CAPÍTULO 4: Transformación de materia y energía
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El organismo humano en acción PARTE I ¿Cómo son las células? ¿Cómo ingresan los nutrientes a las células? ¿Cómo obtienen las células la energía para realizar actividades? ¿Es posible estudiar a las células como sistemas? ¿Cómo se forman los músculos? ¿Por qué las células de los elefantes no son más grandes que las nuestras? ¿En qué se parece la actividad celular a una obra en construcción? ¿Por qué las células de los mosquitos no son más pequeñas que las nuestras? Transformación de materia y energía ¿Por qué las babosas y los caracoles mueren por deshidratación cuando se les echa sal? CAPÍTULO ¿Por qué la lechuga se pone mustia cuando condimentamos la ensalada con mucha anticipación? 4 Estructura celular del organismo humano El cuerpo está constituido por células... ¿Es posible estudiarlas como sistemas? ¿Por qué las células de los elefantes no son más grandes que las nuestras? ¿Por qué las células de los mosquitos no son más pequeñas que las nuestras? En los capítulos 1, 2 y 3 estudiaron que los sistemas digestivo, respiratorio y circulatorio funcionan coordinadamente en la incorporación y el transporte de nutrientes en el cuerpo. Además, el cuerpo produce variedad de desechos que circulan por la sangre y luego son eliminados del organismo. Con “anteojos de ver sistemas”, es posible interpretar esquemas que reúnen y sintetizan gran parte de los procesos correspondientes a la nutrición humana. O2 CO2 1 Ingestión 2 Digestión 3 Absorción 4 Hematosis 5 Circulación 6 Egestión 7 Excreción Medio interno Desechos y agua Sistema respiratorio 7 4 Alimento, sales, agua 1 Sistema urinario 5 2 Sistema digestivo 6 Como obser van en el esquema, la sangre inter viene en el transporte de los nutrientes hacia todo el organismo. Cuando se dice “todo el organismo”, significa la totalidad de las células que lo conforman. Cada célula es una porción muy pequeña de materia, con características específicas, y que también puede ser estudiada como sistema si se colocan los “anteojos de ver sistemas”. Medio externo 3 Sistema circulatorio Líquido extracelular Materiales no digeridos Medio extracelular Entrada de materiales: oxígeno y otros nutrientes Medio intracelular Salida de materiales: dióxido de carbono y otros desechos Si quieren… ¿Cómo se producen los desechos que elimina el organismo? Si quieren responder esta pregunta lean el capítulo 5. Entrada de energía: contenida en los nutrientes 98 | 4 Transformación de materia y energía Salida de energía y calor Tamaño celular La mayoría de las células tiene un tamaño microscópico. Como son tan pequeñas, para medirlas los científicos usan una unidad llamada micrómetro (μm). Un micrómetro equivale a la milésima parte de un milímetro. Si observan el espacio que ocupa un milímetro en sus reglas y lo imaginan dividido en mil partes, cada una de ellas es un micrón o micrómetro. 1 micrómetro = 1000 mm Nuestro cuerpo está formado por células de variados tamaños. Desde células sólo visibles a través de un microscopio, como un glóbulo rojo de la sangre (7 μm), hasta células que se observan sin necesidad de microscopios, como la célula huevo o cigota humana, que tienen el tamaño del punto final de esta oración. X 10 X 10 X 10 X 10 X 10 X 10 0,15 nm 1,5 nm 15 nm 0,15 μm 1,5 μm 15 μm Átomo de carbono Molécula de glucosa Membrana plasmática Bacteria Mitocondria Célula humana X 10 X 10 X 10 150 μm 0,15 cm 1,5 cm Organismo unicelular Grano de arena Dedo Tamaños relativos de algunas estructuras. Un centímetro (cm) equivale a la centésima parte de un metro; un milímetro (mm) equivale a la milésima parte de un metro; un micrómetro (μm) equivale a la millonésima parte de un metro; y un nanómetro (nm) equivale a la milmillonésima parte de un metro. Actividades ❚ Observen las imágenes y resuelvan: - Si comparan el grosor de un dedo con el de un átomo de carbono… ¿Cuántas veces más grande es el dedo? - ¿Cuántas veces más pequeña es una bacteria en comparación con una célula humana? - Escriban los resultados en notación científica. 99 Esto decía Van Leeuwenhoek… Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) fue un naturalista holandés que se ganó la vida como vendedor de mercancías, inspector de pesos y medidas y agrimensor de la corte. Si bien nunca asistió a la Universidad, se lo considera el inventor del microscopio. Fabricó variados tipos de microscopios a partir de las lentes que usaba para estimar la calidad de las telas que compraba y vendía. Con esos instrumentos ópticos observó decenas de microorganismos en distintos medios. Comunicó sus observaciones en 190 cartas que dirigió a la Royal Society de Londres. Por sus investigaciones fue nombrado miembro de la Sociedad en 1680. ¿Que quiso decir van Leeuwenhoek con…? Animálculo: actualmente utilizamos el término microorganismo para mencionar seres microscópicos. Libaciones: sorbos espaciados de café caliente. Bestezuelas: diminutivo de bestia. Es probable que Van Leeuwenhoek haya querido describir a los microorganismos observados como pequeños monstruos. Desasosegado: intranquilo o inquieto. Aunque tengo ahora cincuenta años, poseo una dentadura excepcionalmente bien conservada, debido a la costumbre de frotarme fuertemente los dientes con sal todas las mañanas y, después de haberme limpiado las muelas con una pluma, vuelvo a restregarlos vigorosamente con un trapo. A pesar de todo ello, cuando un día miré mis dientes con un espejo de aumento, vi entre ellos minúsculas porciones de sustancia blanca. Raspé los dientes