsérvelohaciendo énfasis en las relaciones y diferentes vías existentes:
  • 3. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 3Los estados de la materia: efecto de las condiciones del medioAunque la materia en sus diferentes estados, no varía en su composición, puedevariar en sus característicasPrincipales Características de los estados de la materiaSÓLIDOS LÍQUIDOS GASESPoseen forma definida.No poseen forma definida, porlo tanto adoptan la forma delrecipiente que los contiene.No poseen forma definida, porlo tanto adoptan la forma delrecipiente que los contiene.Poseen volumen fijo. Poseen volumen fijo. Poseen volumen variable.Baja compresibilidad. Compresión limitada. Alta Compresibilidad.EnergíaEl movimiento de los constituyentes de la materia, los cambios químicos y físicos yla formación de nuevas sustancias se originan gracias a cambios en la energía delsistema; conceptualmente, la energía es la capacidad para realizar un trabajo otransferir calor; laenergía a su vez sepresenta como energíacalórica, energíamecánica, energíaquímica, energía eléctricay energía radiante; estostipos de energía puedenser además potencial ocinética. La energíapotencial es la que poseeuna sustancia debido a suposición espacial ocomposición química y laenergía cinética es la queposee una sustanciadebido a su movimiento.Tipos de energíaManifestaciones de la energía
  • 4. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 4Energía Mecánica: El movimiento de lashélices del molino de viento es transferido a unsistema mecánico de piñones, para producirenergía eléctrica o lograr la ascensión de aguade un pozo subterráneoEnergía Calórica o radiante: El calor o la luzemitida desde el sol es aprovechada por lasplantas para producir energía química en formade carbohidratos.Energía Eléctrica: El movimiento de electroneslibres, produce la energía eléctrica, usada parahacer funcionar electrodomésticos, trenes, yartefactos industriales.Energía Química: La combustión dehidrocarburos como el petróleo, liberan grancantidad de energía.NOCIONES DE TERMODINÁMICA:La termodinámica (del griego termo, que significa "calor" y dinámico, quesignifica "fuerza") es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionadoscon el calor.Estudia los intercambios de energía térmica entre sistemas y los fenómenosmecánicos y químicos que implican tales intercambios. En particular, estudia losfenómenos en los que existe transformación de energía mecánica en térmica oviceversa.Cuando la energía (mecánica, térmica, eléctrica, química…) se transforma de unaforma a otra, siempre hay una cantidad que se convierte en calor.Es importante saber que la termodinámica estudia los sistemas que se encuentranen equilibrio. Esto significa que las propiedades del sistema —típicamente la
  • 5. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 5presión, la temperatura, el volumen y la masa, que se conocen como variablestermodinámicas— son constantes.El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicasson las leyes de la termodinámica, que postulan que la energía puede serintercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. También sepostula la existencia de una magnitud llamada entropía, que puede ser definidapara cualquier sistema.Las Leyes Termodinámicas pueden expresarse de la siguiente manera:Primera Ley de la TermodinámicaEsta primera ley, y la más importante de todas, también conocida como principiode conservación de la energía, dice: "La energía no puede ser creada nidestruida, sólo puede transformarse de un tipo de energía en otro".La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, y loidentifica como una forma de energía. Puede convertirse en trabajo mecánico yalmacenarse, pero no es una sustancia material.Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se medía enunidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en julios, erancompletamente equivalentes. Una caloría equivale a 4,186 julios.Segunda Ley de la TermodinámicaLa segunda ley dice que "solamente se puede realizar un trabajo mediante elpaso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menortemperatura". Al respecto, siempre se observa que el calor pasaespontáneamente de los cuerpos calientes a los fríos hasta quedar a la mismatemperatura.La segunda ley de la termodinámica da, además, una definición precisa de unapropiedad llamada entropía (fracción de energía de un sistema que no es posibleconvertir en trabajo).Para entenderla, la entropía puede considerarse como una medida de lo próximo ono que se halla un sistema al equilibrio; también puede considerarse como unamedida del desorden (espacial y térmico) del sistema.Pues bien, esta segunda ley afirma que "la entropía, o sea, el desorden, de unsistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aisladoalcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentarcambios: ha alcanzado el equilibrio".Como la entropía nunca puede disminuir, la naturaleza parece pues "preferir"’ eldesorden y el caos. Puede demostrarse que el segundo principio implica que, si no
