Biomecánica.

El cuerpo humano es una máquina perfecta que produce movimiento y puede desplazarse de un punto a otro mediante la transformación de energía. Se mueve en un determinado espacio y tiempo que permite pueda realizar un sinfín de movimientos y actividades que son parte de la vida diaria de cada individuo. Estas actividades están encaminadas al bienestar y confort personal, sin profundizar más allá del movimiento como termino aislado. Por lo tanto sabemos que el cuerpo puede moverse, pero muchas veces desconocemos como se mueve.

La Biomecánica del cuerpo humano se define como la interdisciplina que describe, analiza y asesora las estructuras de carácter mecánico que existen en el cuerpo humano. Es un área del conocimiento que se apoya en diversas ciencias básicas y biomédicas como la mecánica, ingeniería, anatomía, fisiología y otras, para estudiar el comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a las que se somete.

La Biomecánica se divide en dos componentes que forman parte muy estrecha de su estudio:

• La cinemática: que describe propiamente los movimientos, sitúa a los cuerpos en el espacio y detalla sus movimientos basándose en los desplazamientos, las velocidades y aceleraciones. En éste componente no se toman en cuenta las fuerzas que lo provocan. Las variables utilizadas son desplazamiento, velocidad y aceleración.
• La cinética: Contrario a la cinemática, la cinética estudia las fuerzas que provocan en movimiento. Las variables utilizadas son masa, fuerza y energía.

Conceptos básicos de biomecánica.

Resistencia muscular (fuerza resistencia): capacidad para repetir acciones musculares, o para mantener una acción estática. Cambia con el entrenamiento. 

Elasticidad: Capacidad de recuperar la forma original de un cuerpo cuando ha sido sometido a una deformación

Fuerza: Es toda acción capaz de cambiar el estado de reposo o de movimiento, o de producir en él alguna deformación.

Generación de fuerza.

Depende de : 

• Número de unidades motoras activadas 
• Tipo de unidades motoras activadas 
• Tamaño del músculo 
• Longitud del músculo al iniciar el movimiento: máxima alrededor de un 20 % más que en la posición de reposo. La base molecular es que en esta situación el número de puentes cruzados que se puede formar es máximo. 
• Ángulo de la articulación.
• Velocidad de acción del músculo. Depende del tipo de esfuerzo. Para un movimiento concéntrico la fuerza máxima decrece a velocidades altas. Para un movimiento excéntrico aplica lo contrario. 

Disciplinas relacionadas con la biomecánica.

• Física 
• Estática
• Mecánica
• Cinética 
• Dinámica 
• Cinemática

Características de una fuerza. 

Las características de una fuerza son: 

• Magnitud 
• Linea de acción 
• Dirección
•  Punto de aplicación La fuerza se considera una cantidad vectorial porque tiene magnitud y dirección y por lo tanto puede representarse por un vector.

Fuerzas naturales:

• Gravitatorias. 
  
• Eléctricas 
• Magnéticas. 
• Fuerza nucleares fuertes. 
• Fuerza nucleares débiles. 

Seminario No.3 Contracción muscular.

Concepto de sarcolema.

El sarcolema es una fina membrana que envuelve a una fibra musculoesquelética. Formada por una membrana celular verdadera, denominada  membrana plasmática, y una cubierta externa formada por una capa delgada de material polisacárido que contiene numerosas fibrillas delgadas de colágeno. 

En cada uno de los dos extremos de la fibra muscular la capa superficial   del sarcolema se fusiona con una fibra tendinosa. Las fibras tendinosas a su vez se agrupan en haces para formar los tendones musculares, que después insertan los músculos en los huesos. Las miofibrillas están formadas por filamentos de actina y miosina.

Cada fibra muscular contiene varios cientos a varios miles de miofibrillas. Cada miofibrilla está formada por aproximadamente 1.500 filamentos de miosina y 3.000 filamentos de actina adyacentes entre  sí, que son grandes moléculas proteicas polimerizadas responsables de la contracción muscular real.

Fibras blancas y Fibras rojas. 