para obtener una muestra y la mezclé con agua de lluvia pura. Puse la mezcla en un tubito y lo sujeté a la aguja de mi microscopio. Encontré allí un ser increíblemente diminuto, que daba saltos en el agua al igual que un pez. Encontré también una segunda clase de animálculo que avanzaba nadando un pequeño trecho, giraba y a continuación, casi repentinamente, daba un hermoso salto mortal. También estaban allí unos seres que se movían perezosamente y se semejaban a bastoncitos curvos. Se movían; no cabía la menor duda de que estaban vivos. ¡Tenía un parque zoológico en la boca![…] Cuando me siento afiebrado, bebo una gran cantidad de tazas de café tan caliente como me es posible soportar, con lo cual rompo a sudar. Una mañana, en medio de uno de los ataques de sudor que me causaban mis abundantes libaciones curativas de café caliente, miré una vez más el sarro formado en mi dentadura. No pude hallar allí ni uno solo de sus animálculos o, mejor dicho, lo que no había eran animales vivos, pues creí ver los cuerpos de millares de individuos muertos, y uno o dos se movían débilmente, como si estuviesen enfermos. Con la ayuda de un espejo de aumento observé mis muelas y con gran sorpresa vi un número increíblemente grande de animálculos, y todos ellos en una porción extraordinariamente reducida del antes mencionado sarro.[…] Entonces llevé a cabo un delicado experimento con mis tubitos, que consistió en calentar el agua, incluidos sus minúsculos pobladores, hasta una temperatura ligeramente superior a la de un baño caliente. Inmediatamente las criaturillas cesaron en sus ágiles desplazamientos. Dejé enfriar el agua y no por ello volvieron a la vida. Era, sin duda, el café caliente el que había matado a las bestezuelas de mis incisivos. ¡Con qué delicia volví a examinarlos una vez más! No obstante, me encontraba molesto y desasosegado, porque era imposible distinguir cuál fuera la cabeza y la cola de aquellos bichillos. ¡Pero debían de tener cabeza y cola, y también debían poseer hígado, cerebro y vasos sanguíneos! Actividades Microscopio fabricado por Van Leeuwenhoek. - ¿Qué preguntas se plantea Van Leeuwenhoek en el fragmento? - ¿Cómo explica la observación de microorganismos muertos en su boca? - ¿Cuál es su inquietud sobre la estructura de esos microbios? 100 | 4 Transformación de materia y energía Con-Texto de la Tecnología Actividades ❚ Observen las imágenes y resuelvan: - Sigan el recorrido de la luz a través del microscopio… ¿Por qué es conveniente cortar en finas láminas el material a observar? - Si disponen de un microscopio óptico, observen sus partes y reconózcanlas teniendo en cuenta las referencias de la imagen. 101 Ventajas de las dimensiones celulares Si quieren… Los nutrientes que ingresan a una célula son transformados. Entre los materiales que resultan de Si quieren recordar la relación entre el tamaño y el volumen de un cuerpo, relean la página 51. las transformaciones, algunos permanecen en la célula y otros son liberados hacia el medio extracelular. Tanto el ingreso como la salida de materiales se realiza a través de la superficie celular. La relación entre la superficie y el volumen de una célula es un factor fundamental en los procesos de incorporación, circulación y eliminación de materiales. Cubo de 1 cm de arista Cubo de 2 cm de arista Cubo de 4 cm de arista ÁREA DE SUPERFICIE 6 cm2 24 cm2 96 cm2 VOLUMEN 1 cm3 8 cm3 64 cm3 RELACIÓN ÁREA DE SUPERFICIE A VOLUMEN 6/1 Cuando aumentan las dimensiones del cubo, su volumen incrementa en mayor proporción que su área. 3/1 1,5/1 Pueden comprender mejor esta relación si imaginan que cada uno de los cubos del cuadro es una papa. La cantidad de puré de papas que puede prepararse con ocho papas de 25 gramos, es la misma que la que puede prepararse con una papa de 200 gramos. Pero probablemente elijan la papa grande en el momento de pelar su cáscara, porque su superficie es relativamente menor. Actividades ❚ Relean el texto y resuelvan: - ¿Por qué las células de los elefantes no son más grandes que las nuestras? - ¿Por qué las células de los mosquitos no son más pequeñas que las nuestras? El volumen celular determina la cantidad de materiales que puede procesar o transformar la célula en un tiempo determinado. La superficie, en cambio, determina la cantidad de materiales que puede incorporar la célula desde el exterior, así como la cantidad de desechos que puede eliminar al medio que la rodea en el mismo tiempo. A medida que la célula crece, la posibilidad de incorporar nutrientes y de eliminar desechos no aumenta en la misma relación que su volumen. Además, por encima de cierto límite, la cantidad de nutrientes que una célula necesita para mantener sus funciones básicas, no puede ser movilizada eficazmente por su interior. 102 | 4 Transformación de materia y energía Diversidad celular Nuestro cuerpo está conformado por aproximadamente 75 billones de células. Sin embargo no todas realizan la misma actividad. Tampoco una sola célula interviene en un proceso específico. Millones de ellas, y de características similares, intervienen en el mismo proceso. Los tejidos son agrupaciones celulares que realizan la misma actividad en el organismo. 1 Las células óseas son células que producen los materiales que conforman los huesos. Constituyen el tejido óseo. 2 Las células musculares que conforman el corazón son muy elásticas y contráctiles. Cuando un conjunto de ellas se contrae o se estira, provoca la contracción o la relajación del órgano. Constituyen el tejido muscular cardíaco. 