  • 6. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 6se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperaturamás baja a una región de temperatura más alta.Tercera Ley de la TermodinámicaEl tercer principio de la termodinámica afirma que "el cero absolutono puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de unnúmero finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente alcero absoluto, pero nunca se puede llegar a él".El cero absoluto implicaría falta total de movimiento atómico.Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólogeneralizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos,pero inaplicables a nivel cuántico.Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía,es una de las más sólidas y universales de las leyes de la naturaleza descubiertashasta ahora por la ciencia.CalorEl calor es una cantidad de energía y es una expresióndel movimiento de las moléculas que componen uncuerpo.Cuando el calor entra en un cuerpo se producecalentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso losobjetos más fríos poseen algo de calor porque susátomos se están moviendo. Al aplicar calor, sube la temperaturaCÓMO SE TRASMITE EL CALORCONDUCCIÓN: La conducción tiene lugar cuando dosobjetos a diferentes temperaturas entran en contacto. Elcalor fluye desde el objeto más caliente hasta más frío,hasta que los dos objetos alcanzan a la mismatemperatura.
  • 7. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 7Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras. Los sólidos son mejoresconductores que los líquidos y éstos mejor que los gases. Los metales son muybuenos conductores de calor, mientras que el aire es muy mal conductor.Puede experimentar como el calor se transfiere por conducción siempre que tocaalgo que está más caliente o más frío que su piel, por ejemplo cuando se lava lasmanos en agua caliente o fría.CONVECCIÓN: En líquidos y gases la convección es usualmente la forma máseficiente de transferir calor. La conveccióntiene lugar cuando áreas de fluido calienteascienden hacia las regiones de fluido frío.Cuando esto ocurre, el fluido frío desciendetomando el lugar del fluido caliente queascendió. Este ciclo da lugar a una continuacirculación en que el calor se transfiere a lasregiones frías.Se puede ver como tiene lugar la conveccióncuando hierve agua en una olla. Las burbujasson las regiones calientes deagua que ascienden hacia lasregiones más frías de lasuperficie. Probablemente ustedeste familiarizado con laexpresión: "el aire caliente sube yel frío baja" - que es unadescripción de el fenómeno de convección en la atmósfera. El calor en este casose transfiere por la circulación del aire.RADIACIÓN: Tanto la conducción como la convección requieren la presencia demateria para transferir calor. La radiación es un método de transferencia de calorque no precisa de contacto entre la fuente y el receptor del calor. por ejemplo,podemos sentir el calor del Sol aunque nopodemos tocarlo.
  • 8. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 8El calor se puede transferir a través del espacio vacío en forma de radiacióntérmica. Esta, conocida también como radiación infrarroja, es un tipo de radiaciónelectromagnética (o luz).La radiación es por tanto un tipo de transporte de calor que consiste en lapropagación de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. No seproduce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio.Los objetos emiten radiación cuando electrones en niveles de energía altos caen aniveles de energía bajos. La energía que se pierde es emitida en forma de luz oradiación electromagnética. La energía absorbida por los átomos hace que suselectrones "salten" a niveles de energía superiores.Todos los objetos absorben y emiten radiación. Cuando la absorción de energíaestá equilibrada con la emisión, la temperatura del objeto permanece constante. Sila absorción de energía domina, la temperatura del objeto aumenta, si la emisióndomina, la temperatura disminuye.¿Cómo se mide el calor?El calor es susceptible de medir; lo que se efectúa teniendo en cuenta dosmagnitudes fundamentales: intensidad de calor y cantidad de calor.1- La intensidad de calor está relacionada con la velocidad del movimientomolecular estableciéndose para medirla una práctica que da una idea del grado onivel del calor que tiene un cuerpo determinado. Arbitrariamente se fijanparámetros comparativos que permiten determinar dicho nivel de calor, al que sedenomina temperatura. Se dice que un cuerpo con gran velocidad molecular tienemás temperatura o más nivel de calor que otro.2- La cantidad de calor de un cuerpo representa la suma de las energíastérmicas de todas las moléculas que lo componen. Es decir que mientras laintensidad de calor o temperatura indica el grado de movimiento molecular o elnivel de calor de un cuerpo, esta magnitud señala su contenido total de calor.La Temperatura (t)Los átomos y moléculas en una sustancia no siempre se mueven a la mismavelocidad. Esto significa que hay un rango de energía (energía de movimiento) enlas moléculas.