Características	Fibras Blancas	Fibras Rojas
Vascularización	Muy poca o escaza	Abundante
Inervación	Por fibras más grandes	Por fibras pequeñas
Diámetro	Grande	Pequeño
Contracción	Rápida, pero con fatiga	Lenta y repetida, no se fatiga con facilidad
Retículo sarcoplásmico	Extenso	No extenso
N° de mitocondrias	Pocas	Numerosas
Mioglobina	Poca	Abundante (estas les dan el color rojo a estas fibras)
Enzimas oxidativas	Pocas (++fosforilasas y trifosfatasa de adenosina)	-Trifosfato de adenosina
Localización	En las zonas del sistema muscular donde se necesitan realizar actividades de fuerza y no de resistencia. En los brazos y piernas	Se encuentra mayormente en el tronco, es decir, en los músculos que controlan la postura
Función	Es producir fuerza y velocidad de reaccionar	Es dar forma, grosor e inserción (palancas) a los músculos

Tipos de contracción.

• Isométrica: el músculo se contrae y su longitud no varía, solo cambia la tensión. 
• Isotónica: el músculo varía su longitud pero se mantiene constante la Fuerza durante la contracción. 
• Auxotónica: varían tanto la longitud como la fuerza. 
• Isocinética: Contracción máxima a una velocidad constante en toda la gamma de movimientos. 
• Tetánica: En estas acciones el músculo siempre se contrae pero puede o no cambiar de longitud.

Pasos de la Contracción Muscular.

1.  El impulso nervioso viaja por la motoneurona. 
2. Se libera Ach en el espacio intersináptico. 
3. La Ach se une a R Nicotínicos de la familia de canales de Na+ . 
4.  Se produce la apertura de canales de Na+ . Se propaga por el sarcolema. 
5. El P.A. llega a los túbulos T abriendo canales de Ca+2 del retículo sarcoplásmico. 
6. El Ca+2 se une a la Troponina C.

Teoría del desplazamiento.

Dícese de la teoría que explica la forma en que se contraen los músculos; cada sarcómero (unidad funcional del músculo) contiene filamentos finos (actina) y gruesos (miosina) superpuestos que se interconectan mediante puentes cruzados.

Según la teoría, el acortamiento de la longitud de una sarcómero se produce por los dos tipos de filamentos que se deslizan unos sobre otros mediante un mecanismo parecido al rachet de los puentes cruzados; las grandes fuerzan intermoleculares entre la cabeza de miosina y el puente cruzado provocan la inclinación de la cabeza. 

Mediante este deslizamiento de potencia, los filamentos finos se introducen entre los filamentos gruesos de cada sarcómero. La contracción se desencadena por un impulso nervioso estimulador que provoca que un potencial de acción se extienda por la sarcómero. El potencial de la acción genera la liberación de iones de calcio en torno a los filamentos, y los puentes de miosina se unen a los filamentos de actina (en ausencia de calcio, los puntos de unión quedan bloqueados por la tropomiosina). El adenosintrifosfato aporta la energía necesaria para el mecanismo rachet (complejo troponina-tropomiosina).

1.  Papel del ATP en la Contracción Muscular.

La contracción muscular depende de la energía que aporta el ATP, aunque son necesarias cantidades pequeñas para:

• Bombear iones calcio desde el sarcoplasma hacia el interior del retículo sarcoplásmico después de que haya finalizado la contracción.
• Para bombear iones sodio y potasio a través de la membrana de la fibra muscular para mantener un entorno iónico adecuado para la propagación de los potenciales de acción de la fibra muscular.

La contracción de ATP en la fibra muscular es suficiente para mantener la contracción completa durante sólo 1 a 2 s como máximo. El ATP se escinde para formar ADP, que transfiere la energía de la molécula de ATP a la maquinaria contráctil de la fibra muscular.

 Regulación de la contracción Muscular.

El proceso completo se denomina mecanismo de contracción muscular y se puede resumir en tres pasos:

1.    Un mensaje viaja desde el sistema nervioso hasta el sistema muscular, y desencadena reacciones químicas.   
2. Las reacciones químicas hacen que las fibras musculares se reorganicen de manera que acortan el músculo; esa es la contracción.  
3. Cuando la señal del sistema nervioso ya no está presente, el proceso químico se revierte y las fibras musculares se reordenan nuevamente y se relaja el músculo.

