El entendimiento de cmo funciona el cuerpo humano ha surgido tempranamente en la historia del hombre, bsicamente movido por la motivacin de crear remedios que restauren la salud desde una condicin de enfermedad. Para el tratamiento apropiado de las enfermedades y lesiones, primero debemos entender el funcionamiento del cuerpo humano en su estado sano. La Fisiologa es el estudio del funcionamiento normal de la vida de un organismo y sus componentes, incluyendo toda su qumica y los procesos fsicos, es decir la fisiologa es el estudio de cmo los organismos vivos trabajan. La fisiologa ha permitido comprender los mecanismos por los cuales el hombre camina, piensa, se emociona, se reproduce. Tambin, cmo reaccionan los tejidos, los rganos y el hombre en su totalidad, frente a cambios en el medio exterior y en el medio que rodea sus clulas. En ltima instancia, la fisiologa permite comprender cmo y por qu el hombre VIVE. En este curso revisaremos los tpicos que forman parte del estudio a nivel molecular y celular del funcionamiento de un organismo. Por ejemplo, el hombre puede ser considerado como una mquina capaz de transformar una forma de energa en otra. As, toma la energa qumica almacenada en los alimentos y la utiliza para producir calor y trabajo. Entonces, habr gasto de energa cuando el hombre realice una contraccin muscular, cuando respire, cuando su sangre circule, cuando estudie o digiera sus alimentos. Tambin se gastar energa cuando se deba mantener una diferencia de concentracin de un ion, por ejemplo, entre los dos lados de una membrana celular. Se liberar calor siempre que se realice un trabajo y tambin para mantener una temperatura corporal diferente a la del medio exterior. Niveles de organizacin En un nivel fundamental, los tomos de los elementos se unen para formar molculas. La unidad estructural ms pequea capaz de llevar a cabo todos los procesos de la vida, es la clula. Los organismos simples se componen de una sola clula, pero los organismos complejos tienen muchas clulas con diferentes especializaciones estructurales y funcionales. Las colecciones de clulas que llevan a cabo funciones relacionadas se conocen como tejidos [texere, para tejer]. Los tejidos forman unidades estructurales y funcionales conocidas como rganos [Organon, instrumento], y los grupos de rganos integran sus funciones para crear sistemas de rganos. Homeostasis Las clulas del cuerpo humano, al igual que el resto de los organismos multicelulares, viven en un ambiente fluido cuidadosamente regulado. El fluido del interior de la clula es el fluido intracelular que ocupa lo que se llama compartimiento interno y el fluido de afuera de las clulas, el fluido extracelular, que ocupa el compartimiento extracelular. Para que la vida se sostenga, el organismo debe rigurosamente mantener el volumen y composicin de los compartimientos intra y extracelulares. En gran medida, tal regulacin es el resultado del transporte a travs de la membrana celular. En l885, CLAUDE BERNARD seal que el medio en que vive el hombre no es la atmsfera que lo rodea sino, en realidad, los fluidos tisulares que baan los msculos, el cerebro y las glndulas: el extracelular. El medio interno o "mar interior" es, as, un medio aislado que protege a la clula de los cambios del mundo exterior. Los mecanismos fisiolgicos encargados de mantener la constancia del medio intracelular fueron denominados, como mecanismos homeostticos y en general, homeostasis, trmino acuado por W. Cannon.

Estado Estacionario Las molculas y los iones contenidos en un organismo vivo difieren en cuanto a sus caractersticas y a la concentracin de ellas en los diversos compartimientos del organismo. Aunque la composicin qumica de un organismo puede mantenerse prcticamente constante a lo largo del tiempo, est lejos de ser esttica. El estado estacionario corresponde a un Estado de no equilibrio de un sistema a travs del cual fluye materia y en el que todos los componentes permanecen a concentracin constante. Estado estacionario es distinto de un estado de equilibrio. Nociones de Energa Hay dos formas principales de energa: cintica y potencial. La energa cintica es la energa del movimiento, por ejemplo el movimiento de las molculas. La segunda forma, energa potencial o almacenada, es ms importante para el estudio de los sistemas biolgicos o qumicos. Termodinmica y Energa libre La produccin, el almacenamiento y el uso de energa son tan fundamentales para la economa de la clula como para el manejo de los recursos mundiales. La clula requiere energa para llevar a cabo todo su trabajo, incluso la sntesis de azcares a partir de dixido de carbono y agua en la fotosntesis, la contraccin muscular y la replicacin de DNA. La energa puede definirse como la capacidad para realizar trabajo, concepto que es fcil de comprender cuando se aplica a los motores de automviles y las plantas generadoras de electricidad. Sin embargo, cuando se considera la energa asociada con los enlaces qumicos y las reacciones qumicas dentro de la clula, el concepto de energa es menos intuitivo. La energa asociada a cada tomo y con cada enlace no es continua, sino cuntica, basada en la nube electrnica alrededor del ncleo ocupada por los orbitales de electrones. Para un tomo dado, habr una distribucin de energa cuntica, comnmente en la configuracin de energa ms baja, como lo demostr Boltzman. Dentro de cada dominio cuntico existen pequeas variaciones en la excitacin trmica. En una molcula sin embargo, no todos los enlaces estarn en su energa ms baja: pero, la molcula en su conjunto buscar su energa total ms baja, de las mltiples configuraciones posibles de atracciones y repulsiones que alterarn los ngulos y la energa de los enlaces. Mientras mayor es la molcula, mayor es el nmero de potenciales configuraciones y niveles de energa que son posibles. Debido a esto, la distribucin de energas de la molcula aparecer continua, si magnificramos lo suficientemente la naturaleza digital de esas configuraciones moleculares ellas se revelaran. Para aquellos tomos especiales que responden a una frecuencia particular de la radiacin electromagntica, ellos pueden tener un electrn en el orbital de mayor energa. Esto ocurre en los sistemas fluorescentes y fosforescentes y las molculas en las cuales un enlace particular es sensible a una frecuencia electromagntica particular. El mundo biolgico est sujeto a las leyes de la fsica. Cada uno de los procesos vivos o no, obedecen a las leyes de la termodinmica. Los sistemas biofsicos en los organismos vivos deben tener una entrada constante de energa para permanecer con vida, alcanzan el equilibrio trmico despus de la muerte. La energa se distribuye por todo el universo y es necesario considerar la energa total del universo para algunos propsitos, por al menos de manera terica. Normalmente, sin embargo, estamos interesados no en el universo en su conjunto sino en una pequea porcin de l. Podramos, por ejemplo, ocuparnos de una reaccin o proceso que ocurriera en un vaso de precipitados con productos qumicos, en una clula o en un bloque de metal. Por convencin, la porcin limitada de universo que uno desea considerar en el momento se denomina sistema y al resto del universo entorno. A veces, el sistema tiene una frontera natural, como un vaso de precipitados de vidrio o la membrana de una clula. En otros casos el sistema y su entorno es una hiptesis que uno slo utiliza por comodidad en la discusin, como es la frontera imaginaria alrededor de un mol de molculas de glucosa en una solucin. Los sistemas pueden ser abiertos o cerrados, dependiendo de si pueden o no intercambiar energa con su entorno. Un sistema cerrado est aislado de su entorno y no puede recibir ni liberar energa en ninguna forma. Un sistema abierto, por lo tanto, puede recibir o perder energa. Los niveles de organizacin que muestran ordinariamente los sistemas biolgicos son solo posibles debido a que las clulas y organismos son sistemas abiertos, capaces tanto de la captacin como de la liberacin de energa.

