Este documento presenta una serie de preguntas y respuestas fundamentales para la comprensión de conceptos clave en Biofísica y Calorimetría Animal. Se abordan temas que van desde la definición de ser vivo hasta los mecanismos de transferencia de calor y transporte a través de membranas celulares.

I. Teorías sobre el Ser Vivo y su Composición

1. Teoría Vitalista vs. Mecanicista:

  • Teoría Vitalista: Postula la existencia de una fuerza vital irreductible en los procesos fisicoquímicos de los seres vivos, independiente de las leyes naturales que rigen a los seres inertes.
  • Teoría Mecanicista/Determinista: Considera a los seres vivos como sistemas materiales que obedecen las mismas leyes físicas y químicas que los seres inertes.

2. Concepto Mecanicista de Ser Vivo: Un ser vivo es un sistema material en constante intercambio con su entorno, que asimila y se reproduce. Sin embargo, se cuestiona la exclusividad de estas características, ejemplificando con la llama de un mechero que asimila oxígeno y se reproduce mientras haya combustible.

3. Virus como Seres Vivos:

  • Argumentos en contra de considerarlos vivos: No se reproducen libremente (requieren un huésped), carecen de núcleo y organelos, y pueden cristalizar como sistemas inertes.
  • Argumentos a favor de considerarlos vivos (actualmente): Poseen ácidos nucleicos capaces de replicarse y proteínas en su composición.

4. Diferencias Físicas y Químicas entre Ser Vivo e Inerte: Biofísicamente, no existen diferencias fundamentales, ya que ambos sistemas obedecen a las mismas leyes físicas y químicas.

5. Macromoléculas y su Función:

  • Definición: Proteínas, lípidos, polisacáridos y ácidos nucleicos con estructuras específicas que cumplen funciones biológicas.
  • Funciones de las Proteínas: Enzimáticas, inmunológicas y de sostén.
  • Propiedades de los Ácidos Nucleicos: Capacidad de replicarse y poseer un código genético. Químicamente, son complejos formados por bases púricas y pirimídicas, grupo fosfato y un azúcar.

6. Escala de Complejidad Creciente: Hidrógeno → Agua → Gas Carbónico → Aminoácidos → Macromoléculas → Virus → Células → Metazoos.

7. Concepto Biofísico de Ser Vivo: Un sistema material que contiene proteínas y ácidos nucleicos en condiciones de replicarse.

8. Funciones Biofísicas del Ser Vivo: Invariancia reproductiva, homeostasis, capacidad de transporte y morfogénesis autónoma.

II. Biofísica: Métodos y Niveles de Estudio

1. Métodos de Estudio: Observación (cerrada y abierta) y experimentación.

  • Método Experimental: Permite aislar objetos y propiedades, reproducir fenómenos en condiciones controladas y modificar variables.
  • Método Estadístico: Se recurre a él ante la gran complejidad de un problema para evitar resultados imprecisos.

2. Niveles de Estudio: Macroscópico, celular y molecular.

3. Ciencia Límite o Interdisciplinaria: La Biofísica se considera así debido a la necesidad de integrar conocimientos de Física, Química, Bioquímica, Fisiología y Estadística para explicar fenómenos biológicos.

III. Sistemas Materiales y Propiedades Fisicoquímicas

1. Sistema Material: Cuerpo o conjunto de cuerpos con masa, que ocupa un lugar en el espacio y está sujeto a leyes físicas y químicas.

2. Tipos de Sistemas Materiales:

  • Heterogéneo: Porciones con propiedades diferentes (Ej: agua con hielo).
  • Homogéneo: Porciones con propiedades iguales (Ej: soluciones glucosadas o de cloruro de sodio).

3. Propiedades de los Sistemas Materiales:

  • Extensivas: Dependen de la masa (Ej: volumen).
  • Intensivas: No dependen de la masa (Ej: densidad, calor específico).

4. Fases, Interfases y Componentes:

  • Fases: Conjunto de porciones con iguales propiedades intensivas.
  • Interfases: Superficies que separan las fases, donde ocurren fenómenos moleculares.
  • Componentes: Sustancias separables por medios físicos.

5. Tamaño de Partículas y Áreas de Interfase: Las partículas hasta 5 nm (nanómetros) generan áreas de interfase, ya que por debajo de esta magnitud solo se encuentran átomos y moléculas pequeñas.