      Efecto Fenn y como se aplica a la contracción muscular.

Durante el proceso de contracción se escinden grandes cantidades de ATP para formar ADP; cuanto mayor sea la magnitud del trabajo que realiza el músculo, mayor será la cantidad de ATP que se escinde, lo que se denomina Efecto Fenn, es decir a mayor trabajo efectuado por el músculo, mayor será el consumo de ATP. 

Contracción tetánica:  

Sucede cuando al músculo le llega un tren de potenciales de acción, como consecuencia hay una contracción mantenida. En el movimiento hay un código de frecuencias de potenciales de acción con sus pausas para que eso sea ordenado. 

Ø    Sacudida Muscular:

    Ocurre cuando al músculo le llega un solo potencial de acción y como consecuencia produce una concentración ( sacudía muscular), por la insuficiencia de Ca y Mg, por el estrés, ansiedad  y también ataques de pánico.

ØFatiga Muscular:  

   La fatiga muscular, se da mediante las alteraciones del pH, de la temperatura y del flujo sanguíneo, la acumulación de productos del metabolismo celular (especialmente de los que resultan de la hidrólisis del ATP, como el ADP, AMP, IMP, Pi y amonio), la pérdida de la homeostásis del ion Ca2+, el papel de la cinética de algunos iones en los medios intra y extracelular (como el K+, Na+, Cl- Mg2+), la lesión muscular (inducida por el ejercicio) y el stress oxidativo ,  Otro factor habitualmente discutido, como posible causa de la fatiga, es el acumulo de lactato o acidosis metabólica, inducida por el ejercicio de alta intensidad y de corta duración .

Contracción muscular.

Definición. 

Es un tejido contráctil formado por células llamadas fibras musculares que ejercen tracción mediante tendones sobre un sistema de palancas articuladas (huesos y articulaciones) 
Tipos: 

• Músculo esquelético.

• Músculo cardíaco. 

• Músculo liso.

Filamentos gruesos y delgados.

• Filamentos delgados: Actina, Tropomiosina, Troponina: T, C, I 

• Filamentos gruesos: Miosina.

*La característica molecular más importante desde el punto de vista de la rapidez o lentitud de una fibra es el tipo de miosinas (cabeza) que tiene y la velocidad a la que la ATPasa de la miosina hidroliza el ATP

Propiedades del Tejido Muscular.

• Excitabilidad o Irritabilidad: Capacidad de recibir y responder a un estímulo (un neurotransmisor produce un impulso eléctrico y una contracción). 
• Contractilidad: Capacidad de contraerse o acortarse. 
• Extensibilidad: Capacidad de ser extendido o estirado. 
• Elasticidad: Capacidad de recuperar su longitud original tras ser estirado.

Evento mecánico de la contracción muscular.

1. El Ca+2 se une a la Troponina C que en el músculo en reposo se encuentra unida a la Actina. El Ca+2 debilita la interacción Actina Miosina y deja libre los sitios de Actina. 
2. Las cabezas de Miosina interactúan con Actina.
3. Las cabezas hidrolizan ATP y se vuelven rígidas, se distorsionan y provocan el GOLPE DE FUERZA. 
4. Las cadenas ligeras se desplazan sobre las gruesas.

Bioelectricidad.

Es una rama de las ciencias biológicas que estudia los fenómenos consistentes en la producción de campos eléctricos producidos por seres vivos.

Electrostática

Es el área de la física que se encarga de estudiar fenómenos asociados a cargas eléctricas en reposo.

La electrostática es el punto de partida para el estudio del fenómeno de la Electricidad.

Electrodinámica. 

Parte de la física que estudia las cargas eléctricas en movimiento y los fenómenos que da origen el movimiento de las cargas eléctrica.

Carga

• Propiedades intrínseca de electrones y protones. 
• Puede ser positiva o negativa.

Diferencia de potencial. 

• La diferencia de potencial entre A y B se relaciona con la diferencia de energía asociada al movimiento de carga entre los puntos A y B, bajo la influencia de un campo eléctrico: Δ VAB = ΔE / q 
• Cuando la energía asociada al desplazamiento de 1 Coulomb es de 1 Joule, la diferencia de potencial es 1 volt Volt = Joule/Coulomb

Ecuación de Nernst.