1 3 Las células epiteliales conforman el tejido epitelial y revisten el interior o el exterior de muchos órganos. Son como baldosas y protegen las células que se encuentran por debajo de ellas. Las células de la imagen cubren la superficie interna de las mejillas. 2 3 4 Los glóbulos rojos provienen de células que han perdido su núcleo. Tienen forma de discos bicóncavos y circulan con facilidad por los vasos sanguíneos. Son parte integrante del tejido sanguíneo. 4 5 Los espermatozoides son células móviles porque poseen una cola o flagelo que los impulsa a través del semen. 6 Un óvulo es una célula esférica sin motilidad. 6 5 7 Las células adiposas retienen lípidos o grasas en su interior. Constituyen el tejido adiposo. 7 8 9 8 Las neuronas son células que reciben y transmiten muy rápidamente los impulsos nerviosos. Son uno de los tipos de células que conforman el tejido nervioso. 9 Las células conectivas están dispersas en un medio que ellas mismas producen. El conjunto forma el tejido conectivo. El tejido conectivo laxo se encuentra entre la piel y los músculos subyacentes. 103 Nivel celular Niveles de organización Nuestro cuerpo está constituido por células; pero también por tejidos; y también por órganos; y no nos olvidemos de los sistemas. Entonces… ¿cómo está conformado nuestro organismo? Nivel de tejidos o tisular Como estudiaron en las páginas anteriores, nuestro cuerpo puede comprenderse como un conjunto de sistemas que interactúan en variados procesos vitales. Nivel de órganos La nutrición es uno de los procesos característicos en el mantenimiento de la vida. En él intervienen los sistemas digestivo, respiratorio, circulatorio y excretor. La lengua, los dientes, la faringe, el esófago, el intestino delgado, el hígado, el páncreas y el Nivel de sistema de órganos intestino grueso, son órganos que constituyen el sistema digestivo. El sistema respiratorio comparte algunos órganos con el digestivo, como la faringe, y otros son propios. La laringe, la tráquea, los bronquios y los pulmones, son órganos que conforman Nivel de organismo el sistema respiratorio. El sistema circulatorio está compuesto por órganos específicos, como el corazón y los vasos sanguíneos y linfáticos. La constitución del sistema excretor se presenta en el capítulo siguiente. Un órgano es una estructura corporal en la que se produce una actividad específica. Un tejido es un conjunto de células similares que realiza un proceso específico común. La lengua está conformada casi totalmente por tejido muscular, como el corazón y cada uno de nuestros músculos. Los huesos están constituidos básicamente por tejido óseo. En síntesis, como si se pusieran “anteojos de graduación cada vez menor”, la organización de nuestro organismo podría ser estudiada partiendo desde niveles microscópicos hacia niveles macroscópicos, en la siguiente secuencia de complejidad: ❚ cuando se lo “percibe” desde el nivel celular, se pretende conocer la organización de sus células; ❚ cuando se lo “observa” desde el nivel de tejidos o tisular, se pretende comprender la organización de los tejidos; ❚ cuando se lo “mira” desde el nivel de órganos, se pretende entender la organización de los órganos; ❚ cuando se lo “analiza” desde el nivel de sistemas de órganos, se pretende interpretar la organización de los sistemas. Pero también la organización de nuestro organismo podría ser estudiada desde niveles macroscópicos hacia niveles microscópicos, como si se colocaran “anteojos de graduación cada vez mayor”, en una secuencia de complejidad inversa a la anterior. La organización por niveles de complejidad puede compararse con las muñecas rusas o mamuschkas. Desde una perspectiva, las muñecas más pequeñas son contenidas por las mayores. Pero, desde la perspectiva inversa, a medida que abrimos las muñecas más grandes encontramos unas más pequeñas dentro de ellas. Actividades ❚ ¿Con qué “anteojos” estudiamos? - Determinen el nivel de organización en el estudio de las siguientes estructuras: glóbulo rojo - corazón - pulmón - boca - sangre - cartílago - leucocito - lengua. 104 | 4 Transformación de materia y energía Nivel celular: las paredes interiores del estómago están recubiertas por cuatro tipos de células diferentes entre sí. Todas ellas intervienen en el proceso de la digestión. Nivel de tejidos: una pequeña porción de la pared del estómago está compuesta por tres tipos de tejidos: epitelial, conectivo y muscular; todos ellos formados por células específicas. Nivel organismo: la dinámica y la interacción de los sistemas de órganos permiten interpretar el funcionamiento del organismo como un todo. Nivel de órganos: el estómago es un órgano con estructura y actividad específicas. Dicha actividad resulta de la combinación e integración de procesos que realizan los tejidos que lo conforman. Nivel de sistema de órganos: el conjunto de órganos que intervienen en la digestión de los alimentos y la absorción de los nutrientes constituyen el sistema digestivo. 