Procesos catabólicos - glucólisis

 Procesos catabólicos

Cómo se estudió anteriormente, las reacciones químicas en las que se degradan moléculas de estructura compleja en otras de composición más sencilla, con liberación de energía química, se denominan en conjunto, catabolismo.

La degradación de la glucosa

La glucosa es la principal fuente de energía para la célula. Al ingresar, es degradada en una serie de etapas hasta formar dióxido de carbono, agua y liberar energía química, qué servirá para la formación de ATP.

Para una mejor comprensión de este proceso, se puede comparar con una combustión. Cuándo se enciende un fósforo, un papel, el gas de la cocina o el carbón para hacer asado, estamos en presencia de una reacción química en la que se "queman" estos combustibles, los que producen energía lumínica y gran cantidad de calor. ¿De dónde proviene está energía? Dado que la energía no se crea ni se destruye, sino que está en constante transformación, la energía que se libera cuando alguno de aquellos combustibles arde proviene de la que estaba "acumulada" en sus enlaces químicos.
Cómo la materia tampoco se pierde ni se crea, cabe preguntarse por el destino de los átomos de las moléculas iniciales. Como consecuencia de la combustión, los átomos de carbono que forman parte de los combustibles mencionados más arriba se desprenden como dióxido de carbono. Los átomos de hidrógeno que forman parte de estos son aceptados por moléculas del oxígeno atmosférico para formar agua. Este proceso se puede resumir con la siguiente ecuación:

Si se compara la combustión con la degradación completa de la glucosa, pueden encontrarse algunas similitudes, pero existen diferencias importantes. El combustible de los seres vivos son los nutrientes contenidos en los alimentos que, al oxidarse, producen dióxido de carbono y agua. Pero la liberación de la energía no se produce de manera explosiva, sino que sigue una secuencia de pasos que son catalizados por distintas enzimas, lo que permite una liberación gradual de la energía. Esta es en parte "empaquetada" en moléculas de ATP, mientras que el resto se disipa como calor.
Para resumir este proceso se puede utilizar la siguiente ecuación:

Si se compara este proceso con la combustión de un motor de explosión, se llegara a la conclusión de que la célula es bastante deficiente. Cuándo se quema nafta en un automóvil, alrededor del 75% de la energía química contenida en El combustible se disipa como calor y el resto se transforma en energía útil. En cambio, el proceso completo de degradación de la glucosa, el 40% de la energía liberada se transforma en energía utilizable por la célula.

Obtención de energía a partir de la glucosa

En presencia de oxígeno, la degradación de la glucosa se produce en dos etapas principales: la glucólisis y la respiración celular. A su vez, la denominada respiración celular incluye tres vías metabólicas: la oxidación del ácido pirúvico el ciclo de krebs y la cadena respiratoria.

La glucólisis. Tiene lugar en el citoplasma, dónde se encuentran las enzimas que catalizan los distintos pasos que se llevan a cabo en esta fase. En cambio, la oxidación del ácido pirúvico, en el ciclo de krebs y la cadena respiratoria se desarrollan en el interior de las mitocondrias, en presencia de oxígeno. En la diferentes vías metabólicas que permiten la degradación de la glucosa, muchas gracias iones químicas que se producen son de óxido reducción.

La glucólisis es un proceso que puede progresar hasta sus productos sin la presencia de oxígeno. Una molécula de glucosa captada por una célula ingresa a la vía glucolítica, qué consiste en una serie de reacciones que convierten las moléculas de glucosa de 6 carbonos en dos moléculas del compuesto ácido pirúvico de 3 carbonos. Cada uno de los pasos mencionados es catalizada por enzimas específicas. Estás reacciones están acompañadas por la formación neta de dos moléculas de ATP.
Durante la glucólisis se desprenden átomos de hidrógeno Qué son tomados por una sustancia aceptora de hidrógenos, el NAD.

El NAD (nicotinamida adenina dinucleótido) actúa como coenzima aceptora de hidrógenos y se transforma en NADH (NAD reducido). En la degradación de la glucosa a piruvato se forman dos NADH más hidrógeno, cuyo destino será estudiado en las próximas etapas.

Energía y ATP - Enzimas

La energía necesaria para los trabajos que realiza la célula proviene, como ya se dijo, de las sustancias que la célula incorpora y que degradan los procesos catabólicos. Energía que se libera en las reacciones de degradación no queda suelta en el interior de la célula, pues existe una sustancia que se encarga de recibir la y entregarla cómo se requiera, esta sustancia, que actúa como un mediador, es el ATP, sigla que corresponde al adenosín trifosfato. El ATP es un nucleótido formado por una base nitrogenada (la adenina) un azúcar simple ( la ribosa) y tres grupos fosfato.