  • 9. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 9La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calorque este contiene o puede rendir).Diferencias entre calor y temperaturaEl calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia,mientras temperatura es una medida de la energía molecular media.El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño ysu tipo. En cambio la temperatura es independiente del tamaño, delnúmero o del tipo de particulas.El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Siañadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperaturadisminuye.Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se estánmoviendo, vibrando y rotando con mayor energía, es decir cuando tienenmayor calor.La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calorsí es energíaPor ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamaño, latemperatura alcanzada es la misma para los dos, 100° C, pero el que tiene másagua posee mayor cantidad de calor.El calor es lo quehace que latemperatura aumenteo disminuya. Siañadimos calor, latemperatura aumenta.Si quitamos calor, latemperaturadisminuye.La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí esenergía.Misma temperatura, distinta cantidad de calor.
  • 10. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 10¿Cómo se mide la temperatura?Escalas termométricasA principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escalaFahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperaturade 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su escala está ancladaen estos dos puntos.Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escalaCelsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto decongelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usaen la mayoría de los paises y en todas las aplicaciones científicasComo se muestra en la tabla 1.2, el kelvin es la unidad fundamental SI de latemperatura; es la escala de temperatura absoluta. El término temperaturaabsoluta significa que el cero en la escala Kelvin, denotado por 0 ºK, es latemperatura teórica más baja que puede obtenerse. Por otro lado, 0°C y 0°F sebasan en el comportamiento de una sustancia elegida de manera arbitraria, elagua. En la figura 1.10 se comparan las tres escalas de temperatura.
  • 11. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 11El tamaño de un grado en la escala Fahrenheit es de sólo 100/180, o sea, 5/9 deun grado en la escala Celsius. Para convertir grados Fahrenheit a grados Celsius,se debe aplicar la siguiente ecuación:Para convertir grados Celsius a grados Fahrenheit :Tanto la escala Celsius como la Kelvin tienen unidades de igual magnitud; esdecir, un grado Celsius equivale a un grado kelvin. Los datos experimentales handemostrado que el cero absoluto en la escala Kelvin equivale a -273.15°C en laescala Celsius. Entonces, para convertir grados Celsius a grados kelvin se utilizala siguiente ecuación:A menudo será necesario hacer conversiones entre grados Celsius y gradosFahrenheit, y entre grados Celsius y kelvin. Estas conversiones se ilustran con elsiguiente ejemplo.
  • 12. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 12Termómetro clínicoEs el termómetro que el médico usa paratomar la temperatura de un enfermo. Cerca delbulbo tiene una estrangulación, que no impideque el mercurio pase por ella cuando la tempe-ratura sube. Pero cuando la temperatura baja,el mercurio no puede pasar al bulbo, quedandoregistrada a no se la máxima temperaturaalcanzada. Sacudiendo el termómetro seconsigue que el mercurio vuelva al bulbo.En la actualidad la Academia Estadounidensede Pediatría (American Academy of Pediatrics,AAP ) desaconseja el uso de estos termómetros dado que el vidrio puede romperse yel mercurio es tóxico.Los termómetros electrónicos se utilizan y se recomiendan con más frecuencia. Latemperatura aparece en un lector digital. Se deben seguir las instrucciones quevienen con el termómetro. Los termómetros de sonda electrónicos se puedencolocar en la boca, el recto o la axila.Los termómetros de tira plástica cambian de color para indicar la temperatura y esel método menos preciso. Se coloca la cinta o tira plástica en la frente y se leedespués de un minuto, mientras está puesta allí. También hay disponibilidad deestos termómetros para tomar la temperatura en la boca.Siempre se debe limpiar el termómetro antes de usarlo. Se puede usar aguajabonosa y fresca o alcohol antiséptico. Si se está utilizando un termómetro devidrio, antes de tomar la medida de temperatura se debe tomar el extremo opuestoal bulbo y sacudir el termómetro hacia abajo hasta leer 35° C (95° F) o menos quese marca en las líneas sobre el termómetro.
