Biofísica Veterinaria: Resumen de Bioóptica, Bioacústica, Radiaciones y Biorreología

Potencial de Membrana y Electrogénesis

• Potencial de Membrana en Reposo y Excitabilidad:

  • El potencial de membrana en reposo de las células marcapasos es de $-60\,mV$.
  • Al recibir un estímulo (excitación), se observa una baja permeabilidad al potasio y una entrada lenta de sodio.
  • La entrada de sodio permite que el potencial alcance el potencial umbral de $-40\,mV$.
  • Despolarización: Al llegar al umbral, se abren canales para el calcio. La carga sube hasta un pico máximo de casi $+10\,mV$.
  • Repolarización: Los canales de potasio se inactivan, seguidos por un eflujo (salida) de potasio, regresando al potencial de reposo.
  • Ausencia de Hiperpolarización: En estas células no ocurre hiperpolarización.

• Células de Trabajo Cardíaco:

  • El potencial de membrana en reposo es mucho más negativo, de $-90\,mV$.
  • Despolarización: Ocurre por la apertura de canales de sodio.
  • Meseta: Es un lapso corto de tiempo causado por un influjo lento de calcio (canales tipo L) que compensa el eflujo de potasio (entrada y salida de cargas positivas). Cuando los canales de calcio se inactivan, solo sale potasio, haciendo el potencial más negativo.
  • Final del proceso: El potencial cae bruscamente para regresar al reposo. Tampoco presentan Hiperpolarización.

Métodos de Electrodiagnóstico

• Electromiografía (EMG):

  • Registra la actividad eléctrica del músculo en un tubo de rayos catódicos.
  • Se utiliza el electromiograma como registro.
  • El uso de electrodos de aguja permite registrar la actividad de fibras musculares únicas.

• Electromioencefalografía (EEG):

  • Registra las variaciones de potencial en el encéfalo (electroencefalograma).
  • Los electrodos se colocan sobre el cuero cabelludo, la superficie del encéfalo o dentro de él.
  • El registro puede ser de tipo bipolar o unipolar.

• Electrocardiograma (ECG):

  • Registro de los potenciales eléctricos generados por las fibras cardíacas.
  • Las corrientes generadas por el impulso nervioso se transmiten a los tejidos circundantes y llegan a la superficie corporal.
  • Se utilizan electrodos en lados opuestos del corazón conectándolos a un electrocardiógrafo.
  • El gráfico resultante permite medir la duración y el voltaje de los parámetros cardíacos.

Bioóptica: Naturaleza y Parámetros de la Luz

• Definición de Luz:

  • Es una onda electromagnética transversal.
  • No requiere un medio material para propagarse (puede viajar en el vacío).
  • Ondas transversales: Se mueven en sentido transversal a la dirección de propagación.
  • Las ondas transportan energía, no materia.

• Parámetros de la Onda Lumínica:

  • Longitud de onda ($\lambda$): Distancia entre dos máximos o mínimos consecutivos. Unidades: Angstrom ($\text{\AA}$) y nanómetro ($\text{nm}$).
  • Luz Monocromática: Compuesta por una sola longitud de onda (un solo color).
  • Luz Policromática: Compuesta por varias longitudes de onda (varios colores).
  • Período ($T$): Tiempo necesario para que una longitud de onda pase por un punto fijo. Unidades: Segundos ($s$).
  • Velocidad de propagación ($V$): Relación dada por la fórmula $V = \frac{\lambda}{T}$.
  • Frecuencia ($v$): Es la inversa del período ($v = \frac{1}{T}$). Representa el número de ciclos por unidad de tiempo y se relaciona con el color. Unidades: Hertz ($\text{Hz}$) o $1/s$. Conversiones: $1\,\text{kHz} = 1000\,\text{Hz}$ y $1\,\text{MHz} = 1000\,\text{kHz}$.
  • Amplitud ($A$): Es la altura de la onda y se relaciona con la intensidad de la luz.

• Datos Críticos sobre el Medio de Propagación:

  • La frecuencia ($v$) es independiente del medio; por lo tanto, el color no cambia al cambiar de medio.
  • La longitud de onda ($\lambda$) y la velocidad ($V$) sí dependen del medio.
  • Al pasar del aire a un medio de menor índice de refracción absoluto, la velocidad y $\lambda$ disminuyen, mientras $v$ permanece constante.
  • Ciclo completo: Máximo + Mínimo (una vibración completa).