IV. Tensión Superficial y Fenómenos Relacionados

1. Tensión Superficial: Presencia de una membrana con tensión en el límite de separación de fases, debida a fuerzas de cohesión descompensadas en las moléculas superficiales.

2. Fenómenos de Tensión Superficial:

  • Aguja engrasada flotando: Fuerzas de cohesión superiores a las de adhesión.
  • Forma esferoide de gotas: Fuerzas de cohesión que tienden a minimizar la superficie.
  • Influencia de la Temperatura: Disminuye con el aumento de temperatura y aumenta con su disminución.

3. Coeficientes de Tensión Superficial: Se proporcionan valores para aire/agua, suero sanguíneo y sangre en diferentes sistemas de unidades (cgs y MKS).

4. Tensión Superficial en Condiciones Fisiológicas: Disminuye en shock anafiláctico y anestesia. La sangre tiene menor tensión que el agua debido a sustancias batótonas como la bilis.

5. Reacción de HAY: Precipitación de flor de azufre en la orina por presencia de sales biliares (batótonas).

6. Agente Tensioactivo Pulmonar: Principalmente dipalmitoil-fosfotidilcolina, crucial para evitar el colapso alveolar según la ley de Laplace.

7. Enfermedad de Membrana Hialina: Afección neonatal por deficiencia de agente tensioactivo, causando insuficiencia respiratoria.

8. Factores que Afectan la Insuficiencia Respiratoria:

  • Agravantes: Interrupción circulatoria pulmonar, oclusión de bronquios.
  • Mejoran: Hormonas tiroideas, glucocorticoides.

V. Adsorción y Fenómenos Relacionados

1. Adsorción: Fijación de líquidos o gases en superficies, o acumulación de sustancias en una interfase.

2. Ejemplo de Adsorción: Retención de azul de metileno por carbón animal.

3. Explicación de la Adsorción: Atracciones por fuerzas de Van der Waals o uniones químicas, generando reacciones exotérmicas (calor de adsorción).

4. Ley de Gibbs: Aumento de concentración de una sustancia soluble en la superficie de un líquido provoca disminución de la tensión superficial.

5. Sustancias Batótonas e Hipsótonas:

  • Batótonas: Disminuyen la tensión superficial (Ej: Cloruro de sodio, Suero humano).
  • Hipsótonas: Aumentan la tensión superficial.

6. Adsorción Negativa: El soluto (hipsótono) tiende a alejarse de la superficie.

7. Emulsificación de Grasas: Transformación de grasas en gotitas mediante bilis (batótona) para facilitar la acción de las lipasas.

VI. Capilaridad y Transporte de Líquidos

1. Capilaridad: Fenómeno de interfase donde los líquidos ascienden o descienden por tubos capilares debido a variaciones en las fuerzas de adhesión y cohesión.

2. Factores Relacionados: Tensión superficial, fuerzas de adhesión y cohesión molecular.

3. Ascenso de Líquido en Tubo Capilar: Ocurre cuando las fuerzas de adhesión (afinidad con la pared) son superiores a las de cohesión.

4. Meniscos:

  • Cóncavos: Líquido moja la pared y asciende (Ej: agua y vidrio).
  • Convexos: Líquido no moja la pared y desciende (Ej: mercurio y vidrio).

5. Ley de Jurin: El ascenso/descenso capilar es directamente proporcional a la tensión superficial e inversamente proporcional al radio del tubo, densidad y gravedad.

6. Fuerza de Elevación en Capilares: F = π * r * T * Cos α

7. Algodón no Embebido de Agua: La grasa en la fibra impide la capilaridad por adhesión inferior a cohesión.

8. Embolia Gaseosa Pulmonar: Formación de burbujas en vasos terminales venosos que obstruyen la circulación, explicada por la presión en los meniscos de la burbuja.

9. Meniscos en Burbuja de Aire: Cóncavos e iguales, formados por adhesión agua-vidrio superior a cohesión.

VII. Estalagmometría y Ósmosis

1. Estalagmometría: Medición de la formación de gotas de líquidos por acción gravitacional y tensión superficial.

2. Peso de una Gota de Agua: Calculado mediante fórmulas que involucran radio y tensión superficial.

3. Formas de Encontrar el Peso de una Gota:

  • Volumen x Densidad.
  • Peso total de N gotas / N.
  • 2 * π * radio * Tensión superficial.