  • 13. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 13Otras Sustancias TermométricasCuando se construye un termómetro, hay que tener en cuenta qué temperaturasse van a medir con él. Un termómetro de mercurio no puede usarse paratemperaturas inferiores a - 39° C, porque a esa temperatura el mercurio pasa a sersólido. Tampoco a temperaturas superiores a 357° C, porque a ella el mercuriohierve. De manera que esas temperaturas constituyen los límites dentro de loscuales se puede usar un termómetro de mercurio.Para medir temperaturas inferiores a - 39° C, es común usar termómetros dealcohol, pues éste solidifica a -110° C. Pero hierve a 76° C. También se usa toluol,cuyos límites son -100° C y 110° C, respectivamente.Sustancia Temperatura deCongelación (ºC)Temperatura de Evaporación(ºC)Mercurio -39 357Alcohol -110 -39Toluol -100 110
  • 14. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 14Otros termómetrosGeneralmente se atribuye a Galileo la invención del primer termómetro, al quellamó termoscopio, aunque algunos creen que la idea fue dada por Herón, célebreinventor griego. Galileo resolvió el problema de inventar un termómetro con unaparato que funcionaba aprovechando la dilatación del aire, al aumentar latemperatura. La idea, pues, es la misma que la del termómetro de mercurio:comparando variaciones de volumen se pueden comparar temperaturas.Pero el volumen es sólo una de las características de los cuerpos, que cambia conla temperatura. Existen termómetros eléctricos, en los que se aprovecha lapropiedad que tienen los cuerpos conductores de la electricidad de variar suresistencia con la temperatura; termómetros ópticos, llamados pirómetros, que sebasan en los cambios de color producidos con las variaciones de temperatura,etcétera.LA CANTIDAD DE CALOR (q)La cantidad de energía cedida o ganada por una sustancia se mide en calorías ojoules.Una caloría (cal) es igual a la cantidad de calor necesario para elevar de 14,5oC a15,5oC 1 gramo de agua. Como factor de conversión diremos que una caloríaequivale a 4,184 joules.1 cal = 4,184 JEs necesario diferenciar la caloría utilizada como herramienta de medición de laenergía calórica en química, de la caloría utilizada en nutrición, ya que la caloríacontenida en los alimentos (Cal) o gran caloría, equivale a 1.000 calorías o 1Kilocaloría (Kcal).
  • 15. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 152 cubos de azúcar ( 10 g), contienen37,5 Cal nutricionales, lo que equivalea 37,5 Kcal, 37.500 cal químicas y156.900 j.Calor especifico¿Has sentido que unas sustancias se calientan con mayor rapidez que otras?, elcalor especifico se relaciona con ello;El calor específico es la cantidad de calor necesario para elevar la temperaturade una sustancia determinada; desde el punto de vista químico, es la cantidad decalorías requeridas para elevar en un grado centígrado la temperatura de ungramo de una sustancia, o es el número de joules requeridos para elevar en ungrado kelvin la temperatura de un kg de una sustancia.Calor Específico del agua: 1 cal/g oCEste valor significa que para elevar 1grado centígrado la temperatura de 1 gde agua, se requiere 1 caloría.Calor Especifico del Aluminio: 0,217cal/g oCEste valor significa que para elevar 1grado centígrado la temperatura de 1 gde Aluminio se requieren 0,217calorías.Valores comparativos del calor específico del agua en estado líquido y el aluminio en estado sólido.
