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Grado 11 Ciencias naturales Unidad 4 ¿Cómo cambian los componentes del mundo? Tema ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? Nombre: Curso: Actividad Introductoria: Los deportistas. 1. Observa y lee con atención, la historieta que será presentada: Los mejores deportistas del último año en el colegio se preparan para una competencia amistosa. Cada uno calienta a su manera antes de iniciar la carrera. La carrera comienza... la mayoría van muy parejos, pero... uno se ha quedado atrás, no está rindiendo igual que sus compañeros. Parece que Clara será la ganadora… …¡así es! El segundo y el tercero llegan casi al mismo tiempo… ¿Dónde estará el cuarto competidor? 1 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? El entrenador pregunta a Octavio si se siente bien, Si tiene alguna idea de por qué está tan fatigado y no ha rendido en la carrera… Octavio le responde que por los nervios de la competencia, no pudo dormir… y que por el afán de ese día, olvidó desayunar… El entrenador lo mira y le dice: -Ajá… 2. Después de visualizar la historieta contesta las siguientes tareas problemas. a. ¿Por qué crees que Octavio se agotó primero? b. ¿Qué factores pueden influir en la capacidad atlética de un deportista de alto rendimiento? c. Por qué se considera que la buena alimentación es un factor importante para medir el rendimiento de un deportista 2 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? d. ¿Cómo se transforman los alimentos en energía para que podamos participar en actividades deportivas? e. ¿Qué alimentos de los que consumes a diario, crees que te pueden brindar más energía para tus actividades diarias? Explica 3. Escribe los Objetivos que consideras llegar alcanzar durante la clase. »» Distinguir algunos procesos y moléculas que le permiten a la célula llevar a cabo sus reacciones químicas internas. 3 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? Actividad 1: El Metabolismo en el cuerpo Humano. 1. Contesta las siguientes tareas problemas: a. ¿Cuáles de tus actividades diarias, consideras que son vitales para poder vivir? b. ¿Cuáles son las principales fuentes de energía, que utilizamos para realizar nuestras actividades diarias? c. ¿Cómo crees que se transforma estos alimentos en energía, para poder realizar nuestras actividades? 4 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? 2. Lee con atención. Respiración celular Todo ser vivo necesita energía para vivir. Realizar actividades como respirar, crecer, jugar y hasta dormir, implican un gasto de energía que se obtiene a través de los alimentos que ingerimos. ¿Pero cómo transformamos un alimento en energía? El primer paso es descomponer los alimentos en sus compuestos químicos y luego ingresar esas moléculas a las células, en un proceso llamado digestión. Este tiene como resultado que los carbohidratos y otras moléculas sean removidas del alimento consumido y transportadas al torrente sanguíneo. Desde aquí, los nutrientes ricos en energía como la glucosa, abandonan la sangre a través de la pared de los capilares sanguíneos y entran a los tejidos celulares. Una vez en el interior de la célula, comienza el proceso de respiración celular, en el que se oxida completamente la molécula de glucosa, liberando electrones de alta energía. El objetivo general es sintetizar atp, la molécula que interviene en todas las transacciones de energía que se llevan a cabo en las células – mediante un proceso denominado glucólisis. Así, nuestro organismo transforma el alimento en energía útil para vivir. 3. Ahora, contesta las siguientes preguntas. a. ¿Cuál consideras que es el proceso mediante el cual se transforman los alimentos en energía para las células de nuestro cuerpo? 5 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? b. ¿Cómo crees que los diversos procesos que ocurren luego de ingerir los alimentos, influyen en la producción de energía para las células? c. ¿De qué manera crees que una molécula como la de glucosa, puede generar toda la energía necesaria para el funcionamiento de la célula? 