Biofisica aparato renal

BIOFÍSICA • BIENVENIDOS SEMESTRE SEP 2013-FEBRERO 2014 • Dra. Marcia Zapata Mora

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BIOFÌSICA Programa Académico III Semestre

1.- Sistema Renal.- Generalidades.- Osmorregulación.Principios.- Presión osmótica.- funciones del riñón.Fenómenos presentes en la formación de la orina.Ultrafiltración.- Tasa de ultrafiltración.- Presiones.Tasa de Depuración.- Variación de la tasa de Depuración si la sustancia es ultrafiltrada, secretada y reabsorbida

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BIOFÌSICA Programa Académico III Semestre

2.- Biopotenciales.- Fundamentos básicos de electricidad.- Potencial eléctrico.- Campo eléctrico.- Unidades.- Descarga.- Corriente eléctrica.- Unidades Conductancia.- Resistencia.Clasificación de los conductores de primera, segunda y tercera clase.

Potenciales de Superficie.- (EMG, EEG,ECG,ERG,EOG) .- Clasificación.

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BIOFÌSICA Programa Académico III Semestre

3.- Visión.- Generalidades.- Movimiento vibratorio armónico.- Propiedades.- Naturaleza de la luz.Teorías.- El ojo como sistema óptico.-Tipos de estructuras ópticas.- Elementos del ojo para el enfoque.- Defectos de visión.- Eje principal.Distancia focal.- Potencia de las lentes.Combinación de lentes.- Defectos visuales.

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4.- Audición.- Generalidades del sonido.Velocidad del sonido.- Intensidad sonora.Rango de frecuencia.- Ley de Fechner.- Umbral de sensación desagradable.- Curvas de sonoridad.- decibeles.- Aplicaciones.Recepción auditiva.- Oído externo, medio e interno

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Bibliografía Frumento: Biofísica Stacey : Fundamentos de Física Médica Cicardo : Biofísica Jacobson : Medicine and Clinical Engineering Guyton :Tratado de Fisiología Médica Muraziole :Biofísica ALBERTO POMPA NUÑEZ: BIOFÌSICA

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BIOFÍSICA DEL SISTEMA RENAL

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Generalidades El agua controla la naturaleza bรกsica de la vida y su distribuciรณn en el planeta.

La mayor parte de los seres vivos estรกn constituidos por agua El agua es el medio en el que ocurren casi todas las reacciones metabรณlicas.

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El agua es la sustancia mรกs abundante y de mayor importancia en todos los organismos vivos, representando entre un 50 y 75% del peso corporal del adulto.

Es el medio donde se llevan a cabo los procesos del organismo.

La eliminaciรณn de un 10% del agua corporal puede alterar gravemente el medio interno y la del 20% casi siempre resulta mortal.

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Funciones del agua Forma parte básica de la composición de la sangre.

Participa en el ingreso y expulsión de sustancias

Es termorreguladora Es medio de transporte Mantiene : Presión arterial Función renal Concentración normal de electrolitos 08/09/2013

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ComposiciĂłn de los lĂ­quidos corporales y su distribuciĂłn en el organismo El agua total del organismo constituye alrededor de 50 a 75% del peso corporal y se encuentra distribuida en dos grandes compartimientos: a nivel Intracelular y extracelular.

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2/3 del liquido corporal es el liquido intracelular (LIC), dentro de las células y el 1/3, llamado líquido extracelular (LEC), se encuentra fuera de las células e incluye el resto de los líquidos corporales.

Cerca del 80% del LEC es líquido intersticial, el cual ocupa los espacios entre las células de los tejidos y el otro 20% de LEC es plasma.

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Los dos compartimientos son separados por dos barreras: 1. La membrana plasmática de cada célula individual separa el líquido intracelular del líquido intersticial circundante, es una barrera de permeabilidad selectiva.

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2. Las paredes de los vasos sanguĂ­neos separan el liquido intersticial del plasma, sĂłlo en los capilares las paredes son los suficientemente fina y permeable para permitir el intercambio de agua y solutos entre el plasma y el liquido intersticial.

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El organismo se encuentra en equilibrio hidroelectrolítico: Cuando las cantidades requeridas de agua y solutos están presentes y correctamente distribuidos en los distintos compartimientos.

