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MODULO BIOLOGIA APLICADA - UNIDAD NRO: 1 “LA CELULA BIOENERGETICA”

UNIDAD 1

LA CÉLULA BIOENERGÉTICA

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Introducción En esta Unidad realizaremos una introducción general sobre los aspectos de biología celular mas importantes para entender como los organismos utilizan, transforman y almacenan energía y materia.

Comenzaremos con el estudio de las células como unidades básicas estructurales y funcionales de todos los seres vivos. Todos los seres vivos están compuestos por células, y todas las células provienen de otras células preexistentes. Estos pequeños enunciados constituyen uno de los conceptos de la teoría celular. Si bien parece en estos tiempos cuestiones básicas, estos simples enunciados permitieron estudios posteriores sobre estructura y funcionamientos de las células. Así estudiaremos como esta formada una célula modelo, con las estructuras subcelulares presentes, como las moléculas que conforman una célula se relacionan permitiendo las transformaciones de energía y movimiento de materiales. Las diferentes reacciones químicas que ocurren dentro de la célula, colectivamente llamadas metabolismo, incluyen reacciones que permiten la síntesis de nuevas moléculas (reacciones anabólicas) o la degradación de moléculas complejas en mas simples (reacciones catabólicas).

Dado que las células requieren energía para realizar sus diferentes funciones, no es sorprendente que las células posean vías químicas capaces de convertir el “alimento”

(hidratos

de

carbono, proteínas, lípidos)

en

formas

de

energía

biológicamente utilizable. Este proceso metabólico es denominado bioenergética.

Para poder realizar, entonces, cualquier actividad física, como correr, saltar, o simplemente estar muy interesado en la lectura de este modulo, la energía contenida en los alimentos que ingerimos, debemos transformarlos en energía utilizable, en definitiva construir ATP.

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Por lo tanto, el conocimiento de la estructura y función de las células, con sus reacciones anabólicas y catabólicas incluidas, permiten la identificación de mecanismos importantes para el entendimiento de la bioenergética. Una vez clarificado y analizado estos puntos, nos inclinaremos al estudio de cómo se mantiene y controla el medio interno corporal, en tal sentido definir homeostasis nos permitirá tener un punto de partida para poder considerar como el ejercicio puede modificar el medio interno.

Objetivos Específicos ⇒ Discutir la estructura y función de las células

⇒ Definir

las

reacciones

endergónicas,

exergónicas,

acopladas,

y

bioenergética.

⇒ Identificar la estructura de los hidratos de carbono, proteínas y lípidos. Determinar como se utilizan estas moléculas en el metabolismo celular.

⇒ Identificar a los fosfatos de alta energía y como las enzimas actúan como catalizadores biológicos.

⇒ Describir las fuentes de la bioenergética involucradas en la producción de ATP.

⇒ Razonar sobre la interacción entre las diferentes vías de formación de ATP.

⇒ Definir homeostasis y estado estable.

⇒ Clarificar sobre los diferentes sistemas de control corporal interno. MODULO BIOLOGIA APLICADA - UNIDAD NRO: 1 “LA CELULA BIOENERGETICA”

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Temario Estructura celular Membrana celular Núcleo Citoplasma Organelas celulares. Funciones y estructuras. Transformación biológica de la energía. Reacciones químicas celulares Reacciones endergónicas – exergónicas Reacciones acopladas Hidratos de carbono Características. Proteínas Características Enzimas Lípidos Características Fosfatos de alta energía Adenosina-tri-fosfato Bioenergética

Producción anaeróbica de ATP Sistema ATP-Fosfocreatina Glucólisis Producción aeróbica de ATP Ciclo de Krebs Cadena de transporte de electrones MODULO BIOLOGIA APLICADA - UNIDAD NRO: 1 “LA CELULA BIOENERGETICA”

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Eficiencias energéticas Control bioenergético Interacciones energéticas Control del medio interno

Homeostasis Definición Estado estable Sistemas de control corporales Naturaleza de los sistemas de control

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Esquema de contenidos A continuación le presentamos un esquema con vinculación de contenidos. LA CÉLULA - BIOENERGÉTICA