Interferencia y Óptica Geométrica

• Tipos de Interferencia:

  • Constructiva: Los máximos y mínimos de dos ondas coinciden. Las intensidades se suman, dando un haz de intensidad doble.
  • Destructiva: El máximo de una onda coincide con el mínimo de la otra. Las intensidades se anulan, produciendo oscuridad.

• Óptica Geométrica:

  • Se basa en la teoría corpuscular.
  • Considera la radiación como un rayo rectilíneo en medios homogéneos.
  • Principio de reversibilidad: La trayectoria no cambia si el sentido de propagación se invierte.
  • Velocidad de la luz en el vacío ($c$): $300,000\,\text{km/s}$.

Fenómenos Ópticos: Reflexión y Refracción

• Reflexión de la Luz:

  • Los rayos rebotan en una superficie, cambian de dirección pero permanecen en el mismo medio.
  • Leyes de la Reflexión:
    1. El rayo incidente, el reflejado y la normal están en el mismo plano.
    2. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión ($i = r$).

• Refracción de la Luz:

  • Cambio de dirección al pasar de un medio a otro debido a la modificación de la velocidad.
  • Depende del índice de refracción absoluto ($n$).
  • Leyes de la Refracción (Ley de Snell):
    1. El rayo incidente, el refractado y la normal están en el mismo plano.
    2. $n_1 \times \sin(i) = n_2 \times \sin(r)$.
  • Reflexión Parcial: Siempre que hay refracción, una parte del rayo se refleja con menor intensidad.

• Comportamiento según el Índice ($n$):

  • De medio menos refringente (menor $n$) a más refringente (mayor $n$): El rayo se acerca a la normal y su velocidad disminuye.
  • De medio más refringente a menos refringente: El rayo se aleja de la normal y su velocidad aumenta.

• Ángulo Límite y Reflexión Total:

  • Ángulo Límite: Es el ángulo de incidencia que produce un ángulo de refracción de $90^\circ$. Solo ocurre si $n_1 > n_2$.
  • Cálculo: $\sin(\text{ángulo límite}) = \frac{n_2}{n_1}$ (basado en que $\sin(90^\circ) = 1$).
  • Reflexión Total: Ocurre si el ángulo de incidencia es mayor al ángulo límite. No existe rayo refractado; el rayo se refleja con la misma intensidad que el incidente.

Índice de Refracción Absoluto ($n$)

• Definición: Cociente entre la velocidad de la luz en el vacío ($c$) y en el medio ($v$): $n = \frac{c}{v}$.

• Características:

  • No tiene unidades (adimensional).
  • Siempre es $\ge 1$ (ya que $v$ nunca supera a $c$).
  • En el aire, $n \approx 1$.
  • Factores que lo afectan: El medio, la temperatura (a mayor temperatura, menor densidad, mayor $v$ y menor $n$) y la frecuencia de la luz.

• Aplicaciones Técnicas:

  • Fibroscopia: Basada en la reflexión total dentro de fibras de vidrio flexible (vidrio de alto $n$ cubierto por vidrio de bajo $n$).
  • Refractometría: Determina concentraciones y pureza midiendo el ángulo de desvío (refracción). En veterinaria se usa para proteínas plasmáticas y urinarias.

Prismas, Polarización y Sustancias Ópticamente Activas

• Prismas: Objetos triangulares que refractan y descomponen la luz. La luz pasa por dos refracciones (aire al prisma y prisma al aire).

• Polarización de la Luz:

  • Orientación geométrica de las oscilaciones.
  • Luz natural: No polarizada (muchas direcciones).
  • Luz polarizada: Restringida a una sola dirección mediante filtros.
  • Si dos filtros tienen ángulos distintos, la luz no los atraviesa.
  • Lámina Polaroid: Polariza por absorción selectiva y transmisión.

• Sustancias Ópticamente Activas:

  • Poseen un carbono quiral y rotan el plano de la luz polarizada.
  • Dextrógiras: Rotan a la derecha (Ej: glucosa, sacarosa).
  • Levógiras: Rotan a la izquierda (Ej: fructosa).

