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INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGÍA
ORIGEN DE LA VIDA
Las primeras células aparecieron en la tierra por agregación espontánea de moléculas, alrededor de 3. millones de años atrás, cuando la tierra era un sitio bastante violento, con erupciones volcánicas, lluvias torrenciales, sin oxígeno atmósferico, y sin una capa de ozono que pudiera filtrar la radiación ultravioleta. Desde siempre, de un modo u otro, el hombre ha creído que la vida nació en el mar. Los científicos describen que en estos mares arcaicos estas condiciones, probablemente favorecieron la formación de moléculas orgánicas simples; hay evidencias experimentales que apoyan esta hipótesis Quimiosintética: una mezcla de gases tales como CO2, CH4, NH3 y H2, combinados con descargas eléctricas o radiación ultravioleta en una cámara dan origen a las cuatro moléculas orgánicas propias de la vida: aminoácidos, nucleótidos, ácidos grasos y monosacáridos; estos experimentos demuestran que la formación de pequeñas moléculas orgánicas, es relativamente fácil bajo condiciones adecuadas.
Estas moléculas orgánicas simples, pueden haberse asociado por condensación pasando a constituir polímeros como polipéptidos (cadena de aminoácidos) y polinucleótidos (cadena de nucléotidos); hoy sabemos que en todos los organismos los polipéptidos (proteínas) y polinucleótidos (ADN y ARN) son constituyentes principales.
Un hecho fundamental para la formación de la primera célula, y por ende el origen de la vida, fue la capacidad de los polinucleótidos de autoduplicarse y dirigir la síntesis de polipéptidos.
Finalmente debió aparecer una estructura que delimitara y encerrara a esta mezcla de polipéptidos, azúcares y compuestos inorgánicos; así se desarrolló una membrana lipídica dando origen a la primera célula viva, a partir de la cual comenzó la larga historia evolutiva ( que aún continúa) hasta todas las especies vivientes que existen en nuestros días, más todas aquellas que han desaparecido durante el transcurso de la evolución.
A pesar de la increíble variedad de formas de " vida ", todas comparten una serie se características que son propias de los seres vivos.
CARACTERÍSTICAS DE LOS SERES VIVOS
a) Organización : Tienen grados de organización, partiendo de los niveles más simples y formando niveles cada vez más complejos.
Nivel Atómico : Elementos químicos que constituyen la materia viva Ej: carbono (C) , oxígeno (O), nitrógeno (N), hidrógeno (H).
Nivel Molecular : constituído por moléculas, ya sea orgánicas (monosacáridos, aminoácidos, ácidos grasos, nucléotidos), como inorgánicas (agua, sales minerales).
Nivel Macromolecular : Unión de moléculas orgánicas ( monómeros ) para formar cadenas de polímeros como carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos.
Nivel de Organelos : Constituyentes celulares con funciones específicas, como mitocondrias, lisosomas, cloroplastos, etc.
Nivel celular (1era Unidad Operacional) : Primer nivel autónomo, la célula es la base común de construcción de todos los seres vivos; algunos están constituidos por una sola célula y se denominan
unicelulares , y otros por muchas células y son los multi o pluricelulares. Las células se dividen en 2 grandes tipos:
Procariontes : células que carecen de una membrana nuclear que delimite y encierre el material hereditario y de organelos citoplasmáticos.
Eucariontes : células con un núcleo organizado delimitado por una membrana nuclear y con organelos citoplasmáticos.
Nivel Tisular : Unión de células con forma y función similar. Ej: tejido nervioso, tejido muscular, etc.
Nivel de Organo : Diferentes tejidos pueden constituir órganos con una función determinada Ej: riñón, pulmón, corazón.
Nivel de Sistema : Conjunto de órganos con una función específica Ej: sistema circulatorio, sistema digestivo.
Nivel de Organismo Pluricelular (2da Unidad Operacional) : Conjunto de sistemas y órganos que funcionan coordinadamente dando lugar a un organismo viviente. Ejemplo: perro, hombre.
Nivel Poblacional : Conjunto de organismos de una misma especie que viven en un espacio determinado Ejemplo: población de Santiago 1978.
Nivel de Comunidad : Conjunto de poblaciones que interactúan entre sí.
Nivel de Ecosistema (3ra Unidad Operacional) : Es la suma de la comunidad más su medio ambiente.
b) Metabolismo: Los seres vivos necesitan un aporte constante de energía mediante el metabolismo , que es el conjunto de transformaciones físico−químicas o biológicas que ocurren dentro de un organismo cuya finalidad es obtener energía y sintetizar o transformar moléculas necesarias para los distintos procesos orgánicos.
Las reacciones metabólicas se pueden dividir en dos grandes categorías:
Anabolismo : Síntesis de moléculas complejas a partir de otras más simples Ej: fotosíntesis, síntesis proteica. Estas reacciones se realizan con gasto energético (endergónicas).