Estructura celular Membrana celular Núcleo Citoplasma Organelas celulares Transformación biológica de la energía Reacciones químicas celulares Reacciones endergónicas – exergónicas Reacciones acopladas Hidratos de carbono Características Proteínas Características - Enzimas Lípidos Características Fosfatos de alta energía Adenosina-tri-fosfato MODULO BIOLOGIA APLIC

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Bioenergética Producción anaeróbica de ATP Sistema ATP-Fosfocreatina Glucólisis Producción aeróbica de ATP Ciclo de Krebs Cadena de transporte de electrones Eficiencias energéticas Control bioenergético Interacciones energéticas Control del medio interno Homeostasis Definición Estado Estable Sistemas de control corporales Naturaleza de los sistemas de control

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ORIENTACIONES PARA EL ESTUDIO: Las orientaciones se desarrollarán por

unidades didácticas brindando

sugerencias de técnicas de estudio, reforzando y aclarando temas puntuales, orientando en el abordaje de los contenidos, etc. De esta manera, el profesor orienta con respecto a los contenidos existentes en la bibliografía, profundizando aquellos puntos que considere necesarios y dando una visión integral del curso o materia.

ICONOS QUE ENCONTRARÁ EN ESTA UNIDAD DIDACTICA

Recuerde Ejemplos Resumen Actividad de Aprendizaje

Prepárese, vamos a comenzar a desarrollar los contenidos que a usted le permitirán iniciar el proceso de aprendizaje. En esta etapa, es fundamental que adquiera y pueda relacionar los conceptos de las distintas unidades didácticas, no estudie de memoria intente siempre… relacionar

A continuación, desarrollaremos los contenidos de la materia.

Desarrollo de los contenidos 1.- ESTRUCTURA CELULAR

Como hemos planteado, la célula es la unidad básica funcional y estructural de todos los seres vivos. Si bien existen dos tipos de células bien diferenciadas, MODULO BIOLOGIA APLICADA - UNIDAD NRO: 1 “LA CELULA BIOENERGETICA”

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solamente nos avocaremos al estudio de las células que conforman el cuerpo humano en particular. Estas células, denominadas eucariotas, presentan una estructura determinada,

que

incluyen

diferentes

partes

diferenciadas

pero

que

son

interdependientes. Así, estas células efectúan diferentes funciones básicas, como regular la entrada y salida de materiales, utilizar la información genética para gobernar las síntesis de componentes, entre otras funciones. Las células presentan 3 partes principales, la membrana plasmática, el núcleo (característico de las células eucariotas), y el citoplasma. Embebidos en el citoplasma aparecen diferentes estructuras que poseen membrana similar a la plasmática que se denominan organelas. En una somera revisión de estas estructuras nos vamos a referir a la figura 1, como punto de partida para nuestro análisis.

Fig. 1. Estructura de una célula típica.

En primer lugar caracterizaremos a la membrana plasmática. Esta membrana es la que conforma la superficie externa de la celula, la que la separa del medio circundante. En general, la membrana plasmática regula el transporte de materiales desde el interior y el exterior de la célula.

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De

esta

manera

la

membrana

plasmática

es

capaz

de

mantener

cualitativamente el medio interno diferente del medio externo. Además la membrana desempeña funciones de comunicación entre diferentes células. La segunda estructura que conforma la célula es el núcleo. Si bien al núcleo lo caracterizamos como una organela, las diferentes funciones que cumple lo destacan. En el núcleo se concentra el control de todas las funciones celulares, además de contener la información que se va a heredar en una eventual división celular.

Como puede ser ampliamente conocido, el ADN contiene la información genética de cada una de las células y este ADN esta contenido dentro del núcleo formando los cromosomas. Por ultimo, el citoplasma comprende todo el contenido celular entre la membrana plasmática y el núcleo. En general, en citoplasma esta constituido por agua con partículas disueltas. Las organelas son estructuras celulares complejas y organizadas que presentan membrana similar a la membrana plasmática, cada una de las cuales cumplen una función y tiene una forma determinada*.

*Nota 1: Hay que destacar que las células tienen diferentes formas y tamaños, y se relacionan de diferente manera con otras células y con el medio externo. Nosotros tomaremos para el análisis una célula tipo, la cual va a contener todas las estructuras para estudiar. Una vez que clarifiquemos como es una célula tipo, “subiremos” de nivel de organización, y veremos como son las células que forman diferentes tejidos.

