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GUÍA DE APRENDIZAJE UNIDAD: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA Unidad1: Membrana plasmática y mecanismos de transporte 1 INTRODUCCIÓN: En guía estudiaremos en detalle, como está formada la membrana celular y los diferentes mecanismos de transporte de sustancias químicas que se producen por la membrana plasmática. APRENDIZAJE ESPERADO: Se pretende que puedas comprender que la membrana celular, a pesar de ser muy delgada, tiene una organización molecular muy compleja y cumple varias funciones como: protección de las estructuras internas de la célula, control de sustancias que entran o salen, identificación de moléculas y comunicación celular. CONTENIDOS QUE SE ESTUDIARAN EN ESTA UNIDAD Estructura de la membrana celular, según modelo de mosaico fluido. Mecanismo de transporte de sustancia de la célula. PROCEDIMIENTO DE TRABAJO: 1. Lee comprensivamente cada uno de los contenidos que aparecen en este material de apoyo. 2. Si algo no te queda claro, consulta con el profesor. 3. Desarrolla las actividades propuestas con mucha responsabilidad. 4. Si crees que trabajando en equipo aprendes más, desarrolla este material en un grupo pequeño. 2 ¿CÓMO ESTÁ ORGANIZADA LA MEMBRANA CELULAR O PLASMÁTICA? La célula constituye la unidad funcional de los seres vivos. Como tal establece relaciones con su entorno a través de la membrana celular. Esta estructura es una unidad que presenta un comportamiento variable, concepto conocido como permeabilidad selectiva. Esta capacidad para variar su conducta la hace indispensable para mantener la homeostasis del medio intracelular y extracelular. Como podemos ver en la fig.1, la membrana está formada por una serie de moléculas. Fig 1 Modelo de mosaico fluido de la membrana celular. ACTIVIDADAD 1: observa detalladamente esta imagen, pinta de diferentes colores las moléculas que estructuran la membrana plasmática (MP) y rotula las moléculas indicadas con la flecha y haz además una breve descripción de cada una de ellas. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ DOCUMENTO I: Como te habrás dado cuenta la célula está rodeada por una membrana, denominada "membrana plasmática" (MP). La membrana delimita el territorio de la célula y controla el contenido químico de la célula. En la composición química de la membrana entran a formar parte los fosfolípidos, proteínas y glúcidos en proporciones aproximadas de 40%, 50% y 10%, respectivamente. Los lípidos forman una doble capa y las proteínas se disponen de una forma irregular y asimétrica entre ellos. Estos componentes presentan movilidad, lo que confiere a la membrana un elevado grado de fluidez. Por el aspecto y comportamiento el modelo de membrana se denomina "modelo de mosaico fluido. Otros componentes moleculares de la MP son: colesterol., glicoproteínas. 3 Estudiemos en detalle algunos de estos componentes moleculares de la membrana plasmática: LOS FOSFOLÍPIDOS Los fosfolípidos pertenecen a un grupo de lípidos compuestos porque estar formados por ácido fosfórico y ácidos grasos. En la figura, la cabeza corresponde al fosfato y la cola a los dos ácidos grasos. La primera es, es una zona hidrofílica (tiene atracción por el agua), la cola es de tipo hidrofóbica (repele el agua). En contacto con el agua, estas moléculas se ordenan formando mono capas moléculas. La cabeza se orienta hacia el agua y la cola, lo hace en sentido contrario, ver figura 1. Estas dos características determinan que se dispongan de manera espontánea en una doble capa llamada bicapa fosfolipídica. Fig.2 estructura de un fosfolípido EL COLESTEROL: Corresponde a otro tipo de lípido, se encuentra en la mayoría de las células con bicapa fosfolipídica, éste, hace que la bicapa sea más resistente y flexible, pero menos permeable a sustancias solubles en agua, como iones y glucosa. PROTEÍNAS: Se encuentran incrustadas en la capa lipídica. Hay tres categorías de proteínas: a) Proteínas de transporte: regulan el movimiento de moléculas hidrofílicas a través de la membrana. Algunas forman canales o poros, por donde transitan las moléculas, como potasio, calcio, sodio, fig. 3 Fig 3 proteínas con forma de canales para el transporte b) Proteínas receptoras: actúan como receptores de moléculas enviadas por otras moléculas para comunicarse entre ellas, fig.4 Fig. 4 proteína receptora de moléculas del medio 4 c) Proteínas de reconocimiento: son glucoproteína (proteínas asociadas a glúcidos), actúan como etiquetas de identificación y como sitios de unión a la superficie celular de sustancias que han sido identificaron como extrañas al organismo. Así por ejemplo, las células de ciertos glóbulos blancos, reconocen bacterias, como invasores de nuestro cuerpo para ser destruidas por otras clases de estos glóbulos blancos, ver fig.5 Fi5 proteínas de reconocimiento En síntesis, la membrana plasmática, es una estructura que está organizada en base a varios tipos de moléculas como: fosfolípidos, colesterol, varios tipos de proteínas. Cumple varias funciones: protección física de la organización de la célula, regulación del movimiento de moléculas hacia y desde la célula, comunicación con otras células e identificación de lo que forma parte no de nuestro organismo. ACTIVIDAD 2: aplicando lo que aprendiste en este texto: 2. 