  • 16. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 16Cantidad de Calor:De la definición de calor específico resulta la cantidad de calor que un cuerporecibe o cede se calcula multiplicando el calor específico (c) por la masa (m) y porla variación de temperatura (∆t).Q = m . ce . (Tf – Ti)Las transformaciones de energía en los organismos vivos:El metabolismoEtimológicamente el origen de la palabra metabolismo procede del griego“metabolé” que significa cambio, transformación.El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas común en todos losseres vivos, que ocurren en el interior de las células, para la obtención eintercambio de materia y energía con el medio ambiente y síntesis demacromoléculas a partir de compuestos sencillos con el objetivo de mantener losprocesos vitales y la homeostasis.Los objetivos del metabolismo son:Obtención de energía química que es almacenada en los enlaces químicosfosfato del ATP.Construcción o síntesis de materia orgánica propia a partir de la energía yde las moléculas obtenidas del medio ambiente. Esta materia orgánicaalmacena gran cantidad de energía en sus enlaces.Destrucción o degradación de estas moléculas para obtener la energía quecontienen.Tradicionalmente se ha separado el metabolismo en anabolismo ycatabolismo, según la necesidad o producción de energía respectivamente,siendo los dos procesosinterrelacionados.En conjunto, las reacciones catabólicas sonexergónicas, es decir, producen más energíade la que consumen. En contraste, lasreacciones anabólicas son endergónicas, puesconsumen más energía de la que generan.
  • 17. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 17La molécula que participa con mayor frecuencia en los intercambios de energía encélulas vivas es el ATP (Adenosintrifosfato), que acopla las reaccionescatabólicas que liberan energía a las anabólicas que la necesitan.Las reacciones metabólicas que se llevan a cabo dependen de la enzima que seactive en una célula específica en un momento particular, a menudo, lasreacciones catabólicas se realizan en un compartimiento de una célula, porejemplo, la mitocondria, en tanto que las de síntesis ocurren en otro sitio, como elretículo endoplásmico.Una molécula sintetizada en una reacción anabólica tiene una vida limitada. Conpocas excepciones, finalmente se desintegra y sus átomos componentes sereciclan en otras moléculas o se excretan del cuerpo. El reciclamiento de mo-léculas biológicas ocurre continuamente en los tejidos vivos, en unos con rapidez yen otros lentamente. Las células individuales pueden ser restauradas molécula amolécula o se puede reconstruir todo un tejido célula por célula.Definición de Catabolismo y AnabolismoSe llama Catabolismo a las reacciones químicas por medio de las cuales lasmoléculas orgánicas complejas se descomponen en otras más simples. Dichasreacciones liberan la energía química almacenada en esas moléculas orgánicas.En la glucólisis, el ciclo de Krebs la cadena de transporte de electrones tienenlugar grupos importantes de reacciones catabólicas.Las reacciones químicas que combinan moléculas simples y monómeros paraformar los complejos elementos estructurales y funcionales se conocen enconjunto como Anabolismo. Entre los ejemplos de este tipo de reacciones están,la formación de enlaces peptídico entre aminoácidos durante la síntesis deproteínas, la integración de ácidos grasos en los fosfolípidos que forman lasbicapas de la membrana plasmática y la unión de monómeros de glucosa paraformar el glucógeno.Acoplamiento del Catabolismo y el Anabolismo por el ATPLas reacciones químicas de los sistemas vivos dependen de la transferencia decantidades adecuadas de energía de una molécula a otra.De éstas, la que con mayor frecuencia ejecuta dicha tarea es el ATP, queconstituye la fuente de energía fundamental de una célula viva y siempre estádisponible para que se lleven a cabo actividades celulares; se gasta y reconstituyeuna y otra vez.Una célula típica posee alrededor de mil millones de moléculas de ATP, cada unade las cuales, de manera característica, dura menos de un minuto antes de serutilizada. Por tanto, es ta molécula no es una forma de energía que se puedaalmacenar por largo plazo, sino que se puede usar en todo momento.
