Clasificación de los Nutrientes.

Los nutrientes se clasifican en función de la cantidad en la que se encuentran en los alimentos (macronutrientes y micronutrientes), la función específica de cada uno (plásticos, energéticos y reguladores), del grado de energía (calorías) que proporcionan al ser metabolizados (utilizados) por el organismo (calóricos y acalóricos), y de la capacidad del organismo para fabricarlos (no esenciales) o dependencia del exterior para su correcta asimilación para el organismo (esenciales).

Diariamente se necesitan unos 50 nutrientes en cantidades determinadas, encargados de suministrar los materiales necesarios para la construcción, mantenimiento, reparación, mantenimiento y regulación del organismo.

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Estrategias Metabólicas de los Seres Vivos

Existen dos principios importantes en el metabolismo; El metabolismo puede dividirse en tres categorías principales:

• Catabolismo: Procesos relacionados con la degradación de las sustancias complejas.

• Anabolismo: Procesos relativos fundamentalmente a la síntesis de moléculas orgánicas complejas.

• Anfibolicas: Doble función (catabólica y anabólica).

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Procesos de Alimentación

En el sistema digestivo ocurre una serie de procesos que modifican el alimento que ingresa al organismo. Mediante esos procesos, el alimento se transforma física y químicamente.

Los alimentos, en su mayoría formados por moléculas complejas, se transforman o degradan en otras más sencillas y pequeñas, condición de importancia para su absorción.

Dentro del sistema digestivo, la secuencia de procesos que transforman los alimentos es la siguiente:

INGESTIÓN: proceso de incorporación de alimentos a través de la boca.

DIGESTIÓN: serie de procesos que ocurre en diversos órganos del sistema digestivo y que transforman los alimentos. Comprende dos tipos de transformaciones:

• Transformación física: fragmenta los alimentos en porciones más pequeñas a través de la masticación en la boca y de los movimientos peristálticos a lo largo del  tubo digestivo.
• Transformación química: En la boca, estómago e intestino delgado las enzimas digestivas desdoblan el alimento transformándolo en moléculas más sencillas.

ABSORCIÓN: los nutrientes representados por  moléculas sencillas pasan del sistema digestivo a la sangre para ser distribuidos a todo el cuerpo.

EGESTIÓN: es el proceso a través del cual se expulsan los desechos de la digestión como materia fecal hacia el exterior.

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NUTRICIÓN                        

Proceso fisiológico por el cual los alimentos ingeridos, se transforman y se asimilan. Es un acto involuntario

PRINCIPALES NUTRIENTES:

Nutriente es un producto químico procedente del exterior de la célula y que ésta necesita para realizar sus funciones vitales. Éste es tomado por la célula y transformado en constituyente celular a través de un proceso metabólico de biosíntesis llamado anabolismo o bien es degradado para la obtención de otras moléculas y de energía.

Los nutrientes son cualquier elemento o compuesto químico necesario para el metabolismo de un ser vivo. Es decir, los nutrientes son algunas de las sustancias contenidas en los alimentos que participan activamente en las reacciones metabólicas para mantener las funciones del organismo.

Los seres vivos que no tienen capacidad fotosintética, como los animales, los hongos y muchos protoctistas, se alimentan de plantas y de otros animales, ya sea vivos o en descomposición. Para estos seres, los nutrimentos son los compuestos orgánicos e inorgánicos contenidos en los alimentos y que, de acuerdo con su naturaleza química, se clasifican en los siguientes tipos de sustancias:

• Proteínas.
• Glúcidos.
• Lípidos.
• Vitaminas
• Sales minerales.

• Vitaminas: Las vitaminas son indispensables para promover reacciones vitales metabólicas, de mantenimiento y de defensa. Intervienen en el proceso de crecimiento y recuperación.

• Proteínas: Las proteínas tienen como función principal formar las estructuras de los seres vivos, los huesos, los músculos, la piel, el pelo, las uñas.

• Hidratos de carbono: Los hidratos de carbono proveen de energía y favorecen la acción de las proteínas.  Son sustancias orgánicas que contienen hidrógeno y oxígeno en la misma proporción del agua. Este grupo de compuestos está formado principalmente por azucares y almidones. Producen energía inmediata para el cuerpo.