El proceso de distribución y osmosis permiten el continuo intercambio de agua y solutos entre los compartimientos líquidos del organismo, sin embargo el volumen de líquido en cada compartimiento permanece notablemente estable.

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La eliminación de agua se produce de cuatro maneras: 1. Los riñones excretan alrededor de 1,500 ml/día.

2. La piel evapora alrededor de 600 ml/día.

• 400 ml por transpiración insensible.

• 200 ml como sudor.

3. Los pulmones exhalan cerca de 300 ml/día de vapor de agua.

4. El tubo digestivo elimina alrededor de 100 ml/día en las heces.

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Cabe mencionar que en las mujeres en edad reproductiva, el flujo menstrual representa tambiĂŠn una pĂŠrdida adicional de agua.

En promedio, la perdida diaria de agua es alrededor de 2,500 ml.

La cantidad de agua perdida por estas vĂ­as puede variar considerablemente dependiendo el caso

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• Los animales más complejos tienen su “propio mar interno”: Sangre y Líquido Intersticial • Que transporta y disuelve nutrientes, gases y productos de desecho.

• Para mantener la homeostasis, los animales terrestres deben conservar un volumen de agua cuidadosamente regulado.

• Uno de los sistemas reguladores es el renal.

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El equilibrio hídrico del organismo • Es el resultado entre el agua que ingresa y la que pierde el organismo • El ingreso se realiza a través de dos tipos de fuente: • El agua exógena y la endógena • La pérdida a través de: • Piel, pulmones, tubo digestivo y riñón 08/09/2013

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• El agua exógena ingresa en forma de bebidas y alimentos • La endógena es el producto de reacciones metabólicas.

• El agua endógena forma el plasma sanguíneo y a partir de éste el liquido intersticial. o El exceso de agua se evapora o se excreta vía heces, orina y transpiración.

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• El agua exógena • Alcanza un volumen entre 800 y 1 000 ml diarios que depende de: • 1.- Condiciones ambientales • 2.- Trabajo físico • 3.- Hábitos individuales

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El agua endógena • Se produce durante la oxidación de los alimentos, en un volumen que varía entre los 300 a 400 mililitros por día.

• El volumen de agua endógena producida depende del tipo de molécula :

Y

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1 gramo de:

Produce mililitros de agua

Carbohidratos Proteínas

0.55 0.41

Grasa

1.07

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Equilibrio hídrico • La pérdida del agua corporal depende de la actividad física y del clima • Total ingreso = 1500 mililitros/día • Total egreso = 1500 mililitros/día

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Ganancia

ml / día

Pérdida

ml/día

Aguas y bebidas

500 a 2000

Heces

200 a 300

Alimentos

800 a 1100

Pulmón

400 a 600

Endógena (En la oxidación)

200 a 400

Piel

400 a 600

Riñón

600 a 2000

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Fenómenos que determinan que la composición de los líquidos corporales sea constante

La homeostasis se logra a través de la: 1.- OSMORREGULACIÓN

 2.- EXCRECIÓN DE LOS DESECHOS METABÓLICOS 08/09/2013

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La osmorregulación • Se encarga de mantener constante el valor de la presión osmótica en los fluidos corporales • Controla el equilibrio entre el agua y la concentración de los electrolitos.

• Los valores de las concentraciones electrolíticas varían dentro de límites compatibles con la vida 08/09/2013

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La osmorregulación • Es la capacidad de los seres vivos para mantener en sus tejidos y fluidos corporales una determinada presión osmótica • Regula el equilibrio del agua y los electrolitos

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Principios de la osmorregulación • 1.- Entre el espacio intracelular y extracelular no existe gradiente osmótico (la distribución de las partículas osmóticamente activas, en esos espacios, no genera una diferencia de presión) • 2.- En cada espacio o compartimento, existen en promedio tantas cargas positivas como negativas.

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• Estos principios hacen que: • a) Cualquier movimiento de electrolitos osmóticamente activos, en particular el sodio, tenga como consecuencia el movimiento del agua y viceversa • b) Cualquier desplazamiento de un portador de carga de un compartimento a otro, sea compensado por el movimiento de otro portador de carga.