Catabolismo : Degradación de moléculas complejas a otras más simples. Ej: respiración celular. Son reacciones que liberan energía (exergónicas).
c) Irritabilidad: Es la capacidad para responder frente a un estímulo (cambio) externo o interno.
d) Reproducción: Producción de seres iguales o semejantes a los organismos que les dieron origen, lo que asegura la mantención de la especie.
e) Adaptación : Capacidad de los seres vivos de estar en armonía con el medio ambiente. Son capaces de modificar su estructura, funcionamiento y comportamiento de acuerdo a las condiciones de un ambiente determinado.
CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS
La gran cantidad (³ 4.000.000) y diversidad de especies vivas ha llevado a agrupar a los organismos vivos, según Whitaker, en 5 grandes reinos.
posterior división.
3) Reino Hongos
Son organismos difíciles de clasificar por su gran diversidad y diferencias entre ellos. Son eucariontes , muchos binucleados con una pared celular, aunque diferente a la de los vegetales. Pueden ser unicelulares o multicelulares, y se reproducen por yemación o formación de esporas. La nutrición se realiza por absorción, y pueden ser tanto parásitos como saprófitos. Incluye mohos, levaduras, hongos, setas, callampas.
4) Reino Vegetal
Es enorme la variedad de estos organismos eucariontes que encontramos en este reino, desde pequeñas algas microscópicas hasta grandes árboles de decenas de metros. En general, son bien conocidos, especies de algas, musgos, juncos, hierbas, helechos, coníferas y plantas con flores. Sus principales características son la capacidad de realizar fotosíntesis y poseer células con pared celular.
5) Reino Animal
Son organismos eucariontes multicelulares, cuya vía de nutrición es ingestiva−digestiva. Sus células no tienen paredes celulares y tienen un crecimiento limitado durante su vida (con algunas excepciones). Incluye representantes tales como anémonas de mar, corales (que se ven como plantas), lombrices, moluscos, celenterados, equinodermos, artrópodos, vertebrados, etc. Dentro del grupo de los vertebrados, se encuentran peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos.
POSTULADOS DE LA TEORÍA CELULAR
La célula es la unidad estructural de todos los seres vivos, es decir, todos los organismos vivos están constituidos por células y productos celulares.
La célula es la unidad funcional de todos los seres vivos, pudiendo desarrollar su actividad en forma individual (organismos unicelulares) o asociarse a otras células interactuando y complementándose para constituir organismos complejos (multicelulares).
Toda célula proviene de una célula preexistente, a través de la reproducción celular. Por lo tanto, la mínima unidad, capaz de expresar la vida es la célula.
ÁTOMOS Y MOLÉCULAS
Toda la materia está constituida por átomos, de los cuales existen un poco más de 100 tipos diferentes, que son los denominados elementos químicos.
Cada átomo está formado por un núcleo compacto y pequeño, que está formado por los protones, que tienen carga positiva, y los neutrones, que no poseen carga. Alrededor del núcleo giran una nube de partículas de ínfima masa, los electrones. Los átomos son neutros porque el número de electrones es igual al de protones.
La mayoría de los átomos tienen cierto número de electrones libres en la última capa, lo que les confiere la capacidad de formar enlaces con otros átomos.
Existen fundamentalmente 2 tipos de enlaces:
- enlace iónico, un átomo pasa electrones a otro y así cada uno adquiere carga, denominándose iones. Los que tienen carga positiva se llaman cationes, mientras que los que tienen carga negativa aniones.
- enlace covalente, en el cual dos átomos comparten uno o más pares de electrones. Este tipo de enlace es importante en los seres vivos porque da estabilidad a las moléculas biológicas.
Otros Enlaces Químicos de Importancia Biológica
- Enlaces químicos débiles. Las moléculas orgánicas pueden interactuar con otras moléculas a través de fuerzas no covalentes de alcance reducido. Típicamente, los enlaces químicos débiles tienen una fuerza 20 veces inferior a la de un enlace covalente. Sólo son suficientemente fuertes para fijar 2 moléculas cuando se forman simultáneamente un número elevado de ellos.
a) Enlaces de Hidrógeno. Un átomo de hidrógeno es compartido por dos átomos, ambos electronegativos, como el O2 y el N2, formándose un enlace de H2.
En las macromoléculas este enlace se encuentra:
· entre 2 cadenas prolipeptídicas unidas por enlace de H2.
· entre 2 bases nitrogenadas, Adenina y Timina o Guanina y Citosina unidas por puentes de H2 en el ADN.
· entre las moléculas de agua.
b) Interacciones Hidrofóbicas. El agua mantiene unidos a los grupos hidrofóbicos por la misma repulsión que tienen estos grupos por el agua, es decir, se evita el contacto con el agua. Esta situación se encuentra en las proteínas globulares, donde las cadenas laterales repelen a las moléculas de agua que rodean a la proteína y determinan que la estructura globular se vuelva más compacta.
c) Fuerzas de Van der Waals. A una distancia muy reducida 2 átomos cualesquiera muestran una débil interacción de enlace debido a sus cargas eléctricas fluctuantes. Esta fuerza se llama de Van der Waals. Aunque individualmente son muy débiles pueden resultar importantes cuando dos superficies moleculares se adaptan estrechamente una con otra.
BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS
Agua
El agua constituye entre el 50% y el 90% de la masa de los seres vivos y ocupa el 75% de la superficie del globo terrestre.
La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno. La zona de los hidrógenos es levemente positiva y la del oxígeno negativa. Esta situación determina que el agua sea un ion dipolar y que las moléculas de agua estén fuertemente cohesionadas. Esta cohesión es a través de puentes de hidrógeno y determina las principales propiedades del agua.
- Alta Tensión Superficial, que es la gran cohesión que existe entre las moléculas de agua en una superficie y se nota al observar una gota sobre una superficie y se conserva siempre esférica.
- Capilaridad, esta propiedad le permite al agua subir por tubitos estrechos y penetrar en el suelo y en sustancias tales como las maderas, haciendo que se hinche. El fenómeno se denomina imbibición y es fundamental para las semillas durante la germinación.
- Alto Calor Específico, es la propiedad por la cual el agua requiere de grandes cantidades de calor para que el agua suba su temperatura. Así los seres vivos mantienen su temperatura relativamente constante.
son: el glucógeno, el almidón y la celulosa.
El glucógeno y el almidón tienen enlaces de tipo alfa (a) lo que los hace suceptibles de ser degradados por enzimas presentes en el ser humano. En cambio la celulosa posee enlaces de tipo beta (b) para los cuales no tenemos enzimas que los puedan romper y por ello no podemos utilizar su glucosa en las reacciones metabólicas.
Funciones de los Carbohidratos
- Son fuente de energía de utilización inmediata, es decir el organismo los utiliza rápidamente para producir energía útil (ATP), siendo la más utilizada la glucosa.
- Los carbohidratos también representan una forma de almacenamiento de energía, como es el caso del glucógeno de células animales y el almidón de los vegetales que en ambos casos, están formados exclusivamente por glucosa.
- Otros carbohidratos tienen un rol estructural, como en el caso de la ribosa y desoxirribosa del ARN y ADN respectivamente. También está el caso de la celulosa, principal constituyente de la pared celular de los vegetales o la quitina que se encuentra en el exoesqueleto de los insectos.
- En la comunicación celular participa el glucocalix, que son azúcares que se asocian a la superficie externa de la membrana celular.
Lípidos o Grasas
Al igual que los carbohidratos están formados por C, H y O, pero con una menor proporción de O.
Las grasas neutras son los lípidos más abundantes en los seres vivos y son una importante forma de almacenamiento de energía, liberan casi el doble de energía por gramo comparado con un carbohidrato.
Las grasas neutras están constituidas por un alcohol, el glicerol, y dos o tres cadenas de ácidos grasos. Los ácidos grasos son cadenas largas y rectas de átomos de carbono con un grupo carboxilo en un extremo (COOH).
Existen alrededor de 30 tipos distintos de ácidos grasos. Los ácidos grasos saturados son aquellos que tienen todos sus átomos de carbono unidos a hidrógeno, en cambio los insaturados poseen átomos de carbono que se unen entre sí y no con hidrógeno, por tanto los insaturados poseen enlaces dobles.
Los ácidos grasos saturados son de cadena recta, mientras que los insaturados son de cadena quebrada. El enlace doble de los insaturados los hace menos sólidos que los saturados, a t° ambiente.
Existen algunos ácidos grasos indispensables para nuestros procesos vitales y por ello se denominan ácidos grasos esenciales, como por ejemplo el ácido linoleico y el ácido araquidónico.
Los fosfolípidos se arman en base a un triglicérido, en donde una cadena de ácido graso es reemplazada por un grupo fosfato y otro compuesto que posee N2, como puede ser la colina. La introducción del grupo fosfato cambia las propiedades del fosfolípido que se vuelve una molécula anfipática, es decir una porción de la molécula es hidrofóbica (cadenas de ácidos grasos) y la otra es hidrofílica (región de la cabeza o grupo fosfato). Se dice también que la región hidrofílica es polar y la hidrofóbica apolar.
El comportamiento anfipático de los fosfolípidos les permite formar mem−branas biológicas, ya que se disponen en bicapas al rechazar el agua las colas y quedar orientadas hacia el interior.
Un esteroide tiene una estructura diferente a la de los otros lípidos. Sus carbonos están organizados en 4 anillos entrelazados (3 anillos poseen 6 carbonos y el cuarto contiene 5).
Dentro de este grupo de los esteroides encontramos a la vitamina D, las sales biliares, el colesterol, Las hormonas sexuales y de la corteza suprarrenal. Las sales biliares emulsionan los lípidos. El colesterol se encuentra en las membranas plasmáticas, es el más abundante de los esteroides y precursor de las hormonas esteroidales.
Funciones de los Lípidos
- Material de reserva: pueden acumularse en cantidades prácticamente ilimitadas, constituyendo una importante fuente de energía. La oxidación de las grasas genera 9,4 Kcal/g, casi el doble de lo que aporta un carbohidrato.