• Grasas insaturadas: son liquidas a temperatura ambiente y comúnmente se les conoce como aceites. Pueden ser, por ejemplo aceites de oliva, girasol, maíz. Son las más beneficiosas para el cuerpo humano por sus efectos sobre los lípidos plásticos y algunas contienen ácidos grasos que son nutrientes esenciales, ya que el organismo no puede fabricarlo y el único modo de conseguirlo es mediante ingestión directa.

• Grasas saturadas: Formadas mayoritariamente por ácidos grasos saturados. Aparecen por ejemplo en el tocino, en el sebo, en las mantecas de cacao o cacahuete, etc. Este tipo de grasas es sólida y a temperatura ambiente. Las grasas formadas por ácidos grasos de cadena larga se consideran que elevan los niveles plasmáticos de colesterol asociado a las lipoproteínas LD.

• Minerales: Los minerales ayudan a formar nuevos tejidos; suponen un 6% del paso total de un individuo y se localizan, en su mayoría, en el esqueleto, en forma de fosfatos calcicos. Los minerales son por lo menos, tan importantes como las vitaminas para lograr el mantenimiento del cuerpo en perfecto estado de salud. Pero como el organismo no puede fabricarlos, debe utilizar las fuentes exteriores de los mismos como son los alimentos, los suplementos nutritivos, la respiración y la absorción a través de la piel.

• Agua: El agua participa en la digestión, en la lubricación de las articulaciones, en la regulación de la temperatura corporal y es el medio de transporte del organismo. Cerca del 72% de la masa libre de grasa del cuerpo humano está hecha de agua. Para su adecuado funcionamiento nuestro cuerpo.

Sobrepeso: Dieta Hipocalórica 

Desnutrición: Dieta Hipercalórica

Hipertensión Arterial: Dieta Hiposódica

Leyes Termodinámicas

El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. También se postula la existencia de una magnitud llamada entropía, que puede ser definida para cualquier sistema.

Las Leyes Termodinámicas pueden expresarse de la siguiente manera:

Ley Cero de la Termodinámica:

A esta ley se le llama de "equilibrio térmico". El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura.

Esta ley dice "Si dos sistemas A y B están a la misma temperatura, y B está a la misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperatura". Este concepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición cero.

Un ejemplo de la aplicación de esta ley lo tenemos en los conocidos termómetros.

Primera Ley de la Termodinámica:

Esta primera ley, y la más importante de todas, también conocida como principio de conservación de la energía, dice: "La energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede transformarse de un tipo de energía en otro".

La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, y lo identifica como una forma de energía. Puede convertirse en trabajo mecánico y almacenarse, pero no es una sustancia material.

Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se medía en unidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en julios, eran completamente equivalentes. Una caloría equivale a 4,186 julios.

Segunda Ley de la Termodinámica:

La segunda ley dice que "solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura". Al respecto, siempre se observa que el calor pasa espontáneamente de los cuerpos calientes a los fríos hasta quedar a la misma temperatura.

La segunda ley de la termodinámica da además, una definición precisa de una propiedad llamada entropía (fracción de energía de un sistema que no es posible convertir en trabajo).

Para entenderla, la entropía puede considerarse como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también puede considerarse como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema.

Pues bien, esta segunda ley afirma que "la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio".

Como la entropía nunca puede disminuir, la naturaleza parece pues "preferir"’ el desorden y el caos. Puede demostrarse que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta.

Tercera Ley de la Termodinámica:

El tercer principio de la termodinámica afirma que "el cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él".

Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizaciones 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 descubiertas hasta ahora por la ciencia.

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Fenómenos Homeostáticos de regulación del cuerpo humano

TEMPERATURA

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La temperatura corporal depende de las condiciones de temperatura ambiental y de actividad física, ya que de la energía total liberada durante el metabolismo se emplea aproximadamente una quinta parte en el trabajo y lo demás se libera en forma de calor; este calor debe ser disipado para mantener las condiciones de temperatura adecuadas en el cuerpo humano. Hay dos tipos de temperaturas, la temperatura central (núcleo: cerebro, grandes vasos, vísceras, músculo profundo, sangre) se mantiene constante.

                                                                      

La temperatura periférica (piel, mucosas, músculos, extremidades, etc.) es variable. La temperatura normal del cuerpo de una persona varía dependiendo de su género, su actividad reciente, el consumo de alimentos y líquidos, la hora del día y, en las mujeres, de la fase del ciclo menstrual en la que se encuentren.