El ATP permite tener a disposición una gran cantidad de energía, de modo que pueda ser utilizada dónde y tan pronto se la necesite. Esta molécula presenta ciertas características que la han mantenido a lo largo de millones de años de evolución como la moneda energética por excelencia de todos los sistemas vivos. Las dos últimas uniones fosfato requieren mucha energía para producirse, por lo tanto, una vez producidas constituyen enlaces altamente energéticos (almacenan unas 7000 calorías). Además, estás uniones son muy inestables por lo cual se rompen y se construyen con relativa facilidad. Cuando se rompe una de los enlaces fosfato, el ATP se transforma en ADP, adenosín difosfato, y se libera la energía que unía uno de los tres grupos fosfato.

La energía que se libera en cualquier proceso catabólico se utiliza para formar moléculas de ATP a partir de ADP y un grupo fosfato. Incluso aquellas que están acopladas con reacciones anabólicas se den su energía al ADP en primera instancia.
La síntesis de ATP a partir de adenosín difosfato recibe el nombre de fosforilación. El sistema ATP/ADP como medio de intercambio de energía entre las reacciones exergónicas y las entregó nicas verifica en todos los seres vivos, y muestra una vez más la asombrosa unidad de la vida.

Los catalizadores biológicos: las enzimas

Para que se produzca la combustión del gas butano en un encendedor, es necesario proporcionar una cierta cantidad de energía a través de la chispa de dicho encendedor. Esto pone de manifiesto que para iniciar la reacción se debe superar una barrera de energía entre los reactivos y los productos. Esta cantidad de energía se denomina energía de activación. Pero, ni las chispas ni las altas temperaturas sirven para activar las reacciones que se producen en un ser vivo, yo que destruiría las estructuras celulares. Un catalizador es una sustancia que disminuye la energía de activación necesaria para que una reacción se produzca. Las células utilizan como catalizadores un tipo especial de proteínas llamadas enzimas. Si bien la mayoría de las enzimas tienen dicho, existen ciertas moléculas de ARN (ribozimas) que también son catalizadores biológicos. Las enzimas permiten que las reacciones químicas ocurren a gran velocidad y a temperaturas de un rango compatible con la vida. Sin su presencia no sería posible la supervivencia de las células pues las reacciones metabólicas serían muy lentas.

Las enzimas son proteínas globulares de Gran tamaño, formadas por una o más cadenas polipeptídicas. Una sola molécula de una enzima puede catalizar la reacción de decenas de miles de moléculas en pocos segundos. Muchas enzimas requieren sustancias adicionales para poder funcionar. Estás sustancias no proteicas se denominan cofactores. Algunos son iones inorgánicos como el hierro, el cobre y El zinc. Otros son moléculas, no, hadas que se las llama coenzimas, como por ejemplo el NAD, que veremos más adelante. Hay, además, grupos moleculares llamados grupos prosteticos, qué están unidos permanentemente al encima, y le permiten llevar a cabo sus funciones.
Las moléculas sobre las que actúa una enzima reciben el nombre de sustrato. Por ejemplo la sacarosa es un disacárido formado por una molécula de glucosa y una de fructosa. La enzima que participa en su degradación se llama sacarasa. La sacarosa es el sustrato sobre el que actúa la enzima sacarasa. A través de este ejemplo se puede notar que para nombrar a las enzimas se emplea generalmente el nombre del sustrato y la terminación asa. Así, las enzimas que actúan en las reacciones en las que se degradan lípidos se llaman lipasas, y las que catalizan las reacciones en las que intervienen proteínas, se denominan proteasas.

¿Cómo actúa una enzima?

El funcionamiento de una enzima se pueden distinguir tres etapas:
- En la primera etapa la enzima reconoce una molécula de sustrato. Este se fija en un lugar definido de la enzima, que se denomina sitio activo, de modo que se forma el complejo enzima-sustrato. Cada enzima es específica para un sustrato determinado y no actúa sobre otro que no se ajuste a su sitio activo.

- En la segunda etapa se produce una reacción química. Las sustancias finales que se forman en las reacciones químicas son los productos. Para actuar como un catalizador, la enzima debe temporalmente formar parte de la reacción. Al unirse con los reactivos, baja la energía de activación y las moléculas realizan cambios químicos de manera rápida.
- En la tercera etapa la enzima se libera del producto; su estructura se mantiene igual que antes de comenzar la reacción y por lo tanto puede ser reutilizada.

El químico alemán emil fischer (1852 - 1919) postuló en 1884 la existencia de sitios activos, y comparó la relación del sitio activo con el sustrato con la que existe entre una cerradura y una llave. Aunque la analogía es válida debido a la especificidad de una enzima y sustrato, estudios posteriores aportaron evidencias de que el sitio activo es mucho más flexible y que puede cambiar de forma para acomodarse mejor a sus sustratos. Existen diversos factores que influyen en el comportamiento de una enzima. La velocidad con la que se produce una reacción química catalizada por una enzima está influida por la concentración del sustrato. Es decir, cuanto mayor sea la concentración del sustrato, más rápidamente se producirá la reacción. Sin embargo, esta velocidad aumenta de manera infinita, pues una vez que todos los sitios activos de todas las moléculas de la enzima estén ocupados, la velocidad de la reacción se estabiliza.
La actividad enzimática se incrementa también por un aumento de la temperatura, pero hasta un cierto límite, pasado el cual la enzima deja de actuar. Por ejemplo, para la mayoría de las enzimas humanas, la temperatura óptima se halla en los 37 grados centígrados. Cuando la temperatura está por encima de la óptima para el funcionamiento determinada enzima, esta altera su estructura y la proteína se desnaturaliza, lo que provoca la pérdida del sitio activo. Las temperaturas inferiores a la óptima no modifican la configuración tridimensional de la enzima, pero causan la pérdida de su movilidad y por ende, la probabilidad de que encuentre con las moléculas de sustrato. Entonces cuencia su acción queda inhibida.

