BIOLOGIA_I.VELOSO_MODULO_1_
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Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 1 ______________________________________________________________________________________ SUBSECTOR DE APRENDIZAJE: BIOLOGIA MÓDULO DE APRENDIZAJE: LA CÉLULA / (Obtenido y modificado de www.carampangue.cl) NIVEL: 1° MEDIO PROFESORA: IVETTE VELOSO ÑANCO OBJETIVOS DE APRENDIZAJE: Identifican en ilustraciones los principales organelos y estructuras involucradas en las funciones celulares. Describen la función general de los principales organelos y estructuras de la célula eucarionte. Distinguen diferencias y similitudes entre células animales y vegetales, a partir del reconocimiento de sus principales organelos y estructuras. Distinguen los principales elementos diferenciales entre células eucariontes y procariontes. Identifican a los carbohidratos, proteínas, lípidos, ácidos nucleicos como los principales constituyentes moleculares de las células. Por ejemplo, en la membrana plasmática. Identifican los componentes inorgánicos de la célula y su importancia en la constitución de esta. Describen la composición atómica y estructural de las principales moléculas orgánicas. Describen las principales funciones que cumplen en la célula los carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. Describen el rol de las enzimas como catalizadores biológicos esenciales en el metabolismo celular incluyendo la especificidad de sustrato y de acción. Identifican las condiciones necesarias de temperatura, pH, disponibilidad de sustrato para el óptimo funcionamiento enzimático en la célula aplicados a ejemplos concretos, tales como en el proceso digestivo. Mencionan que las células eucariontes comparten la misma composición molecular, pero que su morfología varía de acuerdo al tejido que componen y su función específica. Distinguen los organelos celulares especializados más característicos de diferentes tipos celulares y la consecuencia sobre la función celular. Describen mecanismos de intercambio entre la célula y su ambiente en relación con las características de la membrana plasmática según el modelo de mosaico fluido. Dan ejemplos de procesos fisiológicos cotidianos en los cuales operan diversos mecanismos de intercambio de sustancias. Explican que la célula requiere intercambiar en permanencia sustancias del medio externo, ya sea para incorporar distintas sustancias necesarias para su funcionamiento y también para excretar desechos hacia el exterior, manteniendo estable su medio interno. 1. Organización, estructura y función celular La invención del microscopio fue fundamental en la historia de la biología Si bien la biología actual se basa en que todos los seres vivos funcionan gracias a las células que los forman, tal idea surgió recién hace poco mas de 160 años. Cabe preguntarse entonces, ¿qué se sabía sobre la vida y los seres vivos antes de saber de las células? En la tabla 1 se resumen algunos de los hitos más importantes de la biología “pre-celular”. Tal como se señala en la tabla 1, no se describió a las células sino hasta 1665, cuando Robert Hooke examinó un trozo de corcho con un microscopio que había fabricado (figura 1). En su libro Micrographia, Hooke dibujó y describió muchos de los objetos que había visto al microscopio. En realidad no vio células en el corcho, sino las paredes de las células de corcho muertas (figura 2). No fue sino hasta mucho tiempo después cuando se supo que el interior de la célula, rodeado por las paredes, es la parte importante de la estructura. Unos pocos años después de que Hooke describiera células de corcho muertas, el naturalista holandés Anton van Leeuwenhoek observó células vivas con lentes pequeñas que él pulió. Sin embargo, no dio a conocer sus técnicas de fabricación de lentes, y transcurrió más de un siglo antes de que los biólogos advirtieran la importancia de los microscopios y lo que podrían revelar. No fue sino hasta principios del siglo XIX cuando los microscopios estuvieron lo suficientemente desarrollados para que los biólogos pudieran iniciar el estudio de las células. Figura 1. Microscopio utilizado por Robert Hooke Figura 2. “Células” de corcho vistas por Hooke con su microscopio El microscopio óptico, el tipo usado en casi todos los colegios, consiste en un tubo con lentes de aumento en cada extremo. (Dado que contiene varias lentes, este instrumento a veces se denomina microscopio compuesto.) El principio es muy simple: por el objeto que se observa y por las lentes pasa luz visible. Las lentes refractan (desvían) la luz, con lo que la imagen se amplifica. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 2 ______________________________________________________________________________________ Tabla 1. Principales hitos de la historia de la biología, antes de la teoría celular Año Hito 1800 AC 1550 AC 500 AC 420 AC 350 AC 320 AC 300 AC 280 AC 250 AC 180 1316 1543 1553 1555 1590 1603 1614 1620 1624 1628 1653 1658 1660 1661 1665 1668 1669 1676 1680 1682 1683 1686-91 1733 1735 1745 1748 1749 1752 1759 1768 1771 1779 1779 1780 1783 1796 1798 1800 1801 1806 1809 1810 1817 1822 1825 1827 1827 1831 1836 1837 1838 Uso de la fermentación Primera compilación de curas para enfermedades Primeras disecciones humanas con fines científicos “Todas las enfermedades tienen causas naturales” Primera clasificación de los animales Primer libro de anatomía Distinción entre arterias y venas Nervios pueden ser sensoriales o motores Complejidad del cerebro humano explica su inteligencia Anatomía comparada, importancia de la médula espinal Primer tratado exclusivamente dedicado a la anatomía Nuevo tratado de anatomía humana Circulación pulmonar Estudio de homologías entre animales de distribuciones distantes Invención del microscopio (aunque sin fines científicos) Función de las válvulas venosas Primeras evidencias de las transformaciones químicas del cuerpo Bases del método científico. Inducción por sobre la deducción Evidencias de transformaciones químicas en plantas Circulación sanguínea Descubrimiento de los vasos linfáticos Descubrimiento de los glóbulos rojos. Entomología Descubrimiento de los vasos capilares Importancia del balance ácido base del cuerpo. Digestión es química Publicación de “Micrographia”: se les llama células a las células “Golpe” a la teoría de la generación espontánea Fósiles son animales que vivieron hace mucho tiempo Perfeccionamiento de lentes permite ver muchos microorganismos Músculos y huesos funcionan en base a sistemas de palancas Las plantas son seres sexuales, igual que muchos animales Descubrimiento de las bacterias Clasificación de plantas y animales Medición de la presión sanguínea Taxonomía y nomenclatura binominal Hay hierro en la sangre (elemento traza) Descubrimiento de la osmosis (traspaso de agua a través de una membrana) Ideas transformistas: cree en la evolución de los seres vivos Evidencias que la digestión es un proceso químico Los embriones no son miniaturas. Desarrollan tejidos indiferenciados Ni siquiera los microorganismos surgen por generación espontánea Relación entre plantas, animales y dióxido de carbono Fertilización es un proceso que requiere al padre y a la madre Las plantas con clorofila usan CO2 y producen O2 solo en presencia de luz La contracción muscular tiene “algo” que ver con la electricidad La respiración es una combustión Vacunación contra la polio Anatomía compaada como evidencia evolutiva Descripción de 21 tejidos distintos, que formaban todos los órganos Primera clasificación de los invertebrados. Invención de la palabra “biología” Aislamiento de la Asparagina (desde el espárrago) Primera teoría evolutiva Distinción funcional entre materia gris y blanca del sistema nervioso Aislamiento de la clorofila de las plantas Descubrimiento del primer fósil de dinosaurio: el Iguanodonte Detalles del proceso digestivo, mediante vivisección (accidental) El óvulo está dentro del folículo Clasificación de los alimentos en base a composición química Las células tienen núcleo Aislamiento de la primera enzima animal La fotosíntesis sólo ocurre en células vegetales Todos los seres vivos están formados y funcionan mediante células Descubridor o inventor Egipto Egipto Alcmaeon (Grecia) Hipócrates (Grecia) Aristóteles (Grecia) Teofastro (Grecia) Praxágoras (Grecia) Herófilo (Grecia) Erasistrato (Grecia) Galeno (Grecia) De Luzzi (Italia) Vesalio (Flandes, España) Servet (España) Belon (Francia) Janssen (Holanda) Fabricio (Italia) Santorio (Italia) Bacon (Inglaterra) Van Helmont (Flandes, España) Harvey (Inglaterra) Rudbeck (Suecia) Swammerdam (Holanda) Malpighi (Italia) Silvio (Holanda) Hooke (Inglaterra) Redi (Italia) Steno (Dinamarca) Leeuwenhoek (Holanda) Borelli (Italia) Grew (Inglaterra) Leeuwenhoek (Holanda) Ray (Inglaterra) Hales (Inglaterra) Linneo (Suecia) Menghini (Italia) Nollet (Francia) Buffon (Francia) Réaumur (Francia) Wolff (Alemania) Spallanzani (Italia) Priestley (Inglaterra) Spallanzani (Italia) Ingenhousz (Holanda) Galvani (Italia) Lavoisier (Francia) Jenner (Inglaterra) Cuvier (Francia) Bichat (Francia) Lamarck (Francia) Vauquelin (Francia) Lamarck (Francia) Gall (Alemania) Pelletier y Caventou (Francia) Mantell (Inglaterra) Beaumont (Estados Unidos) Von Baer (Rusia) Prout (Inglaterra) Brown (Inglaterra) Schwann (Alemania) Dutrochet (Francia) Schleiden y Schwann (Alemania) A partir del modelo básico, biólogos, físicos e ingenieros han colaborado en la creación de una diversidad de microscopios para analizar estructuras cada vez más pequeñas y precisas. En algunos casos, los biólogos utilizan microscopios para observar células vivas. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, el espécimen debe prepararse con cuidado, haciendo cortes o secciones muy delgadas y tiñéndolos. Los microscopios ópticos proporcionan una variedad de imágenes, dependiendo de cómo se ilumine la muestra (por ejemplo, desde arriba [campo oscuro] o desde abajo [campo claro]) o si ha sido teñida. La estructura más pequeña que puede observarse es de 1 micrómetro aproximadamente (la milésima parte de un milímetro). Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 3 ______________________________________________________________________________________ La teoría celular surge tras el análisis microscópico de células vegetales y animales Como se sugiere en la primera parte de esta guía, el conocimiento humano de la naturaleza celular de la vida fue lento. Debe reconocerse que Robert Hooke, junto con definir “célula” al referirse a los espacios dejados por las paredes celulares del tejido del alcornoque (corcho), también señaló que "dichas celdillas están llenas de jugos." Sin embargo, Hooke no dijo lo que eran estas células y como se relacionaban con la vida de todas las plantas. En 1673, el inventor holandés, Anton Van Leeuwenhoek dio a conocer a la Sociedad Real Británica sus observaciones acerca de los eritrocitos, espermatozoides y de una gran cantidad de "animáculos" microscópicos contenidos en el agua de los charcos. Pasó más de un siglo antes de que los biólogos comenzaran a entender la importancia de las células en la vida en la Tierra. Los microscopistas primero se dieron cuenta de que muchas plantas estaban formadas completamente por células. La pared gruesa que rodea a todas las células de las plantas hizo que estas observaciones fueran fáciles. Sin embargo, las células animales fueron descubiertas hasta 1830, cuando el zoólogo alemán Theodor Schwann vio que el cartílago contiene células que "semejan exactamente a las células de las plantas". En 1839, después de estudiar las células durante años, Schwann publicó su teoría, llamando células a las partes elementales, tanto de plantas como de animales. A mediados de 1800, un botánico alemán, llamado Mattias Schleiden, tuvo una visión científica más refinada de las células al escribir: "...es fácil percibir que los procesos vitales de las células individuales deben formar los fundamentos básicos absolutamente indispensables" de la vida. En pocos años, varios microscopistas habían observado que las células vivas podían crecer y dividirse en células más pequeñas. En 1858, el patólogo austríaco, Rudolf Virchow escribió: "cada animal es la suma de sus unidades vitales, cada una de las cuales contiene todas las características de la vida". Es más, Virchow predijo: "donde hay una célula, tiene que haber existido una célula anterior, de la misma manera que un animal se forma de otro animal y una planta sólo de una planta". Cabe recordar que en aquellos años todavía existían defensores de la abiogénesis, es decir la posibilidad de generar vida desde materia inanimada. Desde la perspectiva que proporcionaba la teoría de la evolución de Darwin, que se publica al año siguiente (1859), el concepto de Virchow adquiere un significado mucho mayor: hay una continuidad inquebrantada entre las células modernas – y los organismos que las poseen – y las primeras células primitivas de la Tierra. La idea de que todas las células vivas de hoy tienen antecesoras que se remontan a tiempos antiguos fue planteada por primera vez hacia 1880 por el biólogo alemán August Weismann. De esta manera, los tres principios de la teoría celular moderna evolucionaron directamente de los enunciados de Virchow: 1. Cada organismo vivo está formado por una o más células. 2. Los organismos vivos más pequeños son células únicas y las células son unidades funcionales de los organismos multicelulares. 3. Todas las células provienen de células preexistentes. Figura 4. Los precursores de la actual teoría celular Theodor Ambrose Schwann (1810 – 1882) Matthias Jakob Schleiden (1804 – 1881) Rudolf Virchow (1821 – 1902) August Weismann (1834-1914) Las células tienen distintas formas, tamaños y funciones, pero comparten algunas características comunes Tras la difusión de la teoría celular, fueron muchos los hallazgos en torno a la diversidad de células que era posible encontrar en los seres vivos. Sin embargo, existen algunas condiciones compartidas por todas la células independiente del origen que esta tenga: Membrana celular: todas las células están rodeadas por una membrana celular. Esta actúa como una barrera entre el interior de la célula y su medio ambiente. También controla el paso de materiales dentro y fuera de la célula. Material hereditario: en coherencia con el tercer postulado de la teoría celular, cuando se forman nuevas células, reciben una copia del material hereditario de las células originales. Este material es el ADN, que controla las actividades de una célula. Citoplasma y organelos: Las células tienen sustancias químicas y estructuras que le permiten comer, crecer y reproducirse, las cuales se llaman organelos. Los organelos están rodeados por un fluido llamado citoplasma. De tamaño pequeño: la mayoría de las células son invisibles a simple vista. Ya tuviste ocasión de constatar tal hecho en el primer trabajo práctico. Tú mismo estás formado por cerca de 100 billones de células y para cubrir el punto de la letra i se necesitarían cerca de 50! Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 4 ______________________________________________________________________________________ La célula eucarionte posee núcleo y una gran variedad de organelos de formas y tamaños bien definidos Actividad 1. Identificación y descripción de los organelos de una célula eucarionte En la figura 5 se esquematiza una célula eucarionte, con toda su variedad de organelos. Las micrografías que encontrarás más abajo corresponden a los organelos con sus respectivos nombres. Tu tarea es rotular (poner los nombres) el esquema de la célula tras comparar el esquema Figura 5. Esquema de una célula eucarionte con las micrografías. Para justificar tu decisión, deberás realizar una descripción de cada organelo en el espacio asignado. Micrografía Nombre y tamaño Mitocondria D.: 0,4 a 0,8 μm L.: 4 a 9 μm Descripción Centriolos D.: 0,2 μm L.: 0,5 a 0,7 μm _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ Aparato de Golgi L.: 1,5 μm aprox. (ancho muy relativo) _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 5 ______________________________________________________________________________________ A. Núcleo _____________________________ D.: 3 -10 μm _____________________________ B. Nucleolo D.: muy relativo C. Carioteca (membrana interna y externa del núcleo) Espesor: 30 – 50 nm Retículo Endoplásmico Rugoso (RER) (en verde) Su tamaño depende del tipo de célula Ribosomas (en café) D.: 20 a 25 nm Peroxisoma D.: 0,2 a 1 μm _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ B. Citoesqueleto _____________________________ D.: 7 a 25 nm L.: de unos pocos nm hasta _____________________________ varios cm _____________________________ A. Citosol Posee un volumen casi equivalente al de la célula Membrana plasmática Espesor: 8,5 a 10 nm _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 6 ______________________________________________________________________________________ Retículo Endoplásmico _____________________________ Liso (REL) _____________________________ Su tamaño depende del tipo _____________________________ de célula _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ Ribosomas D.: 20 a 25 nm Lisosomas D.: 0,25 a 0,8 μm _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ La célula eucarionte puede estudiarse según las estructuras presentes en cada compartimento A continuación se describen las estructuras más importantes de una célula eucarionte. Se debe tener Membrana Citosol plasmática presente que la principal condición de este tipo de célula es el hecho de tener compartimentos independientes. Célula Citoesqueleto Tales compartimentos permiten estudiar la célula en base Citoplasma eucarionte a ambientes y zonas límite que tienen funciones específicas. Sin embargo, debe recordarse que de una u Organelos Núcleo otra forma, todas las estructuras de una célula están estrechamente relacionadas. El el esquema de la figura 6 sirve de referencia para establecer las primeras relaciones Figura 6. Organización general de una célula eucarionte. de ubicación. Toda célula eucarionte consta de una membrana plasmática que envuelve al citoplasma y al núcleo. Si bien el núcleo está rodeado de citoplasma, su tamaño, función y características de su membrana se definen mejor si se describe en forma independiente a los demás componentes citoplasmáticos. El citoplasma posee una fase semilíquida, el citosol, que está atravesado por una red compleja de citoesqueleto. Embebidos en el citosol y afirmados por el citoesqueleto, se ubican los organelos y las inclusiones citoplasmáticas. MEMBRANA PLASMÁTICA La membrana plasmática es una estructura superficial limitante, que da individualidad a la célula, separándola del medio externo o de otras unidades similares. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 7 ______________________________________________________________________________________ Organización: La membrana plasmática de las células animales y vegetales está formada por lípidos y proteínas, además de una pequeña cantidad de carbohidratos. Los principales lípidos de la membrana son fosfolípidos, que se disponen formando una doble capa. Distribuidas en la bicapa se encuentran distintos tipos de proteínas, ya sea atravesándola (proteínas integrales) o dispuestas sobre la cara interna (proteínas periféricas). Al igual que los lípidos, estas proteínas pueden cambiar de lugar, otorgándole un gran dinamismo estructural a la membrana.1 Figura 7. Estructura general de la m. plasmática Funciones: Participación en procesos de reconocimiento celular. Determinación de la forma celular. Recepción de información externa y transmisión al interior celular. Regulación del movimiento de materiales entre los medios intra y extracelular y mantención de la concentración óptima para llevar a cabo los procesos celulares. Conexiones Desde Citoesqueleto: fibras citoesqueléticas se asocian con proteínas de la m. plasmática Citosol: muchas de las sustancias que atraviesan la membrana provienen del citosol REL: los fosfolípidos de la m. plasmáticas se forman en el REL Tipo de célula: Todas las células, sin excepción. Cabe señalar, sin embargo, que ciertas células animales poseen un alto grado de desarrollo de su membrana, en cuanto a la proyección de plegamientos (por ej. células gliales del sistema nervioso) o microvellosidades (por ej. células intestinales y renales) Hacia Citosol: Toda sustancia que atraviesa la membrana, llega al citosol Vacuola fagocítica: la vacuola se forma de un plegamiento de la membrana plasmática CITOSOL Fig. 8. Aspecto del citosol al MET (en la “lupa”) Organización: El citosol constituye el medio celular en el que ocurren procesos de biosíntesis (fabricación) de materiales celulares y de obtención de energía. Procesos mecánicos como el movimiento del citoplasma o ciclosis en células vegetales y la emisión de seudópodos en las células animales dependen de las propiedades de semilíquido del citosol. El citosol está compuesto por agua, enzimas, ARN, proteínas estructurales, inclusiones, etc. y constituye cerca del 54% del volumen total de una célula. Funciones: Síntesis de moléculas orgánicas, por ej., proteínas mediante ribosomas Transporte, almacenamiento y degradación de moléculas orgánicas, como grasas y glucógeno Tipo de célula: Todas, en general. Conexiones Desde Hacia M. plasmática: transporte de sustancias que ingresan a la célula Núcleo: transporte de nucleótidos y proteínas ribosomales Núcleo: transporte de ARN M. plasmática: transporte de sustancias de desecho 1 Más detalles estructurales y funcionales de la membrana plasmática, se entregan en la página 28 Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 8 ______________________________________________________________________________________ CITOESQUELETO Es una red de filamentos proteicos que surca el citosol, participando en la determinación y conservación de la forma celular, en la distribución de los organelos en el citosol y en variados tipos de movimientos celulares. Los principales tipos de filamentos citoesqueléticos son: Figura 9. Tres tipos de fibras citoesqueléticas Organización: Funciones: Microfilamentos: cadenas dobles trenzadas, cada una formada por un hilo de subunidades de una proteína llamada actina; cerca de 7 nm de diámetro y hasta varios centímetros de longitud (en el caso de células musculares). Contracción muscular; cambios en la forma celular, incluida la división citoplasmática en las células animales; movimiento citoplasmático; movimiento de seudópodos Filamentos intermedios: constan de 8 subunidades formadas por cadenas proteicas que parecen cuerdas; 8 - 12 nm de diámetro y 10-100 mm de longitud. Mantenimiento de la forma celular; sujeción a microfilamentos en células musculares; soporte de extensiones de células nerviosas; unión de células. Microtúbulos: tubos formados por subunidades proteicas espirales de dos partes; cerca de 25 nm de diámetro y pueden alcanzar 50 mm de longitud. La proteína que forma las subunidades se llama tubulina. Movimiento de cromosomas durante la división celular coordinado por los centriolos; movimiento de organelos dentro del citoplasma; movimiento de cilios y flagelos Tipo de célula: En general, todas las células eucariontes poseen los tres tipos de componentes citoesqueléticos. El uso de uno u otro dependerá de la tarea específica de la célula. Sólo las células animales poseen centriolos para coordinar la división celular. Las células ciliadas pueden ser independientes como muchas especies de organismos unicelulares o formando tejidos, como es el caso de la superficie interna de la tráquea o la trompa de Falopio. Los flagelos se pueden encontrar en protozoos y espermatozoides. Conexiones Desde Ribosomas: síntesis de todas las proteínas citoesqueléticas Hacia La mayoría de los organelos está afirmado por el citoesqueleto M. plasmática: Muchas fibras está fijas a proteínas de la membrana Vesículas: los movimientos de lisosomas, vacuolas, etc. dependen del citoesqueleto. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 9 ______________________________________________________________________________________ NÚCLEO El núcleo es una estructura que se presenta en todo tipo de célula, excepto en las bacterias y cianobacterias. Comúnmente existe un núcleo por célula, si bien algunas células carecen de éste (como el glóbulo rojo) y otras son bi o plurinucleadas (como las células del músculo esquelético). La forma nuclear es variable dependiendo en gran parte de la forma celular, en tanto su tamaño guarda relación con el volumen citoplasmático. Figura 10. Morfología y relaciones estructurales del núcleo Organización: Cuando la célula no se está dividiendo, el núcleo está constituido por una envoltura nuclear o carioteca, el material genético o cromatina y uno o más nucléolos. Tanto la cromatina como el nucléolo están incluidos en un medio semilíquido llamado jugo nuclear o carioplasma. Durante la división celular se pierde esta organización, ya que desaparece la carioteca y el nucléolo, en tanto la cromatina se condensa y forma a los cromosomas. Carioteca: Es una doble membrana provista de poros. Forma parte del sistema de membranas internas de la célula, presentando continuidad con el RER. Su superficie externa suele presentar ribosomas adheridos, mientras que a la superficie interna se adosan gránulos de cromatina. A través de los poros se mantiene un intercambio permanente de materiales entre el carioplasma y el citoplasma. Cromatina: Es una red de gránulos y filamentos constituida por ADN y proteínas. El ADN es la molécula que posee la información con el diseño de todas las proteínas que es capaz de elaborar el organismo de una especie. Cuando la célula se dispone a dividirse, la cromatina se duplica y luego se condensa para formar los cromosomas, que actúan como portadores de la información hereditaria. Nucléolo: Es una estructura intranuclear desprovista de membrana. Alcanza su mayor desarrollo, en cuanto a tamaño y cantidad, en células que sintetizan activamente proteínas. En el nucleolo se sintetiza ARN y además se arman los ribosomas que luego se desplazan hasta el citosol y/o RER a través de los poros nucleares Funciones: Tipo de célula: Células eucariontes en general. El nucleolo tiene mayor Separa el material genético del citosol. desarrollo en células con activa síntesis de proteínas, por Controla la síntesis de proteínas. ejemplo algunos tipos de células glandulares Ensambla los ribosomas en el nucleolo. Conexiones Desde Citosol: recibe proteínas que controlan la lectura del ADN Hacia Citosol: traspasa ribosomas y ARN RER: traspasa ribosomas Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 10 ______________________________________________________________________________________ RETÍCULO ENDOPLÁSMICO Es un organelo constituido por un sistema de túbulos y vesículas interconectados que comunica intermitentemente con las membranas plasmáticas y nuclear y que funciona como un sistema de transporte intracelular de materiales. Hay dos tipos de retículo endoplásmico: RETÍCULO ENDOPLÁSMICO RUGOSO (RER) RETÍCULO ENDOPLÁSMICO LISO (REL) Organización: Rugoso (RER): posee membranas dispuestas en sacos aplanados que se extienden por todo el citoplasma. Están cubiertas en su superficie externa por ribosomas. Liso (REL): posee membranas dispuestas como una red mas bien tubular, que no suele ser tan extendida como el RER. No posee ribosomas en su superficie. Figura 11. Morfología y relaciones estructurales del RE Funciones: Rugoso (RER): Almacenamiento y transporte de las proteínas fabricadas en los ribosomas que posee adosados Liso (REL): Síntesis de lípidos, como esteroides, fosfolípidos y triglicéridos. Detoxificación de materiales nocivos y medicamentos que penetran en las células, especialmente en el hígado. Conexiones Desde Núcleo: RER recibe ribosomas que se adhieren en su superficie externa Ribosomas del RER: RER adquiere proteínas para su almacenamiento y transporte Tipo de célula: En general, en todo tipo de células eucariontes. Como la función de los ribosomas es la síntesis de proteínas, el RER abunda en aquellas células que fabrican grandes cantidades de proteínas. El REL es abundante en células especilizadas en la síntesis de lípidos, por ejemplo las células que fabrican esteroides como algunas células de los órganos sexuales. Hacia Aparato de Golgi: transporta proteínas del RER y lípidos del REL APARATO DE GOLGI Organización: Es un organelo único del sistema de membranas internas constituido por sacos aplanados o cisternas apiladas y vesículas. Fig. 12. Morfología y relaciones estructurales del A. de golgi Funciones: Procesa, clasifica y capacita las moléculas sintetizadas en el RER y REL, para convertirlos en moléculas funcionales Sintetiza moléculas que forman parte de paredes (celulosa) o de membranas celulares (glicolípidos y glicoproteínas). Produce vesículas de secreción, llenas de materiales originados en el RER y REL Participa en la formación de lisosomas, así como del acrosoma, estructura del espermio que posibilita su penetración al óvulo. Tipo de célula: Está especialmente desarrollado en células que participan activamente en el proceso de secreción en las cuáles distribuye intracelularmente y exterioriza diversos tipos de sustancias sintetizadas en el RER y REL. Conexiones Desde Hacia RER: Golgi modifica las proteínas sintetizadas por el RER Lisosomas: Golgi da origen a los lisosomas REL: Golgi modifica los lípidos sintetizados por el REL M. plasmática: Golgi libera vesículas que se liberan en la membrana; produce moléculas que forman parte de la membrana LISOSOMAS Organización: Son organelos provistos de una membrana limitante que encierra gran cantidad de enzimas digestivas, que degradan materiales provenientes del exterior o de la misma célula. Son heterogéneos, aunque la mayoría se puede definir como redondeado u ovoide. Su membrana es resistente a las enzimas que contiene y protege a la célula de la autodestrucción. Su número oscila entre unos pocos y varios cientos por célula. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 11 ______________________________________________________________________________________ Funciones: Figura 13. Funciones Digestión de material extracelular mediante la exocitosis de de los lisosomas enzimas; así ocurre la digestión de los alimentos en el tubo digestivo, la remodelación del hueso formado y la penetración del espermio en la fecundación. (fig. 9A) Digestión de restos de membranas celulares mediante “autofagia”. Esto permite la renovación y el recambio de organelos en células dañadas o que envejecen. (fig. 9B) Digestión de alimentos y otros materiales incorporados a la célula; esto permite alimentarse de gérmenes a ciertas células de funciones defensivas (fig. 9C) Mediante el rompimiento de la membrana lisosomal en forma programada, la célula puede determinar su autodestrucción, fenómeno que es crucial en varias etapas de la vida y se denomina “apoptosis” (fig. 9D) Tipo de célula: Son organelos presentes en células eucariontes en general. Son especialmente importantes en células de órganos digestivos, en el tejido óseo (huesos), en el espermio, los glóbulos blancos, entre muchos otros. Conexiones Desde Hacia Golgi: Los lisosomas son vesículas M. plasmática: al liberar enzimas mediante vesículas que se funden con la m. plasmática construidas en el Golgi Vacuola fagocítica o alimentaria2: se pueden fundir con vacuolas para digerir el interior Cualquier organelo membranoso: para realizar autofagia PEROXISOMAS Figura 14. Peroxisomas junto a otros organelos Se parecen a los lisosomas en que también son organelos redondeados, que poseen una serie de enzimas en su interior. Organización: La concentración de enzimas que poseen en su interior es tal, que tienden a formar cristales, los que se aprecian como manchas oscuras en su interior. Dos de sus enzimas más importantes son la catalasa y la urato oxidadasa Funciones: Sus enzimas utilizan O2 para eliminar átomos de hidrógeno a varios tipos de moléculas orgánicas, a través de una reacción química que produce peróxido de hidrógeno (H2O2). A su vez, toma el H2O2, junto a diversas sustancias que pueden resultar tóxicas (por ej. el alcohol), y transformarlas en agua. Participa en ciertas etapas de degradación de las grasas Tipo de célula: Presentes en todas las células eucariontes. Especialmente numerosos en células del hígado y los riñones. Conexiones Desde Citosol: todas sus enzimas son importadas desde el citosol RIBOSOMAS Hacia Citosol: tras metabolizar una gran diversidad de moléculas, traspasan los productos al citosol, algunos de los cuales se aprovechan en las mitocondrias Figura 15. Organización de un ribosoma Organización: Son organelos no membranosos. Básicamente son gránulos pequeños, consistentes en ARN y proteínas. Algunos son libres y se encuentran suspendidos en el citosol, mientras que otros están asociados a membranas internas de la célula. Cada ribosoma está constituido por dos subunidades: una mayor y otra menor. Cada una de ellas, posee un tipo de ARN llamado ARN ribosomal y proteínas ribosomales. Pueden asociarse varios ribosomas entre si, formando unas estructuras con forma de collar de perlas, llamadas polirribosomas. Funciones: Exclusivamente, síntesis de proteínas Tipo de célula: Todos los tipos de células, pues todas requieren elaborar sus propias proteínas 2 En este caso, es un organelo de almacenamiento a corto plazo, a diferencia de la vacuola central de las plantas. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 12 ______________________________________________________________________________________ Conexiones Desde Núcleo: los ribosomas se arman en el interior del núcleo Citosol: los materiales para el armado de cada proteína, se ubican o provienen en el citosol Hacia Citoplasma: todas las proteínas citosólicas y citoesqueléticas se originan en los ribosomas M. plasmática: muchas proteínas de la membrana, se elaboran en los ribosomas RER: los ribosomas adheridos al RER, les traspasan proteínas sintetizadas para un posterior procesamiento MITOCONDRIAS Organización: Son organelos de forma esférica, tubular u ovoide, dotados de una doble membrana, que limita un compartimento en el que se encuentran diversas enzimas que controlan el proceso de la respiración celular. Cada mitocondria consta de una membrana externa bastante permeable y otra interna y plegada, muy impermeable. El plegamiento de la membrana interna forma las crestas mitocondriales, cuyo fin es disponer de una mayor superficie para realizar reacciones químicas Funciones: Síntesis de moléculas de ATP, mediante la degradación de carbohidratos, proceso conocido como respiración celular. Las moléculas de ATP son indispensables en la ejecución de tareas que requieren energía, por ejemplo, la síntesis de proteínas. Tipo de célula: Se encuentran en todo tipo de células eucariontes, y su número varía de acuerdo a la actividad celular, siendo más elevado en aquellas células que tienen mucho gasto de energía. Por ejemplo, en células musculares. Figura 16. Estructura general de una mitocondria Conexiones Desde Hacia Citosol: la mitocondria obtiene la materia prima para la Todos las procesos (casi todos mediados por proteínas) en que se requiere respiración celular: glucosa y oxígeno ATP Las células vegetales poseen algunas características estructurales que les son propias Todas las estructuras y componentes antes descritos están presentes en la inmensa mayoría de las células eucariontes. No obstante, existen algunas estructuras especiales que son exclusivas de las células vegetales y que, por tanto, las células animales no las poseen. PARED CELULAR Lo más importante: no reemplaza a la membrana plasmática Organización: La pared celular de las plantas está compuesta de celulosa y otros polisacáridos y es producida por la misma célula que rodea. Posee un espesor de 0,1 a 10 μm Funciones: Soporte mecánico de las plantas y hongos, frente a la gravedad y el viento Soporte mecánico frente a los desajustes del ingreso o salida de agua desde las células Presenta permeabilidad frente a sustancias nutritivas y desechos, pero no es una membrana selectiva Tipo de célula: Reino Monera: todas las bacterias poseen pared celular de peptidoglicán. Reino Protista: algunos tipos de protozoos, como las diatomeas poseen pared celular de sílice. Reino Hongos: todos los hongos poseen células con pared celular de quitina. Reino Planta: todas las plantas poseen células con pared celular de celulosa. Reino Animal: ningún animal posee células con pared celular Conexiones Desde Hacia Citosol: los componentes de la pared pueden ser sintetizados M. plasmática: toda molécula que atraviesa la membrana, en el citosol necesariamente pasa antes a través de la pared celular Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 13 ______________________________________________________________________________________ CLOROPLASTOS Organización: Son organelos ovoides o fusiformes que poseen dos membranas. La membrana interna encierra un fluido llamado estroma, el cual contiene pilas interconectadas de bolsas membranosas huecas. Las bolsas individuales se llaman tilacoides y sus superficies poseen el pigmento clorofila, molécula clave en la fotosíntesis. La membrana externa está en contacto con el citosol. Poseen ADN y ribosomas en su estroma Funciones: El cloroplasto absorve luz solar para transformarla en energía química y posee los componentes necesarios para retener tal energía en moléculas de azúcar Conexiones Desde Citosol: el CO2 necesario para la fotosíntesis y que proviene del exterior, es captado por el cloroplasto desde el citosol Tipo de célula: Protistas fotosintetizadores y plantas Hacia Mitocondrias: el azúcar producido por los cloroplastos es utilizado por las mitocondrias para la respiración celular PLÁSTIDOS NO FOTOSINTETIZADORES Los cloroplastos son plástidos muy especializados, que realizan fotosíntesis. Existen además una gran variedad de plástidos que cumplen otras funciones Organización: Poseen membrana interna y externa. Sin embargo, la membrana interna no forma redes de tilacoides, sino que es lisa. El contenido del estroma depende de la función del plástido. Si es de almacenamiento, serán gránulos de almidón (amiloplastos). Si se trata de colorear pétalos o frutos, serán pigmentos (cromoplastos). Al igual que los cloroplastos, poseen ADN y ribosomas propios Funciones: Almacenamiento de nutrientes para el invierno Coloración de flores y frutos Tipo de célula: Algunos protistas y todas las plantas Conexiones Desde Cloroplastos: los amiloplastos reciben la glucosa para ser almacenada en forma de almidón Hacia Mitocondrias: en períodos de baja calidad de fotosíntesis, las mitocondrias reciben azúcares desde amiloplastos VACUOLA CENTRAL3 Las vacuolas son organelos presentes en la mayoría de las células eucariontes, incluyendo las animales. La vacuola central es un tipo especial de vacuola, presente en algunos protistas y plantas Organización: Básicamente es un organelo ovoide, cuya forma dependerá de la forma de la pared celular y de la cantidad de agua que contenga. Como la mayoría de los organelos citoplasmáticos, está rodeado de una sola membrana. Ocupa cerca del 90% del volumen celular Funciones: Almacenamiento de agua y otros nutrientes Soporte mecánico de los tejidos (turgencia) Regulación del ingreso y salida de agua de la célula La vacuola central se diferencia de las vacuolas fagocíticas en su tamaño y función. La fagocítica es exclusivamente de almacenamiento por corto plazo, generada mediante endocitosis y vinculada con lisosomas que degradan su contenido. Las vacuolas fagocíticas están presentes en todas las células eucariontes. 3 Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 14 ______________________________________________________________________________________ Digestión intracelular, similar a la de los lisosomas Figura 20. Localización y morfología de la vacuola central Tipo de célula: Algunos protistas y todas las plantas Conexiones Desde Citosol: capta el agua para su almacenamiento Hacia Cloroplastos: donde se hace uso del agua almacenada Actividad 2. Funciones celulares integradas a) Completa las oraciones con los nombres de distintas estructuras celulares. 1) Las moléculas que organizan la _________________ __________________ son de origen lipídico y _______________. Eso determina que si tal envoltura desea aumentar su superficie o reemplazar sus componentes, el organelo responsable de elaborar los _______________________ será el REL y los responsables de las proteínas serán los _____________, los que dependen, a su vez, de la información enviada por el __________________. De esta manera, si el material genético presenta fallas, es posible que la capacidad de la membrana para ____________________________ deje de funcionar. 2) Otro nombre para definir a la _______________ __________________ es endosoma, pues se produce por una incorporación de materiales externos mediante pliegues vesiculares de la membrana plasmática. Este organelo, típico de las células eucariontes, se traslada hasta el _______________________, donde se puede encontrar con un ___________________, quien lo digiere. Algunas de las moléculas que se obtienen pueden ser luego aprovechadas en procesos de síntesis, por ejemplo en el _________________ para elaborar proteínas. Para que los todos estos organelos cambien de ubicación, es vital la participación del _________________________, formado por una gran diversidad de proteínas. 3) Si bien las _________________________ poseen ADN propio, la mayor parte de sus ____________________ provienen de ribosomas ubicados en el _____________________. Por tal motivo, ambas membranas de este organelo deben tener la capacidad de captarlas desde el exterior. Si alguna de estas moléculas funciona incorrectamente, se vería alterada la capacidad de la célula para realizar tareas que requieran ___________________, por ejemplo, el transporte de algunos tipos de sustancias a través de la ____________________ _________________________. El otro organelo que posee ácidos nucleicos y doble membrana son los ______________________, los que son exclusivos de las células ______________________. b) Una vez completas todas las oraciones, realiza un mapa conceptual que resuma lo que se señala en cada uno de los tres párrafos. c) Elabora tu propio párrafo usando las siguientes estructuras, en este orden estricto: Mitocondria Citoesqueleto Golgi d) Enumera todos los criterios de clasificación que se te ocurran para utilizar con los organelos citoplasmáticos, por ejemplo, forma. e) Rotula los siguientes esquemas y decide cuál corresponde a una célula animal y cuál a una célula vegetal. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 15 ______________________________________________________________________________________ Las células procariontes carecen de la mayor parte de los componentes de la célula eucarionte. Volviendo a las características esenciales de toda célula (página 10), las células procariontes poseen los elementos mínimos necesarios para cumplir con cada definición, de una manera simple, pero eficiente. Las bacterias son los organismos procariontes más conocidos. Una diferencia importante entre las células procariontes y las eucariontes es que el ADN de las primeras no está contenido en un núcleo. De hecho, el término procarionte significa "antes del núcleo". En las células procarióticas, el ADN se localiza en una región limitada que se denomina área nuclear o nucleoide, no limitada por una membrana (fig. 21) . En estas células también faltan otros organelos membranosos. Estas células suelen ser mucho menores que las eucarióticas. En efecto, la célula procariótica promedio tiene sólo un décimo del diámetro de la célula eucariótica promedio. Al igual que las células eucarióticas, las procarióticas poseen membrana plasmática, que limita el contenido de la célula a un compartimiento interno. En algunas células procarióticas, la membrana plasmática se pliega hacia dentro y forma un complejo de membranas en el que ocurren las reacciones de transformación de energía celular. La mayor parte de las células procarióticas también poseen pared celular con un material llamado peptidoglicán, una estructura que las envuelve en su totalidad e incluye la membrana plasmática. Muchos procariontes tienen flagelos, fibras largas que se proyectan desde la superficie celular y que funcionan como propulsores, de manera que son importantes para la locomoción. El material interno denso de las células bacterianas contiene ribosomas, así como gránulos de almacenamiento con glucógeno, lípido o compuestos fosfatados. Los ribosomas de las células procarióticas son más pequeños de los presentes en las eucarióticas. Actividad 3. Identifica la o las estructuras que se solicitan Identifica las estructuras presentes: en todas las células en todas las células procariontes eucariontes Ribosomas Membrana plasmática Nucleoide Pared celular Membrana plasmática Núcleo Citoesqueleto RER – REL Pared celular de Golgi peptidoglicán Lisosoma Citoesqueleto Vacuolas Figura 21. Estructura de una célula procarionte sólo en células vegetales Plastidios Pared celular de celulosa Vacuola central sólo en células animales Mitocondrias Centríolos 2. Universalidad de las moléculas orgánicas Los elementos y moléculas que constituyen a todos los seres vivos son similares A pesar que en la naturaleza es posible encontrar más de 100 elementos químicos distintos, los seres vivos estamos organizados por una cantidad reducida de tales elementos y en proporciones bastante fijas. Por ejemplo, tanto un ser humano como una planta posee cerca de un 10% de hidrógeno. Claro que tal hidrógeno se encuentra distribuido en una gran gama de moléculas, tanto orgánicas como inorgánicas. Puede ser parte de una molécula de glucosa (orgánica) o de una molécula de agua (inorgánica). Es importante conocer la organización de una célula. Sin embargo, lo que la célula es capaz de hacer depende de las moléculas que la forman, de las que es capaz de sintetizar, digerir o hacer reaccionar. Además, conocer las necesidades moleculares del organismo es la base de la nutrición y los buenos hábitos alimenticios. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 16 ______________________________________________________________________________________ Actividad 4. Composición elemental del cuerpo humano En la siguiente tabla se detalla la composición porcentual de los elementos que forman parte de las moléculas que constituyen el cuerpo humano. Tu tarea es averiguar en qué tipo de moléculas se encuentran, si tales moléculas son orgánicas o inorgánicas y qué función cumplen en el organismo. Tabla 2. Composición porcentual de los elementos que forman el cuerpo humano Símbolo químico O C H N Ca P K S Cl Na Mg Fe I Nombre Porcentaje Oxígeno Carbono Hidrógeno Nitrógeno Calcio Fósforo Potasio Azufre Cloro Sodio Magnesio Hierro Yodo 65 18 10 3 1,5 1 0,4 0,3 0,2 0,2 0,1 Trazas4 Trazas Moléculas en que se encuentra Inorgánicas Orgánicas Funciones Preguntas de análisis: a) ¿Cuáles son los elementos que constituyen el 96% del cuerpo humano? b) Los demás elementos traza son: manganeso, cobre, zinc, cobalto, fluor, molibdeno, selenio, boro, silicio. Según esto, ¿qué elemento sería anormal de hallar en el cuerpo humano? c) ¿Qué tipo de gráfico sería el más adecuado para representar los porcentajes de esta tabla? ¿Cómo solucionarías el problema de los valores muy pequeños? d) ¿Cómo puede explicarse que todos los organismos tengamos una proporción de elementos similar, a pesar de las diferencias de tamaño, hábitat, adaptaciones, complejidad, etc.? La clave de esta respuesta está en la tabla 3. e) ¿Qué características del agua – aprendidas en química – podrían explicar la importancia que tiene esta sustancia en los seres vivos? 4 Traza: se usa este término cuando se quiere decir que una sustancia está presente, pero en cantidades apenas detectables. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 17 ______________________________________________________________________________________ Las moléculas orgánicas pueden ser de cuatro tipos y se basan en unos pocos elementos químicos En la siguiente tabla (tabla 4) se describen varios aspectos en torno a los cuatro tipos principales de moléculas orgánicas. Estúdiala con detención y luego resuelve los problemas. Clase de molécula Carbohidratos Lípidos Elementos componentes C, H, O C, H, O Descripción Cómo reconocerlos Función principal en los sistemas vivos En general su fórmula aproximada es (CH2O)n 1. Monosacáridos (azúcares sencillos), que son principalmente moléculas de cinco carbonos (pentosas), como la ribosa, o de seis carbonos (hexosas), como la glucosa y fructosa Contar los átomos de C, H y O Buscar formas cíclicas, de pentágono o hexágono Fuente de energía celular; constituyente de otros compuestos 2. Disacáridos, que son dos monosacáridos unidos por un enlace glucosídico, como la maltosa y la sacarosa Contar azúcar las unidades de Componentes de otros compuestos, forma de azúcar de transporte en vegetales 3. Polisacáridos, que se componen de muchos azúcares unidos por enlaces glucosídicos, como el glucógeno y la celulosa Contar azúcar las unidades de Forma de almacenamiento de energía (glucógeno en animales, almidón en vegetales); componente estructural de la pared celular de plantas Contienen menos O que los carbohidratos en relación con el C y el H 1. Grasas neutras. Combinación de glicerol con una a tres moléculas de ácidos grasos: Monoglicéridos, 1 ácido graso Diglicéridos, 2 ácidos grasos Triglicéridos, 3 ácidos grasos Si los ácidos grasos poseen enlaces dobles entre átomos de carbono (C==C), se dice que están insaturados; de lo contrario, están saturados Buscar el grupo glicerol en un extremo de la molécula: Fuente de energía celular y forma de almacenamiento de energía En multicelulares, pueden funcionar como aislante térmico 2. Fosfolípidos. Se componen de un grupo glicerol unido a uno o dos ácidos grasos y a una base orgánica que contiene fósforo Buscar el glicerol y la cadena lateral que contiene fósforo y nitrógeno Componente de membranas celulares 3. Esteroides. Moléculas complejas que contienen átomos de carbono dispuestos en cuatro anillos entrelazados (tres ciclohexanos y un ciclopentano) Buscar 4 anillos enlazados: Algunos son hormonas, otros son colesterol, sales biliares y vitamina D; componentes de membranas celulares 4. Carotenoides. Pigmentos anaranjados y amarillos, que cocsisten en unidades de isopreno Buscar unidades isopreno El retinal (importante en la fotorrecepción) y la vitamina A se forman a partir de carotenoides Proteínas C, H, O, N y por lo común, S Uno o más polipéptidos (cadenas de aminoácidos) enrollados o plegados en formas características para cada proteína Buscar unidades de aminoácidos unidas por enlaces C – N (enlace peptídico) Estructural: citoesqueleto, ribosomas y membranas. Enzimática: transformaciones químicas, síntesis de nuevas moléculas, ruptura de moléculas, durante la digestión y procesamiento de energía. Transporte: en la sangre (hemoglobina) y a través de membranas en la célula. Defensa: anticuerpos. Hormonal: señales entre células en el organismo. Receptora: detección de estímulos en la superficie celular Ácidos nucleicos C, H, O, N, P El esqueleto se compone de grupos pentosa y fosfato alternados, de los cuales se proyectan las bases nitrogenadas. ADN: azúcar desoxirribosa y bases adenina, timina, citosina y guanina; ARN: azúcar ribosa y bases adenina, uracilo, citosina y guanina. Cada subunidad molecular, llamada nucleótido, consiste en una pentosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada Buscar un esqueleto de pentosa – fosfato. El ADN forma una doble hélice Almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética Existen nucleótidos que no estructuran ácidos nucleicos, sino que tienen 3 grupos fosfatos, ricos en energía: el ATP Control de la síntesis y la secuencia de todas las proteínas, enviando un mensaje desde el núcleo al citoplasma (ARN) Para el caso del ATP, funciona como la “moneda de intercambio” de la energía celular Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 18 CARBOHIDRATOS ______________________________________________________________________________________ Actividad 5. Resuelve los siguientes problemas a) Los siguientes esquemas muestran varios aspectos de la organización de las moléculas orgánicas. Compáralos con las descripciones de la tabla 4 y anota en tu cuaderno una característica de cada tipo de molécula, que concluiste de tales dibujos. Figura 22b. Estructura de un polisacárido: el almidón Figura 22c. Formación de un triglicérido a partir de un glicerol y tres ácidos grasos Figura 22d. Estructura de un fosfolípidos ÁCIDOS NUCLEICOS LÍPIDOS Figura 22a. Formación de disacárido a partir de dos monosacáridos Figura 22e. Estructura de un nucleótido Figura 22f. Organización de una cadena de nucleótidos, para configurar un ácido nucleico Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 19 PROTEÍNAS ______________________________________________________________________________________ Figura 22g. (a) Formación de un dipéptido a partir de dos aminoácidos. (b) Esquema de un polipéptido, mostrando la diversidad de tipos de aminoácidos y los extremos terminales b) Identifica el grupo al que corresponden las siguientes moléculas orgánicas: B. C. A. D. c) Tanto los polisacáridos como las proteínas son polímeros, vale decir, se componen de muchas subunidades encadenadas. Sin embargo, sólo en el caso de las proteínas el orden de tales subunidades es estrictamente controlado por la información contenida en el ADN, no así en el caso de los polisacáridos. Averigua por qué. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 20 ______________________________________________________________________________________ Los fosfolípidos poseen una organización que facilita la formación de estructuras con forma de capa Para que una molécula pueda ser disuelta por el agua, debe compartir una característica con el agua: ser polar. El hecho de ser polar permite que las moléculas de agua establezcan puentes de hidrógeno “entre medio” de las moléculas que se desea diluir, separándolas y generando una solución acuosa. Cuando se piensa en un ejemplo de sustancia que no se diluye en agua, surge la idea del aceite o cualquier sustancia grasa. El problema es que los triglicéridos presentes en un aceite efectivamente tienen una Figura 23 a porción polar, que tiene mucha afinidad con el agua. ¿Cómo se explica la conducta del aceite entonces? Si vuelves a revisar las figuras 22c y 22d, se advierte que los triglicéridos y los fosfolípidos comparten una organización similar: los ácidos grasos quedan reunidos mediante una molécula de glicerol, la que en el caso de los fosfolípidos, además se asocia a un grupo fosfato. De esta manera, un fosfolípido posee una “cabeza” de glicerol y fosfato, adherida a una “cola” formada por dos ácidos grasos. Actividad 6. Resolver la “paradoja” de los fosfolípidos: si tienen una porción polar, por qué las grasas tienen dificultad para disolverse en agua Hecho 1: la estructura de los fosfolípidos, ya descrita y esquematizada Hecho 2: una parte de los fosfolípidos es polar Hecho 3: pese al hecho 2, los fosfolípidos, al igual que los triglicéridos, no se disuelven en agua Evidencia experimental 1: Cuando se agrega una pequeña cantidad de moléculas de fosfolípidos en un recipiente con agua, los fosfolípidos se disponen en una capa superficial, tal como se muestra en la figura 23a. Evidencia experimental 2: Cuando se agrega una mayor cantidad de fosfolípidos en un recipiente con agua, los fosfolípidos adquieren la disposición mostrada en la figura 23b. Preguntas: a) ¿Cuál es la porción polar de un fosfolípido? ¿Cuál sería la apolar? b) ¿Qué hace que un fosfolípido tienda a quedarse al lado de otro, en forma mas o menos paralela? c) Cuando se tienen gotitas esféricas de aceite en un vaso con agua (micelas de triglicéridos), espontáneamente se reúnen formando una gota cada vez más grande. ¿Qué sucede si se revuelve el agua con la gota de aceite? ¿Cómo se explican los comportamientos del aceite en agua en base a las evidencias experimentales descritas? d) ¿Por qué los triglicéridos y los fosfolípidos no se disuelven en agua? Figura 23b La capacidad de los fosfolípidos de formar bicapas determina la estructura y función de la membrana plasmática Tal como se explicó en la página 14, la membrana plasmática es básicamente una bicapa de fosfolípidos, que junto a proteínas y carbohidratos, configura una barrera que regula el intercambio de sustancias entre la célula y su entorno. Tras desarrollar la actividad 12 debió quedar claro que el hecho que los fosfolípidos se asocien en bicapas es espontáneo y responde a las cualidades anfipáticas de tales moléculas, vale decir, poseen una región polar y otra apolar. En la figura 24 se señalan los componentes de la membrana plasmática y el rol que le corresponde a cada uno. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 21 ______________________________________________________________________________________ Fosfolípidos Colesterol Proteínas integrales Estructura Moléculas anfipáticas, con cabeza hidrofílica y cola hidrofóbica. El tipo de fosfolípido que forma una membrana determina su permeabilidad y flexibilidad. Ver figura 22d Es un esteroide, que se dispone entre los fosfolípidos, a la altura de la base de la cola. Pueden llegar a ser tan numerosos como los fosfolípidos Suelen tener formas cilíndricas, que logran al atravesar la bicapa lipídica una o más veces. Son moléculas de alto peso molecular, formados por cientos de aminoácidos Función La bicapa que organizan permite acomodar las demás moléculas de la membrana y servir como principal mecanismo de aislación de la célula Aumentan la rigidez y disminuyen la permeabilidad de la membrana Transporte de sustancias, por ej., iones. Activación de respuestas celulares (proteínas receptoras) Reconocimiento de sustancias Dato interesante El REL sólo sintetiza los fosfolípidos de la capa citosólica de la membrana. Los de la capa externa provienen de la interna La presencia de colesterol en la membrana es exclusivo de las células eucariontes Hay proteínas integrales que se fijan a la membrana mediante una porción hidrofóbica que sólo tiene afinidad con la parte central de la membrana Glicolípidos y Glicoproteínas Son carbohidratos unidos a proteínas o lípidos de la membrana formando una “nube superficial de azúcares” que en sus partes más densas se llama glicocálix Reconocimiento con otras células o moléculas. También se cree que protegen y e impiden interacciones innecesarias Uno de los glicocálix mejor estudiados pertenece a los glóbulos blancos Actividad 7. Unidad y diversidad de membrana a) En el siguiente esquema de una célula animal, marca mediante flechas aquellas estructuras que están formadas de membrana b) La tabla 5 señala la composición lipídica aproximada de 3 tipos de membranas celulares. Compara los valores e hipotetiza una explicación frente a las diferencias Tabla 5. Composición lipídica aproximada de diferentes membranas celulares Porcentaje de lípido total en peso Membrana Membrana Membrana plasmática del de la del retículo glóbulo rojo mitocondria endoplásmico Fosfolípidos 60 76 67 Colesterol 23 3 6 Glicolípidos 3 trazas trazas Otros 13 21 27 3. Intercambio entre la célula y el ambiente La membrana presenta permeabilidad selectiva En el estudio de los organelos, especialmente los que tienen relación con la síntesis de materiales, se hizo evidente la necesidad que la materia prima para que tales estructuras funcionen, proviene del medio que rodea a la célula. Al mismo tiempo, si una célula desea eliminar un desecho o liberar alguna sustancia que ha elaborado, la membrana plasmática será fundamental en el proceso de intercambiar moléculas. Frente a los mecanismos de intercambio, se dice que la membrana posee permeabilidad selectiva. Permeabilidad selectiva significa que algunas sustancias atraviesan con más facilidad que otras. Por ejemplo, el oxígeno es muy permeable, mientras que el ion sodio posee una permeabilidad reducida y dependiente de mecanismos especiales de ingreso. La siguiente actividad permite comprender por qué algunas sustancias pasan con más facilidad que otras a través de la membrana. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 22 ______________________________________________________________________________________ Actividad 8. Causas de la permeabilidad selectiva En el siguiente esquema se representan la permeabilidad de diversas sustancias a través de la membrana y algunas características de tales sustancias. Tu tarea es explicar las diferencias de permeabilidad a partir de la comparación de las cualidades de las partículas. Nombre Fórmula química Peso molecular Polaridad Oxígeno O2 32 Apolar Dióxido de carbono CO2 44 Polar pequeña Agua H2O 18 Polar pequeña Urea CH4ON2 108 Polar pequeña Glicerol C3H8O3 92 Polar pequeña Triptófano C11H12O2N2 204 Apolar Glucosa C6H12O6 180 Polar grande Cloruro Cl- 35 Ion negativo Potasio K+ 39 Ion positivo Sodio Na+ 23 Ion positivo La permeabilidad diferencial determina distintos mecanismos de transporte a través de la membrana El hecho que no todas las sustancias atraviesan la membrana con facilidad, ligado a la necesidad de que incluso las menos permeables sean capaces de hacerlo, exige que las membranas dispongan mecanismos especializados para mejorar la permeabilidad de tales sustancias. El la figura 25 se esquematizan los mecanismos utilizados por las moléculas (solutos) para atravesar la membrana plasmática. Cabe señalar que un requisito importante para poder pasar de un lado a otro de la membrana es que exista un gradiente de concentración. Esto quiere decir que la sustancia tiene que estar más concentrada a un lado que al otro. Por ejemplo, si hay más oxígeno afuera de la célula que adentro, el gradiente positivo permitirá el ingreso del oxígeno al interior de la célula. Tal transporte se mantendrá hasta el momento que las concentraciones de igualen. El proceso se denomina difusión simple y es válido para las sustancias de mayor permeabilidad. Cuando existe diferencia de concentración, pero el soluto tiene menor permeabilidad, se requiere el apoyo de proteínas integrales de membrana que operan específicamente para cada sustancia. Pueden ser canales, que funcionan como poros específicos que normalmente presentan dos posiciones: abierto o cerrado. O pueden ser transportadores, que modifican su estructura para permitir el traspaso del soluto. Cuando se requiere que una sustancia atraviese la membrana en contra del gradiente de concentración, vale decir, de donde está menos concentrada hacia donde está más concentrada, se utilizan transportadores capaces de operar como una bomba, es decir, gastan energía para forzar a las moléculas a acumularse contra gradiente. Actividad 9. Cada tipo de molécula, un mecanismo de intercambio distinto La tarea es simple: completa el siguiente cuadro con las moléculas mencionadas en la actividad 14, averiguando e induciendo qué mecanismo de transporte utiliza cada una. Cabe señalar que el uso de un transportador en contra de la gradiente de concentración no depende del tipo de molécula, sino de la concentración en que se encuentra y el requerimiento de esa sustancia por parte de la célula. Tipo de transporte Difusión simple Difusión facilitada mediante canales Difusión facilitada mediante transportadores Moléculas transportadas Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 23 ______________________________________________________________________________________ El agua atraviesa la membrana mediante un tipo especial de difusión: la osmosis El agua también se difunde de regiones de concentración elevada de agua a regiones de concentración baja. Sin embargo, la difusión del agua a través de membranas con permeabilidad diferencial tiene efectos tan importantes sobre las células que se usa un nombre especial para referirnos a ella: osmosis. ¿Qué queremos decir al describir una solución como "con alta concentración de agua" o "con baja concentración de agua"? La respuesta es sencilla: el agua pura tiene la concentración de agua más alta posible. Cualquier sustancia añadida a agua pura desplaza algunas de las moléculas de agua. La solución resultante tendrá un menor contenido de agua que el agua pura. Las sustancias disueltas podrían formar enlaces débiles con algunas de las moléculas de agua, las cuales entonces no podrán difundirse a través de la membrana (figura 26a). Cuanto más alta sea la concentración de sustancias disueltas, menor será la concentración de agua. Una membrana muy simple, con permeabilidad diferencial, podría tener poros apenas lo bastante grandes como para dejar pasar el agua, pero suficientemente pequeños como para ser impermeable a las moléculas de azúcar. Consideremos una bolsa hecha de un plástico especial que es permeable al agua, pero no al azúcar. ¿Qué sucederá si colocamos una solución de azúcar en la bolsa y luego sumergimos la bolsa sellada en agua pura? Los principios de la osmosis nos dicen que la bolsa se hinchará y, si es lo bastante débil, se reventará (figura 26b). La osmosis a través de la membrana plasmática desempeña un papel importante en la vida de las células Como se verificaba más arriba, casi todas las membranas plasmáticas son muy permeables al agua. Dado que todas las células contienen sales, proteínas, azúcares y otras sustancias disueltas, el flujo de agua a través de la membrana plasmática depende de la concentración de agua en el líquido que baña a las células. El fluido extracelular de los animales suele ser isotónico ("tiene la misma fuerza") respecto al fluido citoplásmico del interior de las células. Ees decir, la concentración de agua adentro de las células es la misma que afuera, así que no hay una tendencia neta del agua a entrar en las células o a salir de ellas. Cabe señalar que los tipos de partículas disueltas raras veces son los mismos dentro y fuera de las células, pero la concentración total de todas las partículas disueltas sí es igual, así que la concentración de agua es igual dentro y fuera de las células. Actividad 10. Una aplicación concreta de la osmosis Si se sacan glóbulos rojos del cuerpo y se sumergen en soluciones de sal con distintas concentraciones, los efectos de la permeabilidad diferencial de la membrana plasmática respecto al agua y a las partículas disueltas se manifiestan de forma drástica: Si se colocan glóbulos rojos en agua pura (o sea sin sales o destilada), se hincharán y finalmente reventarán. Figura 27a Si la solución tiene una concentración de sal más alta que el citoplasma de los glóbulos rojos (es decir, si la solución tiene una concentración más baja de agua), las células se encogerán. Figura 27b Figura 26 Figura 27 a Figura 27 b a) Explica las dos situaciones anteriores en base a la osmosis b) Las soluciones con una concentración de partículas disueltas más baja que el citoplasma de una célula, y que por tanto hacen que entre agua en la célula por osmosis, se llaman hipotónicas. Las soluciones que tienen una concentración de partículas disueltas más alta que el citoplasma celular, y que por tanto hacen que salga agua de las células por osmosis, se describen como hipertónicas. Según estas definiciones, clasifica el ambiente de las soluciones de 27a y 27b. c) Explica por qué se arrugan los dedos tras un baño prolongado. En que tipo de agua este fenómeno es más común: ¿el agua dulce o el agua salada? La hinchazón causada por la osmosis puede tener efectos considerables sobre las células. Los protistas como el Paramecium, que viven en el agua dulce, tienen estructuras especiales llamadas vacuolas contráctiles para eliminar el agua que continuamente se filtra al interior. En contraste, el ingreso de agua en las vacuolas centrales de las células vegetales ayuda a mantener la rigidez de la planta. La osmosis a través de membranas plasmáticas es crucial para el funcionamiento de muchos sistemas biológicos, incluida la absorción de agua por las raíces de las plantas, la absorción de agua ingerida en el intestino y la reabsorción de agua y minerales en los riñones. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 24 ______________________________________________________________________________________ Actividad 11. Otro tipo de transporte Cuando se toman micrografías con el fin de estudiar el comportamiento de la membrana frente a las sustancias que están inmediatamente por fuera o por dentro de ésta, se pueden registrar eventos como los que aparecen en la figura 28. Figura 28a Figura 28b Figura 28c La figura 28a corresponde a una micrografía al MET de un glóbulo blanco. Esta célula fue fotografiada en el momento exacto en que ingería bacterias durante una respuesta de defensa del organismo. La figura 28b muestra un segmento de una célula de la glándula mamaria (también al MET) en pleno proceso de liberación de algunos componentes de la leche hacia el medio extracelular. Finalmente, la figura 28c muestra un trozo de célula endotelial. Este tipo de célula es el que permite intercambiar sustancias entre la sangre y las células que rodean a los vasos sanguíneos. Preguntas: a) ¿Qué estructura se puede apreciar en las tres imágenes? b) ¿Por qué supones que en estos casos no son utilizados – al parecer – mecanismos de transporte como la difusión simple o mediada por proteínas de membrana para hacer que sustancias entren o salgan de la célula? Hipotetiza c) ¿Cómo se reemplazará la membrana utilizada para fabricar una vesícula que ingresa a la región citoplasmática como en 28a? d) ¿Cómo se evitará que la célula crezca desmesuradamente al agregar las membranas de las vesículas que liberan sustancias al exterior como se ve en 28b? e) Los procesos que aparecen en las micrografías se denominan exocitosis y endocitosis. Identifica cuál es cuál y luego realiza un dibujo esquemático de cada uno. Puedes ayudarte con el esquema que aparece en la página 18 (lisosomas). f) ¿Requieren de energía estos mecanismos de transporte? Una pista: las vesículas no están flotando en el citoplasma. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 25 ______________________________________________________________________________________ Actividad 12. Problemas de la 3ª parte de la guía a) Se inyecta en el torrente circulatorio de un animal de experimentación una hormona que pese a entrar en contacto con variados tipos celulares sólo afecta el funcionamiento de ciertas células testiculares que responden produciendo espermios. ¿cómo podrías explicar esta respuesta de células específicas a una hormona en = laguna = alga particular? b) La gráfica muestra el contenido relativo de los iones Na+, K+ y Ca++ en las células del alga verde Nitella y del agua de la laguna donde vive, evidenciando las diferencias existentes entre los medios intra y extracelular. Estas diferencias deben ser mantenidas para que el alga continúe funcionando con normalidad ¿Cómo mantendrá el alga Nitella estas diferencias? Na+ c) Observa el siguiente esquema. Ca K+ ++ Representa un tubo de vidrio con forma de U, cuyo interior está separado en dos mitadas mediante una membrana semipermeable (que deja pasar agua, pero no solutos). Al lado izquierdo se ha agregado un pistón al nivel de la superficie del líquido. El agua tiende a desplazarse hacia el lado izquierdo del tubo. Dos preguntas: d) ¿Por qué el agua tiende a desplazarse hacia el lado izquierdo del tubo? Si la presión con que el agua se desplaza al lado izquierdo tuviese una magnitud de 10 mmHg5, ¿con cuánta fuerza habría que apretar el pistón para evitar que el agua se siga desplazando? Este problema es difícil, pero muy interesante. En un laboratorio se quería saber qué sustancias podían pasar mediante endocitosis por el endotelio y cuáles no. Para ello, se marcó con oro a moléculas de albúmina glicosilada la que se usó sola o junto a glucosa o albúmina sin marcar, agregadas al plasma de tres vasos sanguíneos diferentes: Albúmina glicosilada (figura 30a y b) Albúmina glicosilada y glucosa (fig. 30c) Albúmina glicosilada y albúmina (fig. 30d) Cada punto negro que se aprecia en las micrografías de endotelio corresponde a una molécula de albúmina glicosilada marcada con oro. “A” corresponde al plasma sanguíneo y “B” es el ambiente intercelular (entre célula endotelial y las células cercanas al vaso sanguíneo) La diferencia entre la figura 30a y 30b es el tiempo transcurrido: 3 minutos Tarea: Describir los resultados y concluir qué sustancia es transportada por vesículas y cuál no. e) 5 A modo de resumen, completa el siguiente cuadro, usando a la difusión simple como referencia mmHg = milímetros de mercurio, unidad para medir presiones de pequeña magnitud Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 26 ______________________________________________________________________________________ Uso de Naturaleza de lo Ejemplo en que se Mecanismo de transporte Dirección del transporte energía transportado utilice Moléculas pequeñas y No Intercambio de gases Difusión simple Medio extracelular citoplasma apolares Difusión facilitada Osmosis Transporte activo Endocitosis Exocitosis 4. De células a tejidos, órganos y organismos Las células de los organismos pluricelulares no viven aisladas. Cada célula es parte de un tejido y cada tejido posee características distintivas. Por ejemplo, el tejido muscular está formado por células alargadas y tiene la capacidad de contraerse. Un tejido es un conjunto de células que comparten características morfológicas y funcionales. Es frecuente que las células de un tejido se mantengan estrechamente relacionadas, ya sea por mecanismos físicos o comunicación química. Pero también es común encontrar tejidos cuyas células se distancien unas de otras, como sucede con las células sanguíneas. Es un error suponer que cada tejido se encuentra limitado a un órgano particular del cuerpo. Al contrario, la mayoría de los tejidos se encuntran distribuidos en casi todos los órganos del cuerpo. De esta manera, el corazón posee tejido muscular, pero también tejido epitelial, tejido conjuntivo, tejido nervioso y tejido sanguíneo. Otros ejemplos: supuestamente los huesos sólo poseen tejido óseo. Pero también están formados de tejido conjuntivo, cartilaginoso, sanguíneo y epitelial. El cerebro no sólo son neuronas (tejido nervioso). También posee tejido sanguíneo, linfático y epitelial. Se podría suponer que un órgano es el resultado de las características de los tejidos que lo forman. Pero es más que eso. La proporción, disposición, morfología y relación que establece con los demás tejidos hace que un mismo tejido pueda aportar distintas características en distintos órganos. Por ejemplo, en el corazón, existe un tipo de tejido muscular que permite bombear sangre. Otro tipo de tejido muscular, dispuesto de una forma muy distinta, asociado a estructuras óseas, permite los movimientos del brazo o las piernas. Funciones relacionadas (contracción), logradas en diferentes partes del cuerpo. Tampoco es correcto asumir que cada órgano posee “un tipo especial de cada tipo de tejido”. Sólo un especialista podría diferenciar una muestra tejido muscular extraída del rostro de otra extraída del pie. El epitelio de la traquea se parece mucho al epitelio de las trompas de Falopio. Las neuronas de la retina son casi idénticas a otras neuronas ubicadas en la piel. Lo interesante es que al observar mediante un microscopio una muestra de un órgano cualquiera, por ejemplo el estómago, es factible reconocer varios tejidos mediante sus características distintivas. Actividad 13. Histología, la ciencia que estudia los tejidos El profesor te mostrará imágenes de tejidos obtenidas mediante microscopio óptico. Tu tarea es esquematizarlos haciendo uso de lo aprendido en las actividades 4, 5 y 6. A modo de respaldo, se incluyen a continuación imágenes similares a las que se revisarán en clases. La idea es que puedas aumentar su tamaño desde el archivo electrónico para estudiarlas mejor. Fig. 31ª. Tejido epitelial: epitelio renal Fig. 31b. Tejido muscular: músculo estriado Fig. 31c. Tejido sanguíneo: glóbulos rojos y blancos Fig. 31d. Tejido adiposo: grasa blanca Fig. 31e. Tejido glandular: glándulas salivales Fig. 31f. Tejido nervioso: médula espinal Con la información extraída de estas preparaciones histológicas, resuelve el siguiente ítem de columnas pareadas: Tipo de tejido Características de sus células Función 1. Epitelial Células separadas, unidas mediante múltiples prolongaciones Transporte y defensa 2. Muscular Dispuestas en torno a un lumen, estrecha relación con vasos sanguíneos Revestimiento 3. Sanguíneo Alargadas y compactas, con estriaciones del citoesqueleto Liberación de sustancias 4. Adiposo Dispuestas en capas, formas cúbicas o cilíndricas Contracción 5. Glandular Separadas entre sí, formas redondeadas Almacenamiento 6. Nervioso Con citoplasmas desplazados por vacuola lipídica, poligonales Comunicación Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 27 ______________________________________________________________________________________ Los niveles de organización permiten establecer categorías de complejidad creciente De la misma manera que unos pocos elementos químicos permiten organizar un sinfín de moléculas orgánicas y con solo cuatro tipos de tales moléculas es posible estructurar una célula, los tejidos organizan órganos y los órganos, sistemas y aparatos. Es importante reconocer tales categorías, pues no es lo mismo que una droga afecte al “tejido muscular” que a los “músculos torácicos”. Se trataría de dos categorías distintas. Esta distinción es tan real, que actualmente la biología se estudia mediante especialistas para cada nivel de organización. Existen biólogos moleculares, biólogos celulares, histólogos, morfofisiólogos (especialistas en la estructura y función de los sistemas), etc. El conocimiento es tan vasto, que es preciso segmentarlo y estudiarlo parceladamente. De la misma forma, todo hallazgo científico debe poderse remitir al nivel de organización correcto. Por ejemplo, si he descubierto que las células musculares son capaces de regenerarse, debo ser capaz de determinar si es un fenómeno de todos estos tipos de tejidos o solo del tejido muscular del órgano que utilicé para mi investigación. Actividad 14. Niveles de organización integrados a) La siguiente actividad no debería requerir de mayores instrucciones. Simplemente completa leyendo en sentido vertical, según la pauta dada por el ejercicio 1 y según los espacios que ya fueron completados en el ejercicio 2 y 3. Niveles de organización Ejercicio 1 b) Atómico El nitrógeno forma parte de las… Molecular proteínas, que pueden formar Organelos ribosomas, siempre abundantes Celular células epiteliales, que Tisular o de tejidos epitelio de revestimiento del… Órgano estómago, que es parte del… Aparato o Sistema aparato digestivo. Ejercicio 2 Ejercicio 3 El fósforo está presente en los… parte de los… en… constituyen el… tejido glandular que se puede hallar en… sistema nervioso. Verdadero o falso: 1) Un aparato puede tener más de un órgano 2) Los tejidos pueden estar formados por varios órganos 3) Todo órgano está formado por varios tipos de tejido 4) Un mismo tipo de tejido puede estar presente en órganos de sistemas distintos 5) Un tejido está formado por un solo tipo de células 6) Una mitocondria de una célula del ojo puede ser idéntica a una mitocondria de una célula del hígado El trabajo que realizan las células se basa en la actividad metabólica formada por el anabolismo y catabolismo A pesar que las células son estructuras diminutas y están formadas por moléculas mucho más pequeñas todavía, requieren de una cantidad mínima de energía para funcionar. A lo largo de esta guía, hemos mencionado varias de las actividades que una célula debe ser capaz de realizar. Algunas de estas tareas son realizadas por todas las células y otras son mas bien exclusivas de ciertos tejidos. Por ejemplo, la mayoría de las células de un ser humano poseen un citoesqueleto que facilita el movimiento interno de materiales. Por tanto, una parte de la energía que las células consiguen, tiene que estar destinada a las proteínas del citoesqueleto. Al contrario, las únicas células del organismo capaces de fabricar la hormona insulina se ubican en el páncreas. Una parte de la energía de esas células en particular está destinada a la síntesis de esta importante sustancia. Son muy pocas las actividades que una célula realiza que no gastan energía. Se puede mencionar la osmosis por ejemplo. Sin embargo, aún la osmosis requiere de un aporte previo de energía: si se quiere trasladar agua, previamente deben trasladarse solutos, que frecuentemente requieren energía para bombearse. Es decir, directa o indirectamente, para una célula nada es gratuito y debe administrar muy bien sus recursos para poder hacer “de todo”. Estos recursos son bastante concretos y cuantificables. La fuente más frecuente de energía que dispone una célula son las moléculas de Adenosín Trifosfato, más conocidas como ATP. Como se mencionó en la página 19, estas moléculas son elaboradas por las mitocondrias, son derivados de nucleótidos y poseen un enlace PO 4 – PO4 de gran energía potencial. El rompimiento de este enlace permite utilizar una especie de “palanca molecular” que genera energía mecánica. Si esta energía es aplicada en una proteína transportadora de membrana, puede usarse para bombear un ion. Si se usa sobre una proteína citoesquelética, se puede generar desplazamiento de un filamento sobre otro y conseguir movimiento. Si se dispone en un ribosoma, puede servir para unir dos aminoácidos. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 28 ______________________________________________________________________________________ El conjunto de reacciones químicas que posee la célula destinadas a sintetizar sustancias se denomina Anabolismo. Directa o indirectamente, toda reacción anabólica requiere ATP o algún derivado para poder realizarse. Son reacciones anabólicas la síntesis de proteínas, de fosfolípidos, de almidón, de ARN, etc. Se trata de reacciones que aspiran a un nivel de orden superior: un tren es más complejo y ordenado que un carro independiente. Es más complicado disponer las letras de una oración en un orden Figura 32. Comparación entre molécula de ADP (a) y ATP (b) lógico que hacerlo de cualquier manera. El orden implica gasto energético. Implica inversión. La contraparte es el Catabolismo. Se dice que todas las reacciones basadas en la degradación de moléculas son catabólicas. Al contrario de la síntesis, el saldo de una reacción catabólica es energía disponible. La célula destruye moléculas ya sea para hacer uso de sus subunidades o porque la energía retenida en esa molécula puede utilizarse. Paradojalmente, la forma de obtener ATP útil para el anabolismo, son las reacciones catabólicas que separan enlaces energizados, especialmente en moléculas de carbohidratos. Dicho de una manera simple, para elaborar moléculas de Figura 33 ATP se hace uso de la energía química potencial alojada en los enlaces C – C que poseen moléculas de glucosa. Este proceso ocurre en varias etapas. Se inicia en el citoplasma y finaliza al interior de las mitocondrias. Fabricar una molécula de ATP es simple. Basta unir un fosfato a una molécula de Adenosín Difosfato (ADP). El problema es que hacerlo es como encerrar un gran resorte dentro de una pequeña caja: cuesta trabajo, aunque una vez logrado, se dispone de una herramienta eficaz para retener energía (ver figura 32). A diferencia de la glucosa, el ATP no se puede almacenar. Se va usando en la medida que se sintetiza, tanto en las reacciones anabólicas, como en procesos de transporte de sustancias, movimiento, etc. Se dice entonces, que las reacciones de la célula están “acopladas”. No puede haber anabolismo sin catabolismo y viceversa (ver figura 33). Las enzimas aceleran las reacciones químicas, posibilitando el metabolismo Las reacciones químicas, en su mayoría, necesitan, al principio, recibir una cierta cantidad de energía. Esto pasa incluso para las reacciones que liberan energía, como la degradación de la glucosa o la combustión del gas natural. Esta energía añadida hace aumentar la energía cinética de las moléculas y logra aumentar la fuerza de choque entre moléculas. El efecto que se produce es: (1) vencer las fuerzas de repulsión entre los electrones que envuelven las distintas moléculas, y (2) romper los enlaces químicos que hay en una molécula y hacer posible la formación de otros nuevos. La energía Figura 34. El esquema representa una reacción consistente en la inicial necesaria para que las moléculas puedan reaccionar transformación de X en Y. En el primer caso, se requiere una energía de activación “1” para conseguirlo, representada por la altura que es se denomina energía de activación. En el laboratorio, la energía de activación se necesario levantar una bolita para sacarla de la caja. Con la reacción consigue normalmente con calor. Pero en una célula catalizada, el trabajo necesario para sacar la bolita es mínimo. muchísimas reacciones se están produciendo simultáneamente y el calor afectaría todas estas reacciones indiscriminadamente. El calor rompería también los enlaces de hidrógeno que tan eficaces son en mantener la estructura de las moléculas dentro de la célula, y tam bién tendría otros efectos globales destructivos. Las células solucionan este problema gracias al trabajo de las enzimas, moléculas especiales para catalizar las reacciones. Un catalizador es una sustancia que hace disminuir la energía de activación de una reacción, asociándose temporalmente con las moléculas que están reaccionando (Figura 34). Esta unión temporal se traduce en un acercamiento íntimo de las moléculas y puede debilitar los enlaces químicos existentes, con lo que se facilita la formación de nuevos. Com o consecuencia, es muy poca la energía inicial que debe usarse para empezar la reacción, y ésta se produce con mayor rapidez que en ausencia del catalizador. El catalizador no se modifica durante el proceso, por lo que puede reutilizarse continuamente. Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 29 ______________________________________________________________________________________ Gracias a las enzimas, las células pueden llevar a cabo reacciones químicas a grandes velocidades y a temperaturas relativamente bajas. Una sola molécula de enzima puede catalizar la reacción de decenas de miles de moléculas iguales en un segundo. Por esto, las enzimas son particularmente eficaces a concentraciones muy pequeñas. Se conocen cerca de 2.000 tipos diferentes de enzimas, capaces de realizar una reacción química específica. Pero no hay ninguna célula que contenga todas las enzimas conocidas, sino que diferentes tipos de células contienen diferentes tipos de enzimas. Las enzimas particulares que una célula fabrica determinan mayormente la función biológica que tendrá esta célula y sus actividades. Una célula puede tener una cierta reacción química con una velocidad aceptable, sólo si tiene la enzima específica para catalizar dicha reacción. La molécula (o moléculas) sobre la que actúa la enzima se denomina sustrato. Por ejemplo en la reacción esquematizada en la figura 35, la sacarosa es el sustrato de la sacarasa, su enzima. El funcionamiento de una enzima está determinado por su sitio activo Figura 35. Mecanismo de acción de una enzima Algunas enzimas son moléculas de ARN. Todas las otras enzimas son, en cambio, grandes moléculas de proteína, muy complejas, compuestas de una o más cadenas polipeptídicas. Las cadenas polipeptídicas de las enzimas se hallan plegadas de manera que forman huecos o entrantes en su superficie. El sustrato se acomoda en estas partes y es allí donde se produce la reacción catalizada. Esta parte de la molécula se llama sitio activo. Sólo unos cuantos aminoácidos de la enzima forman parte de un determinado sitio activo. Algunos pueden ser aminoácidos consecutivos de la cadena polipeptídica, pero frecuentemente los aminoácidos del centro activo están juntos porque la estructura tridimensional de la proteína los ha acercado. La unión entre la enzima y el sustrato puede ser muy específica o puede ser flexible. Vale decir, el contacto con el sustrato puede inducir un cambio en la disposición de los aminoácidos del sitio activo de la enzima, favoreciendo la unión específica (fig. 36) La mayor parte de los casos, el nombre de una enzima se refiere al sustrato que afecta o a la función que cumple en la reacción catalizada. Por ejemplo, la enzima que facilita la degradación de la sacarosa se llama sacarasa; la enzima que facilita la unión de dos subunidades de un polímero se llama ligasa. Cabe señalar, por último, que es gracias a las enzimas del aparato digestivo que se consigue la extracción eficiente de Figura 36. (a) Modelo por computador de la enzima hexocinasa (azul) y sus sustrato energía desde los alimentos. Casi el 40% de glucosa (rojo) antes de formar un complejo Enzima-Sustrato. El sitio activo de la la energía presente en las moléculas de los enzima es el surco donde se unirá la glucosa (b) La unión de la glucosa al sitio activo alimentos se aprovecha en las actividades de la hexocinasa cambia la forma de la enzima, fenómeno conocido como ajuste celulares, tal como la contracción muscular. inducido. Esto se debe a que las enzimas actúan en pequeños pasos secuenciales, liberando gradualmente la energía. Por ejemplo, la glucosa requiere de 16 reacciones catalizadas cada una por una enzima diferente para poder ser degradada por completo. En comparación, un motor de combustión transforma en trabajo mecánico sólo el 25% de la energía de la bencina mientras que el resto se disipa como calor. Esto, porque la bencina es quemada de una sola vez, mediante una explosión. Actividad 15. Resuelve los siguiente “problemas metabólicos” a) b) c) ¿Cómo se relacionaría la actividad metabólica con el hecho de que los seres humanos tenemos una temperatura de 36,7ºC? Observa el siguiente gráfico y decide cuál de las dos curvas (A o B) representa una reacción catalizada mediante enzima. Justifica ¿Qué sucedería si la energía necesaria para sintetizar las enzimas de una célula fuera superior a la energía que la misma célula obtiene mediante reacciones catabólicas? A la larga, muchas actividades celulares pueden correlacionarse con las necesidades de un ser vivo Colegio Alberto Blest Gana “Jóvenes emprendedores para el siglo XXI” Coordinación Académica 30 ______________________________________________________________________________________ Actividad 16. A modo de resumen de esta guía sobre la organización celular, te proponemos que establezcas una relación entre las distintas tareas que una célula es capaz de cumplir y actividades que realizas a diario. Dejamos tres espacios extras para poner a prueba tu creatividad. 1. Obtención de gases respiratorios 2. Movimiento 3. Digestión 4. Percepción del entorno 5. Toma de decisiones 6. Eliminación de sustancias de desecho 7. Soporte interno 8. 9. 10. Cuerpo humano Vías respiratorias Músculos Aparato digestivo Órganos de los sentidos Cerebro Vías urinarias, glándulas sudoríparas Esqueleto Célula --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------Actividad 17. Selección múltiple Pregunta nivel 1: sólo exige conocimiento de información Escoge la alternativa en que se relaciona correctamente la molécula con el organelo que la sintetiza: a) Lípidos - REL b) Aminoácidos - RER c) Proteínas - Ribosomas d) Carbohidratos – mitocondria e) Ácidos nucleicos - ribosomas Pregunta nivel 3: exige análisis y explicación de un fenómeno La Figura 1 es un gráfico de una reacción enzimática típica. ¿A qué se debería la fase B de la curva? Pregunta nivel 2: exige relación y/o comprensión de conceptos ¿Qué característica en común tienen bacterias y organismos unicelulares eucariontes?: a) Pared celular b) Membrana plasmática c) Posibilidad de formar tejidos d) Retículo Endoplásmico Rugoso e) Material hereditario envuelto en membrana a) b) c) d) e) A la falta de enzima Al término del producto Al agotamiento del sustrato A la inactivación de la enzima A un equilibrio entre sustrato y producto