- Estructural: Forman parte de las membranas biológicas tanto animales como vegetales. Las ceras tienen funciones de protección y revestimiento. Algunos lípidos actúan como aislantes térmicos o como amortiguadores de vísceras.
- Transporte: Las lipoproteinas transportan aquellos lípidos que son poco solubles.
- Regulación: Derivados del colesterol como las hormonas sexuales y de la corteza suprarrenal forman parte del sistema endocrino que actúa sobre el metabolismo.
Proteínas
Las proteínas revisten importancia central en la química de la vida. Constituyen más del 50% del peso seco de la célula y desde el punto de vista funcional, las proteínas tienen roles cruciales en prácticamente todos los procesos biológicos.
Algunas de las funciones en las que participan las proteínas son:
- Enzimas: las reacciones químicas son aceleradas por estas sustancias que son proteínas.
- Transporte: como es el caso de la hemoglobina que transporta O2 y la bomba Na+ − K+ que transporta estos iones.
- Movimiento: la interacción de proteínas como la actina y la miosina que son parte del citoesqueleto producen movimiento y contracción muscular.
- Estructural: como las proteínas colágeno y elastina que dan soporte mecánico a las células que forman los tejidos.
- Inmunológica: los anticuerpos o inmuno globulinas son proteínas específicas producidas por los linfocitos B y que reconocen partículas extrañas como virus.
- Generación y transmisión de señales: la irritabilidad de células musculares y nerviosas depende de proteínas, así como también hay señales como las hormonas proteicas que modifican la actividad de un órgano.
Las unidades básicas constituyen de las proteínas son los aminoácidos. Cada aminoácido se forma de un grupo amino (NH2) que es básico y otro carboxilo (COOH) de naturaleza ácida. Ambos grupos se unen a un átomo de C, del cual también se separa R o cadena lateral.
c) interácciones hidrofóbicas que resultan de la tendencia de los grupos R no polares a enlazarse en el interior de una estructura globular, lejos del agua circundante.
d) Los enlaces covalentes, conocidos como enlaces disulfuro (S − S) que hay entre los átomos de azufre de dos aminoácidos cisteína.
- Estructura Cuaternaria: Este nivel de organización depende del ordenamiento de dos o más cadenas polipeptídicas. Cada cadena tienen su propia estructura primaria, secundaria y terciaria para formar la proteína biológicamente activa.
La estructura de las proteínas determina su función o actividad biológica. La conformación está determinadas principalmente por la estructura primaria. La actividad biológica de una proteína puede modificarse por el cambio de un aminoácido de la secuencia. Es el caso de la anemia falciforme en donde se sustituye en la posición 6 la valina por el ácido glutámico y se modifica la forma de los glóbulos rojos, lo que puede llevar a la muerte por anemia.
Los cambios de forma de una proteína con la consecuente pérdida de actividad biológica se denomina desnaturalización, que generalmente es irreversible.
Enzimas
Como cualquier catalizador las enzimas son capaces de disminuir la energía necesaria para activar una reacción química, lo cual se cree que se logra al momento que la enzima forma un compuesto inestable con el sustrato (complejo enzima−sustrato) que se desdobla fácilmente recuperándose la enzima intacta.
La enzima no se altera ni se consume, por lo que puede volver a utilizarse.
Se han propuesto dos modelos para explicar la unión enzima − sustrato. según el modelo llave−cerradura podría pensarse en las enzimas como una especie de cerradura molecular en donde entran solo llaves moleculares (Figura). Esta situación nos plantea además el concepto de especificidad que poseen las enzimas que para el caso del modelo llave−cerradura se habla de una especificidad absoluta, porque la enzima actúa sobre una sola clase de sustrato.
Otro modelo que explica la unión enzima sustrato es el modelo del encaje inducido, en donde el sustrato al combinarse con la enzima induce un cambio en la forma de esta (Figura) que es posible porque los sitios activos de las enzimas son flexibles. El cambio de forma produce el ajuste óptimo para la integración del sustrato con la enzima. Este modelo nos plantea otro tipo de especificidad, la relativa en donde la enzima se podrá combinar con más de una clase de sustrato, pero que son semejantes desde el punto de vista estructural.
La unión enzima−sustrato pone al sustrato en una proximidad y orientación óptimos respecto a los átomos que ahora pueden reaccionar y así se acelera la reacción. Al formarse nuevos enlaces el sustrato se convierte en producto. Este nuevo producto tiene escasa afinidad por la enzima por lo que se separa de ella. La enzima por su parte puede seguir catalizando la reacción de más moléculas de sustrato, para formar más moléculas de producto.
Las enzimas pueden actuar solas o requerir de un cofactor o una coenzima. El cofactor es generalmente un ion metálico que aumenta la eficacia de la enzima sin ser indispensable para que actúe. En cambio la coenzima es una sustancia orgánica no proteica que es indispensable para la actividad enzimática.
Ácidos Nucleicos
Son moléculas que permiten el almacenamiento y la expresión de la información genética, y que gobiernan la
vida de todos los organismos vivos. Los ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El ADN contiene la información genética para la síntesis de proteínas y ARN de un organismo.