También la actividad de las enzimas varía con el grado de acidez o alcalinidad (pH) del medio en el que se encuentran. La mayoría de las enzimas del organismo humano son eficientes en un pH ligeramente alcalino (mayor a 7), pero existen excepciones. La pepsina del jugo gástrico requiere un medio fuertemente ácido para actuar. Este medio es generado por el ácido clorhídrico que forma parte de dicho jugo digestivo.

Metabolismo celular: Introducción a la química biológica

Los materiales ingresan a la célula por medio de diversos tipos de transporte de acuerdo con distintos factores. Una vez en el interior de esta son transformados en el citoplasma o en distintas organelas. Algunos de estos materiales, cómo los aminoácidos son unidos entre sí para formar sustancias más complejas, como las proteínas; esta unión requiere la incorporación de energía. Las reacciones de síntesis proveen a la célula los materiales necesarios para el crecimiento, la reparación y la multiplicación, y se llevan a cabo en organelas específicas del citoplasma. La síntesis de proteínas a partir de aminoácidos por ejemplo se lleva a cabo en los ribosomas.

La energía que es requerida para las reacciones de síntesis queda almacenada en los enlaces químicos de las moléculas que se forman. Este reservorio energético es utilizado por la célula en caso de necesitarse.

Otros materiales que penetran en la célula a través de su membrana son utilizados como fuente de energía o de nutrientes, y para ellos son sometidos a reacciones de degradación, es decir, sus moléculas se rompen, y en su ruptura liberan la energía que mantenía unidos a sus componentes. Así, por ejemplo, a partir de la degradación de la glucosa en presencia de oxígeno se obtienen dióxido de carbono y agua en una serie de reacciones que se llevan a cabo en el citoplasma y en las mitocondrias (en el caso de las células eucariotas).

Las reacciones de degradación son las que proveen a la célula la energía necesaria para construir y mantener la estructura celular y también para realizar sus funciones.

El conjunto de reacciones químicas en las que se sintetizan sustancias a partir de otras sustancias relativamente más sencillas con aporte de energía se denominan anabólicas. En estas reacciones, la energía queda almacenada en los enlaces de los átomos que constituyen, por lo que se denominan reacciones endergónicas.

Las reacciones químicas en las que se degradan moléculas de estructura molecular compleja en otras de composición más sencilla se denominan catabólicas. Las reacciones de este tipo se libera energía contenida en los enlaces químicos por lo que reciben el nombre de reacciones exergónicas. Ambos tipos de reacciones, degradación y síntesis, dan como resultado un continuo intercambio y transformación de materia y energía entre el sistema vivo y el medio, que se denomina metabolismo. Esta palabra en griego significa cambio.

Muchos pares de reacciones catabólicas y anabólicas suelen estar acopladas, esto es, se producen en un mismo lugar y al mismo tiempo. Esto sucede porque la energía que se libera en las reacciones de degradación queda disponible para ser utilizada en las reacciones de síntesis. Es notable como la respiración celular y la fotosíntesis están acopladas a nivel planetario. La energía liberada en las reacciones catabólicas, no es utilizada directamente en las reacciones anabólicas, por ello se requiere de compuestos intermediarios que la almacenan en sus enlaces químicos. Más adelante hablaremos de una molécula que se llama ATP que es la encargada de almacenar la energía hasta que es necesaria.

Sistemas de nutrición

Las funciones de nutrición son efectuadas por los correspondientes sistemas. Éstas, la digestión, la respiración, la circulación y la excreción, son realizadas por el sistema digestivo, el sistema respiratorio, el sistema circulatorio y el sistema excretor o urinario. Para poder conocerlos, utilizamos esquemas, que son dibujos o ilustraciones con referencia que indican partes y características.

Sistema digestivo

Boca: los dientes muelen y trituran los alimentos. Además, la saliva tiene una enzima que comienza la digestión de los carbohidratos. Por otra parte, la lengua participa en la masticación y en la deglución.

Faringe: conduce los alimentos hacia el esófago.

Esófago: tuvo de paredes elásticas, que ayudan a que se desplace el bolo alimenticio hacia el estómago. En esta parte, ocurren los movimientos peristálticos que logran el avance unidireccional de los alimentos hacia el estómago.

Estómago: contiene los jugos gástricos que continúan la digestión química, comenzando la degradación de las proteínas. Existen movimientos estomacales que favorecen la digestión. Esos movimientos son similares a los que ocurren en el esófago.