• A través del ión sodio el equilibrio de agua está acoplado con el equilibrio de electrolitos 08/09/2013

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La presión osmótica • Es la ejercida por el líquido al pasar de un medio a otro más concentrado, a través de una membrana semipermeable.

• La presiones osmóticas de la sangre, plasma y suero son aproximadamente iguales • Presión Osmótica () de los líquidos biológicos: 7.6 atmósferas

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….Presión osmótica

• Como el agua pasa libremente a través de la membrana celular el líquido intracelular y el intersticial tienen la misma presión osmótica.

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….Presión osmótica

• La mayor parte de la presión osmótica () extracelular se debe a: • Iones Na y Cl

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• La presión osmótica del Intracelular se debe a : • K, Fosfato y aniones orgánicos (lactato piruvato)

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El principal órgano osmorregulador de los vertebrados es el riñón.

Básicamente regula el contenido de sal y agua en el organismo.

Otros órganos excretores son: los pulmones, la piel, aparato digestivo, el hígado que produce urea y ácido úrico 08/09/2013

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FUNCIONES DEL RIÑÓN: 1.- Excreción activa de los catabolitos no volátiles 2.- Regulación de los fluidos y del balance electrolítico del cuerpo

3.- Regulación de la presión arterial a través de la hormona renina 08/09/2013

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o La unidad funcional del riñón es el nefrón. o En cada riñón hay 1000 000 de unidades. o La sangre fluye por los capilares glomerulares con una presión que hace pasar hacia la cápsula de Bowman, un 10% del volumen plasmático (125 ml/minuto) que constituye el ultrafiltrado o El ultrafiltrado es sometido a procesos de secreción y reabsorción, durante su recorrido por los túbulos para finalmente convertirse en orina en una cuantía de 0,5 a 1 ml/minuto.

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FENÓMENOS PRESENTES EN LA FORMACIÓN DE LA ORINA: 1.- Ultrafiltración del plasma 2.- Secreción activa de ciertas sustancias hacia los túbulos 3.- Reabsorción de otras (devueltas a la sangre) 4.- Transporte activo, pasivo 5.- Fuerzas gravitacionales 08/09/2013

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• La ultrafiltración se produce en la cápsula de Bowman • La secreción y la reabsorción, en los túbulos: proximal, Asa de Henle y distal.

• Las paredes tubulares tienen la capacidad de secretar o absorber sustancias, especialmente agua, dependiendo del equilibrio hídrico del organismo, lo que da lugar a la variación de la concentración de la orina.

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• Alguna sustancias son reabsorbidas casi en su totalidad: Glucosa y cloruro de sodio • Los riñones no pueden mantener más que una determinada diferencia de concentración entre la sangre y la orina que se está formando.

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Por ejemplo, si el nivel de azĂşcar excede los 160 mg/dl (9 mMol/l) La glucosa no se reabsorbe completamente y aparece en la orina.

El contenido de sal en el organismo depende de la dieta.

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ULTRAFILTRACIÓN • La presión de la sangre, en su paso por los capilares glomerulares, da lugar a que parte del plasma pase hacia la cápsula de Bowman, en un fenómeno conocido como ultrafiltración.

• En la membrana de la cápsula de Bowman, se retienen las partículas coloidales con tamaño mayor a 0.2 

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TASA DE ULTRAFILTRACIร N (U) Es el volumen de ultrafiltrado por unidad de tiempo: U = Vu / t U = Tasa de ultrafiltraciรณn Vu= Volumen de ultrafiltrado en t minutos.

La tasa de ultrafiltraciรณn establece la calidad de filtraciรณn.

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• La ultrafiltración depende de: • 1.- Permeabilidad de la membrana

• 2.- De las presiones que actúan en la ultrafiltración.

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Permeabilidad de la membrana glomerular • Se cuantifica a través de la Relación de Cribado: cuociente entre las concentraciones de una sustancia en el ultrafiltrado (Cu) y en el plasma (Cp) • Rc = Cu / Cp

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Valores de la Relación de Cribado (Rc) Agua, urea, iones, glucosa Mioglobina Hemoglobina Seroalbúmina

1.00 0.75 0.03 0.01

La Relación de Cribado tiene unidades absolutas

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Presiones interactuantes en el ultrafiltrado Constituyen el segundo factor para la ultrafiltración, son 3: 1.-Presión sanguínea en los capilares del ramillete (Ps).