4. Ósmosis: Paso de solvente a través de una membrana semipermeable, desde una zona de menor concentración de soluto a una de mayor concentración.

5. Medición de Presión Osmótica: Uso de un osmómetro con manómetro para medir la presión al alcanzar el equilibrio osmótico.

6. Presión Osmótica: Producto de la densidad de la solución por la altura alcanzada en el equilibrio osmótico.

7. Presión Osmótica de Soluciones: La disociación iónica en sales (ej. ClNa) aumenta el número de partículas osmóticamente activas, incrementando la presión osmótica en comparación con solutos no disociables (ej. sacarosa).

8. Leyes de Pfeffer:

  • A temperatura constante, la presión osmótica es directamente proporcional a la concentración.
  • A concentración constante, la presión osmótica es directamente proporcional a la temperatura.

9. Ley de De Vries: PO = R * m * T (Presión Osmótica = Constante * concentración molar * Temperatura absoluta).

10. Presión Osmótica de Sacarosa: Cálculo basado en la concentración y temperatura.

11. Ley de Avogadro y Presión Osmótica: Una solución 1 molar presenta una presión osmótica de 22.4 atmósferas a 0°C.

12. Fenómenos Osmóticos en Células:

  • Plasmólisis: Disminución del volumen celular en soluciones hipertónicas.
  • Desplasmólisis: Aumento del volumen celular en soluciones hipotónicas, pudiendo causar ruptura.

13. Presión Oncótica del Plasma: Presión osmótica del plasma debida a sus proteínas (aprox. 25 mmHg).

14. Presión Hidrostática y Osmótica en Capilares: Lucha contra las presiones de los fluidos intersticiales, favoreciendo la salida de fluidos al intersticio (5 mmHg).

15. Cálculo de Presión Osmótica Sanguínea: Basado en el punto crioscópico.

16. Osmol y Osmolalidad:

  • Osmol: Unidad para medir partículas osmóticamente activas.
  • Osmolalidad: Osmol de soluto por litro de solución.

17. Soluciones Hipotónicas, Isotónicas e Hipertónicas: Se clasifican según su concentración respecto al medio interno celular.

18. Electroósmosis: Transferencia de líquido entre electrodos, regida por leyes que relacionan velocidad, voltaje, constante dieléctrica y viscosidad.

19. Ósmosis Anómala: Movimiento del agua en dirección opuesta a la esperada, o a una velocidad diferente. Explicada por hinchamiento de membranas o fenómenos eléctricos.

VIII. Calorimetría Animal y Metabolismo

1. Calorimetría Animal: Conjunto de procedimientos para conocer la cantidad de calor y trabajo producidos por los animales.

2. Metabolismo: Intercambio de materia y energía tras la digestión y absorción de alimentos, ligado a fenómenos calóricos.

3. Anabolismo vs. Catabolismo:

  • Anabolismo: Asimilación o incorporación de sustancias.
  • Catabolismo: Descomposición de sustancias.

4. Origen del Calor Animal: Combustión de tejidos con consumo de oxígeno y liberación de CO2.

5. Coeficiente Respiratorio (CR): Relación entre consumo de O2 y eliminación de CO2.

6. Calorímetro de Lavoisier y Laplace: Mide el calor emitido por un animal utilizando el hielo como sustancia calorimétrica.

7. Calorimetría Directa: Medición directa del calor emitido por un individuo dentro de un calorímetro.

8. Calorímetro de Atwater: Utilizado para medir el calor producido por individuos grandes como el ser humano.

9. Calor Eliminado por Sudor y Respiración: Cálculo basado en la cantidad de agua recogida en el dispositivo D del calorímetro de Atwater.

10. Calorimetría Indirecta (Balance Energético): Cálculo del metabolismo basal y su relación con factores como sexo, edad y talla.

11. Metabolismo Basal (MB): Cantidad de calor desprendida por un individuo en reposo y en condiciones basales (ayuno, reposo, temperatura ambiente controlada).