Proceso mediante el cual un grupo de seres vivos denominados homeotermos mantienen su temperatura corporal dentro de unos límites, independientemente de la temperatura ambiental. El proceso consume energía química procedente de los alimentos ya que estos organismos tienen mecanismos para producir calor en ambientes fríos o para ceder calor en ambientes cálidos, conocidos en su conjunto como termorregulación. Estos mecanismos están situados en el hipotálamo, la piel, el aparato respiratorio, etc.

RADIACIÓN TÉRMICA O CALORÍFICA
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Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.

La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una función de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.

EVAPORACIÓN

La evaporación es un proceso físico en el que un líquido y un sólido se convierten gradualmente en gas. Considerando que en este proceso el agua se calienta al absorber energía calórica del sol tomando en cuenta que esta, la fuente de energía del sol y que esto permite culminar la fase. La energía necesaria para que un gramo de agua se convierta en vapor es de 540 calorías a 100 ºC valor conocido cómo calor de evaporación. Al ocurrir la evaporación la temperatura del aire baja.

SUDOR
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Es la producción y evaporación de un fluido, que consiste principalmente de agua, así como una cantidad más pequeña de cloruro de sodio (el componente principal de la "sal de mesa"), a través de las glándulas sudoríparas de la piel de los mamíferos. El sudor también contiene los productos químicos u odorantes 2-metilfenol (o-cresol) y 4-metilfenol (p-cresol).

En los humanos, la sudoración es principalmente un medio de termorregulación, aunque se haya propuesto que los componentes del sudor del macho pueden actuar como feromonas. La evaporación del sudor en la superficie de la piel tiene un efecto refrescante debido al calor latente de la evaporación del agua. De ahí que, en ambientes calurosos, o cuando los músculos del individuo se calientan debido al esfuerzo, se produzca más sudor. La sudoración aumenta con el nerviosismo y las náuseas, y disminuye con el frío. Los animales con pocas glándulas sudoríparas, como los perros, llevan a cabo una regulación de temperatura similar mediante el jadeo, que evapora el agua de la mucosa húmeda de la cavidad bucal y la faringe. Los primates y los caballos tienen axilas, que sudan de manera similar a las de los humanos. 

Reacciones Químicas: Endotérmicas y Exotérmicas

Reacciones Químicas: Endotérmicas y Exotérmicas

• Reacción Endotérmica: 

La reacción endotérmica es una reacción química que absorbe energía. Casi todas las reacciones químicas implican la ruptura y formación de los enlaces que unen los átomos. Normalmente, la ruptura de enlaces requiere un aporte de energía, mientras que la formación de enlaces nuevos desprende energía. Si la energía desprendida en la formación de enlaces es menor que la requerida para la ruptura, entonces se necesita un aporte energético, en general en forma de calor, para obtener los productos. Algunas reacciones endotérmicas necesitan más energía de la que puede obtenerse por absorción de calor de los alrededores a temperatura ambiente. Por ejemplo, para transformar el carbonato de calcio en óxido de calcio y dióxido de carbono es necesario calentar. Cuando en una reacción endotérmica una sustancia absorbe calor, su entalpía aumenta (la entalpía es una medida de la energía intercambiada entre una sustancia y su entorno).

• Reacción Exotérmica:

Son reacciones químicas que desprenden energía. Por ejemplo, la reacción de neutralización de ácido clorhídrico con hidróxido de sodio desprende calor, y a medida que se forman los productos, cloruro de sodio (sal) y agua, la disolución se calienta. Las reacciones exotérmicas se han utilizado durante miles de años, por ejemplo, en la quema de combustibles. Cuando se quema carbón tienen lugar varias reacciones, pero el resultado global es que los átomos de carbono del carbón se combinan con el oxígeno del aire para formar dióxido de carbono gas, mientras que los átomos de hidrógeno reaccionan con el oxígeno para producir vapor de agua. La redistribución de los enlaces químicos desprende gran cantidad de energía en forma de calor, luz y sonido. Aunque para la ruptura de los enlaces entre el carbono y el hidrógeno se requiere energía calorífica, ésta es mucho menor que la que se desprende cuando estos dos elementos se combinan con el oxígeno. Esto hace que la reacción global sea exotérmica.

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Fenómenos Termodinámicos: Entalpía y Entropía

Entalpía

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Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno.

Entropía

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La entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación.