  • 18. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 18La figura 25.1 muestra la manera en que el ATP vincula las reacciones anabólicas y catabólicas.Cuando el grupo fosfato terminal se desprende del ATP en las reacciones anabólicas, se formatanto difosfato de adenosina (ADP) como un grupo fosfato (simbolizado por una “P”). Parte de laenergía liberada se usa para generar reacciones anabólicas como la formación de glucógeno apartir de glucosa. Subsecuentemente, la energía de las moléculas complejas se emplea enreacciones catabólicas para combinar ADP con un grupo fosfato y resintetizar ATP.Alrededor de 40% de la energía liberada en el catabolismo se emplea en lasfunciones celulares; el resto se convierte en calor, parte del cual ayuda a mantenerla temperatura normal del cuerpo. El exceso de calor se pierde en el ambiente.Si se compara con las máquinas, que de manera característica sólo convierten de10 a 20% de la energía en trabajo, se puede deducir que la eficiencia de 40% delmetabolismo corporal essorprendente. No obstante, elcuerpo tiene necesidad continuade captar y procesar energía defuentes externas para que lascélulas puedan sintetizarsuficiente ATP para mantener lavida.
  • 19. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 19El hombre como sistema Termodinámico. Calor y Balance Energético.Desde el punto de vista energético, cualquier ser vivo y, por ende, cualquierhumano se puede comparar a una máquina que ha de seguir rigurosamente losprincipios físicos de la Termodinámica: ni se crea ni se destruye la energía,simplemente se transforma. Por ello, el esfuerzo realizado en cualquier actividadfísica es cuantificable en términos de energía (Kilocalorías o Kilojulios), y esaenergía ha de proceder de las reservas energéticas del individuo, que no sonilimitadas ni en cantidad ni en la velocidad de su disposiciónEl cuerpo produce más o menos calor según el índice de las reaccionesmetabólicas. La homeostasis de la temperatura corporal sólo puede mantenerseSe produce anivel del sistemadigestivoSe produce anivel delcitoplasma celularSe produce anivel de lasmitocondrias
  • 20. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 20si el índice de pérdida de calor del cuerpo es igual al índice de producción de calormetabólico. Por tanto, es importante entender cómo se pierde, gana o conserva elcalor.Índice Metabólico.La velocidad total a la cual las reacciones metabólicas usan energía se denominaIndice Metabólico.Una parte de la energía se emplea para producir ATP y otra se libera como calor,que es una forma de energía cinética, la cual puede medirse como temperatura yexpresarse en unidades llamadas calorías.Como la caloría es una unidad relativamente pequeña, a menudo se usa lakilocaloría (Kcal = mil calorías.) o caloría (Cal), representada con una “C”mayúscula. Es usada para medir el índice metabólico del cuerpo y expresar elcontenido energético de los alimentos.Dado que muchos factores afectan el índice metabólico, se debe medir encondiciones estándares, con el cuerpo en reposo y ayuno, lo que se denomina elEstado Basal.La medición que se obtiene es el Índice Metabólico Basal (IMB). La manera máscomún de determinar el IMB consiste en medir la cantidad de oxígeno que seconsume por kilocaloría de alimento metabolizada. Cuando el cuerpo usa 1 litro deoxígeno para oxidar una mezcla típica de triglicéridos, carbohidratos y proteínasde la dieta, se liberan alrededor de 4.8 Cal de energía.El IMB es 1200 a 1800 Cal/día en adultos, o cerca de 24 Cal/kg de masa corporalen varones adultos y 22 Cal/kg en mujeres adultas.La adición de las calorías necesarias para realizar las actividades diarias, comodigestión y caminata, va desde 500 Cal para una persona de talla pequeña ysedentaria hasta más de 3000 Cal para una persona que se entrena.En síntesis:
  • 21. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 21Homeostasis de la temperatura CorporalLa homeostasis es el estado de equilibrio que guarda el ambiente corporalinterno y que se debe a la incesante interacción entre todos los procesosreguladores del cuerpo.Constituye una condición dinámica, que responde a las circunstancias cambiantes;el punto de equilibrio corporal puede modificarse dentro de límites estrechoscompatibles con el mantenimiento de la vida.No obstante las amplias fluctuaciones en la temperatura ambiental, losmecanismos homeostásicos pueden mantener un intervalo normal de temperaturainterna del cuerpo. Si el índice de la producción del calor corporal es igual al índicede pérdida de calor, el organismo mantiene una temperatura central constantecercana a 37 °C (93.6 °F).La temperatura central es la que tiene el cuerpo en las estructuras profundas y enlos tejidos subcutáneos. La temperatura de la corteza corresponde a la superficiedel cuerpo (en la piel y la capa subcutánea). Dependiendo de la temperaturaambiental, la temperatura de corteza es de 1 a 6 °C menor que la central. Latemperatura central demasiado alta causa la muerte al desnaturalizar las proteínasdel cuerpo, en tanto que la temperatura central demasiado baja ocasiona arritmiascardiacas mortales.Producción de calorLa producción de calor del cuerpo es proporcional al índice metabólico el cual seve afectado por varios factores. Estos mismos también influyen de maneraindirecta sobreel índice de producción de calor: Ejercicio. Durante la actividad física extrema, el índice metabólico puedeaumentar hasta 15 veces la tasa basal. En atletas de alto rendimiento,dicho índice se incrementa hasta 20 veces. Hormonas. Las hormonas tiroideas (tíroxina y triyodotironina) son losprincipales reguladores del IMB, el cual se incrementa conforme se elevanlos niveles de esta hormona. Sin embargo, la respuesta a los cambios deconcentración de hormonas tiroideas es lenta, tarda varios días enaparecer. En parte incrementan el IMB al estimular la respiración celularaerobia. Puesto que las células usan más oxígeno para producir ATP, sedesprende más calor, y la temperatura del cuerpo se eleva. Otras hormonastienen menor efecto sobre el IMB. La testosterona, la insulina y la hormonadel crecimiento humano pueden aumentar el índice metabólico de 5 a 15por ciento.
  • 22. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 22 Sistema nervioso. Al hacer el ejercicio o en situaciones de estrés, seestimula la división simpática del sistema nervioso autónomo. Sus neuronaspostganglionares liberan noradrenalina (NA), que a su vez estimula a lamédula suprarrenal que libera adrenalina y noradrenalina. Ambasincrementan el índice metabólico de las células del cuerpo. Temperatura corporal. Cuanto más alta sea la temperatura del cuerpo,mayor será el índice metabólico. Por cada grado que aumenta latemperatura central se incrementa el índice de las reacciones bioquímicasen casi 10%. Por tal razón, cuando una persona tiene fiebre, se incrementasignificativamente su índice metabólico. Ingestión de alimentos. Puede elevar el índice metabólico en 10 a 20%.Este efecto denominado termogénesis inducida por alimentos es mayordespués de comer platillos con alto contenido de proteína y es menor luegode ingerir carbohidratos y lípidos. Edad. El índice metabólico de un niño, en relación con su talla, es alrededordel doble de la de un anciano debido a la elevada frecuencia de reaccionesque se relacionan con el crecimiento. Factores diversos. Otras variables que afectan el índice metabólico songénero (menor en mujeres, excepto durante el embarazo y la lactancia),clima (más bajo en regiones tropicales), sueño (menor) y malnutrición (másbaja).Termoregulación:¿Qué son los animales homeotermos y poiquilotermos? Los Homeotermos son un conjunto de animales capaces de regular sutemperatura corporal, de manera automática, consumiendo energíaquímica, procedente de los alimentos.Los mamíferos y las aves son los dos grandes grupos animales queposeen esta característica, aunque también existen algunas especiesde tiburones con este mecanismo termorregulador.Gracias al autoabastecimiento de calor, los homeotermos puedensobrevivir en las condiciones de frío más adversas como es el casode los pingüinos.Cuando la temperatura ambiente es elevada, el mecanismo determorregulación de los homeotermos baja para ahorrar energía.