Hígado: es una glándula que produce diversas sustancias, entre ellas la bilis, que participa en la degradación de los lípidos. Además, procesa y almacena la mayoría de los nutrientes que son absorbidos en el intestino. Aparece en esta región la vesícula biliar, que almacena bilis hasta que el paso de las sustancias en proceso digestivo accionan su vertido en el intestino.

Páncreas: es una glándula que produce sustancias digestivas que completan la digestión de biomoléculas. Además produce hormonas que regulan los niveles de glucemia.

Intestino delgado: la primera porción de este intestino se llama duodeno y es en donde se completa la digestión de las biomoléculas. Es aquí donde el hígado y el páncreas vierten sus sustancias digestivas. A continuación del duodeno se encuentra una segunda porción, mucho más larga, que se denomina yeyunoíleon, en donde se lleva a cabo la absorción de los nutrientes. Éstos pasan al torrente sanguíneo.

Intestino grueso: absorbe el agua y las sales. Contiene bacterias que producen vitaminas y es en donde se conforma definitivamente la materia fecal, residuos que nunca han entrado en el cuerpo porque no tenemos forma de aprovechar esas sustancias.

Recto: almacena materia fecal hasta su eliminación.

Ano: orificio con músculos que ayudan a eliminar la materia fecal.

A lo largo del sistema digestivo, se pueden diferenciar dos tipos de digestión. Una de tipo mecánica y otra de índole química. En la primera intervienen fuerzas y es de naturaleza física. Morder, masticar, mojar con la saliva, mover los alimentos con la lengua y finalmente deglutir. Eso es netamente físico, tal como los movimientos peristálticos que comienzan en el esófago y logran que las sustancias ingeridas sigan un recorrido unidireccional (que no vuelvan hacia la boca). En el otro tipo de digestión, la química intervienen sustancias que reaccionan químicamente degradando a los alimentos hasta sus prociones más mínimas, moleculares y a veces a niveles atómicos.

El proceso de digestión de los alimentos se lleva a cabo en el sistema digestivo y sigue pasos específicos:

1. La digestión comienza en la boca, donde los alimentos se dividen cuando masticamos y se combinan con la saliva. La saliva tiene una enzima que ayuda a transformar los alimentos que consumimos en una masa conocida como el bolo alimenticio. Comienza la digestión de los carbohidratos.

2. Posteriormente, la lengua empuja el bolo a través de la faringe y este se desplaza hacia el esófago, tubo que conecta a la faringe con el estómago. Ya en el estómago comienza el proceso digestivo químico activo, pues es allí donde se producen diferentes ácidos que convierten el alimento en una sustancia semilíquida llamada quimo, la cual es expulsada al intestino delgado2. Este proceso dura alrededor de cuatro horas, dependiendo del tipo de alimento consumido. En el estómago comienza la digestión de las proteínas.

3. Cabe resaltar que la mayor parte del almidón de los alimentos es digerido a través del intestino delgado gracias a la acción de jugos digestivos, la bilis y el jugo pancreático, producidos por el hígado y el páncreas, los cuales reaccionan a la presencia de proteínas, grasas y carbohidratos. La mayor parte del agua y de los nutrimentos son absorbidos a través del intestino delgado hacia el torrente sanguíneo para llegar a las células del cuerpo. En el duodeno, primera porción del intestino delgado, se completa la digestión de las biomoléculas que venimos mencionando. En la segunda parte del ID, el yeyunoíleon, se produce la absorción de los nutrientes.

4. Lo restante del quimo es expulsado al intestino grueso, en donde las sustancias pueden ser fermentadas por las bacterias presentes en él. Asímismo, vitaminas como la B y la K son sintetizadas en este intestino. Después del proceso de fermentación y síntesis de vitaminas, se genera una masa de desecho denominada materia fecal. La materia fecal es almacenada temporalmente en el recto hasta que es expulsada al exterior del cuerpo, proceso conocido como defecación. El IG también se encarga de recuperar agua.

Aumento de la superficie de contacto

En el sistema digestivo es donde podemos mencionar por primera vez, un principio funcional dentro de la biología. Se trata del aumento de la superficie de contacto que es simplemente el plegamiento, aumento de rugosidades y aumento notable del sistema sanguíneo para favorecer la absorción de nutrientes o intercambio de sustancias. Esto es muy notable en el intestino delgado, que presenta vellosidades, cada una de las cuales presenta microvellosidades.

Debido a la naturaleza del aumento de superficie y aumento de presencia sanguínea, encontraremos esta constante en los siguientes sistemas de nutrición.

Sistema respiratorio

Cavidad nasal: su endotelio posee células ciliadas y mucus que retienen las partículas presentes en el aire.

Faringe: es un conducto en común que poseen en sistema digestivo y el respiratorio.

Laringe: en ella se encuentran las cuerdas vocales. Entre la faringe y la laringe está la epiglotis. Esta válvula se cierra durante la deglución para que ningún cuerpo extraño o alimento ingrese en las vías respiratorias.

Tráquea: sus paredes poseen anillos cartilaginosos que mantienen el conducto abierto, de este modo el paso de aire es continuo.

Bronquios: son las ramificaciones principales de la tráquea, una hacia cada pulmón. Cada uno de los bronquios se irá ramificando en porciones menores hasta llegar a tubos muy pequeños que culminarán en los alvéolos pulmonares, los cuales están rodeados de capilares sanguíneos.

La caja torácica: está formada por las costillas y los músculos intercostales, que protegen y participan del acto respiratorio.

Tanto en la respiración pulmonar, como en la branquial (propia de los animales acuáticos) las ramificaciones son considerables. Y es más visible (sobre todo en las branquias de los peces) como el sistema circulatorio acompaña esos avances, ya que es con la sangre con la que debe ocurrir todo tipo de intercambio.

Las branquias son filamentos delgados por los cuales se mueve la sangre. A veces son tan delgados que sólo pasa un glóbulo rojo por vez, lo cual multiplica enormemente las posibilidades de captar oxígeno.

Sistema circulatorio

El corazón: es un órgano de paredes muy desarrolladas. Las contracciones rítmicas de estos músculos impulsan la sangre. Está ubicado en el centro del tórax, inclinado hacia la izquierda.

Vasos sanguíneos: se diferencian diferentes tipos. Arterias, venas y capilares. Y de cada tipo podemos distinguir vasos sanguíneos que son muy importantes.

Arteria aorta: por ella circula la sangre que sale del corazón, y se distribuye entre las arterias que irrigan todos los tejidos.

Vena cava: por ella circula la sangre que vuelve hacia el corazón desde todas las partes del cuerpo.

Arteria pulmonar: por ella circula la sangre carboxigenada hacia los pulmones.

Vena pulmonar: es la que dirige la sangre oxigenada proveniente de los pulmones, para que el corazón la impulse a todo el cuerpo.

Sin duda las arterias y las venas tienen diferencias notables, relacionadas con sus funciones y con las notables diferencias de presión. Las arterias son más elásticas y conservan su forma.

 El sistema circulatorio humano y el de los demás vertebrados es cerrado, ya que la sangre nunca sale del sistema circulatorio (como en el caso de los invertebrados). También podemos decir que la circulación es doble, ya que la sangre pasa dos veces por el corazón. Primero con dióxido de carbono y agua, y luego de pasar por los pulmones llevando oxígeno a todo el cuerpo. Ese doble paso por el corazón refleja dos circuitos: uno pulmonar y otro sistémico.

Sistema excretor o urinario

Los riñones son de color rojo oscuro. Se ubican en la parte posterior del abdomen. En un corte longitudinal se pueden diferenciar dos regiones: la corteza (externa) y la médula renal internamente. En estos órganos ocurre el filtrado y ultrafiltrado de la sangre, que llega a los riñones portando desdechos celulares y residuos tales como restos de células muertas. Dentro de los riñones se encuentra los nefrones, que es donde la sangre se limpia de los desechos metabólicos.

Nefrones: El nefrón o nefrona es la unidad estructural y funcional básica del riñón, responsable de la purificación de la sangre. Su principal función es filtrar la sangre para regular el agua y sustancias solubles, reabsorbiendo lo que es necesario y excretando el resto como, orina.

Uréteres: por ellos circula la orina desde los riñones hasta la vejiga. Tienen una longitud de unos 25cm y sus paredes son muy musculares.

Vejiga: La vejiga urinaria es un órgano hueco músculo-membranoso que forma parte del tracto urinario y que recibe a la orina de los uréteres, la almacena y la expulsa a través de la uretra al exterior del cuerpo durante la micción.

Uretra: La uretra es el conducto por el que pasa la orina en la fase final del proceso urinario desde la vejiga urinaria hasta el exterior del cuerpo durante la micción.

Funciones básicas de nutrición

El agua y los alimentos son incorporados a través del sistema digestivo.

Los alimentos serán digeridos, es decir, degradados para la obtención de nutrientes. No todo lo que comemos sirve al funcionamiento de nuestro organismo. Por eso hay cosas que no entrarán a nuestro sistema y serán eliminadas en forma de materia fecal.

El agua que es un nutriente y los nutrientes mismos, obtenidos de los alimentos, pasan al sistema circulatorio y son transportados a todas las células del cuerpo.

Las células son la unidad funcional y estructural de todos los seres vivos, de modo que si el organismo debe llevar adelante funciones vitales, todas sus células deben disponer de materia prima y energía para lograrlo. Para obtener energía de los nutrientes es necesario obtener oxígeno, tal como ocurre en el motor de un auto. Este gas se encuentra en mayor cantidad en el aire que inspiramos.

El oxígeno pasa al sistema circulatorio, y como un nutriente más llega a las células de todo el cuerpo. Muchas de las transformaciones que ocurren dentro de las células requieren la presencia de este gas.

Las células llevan a adelante sus funciones transformando lo que recibe en cosas que le son útiles. De modo que habrán cosas que no serán útiles y serán eliminadas. Esos son desechos que salen del interior del cuerpo, a diferencia de la materia fecal. Quizá esa sea una diferencia inportante entre la orina y el desecho antes mencionado.