Mecanismos de Propagación del Calor

El calor es una de las múltiples formas en que se manifiesta la energía, y la transferencia de calor es el proceso mediante el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos o entre diferentes partes de un cuerpo que estén a temperaturas desiguales.

La transferencia de calor ocurre mediante convección, radiación y conducción. Estas tres formas pueden producirse a la vez, aunque por lo regular predomina una de ellas.

• Conducción

En los sólidos el calor se transfiere por conducción. Si calentamos el extremo de una varilla metálica, después de cierto tiempo percibimos que la temperatura del otro extremo asciende, o sea, el calor se transmitió hasta el extremo opuesto por conducción. Se cree que esta forma de transferencia de calor se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura entre dos puntos del objeto. Esta teoría explica, especialmente en el caso de los metales, por qué los buenos conductores del calor. La plata, el oro y el cobre conducen bien el calor, o sea, tienen conductividades térmicas elevadas, pero la madera, el vidrio y el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores y se conocen como aislantes térmicos.

• Convección

Si provocamos una diferencia de temperatura dentro de una masa líquida o gaseosa se producirá un movimiento del fluido que transfiere calor por convección de la parte más caliente hacia la menos caliente. Esta transferencia cesará cuando toda la masa del fluido haya alcanzado igual temperatura. A este movimiento contribuye la diferencia de densidad del fluido, ya que cuando una porción de este se calienta su densidad suele disminuir y asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende con lo que con lo que se inicia el movimiento circulatorio que permite la homogenización de la temperatura. Por eso los acondicionadores y refrigeradores de aire deben instalarse cerca del techo y los radiadores de calor a poca altura del piso de la habitación. Las corrientes de convección hacen que una sustancia tan mala conductora como el agua se calienta relativamente rápido. Estas también originan las brisas marinas, ya que al incidir los rayos del sol sobre la tierra, esta se calienta más rápido que los océanos y mares, ello hace que el aire sobre la superficie de la tierra se caliente más rápido, ascienda y el aire sobre la superficie del mar ocupe su lugar.

• Radiación

La propagación del calor por radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino pueden estar separadas aún por el vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con las ondas electromagnéticas. La radiación transfiere calor por radiación electromagnética (en especial infrarroja) y es el principal mecanismo mediante el cual el Sol calienta a la Tierra. En las montañas, cuando el sol asciende por el horizonte, se percibe el calor tan pronto como el sol se hace visible. A este calor, se le denomina calor radiante y está constituido por ondas electromagnéticas con longitud de onda un poco mayor que la del espectro visible y que también viajan a la velocidad luz. A estas se les denomina rayos infrarrojos y son invisibles al ojo humano. Un ejemplo común de la propagación del calor por radiación lo constituyen las hogueras utilizadas como medio de calefacción en los hogares. Contrario a la creencia generalizada, el calor que llega a la habitación desde la chimenea es casi todo en forma de radiación infrarroja emitida por las llamas, brazas y paredes calientes.

Temperatura y Escalas Termométricas

La temperatura es un concepto que involucra valores positivos y negativos, la asociamos al concepto "fiebre" cuando estamos enfermos, pero la verdad que mucho más amplio. Está presente en nuestra vida cotidiana y no nos damos cuenta. Usted puede enumerar, fácilmente tres situaciones donde se esté presente la temperatura.

Para medir la temperatura existe un instrumento llamado termómetro. Este instrumento está formado por un capilar muy fino en el interior de un tubo de vidrio, ambos extremos están cerrados y en uno de ellos se estrecha y el capilar tiene un bulbo con mercurio, el cual se dilata al más mínimo cambio de temperatura.

Existen tres escalas termométricas conocidas y estas son:

• Escala Celsius o Centígrada: Es la más usada, toma como referencia el punto de fusión del agua para indicar la temperatura mínima, es decir 0 ºC, y considera el punto de ebullición del agua para indicar la temperatura más alta, o sea 100 ºC. Es una escala que considera valores negativos para la temperatura, siendo el valor más bajo de -273 ºC.

• Escala Fahrenheit o Anglosajona: Es una escala que tiene 180º de diferencia entre el valor mínima y el máximo del termómetro. También relaciona los puntos de fusión y ebullición del agua para indicar los valores de temperatura. El valor mínimo es a los 32 ºF y el máximo a los 212 ºF. Al igual que la escala Celsius, tiene valores negativos de temperatura.