12. Cálculo de Metabolismo Basal: Se utiliza la fórmula de Harris-Benedict o similares, considerando superficie corporal, peso y edad.

13. Calorimetría Indirecta Respiratoria: Cálculo del calor generado a partir del valor calórico del oxígeno y los alimentos.

14. Valor Calórico del Oxígeno: Varía según el sustrato energético (carbohidratos, lípidos, prótidos).

15. Ley de Hess: En reacciones a presión constante, el calor absorbido/desprendido solo depende de los estados inicial y final, no de los intermedios.

16. Valor Calórico Fisiológico de los Prótidos: Aproximadamente 4.1 kcal/g, difiere del valor in vitro debido a los productos finales del metabolismo.

17. Cociente Respiratorio (CR):

  • Glúcidos: 1.0
  • Lípidos: ~0.7
  • Prótidos: ~0.8

18. Calorímetro de Benedict-Roth: Indica el calor emitido en Kcal/hora basándose en el descenso de la campana.

19. Factores que Alteran el Metabolismo Basal: Edad, sexo, ayuno, temperatura ambiental, ejercicio, hormonas y fiebre.

IX. Termorregulación y Transferencia de Calor

1. Seres Homeotermos: Mantienen una temperatura corporal relativamente constante gracias a eficientes sistemas termorreguladores (aves y mamíferos).

2. Seres Poiquilotermos: Su temperatura corporal varía con la ambiental debido a sistemas termorreguladores deficientes (reptiles).

3. Temperatura Corporal Humana: Depende del balance entre termogénesis y termólisis, regulado para mantener un rango óptimo.

4. Procesos de Obtención de Temperatura en Poiquilotermos: Termólisis, termogénesis y captación de calor por exposición solar.

5. Termogénesis: Producción de calor por el organismo, influenciada por la temperatura externa y mecanismos de termorregulación.

6. Termólisis: Pérdida de calor del cuerpo hacia el exterior, influenciada por la temperatura exterior y mecanismos de termorregulación.

7. Mecanismos de Transferencia de Calor en la Piel:

  • Conducción: Contacto con aire inmóvil.
  • Convección: Contacto con aire en movimiento y circulación sanguínea.

8. Pérdida de Calor Corporal: Principalmente por sudoración, seguida de convección, radiación y conducción.

9. Calor por Radiación: Emisión de radiaciones infrarrojas por el organismo.

10. Calor en Pliegues Corporales: Mayor concentración debido a la autoirradiación de superficies enfrentadas.

11. Espectro de Radiaciones Infrarrojas: Emitidas por la piel a 27°C en el rango de 5 a 20 µm.

12. Eliminación de Calor en Reposo: Por perspiración cutánea (sudoración insensible) y respiración pulmonar.

13. Perspiración Cutánea: Eliminación de pequeñas cantidades de sudor imperceptibles en reposo.

14. Dieta y Requerimientos Energéticos: Se detallan las calorías aportadas por proteínas, grasas y carbohidratos, y los requerimientos energéticos para hombres y mujeres según peso.

15. Temperatura Corporal Humana: Variaciones diarias y tiempos de medición con termómetro.

16. Gradiente Interno de Temperatura: Diferencia de temperatura entre la profundidad y la superficie corporal (5-10°C).

17. Intercambio a Contracorriente: Se produce especialmente en las extremidades para conservar calor.

X. Mecánica y Fuerzas

1. Estática: Parte de la Física que estudia el estado de los cuerpos con fuerzas equilibradas o en movimiento rectilíneo uniforme.

2. Primera Ley de Newton: Define los cuerpos en equilibrio (inercia).

3. Fuerza: Agente capaz de comunicar aceleración o cambiar el estado de movimiento/reposo de un cuerpo.

4. Representación de Fuerzas: Se realizan mediante magnitudes vectoriales.

5. Dinamómetro: Aparato para medir la intensidad de la fuerza.

6. Unidades de Fuerza:

  • Dina: Unidad en el sistema cgs (gr x cm/seg²).
  • Newton: Unidad en el sistema MKS.

7. Sistema de Fuerzas Paralelas (Cupla): Dos fuerzas de igual magnitud y sentidos opuestos.

8. Caída de Cuerpos (sin roce): Todos los cuerpos llegan al suelo simultáneamente, independientemente de su peso o volumen.