Es la fuente de energía para el filtrado glomerular y forza el paso del plasma hacia la cápsula 08/09/2013

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2.- Presión intracapsular (Pi) es la hidrostática ejercida por el ultrafiltrado presente en la cápsula de Bowmn.

Se opone a la ultrafiltración

3.- Presión coloideosmótica (), debida al fenómeno de ósmosis producido por la mayor concentración proteica en los capilares.

También se opone a la ultrafiltración

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Se denomina presión de ultrafiltrado (Pu) a la diferencia entre la sanguínea y la intracapsular Pu = Ps - Pi La presión efectiva es la diferencia entre la de ultrafiltrado y la coloideosmótica Pe = Pu - 

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Presión sanguínea en los capilares del ramillete: 90 mm Hg Presión intracapsular Presión coloideosmótica

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15 mm Hg 30 mm Hg

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Tasa de depuraciรณn (D) Es el volumen de plasma que debe filtrarse en la unidad de tiempo para que en la orina aparezca una cierta cantidad de sustancia.

D = Vp / t Vp = Volumen de plasma en ml t = tiempo en minutos 08/09/2013

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En una soluciรณn, la masa disuelta de soluto, es igual al producto de su concentraciรณn por el volumen de la soluciรณn

Mo presente en la orina= V orina x C orina Mp

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presente en el plasma=

V plasma x C plasma

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La masa de una sustancia es constante

La masa de una sustancia en la orina es igual a la presente en el plasma:

mo = mp Pero: mo = Co x Vo mp = Cp x Vp Entonces: Vo x Co = Vp x Cp 08/09/2013

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Vo x Co = Vp x Cp Despejando Vp y dividiendo cada miembro de esta igualdad para tiempo

t

Vp = Vo x Co t x Cp

El miembro izquierdo es la tasa de depuraciĂłn ď Ľ Vp/t = D 08/09/2013

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D = Vo x Co t x Cp

Caudal (Q) es la relaciรณn entre el volumen y la unidad de tiempo, entonces: D = Qo x Co/Cp 08/09/2013

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• La tasa de depuración NO es la masa de una sustancia depurada, sino el volumen de plasma depurado por unidad de tiempo para obtener esa masa en la orina.

• La tasa de depuración también se denomina “clearance”

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• La variación de la Tasa de Depuración (D) indica si una sustancia es: • Sólo ultrafiltrada • Reabsorbida, o • Secretada

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Variación de la Tasa de Depuración (D) si la sustancia sólo es ultrafiltrada • La condición extrema para secreción o reabsorción se tiene cuando una sustancia pasa por completo la membrana de la cápsula de Bowman.

• Es decir cuando Rc = 1 y en consecuencia: Cu = Cp

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Si la sustancia solo es ultrafiltrada • No habrá secreción ni reabsorción • La masa presente en la orina será igual a la que hay en el ultrafiltrado y en el plasma.

• En ese caso: • mu = mp • Reemplazando por sus equivalencias: • Cu Vu = Cp Vp 08/09/2013

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• Como Cu = Cp, se simplifican y la relación queda: • Vu = Vp • Dividiendo miembro a miembro para tiempo: • Vu/t = Vp/t • U=D

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• Si la sustancia sólo es ultrafiltrada: • La tasa de depuración es constante y es igual a la de ultrafiltración.

• En esta igualdad no interviene la concentración de la sustancia en el plasma, y no altera el valor de la tasa de depuración.

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• Si se grafica la tasa de depuración (D) en ordenadas y la concentración de la sustancia en el plasma (Cp) en abscisas • El gráfico es una línea horizontal que intercepta al eje de D con un valor igual a 125 ml/minuto, que corresponde a la tasa de ultrafiltración fisiológica

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En consecuencia el grĂ fico es una lĂŹnea horizontal paralela al eje de Cp U =125 ml/min

D = U Si la sustancia es filtrada

Cp 08/09/2013

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Variación de la tasa de depuración (D) si la sustancia es reabsorbida • La masa de la sustancia presente en la orina es igual a la que pasa al ultrafiltrado menos la que se reabsorbe en los túbulos.