• Polarímetro: Instrumento para medir el ángulo de rotación. Consta de una fuente monocromática, un polarizador fijo, un tubo para la muestra, un analizador móvil con un disco graduado y un ocular.

• Ley de Biot:

  • Fórmula: $\alpha = [\alpha] \times c \times l$.
  • $\alpha$: Ángulo rotado (en grados).
  • $c$: Concentración ($g/cm^3$).
  • $l$: Longitud del tubo ($dm$).
  • $[\alpha]$: Poder rotatorio específico, depende de la temperatura (fijada a $20^\circ C$), longitud de onda (línea D del sodio) y la sustancia.

Espectros y Espectroscopia

• Dispersión: Separación de colores de un haz policromático al pasar por un prisma.

  • Color más desviado: Violeta (menor $\lambda$, menor velocidad en el prisma, mayor $n$).
  • Color menos desviado: Rojo (mayor $\lambda$).
  • Orden: Rojo $\rightarrow$ Naranja $\rightarrow$ Amarillo $\rightarrow$ Verde $\rightarrow$ Azul $\rightarrow$ Índigo $\rightarrow$ Violeta.

• Clasificación de Espectros:

  • Emisión Continua: Sólidos incandescentes (lámpara de filamento).
  • Emisión Discontinua de Líneas: Gases monoatómicos (sodio).
  • Emisión Discontinua de Bandas: Gases poliatómicos complejos.
  • Absorción: Líneas o bandas oscuras superpuestas al espectro continuo. Se obtiene al pasar luz blanca por la sustancia.

• Aplicaciones:

  • Espectroscopia: Información sobre estructura atómica y composición química.
  • Espectrografía: Uso de fotografías (espectrogramas) para analizar radiaciones invisibles o haces poco intensos.
  • Análisis espectral: Detección de drogas, metales pesados en suero o calcio en orina.

Absorción de la Luz y Leyes de Lambert-Beer

• Ley de Lambert: La intensidad emergente disminuye exponencialmente con el espesor ($x$).

  • $I = I_0 \times e^{-\mu \times x}$.
  • $\mu$: Coeficiente de absorción ($cm^{-1}$).

• Ley de Lambert-Beer: Absorción en función de la concentración ($c$).

  • $I = I_0 \times 10^{-a \times b \times c}$.
  • $a$: Coeficiente de absortividad ($cm^2/mol$ o $cm^2/g$).
  • $b$: Espesor ($cm$).

• Transmitancia ($T$) y Absorbancia ($A$):

  • Transmitancia: $T = I / I_0$.
  • Absorbancia: $A = \log(1/T) = a \times b \times c$.
  • El gráfico de $A$ vs $c$ es una recta que pasa por el origen. La pendiente es $P = a \times b \times 0.43$.

• Fotocolorímetro:

  • Componentes: Lámpara, filtro (color complementario al soluto), cubeta, célula fotoeléctrica y pantalla.
  • Blanco: Solución con todos los componentes excepto el que se quiere medir; sirve para calibrar a cero.
  • Factor del fotocolorímetro ($f$): Inversa de la pendiente ($f = 1/P$). Tiene unidades de concentración.

• Turbidimetría y Nefelometría:

  • Basadas en el Efecto Tyndall (dispersión de luz en suspensiones).
  • Turbidimetría: Mide luz transmitida.
  • Nefelometría: Mide luz dispersada.

Bioacústica y Ondas Sonoras

• Sonido: Onda mecánica longitudinal que requiere un medio material.

  • Velocidad de propagación: Depende de la densidad y temperatura.
  • Tierra/Aire: $330\,m/s$.
  • Agua: $1480\,m/s$.
  • Aluminio/Hierro: $5200\,m/s$.
  • Plomo: $1300\,m/s$.
  • A mayor densidad, mayor velocidad.

• Fenómenos Sonoros:

  • Reflexión (Eco): Rebote contra obstáculos.
  • Refracción: Cambio de velocidad con la temperatura del aire (aire caliente $\rightarrow$ hacia arriba; aire frío $\rightarrow$ hacia abajo).
  • Reverberación: Múltiples reflexiones.
  • Interferencia: Constructiva (en fase, suma amplitud) y Destructiva (en oposición, genera silencio).
  • Difracción: Capacidad de curvarse en obstáculos o aberturas.