105 Estructura general de las células Si bien en nuestro organismo la diversidad de tipos celulares es grande, la mayoría de ellas comparte, al menos, tres componentes comunes: la membrana plasmática, el núcleo y el citoplasma. La membrana plasmática es el límite de la célula. Esta estructura aisla el medio intracelular del medio extracelular y regula el intercambio de materiales entre la célula y el medio; permitiendo la interacción con otras células. El núcleo contiene información genética que controla las funciones celulares. El citoplasma es la región comprendida entre la membrana plasmática y el núcleo. Contiene gran cantidad y diversidad de pequeñas estructuras llamadas organelas, que realizan variadas actividades. Está compuesto por iones y moléculas sencillas, como el agua, moléculas complejas, como proteínas, carbohidratos y lípidos; y otras sustancias que constituyen el contenido celular. Membrana plasmática Lisosoma Retículo endoplasmático rugoso Núcleo Mitocondria Nucleolo Corte de membrana plasmática Aparato de Golgi Vesícula Citoplasma Retículo endoplasmático liso Núcleo 106 | 4 Transformación de materia y energía Retículo endoplasmático rugoso Mitocondria Endocitosis Aparato de Golgi Lisosoma Dinámica de la membrana plasmática Fosfolípidos La membrana plasmática es una estructura tan delgada que se necesitarían 10 000 de ellas colocadas una sobre otra para alcanzar el grosor de esta página. Aunque su grosor es tan pequeño, su composición íntima es compleja y heterogénea. Está formada por regiones en las que se producen actividades específicas. A partir de los resultados de múltiples experimentaciones, en 1972 los biólogos celulares S. J. Singer y G. L. Nicolson inventaron un modelo de membrana plasmática al que denominaron mosaico fluido. Hasta hoy, este modelo es aceptado por la comunidad científica porque sirve para comprender la constitución y la actividad del límite celular. Fosfolípidos Según este modelo, la membrana plasmática es similar a un piso de mosaicos que pueden desplazarse lateralmente. Proteínas Esta fluidez de la membrana plasmática permite explicar el pasaje de materiales hacia el interior y el exterior de la célula y la propiedad de deformarse sin romperse. Diversos materiales ingresan en la célula y egresan de ella a través de la membrana plasmática. Algunos la atraviesan fácilmente; otros con mayor dificultad; y otros nunca pueden ingresar ni salir de ella. Esta propiedad de selección de los materiales que entran y salen se denomina permeabilidad selectiva. La composición del medio extracelular es diferente de la del medio intracelular. Por un lado, fuera de la célula hay nutrientes que son materia prima de los procesos celulares. Por el otro, dentro de la célula se producen desechos que pueden intoxicarla si no son expulsados. Estos materiales pueden entrar en la célula o salir de ella por dos proceso básicos: ❚ por En el modelo de mosaico fluido, una doble capa de moléculas de fosfolípidos constituye el armazón del “piso”. Conjuntamente con las moléculas de proteínas, las moléculas del mosaico se deslizan lateralmente en todas las direcciones. Por este fenómeno, la membrana plasmática cambia de aspecto constantemente. transporte pasivo, los materiales ingresan o egresan sin uso de energía por parte de la célula; ❚ por transporte activo, los materiales entran o salen con utilización de energía. Transporte pasivo La membrana plasmática es muy permeable al oxígeno, el dióxido de carbono y el agua. El pasaje de estas moléculas relativamente pequeñas hacia el medio intracelular o hacia el medio extracelular se produce a través de pequeños espacios que quedan entre las moléculas de los componentes de la membrana plasmática. Medio extracelular Medio intracelular Partícula de oxígeno Partícula de dióxido de carbono Partícula de agua Cuando entre el medio extracelular y el medio intracelular se establece esta situación, el oxígeno y el agua ingresan en la célula, el dióxido de carbono sale de ella y el cuarto material mantiene su concentración constante en ambos medios. Partícula de otro material En una situación como la que presenta este modelo puede observarse que: ❚ las concentraciones de oxígeno y de agua son más elevadas en el medio extracelular que en el intracelular; ❚ la concentración de dióxido de carbono es más elevada en el medio intracelular que en el extracelular; ❚ la concentración del cuarto material es la misma en ambos medios. Si quieren… Si quieren recordar qué es la concentración, relean las páginas 15 y 16 107 En el pasaje de oxígeno, agua y dióxido de carbono, la célula no usa energía, por eso este tipo de movimiento de materiales se denomina transporte pasivo. Actividades ❚ Relean el texto y resuelvan: - ¿Por qué cuando destapamos un perfume o un frasco de acetona a los pocos minutos se siente el aroma en todo el aire del lugar? Se llama difusión al fenómeno físico de desplazamiento de partículas de un material hacia regiones donde se presenta menos concentrado. En la difusión de materiales hacia el interior y hacia el exterior de la célula, ésta no usa energía porque el movimiento de las partículas se produce espontánea y aleatoriamente*. En el aire contenido en los alvéolos pulmonares, el oxígeno se presenta en mayor concentración que en la sangre que circula por los capilares sanguíneos. Pero en esta sangre, el dióxido de carbono se presenta en mayor concentración que en el aire de los alvéolos. Esta diferencia de concentraciones produce la difusión de esos gases. La difusión del oxígeno se produce desde el interior del alvéolo hacia la sangre, y la del dióxido de carbono en sentido inverso. En el capítulo 2 se presenta este proceso como hematosis. En el resto del cuerpo, el dióxido de carbono tiene mayor concentración en las células que en la sangre que circula por los capilares sanguíneos. Pero en esta sangre, el oxígeno tiene mayor concentración que en el interior de las células. La diferencia de concentraciones produce la difusión de estos gases. La difusión del dióxido de carbono se produce desde el interior de las células hacia la sangre, y la del oxígeno en sentido inverso. El proceso denominado ósmosis es un tipo particular de difusión. Consiste en el pasaje de agua