Las unidades constituyentes de los ácidos son los nucleótidos, los cuales se unen entre sí por enlaces fosfodiester formando una hebra. Cada nucleótido se compone de:
- Base Nitrogenada: Las bases son de 2 grupos: púricas y pirimídicas. Las bases púricas están formadas por 2 anillos y son la adenina (A) y la guanina (G), las bases pirimídicas están formadas por un anillo y son la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U). En el ADN, las bases nitrogenadas presentes son adenina, timina, citosina y guanina. En el ARN la timina está substituida por uracilo.
- Pentosa: En caso del ADN la pentosa presente es la desoxirribosa, en cambio en el ARN se presenta la ribosa. Entre ambas pentosas la única diferencia es un átomo de oxígeno de más que tiene la ribosa, pero que es suficiente para impedir que el ARN sea una molécula doble hebra, lo que es importante desde el punto de vista funcional. El término nucleósido se refiere a la unión de pentosa y base nitrogenada. (Figura)
- Grupo Fosfato: A través de éste se establece el enlace fosfodiester entre el carbono 3' de la pentosa y el carbono 5' de la pentosa siguiente. El enlace fosfodiester permite unir un nucleótido con el siguiente.
ADN (Ácido Desoxirribo nuleico)
− Bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y timina.
− Pentosa: desoxirribosa.
El ADN es una larga cadena no ramificada compuesta de desoxirribonucleótidos. La estructura de la molécula de ADN fue dilucidada en 1953 por Watson y Crick y establece que:
a) La molécula de ADN está formada por 2 hebras de deoxirribo nucleóticos que se enrrollan en torno a un eje hacia la derecha (dextrogira) formando una hélice. Ambas hebras son antiparalelas, es decir tienen direcciones de crecimiento opuestas, una va en sentido 5' ® 3' y la otras 3' ® 5'
b) Las bases nitrogenadas se ubican hacia el interior de la hélice.
c) Las 2 hebras se mantienen unidas por puentes de hidrógeno que se establecen especificamente entre la adenina y la timina y luego unen la citosina con la guanina. Siempre una base púrica con otra pirimídica. La unión adenina es a través de 2 puentes de H2 y citosina con guanina por 3 puentes de H2.
ARN (Ácido Ribonucleico).
El ARN es una molécula formada por una sola hebra, determinado por un átomo de oxigeno de más que tiene la ribosa. A pesar de esto esta única hebra de ARN puede plegarse sobre si misma formando asas de doble hebra, como es el caso del ARN de transferencia.
Los ARN participan en el proceso de formación de proteínas y existen 3 tipos de ellos:
- ARN mensajero (ARNm), que transporta la información genética copiada desde el ADN hasta el sitio de síntesis proteica.
- ARN transferencia (ARNt), que es el encargado de leer el mensaje del ARNm para colocar el aminoácido que corresponde.
c) Membrana Plasmática:
Todas las células están rodedas por una fina membrana plasmática (75−100A°) cuya función principal es separar el medio intracelular del extracelular.
Está constituida por lípidos (fosfolípidos, colesterol), proteínas y algunos carbohidratos. Los más abundantes son los fosfolípidos que se disponen formando una bicapa , con las cabezas polares (hidrofílicas) hacia fuera y las colas apolares (hidrofóbicas) hacia dentro. El colesterol se ubica entre las cabezas de los fosfolípidos y le otorga mayor rigidez a la membrana.
Las proteínas pueden ser de 2 tipos:
intrínsecas : son hidrofóbicas y están insertas en la bicapa lipídica.
extrínsecas o periféricas : son hidrofílicas, y se ubican sobre la bicapa lipídica.
Hay algunas proteínas que atraviesan toda la bicapa, dejando una zona hidrofóbica por fuera y otra hidrofílica dentro de la bicapa lipídica, estas proteínas son anfifílicas.
Los carbohidratos están unidos a las proteínas en la zona extracelular contituyendo el glicocálix.
Esta disposición molecular de la membrana corresponde al modelo de mosaico fluído , con una estructura dinámica, fluida y elástica, donde los proteínas pueden moverse dentro de la bicapa.
Transporte a través de la Membrana
Toda sustancia que ingresa o sale de la célula debe atravesar la membrana plasmática. La membrana tiene permeablidad selectiva para las diversas sustancias que tienen esta facilidad. El concepto de permeabilidad selectiva es único de la membrana plasmática y se refiere a la propiedad que tiene la membrana para hacer atravesar sustancias según las necesidades de la célula. Para cualquier sustancia, existe un Gradiente electroquímico , dado por su diferencia de concentración entre dos puntos o Gradiente químico , y por la diferencia de cargas o Gradiente electrico. Este gradiente puede existir en un momento dado a un lado y otro de la membrana plasmática, la que puede permitir el transporte de sustancias a favor o en contra de esta gradiente.
El transporte a través de la membrana puede ser de diversos tipos:
i) Procesos Pasivos: mecanismos que no requieren gasto energético, porque las moléculas tienden a moverse espontáneamente a favor de su gradiente electroquímico, desde donde se encuentran más concentradas, hacia donde lo están menos.