4. Ahora Lée la siguiente conceptualización. El Metabolismo. Debemos tener en cuenta, que se conoce con el nombre de metabolismo a las diferentes transformaciones químicas que sufren los nutrientes en los tejidos, una vez superados los procesos de digestión y absorción correspondientes. De aquí que, este metabolismo incluye reacciones de tipo degradativo, que se utilizan fundamentalmente para obtener energía que se conoce como: (catabolismo), y reacciones de tipo biosintético, por las que se forman diversas biomoléculas utilizando parte de esa energía que se conoce como: (anabolismo). El cuerpo humano es una máquina que necesita disponer de “combustible” en forma de energía química. Esta energía es utilizada para el trabajo físico, para obtener calor y mantener así la temperatura corporal, para la construcción de sus propias estructuras, utilizando para ello numerosas reacciones biosintéticas, y para transportar un elevado número de sustancias a través de las membranas celulares. Un combustible metabólico puede definirse como un compuesto circulante que es tomado por los tejidos para la producción de energía. Existen dos tipos de combustibles para el organismo: exógenos, derivados de la ingesta de alimentos, y endógenos, derivados directamente de los almacenes tisulares (como el glucógeno y los triglicéridos) o de la oxidación incompleta de otros combustibles (como el lactato o los cuerpos cetónicos). Las fuentes de combustible contenidas en los alimentos son los macronutrientes denominados hidratos de carbono, grasas y proteínas. 6 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? 5. Después de visualizar la conceptualización contesta las siguientes tareas problemas. a. De acuerdo con la conceptualización anterior, ¿Cómo ha cambiado tu concepción de metabolismo? b. Menciona una reacción que permita la obtención de energía y otra donde se formen moléculas utilizando parte de esta energía. 6. Ahora Lée la siguiente conceptualización. Las rutas metabólicas. Los centenares de reacciones químicas que integran el metabolismo no tienen lugar de manera independiente unas de otras, sino que están articuladas en largas secuencias de reacciones consecutivas ligadas entre sí por intermediarios comunes, de manera que el producto de cada reacción resulta ser el sustrato o reactivo de la siguiente. Estas secuencias de reacciones reciben el nombre de rutas metabólicas. Las rutas metabólicas a su vez están organizadas en un complejo entramado en el que unas están conectadas con otras a través de encrucijadas metabólicas, en las cuales hay un metabolito común a dos o más rutas. Un ejemplo de una de las tantas rutas metabólicas que están presentes en nuestro organismo y que tiene una gran importancia para la producción de energía en la célula es conocida como la glucolisis. 7 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? Figura 1.. Ruta metabólica de la Glucolisis. 7. Observa con atención la animación que te presentará tu docente, después de visualizarla contesta las siguientes tareas problemas. 8. Después de ver el video debes dar solución a los siguientes interrogantes: a. Identifica el tipo de reacciones que ocurren cuando se degradan los alimentos para ser transformados en energía para la célula. 8 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? b. Explica como a partir de algunas moléculas se puede generar ATP para ser usado como molécula energética. c. ¿Por qué consideras que estos procesos son reconocidos como “rutas Metabólicas”? 9. Ahora Lée la siguiente conceptualización. Funciones del metabolismo 1. Obtener energía química (ATP) degradando nutrientes ricos en energía (o a partir de la energía solar) 2. Convertir moléculas nutrientes en moléculas celulares (fabricar los componentes celulares). 3. Polimerizar precursores monoméricos a proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, etc. -Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones celulares especializadas (hormonas, neurotransmisores, etc.) Características del metabolismo 1. Las reacciones bioquímicas son muchas, pero las reacciones importantes son relativamente pocas. 2. Las rutas metabólicas centrales son pocas y son similares en todas las formas vivas. 3. Las moléculas importantes del metabolismo no son más de 100 -Todas las rutas se regulan de forma similar. 9 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? 10. Ahora lée con atención las siguientes instrucciones para realizar el laboratorio, pero antes, responde los interrogantes que se plantean. Materiales: • • • • • • • Agua caliente, Una botella, Un vaso, Un embudo, Un globo, Levadura prensada Azúcar. Procedimiento: 1. 2. 3. 4. 5. Disolvemos un par de cucharadas de levadura en medio vaso con agua caliente. Añadimos a la mezcla un par de cucharadas de azúcar y removemos un poco. Transferimos la mezcla resultante a una botella de cristal pequeña. Ponemos un globo en la boca de la botella. Metemos la botella en un recipiente con agua caliente. a. ¿Qué ocurrirá al poner el globo en la boca de la botella? b. ¿Por qué crees que pasaría esto? Argumenta. 