a través de una membrana. Entre el medio intracelular y el extracelular pueden establecerse las siguientes tres situaciones: Medio extracelular Situación A Medio intracelular Partícula de agua Partícula de otro material En una situación como la que presenta este modelo puede observarse que: ❚ la concentración de agua es mayor en el medio extracelular; ❚ la concentración del segundo material es mayor en el medio intracelular; ❚ el agua ingresa por ósmosis a través de la membrana plasmática. Cuando se agrega agua pura a una gota de sangre, se produce esta misma situación y, a través del microscopio, puede observarse que los glóbulos rojos se hinchan hasta estallar. Se denomina medio hipotónico el que contiene una concentración total de solutos menor que otro medio con el cual se lo compara. En un medio extracelular hipotónico, el flujo de agua que ingresa hincha las células, es decir, se ponen turgentes. Si el medio continúa con estas características, en las células puede producirse lisis, es decir, la célula estalla o se rompe. 108 | 4 Transformación de materia y energía Medio extracelular Medio intracelular Situación B Partícula de agua Partícula de otro material En una situación como la que presenta este modelo puede observarse que: ❚ la concentración de agua es mayor en el medio intracelular; ❚ la concentración del segundo material disuelto es menor en el medio intracelular; ❚ el agua egresa por ósmosis a través de la membrana plasmática. Cuando se agrega agua muy salada a una gota de sangre, a través del microscopio puede observarse que los glóbulos rojos se contraen y achicharran. Se denomina medio hipertónico el que contiene una concentración total de solutos mayor que otro medio con el cual se lo compara. En un medio extracelular hipertónico las Actividades ❚ Relean el texto y resuelvan: - ¿Por qué las babosas y los caracoles mueren por deshidratación cuando se les echa sal? - ¿Por qué la lechuga se pone mustia cuando dejamos la ensalada condimentada durante varias horas? células pierden agua y por eso se encogen y marchitan. Medio extracelular Medio intracelular Situación C Partícula de agua Partícula de otro material En una situación como la que presenta este modelo puede observarse que: ❚ la concentración de agua y de otros materiales es la misma en el medio intra y extracelular; ❚ se equilibra la cantidad de agua que entra y sale de la célula a través de la membrana. Cuando a una gota de sangre se le agrega agua con la misma concentración de solutos que el plasma, a través del microscopio puede observarse que los glóbulos rojos mantienen sus dimensiones. Se denomina medio isotónico el que contiene una concentración total de solutos igual que otro medio con el cual se lo compara. En un medio extracelular isotónico, se produce un equilibrio entre el flujo de agua que ingresa en la célula y egresa de ella; por eso las células mantienen sus dimensiones. En condiciones habituales, los medios extracelulares del organismo humano son isotónicos. 109 Difusión facilitada Medio extracelular En ocasiones, el medio extracelular puede contener una mayor concentración de nutrientes que la presente en el medio intracelular. El ingreso de glucosa y aminoácidos podría producirse por difusión. Sin embargo, debido al tamaño de esas moléculas, estos materiales no atraviesan los poros de la membrana plasmática. El flujo de estos materiales depende de proteínas transportadoras de la membrana que se unen temporalmente con la molécula que se transporta. Este proceso facilita el ingreso y el egreso de moléculas a través de la membrana. La proteína transportadora no se modifica Medio intracelular durante el pasaje y, así, queda libre y puede “facilitar” el traspaso de otra molécula. En el proceso de difusión facilitada, la célula no usa energía porque, como en la difusión y en la ósmosis, las moléculas se desplazan hacia regiones de menor concentración. En una situación como la que se presenta en el modelo lateral, el medio extracelular posee mayor concentración de glucosa que el medio intracelular. En estas condiciones, las proteínas transportadoras provocan el ingreso de las moléculas en el interior de la célula. Transporte activo Muchos de los nutrientes que la célula usa en sus actividades no ingresan por los procesos anteriores. A veces, porque el tamaño de las partículas es mayor que el de los espacios Medio extracelular intermoleculares de la membrana plasmática. Otras veces, el tamaño de las partículas es adecuado, pero la concentración de ese nutriente en el medio extracelular es menor y, entonces, las partículas no pueden ingresar por difusión. El transporte por el cual esos nutrientes entran en la célula requiere uso de energía y Energia por eso se denomina transporte activo. Este tipo de transporte es provocado por proteínas específicas que se denominan bombas. Medio intracelular La bomba sodio-potasio, por ejemplo, está constituida por un tipo de proteínas presente en la membrana plasmática. Se denomina así porque intercambia iones sodio y potasio entre Iones sodio (Na+) Iones potasio (K+) los medios intra y extracelular. En una situación como la que presenta este modelo, la proteína bombea iones sodio hacia el medio extracelular e iones potasio hacia el medio intracelular, aun en contra de las concentraciones de estos materiales en ambos medios. Cada dos iones potasio ingresados en la célula, tres iones sodio son liberados de ella. Como consecuencia de este intercambio, se produce un desequilibrio en las concentraciones de sodio y potasio en los lados opuestos de la membrana. La bomba