Los otros desechos sañdrán de las células y por medio de la sangre llegarán al sistema excretor y serán eliminados como orina. También se elimina agua, ya que esas sustancias deben estar disueltas para favorecer su tránsito.

El dióxido de carbono y parte del agua pasarán de la sangre al sistema respiratorio para ser eliminados através del aire espirado que posee más cantidad de CO2.

La captación de nutrientes comienza en el sistema digestivo mediante la degradación de los alimentos.

El sistema respiratorio incorpora un nutriente muy importante, el oxígeno (O2).

El transporte de los nutrientes hacia las células es llevado a cabo por el sistema circulatorio. Este sistema también se encarga se hacer llegar los desechos a los lugares de eliminación.

La eliminación de desechos ocurre en el sistema excretor y en el sistema respiratorio.

Sistema	Acción	Componentes del sistema
Digestivo	Es donde se degradan los alimentos. Obtiene nutrientes de los mismos para que puedan ingresar en las células	Boca – faringe – esófago – hígado y páncreas (glándulas anexas) – intestino – recto – ano.
Respiratorio	Es dónde ocurre el intercambio gaseoso entre la sangre y el ambiente.	Fosas nasales – faringe – laringe – tráquea – pulmones (bronquios y ramificaciones menores) – alvéolos pulmonares
Circulatorio	Transporte de sustancias (nutrientes y desechos).	Corazón – vasos sanguíneos
Excretor o urinario	Se encarga de la eliminación de desechos, producto de la actividad celular.	Riñones – úreteres – vejiga – uretra.

1- ¿Qué es la digestión?

2- Averiguar cuáles son las cantidades de O2 y CO2 en el aire inspirado y espirado respectivamente?

3- ¿Cómo puedo se puede comprobar que eliminamos H2O por el aire espirado?

4- ¿Cuál es la diferencia entre alimento y nutriente? Definir claramente el concepto nutriente.

5- ¿Qué nombre recibe el conjunto de actividades celulares?

La biotecnología y sus aplicaciones

El ser humano ha utilizado a otros seres vivos para sus actividades cotidianas. La agricultura la domesticación de animales y el mejoramiento de los cultivos son ejemplos de esta relación que comenzó hace miles de años. Actividades tan antiguas como la producción de vino, cerveza, queso y yogurt involucran microorganismos que el hombre desconocía en esos tiempos. Una actividad tan antigua como la fabricación de alimentos mediante el uso de microorganismos es biotecnología. A partir del siglo XVII se produjo un cambio importante con el descubrimiento de los microbios, seres microscópicos presentes en todas partes. El hombre comenzó a estudiarlos y a descubrir sus estructuras y funciones. Desde los trabajos de Gregor Mendel en el siglo XIX y hasta 1940, los conocimientos sobre genética provenían de las investigaciones en plantas y animales, pero no se sabía si estos resultados se podían aplicar a los microorganismos.

El 1944 el biólogo canadiense Oswald Avery y su equipo encontraron que el material genético de un tipo de neumococo (bacteria que causa neumonía en humanos) podía transferir una característica hereditaria a otro tipo de neumococo. Entonces propuso que el ADN (ácido desoxirribonucleico) era el medio a través del cual la bacteria transmite sus características. Esta explicación fue recibida con escepticismo. A medidas del siglo XX y con los aportes de los científicos James Watson y Francis Crick acerca de la estructura del ADN, la comunidad científica aceptó que el ADN era el material genético de todos los seres vivos. Los científicos comenzaron a buscar la forma de aislar los genes y transferirlos de un organismo a otro. Fue así que en la década de 1970 se logró por primera vez obtener una molécula de ADN bacteriano combinado con ADN humano. Estas nuevas técnicas que permiten cortar y unir ADN de diferentes organismos para obtener nuevas características también son parte de la biotecnología.

¿Qué es la biotecnología?

El término biotecnología es nuevo para mucha gente. sin embargo cómo se mencionó, la biotecnología comenzó hace 4000 años por lo menos mediante la fabricación de cerveza y panes. En todos estos procesos participan microorganismos que fermentan azúcares y producen alcohol y dióxido de carbono. La elaboración de quesos y yogures mediante el agregado de bacterias también es un proceso biotecnologico. A estas primeras aplicaciones de microorganismos cuya existencia sin embargo se desconocía se las llama biotecnología tradicional, que se define como la utilización de organismos vivos, microorganismos, células vegetales y células animales para la obtención de productos útiles para el hombre. Esto ha permitido desarrollar nuevas técnicas que integran lo que se denomina biotecnología moderna; esta biotecnología utiliza técnicas denominadas en su conjunto ingeniería genética para modificar y transferir genes de un organismo a otro y conferirles y nuevas características consideradas ventajosas

El hombre utiliza y modifica los cultivos con el fin de obtener plantas que le ofrezca mayores beneficios y mejoras. También se buscan mejores frutos, mayor crecimiento y mayor resistencia a enfermedades. Así el hombre viene modificando genéticamente las plantas hace miles de años. Dentro de la biotecnología tradicional está la de exponder a plantas, frutas y semillas a agentes físicos como radiaciones. El ejemplo más conocido es el del pomelo rosado, que obtiene su color característico luego de exposiciones a rayos UV. Esta técnica se denomina mutagénesis.

En definitiva la suma de la biotecnología tradicional y la biotecnología moderna resulta en una biotecnología que es el empleo de organismos vivos para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre, que incluye la producción de proteínas recombinantes, el mejoramiento de cultivos vegetales y del ganado, el empleo de organismos para limpiar el medio ambiente y para la obtención de productos industriales.

Actividades

1- ¿Qué es la biotecnología? Citar ejemplos

2- ¿Por qué es importante saber qué es el ADN?

3- Evolutivamente hablando, ¿cuál es el riesgo de obtener características nuevas?

4a- ¿Qué diferencia hay entre biotecnología moderna y tradicional?

4b- Ambas tecnologías son selección artificial, ¿Por qué?

4c- ¿Por qué la mutagénesis no es parte de la biotecnología moderna?

5- ¿cuáles son los avances científicos que permitieron El avance de la biotecnología?

Metabolismo celular. Transporte e incorporación de sustancias

Los nutrientes incorporados desde el medio externo llegan al interior de los organismos por diferentes vías. Existen diferentes procesos que permiten el intercambio de sustancias.

La célula como sistema abierto

Las células como los seres vivos se consideran sistemas abiertos debido a que intercambian materia energía e información con el exterior.

¿Para qué ingresan los nutrientes?

Los nutrientes entran en la célula a través de la membrana plasmática y tienen dos destinos principales: 

1- Ser proveedores de la materia prima que la célula necesita para su crecimiento, reparación y multiplicación. 

2- Ser fuente de la energía necesaria para que la célula realiza distintos trabajos.

El pasaje de sustancias a través de la membrana plasmática

El pasaje de una sustancia a través de la membrana está condicionado por el tamaño de las partículas, su carga eléctrica, su afinidad con el agua y su concentración. Ciertas sustancias entran y salen de la célula sin gasto de energía, esto se denomina transporte pasivo. La difusión es un ejemplo de este tipo de transporte. El pasaje de otras sustancias implica un gasto de energía. A este tipo de transporte se lo conoce como transporte activo. Las llamadas bombas y el transporte en masa son ejemplos de este último.

Transporte pasivo

El transporte pasivo se produce cuando las sustancias transportadas pasan a través de las membranas sin una inversión de energía.

La difusión

Las partículas que forman las soluciones están moviéndose continuamente en todas direcciones; una consecuencia de este movimiento es que tienden a distribuirse y a ocupar el espacio de manera uniforme. Si se colocan unas pocas gotas de un colorante en el extremo de una pecera con agua, se observa que al cabo de un tiempo todo el agua se colorea. esto sucede porque las moléculas del colorante se mueven azarosamente y tienden a alejarse del sitio en el que la concentración es mayor, hasta que la concentración sea uniforme en todo el líquido. a este proceso en el que las partículas que forman una sustancia se mueven de una región de mayor concentración a otra de menor concentración se denomina difusión. la diferencia de concentración de una sustancia en distintos puntos se denomina gradiente de concentración y cuanto mayor sea el gradiente más rápida será la difusión. Cuando las partículas han alcanzado un estado de distribución homogénea se dice que están en equilibrio dinámico.

La difusión de moléculas de agua a través de una membrana de permeabilidad selectiva recibe el nombre de ósmosis. Como resultado el agua pasa desde una solución más diluida (mayor proporción de agua) a una más concentrada (con mayor proporción de soluto).

El soluto es la sustancia que está disuelta en otra. Un disolvente o solvente es una sustancia química en la que se diluye un soluto (un sólido, un líquido o gas químicamente diferente) resultando en una disolución; normalmente el solvente es el componente de una disolución presente en mayor cantidad. Si agregamos una cucharada de azúcar en un vaso de agua, el azúcar es el soluto y el agua es el solvente.

En la ósmosis las moléculas de agua difunden de una solución hipotónica (o desde el agua pura) hacia una solución hipertónica a través de una membrana selectivamente permeable. Esto significa que el agua va del lugar de mayor concentración al lugar de menor concentración.

¿Cómo se clasifican las soluciones o las disoluciones?

Las soluciones que tienen el mismo número de partículas disueltas por unidad de volumen se denominan isotónicas (hizo significa el mismo o igual). En este caso al ser dos soluciones con igual concentración no se produce un movimiento neto de agua a través de una membrana. Las soluciones que tienen menos soluto se conocen como hipotónicas (hipo significa menos), y las que tienen más soluto se denominan hipertónicas (hiper significa más).

Difusión facilitada

Las sustancias polares como muchos aminoácidos y azúcares y las sustancias que tienen carga eléctrica neta cómo los iones no difunden por sí mismas a través de la membrana debido a que no son afines a los lípidos que conforman el interior de la bicapa. Estás sustancias cruzan la barrera lipídica a través de canales o de transportadores qué son proteínas o complejos de proteínas integradas a la membrana, que forman en ella poros en cuyo interior hay una alta proporción de aminoácidos polares. Esto brinda un medio a fin para el pasaje de iones y de sustancias hidrofilicas. Este proceso es conocido como difusión facilitada. su nombre se debe a que si viene el pasaje de sustancias se realiza según su gradiente de concentración y por lo tanto no requiere un gasto de energía por parte de la célula debe ser facilitado por las proteínas asociadas a la bicapa de lípidos o de otro modo no ocurriría debido a la naturaleza química de las sustancias que deben ser incorporadas.

los canales mejor estudiados son los canales iónicos que permiten el pasaje de ciertos iones hacia el interior o en exterior de la célula. La entrada a los canales está regulada por compuertas que se abren para el pasaje de los iones ante una determinada señal. Una vez abierto el canal millones de iones pueden atravesarlo por segundo. El movimiento de los iones hacia uno y otro lado de la célula es importante en muchos procesos biológicos, como la contracción muscular y aquellos relacionados con la transmisión de los impulsos del sistema nervioso. Otro tipo de difusión facilitada no sólo implica la apertura de un canal sino la unión de las sustancias transportadas a una proteína específica de la membrana que recibe el nombre de proteína transportadora. Algunas de estas proteínas participan en el transporte de sustancias de Gran importancia para el funcionamiento de las células como la glucosa y los aminoácidos.

La proteína transportadora de glucosa tiene un sitio de unión. Cuando la glucosa se une a la proteína está cambia su estructura tridimensional de forma tal que traslada la molécula de glucosa desde el exterior y hacia el interior de la célula donde la libera. Una vez que deja de estar unida a la glucosa la proteína transportadora vuelve a su conformación original y queda disponible para transportar una nueva molécula.

Transporte activo

En muchas situaciones el transporte de partículas se realiza en contra del gradiente de concentración o bien se incorporan partículas de gran tamaño. En estos casos se requiere un gasto de energía por lo que recibe el nombre de transporte activo.

Transporte mediado por bombas

Uno de los ejemplos típicos del transporte en contra del gradiente de concentración es la bomba de sodio-potasio. Esta bomba está formada por proteínas asociadas a la membrana e intercambia ion sodio que se encuentran en el interior de la célula en menor concentración, por iones potasio que se hallan en baja concentración en el medio extracelular. Para realizar este intercambio en contra de ambos gradientes las células gastan energía.

Transporte en masa

Las moléculas grandes las que se incorporan en mucha cantidad y las células pequeñas son transportados hacia o desde la célula mediante vesículas. Cuando el transporte es hacia el interior el proceso es llamado endocitosis, cuando es hacia el exterior se habla de exocitosis. durante la endocitosis la membrana plasmática forma una pequeña depresión en su lado externo que se profundiza hasta estrangularse, y genera una vesícula que lleva en su interior el material que ingresa a la célula. Si el material ingresado es una macromolécula o un microorganismo el proceso recibe el nombre de fagocitosis y la vesícula formada se denomina fagosoma. Esta vesícula se asocia con un lisosoma cuyas enzimas degradan las partículas fagocitadas. Luego las pequeñas moléculas formadas por la digestión difunden al citoplasma. Los materiales no digeridos son eliminados al exterior y la membrana de la vesícula queda incluida en la membrana de la célula. La fagocitosis es utilizada como un proceso de alimentación celular por protistas unicelulares heterótrofos y también es común en algunos glóbulos blancos que defienden el cuerpo contra células y sustancias extrañas. También entran por endocitosis sustancias disueltas o líquidos pero en este caso las vesículas son más pequeñas (en este caso el proceso se llama pinocitosis). La exocitosis se produce cuando las vesículas provenientes del interior de la célula llegan a la membrana se abren y descargan su contenido al exterior la membrana de la vesícula pasa a formar parte de la membrana plasmática.

Actividades

1. ¿Cuáles son los dos destinos principales de los nutrientes que ingresan a la célula?

2. ¿Qué factores condicionan el pasaje de sustancias a través de la membrana plasmática?

3. Explica el proceso de difusión y cómo se relaciona con el equilibrio dinámico de las partículas.

4. ¿Qué es la ósmosis y cómo se clasifica a las soluciones según su concentración?

5. ¿Qué es la difusión facilitada y cuál es el papel de las proteínas transportadoras en este proceso?

6. Describe el mecanismo de transporte activo mediado por bombas, usando como ejemplo la bomba de sodio-potasio.

7. Explica los procesos de endocitosis y exocitosis, indicando los tipos de endocitosis y la formación de vesículas.

8. ¿Cuál es la diferencia entre la pinocitosis y la fagocitosis en relación al tipo de sustancias que ingresan a la célula?

9. ¿Cuál es la importancia de los procesos de transporte a través de la membrana para el funcionamiento celular?

10. ¿Cómo se relaciona la célula como sistema abierto con el intercambio de materia, energía e información con el entorno?