10 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? Explicación del fenómeno Las levaduras son microorganismos unicelulares que utilizan el azúcar como alimento liberando en el proceso dióxido de carbono. Con el gas liberado aumenta la presión en el interior de la botella y el globo se infla. Al principio, cuando el oxígeno está presente en el interior de la botella, las levaduras crecen por respiración consumiendo oxígeno y produciendo dióxido de carbono. Pero cuando el oxígeno se termina las levaduras cambian a un metabolismo anaeróbico (sin oxígeno) y se produce la degradación de azúcar mediante fermentación que produce cantidades mayores de alcohol y de dióxido de carbono gaseoso. 11. Ahora responde las siguientes tareas problema. a. ¿Elabora una explicación que argumente el motivo por el cual se infla el globo al pasar los minutos? b. Elabora una representación submicroscópica y simbólica de lo que está sucediendo en el interior del envase de vidrio. 11 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? c. Explica que tipo de transformación química que está sucediendo en esta caso. d. Teniendo en cuenta el experimento realizado anteriormente, ¿este fenómeno se puede considerar un proceso catabólico o anabólico? Explica. 12. Ahora Lée la siguiente conceptualización. Fases del metabolismo El metabolismo se divide en dos fases principales: el Catabolismo y el Anabolismo Catabolismo El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo, en la cual moléculas orgánicas complejas y relativamente grandes como los polisacáridos o las proteínas se degradan para dar lugar a moléculas de estructura más simple y menor tamaño tales como el ácido láctico, CO2, agua, amoníaco o urea. Este proceso degradativo va acompañado de la liberación de la energía química inherente a la estructura de las moléculas orgánicas que se degradan; es por lo tanto un proceso exergónico. Muchas reacciones del catabolismo suponen una oxidación, es decir, una pérdida de electrones, de los sustratos orgánicos que se degradan. En resumen, el catabolismo es un proceso degradativo, oxidante y exergónico. 12 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? Un ejemplo de una ruta catabólica es la respiración celular: Para conceptualizar brevemente la respiración celular, se presentara un video a los estudiantes donde se explica en que consiste esta. La respiración celular y el ATP. Las células llevan a cabo diversos procesos para mantener su funcionamiento normal, muchos de los cuales requieren energía. La respiración celular es una serie de reacciones mediante las cuales la célula degrada moléculas orgánicas y produce energía. Todas las células vivas llevan a cabo respiración celular para obtener la energía necesaria para sus funciones. Usualmente se usa glucosa como materia prima, la cual se metaboliza a bióxido de carbono y agua, produciéndose energía que se almacena como ATP (trifosfato de adenosina). Figura 2. Productos de la respiración celular La respiración aeróbica se realiza en etapas: glucólisis (en el citosol), Ciclo de Krebs (en la matriz mitocondrial) y Cadena Respiratoria (en la membrana interna de la mitocondria). Acoplada a esta última ocurre la Fosforilación Oxidativa, que es la formación de ATP en presencia de oxígeno. Anabolismo En contrapartida, el anabolismo es la fase constructiva del metabolismo, en la cual tiene lugar la síntesis de los componentes moleculares de las células tales como los ácidos nucleicos, las proteínas, los polisacáridos y los lípidos a partir de moléculas precursoras de estructura más sencilla y menor tamaño. Este proceso biosintético requiere energía química para poder ser llevado a cabo, es decir, es un proceso endergónico. La construcción de biomoléculas orgánicas altamente hidrogenadas requiere electrones para reducir a sus precursores relativamente oxidados. En resumen, el anabolismo es un proceso constructivo, reductor y endergónico. Un ejemplo de este proceso anabólico es la fotosíntesis. En la cual, se sintetiza materia orgánica a partir de materia inorgánica, teniendo en cuenta que la fotosíntesis es la transformación de la energía luminosa en energía química. Su importancia no es de índole menor, pues prácticamente toda la energía consumida por la vida de la biosfera terrestre procede de la fotosíntesis. Figura 3. La fotosíntesis. 