sodio-potasio es fundamental en la transmisión de los impulsos nerviosos en las neuronas. Transporte de otros materiales Entre los materiales que ingresan en las células, algunos son porciones de líquidos, partículas sólidas como grandes proteínas, o microorganismos completos. Este tipo de transporte también requiere energía y se denomina endocitosis. Durante este proceso, la membrana plasmática se repliega y envuelve el material en una “bolsa” cuyas Durante la fagocitosis, la célula se deforma y emite prolongaciones citoplasmáticas denominadas pseudópodos. Una vez en el medio intracelular, hacia el interior de la vacuola se liberan enzimas que degradan o digieren el contenido. paredes están compuestas por una porción de membrana plasmática. Cuando el material incorporado es una porción de líquidos, como gotas de aceites, el proceso de endocitosis se denomina pinocitosis y la “bolsa” que las envuelve se llama vesícula. En cambio, cuando los materiales incorporados son porciones sólidas o un microorganismo completo, el proceso de endocitosis se denomina fagocitosis y la “bolsa” que los envuelve se llama vacuola. En el capítulo 3 se explicó la importancia de este proceso en la eliminación de bacterias, actividad que realizan algunos glóbulos blancos. 110 | 4 Transformación de materia y energía actividades experimentales ❚ ¿Cómo hacer que un huevo aumente y disminuya su tamaño? Para responder esta pregunta necesitan 3 huevos, 1/2 litro de vinagre de alcohol, 3 vasos plásticos, 1/2 litro de agua destilada (que pueden conseguir en una estación de servicio) hilo de algodón, regla y una olla en desuso. Coloquen los tres huevos en la ollita y viertan allí el vinagre. Los huevos deben quedar cubiertos con el líquido. Transcurridos algunos minutos, observen qué ocurre con los huevos. Dejen la ollita en un lugar donde nadie la toque durante 1 o 2 días. Pasado ese tiempo, verán que los huevos quedaron casi sin cáscara. Lávenlos con mucho cuidado debajo del chorro de la canilla. Frótenlos con los dedos hasta sacarles el resto de la cáscara. Cuando terminen este procedimiento podrán observar la yema y la clara del huevo a través de una “película” denominada membrana testácea. Tomen un trozo del hilo de algodón y rodeen uno de los huevos por su parte más ancha, según indica el esquema. Corten el hilo para tener la medida justa del perímetro de ese huevo. Realicen el mismo procedimiento con los otros dos huevos y traten de no mezclar los tres segmentos de hilo cortados. Realicen cada uno de los pasos con mucho cuidado para evitar la rotura de los huevos. Coloquen agua de la canilla en uno de los vasos y ubiquen allí uno de los huevos. Marquen con el número 1 el vaso y peguen con cinta adhesiva el segmento de hilo correspondiente en el exterior del vaso. En otro vaso, preparen una mezcla muy concentrada de sal en agua y ubiquen allí otro de los huevos. Marquen el vaso con el número 2 y peguen en su pared exterior el hilo correspondiente. Llenen el tercer vaso con agua destilada y coloquen allí el tercer huevo. Peguen el segmento de hilo correspondiente. En todos los vasos los huevos deben quedar sumergidos en el líquido. Dejen los vasos en un lugar donde nadie los toque durante un día. Transcurrido ese tiempo, verifiquen el perímetro de cada uno de los huevos con el segmento de hilo correspondiente. - ¿En qué huevo aumentó el perímetro? - ¿En qué medio líquido estuvo sumergido? - Elaboren una explicación relacionando ambos datos. - ¿En qué huevo disminuyó el perímetro? - ¿En qué medio líquido estuvo sumergido? - Elaboren una explicación relacionando ambos datos. - ¿Alguno de los huevos conservó su perímetro inicial? ¿Por qué? Elaboren una explicación. - Diseñen un cuadro para comparar los resultados obtenidos, teniendo en cuenta las siguientes variables: - tipo de medio (hipotónico, hipertónico o isotónico) - medida del perímetro del huevo. - Respondan la pregunta inicial de la actividad. 111 Con-Texto de la Tecnología IMPORTANTE HALLAZGO DE CIENTÍFICOS FRANCESES Consiguen crear in vitro glóbulos rojos humanos Lo hacen a partir de células madre de la médula ósea. Lo consideran un gran progreso en hematología. PARÍS ESPECIAL dan nacimiento a eritroblastos que se transformación de cerca del 100% de las Un equipo de especialistas franceses transforman en células K, precursoras de células CD 34 en jóvenes glóbulos rojos. en hematología* anunció el domingo, en los hematíes. Una vez liberados a la san- Los investigadores dijeron poder obtener el sitio en Internet de la publicación Natu- gre, los glóbulos rojos tienen una vida pro- de cada célula CD 34 cerca de dos millo- re biotechnology, haber fabricado in vitro medio de 120 días. En el organismo hu- nes de jóvenes glóbulos rojos. por primera vez en el mundo grandes mano se calcula que hay entre 4 y 5 millo- cantidades de glóbulos rojos humanos, nes de hematíes por mililitro de sangre. Esta técnica abre posibilidades para estudiar el proceso de producción de glóbu- maduros y funcionales. Este resultado Los investigadores franceses lograron los rojos de manera “antóloga”. Es decir, se marca una etapa importante en la historia en una primera etapa identificar a las célu- tratará de extraer células madre en la san- de la hematología. Abre al mismo tiempo las madre —llamadas células CD 34— con gre periférica de un paciente para transfor- amplias perspectivas tanto en el campo simples extracciones de sangre o a partir marlas luego in vitro en glóbulos rojos y de la investigación básica como en el de de muestras de sangre del cordón umbi- transferirlas al