1 ¿Qué tipos de la moléculas pintaste en el modelo membrana llamado mosaico fluido y a qué se debe este nombre? Explica ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2.2 Explica la organización estructural de la membrana celular _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 2.3 Explica la forma en que se disponen los lípidos en la membrana celular _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 2.4 ¿Qué propiedad otorgan los fosfolípidos a la membrana celular? Explica ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2.5 ¿Por qué es necesaria la presencia de colesterol en la membrana celular? Argumenta ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 5 2.6 ¿Qué disposición tienen las proteínas en la membrana celular? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2.2 ¿Qué tipos de proteínas conforman la membrana celular y que funciones específicas cumplen estas moléculas en la célula? Explica ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2.3 ¿Qué tipos de funciones cumple la membrana en la célula? Explica ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2.4 Haz un mapa conceptual con los conceptos relevantes que hemos estudiado hasta el momento. TEXTO II LA MEMBRANA: PUERTA REGULADORA DE LO QUE ENTRA Y SALE DE LA CÉLULA La membrana celular es como una aduana, controla todo lo que entra y sale de la célula, transportando moléculas en ambos sentidos. Las sustancias químicas son movilizadas por la membrana mediante dos tipos de transporte: pasivo y activo Para el transporte pasivo no se requiere que la célula gaste energía puesto que la moléculas se mueven producto de su propia energía cinética que poseen. Entre los ejemplos de este tipo de transporte se incluyen la difusión de oxígeno y anhídrido carbónico, la ósmosis del agua (difusión de agua) y la difusión facilitada. El transporte activo, requiere energía para movilizar las sustancias químicas de un lado a otro de la membrana como es el caso de la expulsión de Na+ o la incorporación del K+ Veamos la primera forma de transporte, esto es, el pasivo. Movimiento del agua y los solutos La membrana celular actúa como barrera semipermeable impidiendo la entrada de la mayor parte de las moléculas, dejando pasar selectivamente a otras. Para entender los procesos que acontecen es necesario, comprender algunos conceptos previos como, solución, potencial hídrico de una solución, difusión y ósmosis. El potencial hídrico, se refiere a la concentración de moléculas de agua que tiene una solución. La tendencia del agua a moverse de un área de mayor concentración de moléculas de agua una de menor concentración. En otros términos, las moléculas de agua se mueven de acuerdo a la diferencia de energía potencial entre el punto donde se encuentran y el lugar hacia donde se dirigen. La presión y la gravedad son dos de los orígenes de este movimiento. 6 Solución, es la mezcla homogénea de un soluto (por ej, sal), con un soluto (por ej, agua) La fig.8 ilustra una solución y la difusión del soluto. La difusión es el movimiento neto de sustancia (líquida o gaseosa) de un área de alta concentración a una de baja concentración. Dado que las moléculas de cualquier sustancia se encuentran en movimiento cuando su temperatura está por encima de cero absoluto (0 grados Kelvin o -273 grados C), existe una disponibilidad de energía para que las mismas se muevan desde un estado de potencial alto a uno de potencial bajo. La mayoría de las moléculas se mueven desde una concentración alta a una baja, es decir el movimiento neto es desde altas concentraciones a bajas concentraciones. Eventualmente, si no se agrega energía al sistema las moléculas llegan a un estado de equilibrio en el cual se encuentran distribuidas homogéneamente en el sistema. Fig. 6 difusión de soluto en agua El anhídrido carbónico y el oxígeno se encuentran entre las pocas moléculas simples que pueden cruzar la membrana celular por difusión. La difusión constituye una de las principales formas de movimiento de sustancias entre las células. El intercambio de gases en branquias y pulmones es consecuencia de fenómenos de difusión. El anhídrido carbónico se regenera constantemente dado que es producido en las células como consecuencia de fenómenos metabólicos, y como la fuente está en el interior de la célula, el flujo neto del CO2 es hacia el exterior de la célula. Los procesos metabólicos, requieren usualmente oxígeno, cuya concentración es mayor en el exterior de la célula, por lo tanto su flujo neto es hacia el interior de las células, como lo muestra la fig.7 Fig 7 difusión de 02, CO2 por difusión La osmosis se conoce al fenómeno de difusión de agua a través de una membrana semipermeable (o de permeabilidad diferencial o de permeabilidad selectiva) de una solución de alto potencial hídrico (hipotónica) a una de bajo potencial hídrico (hipertónica) Ejemplos de ese tipo de membrana son la membrana celular, como así 7 también productos como los tubos de diálisis :La presencia de solutos disminuye el potencial hídrico de una solución, por lo tanto existe más agua por unidad de volumen en un vaso de agua corriente que en el volumen equivalente de agua de mar. En una célula, que posee organelas y moléculas grandes, la dirección del flujo del agua es, generalmente, hacia el interior de la célula. Fig. 8 SOLUCIÓN HIPERTÓNICA OSMOSIS SOLUCIÓN HIPOTÓNICA Fig.8 esquematización de la osmosis Como se aprecia en este esquema, la membrana separa a dos soluciones, la A, es una solución hipertónica o de bajo potencial hídrico con respecto a la solución B que es lo contrario. Como la membrana es semipermeable, deja pasar solo el agua, entonces el agua difunde desde el medio B (hay más moléculas de aguas) hacia la solución A (hay menos moléculas de agua), este fenómeno se llama osmosis. En consecuencia, la osmosis es la difusión de agua a través de una solución de alto potencial hídrico o hipotónica, hacia una solución de bajo potencial hídrico o hipertónica. Las soluciones hipertónicas son aquellas, que con referencias al interior de la célula, contienen mayor cantidad de solutos (y por lo tanto menor potencial de agua) hipotónicas son aquellas, que en cambio contienen menor cantidad de solutos (o, en otras palabras, mayor potencial hídrico). Las soluciones isotónicas tienen concentraciones equivalentes de sustancia y, en este caso, al existir igual cantidad de movimiento de agua hacia y desde el exterior, el flujo neto es nulo.fig.9 Fig.9 efecto que tienen las soluciones hiper, hipo e isotónicas sobre las células 8 ACTIVIDAD 3: comprobando lo que aprendiste del texto II de información. 3.1 Distingue entre los siguientes concepto: 3.1.1 Transporte pasivo y activo: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 3.1.2 Solución- soluto – solvente y potencial hídrico ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 3.1.3 Solución hipotónica – Hipertónica e Isotónica: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 3.1.4 Difusión y osmosis. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 9 3.2 Observa la fig.9 y responde lo siguiente: 3.2.1 ¿Qué tipo de cambios experimenta el glóbulo rojo colocado en la solución, isotónica, hipotónica e hipertónica respectivamente? Argumenta ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3.2.2 ¿Cuál de los dos medios, A o B, está más concentrado en términos de soluto y por lo tanto, qué cantidad de agua contiene cada uno? Explica ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3.2.3 Señala las diferencias y semejanzas que existen entre la difusión y la osmosis. ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3.2.4 Cuando se aliña una ensalada, aparece abundante agua en el plato, ¿cómo explicas este hecho? ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ TTRANSPORTE PASIVO: FACILITADO. Texto III: El tipo de transporte asistido por proteínas transportadoras o "carriers" se denomina difusión facilitada. Tanto la difusión como la difusión facilitada no consume energía, porque, las moléculas, son movilizadas por la energía potencial derivada de las diferencias de concentración en el gradiente de concentración. La glucosa entra en la mayor parte de las células por difusión facilitada. Parece existir un número limitado de proteínas transportadoras de glucosa. El rápido consumo de la glucosa por la célula (por la glicólisis) mantiene el gradiente de concentración. Sin embargo, cuando la concentración externa de glucosa aumenta, la velocidad de transporte no excede cierto límite, sugiriendo una limitación en el transporte. Fig 10 Fig.10 transporte facilitado 10 ACTIVIDAD 4: Comprobando lo que has aprendido del texto III. 4.1 Indica 4 hechos que caracterizan el transporte facilitado: a) ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ b) ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ c) ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ d) ________________________________________________________________ 4.2 Investiga en que consiste las formas de trasporte facilitado que se ilustran en la fig. 10 (uniporti, sinporti, antiporti) ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Texto IV: TRANSPORTE ACTIVO En el caso del transporte activo, las proteínas transportadoras deben mover moléculas o iones contra un gradiente de concentración. Por ejemplo en la bomba de sodio-potasio de las células nerviosas el Na+ es mantenido a bajas concentraciones en el interior de las células y el K+ a altas concentraciones. Las concentraciones están invertidas en el exterior de las células. Cuando se propaga un mensaje nervioso los iones pasan a través de la membrana transmitiendo el mensaje. Luego de este proceso, los iones deben ser transportados activamente a la "posición de partida" a lo largo de la membrana. Cerca de un tercio del ATP utilizado por un animal en reposo se consume para mantener la bomba Na-K. Ver Fig. 11. Fig.11 ilustración transporte activo 11 En síntesis, el transporte activo, se caracteriza por: Se realiza por carrier o proteínas transportadoras. Se efectúa contra la gradiente de la concentración de los solutos transportados. Gasta energía (ATP). Se transportan iones (partículas polares). Es específico. Presenta inhibición competitiva. Ejemplo de transporte activo. La bomba Na+/K+.fig. 12 La Bomba Na+/K+ a) Un ión Na si inserta con precisión en el carrier. b) RQ en que ATP, libera un P que se une al carrier, por efecto de la Ez. ATPasa (éste adquiere energía), liberándose ADP. c) Lo anterior determina que el carrier cambie de forma liberando el Na hacia fuera de la MP. d) Un ión K en el lado externo de la MP, se inserta en el carrier. e) De esta manera el carrier ofrece una mejor acoladura para el K que para el Na. f) Se libera el P del carrier,induciendo a que éste recupere su forma inicial y el K es liberado en el citoplasma. El carrier queda en cndiciones nuevamente de repetir el proceso. Fig.13: bomaba sodio/potasio TRANSPORTE POR VESÍCULAS FAGOCITOSIS En la fagocitosis el contacto entre la MP y una partícula sólida hace que la membrana se extienda alrededor de la partícula englobándole en una vacuola (fagosoma). Si la partícula es sustancia nutritiva, el fagosoma se fusiona con un lisosoma, vertiendo éste sus enzimas para digerirla. Es un proceso activo que implican cambios estructurales de la membrana plasmática. Permite el paso de macromoléculas: proteínas, polinucleótido, virus e incluso otra célula. Ocupa ATP. Existen dos formas: Endocitosis: incorpora la células sustancias sólidas, si son líquidas, se denomina, pinocitosis y la mediada por receptores 12 Exocitosis: es la forma como las células glandulares expulsan sus secreciones. Es el proceso contrario a la endocitosis. Fig 13, comparación de la endocitosis con la exocitosis Fig. 13: Ilustración de la exocitosis y la endocitosis . En síntesis: como podemos apreciar, en la fig. 13, en la endocitosis las moléculas hacen que la membrana celular se invagine y luego forme una vesícula que se dirige al interior. La fagocitosis es un tipo de endocitosis en la cual se incorpora una partícula completa (por ejemplo una bacteria). En la pinocitosis se incorpora un líquido. En la endocitosis mediada por receptor el material a ser transportado se "pega" a receptores específicos de la membrana, un ejemplo de ello es transporte de lipoproteínas. ACTIVIDAD 5: Comprobando lo que has aprendido sobre el documento IV: transporte activo y por vesículas. 5.1 ¿Qué hechos caracterizan el transporte activo? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 5.2 ¿En qué aspectos son similares la difusión facilitada y el transporte activo, mediado por un carrier? ¿En qué aspectos difieren? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 13 5.3 Realiza una comparación entre los procesos de difusión simple, difusión facilitada y transporte activo mediado por carrier. ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 5.4 Indica todos los procesos ( en el mismo orden en que suceden) para que la proteína de la bomba sodio/potasio, transporte estos iones. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 5.5 Diferencia entre: a) Exocitosis - pinocitosis - fagocitosis –endocitosis. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ b) Transporte activo – transporte facilitado- transporte por vesículas. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 5.6 Averigua sobre los tipos de células de tu cuerpo realizan transporte por fagocitosis y exocitosis. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 6.0 Haz un glosario de los conceptos relevante que hemos visto en esta unidad 14