13 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? 13. Teniendo en cuenta la conceptualización anterior. a. Reelabora tu explicación en dos párrafos con cohesión y coherencia sobre el fenómeno observado en la práctica experimental teniendo en cuenta, lo conceptualizado anteriormente. 14 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? Actividad 2: La termodinámica y la bioenergética. La Bioenergética y La termodinámica. Con este término se designan los intercambios de energía que se desarrollan en el metabolismo, los cuales obedecen las mismas leyes físicas que cualquier otro proceso natural, y dentro de estas leyes, los principios de la termodinámica son la base para comprender estas transducciones o cambios de energía. Las trasformaciones biológicas de la energía siguen las leyes de la termodinámica. Muchas observaciones cuantitativas realizadas por físicos y químicos sobre la interconversión de las diferentes formas de energía condujeron a la formulación, en el siglo XIX, de dos leyes fundamentales de la termodinámica. La primera ley es el principio de la conservación de la energía, en cualquier cambio físico o químico, la cantidad total de energía en el universo permanece constante, aunque pueda cambiar la forma de energía. La segunda ley de la termodinámica, que se puede presentar de diversas maneras, dice que el universo tiende continuamente hacia un mayor desorden: en todos los procesos naturales, aumenta la entropía del universo. Los organismos vivos consisten en colecciones de moléculas mucho más organizadas que los materiales circundantes a partir de los cuales están construidas y mantienen y producen orden, de una manera que parece olvidarse de la segunda ley de la termodinámica. A pesar de esto, los organismos vivos no violan la segunda ley de la termodinámica sino que operan estrictamente dentro de ella. 1. Lee y observa con atención el siguiente caso. Caso 1. Oxidación de la Glucosa. La entropía es un estado o condición no solo de la energía sino también de la materia. Los organismos aeróbicos extraen energía libre de la glucosa obtenida de su entorno. De aquí que, para poder extraer esta energía oxidan la glucosa con oxígeno molecular también obtenido del entorno. Los productos finales del metabolismo oxidativo de la glucosa son CO2 y H2O, que son devueltos al entorno. En este proceso el entorno experimenta un incremento de entropía mientras el mismo organismo permanece en estado estacionario sin experimentar cambio en su orden interno. Aunque parte de la entropía también proviene de otro tipo de desorden, el cual será ilustrado por la ecuación de la oxidación de la glucosa por los organismos vivos, que se puede escribir: 15 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? 2. Teniendo en cuenta el caso presentado anteriormente responde. a. ¿Cuáles serían las características de la reacción de síntesis de la glucosa que permiten relacionarla con la Entropía? b. Elabora una explicación de lo presentado en el grafico anterior. c. Establece relaciones con otros procesos que ocurren al interior de la célula, en los cuales están involucradas las leyes de la termodinámica. 16 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? 3. Ahora lée la explicación del fenómeno. Los átomos contenidos en una molécula de glucosa más 6 moléculas de oxígeno, un total de 7 moléculas, se dispersan más al azar por la reacción de oxidación y están ahora presentes en un total de 12 moléculas (6CO2 + 6H2O) Siempre que hay una reacción química transcurre de modo que hay un aumento en el número de moléculas, o cuando una sustancia sólida, como la glucosa, se convierte en productos gaseoso o líquido, que tiene más libertad para moverse o llenar el espacio que un sólido, hay un incremento en el desorden molecular y en la entropía. 1. Realiza un escrito con cohesión y coherencia donde conceptualices la importancia que tiene el metabolismo y la producción de energía para las células de los organismos a partir del siguiente interrogante. a. Explica en términos metabólicos, ¿Cómo obtienen la energía las células musculares para producir el movimiento? 17 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior? Investiga acerca de algunas rutas metabólicas que permitan la producción de energía, y la elaboración de biomoléculas a partir de esta energía. Lista de referencias Audesirk, T., Biología: la vida en la tierra. (8 Edición) Prentice Hall México, 2008. ISBN 9789702611943 18 ¿Qué le permite a la célula llevar a cabo las reacciones que ocurren en su interior?