Se utiliza para calcular el potencial de membrana, antes las variaciones en las concentraciones de electrolíticos, como por ejemplo: Diarreas, Vómitos, o cualquier condición que lleve a deshidratación. (concentración 1 M, presión de 1 atm, temperaturas 298 K).

Equilibrio de Gibbs Donnan.

Es el equilibrio que se produce entre los iones que pueden atravesar la membrana y los que no son capaces de hacerlo.

Corriente eléctrica. 

Es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material.

Conductancia (g).

• Permeabilidad del ion se expresa como inversa a la resistencia.
• La unidad de conductancia es el siemens (S).

Capacitor.

Estructura que puede almacenar cargas, el cual está formado por dos láminas conductoras separadas por un material aislante, ejemplo una membrana.

El cuerpo humano como resistencia eléctrica.

El cuerpo humano actúa como una resistencia eléctrica, como la oposición al paso de dicha corriente cuya unidad de medida es el Ohm y que además, en caso de una descarga eléctrica, dicha corriente buscaría el menor camino de resistencia en el cuerpo (tejido, piel, músculos, etcétera), teniéndose por lo regular una salida en extremidades como son los brazos y pies, etc.

Potencial de membrana.

Es la diferencia de potencial en ambos lados de una membrana que separa dos soluciones de diferente concentración de iones.

El potencial, por ende, estará determinado por el ion con mayor permeabilidad.

Termodinámica.

¿Qué es?

• 
  Es una rama de la física que estudia las relaciones entre el calor y las demás formas de energía. Estudia los procesos de intercambio, transformación y circulación de la energía en los procesos naturales y de origen humano. 
• Es indispensable para comprender procesos en los organismos vivos, tales como la producción de trabajo por el músculo, las fotosíntesis, la concentración de solutos por parte del riñón, etc., todos regidos por relaciones termodinámicas. 
• La termodinámica trata fundamentalmente de las transformaciones de calor en trabajo mecánico y de las transformaciones opuestas de trabajo mecánico en calor.

Bioenergética. 

Especialidad de la termodinámica que estudia de forma cuantitativa las transducciones de la energía en los organismos vivos y los mecanismos mediante los cuales los estos adquieren, almacenan, utilizan y liberan la energía.

Importancia médica. 

Nos permite interpretar eventos Fisiológicos: 

• Producción – Eliminación de Calor Corporal. 
• (Hipertermias – Hipotermias). 
• Anabolismo: Síntesis de macromoléculas. 
• Metabolismo Energético: Uso y producción de Energía a partir de alimentos. (Calorías). 
• Contracción Muscular.

Conceptos básicos de termodinámica. 

Sistema: Es la porción de universo que tomamos como objeto de estudio. 

Existen tres tipos de sistemas: 

• Sistemas aislados: No tienen intercambio con el exterior. 
• Sistemas cerrados: Solo intercambian energía con el exterior. 
• Sistemas abiertos: Intercambian energía y materia. 

Estado de un sistema: Es el conjunto de propiedades que permiten definirlo.

SISTEMA + ENTORNO= UNIVERSO

Funciones termodinámicas y sus variaciones. 

Funciones:

a) Energía interna, (U) 

b) Entalpía, (H) 

c) Entropía, (S) 

d) Energía libre.(G)

Variaciones: 

• Cuando un sistema se transforma en otro las funciones termodinámicas tienen valores diferentes U’, H’, S’, F’. 
• La reacción va acompañada entonces de una variación de energía interna ΔU =U’ – U; de una variación de entalpía ΔH = H’ – H; de una variación de entropía ΔS = S’ – S; de una variación de la energía libre ΔG =G’ –G.

Energía total de un sistema. 

• La suma de todas las formas de energía de un sistema se denomina energía total, la cuales son la suma de las energía
  s cinética, potencial e interna.
• La energía interna representa la energía molecular de un sistema (energía de las moléculas, sus interacciones, energía de protones, etc.) 

Homeostasis celular.