• Escala Kelvin o Absoluta: Es una escala que no tiene valores negativos. El punto de fusión del agua en esta escala es a los 273 ºK y el punto de ebullición es a los 373 ºK y la mínima temperatura es 0º K que para la escala Centígrada resulta ser a los -273 ºK.

Energía, Trabajo y Calor

• Energía

La energía está presente en todos los cuerpos (si el cuerpo está en reposo posee energía potencial y si está en movimiento la energía potencial se ha trasformado en energía cinética).

• Trabajo

La fuerza es una acción que solo se puede expresar cuando hay interacción entre dos cuerpos. Fuerza aplicada de un cuerpo al otro transforma la energía potencial en cinética.

El resultado de esta aplicación de fuerza para transformar la energía se denomina trabajo.

• Calor

El calor es una forma de energía que puede transformarse en otras y viceversa. Consideramos dos cuerpos A y B a temperatura T1 y T2 suponemos que T1 es mayor que T2. Al poner en contacto los dos cuerpos la experiencia nos demuestra que pasa de A a B una cierta energía que denominamos calor. En este caso decimos que el calor pasa del cuerpo caliente al frío por conducción. Las moléculas del cuerpo caliente están muy excitadas y tienen una gran energía de vibración. Estas chocan con las vecinas más lentas del cuerpo frío y comparten con ellas algo de su energía de movimiento por tanto la energía de movimiento térmico se transmite de una molécula a la siguiente aunque cada molécula permanece en su posición original.

Calorimetría

La calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de los residuos de nitrógeno (frecuentemente amoníaco en organismos acuáticos y urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno.  

Fue mediante calorimetría que Joule calculó el equivalente mecánico del calor demostrando con sus experiencias que 4.18 J de cualquier tipo de energía equivalen a 1 caloría.

Antoine de Lavoisier indicó en 1780 que la producción de calor puede ser calculada por el consumo de oxígeno de los animales. Naturalmente, el calor generado por los organismos vivos también puede ser medido por calorimetría directa, en la cual el organismo entero es colocado en el interior del calorímetro para hacer las mediciones.

Termometría

La termometría es la encargada de la medición de la temperatura en sistemas o cuerpos. Para realizar dicha medición, se utiliza un instrumento llamado termómetro, que aprovecha el fenómeno de dilatación de los cuerpos con el calor, para poder medir la temperatura.

Unidad 3: Termodinámica de los sistemas biológicos.

   

1. Termometría.
2. Calorimetría.
3. Energía.
4. Calor.
5. Trabajo.
6. Temperatura y escalas termométricas.
7. Escala Celsius.
8. Escala Fahrenheit. 
9. Escala Kelvin.
10. Mecanismos de Propagación del calor.
11. La Entalpía.
12. La Entropía.
13. Reacciones químicas endotérmicas.
14. Reacciones químicas exotérmicas.
15. Fenómenos Termodinámicos 
16. Fenómenos homeostáticos de regulación del cuerpo humano.
17. Temperatura.
18. Radiación.
19. Evaporación.
20. Sudor.
21. Termodinámica de los seres vivos.
22. Nutrición.
23. Nutrientes principales.
24. Procesos de alimentación.
25. Estrategias metabólicas de los seres vivos.
26. Clasificación de los nutrientes.

Objetivos

• Definir Termometría, calorimetría, Energía, trabajo y calor. Temperatura y escalas termométricas. Mecanismos de Propagación del calor.
• Analizar Leyes de la Termodinámica. La entalpía. Entropía.
• Diferenciar las Reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas. Temperatura, Radiación y termodinámica de los seres vivos.
• Determinar los Proceso de alimentación. Estrategias metabólicas de los seres vivos.
• Regulación de calor en los animales. Nutrientes principales. Clasificación.
• Precisar Radiación. Evaporación y Sudor.

Video: Difusón Simple y Facilitada. Transporte Pasivo

Video: Física II Cohesión y Adhesión 5FM

Fenómenos Físicos y Químicos en los seres vivos

Fenómenos Físicos

Son transformaciones transitorias, donde las mismas sustancias se encuentran antes y después del fenómeno, es decir, no hay alteración en su estructura molecular. Es fácilmente reversible mediante otro fenómeno físico.

Ejemplos:

• Cuando un clavo de acero se dobla, sigue siendo acero. Luego podemos enderezarlo recobrando su forma original.
• Si calentamos una bola de hierro se dilata, si la enfriamos hasta su temperatura inicial recupera su volumen original.
• Condensación del vapor de agua. 