• Mo = Mu – Mr • Recordando que • M disuelta en la solución = C soluto V solución • Co Vo = Cu Vu – M REABSORBIDA 08/09/2013

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• Dividiendo miembro a miembro para el tiempo (t) y para la concentración de la sustancia en el plasma (Cp): • CoVo = CuVu - M REABSORBIDA t Cp t Cp t Cp  El miembro izquierdo es D  Por condición del problema Rc = 1 entonces  Cu = Cp que se simplifican en el primer miembro de la derecha

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• Al simplificarse esas concentraciones, ese término se convierte en U. • A la relación masa reabsorbida dividida para tiempo se le denomina tasa de reabsorción (R) • Ese término queda ahora como R/Cp • D = U – R/Cp

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• La fracción R/Cp tiene un valor cada vez más pequeño conforme aumenta la concentración de la sustancia en el plasma. Su valor podría ser igual a cero.

• Conforme aumenta Cp restamos a U una cantidad más pequeña, por lo que el valor de la tasa de depuración aumenta con el incremento de la concentración plasmática hasta alcanzar un valor igual a U. 08/09/2013

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D ml/min

125 x 08/09/2013

x

x

x

x

U ∆D si la sustancia es R Cp

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Variación de D si la sustancia es secretada • La masa de la sustancia presente en la orina es igual a la que pasa al ultrafiltrado más la que se secreta hacian los túbulos.

• Mo = Mu + Ms • Por analogía: • D = U + S/Cp

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• ¿Cómo varía el valor de la fracción S/Cp si Cp aumenta?

• Si Cp, cada vez aumenta, ¿Cómo varía el valor de D?

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En este caso D es mayor que U. A medida que aumenta la Cp, el 2do tèrmino derecho va disminuyendo. En consecuencia, la variaciòn de D si la sustancia es secretada comienza con un valor superior al de U y se acerca a ella a medida que aumenta su Cp.

D x

x

∆D si la sustancia es secretada

x 125

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U Cp

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REABSORCIÓN Y SECRECIÓN • La reabsorción es el paso de una sustancia desde el interior de los túbulos renales, atravesando inclusive el líquido intersticial, hacia el plasma sanguíneo de los capilares peritubulares.

• La secreción es la migración de esas sustancias hacia el interior de los túbulos.

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Para la reabsorción o secreción requiere: • • • •

Gradiente de concentración Gradiente eléctrico (variación de potencial) Gradiente de presión.

Las sustancias se transportan pasiva y activamente.

• Energía para el pasivo: La interna • Energía para el activo ATP 08/09/2013

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• La gran cantidad de líquido ultrafiltrado es compensada por la reabsorción (un 99%).

• Diariamente, los túbulos reabsorben, una y otra vez, más de 178 litros de agua, 1200 gramos de sal y alrededor de 250 gramos de glucosa, sulfato, urea.

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Para mantener la neutralidad electrolítica, la reabsorción de un ión va acompañada de la de otro de carga contraria,.

• El riñón reabsorbe los iones alcalinos glucosa, el sodio, el cloro, el bicarbonato • Mientras que excreta iones ácidos.

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• Las microvellosidades de las células epiteliales de las paredes de los túbulos renales aumentan la superficie lo que favorece la reabsorción.

• Otras sustancias son secretadas o reabsorbidas: urea, ácido úrico, fosfatos; sin embargo, pueden aparecer en la orina.

• Otras son excretadas totalmente, el manitol, PAH (ácido para-aminohipùrico)

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La concentración de la orina o o o o o

 = N RT / V  = Presión osmótica en atmósferas N = Número de moles N = peso en gramos/peso molecular R = Constante general de los gases R = 0.0821 litros atmósfera / mol °K T = Temperatura absoluta °K T (°K) = T(°C) + 273 V = Volumen de la solución en litros

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Ley de Van‘t Hoff • La concentración del soluto y la temperatura absoluta de la solución son proporcionales con la presión osmótica.