La homeostasis celular, por su parte, mantiene la regulación de una cantidad de variables, que incluyen el volumen celular, la osmolaridad, el pH, el potencial de membrana y las concentraciones de electrolitos, de proteínas, de nutrientes, de colesterol, de oxígeno y de especies reactivas del oxígeno.

Funciones de las membranas celulares.

1. Delimitan compartimentos controlando así su composición (barrera selectiva). 
2. Permiten el transporte selectivo de moléculas y iones de un compartimiento a otro. 
3. Participan en la transducción de señales (comunicación), participan en la producción de energía. 
4. Protección celular. 

Características del modelo mosaico fluido.

1. Es una bicapa lipídica. 
2. La membrana esta compuesta 55% proteínas, 40% lípidos y 5% carbohidratos. 
3. Las Proteínas de membranas se dividen en integrales que atraviesan ambas capas y periféricas que se ubican en solo una capa.
4. Los lípidos principales son: fosfolípidos, colesterol y ácidos grasos. 
5. La membrana es asimétrica, fluida y dinámica. 
6. Tiene 4 tipos de movimientos: lateral, flipflop. Rotación y vertical.

Composición y estructura de la bicapa lipídica.

Todas las membranas celulares contienen lípidos anfipáticos (parte polar y otra hidrofóbica). 

-Fosfolípidos; están constituidos por una cabeza polar y dos cadenas o colas hidrocarbonadas. 

La mayor parte de los fosfolípidos de membrana son fosfoglicéridos. 

-Los más importantes son: fosfatidiletanolamina (PE) fosfatidilcolina (PC) fosfatidilserina (PS) 

-Los esfingolípidos; tienen un esqueleto de esfingosina en lugar de glicerol. El más común es el fosfolípido esfingomielina (SM).

-Glicolípidos; son los que tienen uno o más residuos de azúcares. Tienen un esqueleto de esfingosina, son esfingolípidos.

Factores de estabilidad de la bicapa.

Depende de las interacciones hidrofóbicas, las interacciones de Van der Waals entre las cadenas hidrocarbonadas que favorecen el empaquetamiento de las colas. También contribuyen los enlaces de hidrógeno e interacciones electrostáticas entre las cabeza polares y el agua.

En las bicapas de fosfolípidos puros éstos no migran (flip-flop) de una monocapa a otra (flipasas). Las moléculas de lípidos en cada monocapa están en continuo movimiento difundiendo.

Balsas lipídicas.

La membranas poseen regiones de mosaico fluido y zonas con microdominios transitorios o balsas lipídicas. Contienen esfingolípidos, colesterol y algunas proteínas de membrana que se organizan en fases líquidas ordenadas. 

• Función: Las balsas pueden servir de portal de entrada a varios patógenos y toxinas, como el virus de inmunodeficiencia 1 (HIV1).

Seminario No.2 Equilibrio ácido base.

Nuestro organismo es capaz de sobrevivir gracias a la cantidad de procesos que trabajan en conjunto, por eso es que el equilibrio ácido base es uno de esos mecanismos importantes. Siendo este el encargado de eliminar el exceso de ácidos o bases, evitando así que se produzcan trastornos como la alcalosis y la acidosis.

• Un ácido es una sustancia que es capaz de liberar iones de hidrógeno (H+) en una solución. Sin embargo, también se considera como un ácido una sustancia que puede recibir un par de electrones. 
• En cuanto a la base, esta se considera como una sustancia capaz de disociar iones de hidróxido (OH-) en una solución. Además, también son consideradas aquellas sustancias capaces de donar un par electrones.

El equilibrio ácido-base del organismo es esencial para tener buena salud. Diversas reacciones enzimáticas dependen del mantenimiento en un estrecho límite del pH de los medios extra e intracelulares. Una ruptura de este equilibrio puede ser el origen de numerosos problemas de salud. 

Ácido y Base según Arrhenius, Bronsted y Lewis.

Arrhenius: 

• Ácido: Es toda sustancia que en solución acuosa produce iones hidrógeno.
• Base: Sustancia que en solución acuosa Produce iones hidróxido. 

Bronsted: 

• Ácido: Es un ion que cede un protón.
• Base: Es un ion que acepta un protón. 

Lewis: 

• Ácido: Sustancia que acepta un par de electrones y se llama electrófilo.
• Base: Sustancia que cede un par de electrones y se llama nucleófilo. 