Difusión: La difusión es una consecuencia del movimiento aleatorio de moléculas individuales, que produce un movimiento neto desde una área muy concentrada hacia otra menos concentrada. Esto conduce a una distribución homogénea de las moléculas entre 2 compartimientos. Las moléculas que realizan este tipo de transporte se dividen en:
moléculas sin carga que atraviesan por la porción lipídica de la membrana Ej: O2, CO2, alcohol.
moléculas con carga, menores de 7 A° de diámetro, que atraviesan por canales que forman en algunas zonas de la membrana las proteínas intrínsecas.
Osmosis: paso de agua a través de una membrana semipermeable este movimiento ocasiona transferencia de
moléculas de agua desde un lado con mayor Potencial hidrico hacia el otro con un menor potencial hídrico. Es decir, desde donde la concentración de soluto es menor, hacia donde es mayor, y por lo tanto, menor la del agua.
Difusión Facilitada: La permeabilidad de la membrana a las sustancias depende de cuán solubles son frente a la matriz lipídica de la membrana, como también del tamaño de las partículas.
Pero hay moléculas de gran tamaño o que están lonizadas, por lo que su ingreso se dificulta. Para este tipo de moléculas, la membrana posee proteínas Transportadoras o Carrier que corresponde a una proteína de membrana que puede unirse a una sustancia y cruzarla a través de la membrana de un lado a otro. Transportan las sustancias en un sólo sentido, no requieren de gasto energético, son específicas para cada sustancia y transportan un número limitado de moléculas, ya que son susceptibles de ser saturados frente a un exceso de moléculas a transportar. Muchas moléculas emplean este mecanismo de transporte, como glucosa, aminoácidos y algunas vitaminas.
ii) Procesos Activos: requieren de gasto energético.
Transporte Activo: paso de una sustancia a través de la membrana en contra de un gradiente de concentración ,es decir, desde una zona de menor concentración hasta una de mayor, lo que requiere de un aporte energético (gasto de ATP). Este tipo de transporte se verifica en sustancias como: Na+, K+, Ca+2, Fe+2, glucosa,aminoácidos, etc. El más conocido y estudiado es el transporte activo de iones Na+ y K+. El Na+ está más concentrado fuera de la célula y el K+ dentro de ésta, por simple difusión el Na+ tiende a entrar y el K+ a salir, la célula necesita sacar Na+ y entrar K+ para mantener las concentraciones, para esto existe una proteína de membranas denominada Bomba Na+K+ que se diferencia de los transportadores o carriers porque transporta en ambos sentidos y necesita de ATP.
Endocitosis: Incorporación de sustancias grandes a la célula mediante la formación de vacuolas a partir de invaginaciones de la membrana plasmática, la sustancia a incorporar queda contenida en la vacuola; cuando ésta es líquida el proceso se llama pinocitosis y cuando es sólida se habla de fagocitosis.
Exocitosis: Eliminación de grandes moléculas por parte de la célula mediante el vaciamiento de una vacuola, la cual se fusiona con la membrana plasmática, se abre y expulsa su contenido al medio extracelular.
Cubiertas Celulares
Pared celular: rodea a las células vegetales, está constituida por celulosa, es rígida, no es selectiva al paso de sustancia y no está adherida a la membrana plasmática.
d) Citoplasma
Está constituido por la matriz citoplasmática o citosol un citoesqueleto y por los organelos celulares.
El citosol es principalmente agua en la que se disuelven sustancias orgánicas (ami−noácidos, glucosa etc.) e inorgánicas (iones, sales minerales etc.) Desde el punto de vista físico−químico el protoplasma presenta características y propiedades coloidales. Un coloide es un tipo de solución en que las partículas disueltas miden entre 0,1 a 0,0001 micrones. Los coloides son sistemas altamente estables, que presentan cambios físicos reversibles, pudiendo hallarse en estado Sol o estado Gel.
En el estado gel las partículas disueltas o dispersas se encuentran muy juntas, constituyendo una verdadera red o malla que deja al solvente en forma discontinua, hay una cantidad de agua retenida y la solución se hace más espesa y viscosa. Por el contrario, en el estado sol , las partículas disueltas se encuentran muy separadas, permitiendo que el solvente se disponga en forma continua; la cantidad de agua retenida es pequeña quedando
como mucopolisacáridos y glicoproteínas (que fueron sintetizadas en el RER); de los extremos de las cisternas se forman vesículas que llevan estas secreciones, las cuales se eliminan al exterior de la célula por exocitosis. También es responsable de la formación del acrosoma en los espermatozoides, de los lisosomas, de la membrana plasmática, y de los componentes de la pared celular vegetal.
Lisosomas: Vacuolas que se originan del aparato de Golgi por dilatación de sus extremos, contienen enzimas hidrolíticas capaces de degradar una variedad de sustancias, y son responsables de la digestión celular. Los nutrientes entran a la célula por endocitosis, formándose una vacuola la que se fusiona con un lisosoma para constituir una vacuola digestiva ; en el interior de ésta actúan las enzimas digestivas sobre las sustancias endocitadas; los productos de degradación que son útiles para la célula pasan al citoplasma por transporte a través de la membrana de la vacuola y los productos de desecho se eliminan de la célula por exocitosis.