  • 23. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 23 Los poiquilotermos son animales que no son capaces de mantener sutemperatura constante sino que dependen de la temperatura externa.Los peces, reptiles y anfibios son los animales que poseen estacaracterística.Un ejemplo de esto lo tenemos en los reptiles, que pasan largashoras al sol para conseguir la temperatura necesaria para que sumetabolismo funcione.Como los poiquilotermos no gastan energía al no producir calor,pueden estar largos periodos sin alimentarse. Por ejemplo, unaserpiente puede estar meses sin comer, mientras que un mamíferonecesita alimentarse diariamenteTermostato Hipotalámico y TermorregulaciónEl centro de control que funciona como termostato del cuerpo es un grupo deneuronas en la parte anterior del hipotálamo, la región preóptica. Esta árearecibe impulsos de los termorreceptores situados en la piel y membranasmucosas así como el hipotálamo. Las neuronas de la región preóptia generanimpulsos nerviosos a una mayor frecuencia cuando aumenta la temperatura de lasangre, y cuando ésta disminuye, se reduce dicha frecuencia.Específicamente, los impulsos nerviosos de la región preóptica se propagan aotras dos partes del hipotálamo conocidas como centro Centro de pérdida decalor y Centro promotor de calor. Cuando estos ultimos son estimulados seponen en marcha una serie de respuestas que reducen y elevan la temperaturacorporal, según se requiera.Si la temperatura central del cuerpo desciende actúan mecanismos que ayudan aconservar o incrementan la producción de calor por medio de varios circuitos deretroalimentación negativa que normalizan la temperatura del cuerpo (fig. 25.17).Los termorreceptores en la piel y el hipotálamo envían impulsos nerviosos a laregión preóptica y al centro promotor de calor en el hipotálamo, así como a lascélulas neurosecretoras que producen hormona liberado de tirotropina o HLT quepor su parte estimula los tirotrofos en la hipófisis anterior para liberar hormonaestimulante de la tiroides (HET).Los impulsos nerviosos del hipotálamo y las HET activan entonces variosefectores. En respuesta, cada uno de ellos ayuda a incrementar la temperaturacentral en niveles normales. Consideremos cuatro mecanismos. Los impulsos nerviosos del centro promotor de calor estimulan nerviossimpáticos que causan constricción de los vasos sanguíneos de la piel, conlo cual disminuyes el flujo de sangre caliente y por tanto se efectúa latransferencia de calor de los órganos internos a la piel. La disminución del
  • 24. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 24índice de pérdida de calor permite que se incremente la temperatura internacorporal mientras las reacciones metabólicas producen calor. Impulsos nerviosos en los nervios simpáticos que llegan a la médulasuprarrenal estimulan la liberación de adrenalina y noradrenalina en lasangre. Las hormonas, a su vez aumentan el metabolismo celular, que asu vez incrementa la producción de calor. El centro promotor de calor estimula partes del encéfalo que incrementanel tono muscular y por tanto la producción de calor. Conforme se eleva eltono en un músculo (el agonista), pequeñas contracciones estiran los husosmusculares en su antagonista, para iniciar un reflejo de estiramiento. Lacontracción resultante en el antagonista estira los husos musculares en elagonista, y esto también da lugar a un reflejo de estiramiento. Este ciclorepetitivo llamado temblor, aumenta en gran medida el índice deproducción de calor.. Durante el temblor máximo, la temperatura corporalpuede elevar hasta cuatro veces el índice basal en pocos minutos. La glándula tiroides responde a la estimulación de la HET, liberando máshormonas tiroideas en la sangre. Conforme se eleva su nivel, tambiénaumenta lentamente el índice metabólico y se incrementa la temperaturacorporal.Si la temperatura del cuerpo sube más de lo normal, un circuito deretroalimentación negativa opuesto al que se muestra en la figura 25.17 entra enacción. La temperatura más elevada de la sangre estimula termorreceptores queenvían impulsos nerviosos a la región preóptica, lo que por su parte estimula elcentro de pérdida de calor e inhibe la acción del centro promotor de calor.Los impulsos nerviosos del centro de pérdida de calor causan dilatación de losvasos sanguíneos de la piel, la cual se torna caliente y pierde el exceso de calorpor radiación y conducción hacia el ambiente y al aumentar el volumen de sangreque fluye desde el centro del cuerpo, que es más caliente, hacia la piel, cuyatemperatura es menor. Al mismo tiempo, disminuye el índice metabólico y noocurre el temblor. La temperatura elevada de la sangre estimula las glándulassudoríparas de la piel por medio de activación hipotalámica de nervios simpáticos.Conforme el agua de la transpiración se evapora en la superficie cutánea, ésta seenfría. Todas estas respuestas contrarrestan los efectos promotores de calor yayudan a que el cuerpo recupere su temperatura normal.
  • 25. Recopilación bibliográfica Biofísica –Unidad 1 2012Prof. Mónica E. Benitez Página 25