Fenómenos Químicos 

Las actividades de los seres vivos se realizan con energía química, que se produce a partir de varios procesos distintos, según cada organismo: fotosíntesis, quimiosíntesis, fermentación y respiración.

Ejemplos:

• Ciclo de Cori.
• Glucogenólisis.
• Ciclo de la urea.

• Ósmosis

Es un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de energía. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos.

• Diálisis

Separación de las sustancias que están juntas o mezcladas en una misma disolución, a través de una membrana que las filtra.

• Adsorción

El fenómeno de adsorción es el proceso por el cual átomos o moléculas de una sustancia que se encuentra en determinada fase, son retenidas en la superficie de otra sustancia, que se encuentra en otra fase. Como resultado de este proceso, se forma una capa de líquido  o gas en la superficie de una sustancia sólida o líquida. 

Tipos de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente

Adsorción por intercambio: Ocurre cuando los iones de la sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie (p. ej. en las cercanías de un electrodo cargado).

Adsorción física: Se debe a las fuerzas de Van der Waals y la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, y por ello está libre de trasladarse en la interfase.

Adsorción química: Ocurre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente.

• Difusión

Se entiende por difusión, el proceso por el cual las moléculas se entremezclan, como consecuencia del movimiento aleatorio que le impulsa su energía cinética. Consideremos dos contenedores de gas A y B separados por un separador. Las moléculas de ambos gases están en constante movimiento y efectúan numerosas colisiones contra el separador. Los gases se mezclarán debido a las velocidades aleatorias de sus moléculas. Con el tiempo, se producirá en el recipiente una mezcla uniforme de moléculas de A y B.

La difusión (también difusión molecular) es un proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropía (Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disuelven.

Difusión sustitucional

En este tipo de difusión, el tamaño del átomo que difunde y el de los átomos de la red cristalina es parecido. La difusión se produce aprovechando los defectos de laguna.

Difusión intersticial

La difusión intersticial se produce cuando los átomos entrantes son más pequeños que los existentes en la red cristalina. Los átomos (considerados como una esfera maciza), se colocan en los huecos existentes en la red cristalina.

La ley que rige la difusión es la Ley de Fick. Otra forma para encontrar la correlación de difusión entre átomos, es sacar la derivada por la hipotenusa entre el radio de cierta medida, entre los caracteres de un punto polar en la primera cara de cff; por la integral de dicha ecuación.

Difusión neta

Diferencia de difusión entre las dos regiones de distinta concentración es lo que se conoce como difusión neta.

Difusión simple

Se denomina difusión simple al proceso por el cual se produce un flujo neto de moléculas a través de una membrana permeable sin que exista un aporte externo de energía. 

Difusión facilitada

La difusión facilitada utiliza canales (formados por proteínas de membrana) para permitir que moléculas cargadas (que de otra manera no podrían atravesar la membrana) difundan libremente hacia afuera y adentro de la célula.

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• Acción Capilar 

La acción capilar es el resultado de la adhesión y la tensión superficial. La adhesión del agua a las paredes de un recipiente, originará una fuerza hacia arriba sobre los bordes del líquido y como resultado su ascenso sobre la pared. La tensión superficial, actúa para mantener intacta la superficie del líquido, de modo que en vez de solo moverse los bordes hacia arriba, toda la superficie entera del líquido es arrastrada hacia arriba.

• Capilaridad

La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.

Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.

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• Cohesión

Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es diferente de la adhesión; la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.

En el agua la fuerza de cohesión es elevada por causa de los puentes de hidrógeno que mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.

La cohesión se caracteriza así según el estado de las sustancias:

• En los sólidos, las fuerzas de cohesión son elevadas y en las tres direcciones espaciales. Cuando aplicamos una fuerza solo permite pequeños desplazamientos de las moléculas entre sí, cuando cesa la fuerza exterior, las fuerzas de cohesión vuelven a colocar las moléculas en su posición inicial.
• En los líquidos, las fuerzas de cohesión son elevadas en dos direcciones espaciales, y entre planos o capas de fluidos son muy débiles. Por otra parte las fuerzas de adherencia con los sólidos son muy elevadas. Cuando aplicamos una fuerza tangencial al líquido, este rompe sus débiles enlaces entre capas, y las capas de líquido deslizan unas con otras. Cuando cesa la fuerza, las fuerzas de cohesión no son lo suficiente fuertes como para volver a colocar las moléculas en su posición inicial, queda deformado. La capa de fluido que se encuentra justo en contacto con el sólido, se queda pegada a éste, y las capas de fluido que se encuentran unas juntas a las otras deslizan entre sí.
• En los gases, las fuerzas de cohesión son despreciables, las moléculas se encuentran en constante movimiento. Las fuerzas de adherencia con los sólidos y los líquidos son importantes. Al aplicarse una fuerza de corte, se aumenta la velocidad media de las moléculas. Como estas partículas con más velocidad media (más cantidad de movimiento) se mueven en el espacio, algunas pasan a las capas contiguas aumentando a su vez la velocidad media de esas capas adyacentes, estas a su vez con una cantidad de movimiento más pequeña, algunas de sus partículas pasan a la capa de mayor cantidad de movimiento (afectada por el esfuerzo de corte) frenándola.

• Adhesión

La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se unen dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.

La adhesión ha jugado un papel muy importante en muchos aspectos de las técnicas de construcción tradicionales. La adhesión del ladrillo con el mortero (cemento) es un ejemplo claro.

La cohesión es distinta de la adhesión. La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.

Cinco mecanismos han sido propuestos para explicar por qué un material se adhiere a otro.

Adhesión mecánica

Los materiales adhesivos rellenan los huecos o poros de las superficies manteniendo las superficies unidas por enclavamiento. Existen formas a gran escala de costura, otras veces a media escala como el velcro.

Adhesión química

Dos materiales pueden formar un compuesto al unirse. Las uniones más fuertes se producen entre átomos donde hay permutación (enlace iónico) o se comparten electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se produce cuando un átomo de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve atraída por otra de nitrógeno, oxígeno o flúor, en ese caso hablaríamos de un puente de hidrógeno.

Adhesión dispersiva

En la adhesión dispersiva, dos materiales se mantienen unidos por las fuerzas de Van der Waals: la atracción entre dos moléculas, cada una de las cuales tiene regiones de carga positiva y negativa. En este caso, cada molécula tiene una región de mayor carga positiva o negativa que se une a la siguiente de carga contraria. 

Adhesión electrostática

Algunos materiales conductores dejan pasar electrones formando una diferencia de potencial al unirse. Esto da como resultado una estructura similar a un condensador y crea una fuerza electrostática atractiva entre materiales.

Adhesión difusiva

Algunos materiales pueden unirse en la interfase por difusión. Esto puede ocurrir cuando las moléculas de ambos materiales son móviles y solubles el uno en el otro. Esto sería particularmente eficaz con las cadenas de polímero en donde un extremo de la molécula se difunde en el otro material.

• Presión Hidrostática

Dado un fluido en equilibrio, donde todos sus puntos tienen idénticos valores de temperatura y otras propiedades, el valor de la presión que ejerce el peso del fluido sobre una superficie dada es:

P = p g h

Siendo p la presión hidrostática, r la densidad del fluido, g la aceleración de la gravedad y h la altura de la superficie del fluido. Es decir, la presión hidrostática es independiente del líquido, y sólo es función de la altura que se considere.

Por tanto, la diferencia de presión entre dos puntos A y B cualesquiera del fluido viene dada por la expresión:

P_A – P_B  = P g (h_A – h_B) = p g Δh

La presión hidrostática es la presión o fuerza que el peso de un fluido en reposo puede llegar a provocar. Se trata de la presión que experimenta un elemento por el solo hecho de estar sumergido en un líquido.

El fluido genera presión sobre el fondo, los laterales del recipiente y sobre la superficie del objeto introducido en él. Dicha presión hidrostática, con el fluido en estado de reposo, provoca una fuerza perpendicular a las paredes del envase o a la superficie del objeto.

El peso ejercido por el líquido sube a medida que se incrementa la profundidad. La presión hidrostática es directamente proporcional al valor de la gravedad, la densidad del líquido y la profundidad a la que se encuentra.

Fenómenos Biofísicos en los seres vivos

Fenómeno: todo cambio o transformación que se realice en la naturaleza.

Fenómenos biofísicos-moleculares

Los fenómenos biofísicos moleculares son procesos que se realizan en los seres vivos, los cuales se basan en leyes físicas y físico-químicas dando lugar a la formación de dichos fenómenos. Los fundamentos moleculares de la Biofísica se rigen en las biomoléculas, o macromoléculas, y su funcionamiento en todo aspecto. 