Los sistemas biofsicos no pueden crear ni destruir energa, pero ellos pueden manipular energa para realizar trabajo o alterar la energa interna de los sistemas. Los procesos biofsicos alejados del equilibrio producirn un aumento en la entropa del universo y esto ocurre por el ordenamiento del ambiente local. Por ejemplo cuando los diferentes aminocidos son transferidos a un RNA de transferencia y luego a un pptido en sntesis. Durante un proceso de sntesis por ejemplo, como el mencionado, ocurrir la mayor disminucin en la energa del universo. La diferencia en esas energas es el cambio de entropa. Las leyes de la termodinmica siempre aparecen en la discusin de los procesos biolgicos (biofsica). El entendimiento de esas leyes permitirn el entendimiento de la energa de absorbancia; la formacin de enlaces, la difusin de los iones, el flujo de los fluidos, la contraccin muscular y docenas de otros procesos posibles. Proceso. (Del lat. processus). 3. m. Conjunto de las fases sucesivas de un fenmeno natural o de una operacin artificial. La energa interna de un sistema es la suma de diferentes estados que comprenden ese sistema. En el mundo de la qumica, hay diferentes vas en la cual la energa interna de un sistema se puede subdividir, incluyendo la entalpa y la energa libre de Helmoltz. Al discutir la energa de un sistema fisiolgico, la energa libre de Gibbs es la ms relevante. En su nivel ms fundamental, la energa Libre de Gibbs dG es: G = H - TS (Ecuacin 1) Donde H es la entalpa y S la entropa. Dado que el valor exacto de S no se puede conocer, se estudia el cambio en la energa libre de Gibbs dG: (Ecuacin 2) Esta ecuacin de enormes proporciones es ms compleja que la energa libre de Gibbs molar de reaccin (ecuacin 3), familiar para ustedes desde sus clases de bioqumica y que revisaremos en esta clase. (Ecuacin 3) Donde R es la constante molar de los gases y Keq es la constante de equilibrio. La ecuacin de energa libre de reaccin es un subconjunto de la ecuacin grande de la energa libre de Gibbs, la ecuacin se deriva suponiendo que la presin, la temperatura, la longitud y la carga son todos constantes y por lo tanto la ecuacin se reduce solo hacia el enunciado relacionado al potencial qumico del sistema. La reduccin en la ecuacin se debe al modo de operar de la ciencia experimental, que consiste en mantener diversas variables constantes, excepto la variable que interesa medir. Se intenta minimizar el efecto de fuerzas externas que alteren nuestros resultados. Estas fuerzas se manifiestan en si mismas como un sistema de ruido. La energa de los sistemas biofsicos, entonces, tiene muchas formas. Incluso mientras nos centramos en elementos individuales, es importante tener en cuenta que otros elementos a veces pueden jugar un papel, incluso los imprevistos.

La constante de equilibrio Keq, es la relacin entre las concentraciones de los productos y los reactantes en equilibrio. En una reaccin general en la que A se convierte reversiblemente en B, la constante de equilibrio es simplemente la relacin de las concentraciones de equilibrio A y B: Donde [A]eq y [B]eq son las concentraciones de A y B, en moles por litro, cuando la reaccin est en equilibrio a 25C. Si se conoce la constante de equilibrio para una reaccin, se puede decir con facilidad si una mezcla especfica de productos y reactantes est en equilibrio, y si no, cun alejada del equilibrio est y en qu direccin debe desplazarse para alcanzar ese equilibrio. La expresin que asocia un cambio de energa libre de una reaccin y su constante de equilibrio es la siguiente: Donde G corresponde al cambio de energa libre en condiciones estndar, es decir a 20C y 1atm de presin. R y T corresponden a la constante de gases y temperatura respectivamente. Debido a que las reacciones qumicas o procesos biolgicos ocurren frecuentemente a diferentes temperaturas, la expresin general del cambio de energa libre utilizada en un laboratorio (G) es la siguiente: