Introducción a la Biofísica, Bioquímica y Termodinámica Biológica

Conjunto de fichas didácticas basadas en conceptos de Biofísica, Bioquímica y Termodinámica Biológica aplicados al ámbito clínico de la Podología.

Biofísica

Disciplina científica que aplica los principios y leyes de la Física al estudio de los seres vivos, investigando cómo las fuerzas, movimientos, energía y presión determinan la estructura y función de los organismos biológicos.

Bioquímica

Estudio de las reacciones químicas y los procesos moleculares que tienen lugar en los sistemas biológicos, centrándose en la estructura, función y rutas metabólicas de biomoléculas como proteínas, lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos.

Biofísica Molecular

Subdisciplina de la biofísica que investiga la dinámica de las proteínas y los procesos de plegamiento de enzimas a escala nanométrica.

Biofísica Celular

Subdisciplina de la biofísica enfocada en los procesos físicos a nivel celular, tales como la ósmosis, los potenciales de membrana y el transporte de sustancias.

Módulo de Young de la fascia plantar

Parámetro biofísico de elasticidad y rigidez de la fascia plantar cuyo valor es de aproximadamente $1\text{ a }2\text{ GPa}$, similar al del tejido tendinoso.

Bioquímica Metabólica

Área de la bioquímica dedicada al estudio de las rutas químicas de síntesis y degradación de moléculas, incluyendo la glucólisis, el ciclo de Krebs y la $\beta$\text{-oxidación} de grasas.

Hidrólisis del ATP

Reacción química en la que la rotura de un enlace fosfoanhídrido del adenosín trifosfato ($\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_i$) libera una energía libre utilizable de \Delta G^\circ' \approx -30.5\,\text{kJ/mol}.

Primera Ley de la Termodinámica

Principio de conservación de la energía que establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma (por ejemplo, transformación de energía química de alimentos en trabajo mecánico y calor en el pie).

Segunda Ley de la Termodinámica

Principio físico que establece que la entropía ($S$) o desorden del universo siempre aumenta en todo proceso espontáneo, obligando a las células vivas a gastar energía continuamente para mantener su orden interno.

Entropía ($S$)

Magnitud termodinámica que mide el grado de desorden de un sistema; en podología, una baja entropía representa un tejido u órgano sano u ordenado, mientras que una alta entropía representa desintegración tisular o necrosis.

Energía Libre de Gibbs ($\Delta G$)

Parámetro termodinámico expresado como $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$ que determina la disponibilidad de energía para realizar trabajo e indica la espontaneidad de una reacción biológica ($\Delta G < 0$ indica espontaneidad).

Reacción Endergónica

Reacción química no espontánea con un $\Delta G > 0$ que requiere el aporte continuo de energía externa (como la hidrólisis de ATP) para poder llevarse a cabo.

Reacción Exergónica

Reacción química espontánea que transcurre con una variación de energía libre negativa ($\Delta G < 0$), liberando energía utilizable por la célula.

Reacciones Acopladas

Mecanismo metabólico celular donde una reacción endergónica no espontánea ($\Delta G > 0$) se combina con una reacción fuertemente exergónica ($\Delta G < 0$), como la rotura de ATP, de modo que el balance energético global sea negativo ($\Delta G_{\text{total}} < 0$).

Creatina Fosfato

Molécula de reserva rápida en el músculo que dona un grupo fosfato al ADP para regenerar ATP de forma inmediata durante los primeros $1\text{ a }10\,\text{segundos}$ de ejercicio intenso.

Bomba $\text{Na}^+/\text{K}^+\text{-ATPasa}$

Transportador activo transmembrana que consume entre el $20\%$ y $30\%$ del ATP corporal total para expulsar $3\,\text{Na}^+$ e introducir $2\,\text{K}^+$, manteniendo el gradiente electroquímico celular.

Eficiencia energética de la marcha

Proporción de transformación de la energía química del ATP durante la marcha humana, donde solo el $20\%$ se convierte en trabajo mecánico eficiente y el $80\%$ restante se disipa como calor.

In vitro

Método de estudio experimental realizado en tubos de ensayo o recipientes aislados, ofreciendo máximo control de variables y repetibilidad, aunque no refleja completamente el ambiente fisiológico celular.

In vivo

Método de estudio llevado a cabo directamente en un organismo vivo completo, como el análisis de la marcha humana sobre una plataforma de fuerzas.

Ex vivo

Técnica experimental que utiliza tejidos extraídos de un organismo pero mantenidos vivos funcionalmente mediante perfusión con nutrientes, logrando un balance entre realismo fisiológico y control de laboratorio.

Modelado Computacional (FEM)

Simulación matemática mediante el Método de Elementos Finitos empleada para predecir comportamientos mecánicos, tensiones y distribución de cargas en las estructuras del pie a bajo costo.

Tropocolágeno

Unidad estructural básica del colágeno formada por una triple hélice ordenada de tres cadenas polipeptídicas de $1.5\,\text{nm}$ de diámetro, cuya síntesis adecuada requiere aminoácidos prolina e hidroxiprolina y vitamina C.

Homeostasis

Propiedad fundamental de los seres vivos que consiste en el mantenimiento de un equilibrio dinámico interno constante, regulando variables como la temperatura ($\sim 33^\circ\text{C}$ en el pie) y el pH ($7.4$).

Sistema en NO-Equilibrio

Estado termodinámico característico de la vida en el que $\Delta G \neq 0$, requiriendo un aporte continuo de ATP para mantener estructuras ordenadas y prevenir la llegada al equilibrio espontáneo (muerte celular).

Fascitis Plantar (Mecanismo Integrado)

Patología clínica en la que la sobrecarga mecánica genera microlesiones en la fascia plantar (biofísica) y desencadena la síntesis local de citoquinas e intermediarios inflamatorios (bioquímica) que consumen elevada energía para su reparación.

Pie Diabético (Fisiopatología Energética)

Condición patológica donde la falta de captación celular de glucosa genera un déficit crítico de ATP, provocando la degeneración de fibras nerviosas (neuropatía) e imposibilitando los procesos bioquímicos de cicatrización tisular.

Glucólisis

Ruta metabólica anaeróbica de degradación rápida de la glucosa en el citosol que proporciona un rendimiento neto de $2\,\text{ATP}$ por molécula de glucosa consumida.

Ciclo de Krebs

Ruta metabólica aeróbica de velocidad intermedia localizada en la matriz mitocondrial que oxida Acetil-CoA liberando electrones para generar aproximadamente $10\,\text{ATP}$ por ciclo.

$\beta$\text{-Oxidación}

Ruta metabólica aeróbica de desarrollo lento que degrada ácidos grasos en la mitocondria, produciendo un rendimiento elevado de aproximadamente $125\,\text{ATP}$ por molécula de ácido graso durante estados de reposo o ejercicio prolongado.

Irritabilidad

Propiedad fundamental de los organismos vivos de responder frente a estímulos físicos o químicos; en el pie se ejemplifica en la respuesta de los mecanorreceptores de la piel ante la presión y vibración.