Ácidos Fuertes y Ácidos Débiles.

• Ácidos fuertes: Se disocian completamente cuando se disuelven en agua, por tanto, ceden a la solución una cantidad de iones H+. Ejemplo: ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido perclórico.
• Ácidos débiles: no se disocian completamente con el agua, es decir, liberan una parte pequeña de sus iones H+. Los ácidos débiles no suelen causar daños en bajas concentraciones, pero por ejemplo el vinagre concentrado puede causar quemaduras. Ejemplo: Ácido acético, ácido nitroso, ácido fosfórico.

pH de los siguientes tejidos y líquidos Biológicos.

• Saliva: 6.5 – 7.5 
• Jugo gástrico: 1 – 3 
• Orina: 4.6 – 8
• Sangre: 7.35 – 7.45 
• Lágrimas: 7.45 – 7.5 
• Piel: 4.5 – 5.9
• Hombres: 4.8 
• Mujeres: 5 

Cuando el pH de una sustancia o tejido cambia, ya sea aumentando o disminuyendo; se vuelve más alcalina en el primer caso y más ácida, en el segundo.

¿Cómo está formada una disolución amortiguadora o tampón?

Una solución amortiguadora o tampón es aquella compuesta por una mezcla de ácido débil con su base conjugada. Su principal característica es que mantiene estable el pH de una disolución ante la adición de cierta cantidad de ácido o base fuerte. 

Están formadas por: 

• Disoluciones de ácido débil + sal de dicho ácido débil con catión neutro. Ejemplo: ácido acético + acetato de sodio. 
• Disoluciones de base débil + sal de dicha base débil con anión neutro. Ejemplo: amoniaco y cloruro de amonio.

¿Cómo actúa un Buffer para mantener el Equilibrio ácido base?

Cuando el pH disminuye, el bicarbonato toma lo protones libres. Así, el equilibrio se desplaza hacia el H2CO3, que a su vez, mediante la reacción catalizada por la anhidrasa carbónica (glóbulos rojos), cede una molécula de H2O y se convierte en CO2, el cual se elimina a través de los pulmones. Por el contrario, si el pH de la sangre aumenta, se forma HCO3- a partir de H2CO3, lo que conduce a mayor captación de CO2. 

Las concentraciones de HCO3- y de H+ también se pueden controlar por mecanismos fisiológicos a nivel renal. El riñón puede eliminar protones uniéndolos a amoniacos o fosfatos y mantiene la concentración de bicarbonato mediante re absorción o regeneración del mismo.

Acidosis láctica, y porque afecta a los atletas durante el ejercicio.

Se refiere al ácido láctico que se acumula en el torrente sanguíneo. El ácido láctico se produce cuando los niveles de oxígeno disminuyen en las células dentro de las áreas del cuerpo en las que se lleva a cabo el metabolismo.

Esta acidosis influye en los deportistas y atletas de forma clara en la fatiga muscular, afectando la función contráctil proteínica, la regulación del calcio y el metabolismo muscular. Por otra parte, y dado que las demandas metabólicas del ejercicio de alta intensidad son cubiertas predominantemente mediante la degradación anaeróbica de la glucosa, este proceso produce ácido láctico, por lo que ocurre el consecuente descenso del pH de los músculos que se ejercitan (Edington y cols., 1976). La fatiga muscular, pues, está asociada entre otros aspectos, a un rápido incremento en la producción de ácidos metabólicos. La tolerancia al ejercicio de alta intensidad puede estar limitada por la capacidad del organismo para amortiguar el descenso del pH intracelular (músculo) y extra celular (sangre), esto es, el sistema buffer intrínseco. En definitiva, los esfuerzos máximos producen un desequilibrio ácido-base en el organismo, ante lo cual éste posee intrínsecamente una capacidad para luchar contra la acidosis, esto es el sistema buffer o de amortiguación.

Principio de Le Chaterlier.

Establece que si se presenta una perturbación externa sobre un sistema en equilibrio, el sistema se ajustará de tal manera que se cancele parcialmente dicha perturbación en la medida que el sistema alcanza una nueva posición de equilibrio.