1.1. Membrana celular

Comencemos a definir estructuralmente a la membrana plasmática y así relacionarla con su actividad biológica. Una de las características principales de las membranas es la permeabilidad selectiva, ciertos materiales se mueven a través de ella con facilidad y otros no. MODULO BIOLOGIA APLICADA - UNIDAD NRO: 1 “LA CELULA BIOENERGETICA”

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La capacidad de “seleccionar” los materiales que pueden pasar a través de ella es una de las principales funciones de las membranas. Esta función particular esta determinada por la estructura de la misma. Las membranas plasmáticas están compuestas por una bicapa de lípidos. Los lípidos sirven como barrera efectiva al pasaje de materiales y le entregan la integridad estructural a la membrana. La gran mayoría de los lípidos que forman las membranas son fosfolípidos. Estos están dispuestos en una bicapa debido a que son moléculas anfipáticas, es decir, tienen partes hidrofílicas e hidrofóbicas.

Los fosfolípidos que forman una de las capas de la membrana presentan un sector hidrofílico (debido a la presencia de fósforo) y una región hidrofóbica (debido a la propia estructura del lípido). Entonces ¿Como formamos entonces esta membrana? Como una gota de aceite que cae en un vaso de agua, se mantiene separada, los sectores hidrofóbicos de los fosfolípidos se relacionan entre si, quedando hacia los lados externos los sectores hidrofílicos.

Los fosfolípidos de la membrana estabilizan toda la estructura y al mismo tiempo hace la membrana fluida de manera que existe la posibilidad de movimiento lateral de estructuras dentro de la misma.

En este punto, vamos a incluir diferentes estructuras proteicas. Las proteínas son componentes de las membranas biológicas y pueden ser tanto intrínsecas como extrínsecas. Las proteínas intrínsecas penetran la bicapa lipídica extendiéndose de un lado hacia el otro. Las proteínas extrínsecas se ubican en un lado determinado de la membrana, pudiendo ser interno como externo. Ambos tipos de proteínas cumplen importantes funciones en el rol de la membrana.

Algunas proteínas intrínsecas cumplen función de transporte, es decir, forman canales que permiten el paso de materiales específicos o actúan como transportadores, es decir se unen a una sustancia hidrofilita en un lado de la membrana y luego cambian su forma para llevarla del otro lado. MODULO BIOLOGIA APLICADA - UNIDAD NRO: 1 “LA CELULA BIOENERGETICA”

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Otras proteínas extrínsecas son receptores, los cuales sirven como sitio de reconocimiento celular ante hormonas.

Por ultimo, las membranas contienen una cantidad significante de hidratos de carbono, que cumplen diferentes funciones. Algunos de estos hidratos de carbono se unen a lípidos formando glucolípidos, o se unen con proteínas para formar glucoproteínas.

Así nos queda definida una membrana biológica, ahora bien como son los procesos por el cual se lleva a cabo el transporte de sustancias a través de la membrana plasmática. El transporte de materiales a través de la membrana resulta esencial para la vida de la célula.

Los materiales que cruzan las membranas celulares por procesos de transporte que pueden ser mediados por una proteína transportadora o simplemente difundir por la membrana, además los transportes pueden ser activos o pasivos dependiendo de la utilización de energía para el transporte. En la figura 2 se esquematizan los diferentes transportes a través de la membrana, así como la estructura de la bicapa de lípidos.

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Fig. 2. Estructura de la bicapa de lípidos y los procesos de transporte a través de la membrana plasmática.

¿Por que nos interesa conocer los diferentes transportes a través de una membrana biológica?

La mayoría de los procesos que dependen de la separación de materiales, ya sean moléculas o átomos, están determinados por la capacidad de las membranas de ser permeables o impermeables a un compuesto en particular dependiendo de la membrana. La mayoría de las bicapas son completamente permeables a elementos sin carga eléctrica, como el oxigeno, el dióxido de carbono o los compuestos esteroides, sin embargo son impermeables a compuestos con carga como los iones o compuestos polares como la glucosa. En capítulos posteriores, estos transportes serán ampliamente utilizados.