• La  es numéricamente igual a la presión que ejercerían las moléculas del soluto si estuviesen en el estado gaseoso.

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Ley de Dalton • Cada sustancia disuelta en una solución, ejerce su propia presión osmótica.

• “La presión osmótica total es la suma de las presiones parciales”.

• Los electrólitos se disocian en iones y cada ión desarrolla 

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• Como la  depende del número de moles, la concentración se la expresa en osmoles en lugar de moles.

• Un osmol es igual a una mol de soluto no disociado.

• Una mol de glucosa es igual a un osmol porque no se disocia.

• Una mol de ClNa se disocia en los dos iones y su concentración es igual a dos osmoles

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• OSMOLALIDAD: Osmoles / Kg de agua • OSMOLARIDAD : Osmoles / litro de agua • mOsmol: 0.001 osmol • La osmolaridad de los líquidos orgánicos es igual a 297 mOsmol / litro  300 mOsmol/litro

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• =NRT/V •  = 0.300(mol) 0.0821(l atm / mol °K)310°K 1 litro

•  = 7,6 atmósferas= 5776 mm Hg • El valor real es 5500 mm Hg porque los iones de los líquidos corporales ejercen una fuerza gravitacional muy grande por lo que no se mueven libremente.

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Ejemplo: Tengo 20ยบC de una solucion 0.05 M de cloruro de potasio (KCl) en agua Use la formula de presion osmotica p=N.R.T/V p=0.05 x 0.082 x 293 p=1.20At

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• Las tres cuartas partes de la  del plasma se deben al ClNa. • En la cápsula de Bowman: • El ultrafiltrado tiene una osmolaridad de 300 mOsmol / l

• En el túbulo proximal: • El Na se transporta activamente hacia el intersticio • La pared es permeable al agua y permite que salga al intersticio.

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• Al comienzo de la rama descendente del asa de Henle, la osmolaridad es igual a la del ultrafiltrado glomerular • La rama descendente está en contacto con zonas del intersticio de mayor osmolaridad y su pared es permeable al sodio y al agua • El Na ingresa pasivamente al interior del túbulo • El agua difunde hacia el intersticio.

• Aumenta la osmolaridad del ultrafiltrado hasta un valor de 1200 mOsmol / l 08/09/2013

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• En la rama ascendente hay transporte activo de sodio hacia el intersticio, por lo que osmolaridad del ultrafiltrado disminuye.

• Y se vuelve ligeramente hipotónico al comienzo del túbulo distal.

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ďƒ˜En

el asa de Henle, la osmolaridad aumenta y luego disminuye. ďƒ˜Hay transporte activo del Na en presencia de una membrana semipermeableSin embargo, la diferencia de osmolaridad entre el ultrafiltrado y el intersticio es constante,

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• Este proceso se denomina mecanismo de multiplicación a contracorriente • En el túbulo distal, la permeabilidad de sus paredes al agua, depende del equilibrio hídrico del organismo • Si se vuelven permeables al agua, ésta difunde libremente hacia el intersticio y la concentración va en aumento, dando lugar a la orina hipertónica.

• Si es impermeable, no hay aquella concentración y la orina es hipotónica 08/09/2013

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Propulsión de la orina a lo largo del nefrón • • • •

Factores: Presión Gradiente de densidad del ultrafiltrado La presión es mayor en la cápsula de Bowman y casi negativa en el tubo colector.

• Esa gradiente hace que el ultrafiltrado se dirija hacia el tubo colector.

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• El proceso de concentración del ultrafiltrado (reabsorción y secreción) da lugar a que su densidad sufra variaciones a lo largo del nefrón.

• En la rama descendente del asa, la concentración aumenta.

• Pero la tendencia del ultrafiltrado a regresar hacia el túbulo proximal, causada por la diferencia de concentración, no es posible porque la presión de ultrafiltración es alta

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• La Presión de ultrafiltración más el peso del líquido propulsan al ultrafiltrado hacia la rama ascendente.

• La presión baja, a nivel de la unión con el colector, hace posible la llagada de la orina a este punto.

• En adelante concurren la gravedad y las contracciones de los músculos que intervienen en el sistema renal • Finalmente se excreta la orina.

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