• Parámetros:

  • Frecuencia ($\gamma$) en Hertz ($Hz$).
  • Longitud de onda ($\lambda$): Distancia recorrida en un período.

• Cualidades Fisiológicas:

  • Intensidad: Sonidos fuertes o débiles. Umbral audibilidad: $10^{-12}\,W/m^2$ ($0\,dB$). Umbral dolor: $1\,W/m^2$ ($120\,dB$).
  • Tono: Agudo o grave (ligado a la frecuencia).
  • Timbre: Relacionado con la forma de la onda; permite reconocer voces.

• Efecto Doppler y Eco Doppler:

  • Cambio aparente de frecuencia por movimiento relativo.
  • Se aleja: Más grave (menor frecuencia). Se acerca: Más agudo.
  • Eco Doppler: Usa transductores con cristales piezoeléctricos para medir flujos sanguíneos.

Ultrasonografía

• Usa frecuencias del rango de megahertz ($\text{MHz}$).
• Impedancia acústica: Resistencia de los tejidos al paso de la onda.
• Tipos de tejidos (Ecogenicidad):
  • Anecoicos: Negros (líquidos como vejiga).
  • Hipoecoicos: Gris oscuro (hígado).
  • Isoecoicos: Gris claro (páncreas).
  • Hiperecoicos: Blancos (hueso, cálculos).
• Tipos de transductores: Lineales (rectangulares), Convexos (triangulares) y Sectoriales (triangulares focalizados).
• Sonicación de la leche: Alternativa a la pasteurización que usa ultrasonido para agitar partículas y eliminar patógenos sin desnaturalizar proteínas.

Radiaciones e Interacción con la Materia

• Efecto Fotoeléctrico:

  • La luz está formada por fotones de energía $E = h \times v$.
  • Un fotón arranca un electrón si su energía es mayor al trabajo de extracción del material.
  • Se basa en la conservación de la energía: Energía sobrante = Energía cinética del electrón.

• Efecto Compton: El fotón arranca un electrón y surge un nuevo fotón de menor energía (radiación energética).

• Creación de Pares: Radiación gamma de alta energía cerca del núcleo se transforma en un electrón y un positrón ($e^+$).

• Aplicaciones Terapéuticas:

  • Infrarrojo (IR): Calor terapéutico ($800-1500\,nm$) para dolores musculares.
  • Ultravioleta (UV): Germicida (actúa sobre el ADN). Dosis mínima: $400\,J/m^2$.
  • Láser: Monocromático, coherente, intenso y direccional. Efectos: antiinflamatorio (bomba $Na/K$), analgésico ($\beta-endorfinas$) y cicatrizal (mitosis).

Rayos X

• Propiedades: Naturaleza electromagnética, invisibles, ionizantes, alta penetración, velan placas, producen mutaciones.
• Tubo de Coolidge: Ampolla al vacío donde un filamento incandescente libera electrones (efecto termoiónico) que chocan contra un blanco (anticátodo).
  • Solo el $1\%$ de energía se convierte en rayos X; el $99\%$ es calor.
• Origen:
  • Rayos Característicos: Un electrón de nivel superior llena el hueco de uno arrancado en nivel inferior (espectro de líneas).
  • Rayos de Frenado (Bremsstrahlung): Desaceleración de electrones cerca del núcleo (espectro continuo).
• Ley de Duane-Hunt: $\lambda_m = \frac{h \times C}{e \times \Delta V}$. A mayor voltaje ($\Delta V$), menor longitud de onda mínima.
• Clasificación:
  • Duros: $\lambda \le 0.5\,\text{\AA}$. Gran penetración, se usan en diagnóstico.
  • Blandos: $\lambda > 0.5\,\text{\AA}$. Poca penetración, causan quemaduras superficiales.
• Legislación Sanitaria: Límite para trabajadores = $5\,REM/\text{año}$ (ó $3\,REM/\text{trimestre}$).