mismo paciente. Este nue- las transfusiones sanguíneas, así como, lical. Perfeccionaron luego un proceso de vo procedimiento podrá ser especialmente tal vez, en el de la terapia genética y la cultivo que reproduce in vitro, de la forma útil en aquellas personas que deben some- lucha contra el paludismo. más fiel posible, el ambiente que conocen terse a frecuentes transfusiones. La salida de un glóbulo rojo de la las células en vivo. El proceso incluye tres médula ósea es el fruto de un proceso de etapas y necesita de la concurrencia de Información general, diario La Razón, 28-12-04 diferenciación celular a partir de células varios factores de crecimiento. Esto per- (adaptación). madre. En este proceso, las células madre mite inducir, en un plazo de 21 días, a la Actividades ❚ Relean el artículo y resuelvan: - Describan la secuencia de procesos que ocurre en el organismo hasta la maduración de un glóbulo rojo. - Describan la secuencia de procesos que permite producir glóbulos rojos fuera del organismo. - ¿Qué problemas de salud podrían resolver la ciencia y la tecnología con los procesos anteriores? 112 | 4 Transformación de materia y energía Dinámica del citoplasma Una vez ingresados los materiales en las células… ¿Cómo obtiene la célula la energía necesaria para realizar sus funciones? ¿Cómo se forman los músculos? Se denomina metabolismo el conjunto total de transformaciones de materia y de energía que ocurre en el interior de las células. Estas transformaciones pueden ser de dos tipos: ❚ de obtención de la energía contenida en los nutrientes. El conjunto de reacciones que interviene en este proceso se denomina catabolismo o degradación; ❚ de elaboración de materiales básicos que son utilizados como materia prima en los pro- cesos de crecimiento, reparación, secreción, etcétera. El conjunto de reacciones que interviene en este proceso se denomina anabolismo o síntesis. Procesos catabólicos o de degradación Fenómenos que permiten deducir procesos catabólicos en las células Modelo para comprender procesos catabólicos en las células Durante el catabolismo, enzimas específicas transforman los nutrientes de molécula compleja en materiales de estructura más sencilla. En esta transformación se libera energía. Sabemos que una persona que no se alimenta adecuadamente o que ayuna durante un tiempo prolongado, no podrá realizar actividades normalmente. Incluso se puede enfermar gravemente. Sabemos también que un deportista debe consumir una dieta especial para cubrir el esfuerzo que implica su actividad. Además, desde chicos nos dijeron que es importante alimentarse para “tener más energía”. energía ABCD + enzimas A + B + C + D + enzimas La glucosa es uno de los nutrientes de molécula compleja que incorporamos cuando nos alimentamos. La obtención de energía a partir de la glucosa es un proceso catabólico y se denomina respiración celular. Durante la respiración celular, enzimas degradadoras transforman la glucosa en dióxido de carbono y agua mediante un proceso complejo, en cuya etapa final participa el oxígeno. En la degradación se libera energía. Modelo escolar para comprender procesos catabólicos en las células C6H12O6 glucosa + enzimas degradadoras + + 6 O2 oxígeno energía 6 CO2 dióxido de carbono + 6 H2O agua + enzimas degradadoras + Con botones, clips y “anteojos de ver partículas” es posible simular un proceso catabólico como la respiración celular. El modelo simula la transformación de glucosa (molécula compleja) y de oxígeno en dióxido de carbono y agua. Enzimas degradadoras dividen gradualmente la glucosa en fragmentos. Este proceso libera energía. 113 La respiración celular se inicia en el citoplasma y concluye en las mitocondrias. En estas organelas interviene oxígeno que proviene de la ventilación pulmonar y finalizan los procesos por los cuales se obtiene energía y materiales de desecho: dióxido de carbono y agua. La energía que proviene de la respiración celular queda almacenada en una molécula compleja denominada ATP o adenosintrifosfato. La degradación posterior de esta molécula libera la energía que se usa en las actividades del organismo. nutriente + oxígeno + enzimas ATP + dióxido de carbono + agua + enzimas Mitocondria Procesos anabólicos o de síntesis Fenómenos que permiten deducir procesos anabólicos en las células Sabemos que un bebé tiene músculos. Sabemos también que con tiempo y una alimentación adecuada, sus músculos crecerán y se fortalecerán. Modelo para comprender procesos anabólicos en las células Durante el anabolismo, enzimas específicas transforman moléculas de composición sencilla en otras de estructura más compleja. Estas transformaciones requieren aporte de energía. A + B + C + D + enzimas energía ABCD + enzimas Los músculos están compuestos principalmente por proteínas y agua. La miosina y la actina son proteínas que conforman el tejido muscular. La construcción o síntesis de miosina y de actina es un proceso anabólico. Durante ese proceso, enzimas sintetizadoras unen aminoácidos y elaboran moléculas de esas proteínas. Este proceso requiere energía aportada por el ATP. En el organismo, el complejo ABCD puede ser, por ejemplo, una molécula de miosina. Modelo escolar para comprender procesos anabólicos en las células energía aminoácidos + enzimas sintetizadoras proteínas + aminoácidos enzimas sintetizadoras proteína Con clips y “anteojos de ver partículas” es posible simular un proceso anabólico como la formación de una proteína. El modelo simula la unión de aminoácidos que producen las enzimas sintetizadoras. En este proceso se usa energía y el resultado es la síntesis de proteínas. Los procesos anabólicos o de síntesis ocurren en variadas organelas citoplasmáticas: los ribosomas y los retículos endoplasmáticos liso y rugoso. El retículo endoplasmático está constituido por un conjunto de tubos, sacos y vesículas de paredes membranosas. Una parte del retículo tiene aspecto rugoso debido a los millares de ribosomas adheridos. En este tipo de retículo endoplasmático se almacenan las proteínas que sintetizan los ribosomas adosados. En cambio, en el interior del retículo endoplasmático Retículo endoplasmático rugoso liso se sintetizan lípidos. 