También participan en la digestión o destrucción de las células que ya han cumplido su función, por lo que se dice que son responsables del envejecimiento celular. La existencia de los lisosomas permite mantener aisladas distintas enzimas que participan de la digestión celular y que potencialmente pueden degradar los componentes de la misma célula que las alberga.
Peroxisomas: Organelos presentes en todas las células eucariontes, su función principal es proteger a la célula de la acumulación de peróxido de hidrógeno (H2O2), un fuerte agente oxidante; para esto, contienen una enzima llamada catalasa que participa en la degradación del H2O2 a agua y oxígeno. También tienen otras enzimas que utilizan el H2O2 para reacciones de oxidación.
Vacuolas: Además de las ya nombradas (digestivas, de secreción) existen en los distintos tipos celulares otro tipo de vacuolas, especialmente en células vegetales, las cuales generalmente son de almacenamiento, en especial de agua ocupando gran parte del citoplasma.
Mitocondrias:
Organelos presentes en todas las células eucariontes, excepto en los glóbulos rojos maduros; en ellos se lleva a cabo el proceso de respiración celular.
Están rodeados por dos membranas, una externa lisa y continua y otra interna que se pliega hacia el interior formando las crestas mitocondriales , las cuales varían en forma en los distintos tipos de mitocondrias. A microscopía electrónica se observan sobre estas crestas unas pequeñas partículas redondeadas llamadas partículas elementales o partículas F donde se encuentran las enzimas necesarias para la fosforilación oxidativa.
El espacio interior de las mitocondrias contiene un material gelatinoso denominado matriz mitocondrial , aquí se encuentran las enzimas encargadas del ciclo de Krebs. En la matriz también se encuentran ADN y ribosomas , lo que les permite autoduplicarse y sintetizar algunas proteínas específicas, Sin embargo hay cierta dependencia de la información nuclear de la mitocondrias.
Metabolismo Celular
La totalidad de las transformaciones bioquímicas que ocurren en un organismo, ya sea en el sentido de la creación o bien de la degradación se denominan metabolismo. El metabolismo tiene la función de obtener la energía química del ambiente, ya sea a partir de reacciones químicas inorgánicas o de la energía luminosa como es el caso de los autótrofos, o bien a partir de los nutrientes fabricados por otros organismos, que es el caso de los heterótrofos. En ambos casos la energía liberada se utiliza en la fabricación de las macromoléculas que rigen la estructura y función celular: proteínas, lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos.
Reacciones Catabólicas
Son todas aquellas reacciones que se caracterizan por una oxidación (degradación) de un sustrato, que puede ser un monosacárido (glucosa), un aminoácido o un ácido graso.
A consecuencia de la oxidación se remueve del sustrato un protón (H+) y un electrón (), es decir, hidrógeno. Este protón es traspasado a una molécula aceptora llamada NAD+ (Nocotín adenín dinucleótido), que luego se convierte en NADH. Este NADH representa una molécula que contiene energía potencial, la de los electrones, que posteriormente se traduce en ATP, que es la molécula que la célula utiliza directamente en los procesos celulares que requieren energía. (movilidad celular, transporte a través de membrana, ciclosis, contracción muscular, etc.)
El catabolismo se desarrolla en 3 fases. En la primera las macromoléculas incorporadas en la dieta se degradan en sus unidades básicas. En segundo lugar éstas unidades o monómeros, ingresan al citoplasma para sufrir una degradación oxidativa con lo cual se forman 2 importantes metabolitos: piruvato y acetil CoA. En la tercera etapa, se completa la oxidación del acetil coenzima A hasta CO2 y H2O. Es en esta última etapa donde se forma la mayor cantidad de ATP gracias a la liberación de energía que se produce. Una parte de la energía liberada se pierde como calor, lo que contribuye a mantener la temperatura corporal.
Las reacciones catabólicas liberan energía por tanto con exegónicas.
Reacciones Anabólicas
Son todas aquellas reacciones que requieren energía para sintetizar moléculas y macromoléculas necesarias para el funcionamiento celular. El anabolismo también ocurre en 3 fases. En la primera hay formación de acetil−coenzima A y otros metabolitos. En la segunda este compuesto se utiliza para la síntesis de monosacáridos, aminoácidos o ácidos grasos y en la tercera estos monómeros se utilizan en la formación de macro moléculas.
Las reacciones anabólicas requieren del suministro de energía, por tanto son endergónicas.
Las reacciones catabólicas son convergentes y las anabólicas divergentes, lo cual se explica en el siguiente esquema:
Catabolismo Celular
El catabolismo está representado principalmente por el conjunto de reacciones que integran a la Respiración Celular, proceso por el cual se desagradan los nutrientes, principalmente la glucosa pero también los aminoácidos y ácidos grasos.
La respiración celular involucra 4 etapas que en forma ordenada son:
Glucólisis
Acetilación
Ciclo de Krebs
Fosforilación oxidativa.
Glicólisis
En condiciones anaeróbicas (es decir en ausencia de O2) la glucosa es degradada a lactato por un proceso que se denomina fermentación láctica. En condiciones aeróbicas (En presencia de O2) los productos son piruvato
El rendimiento de la acetilación son 2 NADH, por cada ácido pirúvico o piruvato que entra a la mitocondria se generan 1 NADH, y de la glucólisis resultan 2 piruvato, por tanto entran 2 a la mitocondria.
Ciclo de Krebs
También se le conoce como ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Tiene lugar en la matriz mitocondrial. La importancia de este ciclo está en que representa una vía común para la degradación de las moléculas combustibles, por ejemplo aminoácidos, monosacáridos y ácidos grasos.
Una consecuencia importante del ciclo de Krebs es que en cada vuelta se extraen 4 pares de átomos de hidrógeno de los intermediarios del sustrato, por deshidrogenación enzimática y dos CO2 son liberados. Estos átomos de H2 o pares de electrones entran a la cadena respiratoria o fosforilación oxidativa a través de las coenzimas, NAD+ y FAD+. Cada coenzima acepta 1 par de electrones, y 3 pares son tomados por el NAD+, mientras que 1 par es aceptado por el FAD NAD+, por tanto se forman en una vuelta al ciclo 3 NADH y 1 FADH. Como la glucosa al degradarse formó 2 piruvato y luego éste formó 2 acetil coenzima son 2 vueltas al ciclo con producción de 6 NADH y 2 FADH. Además se agregan 2 ATP que se forman directamente en la reacción succinil − coenzima A y ácido succínico.
Rendimiento del ciclo de Krebs:
− 6 NADH.
− 2 FADH.
− 2 ATP.
Fosforilación Oxidativa
Representa la última etapa del catabolismo y ocurre en la membrana mitocondrial interna o cresta mitocondrial. Durante ésta los intermediarios reducidos o coenzimas: NADH y FADH2 provenientes de la glucólisis, acetilación y ciclo de Krebs son oxidados, entregando sus electrones a los componentes de la cadena transportadora de electrones. El último aceptor de los electrones es el oxígeno para formar agua. El proceso más importante que ocurre es que la oxidación de las coenzimas NADH y FADH está acoplada a la síntesis de ATP.
a) Cadena Transportadora de Electrones: En esta cadena hay 3 complejos enzimáticos presentes en la membrana mitocondrial interna: NADH deshidrogenasa, complejo b − C1 y complejo citocromo oxidasa. Los electrones entregados a la NADH deshidrogenasa por el NADH son traspasados sucesivamente por reacciones de oxidoreducción a la coenzima Q (o ubiquinoma), luego al complejo b − C1 y continuando hacia el citocromo c que los entrega al O2 para formar H2O. Los complejos enzimáticos presentan átomos de Fe y Cu en su estructura.
Rendimiendo de la Respiración Celular:
- Glucólisis :
− Rendimiento neto 2 ATP ® 2 ATP
2 NADH ® 4 − 6 ATP
- Acetilación:
− Piruvato + 2 Co−A : 2 NADH ® 6 ATP
- Ciclo de Krebs:
− 6 NADH ® 18 ATP
− 2 FADH ® 4 ATP
− 2GTP ® 2 ATP
36 − 38 ATP
El balance de 36 ó 38 ATP depende de la célula de la cual se hable. Los 2 balances son reales, por ejemplo las células hepáticas generan 36 ATP y las musculares 38 ATP.
Otros nutrientes como fuente de energía:
Los aminoácidos se metabolizan a través de desaminación ( se separa el grupo amino). donde se forma una que se excreta. El resto entra al ciclo de Krebs para generar ATP.
Los ácidos grasos en la mitocondria sufren un B−oxidación (matriz) donde generan acetil−Co−A que ingresa al ciclo de Krebs. Los ácidos grasos poseen más átomos de H2 por lo que resultan más energéticos que los carbohidratos.
Anabolismo Celular
Fotosíntesis
Durante la fotosíntesis la clorofila atrapa la energía de la luz solar y la utiliza para formar ATP y NADPH, luego estas sustancias se utilizan en las reacciones de producción de carbohidratos de alto contenido energético. Las principales materias primas son el CO2 y el H2O utilizando la energía que las moléculas de clorofila atrapan de la luz sobre el H2O se hidroliza, el O2 se combina con el CO2 para formar carbohidratos. Las reacciones se resumen así:
Energía Solar
6 CO2 + 12 H2O C6 H12 O6 + 6O2 + 6H2O
Clorofila
En la fotosíntesis el flujo de electrones se invierte, el agua se hidroliza por efecto de la luz y el hidrógeno y sus electrones se transmiten a varias cadenas aceptoras. Durante esta transferencia la energía solar incrementa el nivel de energía de los electrones. Este es un proceso endergónico en el cual se utiliza parte de la energía en la reducción del CO2 para formar glucosa.
