Anatomía y Fisiología i (Español)

La sustancia del universo—desde un grano de arena hasta una estrella—se llama materia., Los científicos definen la materia como cualquier cosa que ocupa espacio y tiene masa. La masa y el peso de un objeto son conceptos relacionados, pero no lo mismo. La masa de un objeto es la cantidad de materia contenida en el objeto, y la masa del objeto es la misma si ese objeto está en la tierra o en el entorno de gravedad cero del espacio exterior. El peso de un objeto, por otro lado, es su masa afectada por la atracción de la gravedad. Cuando la gravedad tira fuertemente de la masa de un objeto, su peso es mayor que cuando la gravedad es menos fuerte., Un objeto de cierta masa pesa menos en la luna, por ejemplo, que en la Tierra porque la gravedad de la luna es menor que la de la Tierra. En otras palabras, el peso es variable y está influenciado por la gravedad. Un pedazo de queso que pesa una libra en la Tierra pesa solo unas pocas onzas en la luna.

elementos y compuestos

toda la materia en el mundo natural se compone de una o más de las 92 sustancias fundamentales llamadas elementos., Un elemento es una sustancia pura que se distingue de toda otra materia por el hecho de que no puede ser creada o descompuesta por medios químicos ordinarios. Si bien su cuerpo puede ensamblar muchos de los compuestos químicos necesarios para la vida a partir de sus elementos constitutivos, no puede fabricar elementos. Deben provenir del medio ambiente. Un ejemplo familiar de un elemento que debe tomar es el calcio (Ca++). El calcio es esencial para el cuerpo humano; se absorbe y se utiliza para una serie de procesos, incluido el fortalecimiento de los huesos., Cuando consume productos lácteos, su sistema digestivo descompone los alimentos en componentes lo suficientemente pequeños como para pasar al torrente sanguíneo. Entre ellos está el calcio, que, debido a que es un elemento, no se puede descomponer más. El calcio elemental en el queso, por lo tanto, es el mismo que el calcio que forma los huesos. Algunos otros elementos con los que puede estar familiarizado son el oxígeno, el sodio y el hierro. Los elementos en el cuerpo humano se muestran en la tabla 1, comenzando con los más abundantes: oxígeno (O), carbono (C), hidrógeno (H) y nitrógeno (N)., El nombre de cada elemento puede ser reemplazado por un símbolo de una o dos letras; usted se familiarizará con algunos de estos durante este curso. Todos los elementos en su cuerpo se derivan de los alimentos que come y el aire que respira.

en la naturaleza, los elementos rara vez ocurren solos. En cambio, se combinan para formar compuestos. Un compuesto es una sustancia compuesta de dos o más elementos unidos por enlaces químicos. Por ejemplo, el compuesto glucosa es un combustible corporal importante. Siempre se compone de los mismos tres elementos: carbono, hidrógeno y oxígeno., Además, los elementos que componen cualquier compuesto dado siempre ocurren en las mismas cantidades relativas. En la glucosa, siempre hay seis unidades de carbono y seis de oxígeno por cada doce unidades de hidrógeno. Pero, ¿qué son exactamente estas «unidades» de elementos?

átomos y partículas subatómicas

un átomo es la cantidad más pequeña de un elemento que conserva las propiedades únicas de ese elemento. En otras palabras, un átomo de hidrógeno es una unidad de hidrógeno-la menor cantidad de hidrógeno que puede existir. Como se puede adivinar, los átomos son casi insondablemente pequeños., El período al final de esta oración tiene millones de átomos de ancho.

Estructura Atómica y energía

Los átomos se componen de partículas subatómicas aún más pequeñas, tres tipos de las cuales son importantes: el protón, el neutrón y el electrón. El número de protones cargados positivamente y neutrones no cargados («neutros»), da masa al átomo, y el número de cada uno en el núcleo del átomo determina el elemento. El número de electrones cargados negativamente que» giran » alrededor del núcleo a una velocidad cercana a la de la luz es igual al número de protones., Un electrón tiene aproximadamente 1/2000 de la masa de un protón o neutrón.

La Figura 1 muestra dos modelos que pueden ayudarle a imaginar la estructura de un átomo-en este caso, el helio (He). En el modelo planetario, los dos electrones del helio se muestran rodeando el núcleo en una órbita fija representada como un anillo. Aunque este modelo es útil para visualizar la estructura atómica, en realidad, los electrones no viajan en órbitas fijas, sino que giran erráticamente alrededor del núcleo en una llamada nube de electrones.

la Figura 1. Dos modelos de estructura atómica., a) en el modelo planetario, los electrones del helio se muestran en órbitas fijas, representadas como anillos, a una distancia precisa del núcleo, algo así como los planetas que orbitan el sol. (b) en el modelo de nube de electrones, los electrones de carbono se muestran en la variedad de ubicaciones que tendrían a diferentes distancias del núcleo a lo largo del tiempo.

los protones y electrones de un átomo llevan cargas eléctricas. Los protones, con su carga positiva, son designados p+. Los electrones, que tienen una carga negativa, se denominan e -. Los neutrones de un átomo no tienen carga: son eléctricamente neutros., Así como un imán se pega a un refrigerador de acero porque sus cargas opuestas se atraen, los protones cargados positivamente atraen a los electrones cargados negativamente. Esta atracción mutua le da al átomo cierta estabilidad estructural. La atracción por el núcleo cargado positivamente ayuda a mantener los electrones lejos. El número de protones y electrones dentro de un átomo neutro es igual, por lo tanto, la carga total del átomo está equilibrada.

número atómico y número de masa

un átomo de carbono es exclusivo del carbono, pero un protón de carbono no lo es., Un protón es lo mismo que otro, ya sea que se encuentre en un átomo de carbono, sodio (Na) o hierro (Fe). Lo mismo es cierto para neutrones y electrones. Entonces, ¿qué le da a un elemento sus propiedades distintivas: qué hace que el carbono sea tan diferente del sodio o el hierro? La respuesta es la cantidad única de protones que contiene cada uno. El carbono por definición es un elemento cuyos átomos contienen seis protones. Ningún otro elemento tiene exactamente seis protones en sus átomos. Además, todos los átomos de carbono, ya sea que se encuentren en el hígado o en un trozo de carbón, contienen seis protones., Así, el número atómico, que es el número de protones en el núcleo del átomo, identifica el elemento. Debido a que un átomo generalmente tiene el mismo número de electrones que los protones, el número atómico identifica el número habitual de electrones también.

en su forma más común, muchos elementos también contienen el mismo número de neutrones que los protones. La forma más común de carbono, por ejemplo, tiene seis neutrones y seis protones, para un total de 12 partículas subatómicas en su núcleo. El número de masa de un elemento es la suma del número de protones y neutrones en su núcleo., Así que la forma más común del número de masa de carbono es 12. (Los electrones tienen tan poca masa que no contribuyen apreciablemente a la masa de un átomo.) El carbono es un elemento relativamente ligero. El uranio (u), por el contrario, tiene un número de masa de 238 y se conoce como un metal pesado. Su número atómico es 92 (tiene 92 protones)pero contiene 146 neutrones; tiene la mayor masa de todos los elementos naturales.,

la Tabla periódica de los elementos, mostrada en la Figura 2, es un gráfico que identifica los 92 elementos encontrados en la naturaleza, así como varios elementos más grandes e inestables descubiertos experimentalmente. Los elementos están dispuestos en orden de su número atómico, con hidrógeno y helio en la parte superior de la tabla, y los elementos más masivos a continuación. La Tabla periódica es un dispositivo útil porque para cada elemento, identifica el símbolo químico, el número atómico y el número de masa, mientras organiza los elementos de acuerdo con su propensión a reaccionar con otros elementos., El número de protones y electrones en un elemento es igual. El número de protones y neutrones puede ser igual para algunos elementos, pero no son iguales para todos.

la Figura 2. La Tabla Periódica de los elementos. (crédito: R. A. Dragoset, A. Musgrove, C. W. Clark, W. C. Martin)

isótopos

aunque cada elemento tiene un número único de protones, puede existir como diferentes isótopos. Un isótopo es una de las diferentes formas de un elemento, que se distingue entre sí por diferentes números de neutrones. El isótopo estándar del carbono es 12c, comúnmente llamado carbono doce. 12C tiene seis protones y seis neutrones, para un número de masa de doce., Todos los isótopos de carbono tienen el mismo número de protones; por lo tanto, 13C tiene siete neutrones, y 14C tiene ocho neutrones. Los diferentes isótopos de un elemento también se pueden indicar con el número de masa dividido (por ejemplo, C-12 en lugar de 12C). El hidrógeno tiene tres isótopos comunes, como se muestra en la Figura 3.

la Figura 3. Isótopos de hidrógeno. Protium, designado 1H, tiene un protón y ningún neutrón. Es, con mucho, el isótopo de hidrógeno más abundante en la naturaleza. El deuterio, designado 2H, tiene un protón y un neutrón., El tritio, designado 3H, tiene dos neutrones.

un isótopo que contiene más que el número habitual de neutrones se conoce como un isótopo pesado. Un ejemplo es 14C. los isótopos pesados tienden a ser inestables, y los isótopos inestables son radiactivos. Un isótopo radiactivo es un isótopo cuyo núcleo se descompone fácilmente, emitiendo partículas subatómicas y energía electromagnética. Los diferentes isótopos radiactivos (también llamados radioisótopos) difieren en su vida media, el tiempo que tarda la mitad de una muestra de cualquier tamaño de un isótopo en decaer., Por ejemplo, la vida media del tritio-un radioisótopo de hidrógeno—es de aproximadamente 12 años, lo que indica que la mitad de los núcleos de tritio en una muestra tarda 12 años en decaer. La exposición excesiva a isótopos radiactivos puede dañar las células humanas e incluso causar cáncer y defectos de nacimiento, pero cuando se controla la exposición, algunos isótopos radiactivos pueden ser útiles en la medicina. Para obtener más información, consulte Conexiones profesionales.

conexión profesional: radiólogo intervencionista

el uso controlado de radioisótopos tiene diagnóstico médico avanzado y tratamiento de la enfermedad., Los radiólogos intervencionistas son médicos que tratan la enfermedad mediante el uso de técnicas mínimamente invasivas que involucran radiación. Muchas afecciones que antes solo podían tratarse con una operación prolongada y traumática ahora se pueden tratar sin cirugía, lo que reduce el costo, el dolor, la duración de la hospitalización y el tiempo de recuperación para los pacientes. Por ejemplo, en el pasado, las únicas opciones para un paciente con uno o más tumores en el hígado eran la cirugía y la quimioterapia (la administración de medicamentos para tratar el cáncer)., Algunos tumores hepáticos, sin embargo, son difíciles de acceder quirúrgicamente, y otros podrían requerir que el cirujano extirpe demasiado del hígado. Además, la quimioterapia es altamente tóxica para el hígado, y ciertos tumores no responden bien a ella de todos modos. En algunos de estos casos, un radiólogo intervencionista puede tratar los tumores interrumpiendo su suministro de sangre, que necesitan para seguir creciendo. En este procedimiento, llamado radioembolización, el radiólogo accede al hígado con una aguja fina, roscada a través de uno de los vasos sanguíneos del paciente., Luego, el radiólogo inserta diminutas «semillas» radiactivas en los vasos sanguíneos que irrigan los tumores. En los días y semanas posteriores al procedimiento, la radiación emitida por las semillas destruye los vasos y mata directamente las células tumorales en las proximidades del tratamiento.

los radioisótopos emiten partículas subatómicas que pueden ser detectadas y rastreadas por tecnologías de imágenes., Uno de los usos más avanzados de los radioisótopos en medicina es el escáner de tomografía por emisión de positrones (PET), que detecta la actividad en el cuerpo de una inyección muy pequeña de glucosa radiactiva, el azúcar simple que las células utilizan para obtener energía. La cámara PET revela al equipo médico cuál de los tejidos del paciente está absorbiendo la mayor cantidad de glucosa. Así, los tejidos metabólicamente más activos aparecen como «puntos calientes» brillantes en las imágenes (Figura 4). El PET puede revelar algunas masas cancerosas porque las células cancerosas consumen glucosa a un ritmo alto para alimentar su rápida reproducción.,

la Figura 4. PET. PET resalta áreas en el cuerpo donde hay un uso relativamente alto de glucosa, que es característico del tejido canceroso. Esta Tep muestra los sitios de diseminación de un tumor primario grande a otros sitios.

El Comportamiento de los Electrones

En el cuerpo humano, los átomos no existen como entidades independientes. Más bien, están constantemente reaccionando con otros átomos para formar y descomponer sustancias más complejas., Para comprender completamente la anatomía y la fisiología, debe comprender cómo los átomos participan en tales reacciones. La clave es entender el comportamiento de los electrones.

aunque los electrones no siguen órbitas rígidas a una distancia determinada del núcleo del átomo, tienden a permanecer dentro de ciertas regiones del espacio llamadas cáscaras de electrones. Una capa de electrones es una capa de electrones que rodea el núcleo a un nivel de energía distinto.,

los átomos de los elementos que se encuentran en el cuerpo humano tienen de una a cinco capas de electrones,y todas las capas de electrones tienen ocho electrones excepto la primera capa, que solo puede contener dos. Esta configuración de las capas de electrones es la misma para todos los átomos. El número exacto de capas depende del número de electrones en el átomo. El hidrógeno y el helio tienen solo uno y dos electrones, respectivamente., Si echas un vistazo a la Tabla periódica de los elementos, notarás que el hidrógeno y el helio se colocan solos a ambos lados de la fila superior; son los únicos elementos que tienen una sola capa de electrones (Figura 5). Una segunda capa es necesaria para mantener los electrones en todos los elementos más grandes que el hidrógeno y el helio.

la Figura 5. Cáscaras De Electrones. Los electrones orbitan el núcleo atómico en distintos niveles de energía llamados cáscaras de electrones. (a) con un electrón, el hidrógeno solo llena a medias su capa de electrones., El helio también tiene una sola capa, pero sus dos electrones lo llenan completamente. (b)los electrones del carbono llenan completamente su primera capa de electrones, pero solo llenan la mitad de la segunda. (c) el neón, un elemento que no se encuentra en el cuerpo, tiene 10 electrones, llenando ambas capas de electrones.

El litio (Li), cuyo número atómico es 3, tiene tres electrones. Dos de ellos llenan la primera capa de electrones, y el tercero se derrama en una segunda capa. La segunda capa de electrones puede acomodar hasta ocho electrones., El carbono, con sus seis electrones, llena completamente su primera capa, y llena a la mitad su segunda. Con diez electrones, el neón (Ne) llena completamente sus dos capas de electrones. Una vez más, un vistazo a la Tabla periódica revela que todos los elementos en la segunda fila, desde el litio hasta el neón, tienen solo dos capas de electrones. Los átomos con más de diez electrones requieren más de dos conchas. Estos elementos ocupan la tercera y siguientes filas de la Tabla periódica.

el factor que gobierna más fuertemente la tendencia de un átomo a participar en reacciones químicas es el número de electrones en su envoltura de Valencia., Una capa de Valencia es la capa de electrones más externa de un átomo. Si la capa de Valencia está llena, el átomo es estable, lo que significa que es poco probable que sus electrones sean alejados del núcleo por la carga eléctrica de otros átomos. Si la cáscara de Valencia no está llena, el átomo es reactivo; lo que significa que tenderá a reaccionar con otros átomos de maneras que hacen que la cáscara de Valencia esté llena. Consideremos el hidrógeno, con su electrón solo llenando a medias su cáscara de Valencia. Es probable que este electrón sea atraído a las relaciones con los átomos de otros elementos, de modo que la capa de Valencia única del hidrógeno pueda ser estabilizada.,

Todos los átomos (excepto el hidrógeno y el helio con sus capas de electrones individuales) son más estables cuando hay exactamente ocho electrones en su capa de Valencia. Este principio se conoce como la regla del octeto, y establece que un átomo renunciará, ganará o compartirá electrones con otro átomo para que termine con ocho electrones en su propia envoltura de Valencia. Por ejemplo, el oxígeno, con seis electrones en su capa de Valencia, es probable que reaccione con otros átomos de una manera que resulte en la adición de dos electrones a la capa de Valencia del oxígeno, llevando el número a ocho., Cuando dos átomos de hidrógeno comparten su electrón único con oxígeno, se forman enlaces covalentes, lo que resulta en una molécula de agua, H2O.

en la naturaleza, los átomos de un elemento tienden a unirse con átomos de otros elementos de maneras características. Por ejemplo, el carbono comúnmente llena su cáscara de Valencia enlazándose con cuatro átomos de hidrógeno. Al hacerlo, los dos elementos forman la más simple de las moléculas orgánicas, el metano, que también es uno de los compuestos que contienen carbono más abundantes y estables en la Tierra. Como se mencionó anteriormente, otro ejemplo es el agua; el oxígeno necesita dos electrones para llenar su envoltura de Valencia., Comúnmente interactúa con dos átomos de hidrógeno, formando H2O. Incidentalmente, el nombre «hidrógeno» refleja su contribución al agua (hydro- = «agua»; -gen = «fabricante»). Por lo tanto, el hidrógeno es el «fabricante de agua.”