Fenómenos de superficie: Varios de los procesos biológicos tienen que ver con los diferentes fenómenos que suceden en una superficie de contacto, que se encuentran especialmente separadas en pequeñas partículas. Estas superficies se les conoce con el nombre de interfaces y los fenómenos que en estas ocurren se les conoce como fenómenos de superficie. En conclusión los fenómenos de superficie son varios fenómenos que se producen en una superficie de contacto la cual se encuentra distanciada por partículas muy pequeñas. 

• Tensión superficial

La tensión superficial se encuentra dentro de los fenómenos de superficie y esta es la tendencia que posee un líquido para disminuir su extensión hasta llegar a obtener una energía superficial baja lo cual hará que este sea estable. Se le define también como “la fuerza que una superficie ejerce sobre un contorno,  perpendicularmente a él, dirigida hacia el seno de la superficie y tangencialmente a ella”.

La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos. 

Unidad 2: Fenómenos Biofísicos Moleculares

  

1. Fenómenos Biofísicos en los seres vivos
2. Tensión Superficial
3. Presión Hidrostática
4. Adhesión
5. Cohesión
6. Acción Capilar y Capilaridad
7. Difusión
8. Ósmosis, Diálisis y Adsorción
9. Fenómenos Físicos y Químicos en los seres vivos

Objetivos

• Examinar los fenómenos biofísicos moleculares. Tensión Superficial. Presión Hidrostática. Adhesión y cohesión. Difusión. Ósmosis. Adsorción. Diálisis. 
• Acción capilar y capilaridad. 
• Diferenciar los fenómenos físico y químico. 

Video: Ciencia al desnudo Big Bang

Estados de la materia

La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, existe un cuarto estado denominado plasma. Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso.


Sólidos
En los sólidos, las partículas están unidas por fuerzas de atracción muy grandes, por lo que se mantienen fijas en su lugar; solo vibran unas al lado de otras.

Propiedades:

• Tienen forma y volumen constantes.
• Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.
• No se pueden comprimir, pues no es posible reducir su volumen presionándolos.
• Se dilatan: aumentan su volumen cuando se calientan, y se contraen: disminuyen su volumen cuando se enfrían.

Líquidos
Las partículas están unidas, pero las fuerzas de atracción son más débiles que en los sólidos, de modo que las partículas se mueven y chocan entre sí, vibrando y deslizándose unas sobre otras.

Propiedades:

• No tienen forma fija pero sí volumen.
• La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.
• Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene.
• Fluyen o se escurren con mucha facilidad si no están contenidos en un recipiente; por eso, al igual que a los gases, se los denomina fluidos.
• Se dilatan y contraen como los sólidos.

Gases


En los gases, las fuerzas de atracción son casi inexistentes, por lo que las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven rápidamente y en cualquier dirección, trasladándose incluso a largas distancias.


Propiedades:

• No tienen forma ni volumen fijos.
• En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.
• El gas adopta el tamaño y la forma del lugar que ocupa.
• Ocupa todo el espacio dentro del recipiente que lo contiene.
• Se pueden comprimir con facilidad, reduciendo su volumen.
• Se difunden y tienden a mezclarse con otras sustancias gaseosas, líquidas e, incluso, sólidas.
• Se dilatan y contraen como los sólidos y líquidos.

Plasma

Existe un cuarto estado de la materia llamado plasma, que se forman bajo temperaturas y presiones extremadamente altas, haciendo que los impactos entre los electrones sean muy violentos, separándose del núcleo y dejando sólo átomos dispersos. El plasma, es así, una mezcla de núcleos positivos y electrones libres, que tiene la capacidad de conducir electricidad.


Un ejemplo de plasma presente en nuestro universo es el sol. Otros ejemplos:

Plasmas terrestres:
- Los rayos durante una tormenta.
- El fuego.
- El magma.
- La lava.
- La ionosfera.
- La aurora boreal.

Plasmas espaciales y astrofísicos:
- Las estrellas (por ejemplo, el Sol).
- Los vientos solares.
- El medio interplanetario (la materia entre los planetas del Sistema Solar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el medio intergaláctico (la materia entre las galaxias).
- Los discos de acrecimiento.

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 Tabla Periódica

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