Para comprender como los elementos se diseminan a través de la membrana, es preciso entender como difunden en un líquido. Se denomina difusión a la mezcla aleatoria de partículas que ocurre como resultado del movimiento de dichas partículas. El proceso de difusión es algo muy conocido, cuando una gota de tinta cae en un recipiente con agua, la tinta lentamente se distribuye por todo el líquido. La difusión es el movimiento neto desde un lugar donde la concentración es mayor a un lugar donde la concentración es menor. Cuan rápido las sustancias difunden, depende de diferentes factores, como la temperatura, la carga eléctrica o el gradiente de concentración. Este gradiente de concentración nos va a servir para poder estudiar y analizar como diferentes mecanismos celulares ocurren. Mientras mayor sea la diferencia entre ambos lados de la membrana, mayor será la velocidad de difusión. Así, cruzar la membrana plasmática puede ocurrir por diferentes mecanismos.

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En principio todas las sustancias difunden, por los que dependiendo del tamaño de la partícula puede ocurrir que difunda simplemente a través de la membrana biológica o a través de ciertas proteínas, que funcionan como canales específicos para esta partícula.

En este caso las denominaremos difusión simple. Cuando la partícula a transportar, por ejemplo es demasiado grande, traspasan la barrera de la membrana a través de proteínas específicas. La diferencia es que estas proteínas no forman un canal para esta partícula sino que la toman de un lado y la liberan del otro lado de la membrana. A este proceso lo definimos como difusión facilitada. Estos tipos de difusión no utilizan energía para que se produzcan, son transportes pasivos. Cuando es necesaria la utilización de energía para realizar un transporte los denominamos transportes activos, estos últimos transportan las partículas en contra de su propio gradiente de concentración*.

*Nota 2: gradiente concentración: para clarificar, podemos hacer simple analogía teniendo en cuenta que es un simple ejemplo. Si tenemos un cajon de manzanas y realizamos un agujero en el fondo del cajón, las manzanas saldrán (transporte) de un lugar en donde hay muchas a un lugar donde hay pocas (a favor de gradiente), definitivamente estamos frente a un transporte pasivo. Ahora bien, si nos piden que llenemos el mismo cajón con las mismas manzanas pero no tenemos otro medio para hacerlo que ingresar una a una por el agujero inferior del cajón (transporte). Al inicio será relativamente fácil, pero cuando el cajón se va llenando más difícil será ingresar las pocas manzanas que quedan (en contra del gradiente). Definitivamente, estamos en presencia de un transporte activo. Por cierto, existen maneras más fáciles de llenar un cajón de manzanas.

Si tiene alguna duda, consulte a su tutor por intermedio de la PLATAFORMA EDUCATIVA INTERACTIVA

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1.2 Núcleo

El núcleo es una estructura bien diferenciada dentro de una célula eucariota, posee una membrana formada por una bicapa lipídica similar a la membrana plasmática, denominada membrana nuclear. La membrana nuclear presenta poros por los cuales se transportas particulares desde y hacia en citoplasma. Para nuestro estudio no vamos a detallar la estructura y función del núcleo en forma exhaustiva. El núcleo posee toda la información necesaria para determinar la estructura y función celular especifica de cada una de las células del cuerpo. Esta información esa contenida en los genes ubicados en la molécula de ADN, además de relacionarse con la división celular. 1.3 Citoplasma

De igual manera que el estudio del núcleo, nos vamos a enfocar en las organelas que permiten el procesamiento de la energía, y materiales.

El citoplasma posee una fracción acuosa que se disuelven iones glucosa, aminoácidos, ATP. Es donde ocurren diferentes reacciones químicas. Embebidas dentro del citoplasma existen diferentes organelas, nosotros nos enfocaremos principalmente en las mitocondrias, los ribosomas. 1.3.1. Organelas celulares. Funciones y estructuras.

Las mitocondrias son las encargadas de producir ATP. Las células que presentan gran actividad fisiológica, en general presentan gran cantidad de mitocondrias. Las mitocondrias son estructuras con una doble membrana, la externa es lisa, en tanto que la interna presenta crestas. La superficie interna presenta una gran área donde se producen diferentes reacciones. Como si fueran células dentro ...