114 | 4 Transformación de materia y energía Los procesos de síntesis y degradación que se acaban de describir, son sólo dos ejemplos de los miles de procesos que ocurren en el medio intracelular. Las organelas mencionadas también son sólo algunas de las que intervienen en esos variados y complejos procesos. El siguiente modelo sirve para comprender algunos de los procesos metabólicos que ocurren en el medio intracelular y su relación con el medio extracelular: dióxido de carbono, agua y otros desechos Medio extracelular Intervienen en Medio intracelular movimiento degradación calor energía crecimiento reparación de heridas metabolismo Oxígeno y otros nutrientes síntesis producción de saliva, jugo gástrico, bilis, etcétera materiales producción de nuevas células Dinámica del núcleo El núcleo celular está separado del citoplasma por una doble membrana llamada envoltura nuclear o carioteca con pequeños poros a través de los cuales circulan materiales entre el contenido nuclear y el citoplasma. Dentro del núcleo se encuentran los cromosomas, compuestos básicamente por enormes y complejas moléculas de ácido desoxirribonucleico o ADN. Dichas moléculas contienen la mayor parte de la información hereditaria del organismo. Los seres humanos tenemos 46 cromosomas en el núcleo de la mayoría de las células. Pero en las sexuales, como los espermatozoides y los óvulos, tenemos 23 cromosomas. Es posible establecer una analogía entre la actividad celular y una obra en construcción: ❚ en una construcción, el maestro mayor de obra, ingeniero o arquitecto conserva los pla- Núcleo celular nos de la obra. Los albañiles, carpinteros, techistas y pintores realizan las actividades en los tiempos que indican los especialistas. ❚ dentro del núcleo se encuentra la información necesaria para construir partes de la célula, dirigir los procesos metabólicos y reproducirla. La mayoría de estas actividades ocurren en el citoplasma y en las organelas que contiene. En la analogía, el ADN contenido en el núcleo sería el especialista que planifica y dirige la obra. El citoplasma y las organelas serían los empleados que desarrollan las actividades previstas. 115 Comprender e integrar 1. Lean las preguntas de apertura del capítulo 4 e intenten responderlas con lo que aprendieron. 2. ¿Cómo simular el transporte a través de la membrana plasmática? Para responder esta pregunta necesitan un trozo de chinchulín o tripa de vaca, cerdo o cordero; almidón o fécula; un vaso pequeño; dos vasos o recipientes de paredes bajas, clips para papeles, agua, alcohol y un gotero o pipeta. En el vaso pequeño mezclen agua con cuatro o cinco cucharaditas de almidón. Corten el chinchulín en dos porciones de aproximadamente 15 cm cada una. Sumerjan las porciones en alcohol durante media hora y luego sáquenle la grasa con los dedos, debajo del agua de la canilla. Sujeten uno de los extremos de la porción de chinchulín en el borde del vaso de paredes bajas con un clip. Con ayuda del gotero o la pipeta, llenen la tripa con la mezcla de agua y almidón. Cuando ya no puedan colocar más mezcla, sujeten el extremo libre del chinchulín en la pared del vaso. El dispositivo debe quedar como indica la imagen. Rotulen este vaso con el número 1. En el vaso número 2, procedan de la misma manera pero llenen el interior del chinchulín sólo con agua. Agreguen agua en los vasos hasta dejar casi sumergidas las porciones de tripa. Dejen el dispositivo en un lugar donde nadie lo toque hasta el día siguiente. Transcurrido el tiempo, observen los dispositivos y resuelvan: Vaso 1 116 | 4 Transformación de materia y energía - Comparen el grosor de los chinchulines en ambos vasos. ¿Qué observan? - Al iniciar el experimento y en el vaso 1… ¿Dónde estaba más concentrada el agua? - ¿Qué habrá ocurrido con la concentración de agua al finalizar el experimento en este mismo vaso? - Expliquen la causa de la diferencia de los grosores de ambas porciones de chinchulín. 3. Si en la escuela hay lugol, podrán comprobar si en el vaso 1 del experimento anterior se produjo movimiento de almidón hacia el exterior del chinchulín. El lugol es una solución de yodo que se usa para detectar la presencia de almidón. Esta solución es de color caramelo; pero cuando se la pone en contacto con almidón se torna violeta oscuro. Los materiales que reaccionan evidenciando la presencia o la ausencia de un material se denominan indicadores. Coloquen una gotita de lugol en un trozo de pan o una galletita y observen el cambio de coloración. ¿Cómo procederían para verificar si en el vaso 1 se produjo desplazamiento de almidón hacia el agua del vaso? Realicen el experimento, registren los resultados y elaboren una conclusión. 4. Relacionen los siguientes conceptos en un texto: célula - organismo - nutrición - tejido - órgano - membrana plasmática - transporte de materiales - difusión - sistema de órganos - ósmosis - endocitosis - metabolismo - síntesis degradación - respiración celular - desechos - energía Vaso 2