9. Fuerza Gravitacional: Varía con la distancia al centro de la Tierra.

10. Densidad: Relación entre masa y volumen.

11. Despegue de Cohete: Explicado por la Tercera Ley de Newton (acción y reacción).

12. Centro de Gravedad: Concentración del peso de un cuerpo que determina su estado de equilibrio.

13. Velocidad en Movimiento Rectilíneo Uniforme: Relación entre espacio y tiempo.

14. Radián: Medida de espacio en movimiento circular, correspondiente a la longitud del radio.

15. Espacio Recorrido en Movimiento Circular: Espacio = radianes * Radio * tiempo.

16. Fuerza Centrípeta: Mantenida por diversas fuerzas (gravitacional, magnética, tensión de cuerda).

17. Fuerza Centrífuga: Aparece como respuesta a la Tercera Ley de Newton (acción y reacción).

18. Caballo de Vapor: Equivalente a 746 Watt.

19. Ley de las Máquinas: En máquinas ideales, Fuerza x Distancia del Esfuerzo = Resistencia x Distancia de la Resistencia.

20. Rendimiento Mecánico: Relación entre la fuerza resistente y la fuerza activa (o distancia de desplazamiento del esfuerzo / distancia de desplazamiento de la resistencia).

21. Palancas:

  • 1er Género: Punto de apoyo en el centro (Ej: Tijera).
  • 2do Género: Resistencia en el centro (Ej: Carretilla).
  • 3er Género: Potencia en el centro (Ej: Pedal de acelerador).

22. Coeficiente de Rozamiento: Relación entre la fuerza de rozamiento y el peso del cuerpo.

23. Objetivo de una Máquina: Realizar el trabajo en el menor tiempo posible usando la menor cantidad de energía.

24. Frotamiento o Fricción: Resistencia al deslizamiento que actúa en sentido contrario al desplazamiento.

XI. Transporte de Sustancias a Través de la Membrana Celular

1. Membrana Celular (Biofísicamente): Estructura elástica, fina, flexible y semipermeable (7.5-10 nm de espesor), compuesta principalmente por lípidos y proteínas.

2. Trabajos Importantes de la Membrana Celular: Separación del medio interno y externo, y mediación selectiva del intercambio de materia, energía e información para mantener la homeostasis.

3. Composición Estructural de la Membrana Celular: Proteínas (55%), Lípidos (38%), Carbohidratos (3%).

4. Fosfolípidos de la Bicapa Lipídica: Extremo de fosfato hidrófilo y extremos de ácidos grasos hidrófobos.

5. Fosfolípidos Principales: Fosfotidilcolina, fosfotidiletanolamina, fosfatidilserina y esfingomielina.

6. Lípidos en la Membrana Celular: Fosfolípidos (25%), Colesterol (13%), otros lípidos (4%).

7. Función de los Ácidos Grasos: Repelen el agua, se atraen entre sí, y son permeables a sustancias hidrosolubles (O2, CO2, alcohol).

8. Función del Fosfato de Fosfolípido: Impermeable a sustancias hidrosolubles como iones, glucosa, urea.

9. Función del Colesterol: Determina la permeabilidad de la bicapa a componentes hidrosolubles y controla la fluidez de la membrana.

10. Inclusión de Proteínas en la Membrana: Masas globulares incluidas total o parcialmente (integrales y periféricas).

11. Proteínas Integrales: Estructurales, transportadoras y receptoras.

12. Proteínas Estructurales: Forman conductos o poros que comunican el espacio intracelular con el extracelular, permitiendo el paso selectivo de sustancias hidrosolubles.

13. Proteínas Transportadoras: Actúan en el transporte de sustancias que no atraviesan la bicapa lipídica por gradiente electroquímico o difusión (transporte activo).

14. Proteínas Receptoras: Captan sustancias hidrosolubles (hormonas, neurotransmisores) que no penetran fácilmente la membrana.

15. Permeabilidad de Sustancias (no agua): Depende del tamaño molecular, solubilidad lipídica y carga eléctrica.

16. Impermeabilidad de la Membrana Celular: Prácticamente impermeable a cationes inorgánicos y urea.

17. Energía para Transporte de Na y K: Aproximadamente el 33% de la energía basal se utiliza para el transporte de estos iones.