Radiactividad y Medicina Nuclear

• Radiaciones Nucleares:

  • Alfa (\alpha): 2 protones + 2 neutrones. Gran masa, baja velocidad ($20,000\,km/s$), baja penetración, alta ionización.
  • Beta (\beta): Electrones. Ligeros, velocidad cercana a la luz, penetración media.
  • Gamma (\gamma): Fotones. Sin masa, velocidad de la luz, baja ionización, altísima penetración.

• Leyes de Decaimiento:

  • Ley de Decaimiento: $N = N_0 \times e^{-\lambda \times t}$.
  • Período de semidesintegración ($T$): Tiempo para reducir la muestra a la mitad.
  • Tiempo de vida media ($\tau$): Tiempo para que disminuya a $1/e$ ($0.37$) del valor inicial.
  • Semivida biológica ($T_b$): Tiempo de eliminación orgánica de la mitad del isótopo.

• Aplicaciones:

  • Gammagrafía Tiroidea: Uso de Yodo 131.
  • PET: Tomografía por emisión de positrones que se aniquilan con electrones liberando rayos gamma.
  • Bomba de Cobalto 60: Terapia para tumores profundos.
  • RADIOINMUNOVALORACIÓN: Concentración de hormonas mediante competencia con hormonas marcadas.

Biorreología y Hemodinamia

• Fluidos Ideales vs. Reales: La sangre es un fluido real (densidad variable, viscosidad, flujo laminar o turbulento).

• Teorema de Hidrostática: $\Delta P = \delta \times g \times h$.

  • Equivalencia: $1\,cm$ de columna de sangre = $0.077\,cm\,Hg$.

• Ecuación de Continuidad: El caudal ($C$) es constante: $C = S \times v$ (Sección por Velocidad).

• Ley de Newton (Viscosidad): Fuerza de rozamiento entre capas. $\eta$ es el coeficiente de viscosidad ($Poise$).

• Número de Reynolds ($Re$): Determina el régimen. Para la sangre,

  • $Re < 2000$: Laminar.
  • $2000 < Re < 4000$: Transición.
  • $Re > 4000$: Turbulento.

• Ley de Hagen-Poiseuille: $\Delta P = C \times R$.

  • La resistencia depende del radio a la cuarta potencia ($r^4$).
  • Caudal en el sistema circulatorio (Vmin) = $V_s \times F_c$.

• Leyes de la Circulación:

  • Caudal: Constante en todo el sistema.
  • Velocidad: Inversamente proporcional a la sección total (mínima velocidad en capilares donde la sección es máxima).
  • Presión: Cae desde la aorta hasta las cavas; la mayor caída ocurre en las arteriolas.

• Leyes Cardíacas:

  • Frank-Starling: El corazón bombea todo el volumen que le llega (retorno venoso).
  • Laplace: Tensión de pared ($\gamma = \Delta P \times r$). A mayor radio, mayor tensión.

Fenómenos de Superficie y Respiración

• Tensión Superficial (\gamma): Energía para aumentar la superficie. $\gamma = F / L$.

  • Agentes tensioactivos: Batótonos (bajan $\gamma$, ej: jabón, bilis, surfactante pulmonar) e Hipsótonas (suben $\gamma$, ej: electrolitos).

• Física de Gases:

  • Ley de Dalton: La presión total es la suma de las presiones parciales.
  • Ley de Henry: La solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a su presión parcial.
  • Difusión Gaseosa: El $O_2$ y $CO_2$ se mueven de mayor a menor presión parcial entre alvéolos y tejidos.

Trabajos Prácticos (Resumen de Laboratorio)

• Calorimetría: Determinación del calor específico ($Ce$) usando un recipiente adiabático ($Q_{cedido} + Q_{absorbido} = 0$).
• Crioscopia: Cálculo de osmolaridad midiendo el descenso del punto de congelación ($\Delta T_c$). La pendiente es la constante crioscópica ($K_c$).
• Fragilidad Globular: Curva de hemólisis de eritrocitos en soluciones de $NaCl$ decrecientes. Identifica resistencia globular mínima (inicio de lisis) y máxima (lisis del $100\%$).
• Recuento Espermático: Uso de turbidimetría para estimar concentración basándose en la dispersión de luz (Cámara de Neubauer como estándar de oro).
• Diálisis: Purificación por difusión y ósmosis a través de una membrana semipermeable (utilizada en hemodiálisis y diálisis peritoneal).